Pn – III – pte raport ştiinţific şi tehnic în extenso

3.3. Caracteristici tehnice ale sistemului de urmarire a comportarii barajelor

Obiectivul principal al Studiului întocmit în cadrul acestei etape a proiectului, a fost definirea principalelor caracteristici tehnice ale sistemului propus, baza pentru „Referenţialul iniţial pentru definirea cerinţelor tehnice ale produsului-sistem DAMFU”, rezultat al etapei I-a a proiectului.

3.3.1. Caracteristici tehnice generale şi funcţionale ale Statiilor de monitorizare baraje SASI şi modulelor pentru sensori optici MSFO

3.3.1.1. Cerinţe tehnice privind Staţia de achiziţie SASI

1.Compunerea staţiei:

-A.Calculator concentrator de date cu rol de: (i)achiziţie, stocare temporară şi prelucrare primară a datelor primite de la modulele locale de măsură MML, aparatura inteligenta de măsură IED şi reţelele de sensori inteligenţi inclusiv sensori optici distribuiţi; (ii) stabilirea regimurilor de lucru (iii) funcţii de comunicaţii: (i) cu nivelul superior;(ii) cu nivelul sensoristică: cu MML-uri şi IED-uri.

-B.Modul de măsură local-MML, microprogramat cu funcţii de programare, selecţie şi măsură pentru diferite familii de AMC-uri, memorare şi comunicaţie cu calculatorul concentrator de date.

-C.Modul multiplexor analogic cu rol de conectare a 256 sensori pe bus-ul analogic de măsură.

-D.Modul pentru gestionarea sensorilor optici

2.Funcţii de măsură pentru următoarele tipuri de AMC-uri (sensori şi traductori):

- AMC cu coardă vibrantă cu frecvenţa proprie de oscilaţie 400÷1200 Hz, precizia de ±0.2Hz;

-AMC de tip rezistiv sau termorezistenţă: teletermetre (termorezistenţe), presmetre, formetre Telemac, Huggenberger, ICEMENERG şi alţi producători, conectate la staţie prin bus-uri analogice de masura cu 3 sau 4 fire, pentru compensarea rezistenţei introduse de firele de legatură, cu precizia de 0.2% în gamele 0÷150Ω , 0÷300Ω, 0÷600Ω; termorezistenţe Pt şi Ni.

-AMC semnal unificat în tensiune 0÷5V, cu precizia ±0,1%FS: traductoare de nivel (limnimetre), telependule, traductoare de debite, de poziţie vane, forţe sau presiuni;

-AMC semnal unificat în curent 4÷20mA cu precizia de ±0,1%FS: celule presiune diferenţială pentru măsurători se nivel, traductoare de debite, poziţie, temperatură, forţe sau presiuni;

-IED dispozitive inteligente cu ieşire digitală pe bus-uri standardizate: telependule, staţii seismice, staţii meteo, staţii hidrologice şi meteo.

3.Funcţii de procesare locală: (i)realizarea automată a măsurătorilor prestabilite, la cerere sau a celor declanşate de evenimente prestabilite (seisme, limite depăşite, etc.); (ii)memorarea unor seturi de fişiere complete de măsurători, cu amprenta de timp, în memoria EEPROM nevolatilă;

(iii) prelucrare locală şi generarea fişierelor de măsuratori în format prestabilit.

4.Funcţii de comunicaţii: (i)realizarea transmisiei fişierelor de măsurători la intervale stabilite sau la cerere; (ii) avertizări la producerea unor evenimente prestabilite.
3.3.1.2.Cerinţe tehnice şi funcţionale privind Modul pentru sensori optici – MSFO

Compunerea modulul MSFO şi principalele caracteristici funcţionale:

A) Reader fibra optica- RFO cu multiplexor optic intern sau extern MuxFO - nu face obiectul proiectului -este un echipament de sine statator care se integrează în sistemul automat destinat citirii traductorilor optici distribuiţi, reflectometru sau interferometru optic functie de tipul traductorilor implementaţi. Inafara funcţiilor specifice de citire a traductorilor optici, afişare şi stocare a măsurătorilor făcute trebuie să aiba funcţii care să-i permită integrarea în sistem prin control de la distanţă: configurare, calibrare, testare, programare măsuratori acceptare comenzi, transmitere măsurători, semnalizări şi alarme, export de date istorice. Condişiile tehnice de mediu trebuie sa fie corespunzatoare celor din locul de montare – casa barajistului. Porturi de comunicaţii disponibile: USB; RS485; RS422&EthernetRJ45 (cel puţin un tip).

Protocol de comunicaţii implementate: IEC 61850; IEC 60870; MODBUS ; MODBUS TCP-IP;

Baze de date măsurători în formate exportabile standardizate MySQL, Excel sau altele.

B) PC-FO cooncentrator date fibră optică este un calculator PS, în reţea cu calculatorul concentrator de date al staţiei. Funcţiile tehnice asigurate: comanda la distanţă a echipamentelor tip RFO şi a multiplexoarelor, funcţii de programare a reader-ului reţelei sensorilor optici RFO, de control. Porturi de comunicaţii disponibile: USB; RS485; RS422&EthernetRJ45 (cel puţin un tip).

Protocol de comunicaţii implementate: IEC 61850; IEC 60870; MODBUS; MODBUS TCP-IP

Funcţii de import BD măsurători, de stocare şi de export. PC-CO comunică cu calculatorul UCCH.
3.3.2. Caracteristici tehnice generale şi funcţionale ale subsistemelor de viziune computerizata SIVI şi a statiei de de fuziune a informatiilor STAFI (UTCN)

3.3.2.1. Cerinţe funcţionale ale sistemului de inspecţie video – SIVI

Sistemul de inspecţie video va avea în componenţă:

1. 
   Modulul de captură video - MCV
   
2. 
   Baza de date - BD
   
3. 
   Modulul de analiză, procesare şi vizualizare a informaţiei - MAPI
   

1. 
   Modulul de procesare video - MCV va avea rolul de a capta imaginile şi secvenţele video de la diferite echipamente. Informaţia obţinută de la echipamentele video va fi transmisă MCV cel mai probabil în format standardizat imaginilor statice (de ex. JPEG) şi a secvenţelor video (de ex. MPEG, H.264, H.265). MCV va avea şi rolul de procesare primară (extragere caracteristici, adnotare, indexare, etc.) a informaţiei vizuale în vederea stocării în baza de date.
   

Figura 3.3.1. Diagrama funcţională sistem de inspecţie video

Se are în vedere posibilitatea folosirii sau integrării camerelor fixe conectate wireless sau pe cablu pentru diverse zone de exterior (faţa uscată a barajului) sau interior în zonele considerate critice din punctul de vedere al monitorizării vizuale. În funcţie de complexitatea sistemului de supraveghere se poate avea în vedere integrarea cu un server de comunicaţii video dedicat care controlează procesul de monitorizare video folosind camere fixe. În această situaţie se impune identificarea unui bridge de comunicare dintre server şi MCV. Considerând suprafaţa de observare mare a feţei uscate a barajului se va analiza oportunitatea integrării soluţiei de captură video cu ajutorul microdronelor. În acest fel se vor putea acoperi zonele greu accesibile pentru captura folosind echipamentele uzuale. Pentru acoperirea mult-spectrală a inspecţiei video se vor folosi camere de captură infraroşu.

Pentru inspecţii vizuale realizate de operatorul uman se vor utila echipamente mobile (smartphone) pentru captura în timp real şi transmiterea lor spre MCV. În cazul utilizării smartphone-urilor vor putea fi integrate şi module de captură infraroşu care vor putea prelua din funcţionalităţile camerelor infraroşu dedicate.

Pentru a acoperi întreaga arie de inspecţie vizuală a structurii barajului se vor identifica soluţii pentru integrarea informaţiei vizuale preluate de la camere video subacvatice.

Procesarea primară la nivelul MCV are în vedere adnotarea informaţiei vizuale cum ar fi:

• 
  estimarea cantitativă şi/sau calitativă a aspectului urmărit (cum ar fi infiltraţii, scurgeri de calcită, deteriorarea suprafeţei de beton) într-o zonă a peretelui barajului,
  
• 
  comparare a imaginilor achiziţionate la momente de timp diferite, urmărindu-se evoluţia eventualelor probleme detectate într-o anumită zonă.
  

De asemenea, se are în vedere indexarea informaţiei vizuale astfel încât procesul de analiză să poate fi realizat cât mai eficient şi fără să implice resurse suplimentare în procesul de analiză, procesare şi vizualizare. Este posibilă extragerea parametrilor de captură, suportului spectral, orizontalei şi plotului (subplotului), care identifică elementul constitutiv al peretelui, eventuale prelucrări (hardware sau software) efectuate asupra informaţiilor vizuale.

B. Baza de date - BD este integrată cu sistemul STAFI. BD va stoca informaţia vizuală furnizată de modulul de captură MCV şi va fi proiectată ţinând cont de echipamentele video folosite de MCV. De asemenea, BD va stoca şi informaţiile specifice fişei de observaţii vizuale. Se vor stoca informaţii legate de: lacul de acumulare, versanţi şi maluri, construcţii de beton, starea albiei în aval de baraj şi alte informaţii relevante procesului de analiză.

C. Modulul de analiză, procesare şi vizualizare a informaţiei - MAPI are rolul de administrare şi automatizare a procesului de generare a fişei de observaţii vizuale, pe baza algoritmilor de analiză şi fuziune a informaţiei vizuale. În cadrul MAPI se va realiza analiza computerizată a informaţiei vizuale la nivelul structurilor inspectate având ca scop, de exemplu:

• 
  detecţia şi cuantificarea depozitelor de calcită pe suprafaţa barajului,
  
• 
  detecţia şi cuantificarea infiltrării apei în baraj (fuziune imagini în spectrul vizibil şi/sau infraroşu);
  
• 
  examinarea şi diagnoza stării suprafeţei de beton (fisuri, texturi, deteriorări);
  
• 
  observarea, detecţia şi localizarea obiectelor lipsă şi a obiectelor străine.
  

În cadrul MAPI se vor putea realiza o serie de procesări ale informaţiei obţinute de la MCV care să ajute la procesul de interpretare a rezultatelor cum ar fi:

• 
  algoritmi de segmentare a imaginilor în domeniul vizibil după culoare,
  
• 
  algoritmi de prelucrare a imaginilor color în infraroşu termic,
  
• 
  algoritmi de detecţie a muchiilor şi prelucrare a muchiilor.
  

Operatorii SIVI vor putea vizualiza şi administra fişa de observaţii vizuale. Pentru anumiţi parametri ce rezultă în urma analizei şi procesării informaţiei vizuale se vor putea defini scenarii de alarmare primare care să fie transmise diferiţilor actori ai sistemului.
3.3.2.2. Caracteristici tehnice generale ale sistemului de viziune computerizată – SIVI

Pentru realizarea prototipului sistemului de viziune computerizată – SIVI, se vor putea utiliza:

• 
  Camere video de tipul:
  
  • 
    supraveghere IP – cu rezoluţie HD şi capabilităţi de viziune nocturnă. Se vor alege soluţii care să permită accesul uşor la fluxul video,
    
  • 
    infraroşu dedicate (ex. FLIR EX) cu rezoluţie optimă de 120x90 sau module integrate cu echipamente mobile (Android sau iOS) de tipul FLIR ONE sau echivalent,
    
  • 
    GoPRO – pentru zona de supraveghere subacvatică la mică şi medie adâncime (max. 60 m). Se are în vedere utilizarea accesoriilor necesare unei astfel de capturi, inclusiv a sistemelor de iluminare subacvatice. Acelaşi tip de cameră va putea fi folosit şi pentru monitorizarea utilizând microdronă.
    
• 
  Tabletă sau SmartPhone pentru zona de captură manuală video şi interacţiunea cu fişa de observaţii vizuale. Având în vedere mediul de utilizare se vor identifica soluţii pentru protecţia echipamentelor mobile sau utilizarea unor echipamente tip “militarizat”,
  
• 
  Sistemul SIVI va fi instalat pe OS Windows 2016 Server, permiţând în acest fel dezvoltarea în paralel a modulelor de captură video, de analiză procesare şi vizualizare a informaţiei precum şi a bazei de date STAFI. Din punct de vedere al caracteristicilor sistemului de calcul, acesta va avea procesorul minim Intel XEON la 2.4 GHz, 16GB RAM, spaţiu de stocare (de preferinţă RAID 1 sau 10) de minim 1TB. Pe acest sistem vor rula MCV, baza de date (comună pentru toate componentele DAMFU) şi MAPI,
  
• 
  Pentru monitorizarea la nivelul operatorilor SIVI se vor utiliza sisteme de calcul uzuale dar şi sisteme de monitorizare mobile (tablete şi smartphone) cu interfeţe integrate corespunzător mediului de dezvoltare,
  
• 
  Baza de date va fi instalată pe SQL server 2016. Pentru proiectare se vor utiliza Visio sau SQL Developer Data Modeler. Pentru eventuale exporturi ale datelor din fişa de observaţii vizuale se are în vedere dezvoltarea de interfeţe de export spre alte baze de date. Pentru administrarea bazei de date se va utiliza SQL Server Management Studio.
  
• 
  Pentru dezvoltarea MCV şi MAPI se vor utiliza C++ Builder şi/sau Microsoft Visual Studio 2015. Pentru dezvoltarea modulelor de interfaţare cu echipamentele mobile se vor utiliza SDK-urile specifice Android şi/sau iOS.
  

3.3.2.3. Cerinţe funcţionale ale staţiei de fuziune a informaţiilor - STAFI

Staţia de fuziune STAFI analizează datele colectate de la sistemele SASI şi SIVI pe baza unei game variate de tehnici cum ar fi: sisteme expert, logica fuzzy, viziune computerizată, mecanisme de fuziune, tehnici de procesare a imaginilor multimodale, maşini cu vectori suport, reţele neuronale, modelare, simulare, predicţie, sistem de suport decizional. STAFI va avea următoarele module:

Fig. 3.3.2. - Diagrama funcţională a staţiei de fuziune a informaţiilor

Baza de date – BD, Modulul de predicţie – MP, Modulul de fuziune – MF, Modulul de vizualizare – MV. A. Baza de date – BD integrează datele furnizate de sistemul de achiziţie şi prelucrare a datelor – SASI şi sistemul de inspecţie video – SIVI cum ar fi: măsurători, date istorice, meta date (informaţii de configurare, imagini, alte informaţii utile în procesul de urmărire a comportării construcţiilor hidrotehnice).

B. Modulul de predicţie – MP realizează predicţii ale deplasărilor barajului utilizând tehnici cum ar fi maşini cu vectori suport (SVM) şi/sau reţele neuronale (RN) orientate pe rezolvarea problemelor de recunoaştere de modele, a problemelor de regresie şi a problemelor de învăţare. Se are în vedere utilizarea algoritmului rapid de optimizare prin selectarea setului de lucru bazat pe alegerea celei mai mari pante sau evaluarea kernelurilor păstrate în cache. MP va rezolva probleme de clasificare/regresie precum şi cele legate de plasare (categorisire). MP va calcula estimările XiAlpha ale ratei de eroare şi preciziei, precum şi estimările Leave-One-Out ale ratei de eroare şi preciziei. Se estimează necesitatea includerii algoritmilor pentru SVM-uri transductive. Modulul MP va trebui să poată evalua riscul global al barajului.

C. Modulul de fuziune – MF implementează tehnici de fuziune multimodală a informaţiilor (date de la diverse tipuri de sensori, imagini în spectrul vizibil, imagini în infraroşu) bazate pe instrumente de analiză şi prelucrări de imagini, tehnici de inteligenţă computaţională, afişarea în format grafic a valorilor aparatelor de măsură şi control, crearea de fişiere pentru instrumentele de modelare, simulare şi predicţie.

D. Modulul de vizualizare – MViz implementează interfeţe grafice pentru operatori (GUI) necesare valorificării informaţiilor generate de MP şi MF. Rolul modulului este acela de integrare a tuturor informaţiilor din sistem, în vederea evaluării riscului global al barajului. Interfeţele trebuie să conţină entităţi care reprezintă şi transmit informaţie utilizatorului, elemente de gestionare şi manipulare a informaţiilor, entităţi de memorare, precum şi elemente care permit utilizatorului să interacţioneze cu sistemul decizional.

3.3.2.4. Caracteristici tehnice generale ale staţiei de fuziune a informaţiilor – STAFI

Pentru realizarea prototipului staţiei de fuziune a informaţiilor – STAFI, se vor utiliza:

• 
  Sistemul de calcul descris la nivelul sistemului SIVI. Se va lua decizia în momentul dezvoltării modulelor de predicţie – MP şi a celui de fuziune – MF dacă este cazul redimensionării memoriei şi/sau spaţiului de stocare,
  
• 
  Pentru dezvoltarea MP şi MF se vor utiliza C++ Builder şi/sau Microsoft Visual Studio 2015. Pentru dezvoltarea modulelor de interfaţare cu echipamentele mobile se vor utiliza SDK-urile specifice Android şi/sau iOS.
  
• 
  Pentru administrarea bazei de date se va utiliza SQL Server Management Studio.