CC BY
31
собных работать без обслуживания длительное время». Наблюдается разрыв между наличием высокого уровня компьютерных информационных систем с различным программным обеспечением и надёжными датчиками первичной информации, к которым относятся представленные в настоящей работе пирометрические преобразователи.
Основными результатами представляемой работы являются:
1.Разработаны надёжные, работоспособные в условиях эксплуатации котельных агрегатов ТЭЦ пирометрические преобразователи, сопрягаемые с компьютерными сетями. Опытные образцы преобразователей в настоящее время используются в системах автоматического регулирования температуры в реакторах производства технического углерода на Омском заводе технического углерода. Условия эксплуатации реакторов практически не отличаются от условий эксплуатации котлов ТЭЦ.
2. Решены вопросы метрологического обеспечения пирометрических преобразователей.
3. Разработана функциональная схема пирометрического контроля процессов горения в топках ТЭЦ и обоснована необходимость её внедрения.
Список литературы
1. Устройство индикации наличия факела в топке котла «Факел 3М»: Техническое описание 92.2.556.048 ТО. Киев: ПО «Союзэнергоавтоматика», Центральное ПКБ, Киевский филиал, 1987. 20 с.
2. Холщев В. В. Температурный режим и контроль состояния экранных труб // Теплоэнегетика. 2000. № 8. С. 30-34.
3. Боровский А. В., Герасимов Л. Н., Дружинин С. А. [и др]. Пирометрический измерительный комплекс для стационарного контроля пылеугольной топки // Современные технологии автоматизации. 2000. № 4. С. 70-77.
4. Захаренко В. А., Веприкова Я. Р., Кропачев Д. Ю. Пирометр измерения температуры расплавов // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С 114-118.
5. Zakharenko V. A., Shkaev A. G., Ponomarev D. B. Pyrometer with tracking balancing // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 998. P. 012022. DOI: 10.1088/1742-6596/998/1/012022.
6. Захаренко В. А., Вальке А. А., Лобов Д. Г. Термографический контроль свода рекуперативной печи в производстве минеральной ваты // В мире неразрушающего контроля. 2016. Т. 19, № 1. С. 24-26.
УДК 621.372.8:621.315:519.863
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА НА ПОКАЗАТЕЛИ ГОТОВНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
MODELING THE INFLUENCE OF THE OPTICAL FIBER STRAIN ON THE PERFORMANCE READINESS OF FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINES
С. С. Лутченко, И. В. Богачков
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Sergey S. Lutchenko, Igor V. Bogachkov,
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В статье рассмотрена математическая модель, позволяющая определить показатели готовности волоконно-оптической линии связи в зависимости от степени натяжения оптического волокна при различных способах воздействия на него. В основу модели положена теория цепей Маркова. Адекватность модели исследуемому процессу достигается посредством учета ошибок диагностирования первого и второго рода. Применение разработанной модели позволяет определить допустимую периодичность обслуживания ВОЛС.
Ключевые слова: волоконно-оптическая линия связи, натяжение оптического волокна, растягивающее воздействие, температурное воздействие, математическая модель, истинное время, наблюдаемое время, коэффициент готовности.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-4-212-219
I. Введение
Опыт эксплуатации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) свидетельствует о том, что срок службы оптического кабеля (ОК) напрямую зависит от механических напряжений его оптических волокон (ОВ) [1-6].
Задача мониторинга и ранней диагностики оптических волокон (ОВ) в ОК остается актуальной. Причиной этому служит массовое распространение ВОЛС. Одним из вариантов решения этой задачи служит применение автоматических систем мониторинга ВОЛС, в составе которых имеются оптические импульсные рефлектометры (OTDR - optical time-domain reflectometers). Эти рефлектометры хорошо обнаруживают дефекты и повреждения ОВ и позволяют определить затухание в любой точке ВОЛС. К дефектам и повреждениям ОВ относят участке ОВ, в которых имеется повышенное натяжение или перепад температуры, изгибы или микроизгибы, нарушение целостности ОВ по причине несанкционированного доступа к нему.
Участки ОК, проложенные в грунт, могут испытывать повышенные механические нагрузки по причине проседания грунта. Участки ОК, подвешенные на опорах, испытывают механические нагрузки в случае обледенения кабеля. Это может привести к необратимым изменениям в ОВ ВОЛС, связанным с появлением повышенных механических напряжений в ОВ, что может значительно сократить срок службы ОК в целом [2-5].
Бесперебойная работа ВОЛС возможна только в том случае, когда осуществляется постоянный мониторинг ОВ для своевременного обнаружения участков с повышенным натяжением ОВ [1-4]. В статье рассмотрено влияние растягивающих нагрузок на долговечность ОК.
II. Постановка задачи
Чтобы оценить надежность ВОЛС важно владеть достоверной информацией о состоянии ОВ в ВОЛС. Не каждый оптический рефлектометр обнаруживает участке ОВ, в которых имеется повышенное натяжение. Для нахождения таких участков в ВОЛС должен использоваться метод бриллюновской рефлектометрии. По этой причине в систему мониторинга ВОЛС в обязательном порядке необходимо включать бриллюэновский оптический импульсный рефлектометр (BOTDR - Brillouin optical time-domain reflectometers).
Для того чтобы ВОЛС работала безотказно в течение всего срока эксплуатации, необходимо, чтобы в ОВ отсутствовали механические напряжения. Увеличение натяжения ОВ напрямую влияет на показатели надежности ВОЛС, а именно на ее долговечность. По данным, представленным фирмой Fujikura, имеется несколько диапазонов натяжения ОВ в процентном соотношении, при которых возможны различные сроки безотказной работы ОВ. В соответствии с этими данными натяжение ОВ менее 0,2% является допустимым и не влияет на срок службы ОВ. Диапазон натяжения ОВ более 0,6% недопустим, поскольку он ведет к разрушению ОВ (деградации). В диапазоне растягивающих нагрузок 0,2-0,6% уменьшается срок службы ОК. Как известно, гарантийный срок службы ОК составляет 25 лет. Чтобы этот срок не изменился в меньшую сторону, растягивающее воздействие должно быть менее 0,2%. Если величина натяжения достигнет значения 0,45%, то с вероятностью 50% произойдет обрыв ОВ.
В BOTDR осуществляется регистрация и анализ распределения спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (СРМБ) вдоль ОВ [1-6]. Проанализируем рефлектограммы BOTDR для участков ОВ с измененной растягивающей нагрузкой.
На рис. 1-4 приведены примеры BOTDR-графиков, полученных при экспериментальных исследованиях ОВ, содержащих участки с измененной растягивающей нагрузкой [4-6].
|morm|
Рис. 1. Рефлектограмма BOTDR в области «измененного» участка ОВ
В экспериментальных исследованиях, результаты которых представлены ниже, световод был составлен из одномодовых ОВ: ОВ^.652 (обычное ОВ), соединенное с ОВ^.657, которое, в свою очередь, было сварено с ОВ-в.653 (ББР) [5, 6].
На рис. 1 представлена рефлектограмма BOTDR с «измененным» участком ОВ, находящемся в проложенном ОК, который оказался под сильной смещающей нагрузкой. Место натяжения в ОВ хорошо заметно по смещению максимума СРМБ(В) с частоты 10.84 ГГц (/В0) в сторону увеличения /в(¥2) на частоту 11.08 ГГц.
На рис. 2 представлена соответствующая распределению СРМБ (рис. 1) развернутая картина натяжения в ОВ. Как видно из графика, натяжение в месте механического воздействия на ОК увеличилось более, чем на 0.45%, что является опасным для ОВ.
Рис. 2. Развернутая картина натяжения в ОВ
На рис. 3 показана рефлектограмма BOTDR того же световода при точечном растяжении в продольном направлении «проблемного» участка (продольная растягивающая сила составляла 0.5 Н, защитная оболочка ОВ не удалялась).
Рис. 3. Рефлектограмма BOTDR при растягивающем воздействии на участок ОВ
При нормальных условиях /в0 составляла 10.84 ГГц. На растягиваемом участке наблюдалось незначительное смещение СРМБ (В) в сторону увеличения^В(Р2), -/В!! стала 10.86 ГГц (в правом нижнем углу рефлек-тограмм BOTDR изображены профили СРМБ и выделена частота пика СРМБ).
На рис. 4 приведен график распределения натяжения этого же световода, соответствующий распределению СРМБ на рис. 3, при растяжении «проблемного» участка.
Рис. 4. График натяжения при растягивающем воздействии на участок ОВ
В растягиваемом месте (сплошная стрелка) наблюдается незначительное увеличение натяжения на 0.03% относительно ненапряженного участка (штриховые стрелки на рис. 4).
Представляет особый интерес оценка влияния данного фактора на надежность ВОЛС. Проанализируем зависимость коэффициента готовности ВОЛС от натяжения ОВ.
III. Теория
Тракт передачи будет находиться в состоянии готовности только в том случае, когда все его направления будут находиться в состоянии готовности. Рекомендация в.821 определяет следующие параметры готовности тракта: коэффициент готовности КГ и коэффициент неготовности КНГ. Коэффициент готовности определяется как отношение времени, в течение которого тракт находится в состоянии готовности, к общему времени наблюдения. Коэффициент неготовности - это отношение времени, в течение которого тракт находится в состоянии неготовности, к общему времени наблюдения. Для определения коэффициента готовности применяется теория цепей Маркова и вероятностное моделирование [4-9].
Построение математической модели выполнялось в несколько этапов. Эти этапы описаны в [4-9]
Исследуемая система (ВОЛС) может находиться в следующих состояниях:
80 - исправное состояние;
- состояние при растягивающем воздействии на оптоволоконный кабель (ОК);
82 - состояние явного отказа;
- состояние скрытого отказа;
- состояние ложного отказа;
8ТО - техническое обслуживание (ТО) исправной системы.
^¡то - ТО при растягивающем воздействии на ОК;
$зто - ТО при скрытом отказе.
Граф состояний, используемых в модели, представлен на рисунке 5.
В начальный момент времени (/ = 0) вся система находится в состоянии Б0. Исследуемая система непрерывно работает время Т (время периодичности, или цикл). Проверка работоспособности и техническое обслуживание (ТО) системы возможны только по окончании времени Т [10-12].
Во время наработки Т на ОВ оказывают влияние внешние факторы; в рассматриваемой модели такими факторами выступают различные воздействия на ОВ, приводящие к его растяжению. Это воздействие переводит систему в состояние 8]. В этом состоянии система может подвергнуться критическим нагрузкам, и тогда она перейдет в состояние отказа 82. Из состояния 8] система может перейти в состояние 81ТО. Это будет означать, что система проходит плановое ТО. В состоянии 81ТО система находится время п необходимое для ее проверки. Во время проверки возможен отказ системы, и тогда она перейдет из состояния Б1ТО в состояние Б2.
Из-за ошибки диагностирования второго рода возможен переход системы в состояние скрытого отказа. Возможной причиной перехода системы из 81ТО в ^ является некорректный выбор характеристик в модуле тестирования (в рефлектометре) системы мониторинга ОВ, что могло привести к образованию нерегулярностей в зоне обнаружения, которые не удалось зафиксировать. Если в состоянии Б1ТО не отказала, то она возвращается в исходное состояние Б0. В дальнейшем цикл эксплуатации повторяется.
При нахождении системы в начальном состоянии Б0 за время, не превышающее Т, может произойти ее отказ. Этот отказ характеризуется переходом в состояние Б2. Если система безотказно проработала время Т в состоянии 80, то осуществляется переход в состояние 8ТО. В этом состоянии происходит проверка системы. Длительность проверки составляет р
В состояние Sз система переходит только во время проверки и будет оставаться в нем до следующей проверки. Из состояния происходит безусловный переход в состояние Б3ТО. Из состояния БзТО возможен переход в состояние отказа по причине обнаружения отказа, из которого она вернется в состояние исправной работы. Если отказ окажется необнаруженным, то система вернется в состояние Б3. Причиной возвращения системы в состояние скрытого отказа служит ошибка диагностирования /32.
Система может перейти в состояние ложного отказа Б4. Ложный отказ появляется по причине действия в системе ошибки диагностирования первого рода встроенной диагностической аппаратуры. Своевременное обнаружение ложного отказа возвращает систему в исходное состояние. Каждый раз, когда система переходит в исходное состояние Б0, цикла ее эксплуатации повторяется.
Методика определения коэффициента готовности подробно рассмотрена в [7-11]. Коэффициент готовности определяется по следующему алгоритму.
1. Записывается матрица переходных вероятностей Р соответствии с графом состояний системы (рис. 5).
Матрица переходных вероятностей приведена в работах [7-9].
Запишем вероятности перехода системы из состояния Б, в состояние Бу. Вероятности представлены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
Исходное состояние (Б,) Вероятность перехода Конечное состояние (Б)
[1-¥02(Т)] Г01(Т) Б;
(\-Р1)Г02(Т) 52
5о РгРш(Т) Бз
а, [1 -Г02(Т)][\ -Г01(Т)] Б4
(1 -а1 )[1 - *0/Т)][1-Г01(Т)] Бто
(1-Рг№п(Т) 52
Б; РгРа(Т) Бз
(1 -а )[1 - Еи(Т)\ Б1ТО
а, [1 -Г12(Т)] 54
52 1 Бо
Бз 1 Б3ТО
б4 1 Бо
Исходное состояние (8) Вероятность перехода Конечное состояние (8У)
8то (1-02 ) Fто(tp) 82
83
а2 [1 - Fто(tp)_ 84
81ТО (1 -а2) [1 - Fm(tp)] 80
(1-02 ) Fто(tp) 82
№ЮОр) 83
а2 '} - Fто(tp)_ 84
8зто 1 -02 82
83
2. Записывается матрица - строка финальных вероятностей [7-9].
я = \я0(Т), я(Т), тт2(Т), я3(Т), я4(Т), ят(Т), тт1ТО(Т), язт(Т)\, (1)
3. Определяются финальные вероятности нахождения системы в каждом состоянии. Для этого необходимо перемножить матрицу переходных вероятностей на матрицу-строку финальных вероятностей и выполнить необходимые преобразования [9-11].
я = я • Р
VI- (2)
Ъя = 1
4. Для определения функционала готовности ВОЛС необходимо определить истинное ю(Т и наблюдаемое и,(Т) время нахождения системы в определенных состояниях.
Истинное время определяется для следующих состояний: 80, и 84.
т
^ (Т) = Ъру \vijdFj V ), (3)
] 0
где р, - вероятность перехода из данного состояния,
ц - время пребывания системы в данном состоянии,
- функция распределении для данного шага процесса[8 -10].
В качестве примера запишем формулу для определения истинного времени для состояния 80:
V
Шд(Т) = |[1 - ^2(Т)][1 - ^(Т)] йт.
0
Наблюдаемое время определяется для следующих состояний: 80, 8;, 82, 83 и 84.
т
Ч(Т ) = & \vjdFj V ) . (4)
] о
Запишем формулу для определения наблюдаемого времени для состояния 80:
т т
У0(Т) = |[1 - ^2(Т)] [1 -^(Т)] йт + 0,|^2(т)йт.
Первое слагаемое этой формулы будет равно истинному времени нахождения системы в состоянии 5"0. На второе слагаемое влияет ошибка диагностирования второго рода встроенной аппаратуры диагностирования р1. Тогда можно записать это выражение следующим образом:
v0(T) = m0(T) + ß, j F02(T)dz.
Для определения коэффициента готовности КГ(Т)используем полученные выше выражения для финальных вероятностей п(Т) (1)-(2), для истинного ю,(Т) (3) и наблюдаемого и(Т) (4). Формула для КГ(Т) выглядит следующим образом:
Кг (T ) =
я0 (T) m0 (T) + я, (T) m, (T) + я4 (T) m4 (T)
я0 (T) v0 (T) + я, (T) vt (T) + я2 (T) v2 (T) + я3 (T) v3 (T) + я4 (T) v4 (T)
(5)
Решить данную задачу возможно при помощи математических программ (Math CAD), обладающих возможностью не только численного, но и символьного решения многих задач, имеющих математический аппарат, необходимый для нахождения решений линейных алгебраических уравнений [7-11].
IV. Результаты экспериментов
По полученным после расчета результатам строится график зависимости долговечности ОВ от величины растягивающего воздействия. График представлен на рис. 6.
1
л н о о Я F
<D «
О
u
«
О «
25
20
15
10
0,4 0,6
Натяжение, %
Рис. 6. График зависимости долговечности от величины растягивающего воздействия на ОВ
По графику можно определять долговечность ОВ от величины натяжения и рассматривать необходимую величину натяжения ОВ при заданной долговечности.
V. Обсуждение результатов
Примем допустимое значение коэффициента готовности КГ(Т) = 0.999. По этому значению будем определять срок службы ВОЛС. При натяжении ОВ на уровне 0.2% срок службы ВОЛС составил 25 лет. При увели-
0
5
0
чении натяжения ОВ до уровня 0.33%, срок службы ОВ составил 13 лет. Дальнейшее увеличение натяжения до значения 0.45% привело к снижению срока службы ВОЛС до 8 лет.
VI. Выводы и заключение
На основании проведенных оценок можно сделать вывод, что изменение натяжения ОВ оказывает влияние на показатели долговечности ВОЛС.
Моделирование процессов распространения оптического сигнала в ОВ с учетом приведенных формул позволяет определить характеристики долговечности ВОЛС.
Включение BOTDR в систему мониторинга ВОЛС существенно повышает ее надежность, так как позволяет заблаговременно обнаруживать «проблемные» участки в ОВ.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 8.9334.2017/8.9).
Список литературы
1. Богачков И. В., Лутченко С. С., Копытов Е. Ю. Определение коэффициента готовности ВОЛС в зависимости от внешних воздействий и ошибок диагностирования // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Т. 12, № 6. С. 51-55.
2. Лутченко С. С., Богачков И. В. Оценка коэффициента готовности волоконно-оптических линий связи с учетом внешних воздействий и ошибок диагностики // Systems of signais generating and processing in the field of onboard communications: тр. Междунар. конф. М., 2018. С. 1-6.
3. Богачков И. В. Обнаружение предаварийных участков оптических волокон с помощью метода брил-люэновской рефлектометрии // Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Т. 6, № 4. С. 88-95. DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-88-95.
4. Богачков И. В., Трухина А. И. Раннее выявление предаварийных участков оптических волокон с помощью бриллюэновского рефлектометра // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2018. Т. 9, №1. С. 36-41.
5. Богачков И. В. Температурные зависимости спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в оптических волокнах различных типов // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2017. Т. 8, № 1. С. 8-11.
6. Богачков И. В. Экспериментальные исследования температурных зависимостей спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах различных видов // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. № 4. С. 171-178.
7. Bogachkov I. V., Lutchenko S. S. Reliability assessment of fiber optic communication lines depending on external factors and diagnostic errors // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1015. P. 1-7. DOI: 10.1088/1742-6596/1015/2/022005.
8. Лутченко С. С., Богачков И. В. Влияние натяжения оптического волокна на коэффициент готовности ВОЛС // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2018. Т. 9, № 2. С. 125-130.
9. Лутченко С. С., Копытов Е. Ю., Богачков И. В. Оценка надежности ВОЛС с учетом влияния внешних факторов // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 4. С. 34-39. DOI: 10.25206/2310-9793-2017-54-34-39.
10. Майстренко В. А., Богачков И. В., Копытов Е. Ю., Любченко А. А., Лутченко С. С., Castillo P. A. Подход к расчету комплексных показателей надежности и периодичности технического обслуживания ВОЛС // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. АПЭП-2016. Новосибирск, 2016. Т. 7. С. 73-78.
11. Лутченко С. С., Копытов Е. Ю., Богачков И. В. Методика определения готовности и интервалов технического обслуживания волоконно-оптических линий // Тр. Междунар. науч.конф. SIBC0N-2015. Омск, 2015. С. 1-5.
