Sensor-EDGE – Hochperformantes Vor-Ort-Sensor- und Datensystem für multimodale Monitoring-Anwendungen an kritischer Infrastruktur

Motivation

Vor dem Hintergrund einer alternden Infrastruktur gewinnt die Ermittlung des Zustands von Bauwerken eine immer höhere Bedeutung. Insbesondere die öffentliche Sicherheit und die volkswirtschaftliche Nutzung sind auf eine funktionierende Infrastruktur angewiesen. Nicht zuletzt ist die Standsicherheit von Ingenieurbauwerken entlang von Verkehrswegen (Straße, Schiene, Fluss) wie beispielsweise Brücken, Tunnel, Straßen, Häfen, Schleusen usw. wegen ihres hohen Alters, einhergehenden Umwelteinflüssen und immer höherer Belastung teils stark gefährdet.

Problemstellung

Aus Sicherheitsgründen und für eine vorausschauende Instandhaltung wird immer häufiger zusätzlich zur Bauwerksinspektion (handnahe Prüfung nach DIN 1076) eine Dauerüberwachung (Monitoring, SHM) kritischer Bauwerksbereiche mit verschiedenen Sensoren eingesetzt. Diese Sensoren erzeugen jedoch große, komplexe Datenmengen, die individuell interpretiert werden müssen. Bisher werden die Rohdaten meist an Server gesendet und dort von Experten analysiert und bewertet. Das verursacht hohe Energiekosten durch den Bedarf an Speicher- und Rechenkapazitäten. Zudem fehlt an den meisten Bauwerken eine Infrastruktur für den kontinuierlichen Transfer großer Datenmengen, sodass eine schnelle Bewertung vor Ort kaum möglich ist.

Möchte man alle wichtigen Informationen direkt am Bauwerk bereitstellen, ist ein energieeffizientes Monitoring-System notwendig. Dieses muss eine hohe Rechenleistung besitzen, spezielle Algorithmen – oft unterstützt durch künstliche Intelligenz (KI) – einsetzen und so den Bauingenieurinnen und -ingenieuren relevante Informationen zur Bewertung in Echtzeit zugänglich machen. Gleichzeitig könnten den Betreibern kontinuierlich eine bereits vorausgewertete Informationslage der Bauwerke mit deutlich reduzierter Datenmenge zugesendet werden. 

Lösung

Zur Lösung dieser Problemstellung hat das Fraunhofer IZFP das »Sensor-EDGE« als hochperformantes Vor-Ort-Sensor- und Datensystem für das multimodale Monitoring kritischer Infrastruktur entwickelt. Das Sensor-EDGE ist durch den Einsatz leistungsstarker Mikroelektronik in der Lage, Bestandsdaten, Prüfergebnisse aus der Bauwerksinspektion sowie Sensordaten aus der Dauerüberwachung in einer Datenbank zu speichern, zu höherwertigen Informationen zu verarbeiten und Bauwerksprüfern oder Bauingenieuren in Echtzeit bereitzustellen. Der Transport großer Datenmengen über einen Server ist dadurch nicht mehr erforderlich. Dadurch wird eine genauere Zustandsbewertung von Infrastrukturbauwerken ermöglicht und die vorausschauende Instandhaltung erheblich erleichtert.

Sensoren

Folgende Sensoren können bisher eingesetzt werden:

• Akustische-Emissionssensoren (AE)
• Dehnungsmessstreifen (DMS)
• Temperatursensoren
• Wetterstation
• Feuchtesensoren
• Vibrationssensoren
• Ultraschallsensoren
• Wegsensoren (magnetostriktiv oder Laserabstand)
• Verkehrsüberwachung mittels LiDAR-Sensoren

Sollten andere Sonsorarten benötigt werden, sprechen Sie uns an.

Vorteile

• Durch den Einsatz eines hochperformanten FPGA (Field Programable Gate Array) können bis zu 32 Einzelsensoren parallel eingesetzt werden.
• Zusätzlich können weitere Sensoren oder Sensornetzwerke über bekannte Schnittstellen wie Ethernet oder Bluetooth angeschlossen werden.
• Das FPGA lässt eine erste Sensor- und Anwendungs-abhängige Vorverarbeitung mit signifikanter Datenreduktion zu.
• Die eingesetzte Datenbank erlaubt eine automatisierte Langzeitanalyse und den Einsatz von klassischen und KI-Algorithmen zur Erzeugung höherwertiger Informationen.
• Automatisierter Versand von Statusinformationen an die Bedienpersonen.
• Flexible Anpassung des Datenformates an die Bedürfnisse der Bedienpersonen.
• Der Datentransport zu den Bedienpersonen kann flexibel über verschiedene Kommunikationsschnittstellen wie z. B. LoRaWAN, LTE, 5G, WLAN usw. erfolgen.

Einsatzbereiche

• Monitoring von Brückenbauwerken, Tunneln, Straßen und Schienen
• Überwachung von Häfen, Kläranlagen, Regenrückhaltebecken, Dämmen usw.
• Verkehrsüberwachung und Echtzeitbelastungsabschätzung von Brücken
• Überwachung von Windanlagen und -parks