Этап 1. Разработка общей структуры прототипа программной системы. Идентификация функционального наполнения отдельных компонентов прототипа и их взаимосвязей. Разработка и исследование прототипа компонента системы, предназначенного для детекции целевых событий DAS-мониторинга. Разработка и исследование прототипа компонента системы, предназначенного для классификации целевых событий DAS-мониторинга. Разработка и тестирование интерфейса, связывающего прототип программной системы с подсистемами нижнего уровня (поставщиками сырых данных). Промежуточный отчет.

Представленный отчет посвящен описанию алгоритмического и программного обеспечения компонентов оригинальной системы обработки данных оптоволоконного вибромониторинга протяженных объектов, построенных на принципе DAS (distributed acoustic sensing). Все задачи, описание которых представлено в отчете, соответствуют календарному плану первого этапа НИОКР. Представленный в отчете поход к обработке данных оптоволоконного мониторинга с оригинальных позиций позволяет обеспечить качественно новое решение основных задач вибромониторинга протяженных объектов с использованием оптоволоконных систем. В основе DAS-систем мониторинга лежит принцип обработки обратнорассеянного излучения Релея. Известно, что традиционные методы обработки рассеяния этого типа, основанные на использовании частотных характеристик и маломасштабных особенностей формы сигналов, являются низкоэффективными. Данная неэффективность обусловлена особенностями физических процессов, которые являются причиной возникновения обратнорассеянного излучения Релея, в частности, спецификой образования оптических спеклов на базисе из группы стохастическим образом рассеянных в теле оптического волокна центрах интерференции. Эта особенность обуславливает существенную нелинейность параметров спеклов при малых виброакустических воздействиях на оптическое волокно. Для того чтобы преодолеть указанную нелинейность, с целью создания практически эффективного решения задачи детекции и классификации целевых событий, в качестве направления исследований были выбраны альтернативные подходы к обработке обратнорассеянного излучения Релея, которые подробно описаны в отчете. Упомянутые подходы являются робастными к нелинейным искажениям приемного тракта, сравнительно просты в вычислительном аспекте и адаптивны к динамике фонового помехового процесса (на базе использования акустоэмиссионного цифрового двойника объекта мониторинга). Основная идея предложенного подхода сводится к выделению из входного потока рефлектометрических измерений таких объектов высокого уровня агрегации, которые являются устойчивыми (робастными) к искажениям приемного тракта DAS-системы и называются «отметками с адаптивным порогом чувствительности» (ОАП). Структура этих объектов базируется на применении абстракта индикаторной (пороговой) функции, представляющей собой аналог функции Хевисайда. В рамках выполнения первого этапа проекта, с позиций предложенного подхода, были решены следующие задачи: разработана общая структура прототипа программной системы обработки данных DAS-мониторинга; идентифицировано функциональное наполнение компонентов этого прототипа и их взаимосвязи; разработаны и исследованы прототипы компонентов детекции и классификации DAS-событий, а также программный интерфейс, связывающий прототип созданной программной системы с подсистемами нижнего уровня. Разработанный интерфейс был протестирован при работе с реальным интеррогатором. В рамках решения запланированных по этапу задач, была произведена группа исследований, результаты которых являлись фундаментом при решении плановых задач проекта. В частности, были решены следующие исследовательские задачи: сформулированы ограничения при практическом внедрении DAS-систем мониторинга; формализованы основные понятия DAS-систем мониторинга; разработано понятие акустоэмиссионного цифрового двойника объекта мониторинга (АЭМЦД) и принципы его создания, а также приведены примеры слоевой структуры АЭМЦД для двух прикладных областей (контроль периметра и обнаружение утечек из трубопроводной системы). В доступной литературе не найдено аналогов предложенному подходу к обработке данных DAS-мониторинга на основе использования АЭМЦД или близких по смыслу концептов. В рамках работы над концептом АЭМЦД, были предложены решения совокупности задач, неизбежно возникающих в процессе создания моделей такого типа. В том числе, был предложен концепт решения задачи идентификации модели фонового шумового процесса, без эффективного решения которой система DAS-мониторинга неспособна функционировать эффективно; были разработаны принципы идентификации множества целевых событий, а также принципы решения задачи по определению характеристик среды распространения сейсмоакустических волн. На основании разработанного подхода был создан программный прототип АЭМЦД. В рамках разработки компонента детекции событий был разработан адаптивный алгоритм обнаружения DAS-событий. В отчете описан процесс тестирования компонента детекции событий на реальных данных, результаты которого доказали его практическую работоспособность. В отчете сформулирован принцип многоэтапности при обнаружении целевых событий мониторинга. В рамках создания компонента классификации событий было разработано оригинальное пространство признаков (feature space), предназначенное для решения задачи классификации целевых событий в DAS-системе мониторинга. Разработанное пространство признаков основано на использовании иерархии синтетических объектов высокого уровня агрегации, которые являются основой используемого подхода к обработке данных DAS-мониторинга. Эти объекты получили название «отметка с адаптивным порогом чувствительности» (ОАП). Важно то, что структура ОАП базируется на применении абстракта индикаторной функции и поэтому обладает высокой робастностью к нелинейным искажениям приемного тракта системы мониторинга. Была поставлена и решена задача классификации типа источника Е-эмиссии с использованием созданного пространства признаков. В процессе выполнения проекта был создан компонент классификации событий DAS-мониторинга, который был исследован путем проверки его работоспособности на наборе реальных данных DAS-мониторинга. Использованный набор данных (Data Set) состоит из реальных рефлектометрических сигналов, соответствующих четырем типам событий, собранных на различных полигонах, в различных условиях, в разное время года. Результаты тестирования доказали практическую работоспособность разработанного компонента классификации. В частности было выяснено то, что: (а) функционирование компонента классификации робастно к нелинейным искажениям приемного тракта; (б) компонент классификации является крайне нетребовательным к вычислительным ресурсам (в том числе и на этапе обучения системы); (с) компонент классификации не теряет практическую эффективность при обучении на Data Set малой мощности; (д) надежность классификации, показанная при тестировании на реальных данных, как минимум не уступает, а в большинстве случаев превышает соответствующие показатели, опубликованные в доступных источниках, посвященных тематике классификации DAS-событий. Текст отчета содержит поблочное описание компонентов детекции и классификации целевых событий. Описано взаимодействие отдельных программных компонент этой подсистемы с АЭМЦД, которое осуществляется в рамках совокупности процедур обслуживания соответствующих слоев АЭМЦД. Процедура обслуживания состоит в считывании данных из соответствующего слоя АЭМЦД, выполнении над этими данными определенных расчетов и модификация параметров этого слоя. При этом конкретный слой АЭМЦД, вместе с обслуживающими его программами из состава компонент детекции и классификации целевых DAS-событий, совместно образуют, так называемый, сервисный контур. Таким образом, основные направления исследований, которые были проведены в рамках данного этапа проекта и отражены в техническом отчете по первому проектному этапу, включают в себя (а) исследование эффективности использования акустоэмиссионного цифрового двойника объекта мониторинга для адаптации компонентов детекции и классификации событий к стохастической динамике фонового помехового процесса; (б) исследование эффективности использования многоуровневых, агрегированных объектов, выделяемых из стохастического потока обратнорассеянного излучения Релея с использованием абстракта индикаторной функции, для задач обнаружения и классификации целевых событий DAS-мониторинга. Решение всей совокупности задач, описанных в отчете по первому этапу проекта, играет критически важную роль для достижения целей проекта в целом, так как в результате их успешного решения будет создан программный прототип системы детекции/классификации целевых событий DAS-мониторинга, основанный на оригинальной концепции математического представления событий. Уточнение параметров созданной подсистемы, ее обучение на группе специализированых Data Set, а также его комплексное тестирование запланировано на второй этап проекта.