Een netwerk van vezelige oren strekt zich duizenden en duizenden kilometers onder je voeten uit en luistert. Of je nu over ondergrondse vezels loopt of er met een auto overheen rijdt, de activiteit boven je hoofd creëert een kenmerkende trilling die de manier waarop licht door de kabels reist heel weinig verandert. Met de juiste apparatuur kunnen wetenschappers de verstoring analyseren om te identificeren wat de bron was en wanneer deze precies daarheen dwaalde.
Deze zich snel uitbreidende techniek staat bekend als gedistribueerde akoestische detectie, of DAS, en is zo gevoelig dat onderzoekers deze onlangs hebben gebruikt om de kakofonie van massale cicade-uitbraken te monitoren. Anderen gebruiken de kabels als een ultragevoelig instrument om vulkaanuitbarstingen en aardbevingen te detecteren: in tegenstelling tot een traditionele seismometer die op één plek vastzit, kan een netwerk van glasvezelkabels een heel landschap bestrijken en ongekende details opleveren van het gerommel van de aarde op verschillende locaties.
Nu experimenteren wetenschappers met het brengen van DAS naar een rail bij u in de buurt. Wanneer een trein over een stuk spoor rijdt, ontstaan er trillingen die analisten in de loop van de tijd kunnen volgen. Als dat signaal plotseling verandert, kan dit wijzen op een probleem met de spoorstaaf, zoals een scheur of een gebroken verbindingsstuk. Of als er een steen op een bergpas over het spoor explodeert, kan DAS dit ook ‘horen’, waardoor spoorwegexploitanten worden gewaarschuwd voor een probleem dat het menselijk oog nog niet heeft opgemerkt. Meer geleidelijke veranderingen in het signaal zouden de ontwikkeling van spoorfouten aan het licht kunnen brengen.
Toevallig lopen er al langs veel spoorwegen glasvezelkabels om alle signaalapparatuur aan te sluiten of voor telecommunicatie. “Daarvoor maak je gebruik van bestaande faciliteiten en infrastructuur, wat de kosten kan verlagen”, zegt ingenieur Hossein Taheri, die DAS voor spoorwegen studeert aan de Georgia Southern University. “Misschien zijn er spoorwegen waar ze geen glasvezel hebben, en moet je gaan liggen. Maar ja, de meesten hebben het meestal al.”
Om die vezel aan te boren, heb je een apparaat nodig dat een ondervrager wordt genoemd en dat laserpulsen langs de kabels afvuurt en de kleine stukjes licht analyseert die weerkaatsen. Laten we zeggen dat een steen een pad raakt op 30 kilometer afstand van de onderzoeker. Hierdoor ontstaat een karakteristieke grondtrilling die interfereert met optische vezels in de buurt van het spoor, wat wordt gereflecteerd in het lichtsignaal. Omdat wetenschappers de snelheid van het licht kennen, kunnen ze nauwkeurig de tijd meten die het signaal nodig had om terug te reizen naar zijn ondervrager, waarbij de afstand tot de verstoring op 10 meter of ongeveer 30 voet werd vastgesteld.
Voor een bepaald stuk spoor zou je de DAS-signalen al over een langere periode analyseren, waardoor je een trillingsprofiel opbouwt voor een normaal, gezond spoor. Wanneer de DAS-gegevens plotseling iets anders laten zien, heeft u mogelijk een probleem, waarbij het lijkt alsof een ECG een probleem met de hartslag van een mens detecteert. “Wat we doen is het spoor profileren, op zoek naar veranderingen in de akoestische signatuur”, zegt Daniel Pyke, spoorwegexpert en woordvoerder van Sensonic, dat DAS-technologie voor spoorwegen ontwikkelt. ‘We weten welk spoor zou moeten Klinkt alsof we weten hoe de trein is zou moeten klinkt als. En we weten dat als het verandert – laten we zeggen dat dit gewricht losraakt – dat iemand het moet repareren voordat het een probleem wordt.”
Pyke zegt dat het systeem van Sensonic vanaf zijn ondervrager een spoor tot 40 kilometer (25 mijl) in beide richtingen kan volgen. Hij voegt eraan toe dat een dergelijk 24/7-systeem de menselijke arbeid zou kunnen verminderen die nodig is om spoorwegen over de hele wereld te inspecteren, wat een gevaarlijke klus is met alle enorme machines die rond zoemen. Als iemand kabels doorzoekt om koper te verkopen, kan Sensonic dat ook detecteren, of zelfs als mensen gewoon langskomen en het spoor oversteken.
Nog vreemder is dat Sensonic in India voetstappen van olifanten in de buurt van spoorlijnen heeft gedetecteerd, om de soort en de treinpassagiers te beschermen. Dit zou een alarm activeren om het personeel te waarschuwen voor een mogelijke botsing. “We moesten een olifant huren en over de baan dwalen”, zegt Pike. “Het was een van de interessantste uitgaven die je ooit zult melden.”
De uitdaging is dat DAS bijna produceert Ook veel gegevens. In plaats van een enkele sensor die zich op één punt langs het spoor bevindt, strekt deze zich over grote afstanden op en neer op het spoor uit. De gegevens komen dus van 40 meter verderop in de glasvezelkabel en 40 kilometer verderop, en elk klein punt daartussenin – de hele dag en nacht. “De bestanden die u genereert zijn enorm, dus je zult machine learning moeten gebruiken om het te automatiseren”, zegt David Milne, een onderzoeker aan de Universiteit van Southampton die DAS en spoorwegen bestudeert. “Er zullen maar een beperkte hoeveelheid gegevens zijn. Als je geen computer hebt om je te helpen, denk ik niet dat het haalbaar of economisch zal zijn.”
Sensonic zegt dat het AI heeft getraind op echte spoorgegevens om een gebeurtenis als een vallende steen tussen al het lawaai te herkennen. Dan is de waarschuwing die naar treinbestuurders wordt gestuurd slechts kilobytes lang. “De machine learning- en AI-modellen die worden gebruikt om deze gebeurtenissen te identificeren, worden voortdurend verfijnd om hun gevoeligheid te verbeteren en valse alarmen te verminderen”, zegt Pyke.
Het is nog in de kinderschoenen om DAS voor een verscheidenheid aan toepassingen te gebruiken, waaronder het spoor, dus onderzoekers zijn deze systemen nog steeds aan het perfectioneren. “Gedistribueerde akoestische detectie is een gebied dat verkopers en vervoerders onderzoeken om te zien of het de veiligheidsdoelstellingen aanzienlijk kan bevorderen”, zegt Jessica Kahanek, woordvoerster van de Association of American Railroads. “Wanneer spoorwegen nieuwe technologieën testen, willen ze niet alleen zien of het in het laboratorium werkt, maar ook of het kan werken wanneer het wordt blootgesteld aan de harde operationele realiteit van een extern netwerk dat het hele continent omspant.”
Ongeacht de gebruikssituatie zult u de komende jaren veel meer over DAS horen, omdat de technologie een toenemend aantal interferenties boven de grond ‘hoort’.