KVAL: Development and application of distributed acoustic sensing (DAS) in connection with critical infrastructure

SFI senter for geofysisk prediksjon (CGF) ved NTNU i Trondheim, har utført flere tester ved bruk av eksisterende fiberoptiske kommunikasjonskabler for å overvåke kritisk infrastruktur. Den spesifikke metoden er basert på "Distributed Acoustic Sensing" (DAS) og er en teknikk hvor det sendes pulset laserlys fra en instrumentering tilkoblet fiberen, som feks. kan gå langs kritisk infrastruktur. Et akustisk pådrag vil forårsake en liten strekk, eller kompresjon i en optisk fiber. I en telekommunikasjonsfiber er det små spredere, som er variasjoner i brytningsindeksen, som da reflekterer laserlyset tilbake gjennom fiberen. Posisjonen til disse sprederne blir påvirket av kompresjoner og strekk. Det tilbakespredte laserlyset konverteres deretter til faseendringer som er en funksjon av den akustiske/elastiske energien som utøver en kraft på kabelen/fiberen. Endringen i fase av laserlyset er en funksjon av styrken av det akustiske pådraget. Fiberen blir så synthetisert til en rekke av mottakerpunkter som kan separeres ned til ca. 1 m og kan måle enhver vibrasjon nær fiberen med potensielt høy oppløsning i rom og tid. Dette har åpnet for et stort potensiale for å utnytte eksisterende fiberoptiske nettverk som distribuerte sensorer for å undersøke hendelser og endringer i ulike miljøer og spesielt i forbindelse med kritisk infrastruktur. Sensornettverket er allerede utlagt og eksisterende, så det gjelder å utnytte det tilgjengelige nettverket til forskjellige anvendelser. Prosjektet er delt inn i to deler, en del som tar for seg markeds- og forretningsmessige undersøkelser og en del med testing av DAS-målinger med en instrumentering tilkoblet en tilgjengelig kommunikasjonsfiber i Bane NOR's telerom på Støren. Målingene ble utført på strekningen mellom Støren og Drivstua på Dovrebanen. Resultatet av prosjektet gir tilleggsinformasjon som en del av prosessen for å opprette et DAS-tjenesteselskap som avlegger fra NTNU. Prosjektet vil påvirke strategien for hvordan man skal definere satsingsområde og kundene før oppstart og i de tidlige faser i forbindelse med det kommende selskap. Fase 1 av prosjektet er en studie for å identifisere hovedområdene der DAS kan utgjøre et tillegg og en signifikant forskjell i overvåking av kritisk infrastruktur. Offshore energidistribusjonssegmentet og kraftlinjeinfrastrukturen på land (det generelle kraftforsyningsmarkedet) ser ut til å være de mest attraktive områdene hvor DAS-teknologi kan finne anvendelse. Det potensielle volumet av tjenester og den mulige betalingsevnen blant disse markedsaktørene er større enn for eksempel blandt jernbane-, vei- og sikkerhetssegmenter. I et konkurranseutsatt marked er det nødvendig for et oppstartsselskap å utvikle og tilby AI-drevet databehandling for å utføre deteksjon og klassifisering av hendelser og effektivt kunne gi relevante varsler i forbindelse med overvåking av kritisk infrasruktur. Det er også viktig at dataanalysen og metoder for varsling kan justeres til sektorspesifikke krav. Fase 2 av prosjektet inkulderte to perioder med DAS-målinger ved bruk av tilgjengelig «mørk fiber» langs jernbanen mellom Støren og Drivstua på Dovrebanen. Et av hovedmålene med prosjektet var å teste om det var mulighet for å observere større ville dyr, som elg og hjort på, eller i nærheten av, jernbanen før en eventuell kollisjon med tog. Antallet kollisjoner som ble rapportert var imidlertid for få til å kunne konkludere. I tillegg var noen av de rapporterte kollisjonene mellom tog og ville dyr utenfor rekkevidden til det spesifikke måleområdet. Mulige DAS-deteksjoner av dyr på toglinjen må undersøkes nærmere gjennom målinger over lengre tid for å få nok statistikk i dataanalysen. Et viktig moment med disse målingene var også å finjustere datainnsamlingsparametrene for anvendelser til jernbaneovervåking. Detektering av tog i bevegelse ved hjelp av teknologien er en åpenbar anvendelse, herunder også å kunne skille mellom ulike typer tog ved å analysere styrken og signaturen på det motatte akustiske signal. DAS-overvåkingen viser seg også å være nærmere sanntid enn hva Bane NOR har på sin hjemmeside når det gjelder posisjonering av tog langs skinnegangen. Anleggsarbeid på jernbanen ble også detektert. Den akustiske "tapp-testen" utført på spesifikke områder langs jernbanen viste at ulike typer signaler, som hopping og tramping, samt bruk av en hammer til å banke på siden av skinnegangen også ble fanget opp av DAS-instrumenteringen. Videre er det høyst mulig at DAS-målingene kan oppdage andre hendelser som steinskred, snøskred, «wheel flats» og sabotasje dersom disse uønskede hendelsene og aktivitetene innebærer generering av akustiske signaler. DAS-overvåking langs jernbane vil garantert bidra til bedre sikkerhet, økt driftseffektivitet og forbedret vedlikehold over tid.

The Phase 1 of the project was a study to identify the main areas where distributed acoustic sensing could make a difference in monitoring of critical infrastructure. The offshore energy distribution segment, and the onshore power-line infrastructure (general power supply market) appear to be the most attractive areas where DAS-technology will find applications. The volumes and the potential capability of payment for the services among these market operators are larger than for instance railway, roads and security segments. In a competitive market, it is necessary for a start-up company to develop and offer AI-driven data processing to perform detection and classification of events and effective display pertinent alerts in connection with infrastructure monitoring. It is also imperative that the data analysis and alerts messages can be adjusted to sector specific requirements. The Phase 2 of the project ended up in two periods of DAS measurements utilizing an idle (dark fiber) along the railway between Støren and Drivstua at Dovrebanen. The main takeaway from this measurements were to fine tune the acquisition parameters for applications to railway monitoring. In addition, it also showed that the maximum possible distance to monitor by the use of the specific DAS-instrumentation was a distance of 100 km. The obvious events to measured during the test periods were moving trains and that it is possible to distinguish between various trains (person traffic and goods) by just analyzing the impact and signature of the online display. This online monitoring appear to be closer to real-time than Bane NOR home page train tracking. Construction work on the railway was also an obvious event to be detected. One of the main goals of the project was to test if there was a possibility to observe larger wild animals on, or close to, the railway prior to any collision. However, the number of collisions reported were to few to make any conclusion of this specific task. In addition, a some of the reported collisions between trains and wild animals were outside the range of the specific measurement area. So, this specific task will have to be further investigated through longer term measurements and covering a larger area than just the 100 km to add up enough statistics for data analysis. The acoustic "tap-test" performed at specific areas along the railway showed that various kind of signals, such as jumping and using a hammer to tap on the side of the rail track, were easily detected by the DAS-instrumentation. Furthermore, it is evident that the DAS-measurements will be able to detect other possible events such as rock falls, snow avalanches, "wheel flats" and possible sabotage if the unwanted events and activity will involve emission of acoustic signals. DAS monitoring along railways will for sure contribute to better safety, increased operational efficiency and improved maintenance over time.