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Pictures of the Future
Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Von Big Data zu Smart Data

Überflieger mit scharfen Augen

Ausgerüstet mit High-Tech Kameras und Bilddatenverarbeitung übernehmen Drohnen mehr und mehr zivile Überwachungs- und Kontrollfunktionen. Mittlerweile inspizieren Drohnen nicht nur Pipelines, Industrieanlagen und Hochspannungsmasten sondern werden auch als Bauüberwacher oder Luftqualitätsprüfer eingesetzt.

Siemens entwickelt smarte Inspektionssysteme für Pipelines, Industrieanlagen und Hochspannungsmasten. Dabei bedient sich das Unternehmen an Drohnen und intelligenter 3D-Bildanalyse.

Rohrleitungen mit einer Gesamtlänge von mehreren Millionen Kilometern überziehen die Erde wie ein Geflecht aus Adern. Sie versorgen uns mit Öl, Gas und Wasser und tun dies seit vielen Jahrzehnten mit einem Höchstmaß an Effektivität und Sicherheit. Die lückenlose und kontinuierliche Überwachung dieses Versorgungsnetzes ist für die Betreiber eine Herausforderung: Werden Leitungen beschädigt, etwa durch Bauarbeiten, Land- und Forstwirtschaft oder durch Erdebewegungen wie Hangrutsche, droht Gefahr für Mensch und Umwelt. Ein wesentlicher Sicherheitsaspekt, um diese zu verhindern, ist die sogenannte Schichtdicke. Gemäß den gesetzlichen Vorgaben müssen unterirdische Gas- und Öl-Pipelines mit mindestens einem Meter Erdreich überdeckt sein. Üblicherweise werden die Leitungen alle zwei bis vier Wochen per Hubschrauber abgeflogen und aus der Luft kontrolliert. Diese visuellen Inspektionen sind aber teuer. Zudem fehlt den Experten an Bord der „Röntgenblick“, den sie bräuchten, um zu erkennen, ob die Erdüberdeckung ausreichend hoch ist.

Digitale Überwachung dank leistungsfähiger Kamera: Aber erst mit der Siemens-Software ist die Bildanalyse möglich. Dank ihr können die Experten ein dreidimensionales Oberflächenmodell erstellen.

Hochpräzise Messung

„Wir entwickeln derzeit ein neues, wesentlich effizienteres Inspektionsverfahren für eine systematische und automatisierte Schichtdickemessung aus der Luft – und zwar mit Hilfe einer Drohne“, erläutert Claudia Windisch von Siemens Corporate Technology. „Dafür verbinden wir mobile, coptergetragene Sensorik und intelligente Bilddatenanalyse miteinander.“

Bestückt mit einer Farbkamera und einer Nah-Infrarot (NIR)-Kamera fliegt die Drohne eine unterirdische Ferngasleitung entlang einer vorgegebenen Strecke ab und fotografiert die Erdoberfläche. Die Bilder sollen künftig über ein Web-Interface direkt an die Pipeline-Analyseplattform von Siemens übermittelt werden. Aus den Daten wird ein dreidimensionales Oberflächenmodell der Leitungstrasse erstellt, das georeferenziert ist. Das heißt, den Daten werden raumbezogene Informationen zugewiesen. „Wir erreichen eine Genauigkeit bei der Schichtdickemessung von rund zehn Zentimetern. Unser Verfahren liefert somit Ergebnisse in sehr hoher Qualität“, sagt Windisch. Laut der Expertin wird mit dem Siemens-System eine objektive und wiederholbare Analyse möglich. Die Informationsflut wird dank der automatisierten Analyse der Bild- und Prozessdaten auf relevante Ereignisse reduziert. Die ausgewerteten Daten werden schließlich dem Pipeline-Betreiber entweder über ein Web-Interface oder direkt in einem SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)-System zur Verfügung gestellt.

Autonomes System spart Kosten

Mehr als zehn Millionen Euro Verlust verzeichnen Pipeline-Betreiber pro Jahr durch Leckagen, Beschädigungen oder illegale Entnahmen. Tritt ein Leck auf, kann es in schlecht zugänglichen Gebieten oft tagelang dauern, bis das Wartungsteam die Ursache dafür findet. „Eine automatisierte 3D-Bildanalyse, so wie wir sie entwickeln, kann unsere Kunden dabei unterstützen, Leitungen besser und kosteneffizienter zu überwachen. Erkennt das System Abweichungen frühzeitig, können die Betreiber schneller Gegenmaßnahmen einleiten, um mögliche Schäden oder sogar Ausfälle zu vermeiden“, betont Mike Liepe, Leiter des Siemens Oil and Gas Geschäftsfeldes Pipeline Solutions.

In der Praxis könnte das folgendermaßen funktionieren: Entlang der Pipelines, jeweils an den Bodenventilstationen, die 30 bis 50 Kilometer voneinander entfernt liegen, werden Drohnen stationiert. Meldet das Prozessleitsystem über fest installierte Sensoren eine Abweichung, fliegt die nächstgelegene Drohne den betreffenden Streckenabschnitt autonom ab. Die aufgenommenen Daten werden an das Leitsystem zurückgemeldet, welches das Ereignis analysiert und Gegenmaßnahmen vorschlägt. „Wir ergänzen dafür das bestehende SCADA-System mit automatisierter Analyse von Bild- und Prozessdaten. Anomalien und Defekte werden in der realen 3D-Umgebung dargestellt. Diese zusätzliche Information und die visuelle Aufbereitung der Daten in SCADA erleichtern es, Fehler rascher zu erkennen und Maßnahmen einzuleiten“, erklärt der Softwareexperte Daniel Schall von Corporate Technology.

Noch rund ein Jahr wird es dauern, bis die Forscher ihre Arbeit abgeschlossen haben. Weitere Testflüge in Deutschland und Österreich sind geplant, bei denen unterschiedliche Sensorik und verschiedene Flugkörper, beispielsweise Leichtflugzeuge, erprobt werden.

Immer Sichtkontakt zum Fluggerät halten: Etwa bei Fassadenaufnahmen bedarf es noch einer aktiven Steuerung. In einem nächsten Entwicklungsschritt sollen die Drohnen autonom agieren.

Vielfältige Einsatzgebiete

Die Technologie soll dann nicht nur für das Monitoring von Öl- und Gasleitungen, sondern auch für weitere industrielle Anwendungen einsetzbar sein, zum Beispiel bei Gebäuden. Große Büro- oder Industriebauten haben einen hohen Bedarf an Heizenergie. Sie sollte auch im Gebäude bleiben und nicht durch schlecht gedämmte Bereiche der Fassade oder des Dachs verloren gehen. Mithilfe der Drohnen können die Siemens-Forscher nah an Gebäude heranfliegen und so Dächer und Fassaden genau inspizieren.

Die Kameras der kleinen Fluggeräte machen via Infrarot Bilder der Wärmeabstrahlung der Gebäude und kombinieren diese mit Fotos im sichtbaren Bereich des Spektrums. Aus diesen Daten wird ein dreidimensionales Modell errechnet: „Hot Spots“, also Bereiche, in denen Wärme verloren geht, können so aus der Luft lokalisiert werden. Der Vorteil für die Betreiber eines Büro- oder Industriekomplexes liegt auf der Hand: Die Wärmelecks können abgedichtet werden, die Umwelt wird entlastet und Kosten werden eingespart.

Oberleitungen stets im Blick

Eine weiteres mögliches Einsatzgebiet für die Drohnen sind Oberleitungen. Diese gibt es nicht nur für Züge, sondern auch für Lastwagen, die umweltschonend elektrisch betrieben werden – wie beim eHighway von Siemens. Hierbei haben Drohnen die Leitungen von oben optimal im Blick. Die Copter fliegen die Trassen ab und machen in regelmäßigen Abständen Fotos, die später am Computer ausgewertet werden. Ob Fremdkörper auf den Drähten, durchhängende Leitungen oder defekte Masten: Dank einprogrammierter Parameter erkennt die Software genau, ob und wann sich ein Schaden anbahnt. So können Ausfälle bereits im Vorfeld verhindert werden.

Wilma Mert und Sebastian Webel