Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach

Transkrypt

1 Otwarte seminaria 2015 Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach Bezzałogowe pomiarowe platformy pływające (drony) wykorzystywane w inżynierii wodnej i ochronie przeciwpowodziowej dr inż. Andrzej Wolak mgr inż. Piotr Przecherski Politechnika Krakowska Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Katowice, 25 czerwca 2015

2 O nas dr inż. Andrzej Wolak - Absolwent Wydziału Inżynierii Sanitarnej i Wodnej Politechniki Krakowskiej. W 2003 r. uzyskał stopień doktora nauk technicznych w zakresie budownictwa na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej. Jest autorem i współautorem wielu projektów związanych z ochroną przeciwpowodziową i gospodarką przestrzenną i przede wszystkim budownictwem wodnym. Jest autorem i współautorem wielu projektów i realizacji, również we współpracy z firmami komercyjnymi. Od 2008 roku jest zatrudniony w Instytucie Inżynierii i Gospodarki Wodnej Politechniki Krakowskiej na stanowisku adiunkta naukowo-dydaktycznego. Prowadzi szereg zajęć z przedmiotów związanych z budownictwem wodnym i gospodarka przestrzenną. mgr inż. Piotr Przecherski - Absolwent Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej na kierunku Budownictwo Wodne. Od trzech lat pracownik naukowo-dydaktyczny Instytutu Inżynierii i Gospodarki Wodnej PK. Równocześnie student trzeciego roku studiów doktoranckich. W pracy badawczej skupia się przede wszystkim na tematyce badań, monitoringu i kontroli zbiorników retencyjnych. Podczas pracy w IIGW uczestniczył w projekcie: Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap). Autorzy koncepcji zastosowania i działania zdalnej platformy badawczej określanej jako pływający dron. Zdobywcy II miejsca w konkursie Małopolski Inkubator Pomysłowości w roku Wyróżnieni w konkursach: Najważniejsze naukowe osiągnięcie roku 2013 magazynu Focus oraz Polski wynalazek 2014 organizowany przez Telewizję Polską.

3 Plan prezentacji Część pierwsza Tworzenie map BATYMETRYCZNYCH Tworzenie map ukształtowania dna zbiorników i cieków wodnych Obecnie stosowane urządzenia i techniki pomiarowe Zastosowanie urządzenia UPP-1E do pomiarów batymetrycznych Opis konstrukcji UPP-1E Plany rozwoju urządzenia Część druga Obliczanie PRZEPŁYWU w rzekach Przedstawienie urządzenia ADCP River Surveyor M9 firmy Sontek Opis działania urządzenia Zastosowanie urządzenia do pomiarów przepływów w rzece Wisła w Krakwie PODSUMOWANIE

4 BATYMETRIA: UNIWERSALNA PŁYWAJĄCA PLATFORMA POMIAROWA UPP-1E Część I

5 Zastosowanie UPP-1E Podstawowym zadaniem urządzenia UPP-1E jest wykonywanie badań ukształtowania dna zbiorników wodnych jezior naturalnych, sztucznych i cieków.

6 Zastosowanie UPP-1E Znajomość ukształtowania dna zbiorników jest potrzebne dla prowadzenia prawidłowej gospodarki wodnej na tych zbiornikach. Wezbrania i powodzie powodują zmniejszenie się wielkości tych zbiorników, czasem bardzo znaczną.

7 Zastosowanie UPP-1E Służy również do tworzenia podstawowych opracowań i projektów służących do budowy i eksploatacji zbiorników.

8 Zastosowanie UPP-1E Jest to potrzebne zarówno dla obiektów istniejących jak i projektowanych, na różnych etapach procesu inwestycyjnego (od koncepcji po ostateczny projekt wykonawczy).

9 Jak się to robiło dotychczas? Pomiary batymetryczne (ukształtowania dna zbiorników retencyjnych) były i są nadal wykonywane za pomocą echosondy zamontowanej na łodzi z załogą, dodatkowo wyposażona jest w odbiornik GPS. satelity systemu GPS antena odbiorcza systemu GPS antena odbiorcza systemu GPS wiązka ultradźwięków z echosondy pomiarowej

10 Jak się to robiło dotychczas? Dane pochodzące z analizy podkładów mapowych (uzyskane przed budową zbiornika) są w wielu przypadkach obarczone bardzo znaczącymi błędami. Objętość zbiornika obliczona na podstawie tych danych może być niedoszacowana (błąd nawet >20% prawdziwej objętości) wg. mapy wg. pomiaru geodezyjnego

11 Jak się to robiło dotychczas? Do wykonywania pomiarów potrzebny był co najmniej mały kuter z kilkuosobową załogą.

12 Jak się to robiło dotychczas? Zwykle jednak wykorzystywane jednostki są znacznie większe

13 Jak się to robiło dotychczas? Lub zupełnie do tego celu nieprzystosowane

14 Jak się to robiło dotychczas? Praktycznie prowadzi do wielu komplikacji, związanych z sama wielkością łodzi, trudnym jej transportem i wodowaniem, pracą w często trudnych warunkach atmosferycznych, falowaniem.

15 UPP-1E Urządzeniem, które pozbawione jest wyżej wymienionych wad jest UPP-1E. Może ono wykonywać badania znacznie taniej i szybciej, osiągając również wyższą dokładność i powtarzalność wyników.

16 UPP-1E Podstawowe założenia przy konstrukcji UPP-1E: Urządzenie ma efektywnie wykonywać zadania, czas działania nie mniej niż ok. 8h. Urządzenie musi być niezawodne. Prowadzi do redundantności, czyli dublowania działania większości podstawowych systemów. Musi być łatwe w użytkowaniu, nawet dla niewprawnego użytkownika.

17 UPP-1E Platforma wyposażona jest w: system pomiarowy: echosondę Reason NaviSound 215 (dwuczęstotliwościową). system nawigacji: odbiornik GPS firmy Garmin. Sygnał z tego urządzenia jest dostarczany bezpośrednio do jednostki centralnej echosondy a następnie łączony z odczytem głębokości i przekazywany do centralnego komputera. system napędowy i układ sterowania - składa się z jednostki sterującej silnikiem elektrycznym i śrubą napędową, komputera sterującego. system komunikacji ze stacją bazową systemów pomocniczych

18 UPP-1E Praca echosondy opierająca się na dwóch częstotliwościach pomiarowych, pozwala na bezpośrednie określenie również grubości osadów zalegających na dnie zbiornika.

19 UPP-1E

20 UPP-1E Zastosowanie wydajnego napędu elektrycznego pozwala na długą pracę (>8 h) bez konieczności ładowania akumulatorów. Silnik jest cichy, lecz efektywny.

21 UPP-1E

22 UPP-1E

23 UPP-1E Zastosowane oprogramowanie pozwala na pracę w trzech trybach: tryb ręczny (zdalne sterowanie) tryb automatyczny (według zadanej ścieżki pływania) tryb autonomiczny (w początkowej fazie rozwoju, obecnie zaimplementowana jest wyłącznie funkcja wracaj do domu ).

24 UPP-1E Bardzo małe zanurzenie pozwala na dodarcie do rejonów dotychczas całkowicie niedostępnych do wykonywania jakichkolwiek pomiarów.

25 UPP-1E Jest to urządzenie bezzałogowe. Umożliwia prowadzenie pracy w sytuacjach, gdy jest ona bardzo trudna, lub niebezpieczna.

26 UPP-1E Prędkość wody > 3 m/s!

27 UPP-1E UPP-1E jest urządzeniem uniwersalnym, po zmianie zainstalowanego wyposażenia można również: pobierać próbki wody do dalszej analizy, ustalać prędkość wody i przepływ za pomocą sondy ADCP (kolejny rozdział), wykonywać obrazy dna za pomocą sonaru bocznego.

28 UPP-1E co dalej? Urządzenie pod nazwą UPP-1E (Uniwersalna Platforma Pomiarowa z echosondą jednowiązkową) w swojej obecnej formie została opracowana przez pracowników Instytutu Inżynierii i Gospodarki Wodnej PK na podstawie doświadczeń przy wykonywaniu badań batymetrycznych (ukształtowania dna) rzek i zbiorników wodnych. Jest ona zdolna do wykonywania zadań zgodnych ze swoim przeznaczeniem, jednakże istnieje kilka problemów, które należy rozwiązać, aby osiągnęła ona swoją docelową użyteczność.

29 UPP-1E co dalej? 1. Kwestia stateczności podczas wykonywania pracy. Jest to najtrudniejszy problem do rozwiązania. Niewielka łódź jest w porównaniu do większych obiektów pływających (przy wykorzystaniu których zwykle prowadzi się tego rodzaju badania) znacznie bardziej podatna na falowanie wody. Aby pokonać tę trudność należy: Zastosować bierne mechaniczne sposoby redukcji wpływu falowania na urządzenie, w postaci dwóch dodatkowych kadłubów (pływaków), z możliwością ich demontażu (gdy nie będą potrzebne lub w trakcie transportu). Urządzenie będzie miało formę trimaranu kadłuba głównego z wszystkimi urządzeniami i dwóch małych kadłubów stabilizujących. Te elementy są obecnie przygotowywane. Zastosować czynne mechaniczne sposoby redukcji falowania w postaci żyroskopu, stabilizującego główny kadłub urządzenia. Rozwiązanie to obecnie jest na etapie projektu wstępnego. Zastosować redukcję wpływu falowania za pomocą oprogramowania softwaru umożliwiającego nałożenie na odbierany sygnał funkcji białego szumu i odfiltrowania części zakłóceń wynikających z falowania wody. To rozwiązanie jest obecnie na etapie koncepcji.

30 UPP-1E co dalej? 2. Problem niewystarczającego wyposażenia urządzenia. W przypadku wykonywania pomiarów większych zbiorników potrzebna jest praca zdalna na dużych odległościach. W związku z ograniczeniami prawnymi związanymi z mocą nadajników dla urządzeń zdalnie sterowanych zasięg UPP-1E nie przekracza obecnie ok. 1 km. Można to ograniczenie obejść przez: zastosowanie anten kierunkowych zastosowanie nadajników pośrednich (bojek radiowych). Dodatkowym problem jest unikanie zagrożeń (kolizji). Aby to ułatwić planujemy zastosowanie radaru bliskiego zasięgu, zintegrowanego z oprogramowaniem sterującym. To rozwiązanie jest obecnie przygotowywane. Czasem występuje problem zbyt małej mocy silnika napędzającego. Należy zastosować bądź mocniejszy (większy) silnik, bądź inną śrubę napędową, bądź oba te rozwiązania łącznie.

31 UPP-1E co dalej? 3. Problemy związane z oprogramowaniem. Obecnie zainstalowane pozwala na pracę ręczną (zdalne sterowanie) oraz automatyczną, w ograniczonym zakresie (podążanie za ścieżką zapisaną w pamięci komputera sterującego). W związku ze szczupłością środków finansowych oprogramowanie to oparte jest na istniejących rozwiązaniach, czasem niedokładnie odpowiadających szczególnym wymaganiom UPP-1E. Należy wprowadzić daleko idące zmiany w oprogramowaniu, aby umożliwić również pracę w trybie autonomicznym (np. samodzielne wykonywanie przekrojów przez urządzenie, z minimalnym udziałem człowieka). W szczątkowej formie jest to obecnie już zaimplementowane poprzez dodanie do konsoli ręcznego sterowania przycisku Wracaj do domu, które powoduje przerwanie bieżącego zadania i powrót jednostki do punktu startu.

32 UPP-1E co dalej? 4. Integracja z sondą ADCP, zmiana wyposażenia. Urządzenie w obecnej postaci może wykonywać pomiary, z ograniczeniami. Dodatkowa funkcjonalność może radykalnie zwiększyć zakres możliwych do wykonania zadań (ADCP! w kolejnym rozdziale). W skali poziomu rozwoju technologii Technology Readiness Level amerykańskiej agencji NASA urządzenia w obecnym stanie jest na poziomie TRL-6: Prototype demonstration in relevant environment

33 UPP-1E co dalej?

34 Film

35 PRZEPŁYWY: PRÓBNIK ADCP RIVER SURVEYOR M9 FIRMY SONTEK Część II

36 River surveyor M9 firmy Sontek Próbnik ten przeznaczony jest do wykonywania pomiarów przepływu w rzekach i małych potokach. Dodatkowo wykonuje profil dna przy wykonywaniu pomiarów przepływu.

37 River surveyor M9 firmy Sontek Zasada działania polega na pomiarach prędkości przepływu cząsteczek zanieczyszczeń zawartych w wodzie a następnie na ich podstawie wyznaczenie pola prędkości i sumowanie pól o tak ustalonym przepływie cząstkowym.

38 River surveyor M9 firmy Sontek Prędkości cząsteczek obliczane są na podstawie pomiarów wykonywanych za pomocą kilku echosondy (kilka wiązek) oraz przy wykorzystaniu efektu Dopplera w wodzie.

39 River surveyor M9 firmy Sontek Efektem działania jest wykres układ prędkości wody w przekroju, z podziałem na poszczególne komórki.

40 River surveyor M9 firmy Sontek Wykorzystaliśmy do urządzenie do pomiarów pola prędkości (a więc i sumarycznego przepływu w przekroju) dla wezbrania na Wiśle w Krakowie w 2010 roku.

41 River surveyor M9 firmy Sontek Most Grunwaldzki na Wiśle w Krakowie

45 River surveyor M9 firmy Sontek Most Piłsudskiego na Wiśle w Krakowie

46 River surveyor M9 firmy Sontek Most Piłsudskiego na Wiśle w Krakowie

47 River surveyor M9 firmy Sontek Most Retmański (Garbaty Mostek) Na Wildze w Krakowie

48 River surveyor M9 firmy Sontek Most Retmański (Garbaty Mostek) Na Wildze w Krakowie

49 Podsumowanie Bezzałogowych pływające platformy pomiarowe pozwalają na pracę również w trudnych warunkach, w szczególności również niebezpiecznych. Możliwe jest za ich pomocą uzyskanie znacznie większej liczby danych pomiarowych, niż za pomocą łodzi załogowych. Sposób ich działania (małe zanurzenia, długa ciągła praca, mała wrażliwość na warunki atmosferyczne, dodatkowe wyposażenie) powodują, że uzyskane wyniki sa znacznie lepsze, niż z wykorzystaniem dotychczasowych metod. Wdrożenie takich urządzeń, w szczególności UPP-1E, spowoduje jakościową zmianę w zakresie i jakości uzyskiwanych danych.

50 Otwarte seminaria 2015 Dziękuję za uwagę dr inż. Andrzej Wolak

51 Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych Otwarte seminaria 2015 Seminarium było transmitowane on-line przy wykorzystaniu systemu wideokonferencyjnego zakupionego w projekcie Rozbudowa infrastruktury informatycznej gromadzenia, przetwarzania i analizy danych środowiskowych - in2in Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka i współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego