В ПНИПУ разработали цифрового двойника для передачи энергии по оптоволокну
Растущие требования к скорости передачи данных и постоянному доступу к информации со всех уголков планеты приводят к увеличению использования телекоммуникационных сетей и устройств. Но если оборудование расположено на больших расстояниях от источника электропитания, то возникают трудности с его подключением и стабильной работой. Для решения этой проблемы сейчас активно внедряют технологию передачи энергии по оптическому волокну. Она обеспечивает высокую скорость и качество отправляемых и получаемых данных, а также невосприимчива к электромагнитным помехам, обладает высоким уровнем устойчивости к пожарам и ударам молний. Ученые Пермского Политеха разработали цифрового двойника ключевого элемента системы — отправную точку для построения модели всей технологии. Его использование может быть востребовано для мониторинга концентрации легковоспламеняемых газов на взрывоопасных объектах или тока и напряжения ВЛЭП, что улучшит технические характеристики, предотвратит возгорание, сохранит жизни людей и сэкономит деньги предприятиям.
Статья опубликована в Journal of Physics: Conference series. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России.
Применяемые металлические проводники для передачи электромагнитной энергии более громоздкие и менее безопасные при эксплуатации относительно волоконно-оптических технологий. Обмен данными по волокну для питания удаленных объектов имеет множество преимуществ: снижение риска возгорания, невосприимчивость к электромагнитным полям и молниям, отсутствие излучаемых помех, а также возможность одновременной передачи данных на большие расстояния. В частности, такая технология может способствовать развитию сетей сотовой связи стандарта 5G и выше.
Некоторые из наиболее перспективных направлений применения технологии – это питание электронных устройств, камер для контроля подстанций, судового и бортового оборудования, а также и датчиков мониторинга газов во взрывоопасных зонах. Также ее можно использовать в специальных системах, требующих скрытности (охрана периметра) и медицинской технике.
В упрощенном виде технология устроена так: лазер излучает электромагнитные волны (свет), которые распространяются по оптоволокну, а затем попадают на приемное устройство – фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Этот полупроводниковый прибор трансформирует оптическую энергию в постоянный электрический ток. Основная проблема существующих преобразователей в их низкой эффективности (КПД), из-за чего происходят потери, перегрев конструктивных элементов и значительно снижается рентабельность использования систем на их основе.
Ученые Пермского Политеха разработали цифровой двойник ФЭП, который является частью системы передачи энергии по оптоволокну для электроснабжения удаленных потребителей. Идея заключается в том, что каждый объект может быть представлен как физическая и виртуальная системы, которые взаимно отражают друг друга. Физический объект имеет датчики, собирающие данные о его состоянии в реальном времени, которые отправляются цифровому двойнику. Эти данные помогают улучшить модель и сформировать алгоритмы его работы. С накоплением информации о поведении физического объекта прогнозирование его поведения становится точнее.
«На входе в модель мы задаем сопротивление, изменяющееся в динамическом режиме, а на выходе получаем целый спектр оптимальных настроек системы: электрическую и оптическую мощность, выходное напряжение и ток нагрузки для максимизации КПД преобразователя. В дальнейшем мы собираемся дополнительно контролировать температуру и деградацию основных компонентов системы, и с учетом этого оптимизировать работу всей конструкции», – поделился научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ Алексей Гаркушин.
«С помощью цифрового двойника мы можем рассчитать рабочие характеристики и срок эксплуатации каждого критически важного элемента системы, оценить его текущий уровень износа и принять своевременное решение о замене. Например, если система используется в помещении, где уровень влажности и температура отличаются от нормальных, то можно будет в динамическом режиме оценить влияние этих факторов на работу системы охлаждения – насколько оно будет эффективно отводить тепло. А затем перенастроить ее для достижения максимально эффективной работы», – объясняет магистрант направления «Материалы и технологии волоконной оптики» ПНИПУ Елизавета Нифонтова.
Использование цифрового двойника технологии передачи энергии по оптоволокну позволяет прогнозировать события, происходящие с оригиналом при различных сценариях. Мониторинг оборудования на производстве обеспечит более точные корректировки в его работе, а качество связи и доступа в Интернет для обычного пользователя станет стабильнее и быстрее. Кроме этого, эксплуатация модели сокращает срок разработки новых технических решений в два и более раз, экономит материальные и человеческие ресурсы (особенно в случае, когда речь идет о сложном и дорогостоящем оборудовании) и ускоряет вывод систем на рынок.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Физтехи предложили аналитический способ описания передачи энергии от ультракороткого лазерного импульса к квантовому осциллятору, находящемуся в тепловом равновесии. Эта модель показывает, как сверхкороткие вспышки света возбуждают микроскопические системы — молекулы, кристаллы, плазмоны, фотоны и электронные центры в веществе. Это важно для разработки методов сверхбыстрого управления веществом, генерации терагерцового излучения и подбора оптимальных параметров лазерных импульсов для возбуждения заданных состояний материала.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно