“把數(shù)字世界帶入每個人、每個家庭、每個組織，構(gòu)建萬物互聯(lián)的智能世界”是華為公司的愿景與使命。在智能化缺一不可的感、傳、存、算、控、顯數(shù)據(jù)流鏈條中，感知是所有數(shù)據(jù)流的起點(diǎn)，是智能化的基石。基于無線和光的通感一體化網(wǎng)絡(luò)，將共同構(gòu)成未來智能世界的感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提供靈敏、密集和實(shí)時的環(huán)境數(shù)據(jù)流。
光纖感知
人類最精密的測量工具
截至2022年底，中國已建成全球最大的移動通信和光纖網(wǎng)絡(luò)，布設(shè)了超過1000萬個移動電話基站和6000萬公里光纜。在中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，平均每平方公里內(nèi)的光纜長度超過10公里，形成了密集的光纜網(wǎng)絡(luò)。這些光纜，未來都可能成為智能世界的感知單元。
在光通信設(shè)備中，實(shí)際上早就使用了大量的光纖感知技術(shù)，特別是OTDR（Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀）設(shè)備對光纖鏈路的質(zhì)量監(jiān)測，已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)的光通信網(wǎng)絡(luò)中，OTDR相當(dāng)于光纖雷達(dá)，將探測脈沖注入到光纖中，利用對回波的測量來探測光纖的斷點(diǎn)和損耗分布，但傳統(tǒng)的OTDR僅限于光強(qiáng)度探測，實(shí)際上遠(yuǎn)沒有用盡光的檢測能力。
眾所周知，光是人類迄今為止最精密的測量工具，基于光相位檢測的干涉儀甚至可以探測到極其微弱的引力波信號。而在光纖中，我們實(shí)際上也可以利用光相位檢測進(jìn)行感知。對OTDR探測脈沖回波的相位檢測可以利用長途光通信的相干接收技術(shù)，這種檢測回波相位的OTDR稱為?-OTDR。得益于高穩(wěn)定的激光信號及高靈敏的相干接收機(jī)，?-OTDR技術(shù)對相位的探測使得我們可以測量到數(shù)十公里光纖上任意位置受到的極其輕微的振動干擾，哪怕振動僅引起了光纖納米級的長度變化，而且擾動可以被精確定位到10米范圍以內(nèi)，這種技術(shù)又稱為分布式聲學(xué)傳感（DAS）。
利用?-OTDR技術(shù)，華為推出了單端檢測距離達(dá)50km的DAS設(shè)備Huawei OptiXsense EF3000，可以被廣泛應(yīng)用到油氣管道、周界防護(hù)等多種基于光纖的分布式振動監(jiān)測場景。
光纖傳感技術(shù)行業(yè)應(yīng)用挑戰(zhàn)
隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，智能化對行業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展變得至關(guān)重要。其中，油氣管道的安全監(jiān)測特別適合采用分布式光纖傳感技術(shù)，其原因有三：一是油氣管道通常鋪有伴行光纜，不需要特意布設(shè)傳感光纜；二是油氣管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，大多為單條線性結(jié)構(gòu)，且距離長，極少分支；三是油氣管道通常在野外布設(shè)，人工巡檢難度大，成本高。
目前中國已經(jīng)鋪設(shè)的油氣輸送管道超過11萬公里，僅有少數(shù)區(qū)段布設(shè)了分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)，普及程度仍不高。在油氣管道防外破領(lǐng)域，分布式光纖傳感的應(yīng)用嘗試實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)行了10年以上，但之前的探索大多效果不佳，特別是誤報率較高，僅靠對振動信號設(shè)置強(qiáng)度閾值會觸發(fā)較多虛警，對巡檢人力造成干擾，阻礙了技術(shù)的真正應(yīng)用。
分布式光纖傳感在油氣管道領(lǐng)域遭遇的困難和挑戰(zhàn)實(shí)際上在其他應(yīng)用中也存在類似狀況。在較多探索的周界防護(hù)領(lǐng)域，分布式光纖傳感的高誤報和強(qiáng)干擾下的漏報問題，仍是技術(shù)大量應(yīng)用前亟需解決的業(yè)界難題。
分布式光纖傳感的應(yīng)用難題實(shí)際上與技術(shù)研究和用戶需求的錯位有一定關(guān)系。當(dāng)前針對分布式光纖傳感的研究往往以帶有涂覆層的裸光纖作為感知單元，而實(shí)際應(yīng)用中，幾乎99%的場景都是以光纜為感知單元。目前商業(yè)可獲得的光纜，特別是像油氣管道同溝鋪設(shè)的伴行光纜這種以通信為目的鋪設(shè)的光纜，整個光纜的設(shè)計目的都是為了保護(hù)光纖不受環(huán)境干擾，成纜過程添加了大量的加強(qiáng)件、芳綸緩沖料，采用松套管填充油膏來防止光纖受力，而這導(dǎo)致光纖與外界環(huán)境的物理量耦合非常不一致。而不同用戶可能鋪設(shè)了大量不同型號的光纜，這些光纜的環(huán)境耦合與響應(yīng)千差萬別，導(dǎo)致對振動信號還原的保真度不高。
另外，光纜的布設(shè)環(huán)境差異與外界干擾也是影響分布式光纖傳感信號恢復(fù)與識別的重要原因。地下鋪設(shè)的光纜可能穿越巖石、黏土、沙礫土甚至是流沙區(qū)，不同土質(zhì)的振動傳播能力和波速差異極大，而四季更替和降水也會影響振動信號的傳播，這些因素都造成光纖感知同樣事件的振動信號特征可能存在較大差異。這些復(fù)雜因素是導(dǎo)致傳統(tǒng)振動閾值等方法無法準(zhǔn)確識別目標(biāo)事件，告警誤報高的重要原因。而這些因素在實(shí)際應(yīng)用中往往無法避免，即使可以特別設(shè)計光纜來增強(qiáng)物理量耦合的一致性，這樣的傳感光纜也往往由于成本高昂而無法普及，目前也尚未有任何一種傳感光纜形成國家標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)前即使在大多數(shù)后布設(shè)光纜的場景，如周界防護(hù)等領(lǐng)域，由于成本、可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化等原因，仍然只能采用標(biāo)準(zhǔn)型號的通信光纜來進(jìn)行傳感。外界環(huán)境的干擾也是分布式光纖傳感僅依靠聲學(xué)信號進(jìn)行事件識別的巨大挑戰(zhàn)。特別是在密集的伴行公路、農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)、施工區(qū)等使用相似設(shè)備的情況下，對目標(biāo)事件的識別異常困難，而這些區(qū)域又往往是高風(fēng)險區(qū)，需要重點(diǎn)關(guān)注。這些難題如果不能解決，分布式光纖傳感就無法在實(shí)際應(yīng)用中變成生產(chǎn)力工具，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。
AI加持光纖傳感
實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用普及
華為技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長時間的摸索嘗試，深刻認(rèn)識到當(dāng)前技術(shù)框架導(dǎo)致的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)瓶頸，因此面對復(fù)雜多樣的特征信號識別，引入了華為開發(fā)的AI大模型來進(jìn)行事件判別。
構(gòu)建一個行業(yè)可用的AI大模型十分不易，因?yàn)楣I(yè)場景的大數(shù)據(jù)獲取異常困難，特別是重點(diǎn)關(guān)注的負(fù)樣本極難大量獲取，成本過高。華為技術(shù)團(tuán)隊(duì)持續(xù)深挖，提出了實(shí)測與仿真并行的數(shù)據(jù)獲取機(jī)制，一方面聯(lián)合用戶進(jìn)行大量的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并在華為園區(qū)投資自建高度還原的試驗(yàn)場，另一方面從基礎(chǔ)原理出發(fā)構(gòu)建高準(zhǔn)確度的地質(zhì)仿真模型，能夠針對黏土、砂土、混凝土、降水等不同地質(zhì)和場景下的作業(yè)事件生成海量不同數(shù)據(jù)，并基于實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行錨定校準(zhǔn)，為基礎(chǔ)大模型的構(gòu)建提供數(shù)理基礎(chǔ)。
基于PB級數(shù)據(jù)訓(xùn)練的光纖傳感AI大模型成為后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，并基于此進(jìn)行應(yīng)用模型訓(xùn)練和優(yōu)化。基于實(shí)測數(shù)據(jù)的場景訓(xùn)練是決定AI大模型最終是否能夠滿足零漏報和低誤報的關(guān)鍵。特別是在存在強(qiáng)干擾的周界防護(hù)場景下，針對信號特征極其相似的入侵事件和干擾事件的準(zhǔn)確區(qū)分要通過大量的數(shù)據(jù)對抗訓(xùn)練來實(shí)現(xiàn)。而且這種對抗訓(xùn)練往往要持續(xù)到應(yīng)用階段，仍要通過自監(jiān)督學(xué)習(xí)來借助實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)的準(zhǔn)確率提升，以達(dá)到越用越好的效果，讓AI大模型成為真正能夠超越人工的行業(yè)專家。
華為的云架構(gòu)以及聯(lián)邦學(xué)習(xí)也使得這種自監(jiān)督學(xué)習(xí)和模型升級可以達(dá)到月度更新。未來這種AI大模型還將與華為Atlas服務(wù)器結(jié)合，成為一套完整的光纖傳感AI應(yīng)用解決方案。我們認(rèn)為只有結(jié)合AI技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)才是有可能解決技術(shù)瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)落地的實(shí)用化方案。
目前華為這套分布式光纖傳感和AI大模型已經(jīng)在多個用戶場景進(jìn)行了布設(shè)，在濟(jì)華燃?xì)猓瑖夜芫W(wǎng)等多個油氣管道用戶的比拼測試和實(shí)際應(yīng)用中，都表現(xiàn)出極高的準(zhǔn)確率，在應(yīng)用中真正做到零漏報和超低誤報，幫助用戶真正實(shí)現(xiàn)智能化巡檢。
在光纖傳感行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，華為希望與業(yè)界攜手共進(jìn)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展，使能關(guān)鍵行業(yè)智能化，助力行業(yè)效率提升。
