Wprowadzamy innowacyjne metody tomografii impedancyjnej do diagnostyki wałów przeciwpowodziowych, umożliwiające nieinwazyjne badanie ich wewnętrznej struktury oraz identyfikację ewentualnych defektów, zawilgoceń i nieciągłości materiałowych. Dzięki zaawansowanej analizie pomiarowej możliwe jest monitorowanie stanu technicznego zabezpieczeń hydrotechnicznych w czasie rzeczywistym, co wspiera decyzje eksploatacyjne, zwiększa bezpieczeństwo oraz optymalizuje działania prewencyjne mieszkańców i służb.
W przypadku nasilania się powodzi wzrasta niebezpieczeństwo przerwania wału. Doraźne badanie ich stanu, czy bieżący monitoring może zapobiec katastrofom powodziowym lub ostrzegać o grożącym niebezpieczeństwie. Jak ważny jest to problem, pokazały powodzie w Polsce i na świecie. System pomiarowo-monitorujący mógłby odpowiednio wcześniej wykryć grożące niebezpieczeństwo.
Celem projektu jest opracowanie nowoczesnego systemu do badania i monitoringu stanu wałów przeciwpowodziowych. Proponowane rozwiązanie to innowacyjny produkt, będący nowatorską i nowoczesną metodą niespotykaną w takiej formie obecnie na rynku ze względu na zastosowane technologie oraz złożoność i różnorodność algorytmów rekonstrukcji właściwości badanych obiektów.
Główne elementy projektu:
Tomografia impedancyjna (TI) jest niedestrukcyjną techniką obrazowania posiadającą wiele zastosowań. Aby używać tej metody w sposób efektywny konieczne staje się opracowanie odpowiednich algorytmów do rozwiązywania zagadnień: prostego oraz odwrotnego. Pojawia się tutaj potrzeba poprawy wydajności pewnych metod numerycznych. Rozwiązanie typowego dla tomografii impedanccyjnej problemu polega na identyfikacji nieznanego brzegu obszaru wewnętrznego na podstawie pomiarów napięcia dokonanych na powierzchni badanego obiektu.
System monitoringu składa się z następujących elementów (rys. 1):
Rys. 1. Architektura systemu
W wałach przeciwpowodziowych mogą występować różne uszkodzenia, takie jak: erozja kanalikowa, erozja skarpy, mikro niestabilność, napór lodu, poślizg skarpy zewnętrznej, przelew falowy, przelew wody, upłynnianie gruntu (rys.2).
Rys. 2. Przykłady uszkodzeń wału
System pomiarowy oparty jest na modelu tomografu impedancyjnego. Do dwóch elektrod dołączane jest źródło pobudzające. Pozostałe elektrody służą do pomiarów napięcia na brzegu obszaru. Pomiary wykonywane są dla wszystkich możliwych sposobów podłączenia źródła zasilania, w celu zwiększenia liczby informacji o obiekcie oraz poprawy stosunku sygnału do szumu. Po wykonaniu pierwszej serii pomiarów następuje przełączenie układu pobudzającego na elektrody sąsiadujące. Proces pomiarowy powtarzany jest sekwencyjnie dla wszystkich możliwych układów połączeń źródła pobudzającego (rys.3).
Rys. 3. Rozmieszczenie elementów na brzegu wału przeciwpowodziowego
Rekonstrukcję obrazu oparto na metodzie optymalizacyjnej, w której drogą do wyznaczenia rozwiązania jest minimalizowanie funkcji celu jako średniokwadratowa wartość błędu rekonstrukcji odniesiona do wektora napięć międzyelektrodowych.
Do obliczenia zagadnienia prostego oraz określenia składowej potencjału i składowej zmian krzywizny, kolejny algorytm wykorzystuje metodę elementów skończonych, metodę granicy podobszarów lub metodę elementów brzegowych. Wewnętrzne obiekty badanej przestrzeni opisane są przez funkcję zbiorów poziomicowych, która jest dyskretyzowana na stałej siatce kartezjańskiej. Do zadania optymalizacyjnego używane są również metody gradientowe i algorytmy inteligencji obliczeniowej.
Zaproponowana została następująca procedura numeryczna:
Proces rozwiązania powtarzany jest tak długo, aż zostaną osiągnięte zadowalające warunki zbieżności.
Rys. 4. Model typowego wału przeciwpowodziowego. Na rysunku zaznaczono elektrody systemu kontrolnego (tomografu).
Rys.5. Dwuwymiarowy model geometryczny uszkodzonego wału przeciwpowodziowego. Model został przygotowany w celu rozwiązania zagadnienia prostego za pomocą metody elementów brzegowych. Zaznaczono węzły elementów brzegowych oraz wektory normalne. Przewodnictwo właściwe jest stałe w obrębie danego podobszaru.
Założenia pracy systemu zdeterminowane zostało przez obszar, w którym system powinien działać. Pokrycie obszaru około 80m zapewnione jest przez 16 elektrod umieszonych równomiernie pełniących rolę elektrod pomiarowych oraz 1 elektrodę pełniącą funkcję nadrzędną w prezentowanym układzie. Cały układ pomiarowy łączy się z serwerem pełniącym funkcję kontroli i monitorowania. Rozkład elektrod pomiarowych przedstawia poniższy schemat.
Rys.6. Schemat komunikacji systemu
System, ze względu na pełnione role, obejmuje przede wszystkim:
Rys.7. Diagram systemu akwizycji danych
Stworzony został 16-to elektrodowy systemu gromadzenia danych pomiarowych dla systemu elektrycznej tomografii impedancyjnej. Jego schemat prezentuje poniższy rysunek.
Rys. 8. Schemat systemu
Głównymi elementami szesnastoelektrodowego systemu zbierania danych dla systemu tomografii impedancji elektrycznej są:
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej.
