מבוא ל Sensing for Dam Safety

דמים הם נכסים תשתיות קריטיים המספקים אחסון מים, בקרת מים, ייצור הידרו-כוח, והטבות השקיה לקהילות ברחבי העולם.עם זאת, הכישלון שלהם יכול להיות השלכות קטסטרופליות, כולל אובדן חיים, נזק רכוש, והרס סביבתי. שיטות ניטור סכרים מסורתיות מסתמכות על כלי מבוסס קרקע כגון מדמונים, הטיפות, וסמן סקרים, המספקים נתונים בעלי ערך, אך הם מוגבלים בכיסוי מרחבי ותדירות מרוחקת.

על ידי לכידת נתונים באמצעות חיישנים לווייניים, אוויריים ורחפנים, חישה מרחוק מאפשרת גילוי מוקדם של עיוות מבני, רואה עמוד, וסימנים אזהרה אחרים כי לפני כישלון. מאמר זה חוקר את העקרונות, טכנולוגיות, יישומים וכיוונים עתידיים של חישה מרחוק ניטור בטיחות סכר, עם דגש מעשי על יישום ואפקט עולמי אמיתי.

מה זה Sensing?

חישה מרחוק מתייחסת לרכישת מידע על אובייקט או אזור מבלי ליצור מגע פיזי. בהקשר של ניטור סכר, פלטפורמות רגישות מרחוק לשאת חיישנים אשר לזהות ולרשום קרינה אלקטרומגנטית משתקפת או פולטת מהסכר והסביבה הסובבת אותו.חיישנים אלה פועלים על פני אורכי גל שונים, כולל אור גלוי, אינפרא אדום ומיקרוגל, כל אחד מהם מספק תובנות נפרדות לתוך תנאים סביבתיים ומבניים.

פלטפורמות תצפית מרחוק נפוצות המשמשות למעקב סכר כוללות לווינים המקיפים מאות קילומטרים מעל פני כדור הארץ, מטוסים מאוישים טסים בגובה נמוך יותר, וכלי רכב אוויריים בלתי מאוישים (AVs או מל"טים) שיכולים לפעול רק מטרים מעל המבנה.כל פלטפורמה מציעה עצירות בין פתרון מרחבי, תדירות זמני, ושטח.התקדמות במיניטורציה ועיבוד של נתונים הפכו לרגישים מרחוק ובעליות יותר חסכוניים עבור סוכנויות רגולטוריות.

טכנולוגיות חיפוש מרחוק לDam Monitoring

מספר טכנולוגיות רגישות מרחוק הוכיחו בעלות ערך מיוחד להערכת יציבות סכרים ובטיחות.כל טכנולוגיה לוכדת פרמטרים פיזיים שונים והיא מתאימה למטרות ניטור ספציפיות.

Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)

InSAR מבוסס לוויין הוא אחד הכלים החזקים ביותר לזיהוי קרקע ועיוות מבני על אזורים גדולים.על ידי השוואת תמונות מכ"ם שנרכשו בזמנים שונים, InSAR יכול למדוד עקירות בקנה מידה מילימטר של פני הכרים ואת הבסיס שלה.טכניקה זו היא מועילה במיוחד לזיהוי אזורים איטיים, מתקדמים שעשויים להצביע על חוסר יציבות, מדרדר, או מאגר של סגמנטציה נמוכה (SCO) וטכניקות נמוכות (S- SAR) באמינות נמוכה (S) או יעילות נמוכה (S)

כלי רכב אוויריים בלתי מאוישים (UAVs or Drones)

ד"רונים המצוידים במצלמות ברזולוציה גבוהה, LiDAR, או חיישנים תרמיים מציעים יכולות ניטור גמישות, על פי דרישה.הם יכולים לטוס קרוב למבנה הסכר כדי ללכוד תמונות מפורטות ומודלים תלת-ממדיים, לבדוק אזורים קשים-ל-לחכאיים כגון שמיכות וקצבאות, לאסוף נתונים מיד לאחר אירועים קיצוניים במזג אוויר.

האימאם הבוגדני

חיישנים אינפראניים מזהים הבדלים בטמפרטורות על פני השטח של סכר ובאזור במורד הזרם. כתמים קרים עשויים להצביע על אזורים של רואה עמוד שבו מים בורחים מהמאגרים וקירור הסימון שמסביב או הקרקע.הדמיה תרמית הוא יעיל במיוחד לזיהוי שחיקה פנימית וצנרת לפני שהם הופכים גלויים על פני השטח.שני חיישנים תרמיים מבוססי לווייני ומצלמות אינפרא אדום מוכונדריות לשימוש זה.

LiDAR (Light Detection and Ranging)

LiDAR משתמשת דופקי לייזר כדי למדוד מרחקים וליצור מודלים תלת-ממדיים גבוהים של סכר ושטחו. Aטיס LiDAR יכול למפות את פני הסכר כולו ומדרונות הסובבים, לזהות שינויים עדינים בגובה וגיאומטריה שעשויים להעיד על עיוות או מסה בזבז.Trestrial LiDAR ( סריקה מבוססת קרקע) מספק דיוק גבוה יותר עבור ניטור מקומי.

תמונה אופטית ורב-ספקטרום

לוויין גבוה-resolution ודימויים אופטיים אוויריים מספקים תיעוד חזותי של תנאי פני השטח, כולל סדקים, ספיגה, גידול צמחייה והצטברות של משקעים במאגר. חיישנים רב-ספקטרום משתרעים מעבר לאור גלוי כדי ללכוד להקות אינפרא אדום בתדרים קצרים וקצרים, אשר יכול לחשוף שינויים בלחות אדמה, בריאות צמחייה, וזעזוע מים המתאם עם ביצועים סכרים.

יישומים מפורטים בDam Monitoring

טכנולוגיות רגישות מרחוק לתמוך במגוון רחב של יישומים ניטור שתורמים באופן קולקטיבי להבנה מקיפה של בטיחות סכר.

רפורמציה וביקורת

עיוות סטרקטיטורי הוא אחד האינדיקטורים הישירים ביותר של חוסר יציבות פוטנציאלי.InSAR ו- UAV photogrammetry לספק מדידות רציפה של עקירה על פני כל מבנה הסכר, המשלים נתונים נקודה ממטרות סקר קונבנציונליות.דפוס דפוסי עיוות עוזר למהנדסים להבחין בין תנועות עונתיות ניתוק (למשל, התרחבות תרמית) ומצמריש בלתי הפיך הדורש התערבות.

זיהוי דפים והערכה פנימית

דף לא מבוקר הוא גורם מוביל של כשלי סכר, במיוחד סכרים אמבנקמנטים. חישה מרחוק מציעה מספר שיטות לזיהוי דף לפני שהוא מוביל לצנרת או לפרוץ.הדמיות אינפרא אדום יכול לזהות חריגות טמפרטורה בפנים למטה הזרם, לנקז, וקצבים המעידים על תנועת מים.

רמת מים של Reservoir ו- Surface Monitoring

לוויין altimetry ודימויים מכ"ם יכולים לעקוב אחר רמות המים והשטח משטח משתנה מרחוק, אשר יקר עבור סכרים במקומות מרוחקים או transboundary. Rapidמשוךdown או רמות בריכה גבוהות באופן יוצא דופן יכול לגרום לאי יציבות מדרדרון ושחיקה פנימית מרחוק. חישה נתונים משולבים עם מודלים הידרולוגיים תומכת בערכת סיכונים וקבלת החלטות תפעולית.Sthetic Aperturear Radar (SAR) יכול גם לזהות ולזה כיסוי על גבי מאגרים קרים, אשר יכול להפעיל טמפרטורות קרות על גבי מטבעות אקלים, אשר יכול להפעיל טמפרטורות נוספות.

שינויים בשטח ותפוסה

שינויים בצמחייה סביב סכר יכולים לסמן בעיות בסיסיות.אזורים עם צמחייה שופעת או מצוקה עשויים להצביע על אזורי לחות הקרקע המושפעים של עמוד השדרה. מפולות אדמה בתפוסה יכולים להשפיע על מאגר של אנרגיה ואיכות מים באופן יוצא דופן. צמחייה רב-ספקטרוםית כגון NDVI (מדד הבדלי Normalized) מתמונה לוויינינית מספקת ניטור שגרתי של בריאות וכיסוי זוגי.

הערכה בריאותית

תמונות אופטיות תרמיות ברזולוציה גבוהה יכולות לתעד פגמים משטח גלוי כגון סדקים, ספיגה, פריחה, והידרדרות משותפת. סקרים חוזרים לאפשר למהנדסים לעקוב אחר ההתקדמות של פגמים אלה ועדיפות תחזוקה. עבור סכרים קונקרטיים, הדמיה תרמית יכול גם לזהות ריקנים ודמדומים בתוך המבנה. עבור סכרים מזהמים, נתונים רב-תחומי מידע רב-תחומי זיהוי של התיישבות או פיתוח שונה.

מחקרים ב-Sensing for Dam Safety

ניטור של סכר גדול באלפים

סכר הידרואלקטרי גדול בהרי האלפים השוויצריים היה כלוא עם משקף קבוע עבור ניטור לווייני אינSAR. מעל תקופה של חמש שנים, ניתוח PS-InSAR זיהה דפוסי עקירה עונתיים תואמים עם רמת המאגר ושינויי הטמפרטורה, כמו גם מגמה קלה לטווח ארוך המיוחסת ל- Foundation.המידע המתפתל מרחוק sensing לא אושר נגד מדידות פרוטות קרקעיות ומדמים, המציגה הסכמה מצוינת של סיקור מרחבי שנחשף על ידי אזורי ספאריים מקומיים.

ד"ר חד-משמעית של זיהוי דפי ב- Embankment Dam

סכר כדור הארץ בדרום-מזרח ארצות הברית חווה כתמים רטובים בלתי מוסברים על פני מטה הזרם במהלך בדיקות שגרתיות.כטב"ן מצויד במצלמה תרמית רדיואקטיבית הוצב כדי לבדוק את כל המדרונות במורד הזרם.הדימוי התרמית חשף דפוסים קרירים בטמפרטורה המקבילה ל-Seepage Zones שלא נראו לעין עירום.

יתרונות ומגבלות של סניפיות מרוחקות

יתרונות

  • (FLT:0) מבצע ללא פולשני: FLT:1 מרחוק חישה מבטל את הצורך במגע פיזי עם מבנה הסכר, צמצום הסיכונים הבטיחותיים עבור אנשים ולהימנע מהפרעה פוטנציאלית למכשירים רגישים.
  • (FLT:0)Synאופטיקה מכסה: 1 Satellites ופלטפורמות אוויריות יכולים ללכוד נתונים על פני כל הסכר ואת האזור שמסביבו במעבר יחיד, לחשוף דפוסים מרחביים כי המדידות מבוססות נקודה מתגעגעות.
  • (FLT:0) גבוה טמפלייט תדירות: FLT:1 לוויינים עם זמני מילואים של ימים עד שבועות, בשילוב עם טיסות טימ"טים לפי דרישה, לספק עדכונים תכופים עבור ניטור זמן קצר.
  • (FLT:0) יעילות לאזורים גדולים: ⁇ FLT 1 עבור סכרים גדולים או אתרים מרוחקים, חישה מרחוק מפחיתה את הצורך בהכלי קרקע נרחבים וביקורים בשטח, תוך צמצום עלויות ניטור הכולל.
  • (FLT:0) שיא היסטוריטורי: איור 1 טלגרף מאפשר ניתוח רטרוספקטיבי של עיוות טרום-failure, תמיכה בחקירות משפטית ושיפור הערכות עתידיות של סיכון.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם GIS ו BIM:FLT) 1:1 נתונים מרחוק ניתן לייבא ישירות לתוך מערכות מידע גיאוגרפי ובניית מודלים מידע עבור הדמיה, ניתוח ודיווח.

הגבלות

  • (FLT:0) ,Spatial ו- Temporal Resolution Trade-Offsseur:FLT ( 1:1 רזולוציה גבוהה צילום לוויין לעתים קרובות מגיע עם תדר זמני נמוך יותר, בעוד לווייני מילואים תכופים לעתים קרובות עשויים להיות פתרון קוהרסר.
  • (FLT:0 Data Process Complexity:FLT:1 טכניקות כגון InSAR דורשות מומחיות מיוחדת ותוכנה לשלב ללא נפיחות, תיקון אטמוספירי ופרשנות עקירה.
  • (FLT:0) חדירה של Dense Vegetation:cioFLT:1 אופטית וחיישנים תרמיים לא יכולים לראות דרך קאנופי צפופה, הגבלת יעילותם לניטור פרצופים מלוטשים על ידי עצים.
  • (FLT:0) ,Calibration and אימות צרכים: ⁇ F1) יש למקם מדידות מרעישות מרחוק נגד נתונים המבוססים על הקרקע כדי להבטיח דיוק.ללא אימות הולם, חיובי כוזב או גילויים מפספסים יכולים לערער את האמון בתוצאות.
  • (FLT:0) רגולציה ומבצעית קונסטריטס: 1:1 טיסות ד"ר אחד ליד תשתיות קריטיות עשוי לדרוש אישורים ותיאום אווירי, במיוחד באזורים מבוקרים סביב סכרים גבוהים.

אינטגרציה עם מערכות ניטור מבוססות קרקע

חישה מרחוק היא יעילה ביותר כאשר משולבים עם מערכות ניטור מבוססות קרקע מסורתיות ולא בשימוש כפתרון עמידה. אסטרטגיה ניטור עניבה יכול לשלב סקר רחב היקף עם חישה מרחוק, ממוקד בסיס מבוסס קרקע עבור אימות, ו אזעקה אוטומטית עבור סף עלייה של אבטחה. לדוגמה, InSAR יכול לזהות אזורים של עיוות עצום על פני סכר מורכב, רובוטי, ואז תחנות רובוטיות או סיבים אופטיים לחלוטין עבור אזורי בקרה היברידיים אלה.

טכניקות היתוך נתונים המשלבות חישה מרחוק עם מדידות החלפתיות, נתונים הידרולוגיים, מודלים מבניים הם תחום פעיל של מחקר.חיישנים טכנולוגיות אינטרנט מאפשרות צמתים אוטומטיים של נתונים מגוונים לתוך לוחות נתונים נתונים נתונים בלוחות נתונים, ומספקים למפעילים עם נוף אחיד של מצב הנכס.הנציבות הבינלאומית על סכרים גדולים (ICOLD) פרסמה הדרכה לשימוש של חישה מרחוק כחלק מתוכניות ניטור מקיפים, תוך הדגשת תנאים של נתונים קבועים וקביעת תנאי איסוף.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

למידת מכונה ואינטליגנציה מלאכותית

אלגוריתמי למידת מכונה מוחלים יותר ויותר על נתונים רגישים מרחוק עבור ניטור סכרים.מודלים למידה עמוקה יכולים לזהות באופן אוטומטי דפוסים עיוות, סיווג פגמים פני השטח, לזהות חתימות תרמיות חד-משמעיות שעשויות להצביע על ראה דפים. רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) מאומן על תמונות מתוייגות יכול לזהות סדקים וגלישה עם דיוק דומה למפקחים אנושיים.

פיתוח חיישן מתקדם

טכנולוגיות חיישן מתפתחות מבטיחות לשפר את יכולות החישה מרחוק יותר.חיישנים היפר-ספקטרליים שלוכדים מאות להקות ספקטרליות צרות יכולים לזהות מינרלים ספציפיים, תוכן לחות, שינויים כימיים הקשורים להשפלה קונקרטית.קומפקטי SAR חיישנים המתאימים לרחפנים קטנים מפותחים, המאפשרים ניטור גמיש, גבוה ברזולוציה גבוהה יותר.

שילוב עם IoT ו-Time-Time Monitoring

האינטרנט של דברים (IoT) מאפשר העברת נתונים בזמן אמת מחיישנים מבוססי קרקע ופלטפורמות חישה מרחוק כאחד. קבוצות לוויין בעלות נמוכה-כדור הארץ עם קישורים בין-כוכביים יכולים להעביר נתונים מ סכרים מרוחקים למרכזי עיבוד מרכזיים עם שקיפות מינימלית. Edge על מזל"טים ותחנות קרקע מאפשר ניתוח ראשוני להתבצע באופן מקומי, לשדר רק התראות ומדיקים של ראייה אינטראקטיבית, אשר מצמצם את זמן התגובה הקריטית של זמן בקרה.

תוצאות משופרות וכיסוי של משימות לוויין חדשות

סוכנויות חלל ממשלתיות ומפעילים מסחריים משיקים משימות לוויין חדשות עם יכולות משופרות לניטור סכרים.תוכנית הקופרניקוס של סוכנות החלל האירופית ממשיכה לספק נתונים פתוחים ל- C-band SAR מ-Stinel-1, אשר משמש נרחב למיפוי הסיביר של InSAR.New high-resolution X-resolution X-band-band ממבצעים מסחריים מציעים פתרון תת-מטר עם משימות אופטיות תכופות עם ספקטרום רחב יותר וכיסוי אווירי של סוללות (Stratic Active Active Active-sur-surperation) ו-Ric) ו-Ric Active Active Active Active Active-Ric Active Active Active Active-R.

מסקנה

חישה מרחוק הפכה מרכיב חיוני של ניטור בטיחות סכר מודרני, מתן מהנדסים ורגולטורים עם מקיף מרחבי, תכופים, והנתונים מדויקים יותר על מבנה סכר והתנהגות.טכנולוגיות כגון InSAR, UAV photogramry, הדמיה תרמית, ו- LiDAR מאפשרים זיהוי מוקדם של עיוות, ראיית עמודים, וכשלונות אחרים כי מערכות מבוססות קרקע לבד עלולים להחמיץ אתגרים הקשורים לפתרון, טיפול מתמשך, טיפול מתמשך של נתונים, וטכנולוגיות למידה, ממשיכים להתרחבות, הן טכנולוגיות למידה מרחוק.

(ב) לבעלי סכר ומפעילים, אימוץ של חישה מרחוק כחלק מאסטרטגיה ניטור עניבה מציעה נתיב יעיל להבטחת בטיחות מוגברת.הארגונים הבינלאומיים כגון ה-FLT:0 הוועדה הבינלאומית על דימות גדולות של סכרים 1 ו-FLT:2United States Geological SurveyFLT 3: פרסמו הנחיות וחוקרים מקרים המוכיחים את שיטות הפעולה הטובות ביותר עבור נאס"ל:

בעוד שהצי סכר העולמי מזדמן ושינוי האקלים מציג גורמים חדשים של מתח כגון שיטפון אינטנסיבי יותר ובצורת ממושכת, הצורך בפתרונות ניטור חזקים ורחבים מעולם לא היה גדול יותר.רגיש, עם היכולת הייחודית שלה לספק מעקב עקבי רחב טווח מרחוק, עומד מוכן לעמוד באתגרים אלה.המשך השקעה במחקר, טכנולוגיה, כוח העבודה, ואימון, יבטיח כי חישה מרחוק של פוטנציאל של המאה ה -21 של בטיחות.