Konzept zur Erhöhung der Sicherheit komplexer. sensorbasierte Monitoring-Verfahren

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1 Konzept zur Erhöhung der Sicherheit komplexer technischer Systeme durch sensorbasierte Monitoring-Verfahren Claus-Peter Fritzen 1. Workshop zum Forschungsbereich Zivile Sicherheit

2 Was sind komplexe technische Systeme? Bauwerke Verkehrsmittel Industrieanlagen - Flugzeuge - Rafinerien Siemens press picture -CantonTower (600 m) -Züge -AKW (Biblis) -Brücken - Staudämme - - Schiffe -Helikopter - -Windkraftanlagen - Braunkohlekraftwerke -

3 Komplexe technischer Systeme Wie sicher sind unsere Systeme? Bauwerke Verkehrsmittel Industrieanlagen Mississippi River Disaster (2007) ICE 1 Unglück Eschede (1997) AKW Fukushima (2011) - 11 Tote Tote - Kernschmelze in 3 Reaktor- - I35-W in Minneapolis stürzt während der Hauptverkerszeit ein - Entgleisung bei 198 km/h, Kollision mit Brücke - Ermüdungsrisse an der Innenblöcken - Radiaktive Emissionen wurde freigesetzt - Falsche Dimensionierung i i der Knotenbleche, - Mangelnde Überwachung seite-> Bruch des Radreifens - Schlechte Zugänglichkeit - Tsunami sorgt für Überschwemmung des AKW und Ausfall von techn. Equipment Technisches Versagen führt zur Verringerung der Zivilen Sicherheit

4 Wie kann die Zivile Sicherheit Komplexer System erhöht werden? Permanente Überwachung technischer Systeme Traditionell Heute ->Zukunft Inspektion durch Menschen Sensorbasierte Monitoring-Verfahren Structuralt Health Monitoring (SHM) BMWi-Projekt: IMO- Wind, Integrales Monitoring von Offshore-Wind

5 Forschungsbereich SHM SHM Structural Health Monitoring: Idee: Nachahmung biolog. Systeme mittels künstlichem Nervensystem und intelligenter Datenanalyse, z.b. Mustererkennung Mensch Intelligente Struktur

6 Was kann SHM bieten? Eine kurze Motivation für SHM Sicherheit Vermeidung von katastrophalem Versagen Schnelle Evaluierung von Schäden nach Extrembelastungen (Erdbeben, Wirbelsturm,.) Ökonomische Aspekte Reduzierung von Ausfallzeiten Bessere Planung von Inspektionen, Reparaturen Verlängerte Lebensdauer Verbesserte Strukturauslegung Durch Kenntnis realer Lasten Aufdeckung der Schwachstellen Quelle: EADS

7 Konzept eines Monitoring-Systems am Canton Tower I/II Canton Tower 600 meter high, Guangzhou, China. (Source: The Hong Kong Polytechnic University) it A long-term SHM system has been implemented More than 800 sensors of 16 types Designer: The Hong Kong Polytechnic University DAAD Germany / Hong Kong Joint Research Scheme ( ) In cooperation with The Hong Kong Polytechnic University Topic: Online wind load reconstruction using the SHM measurements

8 Konzept eines Monitoring-Systems am Canton Tower II/II Known forces Unknown forces Online Last-Rekonstruktion t kti mittels G-KF-UKI Methode Mechanical or civil structures Structural responses + + Measurement noise Modeling errors G-KF-UKI (Niu, Klinkov, Fritzen, 2011) Reconstructed structural t responses Reconstructed unknown forces (G-KF-UKI: Generalized Kalman Filter with Unknown and Known Inputs)

9 Eigene Forschungsthemen im SHM I/II SEM Simulation der Ultraschallwellenausbreitung Modellgestützte Schadenslokalisierung (am Turm einer Windenergieanlage) Online-Kraftrekonstruktion t kti

10 Eigene Forschungsthemen im SHM II/II EU - Projekt: HiPRWIND Monitoring von schwimmenden Windenergieanlagen EU- Projekt: SARISTU Monitoring von Flugzeugstrukturkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen

11 Wichtige Aspekte sensorbasierter Monitoring-Systeme für die Zukunft - Wie stellt man sicher, dass Monitoring-Systeme zuverlässig arbeiten und korrekte Ergebnisse / Warnmeldungen liefern? Sensorfehlerdetektion (Überwachung Ü der Überwacher) Risikoanalyse (unentdeckte Schäden, Fehlentscheidungen) Analyse der Entdeckungswahrscheinlichkeit von Schäden (POD, Probability of Detection) Simulation von Monitoring-Verfahren Experimentelle Untersuchungen Optimale Sensoranordnungen

12 Beitrag zum Forscherkolleg Fachdisziplinen Bauingenieurwesen Physik Mess- & Regelungstechnik g ATM Selbstlernende Systeme Mechanische Modellierung / Modellbildung Entwicklung von Schadenserkennungsalgorithmen Entwicklung von Monitoring Verfahren Mathematik Experimentelle Validierung Statistik Inverse Probleme Risikoanalyse Extremwertanalyse Verkehrsmittel Bauwesen Industrieanlagen Visualisierung Datenaufbereitung Bildgenerierung Sensorsysteme Digitale Datenbearbeitung Datenübertragung / Funkdatenübertragung Musterkennung