Geri Dön

Fiber optic network-based remote sensing of rail systemsvehicles

Raylı sistem araçlarının fiber optik ağlar kullanılarakuzaktan algılanması

PDF İndir

  1. Tez No: 856471
  2. Yazar: SERHAT BOYNUKALIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SELÇUK PAKER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, İletişim Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences, Communication Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Bilişim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Son yıllarda, özellikle akıllı ¸sehirlerde, hareket halindeki araçların hassas bir ¸sekilde konumlarının tespit edilmesi ihtiyacı giderek daha fazla önem kazanmı¸stır. Do˘gru konumlandırma, etkin ve güvenli bir ula¸sım sistemi için kritik önem ta¸sır. Ancak, mevcut konumlandırma sistemleri genellikle noktasal bazlı oldukları için sınırlıdır. Noktasal olmayan hattın sürekli izlenmesine imkân veren fiber optik sensörlerin ise hata payı genellikle bir metreden fazladır, bazen on metreyi bile a¸sabilmektedir. Bu sınırlama, özellikle ¸sehir içi yeraltı trenni (metro) sistemlerinde araç konumlandırma teknolojilerinin potansiyel kullanımını önemli ölçüde azaltmaktadır. Hızlı konumlandırmadaki do˘gruluk problemine bir çözüm olarak, bu tez kapsamında Fiber Bragg Izgara (FBG) teknolojisini kullanan yeni bir hibrit sistem önerilmektedir. Tasarlanan bu modelin benzersiz özelliklerinden biri, gönderilen sinyalin kodlanabilme yetene˘gidir. Bir di˘ger önemli özellik ise referans ve yansıyan sinyaller arasındaki ilgile¸sim (korelasyonu) sayesinde yüksek gürültü seviyelerinde bile kesin konumlandırmaya olanak tanır. Simülasyon ortamında yapılan testlerde, referans i¸sareti için 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256-bitlik darbe dizileri olu¸sturulmu¸stur. Yüksek Gauss gürültüsü altında 50 km'lik hat için sırasıyla 118.4, 68.1, 4.8, 0.4, 0.3, 0.3, 0.2 ve 0.1 m konumlandırma hata miktarları ile konumlandırma elde edilebilmi¸stir. Ayrıca, hibrit sistem, iki ardı¸sık veya tek bir gönderilen sinyali yorumlayarak hareketli bir nesnenin hızını ve yönünü belirleyebilir. Hız ve yön tahmini, sinyalin frekans kaymasını inceleyerek de gerçekle¸stirebilmek mümkün olmaktadır. Bu yakla¸sım, çoklu sinyalleri analiz etmeden hız, konum ve yön belirlemesine katkı sa˘glar, daha yüksek do˘gruluk sunar ve hatalı verilere kar¸sı koruma sa˘glar. Ara¸stırma dört ana soruyu ele almayı hedeflemektedir: 1. Sensör uygulamaları için FBG ve Da˘gıtılmı¸s Akustik Algılama (DAS) metodolojileri arasından hangisi seçilmelidir? 2. Demiryolu uygulamalarında hareketli araçları hassas bir ¸sekilde den pozisyonlandırmak için hibrit FBG ve DAS sisteminin uygulanması için hangi teknik özellikler esastır? 3. Hibrit sistemin performansı, hız ve yön belirleme kapasiteleri mevcut sistemlerle nasıl kar¸sıla¸stırılır ve önerilen sistemin optimal konfigürasyonları ve parametreleri nelerdir? 4. Hibrit sistemin çe¸sitli ula¸sım türlerindeki potansiyel kullanımları, avantajları ve sınırlamaları nelerdir ve bu sistem ¸sehiriçi ula¸sım sistemlerinin etkinli˘gini ve güvenli˘gini nasıl artırabilir? Literatür taraması, FBG ve DAS sistemlerinin konumlandırma yeteneklerini, teknik özelliklerini ve sınırlamalarını belirtmi¸stir. Fiber optik sensörler kullanarak, bu sistemler optik fiberlerdeki stres ve sıcaklık de˘gi¸sikliklerini ölçmek için dı¸s uyaranlara maruz kalırlar. Bu de˘gi¸siklikler, FBG'nin Bragg dalga boyunda bir kaymaya sebep olur ve bu fiberden yansıyan sinyalin ölçülmesiyle tespit edilebilir. Ayrıca, ba¸ska bir algılama sistemi olan DAS, dı¸s uyaranlardan kaynaklanan akustik dalgaları kullanarak bir nesnenin konumunu ve hareketini tespit etmek için kullanılır. Ancak, geri saçılan sinyalin rastgelelik do˘gası matematiksel modellemeyi rastlantısallı˘ga sınırlar. Bu kapsamda geli¸stirme çalı¸smaları devam etmektedir ama henüz trenin olu¸sturaca˘gı etkinin matematiksel bir denklemle ifade edilip saçılan i¸saretin modellenmesini sa˘glayan kararlı bir formülasyon ortaya konamamı¸stır. Genellikle rasgelelik kabulleri üzerine yakla¸sımlar ile devam etmektedir. Yeni geli¸stirilen ve test edilen tasarımın hibrit sisteminin performansını de˘gerlendirmek için Optiwave'in OptiSystem adlı geli¸smi¸s bir simülasyon yazılımı kullanılmı¸stır. Yazılım, yansıyan ve iletilen sinyallerin sınırlı rastlantısallı˘gına dayalı matematiksel bir model bazında FBG sensörlerini simüle edebilmektedir. Trenin FBG üzerindeki etkisi, IEEE 1698 std.ile ili¸skilendirilmi¸stir ve bu standart trenin yüzeyindeki hava direnci kuvvetinin matametiksel denklemlerini tanımlar. Bu do˘grudan FBG sensörü üzerinde olu¸san basınç miktarının hesaplanması için kullanılabilmektedir. FBG sensörlerin davranı¸sları, saha sonuçlarına göre kalibre edilmi¸s ve optimize edilmi¸stir. Ayrıca, FS Community kanallar rehberine göre uygun FBG çalı¸sma frekansları seçilmi¸stir. Önerilen hibrit sistemin performansı dikkatlice de˘gerlendirilmi ¸s ve mevcut sistemlerle kıyaslanmı¸stır. Tasarlanan model için en uygun konfigürasyonlar ve parametreler belirlenmi¸stir. Sistemin tasarımı ve uygulanması, sa˘glanan do˘gruluk, hız, yön belirleme ve çe¸sitli ula¸sım ba˘glamlarındaki potansiyel uygulamalar göz önünde bulundurularak de˘gerlendirilmi¸stir. Sistemin yeteneklerini sergilemek amacıyla, hibrit sistem kullanılarak temizleme treninin rayları temizleme operasyonu modellenmi¸s ve gösterilmi¸stir. Raylar üzerindeki yabancı nesnelere kar¸sı çe¸sitli önlemler de sa˘glanabilir. Önerilen hibrit algılama sistemi, demiryolu ta¸sımacılı˘gı sektöründeki potansiyel uygulamaları analiz ederek literatürde bir bo¸slu˘gu doldurur. Hareket halindeki araçların tespiti için yüksek hassasiyetli konumlandırma bilgisine önemli katkılar sa˘glayabilir. Bu tez, ¸sehiriçi ula¸sımda yüksek hassasiyetli konumlandırma için bir hibrit sistemin uygulanmasını geni¸s çapta ara¸stırmaktadır. Yukarıdaki ara¸stırma sorularını ele almak, bu modelin uygulanabilirli˘gini ve ¸sehiriçi ula¸sım sektörünü dönü¸stürme potansiyelini göstermektedir. Bu tezden yayımlanan makaleler, ula¸sım sektöründeki yüksek hassasiyetli konumlandırma sistemleri ve uygulamaları hakkındaki bilgiye önemli katkılarda bulunmu¸stur. Ayrıca örnek olabilecek bir çalı¸sma modelini de sunarak endüstriye direk katkı yapma hedefi de içermektedir. Önerilen hibrit sistemin çe¸sitli ula¸sım türlerinde birçok potansiyel kullanımı, avantajları ve sınırlamaları vardır. Örne˘gin, sistem demiryolu ta¸sımacılı˘gında trenleri takip etmek ve onların güvenli ve etkin çalı¸smasını sa˘glamak için kullanılabilir. Sistem ayrıca karayolu ta¸sımacılı˘gında araçların takibinde ve trafik akı¸sının optimize edilmesinde kullanılabilir. Ayrıca, sistem hava ta¸sımacılı˘gında uçakları takip etmek ve onların güvenli ve etkin çalı¸smasını sa˘glamak için de kullanılabilir. Hibrit sistemin önemli avantajlarından bir di˘geri ise konumlandırma, hız ve yön belirlemedeki yüksek do˘gruluk oranıdır. Sistem, yüksek gürültü seviyelerinde bile do˘gru konumlandırma sa˘glayabilir. Fiber optik do˘gası gere˘gi elektromanyetik giri¸simlere kar¸sı do˘gal olarak direnci bulunmaktadır ve sert çevre ko¸sullarına dayanabilir, bu da onu çe¸sitli ula¸sım ba˘glamlarında kullanım için uygun kılar. Ancak, hibrit sistemin dikkate alınması gereken belli sınırlamaları vardır. Örne˘gin, sistem, do˘gru konumlandırma sa˘glamak için sensörlerin bir a˘gına ihtiyaç duyar, bu da uygulamasının belli bir maliyeti olaca˘gını aynı zamanda kalifiye insan ihtiyacı olaca˘gı anlamına gelir. Bu sistemlerin kurulması ciddi bir teknik bilgi gerektirmektedir. Sensörlerin ve yazılımların kalibrasyonu hayati önem arz etmektedir. Sonuç olarak, Fiber Bragg Izgara (FBG) teknolojisini baz alan hibrit sistem, hızlı bir ¸sekilde konumlandırmadaki do˘gruluk problemi için umut verici bir çözüm sunmaktadır. Sistem, çe¸sitli ula¸sım a˘glarında kullanıma uygun olmak ile birlikte özellikle demiryolu sektörüne yüksek oranda hizmet verebilme kapasitesine sahiptir. Yüksek hassasiyetli konumlandırma, hız ve yön belirleme kabiliyetleri ciddi birer özelliktir. Sistemin birçok potansiyel kullanımı, avantajları olmasına ra˘gmen uygulanırken dikkate alınması gereken sınırlamaları vardır. Genel olarak, sistem, güvenli ve etkin çalı¸smayı sa˘glayarak ¸sehir içi raylı ula¸sım sektörüne önemli katkı sa˘glayabilme potansiyeline sahiptir.

Özet (Çeviri)

In recent years, the need for precise positioning of moving vehicles has become increasingly important, especially in smart cities. Accurate positioning is critical for an efficient and safe transportation system. However, the existing positioning systems are often limited because they are point-based, and the error margin for non-point-based systems is usually more than one meter, sometimes even exceeding ten meters. This limitation significantly reduces the potential use of these positioning technologies, particularly in urban metro systems. To address the accuracy problem in fast positioning, a new hybrid system utilizing Fiber Bragg Gratings (FBG) technology is proposed within the scope of this thesis. One unique feature of this designed model is the ability to encode the transmitted signal. Another essential feature is the correlation between the reference and reflected signals. This allows for precise positioning, even at high noise levels. With the help of the coding of transmitter signal 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256-bit pulse sequences have been created for the transmission side, and the localization errors were 118.4, 68.1, 4.8, 0.4, 0.3, 0.3, 0.2, and 0.1 m respectively for 50 km track line under high Gaussian noise. Additionally, the hybrid system can determine the speed and direction of a moving object by interpreting two consecutive or just a single transmitted signal. Speed and direction estimation can also be achieved by examining the frequency shift of the signal. This approach contributes to speed, position, and direction determination without analyzing multiple signals, providing higher accuracy and protection against erroneous data. The research aims to address four main questions: 1. Which should be chosen between FBG and Distributed Acoustic Sensing (DAS) methodologies for sensor applications? 2. What technical specifications are essential for implementing the hybrid FBG and DAS system to position mobile vehicles in railway applications precisely? 3. How do the hybrid system's performance, speed, and direction determination capabilities compare to existing systems, and what are the optimal configurations and parameters of the proposed system? 4. What are the hybrid system's potential uses, advantages, and limitations in various transportation types, and how can it enhance the efficiency and safety of urban transportation systems? The literature review has indicated the positioning capabilities, technical specifications, and limitations of FBG and DAS systems. Using fiber optic sensors, these systems expose external stimuli to measure stress and temperature changes in optical fibers. These changes cause a shift in the Bragg wavelength of FBG, which can be detected by measuring the reflected signal from the fiber. Furthermore, DAS, another sensing system, is used to detect the position and movement of an object by utilizing acoustic waves originating from external stimuli. However, the random nature of the backscattered signal limits the mathematical modeling to randomness. Development studies are ongoing in this scope. An advanced simulation software, using Optiwave's OptiSystem, was conducted for a newly developed and tested design to evaluate the hybrid system's performance. The software can simulate FBG sensors based on a mathematical model with a limited randomness of the reflected and transmitted signals. The effect of train on FBG expressed related to IEEE 1698 std. which defines air resistance force at the surface of the train which is directly effects the FBG sensor. This model was developed and verified with field tests to provide the highest accuracy and reliability during simulation. The behavior of FBG sensors calibrated and optimized related to field results. Also, the proper FBG working frequencies selected related to the FS Community channels guide. The performance of the proposed hybrid system was carefully evaluated and compared to existing systems. The most suitable configurations and parameters for the designed model were determined. The design and implementation of the system were evaluated considering the provided accuracy, speed, direction determination, and potential applications in various transportation contexts. To showcase the system's capabilities, a cleaning train cleaning operation in clearing the track was modeled and demonstrated using the hybrid system. Various measures against foreign objects on the track could also be provided. The proposed hybrid sensing system fills a gap in the literature by analyzing potential applications in the railway transportation sector. It could contribute significantly to the knowledge of high-precision positioning for detecting moving vehicles. This thesis extensively researches the implementation of a hybrid system for high-precision positioning in urban transportation. Addressing the research questions above demonstrates this model's feasibility and potential to revolutionize the urban transportation sector. The published articles from this thesis have significantly contributed to the knowledge of high-precision positioning systems and their applications in the transportation sector. The proposed hybrid system has several potential uses, advantages, and limitations in various transportation types. For instance, the system can be used in railway transportation to track trains and ensure their safe and efficient operation. The system can also be used in road transportation to track vehicles and optimize traffic flow. Additionally, the system can be used in air transportation to track airplanes and ensure their safe and efficient operation. One of the significant advantages of the hybrid system is its high accuracy in positioning, speed, and direction determination. The system can provide accurate positioning even at high noise levels, making it suitable for use in busy urban environments. The system is also robust and can withstand harsh environmental conditions, making it suitable for use in various transportation contexts. However, the hybrid system has certain limitations that need to be considered. For instance, the system requires a network of sensors to provide accurate positioning, which can be costly to implement. In conclusion, the proposed hybrid system utilizing Fiber Bragg Gratings (FBG) technology is a promising solution to the accuracy problem in real-time positioning. The system can provide high-precision positioning, speed, and direction determination, making it suitable for use in various transportation contexts. The system has several potential uses, advantages, and limitations that need to be considered when implementing it. Overall, the system has the potential to revolutionize the urban transportation sector by ensuring safe and efficient operation.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    797106

    Analyzing optical fibre communication networks for intrusion detection using FBG sensors

    Başlık çevirisi yok

    ELAF ABDULMAHDI SAGBAN AL ABED ALI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMAD ILYAS

  2. Tez No

    362595

    Elektro döndürme yöntemi ile elde edilen karbon nanolif ve karbon nanotüplerin karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi

    Characterisation and functionalization of electrospun carbon nanofibers and carbon nanotubes

    MERVE YILMAZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. FİLİZ ALTAY

  3. Tez No

    83108

    Genişbandlı şebekelerde hizmet adaptasyon protokolleri

    Başlık çevirisi yok

    RECEP EVREN PALANDUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNSEL DURUSOY

  4. Tez No

    807857

    Fiber optik uygulamaları için gerçek zamanlı izleme yazılımı, tasarımı ve geliştirilmesi

    Design and development of a real time monitoring software for fiber optic applications

    ZÜHAL ASLAN AKYOL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi Üniversitesi

    Bilişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT YÜCEL

  5. Tez No

    46204

    FDDI ve FDDI şebekeleri performans analizi

    Başlık çevirisi yok

    HİLMİ ŞENER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. GÜNSEL DURUSOY

Geri Dön