Ученые создали цифровой двойник оптического волокна — эта технология открывает новые возможности для цифровизации Крайнего Севера, где инфраструктура связи и датчики работают в условиях экстремального холода и резких температурных перепадов. Точная модель позволяет заранее прогнозировать поведение волоконных линий и навигационных систем, снижая риск отказов и упрощая развертывание сетей в удаленных регионах. Это особенно важно для развития арктических проектов — от добычи ресурсов до беспилотного транспорта.
Как работает новая технология
Ученые Пермского политеха первыми в мире создали цифровой двойник волоконно-оптических датчиков. Он с точностью до 90% предсказывает поведение оптического волокна в широком диапазоне температур и при разной скорости их изменения.
— Суть разработки — в создании «цифрового двойника» полимерного покрытия. На протяжении нескольких лет мы проводили экспериментальную работу: образцы двух ключевых типов покрытий — внутреннего мягкого и внешнего жесткого — испытывали в экстремальном диапазоне от –110 до +120 градусов. Их растягивали с разной частотой, нагревали и охлаждали жидким азотом, фиксируя тысячи параметров — как материал деформируется, накапливает и рассеивает упругую энергию, — пояснил первый проректор — проректор по информатизации, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», доктор технических наук Александр Труфанов.
По его словам, такие технологии особенно важны для условий Крайнего Севера. При низких температурах полимеры защитной оболочки становятся хрупкими, меняют свойства, что снижает точность датчиков и может привести к их отказу. Цифровые модели позволяют создавать эффективные навигационные приборы, сенсорные и мониторинговые системы для инженерных и логистических задач в суровом климате.
— Разработанные двойники позволяют создавать сенсорные системы для Крайнего Севера: навигационные приборы для беспилотного транспорта, не зависящие от GPS или ГЛОНАСС, системы мониторинга сложных инженерных конструкций, комплексы контроля нефтедобывающих установок и скважин, — уточнил Александр Труфанов.
Команда создала цифровой аналог двух полимеров защитного покрытия — математическую модель их поведения. Для проверки точности ученые провели параллельные эксперименты: натурные — на реальных образцах, а также виртуальные — в программной среде. В обоих случаях меняли температуру, частоту механических воздействий и тип нагрузок — от циклических до постоянных.
— В отличие от существующих подходов, которые оценивают свойства материалов лишь в упругой области и в узком температурном диапазоне, наша методика учитывает экстремальные значения, скорость перехода между ними и изменение механического состояния материала под действием температуры. Это радикально повышает точность прогноза, — отметила доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», заведующая лабораторией цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств, к.т.н. Анна Каменских.
Она добавила, что оптоволоконные микрофоны позволяют фиксировать звук в любой точке волокна и применяются, в частности, при изучении сейсмических процессов. Также существуют датчики температуры и давления, обеспечивающие мониторинг по всей длине волокна, в том числе в нефтедобыче. При этом из-за высокой чувствительности такие системы существенно зависят от температурных колебаний и скорости их изменения.
— От измерительных приборов напрямую зависит безопасность технологических процессов. Навигационные устройства — гироскопы и акселерометры — определяют курс транспортных средств, поэтому крайне важно, чтобы они стабильно и точно работали во всем диапазоне эксплуатационных температур, — резюмировал Александр Труфанов.
Сферы применения цифрового оптоволокна
Разработка может стать значимым фактором повышения эффективности прокладки оптоволоконных сетей в районах Крайнего Севера. Она позволяет точнее планировать маршруты, прогнозировать затраты на обслуживание и выстраивать системы мониторинга состояния кабельной инфраструктуры, считает доцент кафедры стратегического и инновационного развития Финансового университета при правительстве РФ, кандидат экономических наук Михаил Хачатурян.
— Решение способно сократить сроки проектирования оптоволоконных сетей в северных регионах на 4–5%, а расходы на обслуживание и ремонт — на 5–7%. В определенном смысле это прорыв: до сих пор цифровые двойники применялись преимущественно для моделирования производственных, химических и физических процессов, — отметил он.
Инженеры получают возможность «прогнать» виртуальное оптоволокно через экстремальные температурные режимы еще на стадии проектирования и заранее определить уязвимые места без риска повредить реальный образец, отметил главный специалист службы цифрового развития и реализации цифровых проектов ФЦПСР Даниил Аржаков. Это снижает стоимость разработки и повышает надежность систем, предназначенных для Арктики и космических применений.
— Аналогичные задачи в России уже решались, но на другом уровне. Например, компания «Т8» совместно с «Ростелекомом» разрабатывала цифровые двойники магистральных линий связи для удаленного управления и прогнозирования аварий. Пермский политех пошел глубже — на уровень физики самого датчика. В итоге формируется двухуровневый тренд: одни создают умную сеть, другие — умный чувствительный элемент для экстремальных условий, — пояснил эксперт.
Кроме оптимизации проектирования и эксплуатации, технология демонстрирует высокий потенциал синергии с системами искусственного интеллекта и беспилотными комплексами. Возможно создание полностью автономной инфраструктуры, обслуживаемой роботизированными системами, чьи алгоритмы поведения предварительно отработаны в цифровой среде. Это позволит минимизировать присутствие человека в агрессивных климатических и производственных условиях, считает директор Центра спортивного программирования, алгоритмической робототехники, кибербезопасности и киберспорта Уфимского университета науки и технологий Святослав Пегов.