Monitoring stanu hydrotechnicznego obiektów – drony i czujniki jako nowoczesne narzędzia utrzymania infrastruktury

Współczesna infrastruktura hydrotechniczna odgrywa kluczową rolę w gospodarce wodnej, ochronie przeciwpowodziowej oraz zapewnianiu bezpieczeństwa społeczności zamieszkujących doliny rzek i obszary przybrzeżne. Zapory, wały przeciwpowodziowe, śluzy, kanały, jazdy czy nabrzeża portowe to obiekty, których niezawodność i prawidłowe funkcjonowanie mają bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo ludzi, ochronę mienia oraz stabilność systemów dostarczania wody i energii. Wraz ze starzeniem się infrastruktury i coraz częstszymi ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi wynikającymi ze zmian klimatycznych, rośnie znaczenie monitoringu technicznego oraz wdrażania nowoczesnych narzędzi diagnostycznych (segregator na egzamin ustny - pytania i opracowane odpowiedzi).

Tradycyjne metody oparte na okresowych przeglądach wizualnych czy manualnych pomiarach, choć wciąż stosowane, nie zapewniają wystarczającej precyzji ani ciągłości danych, które są niezbędne do skutecznego prognozowania i zapobiegania awariom. Z tego względu coraz większe znaczenie zyskują drony oraz sieci czujników umożliwiające kompleksowy monitoring stanu obiektów hydrotechnicznych.

Rozwój technologii bezzałogowych statków powietrznych

Rozwój technologii bezzałogowych statków powietrznych zrewolucjonizował podejście do inspekcji infrastruktury. Drony wyposażone w kamery wysokiej rozdzielczości, systemy termowizyjne, lidary czy multispektralne sensory pozwalają na szybkie pozyskanie danych o stanie powierzchni zapór, korpusów wałów czy nabrzeży. Dzięki lotom automatycznym planowanym na podstawie tras GPS możliwe jest cykliczne powtarzanie pomiarów w identycznych warunkach, co pozwala na tworzenie porównawczych modeli 3D obiektów i obserwowanie nawet niewielkich zmian w czasie (program TESTY UPRAWNIENIA BUDOWLANE - wersja na komputer).

Fotogrametria lotnicza z dronów umożliwia identyfikację spękań, deformacji korpusu, osuwisk czy ubytków roślinności, które mogą świadczyć o procesach erozyjnych. Z kolei wykorzystanie kamer termowizyjnych pozwala na wskazanie miejsc infiltracji wody przez korpus zapory lub wału, ponieważ różnice temperatur ujawniają lokalne przecieki i nieszczelności. Drony stają się więc narzędziem zarówno do szybkich interwencyjnych inspekcji po wezbraniach czy sztormach, jak i do długofalowego gromadzenia danych służących modelowaniu procesów degradacji obiektów.

Równolegle ogromny postęp

Równolegle ogromny postęp dokonał się w zakresie miniaturyzacji i integracji czujników środowiskowych oraz konstrukcyjnych. Sieci sensorów instalowane w newralgicznych punktach obiektów hydrotechnicznych umożliwiają stały pomiar parametrów takich jak poziom i ciśnienie wody, drgania konstrukcji, przemieszczenia czy wilgotność gruntu. Czujniki poziomu wody oparte na ultradźwiękach lub ciśnieniowe sondy pozwalają na ciągłe monitorowanie zmienności stanów w zbiornikach i rzekach, a także w piezometrach wbudowanych w wały i zapory. Dzięki temu możliwe jest wykrywanie wczesnych oznak filtracji czy nadmiernego podnoszenia się zwierciadła wody, które mogą wskazywać na ryzyko utraty stateczności (segregator aktów prawnych).

Rejestratory drgań i akcelerometry

Rejestratory drgań i akcelerometry pozwalają badać reakcje konstrukcji na dynamiczne obciążenia wywołane przepływem wody, wiatrem, a także na wstrząsy sejsmiczne czy przejazdy ciężkiego sprzętu w pobliżu wałów. Analiza sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości umożliwia wychwycenie zmian sztywności czy pojawienia się nieliniowych efektów, które mogą świadczyć o rozwijających się uszkodzeniach. Coraz częściej stosowane są także czujniki do monitorowania erozji i utraty materiału w rejonie skarp, stożków nasypowych i ubezpieczeń kamiennych. Systemy te bazują na rozwiązaniach optycznych, światłowodowych bądź elektrooporowych, rejestrując zmiany przewodnictwa elektrycznego lub spadek odbicia sygnału w strefach, gdzie dochodzi do wypłukiwania gruntu.

Współczesne systemy monitoringu hydrotechnicznego

Współczesne systemy monitoringu hydrotechnicznego łączą dane z wielu źródeł w jeden spójny obraz stanu obiektu. Integracja danych fotogrametrycznych z dronów, obrazów termicznych, sygnałów z czujników wbudowanych oraz pomiarów geotechnicznych pozwala na tworzenie cyfrowych bliźniaków zapór, wałów czy jazów. Dzięki modelom numerycznym kalibrowanym na podstawie danych z monitoringu można przewidywać zachowanie obiektu w różnych scenariuszach obciążeniowych, a także symulować skutki awarii czy ekstremalnych zjawisk hydrologicznych (program egzamin ustny). Cyfrowy bliźniak staje się narzędziem wspomagającym podejmowanie decyzji przez zarządców infrastruktury, pozwalającym na racjonalne planowanie prac konserwacyjnych, remontowych i modernizacyjnych. Zamiast reagować dopiero w sytuacji zagrożenia, możliwe jest przejście na model predykcyjnego utrzymania, w którym działania podejmowane są jeszcze przed pojawieniem się widocznych uszkodzeń.

Zasilanie bateryjne i energooszczędne protokoły

Niezwykle istotnym aspektem jest także wykorzystanie technologii komunikacyjnych w przesyłaniu danych z czujników do centralnych systemów nadzoru. Rozwiązania oparte na sieciach bezprzewodowych, w tym LoRaWAN czy NB-IoT, pozwalają na instalację sensorów nawet w trudno dostępnych lokalizacjach, gdzie brak jest zasilania czy infrastruktury kablowej. Zasilanie bateryjne i energooszczędne protokoły umożliwiają wieloletnią eksploatację czujników bez konieczności częstej konserwacji. Dane przesyłane są w czasie rzeczywistym do chmury obliczeniowej, gdzie mogą być poddawane analizie z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Algorytmy uczenia maszynowego pozwalają na automatyczne wykrywanie anomalii, korelację sygnałów z różnych źródeł oraz prognozowanie ryzyka awarii. Dzięki temu służby techniczne mogą być natychmiast informowane o przekroczeniu wartości alarmowych, co skraca czas reakcji i zmniejsza ryzyko katastrofalnych skutków (uprawnienia budowlane).

Koszt utrzymania obiektów wodnych

Zastosowanie dronów i czujników w monitoringu hydrotechnicznym przynosi także wymierne korzyści ekonomiczne. Koszt utrzymania obiektów wodnych jest znaczący, a awarie wiążą się nie tylko z bezpośrednimi wydatkami na naprawę, ale również z ogromnymi stratami społecznymi i gospodarczymi wynikającymi z powodzi czy przerw w dostawach energii. Regularne monitorowanie oparte na nowoczesnych technologiach pozwala na wczesne wykrycie nieprawidłowości, dzięki czemu naprawy mogą być realizowane w mniejszym zakresie i przy niższych kosztach. Ponadto automatyzacja inspekcji ogranicza potrzebę angażowania licznych zespołów terenowych, zmniejsza ryzyko wypadków przy pracach w trudnych warunkach oraz umożliwia bardziej efektywne wykorzystanie zasobów ludzkich.

Nie można jednak zapominać o wyzwaniach związanych z wdrażaniem nowoczesnych technologii monitoringu. Integracja systemów czujnikowych wymaga odpowiedniego zaplecza technicznego, a także kompetencji w zakresie analizy dużych zbiorów danych. Pojawia się konieczność zapewnienia cyberbezpieczeństwa, aby uniemożliwić ingerencję w systemy zarządzania infrastrukturą krytyczną. Równie istotne jest opracowanie standardów i procedur interpretacji danych, aby różne instytucje i zarządcy mogli korzystać z jednolitych kryteriów oceny stanu obiektów. Wyzwanie stanowi także odporność urządzeń na trudne warunki środowiskowe, takie jak wilgoć, mróz czy silne oddziaływanie wody, co wymaga stosowania specjalnych obudów i zabezpieczeń.

Przyszłość monitoringu hydrotechnicznego

Przyszłość monitoringu hydrotechnicznego bez wątpienia będzie związana z dalszym rozwojem autonomicznych systemów obserwacji i analityki predykcyjnej. Już dziś trwają prace nad dronami zdolnymi do samodzielnego wykonywania misji inspekcyjnych, lądowania na stacjach dokujących i automatycznego przesyłania danych do systemów analitycznych. Coraz bardziej realna staje się wizja w pełni zintegrowanych sieci sensorów i pojazdów bezzałogowych współpracujących w ramach inteligentnego systemu zarządzania infrastrukturą wodną. Tego rodzaju rozwiązania mogą stać się nieocenione w obliczu rosnącego ryzyka powodzi i innych ekstremalnych zjawisk hydrologicznych (opinie o programie).

Podsumowując, nowoczesne technologie oparte na dronach i czujnikach otwierają zupełnie nowe możliwości w zakresie monitoringu i utrzymania obiektów hydrotechnicznych. Umożliwiają przejście od podejścia reaktywnego do predykcyjnego, poprawiają bezpieczeństwo ludzi i środowiska, a jednocześnie pozwalają optymalizować koszty eksploatacji. Choć wdrażanie takich systemów wiąże się z wyzwaniami technicznymi i organizacyjnymi, to kierunek rozwoju jest jednoznaczny – przyszłość monitoringu hydrotechnicznego to systemy inteligentne, zautomatyzowane i oparte na danych, które umożliwią długofalowe i zrównoważone zarządzanie kluczową infrastrukturą wodną.