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.
В ПНИПУ разработали цифрового двойника для передачи энергии по оптоволокну / © Getty images
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.
