Pn – III – pte raport ştiinţific şi tehnic în extenso
Analiza gradului de aliniere a solutiilor sistemului initial (TRL4 FUZIBAR) la tendintele mondiale în domeniu
Yüklə 296,62 Kb.
|
3.2.Analiza gradului de aliniere a solutiilor sistemului initial (TRL4 FUZIBAR) la tendintele mondiale în domeniu3.2.1. Metode moderne de monitorizare a comportatii barajelorÎn Studiul intocmit se prezintă metode de dată recentă pentru monitorizarea barajelor: Dispozitivele electronice de măsură inteligente (IED) ; Sensori optici distribuiti (OS); Metodele de vizualizare computerizată (CV); Fuziunea multimodală a informaţiilor (MF). 1. Dispozitivele inteligente - IED Aceste dispozitive sunt utilizate tot mai mult în monitorizarea barajelor si a IHC [Dab5]. Având în vedere caracteristicile măsuratorilor IHC, care nu cer o rată mare a măsurătorilor şi preluării datelor, dispozitivele înregistratoare tip ‘Data Logger’ (DL) sunt utilizate foarte mult pe plan mondial în monitorizarea AMC-urilor din baraje. Data logger-ul este un dispozitiv eletronic independent, microcontrolat, care asigură înregistrarea cu amprentă de timp, la intervale programate, într-o memorie nevolatilă, a datelor furnizate de la unul sau mai mulţi sensori şi transferul acestor date la cerere. Se pot defini patru tipuri de ‘Data Logger’ (DL): -‘Stand alone DL’ : Comunică cu computerul pe un bus serial şi asigură interfaţa între sensorii monitorizaţi (locali sau aflaţi la distantă) şi calculator, transferând datele la cerere pe fir. -‘Web-DL’: Asigură tranferul de date pe internet, prin GSM, WI-FI sau prin Ethernet. Datele inregistrate sunt transmise la un server WEB, pentru accesare securizata, de catre terţi. -‘Wireless DL’: Colecteaza date de la mai multi sensori le impacheteaza şi le transmite la un computer central în timp real, eliminand necesitatea transferului individual -‘Bluetooth DL‘: Asigură transferul de date pe dispozitive mobile aflate la mică distanţă, prin conexiune Bluetooth. Aceste DL- asigură transferul manual al datelor inregistrate. Sensorii şi traductorii ‘inteligenţi’, sunt dispozitive care au pe lângă funcţiile de ‘sensing’ (transformarea variaţiei unei mărimi fizice în semnal electric) şi funcţii de procesare analog/digitală a semnalului, precum şi funcţii evoluate de: autoidentificare, autotestare, autovalidare, adaptare şi conectare la sisteme de comunicare. Dispozitive de acest tip permit prelucrări primare asupra datelor, stocarea lor temporară şi transferul datelor în baza unor protocoale implementate. În monitorizarea barajelor se utilizează mai multe familii de sensori şi traductori inteligenţi: telelimnimetre, telependule, teleprezmete, teleclinometre, staţii meteo, telemetre cu laser, sensori optici şi în ultimul timp o clasă distinctă sensorii optici distribuiţi. - Limnimetrele sunt traductori dedicaţi măsurătorii nivelului apei în lacurile de acumulare. Un tip de limnimetru este cel care foloseşte traductoare de presiune diferentială submersibile cu ieşire în curent unificat, pentru măsurarea presiunii hidrostatice. Telelimnimetru este un aparat inteligent care asigură transmisia la distanţă a măsurătorii făcute. Are în compunere un bloc microprocesat de măsură cu funcţii de: afişare locală, etalonare, configurare, mediere şi memorare a unui număr finit de măsuratori şi un modul de comunicaţii, de regulă modem tip GSM/GPRS, care asigură conectarea telelimnimetrului la reţea LAN cu calculatorul staţiei de achiziţie. -Pendulele directe şi inverse. Pendululele sunt traductoare montate în forajele unui baraj şi permit măsurarea precisă a deplasărilor în plan orizontal a acestora. Pendulul direct este format dintr-un fir lung suspendat în partea superioară a barajului, centrat cu precizie şi întins de o greutate pozată intr-o cuvă cu ulei pentru amortizarea oscilaţiilor. Pendulul invers este ancorat la baza barajului, la extremitatea inferioară, şi are un flotor într-o cuvă cu ulei la extremitatea sa superioară. Această combinaţie poate determina deformarea barajului pe toată lungimea forajului, în raport cu verticala locului. Plasând instrumente optice de masură solidare cu barajul se măsoară deplasarea relativă a acestuia în raport cu firul pendulului. Pendulele se plasează în mai multe foraje din corpul barajelor pe toată lungimea şi inălţimea acestuia. - Telependulele sunt traductoare inteligente care măsoară automat deplasările relative ale barajului în raport cu firele pendulelor, prin metode diferite şi transmit rezultatele la staţiile de achiziţii date. Au în compunere module de sensing a deplasării firului pe 2 sau 3 axe (optice cu CCD, optomecanice cu bariera optică, capacitive sau inductive) şi unitate de calcul microprogramată cu funcţii de autoetalonare, comanda măsură, achiziţie rezultate, stocare, transmisie date. Blocul de comunicaţii poate lucra pe fir (bus standardizat transmisii date) sau radio prin modemuri GPS/GPRS sau radio. - Telemetre şi scanere laser. Principiul metodei consta în măsurarea distanţei faţă de un obstacol (barajul) cu ajutorul fascicolului laser şi compararea poziţiei verificate cu reperele topo fixe existente. Scanarea laser se face cu aparate care asigură baleiajul orizontal şi vertical al fascicolului cu o frecvenţă de până la 50kHz. Rezultatele reprezinta un nor de puncte pentru prelucrarea cărora în raport cu reperele topo este necesara o staţie de analiză şi postprocesare date. Staţiile de telemetrie laser pot fi integrate ca surse de măsuratori alternative ale deplasării barajelor şi se pot corela cu rezultatele obţinute de alti sensori de deplasare. -Staţii meteo destinate măsurării condiţiilor de mediu ambient (temperatură aer şi apa, presiune atmosferica, cantităţi de precipitaţii ploaie/zapada, viteză şi direcţie vânt. Aceste măsurători sunt foarte importante pentru analiza corelată a datelor furnizate de mijloacele de supraveghere a comportarii barajelor. Staţiile meteo sunt dotate cu echipamentele de măsură a parametrilor enumeraţi şi unităţi de tip data logger pentru prelucrare, stocare şi transmisie a acestor date. 2.Sensori optici distribuiţi Controlul și monitorizarea procesului de îmbătrânire al structurilor de construcții civile este de o importanță deosebită pentru calitatea și siguranța acestora. Există un număr mare de factori externi care pot induce deteriorarea unei structuri. Această degradare poate fi definită ca fiind rezultatul schimbărilor survenite în urma introducerii într-un sistem, ce vor avea un efect negativ asupra performanțelor sale actuale sau viitoare [Far07]. În scopul de a obține un control și o evaluare mai bună a acestui proces, se utilizează practica de monitorizare a sănătății structurale (MSS). Acest lucru este definit ca fiind acțiunea de a realiza o strategie de indentificare a deteriorărilor pentru infrastructurile inginerești și aerospațiale. Cu toate acestea, în ciuda potențialului său considerabil, MSS nu a fost implementat pe scară largă și într-o manieră sistematică infrastructurilor civile. Una dintre cauzele cele mai importante o reprezintă lipsa unei soluții de monitorizare generică și accesibilă [Gli13]. Ca o modalitate de îmbunătățire a eficacității și a preciziei de inspecție, senzorii cu fibră optică (SFO) sunt una dintre ariile de cercetare cele mai promițătoare și cu cea mai rapidă creștere, datorită caracteristicilor acestora de durabilitate, stabilitate, dimensiune redusă și imunitate la perturbațiile electromagnetice exterioare, ceea ce fac SFO soluția ideală pentru evaluarea sănătății pe termen lung a mediului construit [Bao12]. De asemenea, diferite tipuri de senzori incorporați sau atașati unor structuri, pot fi utilizați în sisteme MSS, dar numai tipurile de senzori cu fibră optică oferă posibilitatea de a realiza măsurători integrate, cvasi-distribuite și distribuite, pe sau chiar în interiorul structurii, de-a lungul unor lungimi extinse [Hig11]. În plus, dacă e vorba de o structură pe scară largă, pot fi necesari o mulțime de senzori de punct pentru a obține informații legate de tensiunile structurii. Cu toate că senzorii individuali de ecartament scurt sunt capabili să furnizeze date utile și importante ale structurii legate de comportamentul local, aceștia ar putea neglija informații esențiale în locurile în care degradarea are loc, dar nu a fost semnalizată. În acest fel, senzorii distribuiți cu fibră optică (SDcFO) oferă un avantaj important în comparație cu senzorii de punct, deoarece aceștia permit măsurători de tensiune la nivel global. Multitudinea de puncte de detecție pe care SDcFO le oferă permit cartografierea distribuției tensiunii în două sau chiar trei dimensiuni ale structurii măsurate. În consecință, în loc să se extrapoleze din masurătorile obținute cu ajutorul câtorva puncte, pot fi folosite masurători reale pentru a dezvălui comportamentul la nivel global al unei structuri. Senzorii cu fibre optice ofera posibilitatea de a suporta un numar mare de senzori intr-o singura linie de fibra optica, datorita latimii de banda optica extraordinare si pierderii mici de putere. In plus, are abilitatea de a evalua parametrii ingineresti distribuiti (ex. tensiune sau putere) pe mai multi zeci de kilometri in diferite structuri masive, cum se vede in Fig. 3.2.1. Este un instrument puternic de diagnosticare pentru identificarea si localizarea potentialelor probleme. Permite monitorizarea tensiunii locale, a temperaturii, a ritmului de coroziune, etc. de la mii de locatii distribuite de-a lungul unei singure fibre optice monomod. 
Fig. 3.2.1. Monitorizare de constructii civile prin intermediul fibrei optice În lucrarea de față, după o scurtă explicație a trecutului SDcFO, o gamă largă și vastă de aplicații în ingineria construcțiilor civile sunt prezentate (poduri, baraje, structuri geotehnice, sisteme de conducte și clădiri istorice) precum și alte implementări inovatoare. Senzori Distribuiți cu Fibră Optică Elemente de bază ale Senzorilor cu Fibră Optică În termini simpli, fibra optică este o structură simetrică cilindrică, care este compusă dintr-un “nucleu” central cu un indice de refracție uniform și cu un diametru cuprins între 4-600 µm [Gup06]. Acest nucleu este apoi cuprins de un “invelis” cu un indice de refrație relativ mai mic, efectiv blocând fasciculul de lumină în nucleu, prin reflexia acestuia la interfața dintre nucleu și invelis, Fig. 3.2.2. Pentru a proteja fibra de mediul exterior și factori mecanici, fibra poate acoperita cu un strat protector de plastic. 
Fig. 3.2.2. Ghidarea luminii in fibra optica Există diferite moduri de a clasifica senzorii cu fibră optică, în funcție de ce criteriu este luat in considerare, spre exemplu: procesul de modulare și demodulare, aplicare puncte de măsurare, etc. Pentru proiectul de fata, este convenabil să clasificăm SDcFO în trei categorii diferite, spre exemplu: senzori interferometrici, senzori bazați pe retele de difractie și senzori distribuiți. In functie de punctele de aplicare senzorii cu fibra optica pot fi impartiti in: senzori distribuiti si senzori cu actiune localizata (senzori discreti). Daca detectia este distribuita de-a lungul fibrei, locatia schimbarii in masuratoare poate fi determinata folosind un dispoztiv numit reflectometru optic ce lucreaza in domeniul timp. Senzorul cu actiune localizata, detecteaza variata masurata in apropierea senzorului. Un reflectometru optic Raman ce lucreaza in domeniul timp folosit pentru masurarea temperaturii distribuite si un reflectometru optic Brillouin ce lucreaza in domeniul timp folosit pentru masurarea presiunii si/sau temperaturii apartin tehnicii de masurare distributiva. Fibra cu retele de difractie Bragg apartine tehnologiei senzorilor cu actiune localizata si masoara individual presiunea si temperatura. Conceptele de baza a acestor tipuri de tehnologii sunt prezentate in Fig. 3.2.3. 
Fig. 3.2.3. Concepte de baza ale detectiei pe fibra optica Detectia fibrei optice distribuite ofera posibilitatea de a masura presiunea si temperatura unei singure fibre in mii de puncte de-a lungul acesteia. Acest lucru prezinta un avantaj in monitorizarea marilor structuri precum baraje, tunele, tevi, poduri si alunecari de teren , unde se permite detectia si localizarea deplasarilor, scurgerilor, deflexiunilor si zonelor de infiltratie cu susceptibilitate si localizare preciza care nu se poate obtine folosind metode conventionale de masurare. Sistemele de detectie bazate pe efectele Brillouin si Raman sunt folosite pt a detecta presiunea si/sau temperatura localizata, permitand monitorizarea a sute de km de-a lungul unei structuri folosind un singur instrument cu precizie de 1 metru. Imprastierea luminii in fibra optica Cu aplicatiile pentru tehnologia SDcFO, fibrele sunt atasate de suprafata sau incorporate in materialul monitorizat [Hig11]. In acest fel, cand tensiunea si temperatura se schimba ele sunt transferate catre fibra optica, semnalul dispersat din fibra este modulat de acesti paramatrii fizici. Prin masurarea variatiei semnalului modulat obtinem detectarea distribuita a fibrei. Imprastierea este la originea senzorilor cu SDcFO, si poate fi definita, intr-o modalitate simpla, ca fiind interactia dintre lumina si un mediu optic. In SDcFO pot avea loc 3 procese diferite de imprastiere: imprastierea Raman, Brillouin sau Rayleigh [Boy08]. Imprastierea Raman este dependenta de temperatura fibrei ce a fost folosita pentru a implementa tehnici de success cu aplicatii variate in diferite domenii, dar si senzori de temperatura distribuita folositi de exemplu in detectia scurgerilor de apa din diguri. Pe de alta parte, imprastierea Rayleigh, ca fenomen cvasi-elastic sau linear, este independent de aproape toate campurile fizice externe. De fapt, in imprastierea Rayleigh bazata pe SDcFO, imprastierea este folosita pentru a masura efectele de propagare, care pot include atenuarea si castigul, interferenta fazei si variatia de polarizare. Efectele de imprastiere Raman si Brillouin sunt de asemenea influentate de aceste efecte de propagare, dar avand in vedere ca ele prezinta o relatie directa catre parametrii de masurare, aceste efecte sunt in general ignorate. Pentru o examinare mai detaliata a teoriei SDcFO este recomandata citirea urmatoarelor referinte [Rod15]. SDcFO -urile ce au fost cel mai mult aplicate in aplicatiile SHM din ingineria civila sunt bazate pe urmatoarea tehnica: reflectometru optic pentru domeniul de timp Brillouin (BOTDR), analiza in domeniul de timp optic Brillouin (BOTDA) si reflectometru optic in domeniul de frecventa Rayleigh (OFDR) care este cunoscut mai bine sub denumirea de reflectometru optic retro-imprastiat (OBR). Senzorii bazati pe BOTDR au fost cele mai studiate si aplicate sisteme de masurare in structuri civile SHM datorita potentialului lor de masurare extinsa care ii face foarte folositori pentru aplicatiile ce implica structuri mari, cum ar fi baraje, conducte, tuneluri si poduri de lungime mare. Cu toate acestea unele aplicatii au nevoie de o rezolutie spatiala decat cea oferita de acesti senzori. Tehnica de detectare BOTDA, prin aplicarea algoritmilor avansati si complecsi, poate aborda acest aspect, dar acest proces creste pretul tehnologiei. Tehnica OBR (Rayleigh OFDR) ofera un pret mult mai rentabil pentru a obtine limitarea rezolutiei spatiale inalte, cu toate acestea, intervalul de detectare e de 70 de metri. Tabelul 1. Tehnicile de detectie distribuita mentionate in literatura de specialitate
Atat efectul Raman, cat si efectul Brillouin folosesc o interactiune neliniara intre lumina si materialul de sticla din care fibra este confectionata. Daca o lumina de mare intensitate la o lungime de unda cunoscuta este injectata intr-o fibra, o mica portiune din aceasta este dispersata inapoi din fiecare punct de-a lungul fibrei in sine. Pe langa lungimea de unda originala (numita componenta Rayleigh), lumina dispersata contine componente la lungimi de unda care sunt superioare si inferioare semnalului original(numite componente Raman si Brillouin). Aceste componente care sunt deplasate, contin informatii asupra proprietatilor locale ale fibrei, in particular a presiunii si temperaturii sale. Fig. 3.2.4 prezinta principala componenta a lungimii de unda dispersata pentru o fibra optica standard. Daca λ0 este lungimea de unda a semnalului original generat de unitatea de citire, componentele dispersate apar in ambele cazuri de lungime de unda superioara si inferioara. Doua varfuri Raman sunt localizate simetric raportate lungimii de unda principala. Pozitia lor este fixa dar intensitatea varfului la lungimi de unda inferioare este dependenta de temperatura, in timp ce intensitatea celei din partea superioasa nu este afectata de schimbarile temperaturii. Masurand raportul de intesitate dintre cele doua varfuri Raman se produce temperatura locala in sectiunea fibrei unde are loc dispersia. De asemenea, cele doua varfuri Brillouin sunt localizate simetric la aceeasi distanta fata de lungimea de unda principala. Pozitia lor raportata la λ0 este in acelasi timp proportionala cu temperatura locala si presiunea se schimba in sectiunea fibrei. Imprastierea inelastica Brillouin este rezultatul interactiunii dintre undele optice si ultrasunete in fibrele optice. Modificarea lungimii de unda a efectului Brillouin este proportionala cu viteza acustica din fibra raportata la densitatea sa. Din moment ce densitatea depinde de presiunea si temperatura fibrei optice, modificarea Brillouin poate fi utilizata pentru a masura acesti parametrii. Pentru masurarea temperaturii, imprastierea inelastica Brillouin constituie un rival puternic impotriva sistemului bazat pe imprastierile inelastice Raman, in timp ce masurarea presiunii nu prezinta asemenea competitori. Locatia poate fi determinata masurand timpul de sosire a luminii imprastiate. 
Fig. 3.2.4. Imprastierea luminii in fibra optica si utilizarea acesteia pentru detectia presiunii si a temperaturii Din moment de modificarea frecventei Brillouin depinde atat de presiunea locala, cat si de temperatura fibrei, pentru a masura temperaturile este necesara utilizarea unui cablu proiectat pentru a proteja fibrele optice de o alungire a cablului. Prin urmare, fibra va ramane in starea de constrangere si modificarea frecventei poate fi atribuita cu precizie variatiilor de temperatura. De asemenea, masurarea presiunilor distribuite necesita un senzor proiectat special. Un cuplaj mecanic intre senzor si structura de-a lungul intregii lungimi trebuie sa fie asigurat. Pentru a rezolva senzitivitatea incrucisata care apare datorita variatiilor temperaturii, este necesar sa se instaleze o fibra de referinta de-a lungul senzorului de tensiune. Cablurile speciale, contin atat fibre libere cat si cuplate care permit o citire simultana a tensiunii si a temperaturii. Comparand cu tehnica de monitorizare conventionala a tensiunii, avantajul tehnologiei de distributie a senzorilor prin fibre optice(BOTDR) poate fi insumat dupa cum urmeaza:
Precizie: BOTDR poate detecta mici tensiuni de-a lungul fibrei, distanta de rezolutie poate atinge mai putin de 1m, ceea ce-i permite sa raspunda solicitarii nevoilor de masurare si de determinare a starii constructiilor. Domenii de aplicatii ale SDcFO Aplicatii in ingineria geotehnica Senzorii cu fibre optice au fost introdusi in diverse domenii pentru vaste aplicatii in ingineria geotehnica cum ar fi in monitorizarea de pante, diguri si tuneluri. Una din cele mai comune si importante probleme geotehnice este stabilitatea pantei intalnite in timpul si dupa construirea drumurilor in zonele de munte. Monitorizarea stabilitatii si a starii sanatatii sunt imperative pantei cu potential de alunecare. Monitorizarea pantei include doua aspecte: unul este monitorizarea deformarii rocilor si a solului, a peretelui sustinator, a cablului de ancorare si a cadrului; celalalt este monitorizarea presiunii si a stresului rocii, a solului si a peretelui sustinator. Metodele conventionale de monitorizare includ inclinarea, detectorul de fisura, detector de armare si contor de deplasare. Evident aceste metode sunt punctuale si un pot raspunde cerintelor de stabilitate a intregii pante, mai ales pentru pante de scala mare. In plus instrumentele conventionale de masurare sunt adesea incompatibile cu deformarea in masa a rocii, cu dificultatile de instalare si citire datorita circumstantelor neprevazute. Un BOTDR de baza care monitorizeaza sistemul de distribuire a fibrelor optice a fost demonstrat in [Shi09]. Avantajele sistemului sunt capacitatea de a masura continuu tensiunea in toate partile pantei utilizand o singura fibra. Adaptarea fibrei optice este exemplificata in Fig. 3.2.5 si mai multe detalii despre atasare si dimensionare pot fi studiate in [Shi09]. 
Fig. 3.2.5. Schita de monitorizare a pantei folosind sistemul BOTDR cu senzorul de fibra optica distribuita [Shi09] Cresterea atenuarii se produce spre baraj pentru a fi detectate anomalii cum ar fi scurgeri in prealabil, astfel incat sa se ia masuri. La inceput metodele conventionale pentru detectarea scurgerilor in baraje erau bazate pe inspectii vizuale si investigatii programate efectuate pe teren. Masuratorile diferitilor prametrii cum ar fi debitul, presiunea si deformarea sunt cateva metode conventionale. Recent, unele metode neconventionale cum ar fi metode de auto-potential, metoda rezistentei si a temperaturii au fost folosite pentru determinarea scurgerilor [Roz05], [Vog01], [Joh04]. Metoda auto-potentialului si a resistentei au fost folosite pentru detectarea eroziunilor interne si a scurgerilor in baraje. Chiar si metodele metionate mai sus furnizeaza solutii bune pentru detectia anomaliilor, dar cea mai mare constrangere este faptul ca sunt metode manuale. Mai mult de atat, configurarea achizitiilor de date nu este viabila din punct de vedere economic. In [Fuh93] s-a raportat aplicatia senzorului prin fibra optica la barajul hidroelectric Winooski One din Vermont. Fibrele multi-functionale capabile sa detecteze simultam vibratiile si presiunea au fost dezvoltate si incorporate in masurarea si monitorizarea presiunii apei pe fata amonte al deversorului unui baraj si in vibratia frecventei si a amplitudinii indusa in sctiunea de putere centrala a barajului odata cu incarcarea electica variabila. Vibratia frecventei este obtinuta din incorporarea senzorului in buna concordanta cu frecventele induse, cu o medie scalara de eroare pe nivel de 0.77% si o eroare de varf de 2.03%. In [Kha08] s-a aratat cum senzorul de distributie al tensiunii (DTS) poate fi folosit pentru monitorizarea scurgrilor in baraje. In [Gro01] s-a prezentat o aplicatie cu fibra optica intr-un studiu pe termen lung pentru localizarea si detectarea zonelor cu crestere a infiltratiilor. Masuratorile s-au facut în santuri de drenaj deschise, care ruleaza in paralel cu baraje laterale ale unor cai navigabile. Temperatura apei subterane printr-un baraj este diferita de temperatura solului neinfluentat sau a sistemului deschis de drenaj. Prin urmare, anomaliile temperaturii sunt localizate pe cai de infiltrare. Temperatura este folosita ca un localizator termal pentru detectia sectiunii unde se produce infiltrarea si pentru observarea variatiei temteraturii prezentate in Fig. 3.2.6. Cablul cu fibra optica poate fi instalat in orice configuratie de-a lungul barajului fie in foraje verticale sau inclinate si in sisteme existente de drenaj. Instalarea optima a cablului depinde de problema monitorizarii. Alt aspect este acela de a monitoriza deplasarea fundatiei barajului si de a o pozitiona in baraje noi sau deja existente. Sunt doua cazuri practice raportate in [Kro97]. Primul caz este un studiu care arata fezabiliatea tehnica si economica pentru instalarea extinsa a unui sistem se senzori cu fibre pentru a detecta deplasarea relativa a unui intreg baraj. In acest scop, un studiu teoretic a fost evaluat pe baza unor situatii de incarcare cu deviatiile lor efective in barajul Schiffenen, o structura de beton langa Fribourg (Elvetia). Al doilea caz este despre dezvoltarea si realizarea deformarii a doi senzori cu fibra optica (30m si 40m) ancorata in roca pentru a monitoriza deplasarea relativa a barajului spre fundatia subterana. Acesti senzori au fost instalati in barajul Emosson (Elvetia). 
Fig. 3.2.6. Distributia temperaturii intr-un canal de drenaj a unui baraj lateral cu indicatii clare a apei calde drenate din canal si apa rece din subteran Reflectometrul Optic Brillouin in domeniu de timp (BOTDR) a fost utilizat pentru a monitoriza deformarea/consolidarea (de ex. deformarea solului) atat in timpul cat si dupa finalizarea constructiei Tunelului Stramtorii Taiwan, care este cel mai lung tunel din lume, extinzanduse pe 150 de km si trecand peste o varietate de unitati topografice si geologice complicate pe fundul marii, inclusiv zone seismice si placi tectonice. In plus, BOTDR a fost aplicat cu succes pentru masurarea deformarii si monitorizarea a doua tuneluri, tunelul Nanjing Gulou si tunelul lacului Xuanwuhu. Un studiu al fezabilitatii de aplicare a BOTDR e oferit in [Shi09]. Tunelul Gulou, localizat in Nianjing, China a fost ales pentru acest studiu. Structura cu o lungime de 1150m traverseaza de la sud la nord, incluzand un pasaj de 400m si o bolta de 750m. Are bolte de beton imperechiate una langa alta, fiecare cu o deschidere de 11.6m fiind separate de un zid intern de beton cu o grosime de 1m. Suprafata deasupra tunelului are o grosime maxima de 12.9m si o grosime minima de 0.26m. Tunelul a fost finalizat in anul 1996 si se afla in utilizare de 6 ani la momentul studiului. Avand in vedere característica de deformare a tunelului si a rezolutiei de distanta de 1m a BOTDR, fibrele optice au fost instalate pe suprafata boltei de beton cu doua configuratii: 1.Metoda adeziunii totale – Fibra optica este aplicata in intregime pe suprafata boltei de beton. Aceasta metoda a fost proiectata pentru a verifica deformarea completa a tunelului, precum surparea neregulata a acestuia. 2.Metoda adeziunii pe punct fix – Fibra optica este legata in punctele fixate pe suprafata boltei de beton la anumite intervale. Aceasta metoda de instalare este utilizata pentru a detecta deformarea partiala cauzata de fisuri cu latimi mai mici decat rezolutia de distanta a BOTDR. Un numar de fibre a fost instalat pentru a evalua deformarile si fisurile de-a lungul tunelului. Toate fibrele optice au fost centralizate pentru a fi conectate la un cablu optic dupa ce au fost montate si apoi legate la camera de administrare, situata la mijlocul tunelului pentru monitorizare BOTDR. Pe baza rezultatelor monitorizarii si a analizelor, s-au tras urmatoarele concluzii: schema distribuita de monitorizare BOTDR este realizabila si eficienta pentru monitorizarea deformarii tunelului. Functiile si rezultatele monitorizarii ale sistemului BOTDR pot satisface nevoile monitorizarii tunelurilor. Totusi, BOTDR trebuie sa fie examinat pentru aplicatii de monitorizare pe lunga durata si are nevoie de imbunatatiri la nivel de aplicatie. Alta aplicatie a BOTDR pentru monitorizarea consolidarii pe parcursul saparii tunelului a fost in Cairo,Egipt. In acest studiu, cablul de fibra optica a fost proiectat pentru a monitoriza deformarea la indoire in diverse locatii. Deformarea axiala a fost calculata pe baza deformarii la indoire, care a ajutat la cresterea rezolutiei deformarii axiale. In Elvetia, senzori cu fibre optice au fost utilizati pentru supravegherea pe termen lung a unui tunel aproape de Sargans. Senzorii au fost facuti din polimer ranforsat cu fibra de sticla(GFRP), cu senzori FBG incorporati si au fost utilizati pentru a masura campurile de deformare si temperatura. Baraje La fel ca și podurile, barajele sunt o aplicație importantă a intstrumentației SDcFO datorită dimensiunilor foarte mari. Una din primele implementări a lui Brillouin bazată pe SDcFO prin intermediul căreia monitoriza barajul, este raportată de Thevenez la barajul Luzzone, in Alpii Elvetieni[The99]. Aici a fost posibilă observarea distribuției temperaturii pe suprafața lui și a timpului de răcire a zonei centrale care atinge temperaturi de 50 ̊ C, care in caz contrar ar fi neobservabilă. Inaudi & Glisic au făcut un raport asupra barajului Plavim din Lituania,care ar putea fi o aplicație a sistemului BOTDA,numita DiTeSt [Ina05]. SDcFO bazate pe efectul Raman sunt mult mai sensibile la variația temperaturii decât cel Brillouin. Mai multe aplicații ale acestor senzori au fost făcute pe baraje :Gravitatea barajului Birecik din Turcia 1997, Podul cu bolți Shimenzhi din Xinjiang,China 2000;Barajul Wala si barajul Mujib din Iordania (2001) [Auf03].Aplicațiile acestor senzori la detectarea scurgerilor in canele si diguri sunt si ele raportate în [Rad15]. În toate aceste aplicații , dobândirea distribuției detaliate a temperaturii a fost posibilă datorită SDcFO. 3.Metode de viziune computerizată Ghidurile de monitorizare a stării barajelor, la nivel internaţional, specifică importanţa componentei de inspecţie vizuală a barajelor, ca şi modalitate complementară la măsurătorile realizate de instrumentele de monitorizare. În mod tradiţional inspecţia vizuală se realizează manual, de către un operator, rezultatele observaţiei vizuale fiind raportate într-o fişă de observaţii vizuale, documentate cu fotografii, care se stochează pentru a putea permite şi examinarea evoluţiei stării barajului. Această modalitate de inspecţie are însă o serie de dezavantaje, după cum menţionează şi literatura de specialitate [Ber07]: localizarea imaginilor prelevate de pe faţa aval şi amonte a barajului este adesea imprecisă (din cauza condiţiilor de achiziţie, imprecis controlabile); analiza imaginilor achiziţionate este supusă subiectivităţii examinării; condiţiile de mediu în momentul achiziţiei pot face ca unele degradări să fie greu observabile vizual; sarcina inspecţiei vizuale manuale este costisitoare din perspectiva efortului expertului. Dacă aceste dificultăţi sunt mai puţin severe în cazul examinării feţei aval a barajului, ele devin mai importante în cazul examinării feţei amonte (subacvatice), atât din cauza condiţiilor mult mai dificile de acces, ceea ce creşte inacurateţea localizării, cât şi din cauza condiţiilor de vizibilitate mult mai redusă [Rid10]. Problema examinării suprafeţelor barajelor din perspectiva degradării lor este extrem de actuală, mai ales ţinând cont că majoritatea barajelor mari sunt relativ vechi, deci supuse vreme mai îndelungată procesului de deteriorare. Tehnicile de viziune computerizată menite să asiste operatorul în inspecţia vizuală sunt însă un domeniu aflat într-un stadiu destul de incipient. Tehnicile de viziune computerizată aplicate inspecţiei vizuale a barajelor se pot clasifica în raport cu mai multe criterii, astfel:
în care se realizează achiziţia imaginilor, distingem: imagini achiziţionate în domeniul vizibil; imagini achiziţionate în domeniul infraroşu termic; imagini sonar; imagini radiografice. În general, atunci când pentru inspecţia vizuală a barajelor se utilizează mai multe domenii spectrale şi se integrează rezultatele analizei în diferitele domenii, soluţia de inspecţie rezultată este foarte robustă şi fiabilă. 4.Fuziunea multimodală a informaţiilor Monitorizarea eficientă a infrastructurilor hidrotehnice critice (IHC) necesită posibilitatea fuzionării multimodale a unor informații complexe, de diferite tipuri, provenite de la diferite tipuri de (rețelele de) senzori, precum şi de la diverse sisteme de viziune, prin prelucrarea digitală a imaginilor. În cadrul proiectului actual, stația de fuziune a informațiilor (STAFI) va deține funcții de exploatare a bazei de date multisenzoriale care descrie starea barajelor - interpretare a datelor complexe prin fuziunea informațiilor de tip măsurători (senzori și traductori încorporați în baraje, senzori optici distribuiți), imagini (imagini in domeniul vizibil, imagini în infraroșu, imagini subacvatice), informații în format text. Fuziunea diferitelor tipuri de date presupune integrarea acestora utilizând diferite tehnici, în diferite etape ale fluxului de prelucrare a informațiilor, urmate de o etapă de decizie [Lah15]. Procesul de integrare a datelor poate fi obstrucționat de rezoluția diferită a datelor, caracterul imprecis al unor dintre acestea, inconsistența datelor, informații insuficiente sau contradictorii [Lah15]. În principiu, se pot defini 3 strategii pentru procesul de fuziune:
Fuziunea bazată pe recunoaștere (integrare inițială - early fusion/integration) realizează integrarea informațiilor provenite de la fiecare modul de recunoaștere. Aceasta presupune construirea unui spațiu comun al informațiilor, spațiu în care are loc luarea deciziei (Fig. 3.2.7.). Trăsăturile extrase de la cele N surse de informaţie Si sunt ponderate cu parametrii w 1, w2,...,wN, aleși conform gradului de importanță asociat fiecărei surse, relativ la situația examinată. Integrarea inițială se poate realiza prin metode statistice (filtre Kalman) şi probabilistice (reţele Bayes) [Fou15][Arg14]. În cazul în care datele provenite de la cele N surse de informație sunt de natură similară și puternic corelate, se recomandă utilizarea strategiei de integrare inițială. Extragere trăsături1 S1 S2 SN Extragere trăsături2 Extragere trăsăturiN
Fig. 3.2.7. Schema generică a fuziunii informaţiilor în strategia de integrare iniţială Fuziunea bazată pe decizie (integrare finală - late fusion/integration) integrează informaţiile semantice, extrase în prealabil prin proceduri bazate pe dialog [Fou15][Rus05]. Integrarea finală presupune luarea unor decizii individuale pe baza fiecărei informaţii I 1, I2,...,IN, în parte, urmată de integrarea ponderată a deciziilor D1, D2,...,DN, (cu ponderi w 1, w2,...,wN dictate de însemnătatea relativă a fiecărei surse de informație pentru decizia respectivă) – Fig. 3.2.8. Extragere trăsături1 S1 S2 SN Extragere trăsături2 Extragere trăsăturiN
p(DiI1) p(DiI2) p(DiIN)
w1 wN w2 Dk = decizia finală Fig. 3.2.8. Schema generică a fuziunii informaţiilor în strategia de integrare finală Ieșirile clasificatoarelor reprezintă probabilitățile individuale ale deciziilor considerate ca rezultat al realității analizate. Decizia finală este obținută printr-un bloc de maxim dintre probabilitățile individuale, ponderate. Strategia de integrare finală este mai potrivită în situații în care datele care trebuie fuzionate au un caracter eterogen, deoarece este puțin probabil să putem proiecta un spațiu comun de reprezentare a datelor, în care sursele de informație particulare să nu polarizeze decizia spre una dintre ele, minimizând importanța relativă a altor surse de informație în procesul de decizie. Pentru aplicația vizată în proiect, se consideră că strategia cu integrare finală a deciziilor este cea mai potrivită ca principiu, cu o serie de modificări la schema bloc din Fig. 3.2.8. Spre exemplu, la ieșirile clasificatoarelor putem avea rezultatele asignării datelor la una din mai multe categorii specifice. Blocul de maxim de la ieșire poate fi înlocuit cu un sistem de decizie complex, eventual de tip expert, bazat pe reguli (clasic sau fuzzy) care să furnizeze, pe baza categoriilor în care se încadrează datele de fuzionat, decizia finală. O astfel de structură este prezentată în Fig. 3.2.9. Structura propusă este utilă în cazul în care avem la dispoziție pentru realitatea examinată cunoștințe despre context furnizate de experți umani. Extragere trăsături1 S1 S2 SN Extragere trăsături2 Extragere trăsăturiN
w1 wN w2 Dk = decizia finală Fig. 3.2.9. Schema generică a fuziunii informaţiilor în strategia de integrare finală modificată 
În schema din Fig. 3.2.4., mărimile  , n=1,2,...,N, reprezintă gradele de apartenență ale informației furnizate de sursa Sn, după extragerea de trăsături, la clasele (categoriile) definite specific pentru clasificatorul din spațiul trăsăturilor sursei de informație respective (grade de apartenență variabile, între 0 – neapartenență, respectiv 1 – apartenență maximă) – ca în abordarea clasificării fuzzy şi sistemelor de decizie bazate pe reguli fuzzy [Kan91].
În literatură sunt prezentate și alte metode de fuziune, mult simplificate, față de configurațiile relativ complexe propuse mai sus. Fuzionarea informațiilor este cu atât mai simplă cu cât sursele de informație sunt mai omogene. Spre exemplu, fuzionarea la nivel de pixel a imaginilor preluate din exact aceeași poziție în domeniul vizibil și în cel infraroșu presupune însumare ponderată, punct cu punct, a intensităților scenei, din cele două domenii [Sim00]. Cele două imagini trebuie să fie aliniate perfect și să redea aceleași poziții spațiale. În acest caz, operația de fuzionare reprezintă o variantă simplificată a schemei din Fig. 3.2.7. Variante de fuzionare mai complexe funcționează conform schemei din Fig. 3.2.9., și includ etape de extragere de trăsături, clasificare și integrare a rezultatelor clasificărilor informațiilor utilizând un sistem cu reguli fuzzy [Hel99]. Sistemele de decizie bazate pe atribuire de ponderi (conform metodologiei de calcul MCDM – multi-criterial decision making) sunt de asemenea o posibilă soluţie, în situaţiile în care diferitele tipuri de date care trebuie fuzionate au grade de importanţă diferite/variabile [Rao15]. Alte posibile abordări pentru fuziunea multimodală a informaţiilor, bazate pe tehnici de inteligenţă computaţională sunt [Lah15]:
Metoda presupune o etapă de pre-procesare a imaginilor, în care se izolează regiunile de interes, se îmbunătățește calitatea imaginii și se elimină informațiile care nu sunt necesare [Sir16]. Apoi se extrag trăsăturile de interes, care pentru proiectul de față pot fi: formă, textură, dimensiuni, contur. Această metodă este utilizată în special în aplicații biometrice [Tao14][ Con07] [Fox07] sau de detecție a stărilor emoționale [Kha13]. Informațiile provenite de la diverse surse sunt ponderate cu ponderi variabile, în funcție de gradul de încredere acordat fiecărei surse [Fox07]. Gradul de incertitudine asociat fiecărei reguli este pus în evidență prin utilizarea factorilor de certitudine (certainty factors - CF). Cu cât CF este mai mare, cu atât se poate avea mai mare încredere în concluzia unei reguli, când premisele sunt adevărate [Kha13]. Sistemele fuzzy pot fi generate automat, pe baza de seturi de date numerice, utilizând tehnici de instruire supervizate neuro-fuzzy [Als10]. Un astfel de sistem poate furniza rezultate satisfăcătoare ale clasificării, chiar și în cazul datelor puternic degradate, cu condiția ca parametrii utilizați pentru antrenare să fi fost potriviți.
Pe lângă fuziunea propriu-zisa a informațiilor, o componenta importantă a sistemului de supraveghere a barajelor și a altor IHC – uri o constituie sistemul de suport decizional (SSD) (decision support systems). Conform [Tur13], sistemele de suport decizional sunt sisteme destinate asistării procesului de decizie, în cazul unor probleme nestructurate. O altă definiție universal acceptată este cea furnizată de [Dru99], care consideră că SSD sunt sisteme interactive, ce utilizează un computer, pentru a facilita procesele de judecată și alegere ale utilizatorilor. Cele mai noi tendințe în domeniul SSD arată o deplasare a interesului dinspre ieșirile furnizate de sistem, către intrări, pe măsură ce se dorește o cât mai bună adaptabilitate a sistemelor dezvoltate la noi situații. Mai mult, interacțiunea dintre utilizator și componentele SSD devine un aspect fundamental, cu implicații majore în toate etapele de dezvoltare a SSD. Un SSD ar trebui să aibă o serie de caracteristici, după cum urmează [Tur13]:
Clasificarea SSD se poate face după mai multe criterii. Din punct de vedere al relației cu utilizatorul, SSD pot fi de tip [Tur13]:
După modul de asistență, SSD pot fi [Tur13]:
Pentru aplicația vizată în proiect, se estimează că sistemul de suport decizional va fi de tip cooperativ, bazat pe cunoștințe și/sau pe model. Pentru descrierea arhitecturii SSD, numărul de componente reprezintă un subiect controversat, și se disting mai multe abordări:
Se preferă arhitectura propusă de Turban, cu 4 componente principale:
Fig. 3.2.10. descrie interacțiunea dintre aceste componente principale și conectarea sietemului de suport decizional la mediul extern. În cadrul proiectului actual, datele care descriu starea barajelor pot fi și de tip imagini sau video, în domeniul vizibil, infraroșu sau subacvatice. În acest context, se pot formula o serie de cerințe/specificații referitoare la componentele de asistare și suport decizional, după cum urmează:
Fig. 3.2.10. Componente ale SSD – interacțiune și conectare cu mediul extern Nu în ultimul rând, o componentă deosebit de importantă a stației de fuziune a informației (STAFI) o constituie interacțiunea dintre sistemul de suport decizional și operatori, interacțiune asigurată în principal prin intermediul interfeței grafice cu utilizatorul (GUI). Interfața utilizator se referă la componentele hardware și software care creează punțile de comunicare și interacțiune dintre un utilizator și sistemele de măsurare, de decizie, de prelucrarea a informației și de execuție. Interfața cu utilizatorul implică acțiuni și conține schimb de informații în format grafic, acustic, tactil, optic, etc. O interfață utilizator eficientă este foarte importantă deoarece datele, graficele și textele afișate pe ecranul unei stații de lucru asigură contextul pentru interacțiunea cu utilizatorul și furnizează indicii pentru acțiunile acestuia. Utilizatorul generează un răspuns contextual și întreprinde acțiuni. Apoi datele sunt transmise înapoi la sistemele de prelucrare și execuție prin intermediul interfeței. O interfața grafică bine proiectată crește viteza de prelucrare și de reacție a utilizatorului, reduce erorile, sporește productivitatea și întărește sentimentul de control al utilizatorului. Calitatea sistemului de interfețe grafice, din perspectiva utilizatorului, depinde de ceea ce acesta vede pe ecran, ce trebuie acesta să cunoască pentru a înțelege ceea ce i se transmite și ce acțiuni poate sau trebuie să întreprindă pentru a obține rezultatele dorite. Conform [Spr82], abordarea de tip ROMC (Representations, Operations, Memory, Control) pentru proiectarea si dezvoltarea sistemelor de suport decizional, (în special a interfețelor grafice) conține 4 entități orientate spre utilizator:
Caracteristicile dinamice ale unei interfețe cu utilizatorul sunt descrise în termenii cerințelor de dialog conținute în șapte principii din partea a 10-a a standardelor de ergonomie ISO 9241 [ISO9241]:
Yüklə 296,62 Kb. Dostları ilə paylaş:
|
