Drahtlose Überwachung des Tunnelbaus: Die wichtigsten Fragen und Antworten

Der Einsatz drahtloser Technologien für die Bauüberwachung und Instrumentierung bei Tunnelbauprojekten ist nichts Neues, aber im Allgemeinen sind diese Technologien nicht für die Herausforderungen der technischen Überwachung optimiert. Hier ist die neue Generation der drahtlosen IoT-Überwachungstechnologien im Vorteil. Sie bietet neue Möglichkeiten für die Datenaggregation, -übertragung und -analyse mit geringem Stromverbrauch, großer Reichweite und geringen Kosten.

Worldsensing hat gemeinsam mit Jim Rush, dem Herausgeber und Verleger des Tunnel Business Magazine, in einem Webinar erörtert, wie drahtlose Überwachungssysteme bei Tunnelbauprojekten helfen können, die Leistung zu verfolgen, Probleme zu erkennen und Betriebsrisiken zu verringern. In diesem Webinar wurden zahlreiche Fragen aus dem Publikum gestellt - für diesen Artikel haben wir unsere Lieblingsfragen ausgewählt und bieten im Folgenden Antworten vom Experten für drahtlose Überwachung, Juan Pérez. Juan Pérez ist Geotechniker und Produktverantwortlicher für das drahtlose Überwachungssystem Worldsensing. Er hat einen Hintergrund in geotechnischer und struktureller Instrumentierung und leitet seit 2013 die Produktentwicklung der drahtlosen Überwachung beim IoT-Pionier Worldsensing.

Was unterscheidet die moderne IoT-Funküberwachung von der herkömmlichen Funküberwachung?

Die drahtlose IoT-Überwachung ist sowohl reichweitenstark als auch stromsparend. Drahtlose Lösungen auf der Grundlage von Mobilfunktechnologie (GPRS/3G) - die herkömmliche Art - sind stromhungriger. Daher übertragen die GPRS-Datenlogger bei diesen Lösungen die Daten nur einmal pro Tag oder einmal pro Woche, insbesondere wenn sie mit internen Batterien betrieben werden. Bei der Mobilfunktechnologie müssen die Betreiber für jedes Gerät, das sie anschließen wollen, entsprechend ihrem monatlichen Plan bezahlen. Bei privaten IoT-Netzen können die Betreiber der drahtlosen Überwachungssysteme Eigentümer der Infrastruktur sein, so dass die Datenübertragung kostenlos sein kann. Und vor allem können sie die Infrastruktur nach ihren Bedürfnissen einrichten, ohne eine Vereinbarung mit dem Anbieter von Telekommunikationsdiensten treffen zu müssen. Sie müssen lediglich das Gateway über eine Sim-Karte oder eine Ethernet-Verbindung an dem für das Tunnelprojekt am besten geeigneten Ort mit dem Internet verbinden.

Andere Lösungen wie drahtlose Maschennetze (XBee, IEEE 802.15.4) sind in Gebieten mit hoher Knotendichte leistungsstark und können größere Datenmengen übertragen. Ihre geringe Reichweite schränkt jedoch ihre Anwendung bei Überwachungsprojekten im Tunnelbau ein, wo die Überwachungspunkte über ein großes Gebiet verteilt sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die herkömmliche drahtlose Überwachung auf mobilen Technologien basiert, die viel Strom verbrauchen, eine geringe Reichweite haben und teuer sind. Die drahtlose IoT-Überwachung hingegen bietet sowohl eine drahtlose Verbindung mit großer Reichweite als auch eine kostenlose Datenübertragung und einen geringen Stromverbrauch.

Worauf basiert das Funksystem?

Das Funkgerät, das wir für unser im Webinar vorgestelltes drahtloses Überwachungssystem verwenden, ist LoRa, weil wir bei Worldsensing der Meinung sind, dass dies die beste verfügbare Technologie ist, um die Anforderungen des geotechnischen Überwachungssektors zu erfüllen. Wir evaluieren ständig neue Funktechnologien, sobald sie auftauchen, und suchen nach der besten Technologie für jede Anwendung. Unser Parkmanagementsystem nutzt beispielsweise auch Sigfox und hat einige Pilotprojekte mit NarrowBand-IoT.

Drahtlose Datenknoten auf der Grundlage der IoT-Technologie bei einem Tunnelbauprojekt

Kann das Datenerfassungssystem im Rahmen von Bauprojekten für Anwendungsbereiche wie Wasser-/Abwassergräben eingesetzt werden?

Um es einfach auszudrücken: Ja, das kann es. Wir haben Projekte, bei denen die drahtlose Datenerfassung in geotechnischen Überwachungsprojekten eingesetzt wird, aber das System wird auch in Fällen eingesetzt, die mit der Überwachung des Grundwassers (Wasserstand, Wasserqualität) und anderen industriellen Anwendungen zusammenhängen.

Unserer Erfahrung nach sind analoge Knotenpunkte, die flexibel sind und bis zu vier Sensoren mit unterschiedlichen Schnittstellen (Spannung, 4-20 mA, Potentiometer, vollständige Wheatstone-Brücke, Thermistor und PT100) auslesen können, am besten für Bereiche wie Wasser-/Kanalgräben geeignet. Sie ermöglichen die Überwachung des Wasserstands, der Temperatur, des pH-Werts, des Oxidationsreduktionspotenzials (ORP) und anderer Parameter, die mit der Wasserqualität zusammenhängen.

Welche Zeitspanne zwischen Instrument und Server ist für Sie "Echtzeit"?

Es gibt viele Faktoren, die sich auf die Datenübertragung auswirken können, aber nach unserer Erfahrung beträgt die minimale Latenzzeit etwa 25 Sekunden. Wir betrachten die "Beinahe-Echtzeit" des Systems im Vergleich zu manuellen Ablesungen als "fast in Echtzeit". Bei der Überwachung von Tunneln sind die Prozesse in der Regel langsamer, so dass drahtlose Datenerfassungssysteme als "fast in Echtzeit" betrachtet werden können. Bei drahtlosen IoT-Systemen kann der Messwert das Gateway innerhalb weniger Sekunden oder Minuten erreichen; dies hängt von der Abtastrate und der Größe des Netzwerks ab.

Wir arbeiten an der Entwicklung von etwas, das man als "Schnellmodus" für bestimmte Feldtests im Zusammenhang mit der strukturellen Gesundheitsüberwachung bezeichnen könnte. Wenn Betreiber die Latenzzeit für ein Projekt verringern müssen, wenden sie sich in der Regel an uns, und wir finden eine Lösung für ihren spezifischen Industrie- und Anwendungsbereich.

Wie hoch ist der Strombedarf für den Einsatz des Datenerfassungssystems?

Die Datenknoten werden von ihren eigenen internen Batterien gespeist, so dass der Strombedarf nur für die Gateways gilt. Einer der größten Vorteile unseres Systems besteht darin, dass die Knoten batteriebetrieben und stromsparend sind, was bedeutet, dass die Lebensdauer der Batterien mehrere Jahre lang ausreichen kann, um stündlich Daten zu erfassen und zu übertragen. Die Leistungsaufnahme des Gateways beträgt etwa 3 W. Es ist auch möglich, das Gateway mit einem Solarkit zu betreiben.

Welche Art von Datenknoten verwendet Ihr drahtloses Überwachungssystem mit welcher Art von Sensoren?

Je nach gewähltem Sensortyp verwenden wir verschiedene Arten von Datenknoten. In der folgenden Tabelle sind die Paare aufgeführt:

Knotentypen
Kompatibler Sensor
Drahtloser Neigungsmesser
Integriert mit eigenem Sensor
Vibrationsdrahtknoten 5 Kanäle
Vibrierender Draht
Vibro-Drahtknoten 1 Kanal - Aluminium-Kastenversion
Vibrierender Draht
Vibro-Drahtknoten 1 Kanal - Polycarbonat-Box-Version
Vibrierender Draht
Digitaler Knoten
Derzeit:
- Ketten von Vor-Ort-Neigungsmessern und digitalen Neigungsbalken von Sisgeo, Geosense und RST.
- MDT SMART MPBX Aufnehmer
Analoger Knoten 4 Kanäle
- Spannung
- Stromschleife
- Potentiometer
- Vollständige Wheatstone-Brücke
- Thermistor
- PT100
- Ketten von DGSI-Neigungsanzeigern Serien-HD-In-Place-Neigungsmessern

Wie können Sie mit einem drahtlosen Datenerfassungssystem mit gashaltigen Bedingungen in Baugruben umgehen?

Ein System wie Worldsensing ist nicht für explosionsgefährdete Bereiche wie Kohleminen, Öl- und Gasbohrungen zertifiziert. Es kann jedoch ein Kabel vom Sensor zum Datenknoten in einem offenen Bereich (z. B. Gaspipelines) verlegt werden, in dem keine gashaltigen Bedingungen herrschen.

Schlussfolgerung:

Drahtlose Überwachungssysteme sind für Tunnelbauprojekte unverzichtbar, da die Ausgrabungsstätte eine sich ständig verändernde und geschäftige Arbeitsumgebung ist, in der ständig Risiken auftreten. Im Gegensatz zu manuellen Ablesungen sind drahtlose Sensoren einfach zu installieren und können, wenn sie einmal installiert sind, sofort alle 5 bis 15 Minuten Echtzeitdaten übermitteln. Das drahtlose Überwachungssystem der Wahl sollte Datenknoten enthalten, die sowohl mit der Vielzahl unterschiedlicher Sensoren für Tunnelbauprojekte verbunden als auch mit einer einfachen App konfiguriert werden können. Die gesammelten Informationen müssen außerdem an ein Gateway gesendet werden, das neue, durch das IoT ermöglichte Funkprotokolle verwenden sollte.

Drahtlose Systeme wie Worldsensing sind bei Tunnelbauprojekten besonders nützlich, da die Datenknoten nicht nur einfach konfiguriert werden können und aufgrund des geringen Stromverbrauchs wenig Wartung erfordern, sondern auch die Internetverbindung zwischen den Datenknoten und Gateways sehr stark ist. Dies ermöglicht die Überwachung des Tunnelbaus sowohl innerhalb als auch außerhalb des Tunnels, da die Sensoren Daten bis zu zwei Meilen innerhalb des Tunnels, aber auch durch Schächte oder Bohrlöcher und Gebäude an der Oberfläche übertragen können.

Insgesamt übertreffen die Vorteile IoT-gestützter Datenerfassungssysteme für die Tunnelüberwachung die Möglichkeiten herkömmlicher drahtloser und kabelgebundener Überwachungssysteme bei weitem und bieten eine neue, kostengünstigere und optimierte Möglichkeit, den Tunnelbau sicherer, kostengünstiger und effizienter zu machen.

Bauwesen