Automatisierte Informationsgewinnung zum Schutz kritischer Infrastruktur im Katastrophenfall - AISIS

Das dem Projekt AISIS zugrunde liegende Szenario ist die Gefahr einer massiven Schädigung der Infrastruktur des öffentlichen Schienentransports, speziell von Tunnels, durch terroristische Sprengstoffanschläge. Der Schädigungsgrad kann nach einem Anschlag so hoch sein, dass die Standsicherheit des Tunnels nicht mehr gewährleistet ist. Daher ist ohne weitere Informationen zum Zustand des Bauwerks auch kein Betreten durch Rettungskräfte möglich. Um diese Sicherheitslücke zu schließen, werden in AISIS Technologien zur Steigerung der Sicherheit von Menschen in Tunnels vor und nach Explosionsereignissen entwickelt.

Das Projekt AISIS umfasst sowohl die Steigerung der Widerstandsfähigkeit von Tunnelstrukturen durch die Verbesserung von Konstruktion und Materialien als auch durch Technologien, die die Sicherheit nach einem Explosionsereignis verbessern.

Die Widerstandsfähigkeit von Tunnelstrukturen wird durch Einsatz eines neu entwickelten, duktilen und brandbeständigen Ultra-Hochleistungsbetons (Ultra-High-Performance Concrete, UHPC) und spezieller stoßresistenter Koppelungselemente für die Tunnel-Verbindungselemente (Tübbinge) gesteigert. Ziel dabei ist es, die Resttragfähigkeit einer baulichen Struktur nach Einwirkung einer Explosionslast möglichst hoch zu halten sowie die Schädigungen lokal zu begrenzen, damit der Einfluss einer dynamischen Last auf das Gesamttragwerk gering gehalten werden kann.

Die Sicherheit von Tunnels nach einer Explosionslast wird durch ein neu entwickeltes Lagebewertungssystem deutlich gesteigert. Das Lagebewertungssystem kann im Fall einer Explosion im Tunnel mittels eines in die Strukturwände integrierten Sensornetzwerks die stoßartigen Lasten messen, automatisch analysieren und ohne Zeitverzug in Form gebündelter Informationen zum Schadensausmaß vor Ort an Rettungs- und Einsatzkräfte übermitteln. Kern der Entwicklung ist ein Netzwerk aus mechanisch robusten und energetisch autarken Funksensoren, die in die Wände integriert sind. Die besondere Herausforderung bei der Entwicklung des energieautarken Funksensornetzwerks bestand darin, die benötigten Energiemengen aus der Tunnelumgebung zu ernten. Nachdem Licht als Energiespender ausschied, wurde ein Energy-Harvesting-System entwickelt, das mit einem thermoelektrischen Harvester und einem magneto-induktiven Harvester elektrischen Strom gewinnt. Der thermoelektrische Harvester erzeugt kontinuierlich geringe Mengen Strom aus den wenigen Graden Temperaturunterschied zwischen der Lufttemperatur im Tunnel und der Temperatur an der Spitze des jeweiligen Funkknotens, der im Tübbing versenkt ist. Der magneto-induktive Harvester gewinnt bei jeder Vorbeifahrt eines Zugs aus dem magnetischen Wechselfeld der Oberleitungen der Bahn für kurze Zeit elektrische Energie. Beide Harvester liefern den gewonnenen Strom über elektrische Anpassungsschaltungen an die Batterie des Funkknotens. Mit der so gewonnenen elektrischen Energie können die leistungsfähigen Funkknoten mit je zwei Mikrokontrollern zur Detektion und Klassifizierung stoßartiger Lasten und zugehöriger Funkschnittstelle betrieben werden.

Das Sensorsystem besteht aus Funksensorknoten mit drei neu entwickelten Komponenten. Ein piezoelektrischer Sensor detektiert die Stoßlasten. Eine schnelle Aufweckschaltung ermöglicht einen energiesparenden Mikrokontroller (MSP), der dennoch in der Lage ist, die transiente Lastkurve zu digitalisieren und aufzuzeichnen. Ein in diesem Mikrokontroller implementierter Auswertealgorithmus überprüft das Signal im Hinblick auf spezielle Merkmale, z. B. Überschreitung von Spitzenwerten oder die Signalform, und reduziert die zu übertragenden Parameter auf die wesentliche Information, z. B. ob die Strukturwand möglicherweise kritisch vorgeschädigt ist. Diese Information wird über ein Kommunikationsprotokoll an einen energiesparenden Funkchip gesendet, der eine aus 12 Bytes bestehende Kurznachricht über das Funksensornetzwerk an den Empfangsknoten nach einem Zeitschlitzverfahren sendet. Die Daten werden nun über einen Server gemäß der OPC-Norm für den Datenaustausch externen Clients zur Verfügung gestellt. Primär dient diese Schnittstelle dazu, die aus dem Sensornetzwerk gewonnenen Daten in existierende Sicherheitssysteme zu integrieren. Ein solches Sicherheitssystem kann z. B. ein Tunnelmanagement- System einer Sicherheitsfirma sein, das die Daten graphisch aufbereitet und neben den verfügbaren Daten aus anderen Messsystemen darstellt. Die integrierten energieautarken Funksensorknoten können in die Zentrieraussparungen eingesetzt werden, die nur während des Tunnelbaus benötigt werden und anschließend für andere Anwendungen genutzt werden können. Herausragende technische Innovationen in AISIS sind einerseits die Entwicklung des brandbeständigen duktilen Ultra-Hochleistungsbetons, der einen weiten Anwendungsbereich erschließt und für jegliche Art von Tunnel und sicherheitsrelevanten Gebäuden bis hin zu Hochhäusern eingesetzt werden kann, andererseits das energieautarke Funksensorknotennetzwerk, das neben dem Einsatz in Tunnels für viele energieautarke Anwendungen angepasst und eingesetzt werden kann.

Durch die erfolgreiche Zusammenarbeit aller am Projekt beteiligten Wirtschafts-, Forschungs- und universitären Projektteilnehmer, speziell auch des Fraunhofer EMI mit den Unternehmen Ed. Züblin AG und der Securiton GmbH, hat sich aus AISIS eine leistungsfähige Partnerschaft auch für zukünftige Aufgaben gebildet.

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