Konzept zur Erhöhung der Sicherheit komplexer technischer

Faculty IV: Science and Technology
Department Mechanical Engineering
Technical Mechanics – Prof. Dr.-Ing. C.-P. Fritzen
Konzept zur Erhöhung der Sicherheit komplexer
technischer Systeme durch
sensorbasierte Monitoring-Verfahren
Claus-Peter Fritzen
1. Workshop zum Forschungsbereich
Zivile Sicherheit
16.02.2012
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Technical Mechanics – Prof. Dr.-Ing. C.-P. Fritzen
Was sind komplexe technische Systeme ?
Bauwerke
Verkehrsmittel
Industrieanlagen
www.airbus.com
- Rafinerien
- Flugzeuge
Siemens press picture
- Canton Tower ((600 m))
- Züge
g
- Brücken
- Staudämme
-…
- Schiffe
- Helikopter
-…
16.02.2012
- AKW ((Biblis))
- Windkraftanlagen
- Braunkohlekraftwerke
-…
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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
T t
- I35-W in Minneapolis stürzt
während der Hauptverkerszeit ein
- Falsche
F l h Di
Dimensionierung
i i
d
der
Knotenbleche,
- Mangelnde Überwachung
- 101 Tote
T t
- Entgleisung bei 198 km/h,
Kollision mit Brücke
- Ermüdungsrisse an der Innenseite->
it
B
Bruch
hd
des R
Radreifens
d if
- Schlechte Zugänglichkeit
- Kernschmelze
K
h l in
i 3R
Reaktorkt
blöcken
- Radiaktive Emissionen wurde
freigesetzt
- Tsunami
T
i sorgtt fü
für ÜberschwemÜb
h
mung des AKW und Ausfall von
techn. Equipment
Technisches Versagen führt zur Verringerung der Zivilen Sicherheit
16.02.2012
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Wie kann die Zivile Sicherheit Komplexer System erhöht werden?
Permanente Überwachung technischer Systeme
Traditionell
– Inspektion durch
Menschen
Heute ->Zukunft
– Sensorbasierte
Monitoring-Verfahren
– St
Structural
t l Health
H lth
Monitoring (SHM)
BMWi-Projekt: „IMOWind“, Integrales
Monitoring von
Offshore-Wind
16.02.2012
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Forschungsbereich SHM
SHM – Structural Health Monitoring: Idee: Nachahmung biolog.
biolog Systeme mittels
künstlichem Nervensystem und intelligenter
Datenanalyse, z.B. Mustererkennung
Mensch
16.02.2012
Intelligente
Struktur
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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
g von Inspektionen,
p
, Reparaturen
p
– Verlängerte Lebensdauer
Verbesserte Strukturauslegung
– Durch Kenntnis realer Lasten
– Aufdeckung der Schwachstellen
Quelle: EADS
16.02.2012
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Konzept eines Monitoring-Systems am Canton Tower – I/II
Canton Tower
600 meter high, Guangzhou, China.
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
(2012 – 2013)
In cooperation with The Hong Kong Polytechnic University
Topic:
Online wind load reconstruction using the SHM measurements
(S
(Source:
Th
The H
Hong K
Kong Polytechnic
P l t h i University)
U i
it )
16.02.2012
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Konzept eines Monitoring-Systems am Canton Tower – II/II
O li Last-Rekonstruktion
Online
L tR k
t kti
mittels
itt l G-KF-UKI
G KF UKI M
Methode
th d
(Niu, Klinkov,
Fritzen, 2011)
Known
forces
Unknown
forces
Mechanical or
civil structures
Structural
responses +
+
G-KF-UKI
Measurement Modeling noise
errors
Reconstructed
structural
t t l
responses
Reconstructed
unknown forces
(G-KF-UKI:
(G
KF UKI: Generalized Kalman Filter with Unknown and Known Inputs)
16.02.2012
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Eigene Forschungsthemen im SHM I/II
SEM – Simulation der Ultraschallwellenausbreitung
Modellgestützte Schadenslokalisierung
(am Turm einer Windenergieanlage)
O li K ft k t kti
Online-Kraftrekonstruktion
16.02.2012
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Eigene Forschungsthemen im SHM II/II
EU - Projekt: HiPRWIND
Monitoring von schwimmenden
Windenergieanlagen
16.02.2012
EU Projekt: SARISTU
EUMonitoring von
Flugzeugstrukturkomponenten aus
Faserverbundwerkstoffen
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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 Ü
Überwacher)
– Risikoanalyse (unentdeckte Schäden, Fehlentscheidungen)
– Analyse der Entdeckungswahrscheinlichkeit von Schäden (POD, Probability of
Detection)
– Simulation von Monitoring-Verfahren
– Experimentelle Untersuchungen
– Optimale Sensoranordnungen
16.02.2012
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Beitrag zum Forscherkolleg
Mess- & Regelungstechnik
g
g
– Selbstlernende Systeme
– …
Mathematik
– Statistik
– Inverse Probleme
– Risikoanalyse
– Extremwertanalyse
– …
Bauwesen
Fachdisziplinen
– Bauingenieurwesen
– Physik
– …
VerkehrsVerkehrs
mittel
Industrieanlagen
Visualisierung
– Datenaufbereitung
– Bildgenerierung
– …
16.02.2012
ATM
– Mechanische Modellierung / Modellbildung
– Entwicklung von Schadenserkennungsalgorithmen
– Entwicklung von Monitoring Verfahren
– Experimentelle
p
Validierung
g
– …
Sensorsysteme
– Digitale Datenbearbeitung
– Datenübertragung / Funkdatenübertragung
– Musterkennung
– …