Hautähnliche Sensoren ermöglichen strukturelle Überwachung von Verkehrsinfrastruktur
Während Zustandsüberwachung voraussichtlich eine immer größere Rolle in der Verkehrsinfrastruktur spielen wird, basieren die heutigen Techniken weiterhin auf punktbasierter und nicht auf räumlicher Erfassung. Dies erfordert ein dichtes Netzwerk mit Punktsensoren, was die Überwachunsgkosten beträchtlich erhöht. Die Kosten sind nicht der einzige Nachteil; heutige Belastungssensoren können keine Belastungen über 1 % bis 2 % messen, d. h. sie können angesichts einer bevorstehenden Katastrophe keine Warnung auslösen. Im Rahmen des Projekts SENSKIN wurde ein innovativer Ansatz verfolgt, um diese Probleme zu bewältigen. Es wurde ein einfach zu installierender und kostengünstiger dielektrischer Elastomer-Dehnungssensor entwickelt, der seine Messdaten kabellos und mit geringem Stromverbrauch übertragen kann. „Der Sensor selbst ist passiv, aber der Knoten wird von einem Photovoltaikmodul versorgt, das einen 18650 Li-On-Akku mit 3 000 mAh lädt“, erklärt Dr. Angelos Amditis, Forschungsdirektor bei ICCS, dem SENSKIN-Koordinator. Die daraus resultierenden Sensoren sind nicht nur kostengünstiger, sondern sie sind auch in der Lage, unterschiedliche Dehnungen zu erfassen – von sehr klein bis extrem groß. Da die Kommunikation zwischen Sensor und Konzentrator kabellos erfolgt, ist die Installation wesentlich einfacher und viel schneller. Das Silizium selbst ist auch ein kostengünstigeres Material für den Einsatz in der Fertigung von Sensoren.
Verzögerungstolerantes Netzwerk
Ihr Ansatz basiert auf einem verzögerungstoleranten Netzwerk, wobei die allgemeine Idee darin besteht, die Messdaten jederzeit, unabhängig von den Bedingungen, verfügbar zu haben. Mit einem verzögerungstoleranten Netzwerk können die Messdaten während einer verlorenen Verbindung zwischengespeichert werden, sodass sie wieder zur Verfügung stehen, wenn die Verbindung wiederhergestellt ist. Das asynchrone Datenbereitstellungsmodell der „Übermittlung mit Zwischenspeicherung“ befasst sich mit den Problemen der Unterbrechungen und nicht vorhandener Infrastruktur, da die Architektur die Entwicklung anspruchsvoller Sendungskonzepte unterstützt. Das System kann Zwischenknoten verwenden, um die Messdaten des Sensors zu senden, falls ein Knoten keine direkte Verbindung zum Gateway hat. „Sollte ein Extremereignis einen Notfall auslösen, wird die Ausgabe durch (sogenannte) „Panik-Kommunikationsprotokolle“ ohne Verfügbarkeits- oder Genauigkeitsverlust bewahrt und an die Verarbeitungsstation weitergeleitet“, erklärt Dr. Amditis. Des Weiteren entwickelte das Team auch ein Entscheidungsunterstützungssystem, um proaktive, zustandsabhängige, strukturelle Intervention unter Betriebslast und nach Extremereignissen zu ermöglichen. „Die Messdaten der Sensoren zeigen den Zustand der Infrastruktur (zum Beispiel einer Brücke) mit einer Farbkodierung an: blau für OK, gelb für Schäden, rot für kritisch. Darüber hinaus bieten Lebenszykluskosten- und Lebenszyklusanalysemodule Vorschläge für die Instandhaltung und eine Vorhersage der Instandhaltungskosten in den kommenden Jahren“, ergänzt Dr. Amditis. SENSKIN-Partner haben ihr System ausprobiert. Das erste Pilotprojekt fand an der Ersten Bosporus-Brücke in Istanbul statt. Dort wurden der Telekommunikationsteil des Systems und Integrationsaspekte getestet. Das zweite und wichtigere Pilotprojekt fand von September 2018 bis Mai 2019 an der G4-Brücke in Krystalopigi in Griechenland statt. „Wir haben im Verlauf der umfangreichen Tests an Sensor und Telekommunikation einige wesentliche Verbesserungen vorgenommen, die gut funktioniert haben. Der Sensor zeigt einige Schwächen bei der Messung sehr geringer Dehnungen, kann aber andererseits im Vergleich mit konventionellen Sensoren extrem große Dehnungen messen“, sagt Dr. Amditis. Es war ein komplexes Projekt mit einem innovativen Ansatz für die Anwendung vorhandener Technologien. „Ich persönlich bin am meisten darauf stolz, wie das Konsortium jedes Mal zusammen kam, wenn es scheinbar unüberwindbare Hindernisse gab, den Einsatz intensivierte und Lösungen bereitstellte, um die Forschung zu unterstützen und ein positives Ergebnis zu erzielen“, schließt Dr. Amditis.
Schlüsselbegriffe
Zustandsüberwachung, hautähnliche Sensoren, Infrastruktur, Entscheidungsunterstützungssystem, verzögerungstolerantes Netzwerk
