DE112022003645T5

DE112022003645T5 - Fahrzeuggestützte erdkabellokalisierung mit verteilter faseroptischer abtastung

Info

Publication number: DE112022003645T5
Application number: DE112022003645.1T
Authority: DE
Inventors: Ming-Fang Huang; Shaobo HAN; Yuheng Chen; Milad SALEMI; Ting Wang
Original assignee: NEC Laboratories America Inc
Current assignee: NEC Laboratories America Inc
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-05-02
Also published as: WO2023004084A1; US20230027287A1

Abstract

Systeme und Verfahren zur automatischen Identifizierung einer unterirdischen Glasfaserkabellänge von DFOS-Systemen in Echtzeit und deren Verknüpfung mit GPS-Koordinaten, die vorteilhafterweise die Notwendigkeit einer Inspektion/Arbeit vor Ort durch Servicepersonal zur Durchführung solcher Entfernungs-/Ortsbestimmungen in Echtzeit beseitigen. Ineffiziente, fehleranfällige und arbeitsintensive Methoden nach dem Stand der Technik werden dadurch überflüssig. Unsere Methode beinhaltet das Fahren von Fahrzeugen mit GPS zur Erzeugung von Verkehrsmustern und die automatische Kartierung von Verkehrsbahnsignalen eines verlegten erdverlegten Glasfaserkabels zur Lokalisierung der geografischen Position(en) des erdverlegten Glasfaserkabels. Verkehrsmuster werden automatisch erkannt, der Durchhang des Glasfaserkabels wird berücksichtigt, der Standort von Ampeln und anderen Verkehrssteuerungseinrichtungen kann bestimmt werden, und Abbiegungen im Glasfaserkabel können ebenfalls bestimmt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf faseroptische Telekommunikationseinrichtungen. Insbesondere werden Systeme und Verfahren zur fahrzeuggestützten Lokalisierung von Erdkabeln unter Verwendung von verteilter faseroptischer Sensorik (DFOS) beschrieben.
HINTERGRUND
Wie Fachleute wissen, ist die optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) eine nützliche Technik zur Bestimmung der Länge und des Verlusts moderner Glasfaser-Telekommunikationseinrichtungen. Für die Lokalisierung von Kabeln lieferte OTDR - in Verbindung mit der Erfahrung eines Technikers - fundierte Abschätzungen über die Lage von Glasfasereinrichtungen entsprechend der Kabellänge. In Anbetracht der weiten Verbreitung von Glasfaser-Telekommunikationseinrichtungen und der Tatsache, dass sie moderne Telekommunikationsdienste ermöglichen, wären Systeme und Methoden, die eine einfachere und genauere Lokalisierung von Glasfasereinrichtungen ermöglichen, eine willkommene Ergänzung der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Fortschritt in der Technik wird gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung gemacht, die sich auf Systeme und Verfahren zur automatischen Identifizierung einer unterirdischen Glasfaserkabellänge von DFOS-Systemen in Echtzeit und deren Verknüpfung mit GPS-Koordinaten bezieht.
In krassem Gegensatz zum Stand der Technik machen Systeme und Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine Inspektion / Arbeit vor Ort durch Servicepersonal überflüssig, um solche Entfernungs- / Standortbestimmungen in Echtzeit vorzunehmen. Ineffiziente, fehleranfällige und arbeitsintensive Methoden des Standes der Technik sind damit obsolet.
Im operativen Bereich umfasst unsere erfinderische Offenbarung das Fahren von Fahrzeugen mit GPS, um Verkehrsmuster zu erzeugen und automatisch Verkehrsbahnsignale von einem verlegten unterirdischen Glasfaserkabel abzubilden, um die geografische(n) Position(en) des unterirdischen Glasfaserkabels zu lokalisieren. Wie wir weiter ausführen werden, ergeben sich mehrere vorteilhafte Aspekte unserer erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren, nämlich die automatische Erkennung von Verkehrsmustern, die Berücksichtigung des Durchhangs im Glasfaserkabel, die Bestimmung des Standorts von Ampeln und anderen Verkehrskontrollgeräten/-strukturen sowie die Bestimmung von Windungen im Glasfaserkabel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erreicht werden, wobei:

1 ist ein schematisches Diagramm eines verteilten faseroptischen Erfassungssystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2(A) ist ein schematisches Diagramm, das ein Systemlayout einer Sensorschicht zeigt, die über eine bereits eingesetzte optische Faser gelegt ist; 2(B) zeigt ein illustratives Diagramm für ein Schema gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und 2(C) zeigt eine illustrative Wasserfallspur gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3 ist ein schematisches Diagramm, das den Fall 1 illustriert: Geradliniger Kabelabschnitt, der gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung untersucht wird;
4(A) ist ein schematisches Diagramm, das den Fall 2 illustriert: Gerade Linie, Schacht zwischen den zu untersuchenden Kabelabschnitten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und 4(B) ist ein Diagramm, das Wasserfalldaten illustriert, die durch einen illustrativen DFOS-Betrieb gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung gesammelt wurden;
5 ist ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung von Fall - 3: Ampel (Alle Halt durch rechte Lichter) Kabelabschnitt unter Untersuchung nach den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
6 ist ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung von Fall - 4: Ampel (1 Passieren 2 Stop durc rechte Lichter) Kabelabschnitt unter Untersuchung nach den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
7 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Fall 4 illustriert: Kabelwendungen Kabelabschnitt, der gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung untersucht wird;
8 ist ein schematisches Flussdiagramm eines illustrativen Gesamtprozesses gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
9 ist ein schematisches Diagramm, das eine Architektur für die automatische Kartierung der geografischen Lage von Glasfaserkabeln gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
10 zeigt illustrative Wasserfallspuren mit Fahrzeugtrajektorien gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
11 ist eine schematische Darstellung der Fahrzeugtrajektorien aus Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
12 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer geografischen Spur auf Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
13 ist eine schematische Darstellung, die das Verschieben der geografischen Spur auf Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
14 ist eine schematische Darstellung, die das Auffinden der horizontalen Abschnitte auf Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
15 ist eine schematische Darstellung des angepassten Pfades gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
16 ist eine schematische Darstellung eines optimalen Pfades auf einer Wasserfallspur gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
17 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit der integrierten Wasserfallintensität vom horizontalen Versatz gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
18 ist ein schematisches Diagramm, das die automatische Kabelzuordnung durch DFOS (DAS/DVS) gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
19 ist ein Flussdiagramm, das einen Gesamtprozess für die automatische Kabelzuordnung durch DFOS gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung illustriert.

Die illustrativen Ausführungsformen werden in den Abbildungen und der ausführlichen Beschreibung ausführlicher beschrieben. Ausführungsformen gemäß dieser Offenbarung können jedoch in verschiedenen Formen verkörpert werden und sind nicht auf die in der Zeichnung und der detaillierten Beschreibung beschriebenen spezifischen oder illustrativen Ausführungsformen beschränkt.
BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden lediglich die Grundsätze der Offenbarung erläutert. Es wird daher anerkannt, dass Fachleute in der Lage sind, verschiedene Anordnungen zu entwickeln, die, obwohl sie hier nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt werden, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in deren Geist und Umfang enthalten sind.
Darüber hinaus sind alle hier angeführten Beispiele und bedingten Ausdrücke nur zu pädagogischen Zwecken gedacht, um dem Leser das Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der von dem/den Erfinder(n) zur Förderung des Standes der Technik beigetragenen Konzepte zu erleichtern, und sind so auszulegen, dass sie keine Beschränkung auf diese speziell angeführten Beispiele und Bedingungen darstellen.
Darüber hinaus sollen alle hierin enthaltenen Aussagen, die sich auf Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung sowie auf spezifische Beispiele davon beziehen, sowohl strukturelle als auch funktionale Äquivalente davon einschließen. Darüber hinaus sollen solche Äquivalente sowohl derzeit bekannte Äquivalente als auch in der Zukunft entwickelte Äquivalente umfassen, d. h. alle entwickelten Elemente, die unabhängig von ihrer Struktur die gleiche Funktion erfüllen.
So werden beispielsweise Fachleute erkennen, dass alle hierin enthaltenen Blockdiagramme konzeptionelle Ansichten von Schaltkreisen darstellen, die die Prinzipien der Offenlegung verkörpern.
Sofern hier nicht ausdrücklich anders angegeben, sind die FIGs der Zeichnung nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Als zusätzlichen Hintergrund möchten wir anmerken, dass verteilte faseroptische Sensorsysteme opto-elektronische Integratoren mit einer optischen Faser (oder einem Kabel) verbinden und die Faser in eine Anordnung von Sensoren umwandeln, die entlang der Länge der Faser verteilt sind. In der Tat wird die Faser zum Sensor, während der Interrogator Laserlichtenergie in die Faser einspeist und Ereignisse entlang der Faserlänge erfasst/ermittelt.
Wie Fachleute wissen und zu schätzen wissen, kann die DFOS-Technologie zur kontinuierlichen Überwachung von Fahrzeugbewegungen, Personenverkehr, Grabungsaktivitäten, seismischen Aktivitäten, Temperaturen, struktureller Integrität, Flüssigkeits- und Gaslecks und vielen anderen Bedingungen und Aktivitäten eingesetzt werden. Sie wird weltweit zur Überwachung von Kraftwerken, Telekommunikationsnetzen, Eisenbahnen, Straßen, Brücken, internationalen Grenzen, kritischen Infrastrukturen, terrestrischen und unterseeischen Stromleitungen und Pipelines sowie für Bohrlochanwendungen in der Öl- und Gasindustrie und für die verbesserte geothermische Stromerzeugung eingesetzt. Vorteilhaft ist, dass verteilte faseroptische Sensoren nicht durch die Sichtlinie oder den Zugang zu einer entfernten Stromversorgung eingeschränkt sind und - je nach Systemkonfiguration - in kontinuierlichen Längen von mehr als 30 Meilen mit Sensoren/Detektoren an jedem Punkt der Länge eingesetzt werden können. Daher können die Kosten pro Messpunkt über große Entfernungen von konkurrierenden Technologien in der Regel nicht erreicht werden.
Die faseroptische Sensorik misst Veränderungen in der „Rückstreuung“ von Licht, die in einer optischen Sensorfaser auftreten, wenn die Sensorfaser auf Vibrationen, Dehnungen oder Temperaturänderungen trifft. Wie bereits erwähnt, dient die Sensorfaser über ihre gesamte Länge als Sensor, der in Echtzeit Informationen über die physikalische Umgebung/Umgebung und die Integrität/Sicherheit der Faser liefert. Darüber hinaus ermöglichen die verteilten faseroptischen Messdaten eine genaue Lokalisierung von Ereignissen und Bedingungen, die an oder in der Nähe der Messfaser auftreten.
Ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung der allgemeinen Anordnung und des Betriebs eines verteilten faseroptischen Erfassungssystems, das eine Analyse mit künstlicher Intelligenz und eine Cloud-Speicherung/einen Cloud-Dienst umfasst, ist in 1 dargestellt. In 1 ist eine optische Erfassungsfaser zu sehen, die wiederum mit einem Abfragegerät verbunden ist. Wie bekannt, sind moderne Abfragesysteme Systeme, die ein Eingangssignal für die Faser erzeugen und reflektierte/gestreute und anschließend empfangene Signale erkennen/analysieren. Die Signale werden analysiert, und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das die Umgebungsbedingungen entlang der Faser angibt. Die auf diese Weise empfangenen Signale können aus Reflexionen in der Faser resultieren, z. B. Raman-Rückstreuung, Rayleigh-Rückstreuung und Brillion-Rückstreuung. Es kann sich auch um ein Signal in Vorwärtsrichtung handeln, das die Geschwindigkeitsdifferenz mehrerer Moden nutzt. Ohne die Allgemeingültigkeit zu verlieren, wird in der folgenden Beschreibung von einem reflektierten Signal ausgegangen, obwohl die gleichen Ansätze auch auf ein vorwärts gerichtetes Signal angewendet werden können.
Ein modernes DFOS-System besteht aus einem Abfragegerät, das periodisch optische Impulse (oder ein beliebiges kodiertes Signal) erzeugt und diese in eine optische Faser einspeist. Das eingespeiste optische Impulssignal wird entlang der optischen Faser übertragen.
An Stellen entlang der Faser wird ein kleiner Teil des Signals gestreut/reflektiert und an das Abfragesystem zurückgegeben. Das gestreute/reflektierte Signal enthält Informationen, die das Abfragesystem zur Erkennung verwendet, wie z. B. eine Änderung des Leistungspegels, die beispielsweise auf eine mechanische Vibration hinweist.
Das reflektierte Signal wird in den elektrischen Bereich umgewandelt und im Interrogator verarbeitet. Anhand der Impulsinj ektionszeit und der Zeit, zu der das Signal erkannt wird, bestimmt das Abfragegerät, an welcher Stelle entlang der Faser das Signal kommt, und kann so die Aktivität an jeder Stelle entlang der Faser erfassen.
Distributed Acoustic Sensing (DAS)/ Distributed Vibrational Sensing (DVS) Systeme detektieren Vibrationen und erfassen akustische Energie entlang der Länge der optischen Sensorfaser. Vorteilhafterweise können bestehende, verkehrsführende Glasfasernetze genutzt und in einen verteilten akustischen Sensor umgewandelt werden, der Echtzeitdaten erfasst. Klassifizierungsalgorithmen können zur Erkennung und Lokalisierung von Ereignissen wie Lecks, Kabelfehlern, Einbrüchen oder anderen abnormalen Ereignissen, einschließlich akustischer und/oder Vibrationen, verwendet werden.
Derzeit werden verschiedene DAS/DVS-Technologien eingesetzt, wobei die gängigste auf der kohärenten optischen Zeitbereichsreflektometrie (C-OTDR) basiert. C-OTDR nutzt die Rayleigh-Rückstreuung, so dass akustische Frequenzsignale über große Entfernungen erfasst werden können. Ein Abfragesystem sendet einen kohärenten Laserimpuls entlang einer optischen Sensorfaser (Kabel). Die Streustellen in der Faser bewirken, dass die Faser wie ein verteiltes Interferometer mit einer Messlänge, die der Pulslänge entspricht (z. B. 10 Meter), wirkt. Akustische/mechanische Störungen, die auf die Sensorfaser einwirken, führen zu einer mikroskopisch kleinen Dehnung oder Stauchung der Faser (Mikrodehnung), was eine Änderung der Phasenlage und/oder der Amplitude der darin verlaufenden Lichtimpulse bewirkt.
Bevor ein nächster Laserpuls übertragen wird, muss ein vorheriger Puls Zeit gehabt haben, die gesamte Länge der Sensorfaser zu durchlaufen und seine Streuungen/Reflexionen zurückzugeben. Die maximale Pulsrate wird also durch die Länge der Faser bestimmt. Daher können akustische Signale gemessen werden, die mit Frequenzen bis zur Nyquist-Frequenz variieren, die in der Regel die Hälfte der Impulsrate beträgt. Da höhere Frequenzen sehr schnell abgeschwächt werden, liegen die meisten für die Erkennung und Klassifizierung von Ereignissen relevanten Frequenzen im unteren Bereich von 2 kHz.
Wie wir zeigen und beschreiben werden und wie bereits erwähnt, erkennen/interpretieren unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren automatisch Schwingungssignale, die aus dem DFOS-Betrieb mit ausgelegten Glasfaserkabeln resultieren, um Kabelschwingungen zu erkennen/zu lokalisieren, die beispielsweise durch Fahrzeuge verursacht werden, die sich in ausreichender Nähe zum ausgelegten Glasfaserkabel befinden.
Wie bekannt, besitzen und betreiben Telekommunikationsanbieter und Netzbetreiber Millionen von Kilometern verlegter Glasfaserkabel. Fachleute wissen, dass es für Carrier entscheidend ist, die geografischen Positionen von Glasfaserkabeln zu lokalisieren, wenn ein Fehler auftritt (z. B. ein Glasfaserdurchbruch). Oftmals stützen sich Wartungsarbeiten auf vorherige Informationen und Kenntnisse über die Lage und Ausrichtung von Kabeln, die manchmal aus Bauplänen eines Einsatzortes oder aus Notizen und Fotos, die während des Baus/der Verlegung von Faserkabeln gemacht/aufgezeichnet wurden, gewonnen werden können. Wenn solche Vorkenntnisse fehlen oder nicht verfügbar sind, ist es für die Telekommunikationsunternehmen und deren Betreiber schwierig, ein genaues Segment oder einen genauen Ort eines Glasfaserkabels zu lokalisieren, das inspiziert oder repariert werden muss. Daher ist die Lokalisierung solcher Abschnitte eines Glasfaserkabels für die Betreiber von großer Bedeutung, um die Anlagen effizient zu warten.
Die derzeit weit verbreiteten Methoden zur Lokalisierung von Kabeln verwenden in der Regel die optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) zur Messung von Faserlänge und -verlust. OTDR wird in Verbindung mit der Erfahrung der Techniker verwendet, um einen geografischen Standort von Interesse zu schätzen/zu bestimmen, indem er mit der Faserlänge korrespondiert. Leider lassen sich mit den heutigen OTDR-Messsystemen und -Verfahren keine geografischen Karten erstellen, und eine genaue Lokalisierung ist nicht möglich, was zum Teil auf das Vorhandensein von Kabel durchhang entlang einer bestimmten Kabeltrasse zurückzuführen ist.
Wir haben bereits Verfahren beschrieben, bei denen DFOS-Technologien (Distributed Fiber Optic Sensing) und KI-Algorithmen eingesetzt werden, um die Lage von Kabeln zu erkennen, indem Signale von außen mit einem mechanischen Vibrator angeregt werden. Diese Methoden sind jedoch immer noch auf Menschen/Techniker angewiesen, die den mechanischen Vibrator vor Ort manuell bedienen. Diese Verfahren sind nach wie vor ineffizient, fehleranfällig und arbeitsintensiv. Für einen groß angelegten Einsatz vor Ort wird eine Selbstbestimmungsmethode benötigt, um die Zielvibrationssignale von der gesamten Glasfaserkabeltrasse zu erkennen und in verschiedenen Szenarien zu unterscheiden. Dementsprechend und wie bereits erwähnt, besteht ein Aspekt der vorliegenden Offenlegung darin, erfindungsgemäße Systeme und Verfahren zu beschreiben, die automatisch die Länge von Erdkabeln aus den Wasserfalldaten von DFOS-Systemen in Echtzeit identifizieren und sie mit GPS-Koordinaten verknüpfen, die mit Fahrzeugen im Feld verbunden sind. Vorteilhafterweise können die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung jeden Feldeinsatz zur Bestimmung der Faserkabelstandorte eliminieren, wie es im Stand der Technik der Fall ist.
2(A) ist ein schematisches Diagramm, das ein Systemlayout einer Sensorschicht zeigt, die über eine bereits vorhandene optische Faser gelegt wird. 2(B) zeigt ein illustratives Diagramm für ein Schema gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 2(C) zeigt eine illustrative Wasserfallkurve gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
zeigt eine Konfiguration mit einer Sensorschicht, die über bestehende Glasfasernetze gelegt wird. Das verteilte faseroptische Erfassungssystem (DFOS) (101), das verteilte akustische Erfassungsmethoden (DAS) und/oder verteilte Vibrationserfassungsmethoden (DVS) einsetzen kann, ist in einem Kontrollbüro (Central Office CO) / einer Zentrale (100) zur Fernüberwachung einer gesamten Kabeltrasse dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist das DFOS-System mit der optischen Feldfaser verbunden, um die Erfassungsfunktionen bereitzustellen. Vorteilhafterweise kann es sich bei der Faser um eine dunkle Faser oder eine Betriebsfaser handeln, die Live-Verkehr von einem oder mehreren Dienstanbietern überträgt.
Um erkennbare Verkehrsmuster zu erzeugen, werden 3 Lastwagen (201) dargestellt, die an einer Vermessung beteiligt sind und gemeinsam entlang der Kabeltrasse fahren. Wie in 2(B) gezeigt, unterscheiden sich die Verkehrsmuster der drei aufeinanderfolgenden Lastwagen vom normalen Straßenverkehr, der mit Hilfe von Systemen, Methoden und Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) erkannt werden kann. Das GPS-Gerät (202) wird von jedem Lkw (201) mitgeführt und überträgt GPS-Koordinaten und Zeitstempel des jeweiligen Lkw an das in der Zentrale (CO) befindliche Kopplungssystem (102). Durch den Abgleich der Zeitstempel des GPS-Geräts und des DFOS-Systems kann die geografische Position des Zielortes mit der Faserentfernung aus den Wasserfalldaten und den GPS-Koordinaten in der KI-Plattform (103) gepaart werden.
zeigt ein Beispiel für Wasserfalldaten, die von einem beispielhaften DFOS-System mit einer verfolgten Fahrzeugtrajektorie erfasst wurden. Für das eine verfolgte Fahrzeug kann das Verkehrsmuster vom übrigen Straßenverkehr unterschieden werden. Eine weitere Unterscheidung ist möglich, wenn drei Lkw zusammen als Einheit fahren.
Fachleute werden erkennen, dass unsere erfindungsgemäße Verwendung von 3 Fahrzeugen zahlreiche Vorteile bietet, von denen wir jetzt festgestellt haben, dass sie unter anderem die folgenden sind. Erstens ist es einfacher, den gezielten Verkehrsverlauf von Wasserfallspuren zu unterscheiden als von normalen Straßenverkehrssignalen. Zweitens kann jede Stelle eines vergrabenen Kabels durch fahrende Lkw entdeckt werden - auch wenn das Glasfaserkabel nur wenige Meter von der Straße entfernt ist, können die von schweren Lkw erzeugten Vibrationen von DFOS-Systemen erfasst werden. Drittens, wenn einige Stellen nicht zugänglich sind, verfügt die KI-Analyseplattform über Anpassungsalgorithmen, die auf zwei Punkten davor und danach basieren. Viertens kann der Abstand zwischen den Fahrzeugen anhand von zwei GPS-Positionen bestimmt werden. Schließlich können bestimmte Einrichtungen entdeckt werden, nämlich die Standorte von Schächten und die Menge an schlaffen Fasern, Ampeln (wenn die Vermessungsfahrzeuge an roten Ampeln anhalten) und die Standorte von Kabelabzweigungen. Man beachte, dass die obige Liste der Vorteile verkürzt ist und weitere Vorteile unserer erfinderischen Methoden, Systeme und Techniken in der folgenden Diskussion deutlicher werden.
3 ist ein schematisches Diagramm, das den Fall 1 illustriert: Geradliniger Kabelabschnitt, der gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung untersucht wird. In dieser Abbildung ist zu erkennen, dass ein Vermessungsfahrzeug zu unterschiedlichen Zeitpunkten (T1, T2) zwei Orte (L1, L1') passiert. Bei T1 kann das Kopplungssystem die GPS1-Koordinaten und die Kabellänge L1 im GIS-System abbilden, während bei T2 die GPS1-Koordinaten mit L1' gekoppelt werden. Da es sich um ein geradliniges Kabel handelt, ist die Entfernung vom GPS (GPS1' - GPS1) gleich der Kabellänge vom DFOS (L1' - L1). Darüber hinaus dienen der zweite und der dritte Lkw nicht nur der Erstellung von Verkehrstrajektorien, sondern auch der Systemvalidierung, z. B. die Entfernung von GPS2' - GPS2 = L2' - L2 und GPS3' - GPS3 = L3' - L3.
4(A) ist ein schematisches Diagramm, das den Fall 2 illustriert: Gerade Linie, Schacht zwischen dem zu untersuchenden Kabelabschnitt gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und 4(B) ist ein Diagramm, das Wasserfalldaten illustriert, die durch einen illustrativen DFOS-Betrieb gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung gesammelt wurden. Wie man sehen kann, zeigt diese Abbildung Schächte entlang einer Glasfaserkabeltrasse. Wenn ein Fahrzeug auf der Straße fährt, gibt es eine Neigung für die Verkehrstrajektorie. Die Neigung ist jedoch flach, wenn ein Schacht mit schlaffen Fasern darin passiert wird. Dies ist aus 4(B) ersichtlich, die vom DFOS erfasste Felddaten enthält. In diesem anschaulichen Fall ist die Kabellänge (L1' - L1) länger als die GPS-Entfernung (GPS1' - GPS1). Die Differenz ist auf die schlaffen Fasern (x) im Schacht zurückzuführen: x = (L1' - L1) - (GPS1' - GPS1). Außerdem können die Informationen (Koordinaten und Kabellänge) des Schachtes am T1 (Startpunkt der flachen Piste) mit den entsprechenden GPS1 und L1 bestimmt werden
5 ist ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung Fall - 3: Ampel (Alle stoppen durch rechte Lichter) Kabelabschnitt unter Untersuchung nach den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie zu sehen ist, zeigt diese Abbildung ein Beispiel, in dem Umfrage Lastwagen durch Ampeln gestoppt. Aus den Wasserfalldaten wird die Verkehrstrajektorie unterbrochen. Bei T1, wenn das Vermessungsfahrzeug durch die rote Ampel angehalten wird, werden die Verkehrsmuster ebenfalls entfernt. Die Muster werden nach der grünen Ampel und T2 fortgesetzt. Daher können die Informationen über die Ampel bei T1 mit dem entsprechenden GPS1 und L1 ermittelt werden. Die Rotlichtphase kann als T2 - T1 bezeichnet werden. Man beachte, dass die Ampeln nur dann erkannt werden können, wenn der Verkehr durch rote Ampeln - oder andere ähnliche Verkehrssteuerungseinrichtungen - angehalten wird.
6 ist ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung von Fall - 4: Ampeln (1 Passieren 2 Halt durch rechte Lichter) Kabelabschnitt unter Untersuchung nach den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie zu sehen ist, zeigt diese Figur das Beispiel wobei einige SVermessungs-Lkw durch Ampeln gestoppt, aber nicht alle der Lastwagen gestoppt werden. Wie das Beispiel zeigt, passiert Fahrzeug 1 (V1) die Ampel, aber V2 und V3 werden angehalten. Dieses Szenario kann erkannt werden, wenn die Paarungs-Daten nicht übereinstimmen, z. B. GPS2' - GPS2 = 0, während GPS1' - GPS1 > GPS2' - GPS2 bei zwei Zeitfenstern. Aus den Wasserfallspuren geht hervor, dass eine Verkehrstrajektorie fortgesetzt wird, während zwei abgebrochen werden. Bei T1 werden 2 Vermessungsfahrzeuge durch die rote Ampel mit angehaltenen Verkehrsmustern angehalten. Nach der grünen Ampel und T2 werden die Muster fortgesetzt. Daher können die Informationen über die Ampel bei T1 mit dem entsprechenden GPS2 und L2 ermittelt werden. Die Rotlichtphase kann als T2 - T1 bezeichnet werden. Zusätzlich kann die Fahrzeugdistanz (D) durch GPS1' - GPS2' bestimmt werden, um die Trajektorie zu lokalisieren und neue Verkehrsmuster für die Umfrage zu verwenden, auch wenn sich einige Fahrzeuge zwischen V1 und V2 befinden. In diesem Fall ändern die Algorithmen der künstlichen Intelligenz die angestrebten Muster von Muster A (3 Trajektorien mit gleichem Abstand) zu Muster B (3 Trajektorien mit einem großen und zwei gleichen Abstand).
7 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Fall 4 illustriert: Kabel-Windungen-Kabelabschnitt untersucht gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie zu sehen ist, veranschaulicht diese Figur ein Beispielszenario, wenn das Glasfaserkabel unter Untersuchung gedreht wird. Dies ist ein häufiger Fall in der Stadt und kann erkannt werden, wenn nichts (kein L1') mit GPS1' an T2 gepaart werden kann. In diesem Fall kann die KI-Plattform eine Nachricht an die Lkw-Fahrer senden und sie wissen lassen, dass sie auf der falschen Route sind. Der Kabelwendepunkt kann bei T1 mit dem entsprechenden GPS1 und L1 bekannt sein. Daher können die Vermessungsfahrzeuge zum Kabelwendepunkt zurückfahren und dem zu untersuchenden Kabel folgen.
8 ist ein schematisches Flussdiagramm eines veranschaulichenden faseroptischen Gesamtvermessungsprozesses gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass unsere erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren die Verbindung eines DFOS-Systems, das sich in einem Kontrollbüro (Zentrale) befindet, mit einer bei der Vermessung verwendeten Feldfaser beinhalten. Drei (3) Lastwagen (Fahrzeuge), die jeweils mit globalen Positionierungsgeräten (GPS) ausgestattet sind, werden betrieben, um Verkehrsmuster zu erzeugen und so die Feldvermessung durchzuführen. In einer bevorzugten Betriebsart werden die drei Lastkraftwagen gemeinsam betrieben und folgen einander im Allgemeinen so weit wie möglich in einer einzigen Linie. Während des Betriebs dieser Fahrzeuge werden vom DFOS-System Schwingungssignale erfasst/analysiert, die Umgebungsgeräusche, normalen Straßenverkehr, Straßenbauarbeiten und andere Verkehrsmuster entlang der Glasfaserkabeltrasse umfassen.
Während der Signalerfassung/-analyse und danach werden eindeutige Verkehrsmuster von Systemen und Algorithmen mit künstlicher Intelligenz erkannt/bestimmt, um - unter anderem - die Kabeldistanz(en) der durch den Betrieb des Vermessungsfahrzeugs erzeugten Vibrationen zu ermitteln und mit bekannten GPS-Koordinaten dieser Fahrzeuge zu verknüpfen. Sobald derartige Vibrations-/GPS-Standorte bestimmt sind, kann eine Vermessungskarte erstellt werden, die diese Informationen zusammen mit anderen kartenbezogenen Daten enthält.
Wie der Fachmann leicht erkennen wird, können Systeme, Methoden und Strukturen gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung weiter verfeinert werden, um noch mehr Informationen zu liefern.
Wie bereits erwähnt, bezieht sich ein Aspekt dieser Offenlegung auf ein System und Verfahren, bei dem ein Fahrzeug (oder mehrere Fahrzeuge) mit einem GPS als Signalquelle eingesetzt wird. Während das Fahrzeug in der Nähe und entlang der Länge eines zu untersuchenden Glasfaserkabels fährt, bestimmt/aufzeichnet das GPS die momentane geografische Position und das DFOS-System zeichnet eine Wasserfalltrajektorie des Fahrzeugs auf.
Wie wir bereits erwähnt haben, benötigt das Kartierungssystem mindestens einen Referenzpunkt, an dem die GPS-Koordinaten und die lineare Entfernung des Kabels von diesem Punkt bis zur Zentrale mit anderen Methoden kartiert wurden, um die Trajektorie der Fahrzeuge von anderen Verkehrsteilnehmern oder Ereignissen, die Vibrationssignale erzeugen, die das untersuchte Glasfaserkabel erregen, korrekt zu identifizieren. Wie wir bereits beschrieben haben, kann ein Telekommunikationstechniker ein mobiles Elektrowerkzeug wie einen Presslufthammer verwenden, um ein erkennbares Signal zu erzeugen, und Glasfasererkennungssysteme können auf maschinellem Lernen basierende Algorithmen verwenden, um die lineare Entfernung der Vibrationsquelle zu ermitteln und gleichzeitig die GPS-Koordinate des Bedieners zu kartieren. Wir weisen darauf hin, dass es eine Reihe von Problemen gibt, die mit der Entwicklung eines automatisierten Systems, wie es in der vorliegenden Offenlegung beschrieben wird, verbunden sind. Insbesondere:
Verkehrsmuster
Um die Trajektorie eines Vermessungsfahrzeugs vom übrigen Verkehr unterscheiden zu können, wird für die Vermessung des Geländes ein Lkw mit niedriger Fahrgeschwindigkeit empfohlen. Der schwere Vermessungs-LKW kann ein stärkeres Signal für DFOS erzeugen, und die etwas langsamere Geschwindigkeit im Vergleich zum normalen Verkehr macht die Unterscheidung der Trajektorie viel einfacher.
Referenzpunkte
Das GPS und die Faserlänge von mindestens einem Referenzpunkt auf einem geraden Kabelabschnitt müssen bestimmt werden. Der Referenzpunkt wird in der Regel als Endpunkt eines geraden Kabelabschnitts aufgenommen.
Kartierung
Abbildung des Zeitstempels von GPS und DFOS, um die virtuelle Flugbahn zu extrahieren, die auf die tatsächlichen Wasserfallspuren trifft.
9 ist ein schematisches Diagramm, das eine Architektur für die automatische Kartierung der geografischen Lage von Glasfaserkabeln gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt. Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, befindet sich das verteilte faseroptische Erfassungssystem (DFOS) (101), bei dem es sich um ein verteiltes akustisches Erfassungssystem (DAS) und/oder ein verteiltes Vibrationserfassungssystem (DVS) handeln kann, in einem Kontrollbüro (CO) / einer Zentrale (100) zur Fernüberwachung der gesamten Kabelstrecke. Das DFOS-System ist mit dem Lichtwellenleiter vor Ort verbunden, um die Erfassungsfunktionen bereitzustellen. Bei der Faser kann es sich um eine dunkle Faser oder eine Betriebsfaser von Dienstanbietern handeln. Um erkennbare Verkehrsmuster zu erstellen, ist ein LKW (201) an der Vermessung beteiligt und fährt parallel und nahe am Kabel. Das GPS-Gerät (202) wird vom LKW (201) mitgeführt und sendet die GPS-Koordinaten und den Zeitstempel an das Pairing-System (102) in der Zentrale. Durch den Abgleich der Zeitstempel des GPS-Geräts und des DFOS-Systems kann die geografische Lage des Zielorts mit der Faserentfernung aus den Wasserfalldaten und den GPS-Koordinaten in der KI-Plattform (103) gepaart werden. Ein oder mehrere Referenzpunkte (302) auf der Strecke werden benötigt, um die Flugbahn des eingesetzten Fahrzeugs gegenüber dem übrigen Verkehr zu bestimmen. Der Referenzpunkt wird typischerweise als Endpunkt eines geraden Abschnitts des Kabels aufgenommen
10 zeigt illustrative Wasserfallspuren mit Fahrzeugtrajektorien gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung. Wie dargestellt, werden die Spuren in einem 3-Minuten-Fenster von den DFOS-Systemen gesammelt. Die Fahrzeugtrajektorien können nicht nur aus Erdkabeln, sondern auch aus hängenden Luftkabeln extrahiert werden. Daher kann unsere beispielhafte Architektur für die Kartierung der gesamten Kabeltrasse verwendet werden, mit Ausnahme von Kabelabschnitten, die für Fahrzeuge nicht zugänglich sind und/oder unter Wasser verlegt sind. Der Pfadabgleichsalgorithmus wird in der Zeichnung/Abbildung schematisch wie folgt beschrieben.
11 ist eine schematische Darstellung von Fahrzeugtrajektorien aus Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Abbildung zeigt ein schematisches Diagramm von Fahrzeugtrajektorien aus Wasserfallspuren, einschließlich des Zielfahrzeugs, anderen Straßenverkehrs und zweier Referenzpunkte. Die beiden Referenzpunkte werden am Anfang und am Ende eines geraden Kabelabschnitts gewählt. Wenn das Kabel abbiegt oder die Straße auf einer anderen Seite kreuzt, können weitere Referenzpunkte erforderlich sein.
12 ist eine schematische Darstellung, die die Erstellung einer geografischen Spur auf Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. In diesem Szenario fährt das Fahrzeug vom ersten Referenzpunkt zum zweiten Referenzpunkt, und das momentane GPS wird aufgezeichnet. Eine virtuelle Trajektorie des Fahrzeugs wird anhand der GPS-Liste erstellt. Durch den Abgleich des Zeitstempels von DFOS und GPS-Gerät mit dem Standort des Referenzpunktes kann die geografische Spur auf den Wasserfallspuren aufbauen und die entsprechende Fahrzeugtrajektorie des Zielfahrzeugs ermitteln.
Man beachte, dass es einige Abschnitte gibt, die nicht mit der geografischen Strecke und der Flugbahn des Zielfahrzeugs übereinstimmen. Abschnitt A stellt die Abweichung zwischen der geografischen Position und der Kabellänge dar. In der Regel ist die Kabellänge 20 % länger als die geografische Position, was auf die schlaffen Fasern (Faserspulen) im Feld zurückzuführen ist. Darüber hinaus können die Faserspulen im Inneren des Schachtes in Abschnitt B entdeckt werden.
13 ist eine schematische Darstellung, die das Verschieben der geografischen Spur auf Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht. Durch die Suche nach dem horizontalen Offset kann der geografische Pfad an die Wasserfalltrajektorie angepasst werden. Darüber hinaus wird die Signalintensität entlang der virtuellen Trajektorie integriert und entlang der Fahrtrichtung für einen Offset verschoben. Es wird ein Diagramm der integrierten Intensität gegen den Offset erstellt. Die Position des Peaks entspricht dem Überlappungsabschnitt der virtuellen Trajektorie mit der realen Wasserfalltrajektorie. Der Abstand zwischen zwei Peaks zeigt den Durchhang der Faserspulen an.
14 ist eine schematische Darstellung, die das Auffinden der horizontalen Abschnitte auf Wasserfallspuren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Um die geografische Position und die Kabellänge abzugleichen, müssen die losen Faserlängen aus den Wasserfallspuren ermittelt werden. Die Faserspulen können auf der Grundlage der horizontalen Abschnitte (flach, Steigung = 0) ermittelt werden. Daher kann ein vertikales bewegliches Fenster verwendet werden, um die Faserspulen zu finden und die Wasserfallintensität entlang der Spur zu integrieren. An der Stelle, die mit den DFOS-Wasserfallspuren und der geografischen Spur übereinstimmt, kann die Gesamtintensität als Spitzenwert angezeigt werden. Es kann wie folgt implementiert werden: Erstellen einer Liste der virtuellen Trajektorie, die dem Offset an der höchsten integrierten Intensität entspricht, und Bestimmen des horizontalen Pfadabschnitts durch Suchen der maximalen integrierten Intensität auf zwei aufeinander folgenden virtuellen Trajektorien.
15 ist eine schematische Darstellung des angepassten Pfades gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
16 ist eine schematische Darstellung eines optimalen Pfades auf einer Wasserfallspur gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das Beispiel des optischen Pfades von GPS und der erfassten Fahrzeugtrajektorie von DFOS wird gezeigt, und unsere erfindungsgemäße Methode kann sehr gut an die Feldfahrzeugtrajektorie angepasst werden.
17 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit der integrierten Wasserfallintensität vom Horizont zeigt. Die Spitzen zeigen die Übereinstimmung der geografischen Spur mit der Wasserfalltrajektorie an. Die Abstände zwischen zwei Spitzen sind die Länge der Faserspulen, die sich an Freileitungen und/oder in Schächten befinden können und gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenlegung versetzt sind;
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Diagramme erstellt werden können, die das Ergebnis der Suche nach der optimalen Position für horizontale Schnitte auf der Grundlage der integrierten Signalintensität zeigen. Die Peaks zeigen die angestrebten Stellen an.
18 ist ein schematisches Diagramm, das die automatische Kabelzuordnung durch DFOS (DAS/DVS) gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
19 ist ein Flussdiagramm, das einen Gesamtprozess für die automatische Kabelzuordnung durch DFOS gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung illustriert.
An dieser Stelle haben wir diese Offenbarung zwar anhand einiger spezifischer Beispiele dargestellt, aber die Fachleute werden erkennen, dass unsere Lehren nicht so beschränkt sind. Dementsprechend sollte diese Offenbarung nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt werden.

Claims

Ein fahrzeuggestütztes Verfahren zur Lokalisierung erdverlegter Kabel unter Verwendung von verteilter faseroptischer Abtastung (DFOS), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellung einer optischen Faser, von der ein Teil unterirdisch verlegt ist; Bereitstellung eines DFOS-Systems, wobei das System Folgendes umfasst einen DFOS-Abfragesender und -Analysator in optischer Verbindung mit der Länge der Lichtleitfaser, wobei der DFOS-Abfragesender so konfiguriert ist, dass er optische Impulse aus Laserlicht erzeugt, die Impulse in die Länge der Lichtleitfaser einführt und Rayleighreflektierte Signale von der Lichtleitfaser erfasst/empfängt, wobei der Analysator so konfiguriert ist, dass er die Rayleigh-reflektierten Signale analysiert und aus den analysierten Rayleigh-reflektierten Signalen Ort/Zeit-Wasserfalldiagramme erzeugt; Betreiben eines Satzes von mindestens drei Fahrzeugen in Koordination miteinander, wobei die Fahrzeuge in ausreichender Nähe zu mindestens einem Abschnitt der Länge der optischen Faser betrieben werden, um mechanische Erregungen für den Abschnitt der Länge der optischen Faser bereitzustellen, wobei jedes Fahrzeug des Satzes von mindestens drei Fahrzeugen ein globales Positionierungssystem (GPS) enthält, das GPS-Koordinaten für das Fahrzeug erzeugt, in dem es enthalten ist; Betrieb des DFOS-Systems, während der Satz von mindestens drei Fahrzeugen betrieben wird, wodurch mechanische Erregungen auf den Teil der optischen Faser einwirken, wodurch Vibrationsereignisse in der optischen Faser erzeugt werden, und Aufzeichnung der während des DFOS-Betriebs empfangenen DFOS-Signale; kontinuierliches Betreiben des DFOS-Systems und der Fahrzeuge und Bestimmen von Zeit/Ort von Vibrationsereignissen aus Wasserfalldiagrammen und Zuordnen der Vibrationsereignisse zu einem GPS-Standort des vergrabenen Teils der optischen Faser.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Zeitpunkt/Ort von Schwingungsereignissen aus Wasserfalldiagrammen ohne menschliches Zutun bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die mindestens drei Fahrzeuge nacheinander in einer im Wesentlichen geraden Linie betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Satz von mindestens drei Fahrzeugen auf einer Strecke betrieben wird, auf der sich zwischen mindestens zwei Fahrzeugen ein Schacht oder ein anderes Versorgungsloch befindet.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Menge an schlaffen optischen Fasern bestimmt wird, die sich in dem Schacht oder einem anderen Versorgungsloch befinden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Standorte von Verkehrssteuerungseinrichtungen aus den Wasserfalldaten bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Verkehrssteuerungseinrichtung eine Ampel ist und mindestens zwei der Gruppe von mindestens drei Fahrzeugen während des Betriebs als Reaktion auf die Ampel angehalten werden, während mindestens eines der Gruppe von mindestens drei Fahrzeugen während des Betriebs als Reaktion auf die Ampel nicht angehalten wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Fahrzeuge auf einer Fahrbahn betrieben werden, die sich in der Nähe des vergrabenen optischen Kabels befindet, und ein Pfad des vergrabenen optischen Kabels von der Fahrbahn abweicht und diese Abweichung bestimmt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 8 umfassend ferner die Erstellung einer Karte, auf der die Standorte der Lichtwellenleiter sowohl anhand der GPS-Koordinaten als auch der Länge des Abfragegeräts dargestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem andere Abschnitte des Lichtwellenleiters, die nicht in ausreichender Nähe zum Betrieb des Satzes von mindestens drei Fahrzeugen liegen, durch einen Analysator mit künstlicher Intelligenz unter Verwendung bekannter Zeiten/Orte auf Zeit/Orte abgebildet werden.