Drahtlose Sensornetzwerke zur Langzeit-Brückenüberwachung

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Die Sensoren können einfach an den zu überwachenden Stellen montiert werden und übertragen die Messwerte über 2,4 GHz Funk an die Zentrale. Darüber hinaus unterstützt ein cloud-basiertes Management- und Modellierungswerkzeug alle MicroStrain Wireless-Nodes sowie Daten von anderen Quellen über ein SDK. Aktuelle kommerzielle Anwendungen sind z. B. Brückenüberwachung, Monitoring von Hubschraubern, Flugzeugen und Fertigungsprozessen.

Wireless Monitoring

Die zyklische Belastung durch den Verkehr stellt eine erhebliche Belastung für Brückenbauwerke dar. Zur Quantifizierung der Nutzung und zur Vorhersage von Ausfällen ist es unabdingbar, zahlreiche Messstellen und Parameter zu überwachen. Verdrahtete Sensoren unterliegen umweltbedingten Einschränkungen, die einen breiten Einsatz verhindern. Weiterhin sind fest verdrahtete Lösungen schwierig und störend zu installieren, teuer im Unterhalt und nicht leicht zwischen mehreren zu untersuchenden Brückenkonstruktionen zu übertragen. Drahtlose Sensornetzwerke können im größeren Umfang wirtschaftlich auf hochwertigem Gerät und an Bauwerken eingesetzt werden. ZSE/MicroStrain hat Wireless-Monitoring-Lösungen für viele Anwendungen zur strukturellen Überwachung entwickelt. Eine drahtlose Synchronisation erlaubt die drahtlose synchrone Messung vieler Sensoren. Ultra-Low-Power-FRAM-Speicher und Event-Trigger auf jedem Knoten ermöglichen das Erfassen sämtlicher Zustands- und Nutzungsdaten mit geringstem Energiebedarf. Zusätzlich erlauben die skalierbaren Systemmerkmale den Einsatz von vielen Sensoren in einem einzigen Netzwerk. Die einzelnen Sensoren kommunizieren über 2,4 GHz mit der Zentrale. Diese ist über LAN, WIFI, Festnetz, Mobilfunk oder Satellitenkommunikation zu erreichen. Praktisch jeder Sensor kann in das MicroStrain-drahtlos-Netzwerk integriert werden.

Schnelle Installation

Brückenbetreiber können es sich nicht leisten, den Betrieb länger zu unterbrechen oder zu stören, nur um ein veraltetes kabelgebundenes Überwachungssystem zu installieren. Die neuen Wireless Sensor Nodes von ZSE/Microstrain erlauben eine einfache und schnelle Montage ohne eine eventuell gleichzeitige Bautätigkeit oder den Verkehrsfluss zu stören.

Energieunabhängige Datenerfassung.

Sollte die Überwachung nur einige Monate laufen, also von kurzer Dauer sein, kann die ultra-low power Mikroelektronik durch Li-Primärzellen gespeist werden. Für eine Langzeitüberwachung empfiehlt der Hersteller eine Speisung mit Solarstrom oder Energy Harvesting aus Temperatur oder Vibration. Das Monitoring-System bietet effiziente Datenübertragungsprotokolle sowie einen ereignisgesteuerten Ruhemodus mit minimalem Stromverbrauch.

Sichere Datenspeicherung in der SensorCloud

Kontinuierliches Zustands- und Nutzungs-Monitoring generiert gewaltige Datenmengen. Die SensorCloud^TM bietet eine sichere Datenspeicherung mit nahezu unbegrenztem Speicherplatz, schnelle Visualisierung, benutzerdefinierte Alarme und weltweiten Zugriff. SensorCloud^TM macht große Datenmengen schnell zugänglich und ermöglicht es, selbst große Datenmengen in Sekunden zu analysieren. Die server-basierten Tools zur Analyse und Modellierung erlauben es dem Nutzer, auch eigene Analysen zu entwickeln und zu überprüfen. Darüber hinaus existiert eine offene API für den Import von weiteren Kenngrößen und zusätzlichen Datentypen (wie Beschriftungsobjekte, Notizen und Bildern). So können Nutzungsmuster auch über sehr lange Zeiträume erfasst und online analysiert werden.

Live Connect

Eine bidirektionale Kommunikation durch die cloud-basierte Sensor-Daten-Plattform ermöglicht jederzeit einen direkten Datenaustausch mit dem Datensammler (WSDA) vor Ort sowie mit den einzelnen Sensor-Nodes. Über den Live-Connect genannten Zugang kann mit Hilfe der Microstrain Software das Remote-Sensor-Netz geprüft, verwaltet und parametriert werden. So lassen sich z. B. die Abtastraten ändern oder einzelne Kanäle an- oder abschalten, um z. B. Bandbreite zu sparen. Die Daten werden auf Wunsch über LAN, WIFI oder HSDPA und das Mobilfunknetz in die Cloud geladen. Eine redundante lokale Speicherung im WSDA kann ebenfalls eingerichtet werden. Zur Analyse und zum Download der Daten wird jedoch lediglich ein Webbrowser benötigt. Ein weltweiter Zugriff auf die Daten ist somit mit jedem PC, Tablet oder Handy möglich. MicroStrain’s Live Connect ermöglicht somit den Betreibern die Fernüberwachung der Brücke oder des Bauwerks in Echtzeit von jedem Punkt der Erde aus.

Bridge Monitoring - ein Beispiel

Mit zahlreichen Installationen werden mittlerweile die strukturellen Belastungen und seismischen Aktivitäten von Bauwerken und Brücken überwacht. Ein Beispiel ist die Benjamin Franklin Bridge, die den Delaware River zwischen Philadelphia, PA und Camden, NJ überbrückt. Das drahtlose Überwachungssystem ist mit der SensorCloud über ein GSM-Modem verbunden. Die Wireless-Knoten messen die strukturellen Belastungen, während die Brücke von Personenzügen überquert wird. Die Messung wurde über mehrere Monate durchgeführt und bestätigt, dass die Brücke innerhalb ihrer Grenzen belastet wird und vermied somit eine kostspielige Überholung der Brücke. Weitere self-powered Brücken-Überwachungssysteme wurden bereits mit dem ZSE/Microstrain System ausgestattet, z. B. die Great Road State Bridge in North Smithfield, RI, die Goldstar Brücke über den Thames River in New Haven, CT und die Corinth Canal Bridge in Korinth, Griechenland. In allen Beispielen wurden Solarzellen zur Energieversorgung verwendet. In Korinth, einem seismisch aktiven Landstrich, wurde durch die Brückenkonstruktion eine partielle seismische Trennung der Brücke vom Untergrund geschaffen. Die Wirksamkeit der seismischen Trennung während tatsächlicher seismischer Ereignisse wird nun mit Hilfe der Wireless-Nodes überprüft. Das System misst kontinuierlich die Beschleunigungen mit 200 Hz und speichert sie in einem Ringpuffer zwischen. Durch einen Event-Trigger ausgelöst, werden die Pre-/Post-Event-Daten dauerhaft gespeichert und in die SensorCloud geladen.

Der cloud-basierte Datenaustausch ermöglicht Betreibern und Forschungseinrichtungen, auf günstige Art autonom Daten zu sammeln, zu visualisieren und zu analysieren. Die Datenmengen übersteigen oft 1 GByte am Tag, z. B. bei 100 Hz kontinuierlicher Messrate in einem Netzwerk mit zehn aktiven Knoten. Größere Bauwerke erfordern oft Hunderte, wenn nicht Tausende von Sensoren. SensorCloud^TM bietet hier eine einfache und günstige Lösung. Auch entfallen z. B. die Betriebsfahrten zum Auslesen der Datenlogger vor Ort.

Die Verbindung von fortschrittlichen drahtlosen Sensor-Netzwerken mit einer innovativen cloud-basierten Datenanalyse revolutioniert die Überwachung von Bauwerken und Strukturen, aber auch von beweglichen Investitionsgütern. Bei Langzeitanwendung gewinnt der Betreiber wertvolle Einblicke in die Alterung der Bauwerke und die daraus resultierenden Auswirkungen auf deren Leistung.

ZSE Electronic GmbH bietet die komplette Messkette: Sensoren für Dehnung (DMS & FBG), Druck, Beschleunigung, Weg, Kraft, Drehmoment, Orientierung und Neigung sowie darauf abgestimmte Messdatenerfassungssysteme, Messverstärker und Software.