1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 213 Entwicklung eines IoT fähigen Sensors zur Zustandsermittlung von Infrastrukturschutzmaßnahmen gegen Naturgefahren für integriertes Wartungsmanagement Manuel Eicher Geobrugg AG, Romanshorn, Schweiz Eberhard Gröner Geobrugg AG, Romanshorn, Schweiz Helene Hofmann Geobrugg AG, Romanshorn, Schweiz Zusammenfassung Gemäss Definition des Internets der Dinge (IoT), sollte dieses relevante Informationen aus unserer Umgebung, anzeigen, automatisch miteinander verknüpfen und im Netzwerk verfügbar machen. Diese Zustandsinformationen bestehen zum Beispiel aus Daten zur aktuellen Nutzung, Alterung oder Umgebungsbedingungen des Gegenstandes und sollen die Verbesserungen der Nutzbarkeit zum Ziel haben. Dieser Beitrag soll den Zweck von IoT darstellen, im Bereich des Schutzes von Verkehrsinfrastruktur gegen Naturgefahren mittels flexiblen Stahlgeflechts Schutzlösungen. Diese Schutzlösungen stellen den Gegenstand, über den es gilt, Zustandsinformationen zu generieren. Bis jetzt wurde der Zustand in, teils mühseliger manueller Arbeit, durch periodische Begehungen ermittelt. Oftmals gerieten auch gewisse Schutzmassnahmen über die Zeit in Vergessenheit, was eine erneute Gefährdung der Verkehrsinfrastruktur zu Folge hat. Die Zustandsinformationen, die von primärem Interesse behaftet sind, sind einerseits der Füllzustand einer Schutzlösung. Kann sie noch den nötigen Schutz gewähren, wenn diese zu zwei Drittel mit Schutt gefüllt ist? Andererseits ist auch deren Alterungsprozess wichtig, in diesem Fall der Korrosionsprozess. Durch den Einsatz von der IoT Technologie kann, wenn diese Zustandsinformationen erfasst werden, einerseits die Planung von Wartungsarbeiten effizient geplant werden. Auch der Alterungsprozess, der überwacht wird und einen möglichen Austausch einer Schutzlösung, nach mehreren Jahrzehnten im Einsatz, anzeigt, kann frühzeitig ins Budget eingeplant werden. Die Entwicklung und der Einsatz eines IoT fähigem Sensor wird anhand eins Anwendungsbeispiels in Süddeutschland aufgezeigt, welches seit ca. 2 Jahren im Einsatz ist, an einer Steinschlagbarriere oberhalb einer Strasse. 1. Einführung Gemäss Definition des Internets der Dinge (IoT), sollte dieses relevante Informationen aus unserer Umgebung, automatisch miteinander verknüpfen und im Netzwerk verfügbar machen [1]. Der vermehrte Informationsbedarf kommt daher, dass wir immer öfter über den Zustand von Dingen Bescheid wissen möchten, die zum Teil bis anhin nur mühsam zu bekommen waren, jedoch essentiell sind. Diese Zustandsinformationen bestehen zum Beispiel aus Daten zur aktuellen Nutzung, Alterung oder Umgebungsbedingungen des Gegenstandes und sollen die Verbesserungen der Nutzbarkeit zum Ziel haben, wie zum Beispiel Früherkennung von Wartungsnotwendigkeit, der Austausch von Elementen, oder auch die Verbesserung der Umgebung. Dieser Beitrag soll der Zweck von IoT darstellen, im Bereich der Verkehrsinfrastrutkursicherung von Naturgefahren mittels flexible Stahlgeflechtsschutzlösungen. Diese Schutzlösungen stellen den Gegenstand der, über den es zu gilt Zustandsinformationen zu generieren. Bis jetzt wurde der Zustand in, teils mühseliger oder gefährlicher, manueller Arbeit, durch periodische Begehungen ermittelt. Oftmals gerieten auch gewisse Schutzmassnahmen über die Zeit in Vergessenheit, was eine erneute Gefährdung der Verkehrsinfrastruktur zu Folge hat, wenn diese Schutzlösung nicht gewartet wird. Die Zustandsinformationen, die von primärem Interesse behaftet sind, sind einerseits der «Füllzustand» einer Schutzlösung. Kann sie noch den nötigen Schutzgewähren, wenn zu zwei Drittel gefüllt? Andererseits auch deren Alterungs- Entwicklung eines IoT fähigen Sensors zur Zustandsermittlung v. Infrastrukturschutzmassnahmen gegen Naturgefahren 214 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 prozess. Korrosion greift den Stahl an, und die Standfestigkeit nimmt über die Zeit ab. Durch den Einsatz von der IoT Technologie kann, wenn dieses Zustandsinformation erfasst werden, einerseits die Planung von Wartungsarbeiten effizient geplant werden, und man muss nicht mehr auf gut Glück sich in einem gefährlichen Areal bewegen zwecks periodischer Untersuchungen, sowie der Alterungsprozess überwacht werden und einen möglichen Austausch einer Schutzlösung nach mehreren Jahrzehnte frühzeitig ins Budget eingeplant werden. Die grössere Siedlungsausbreitung, das Schmelzen von Permafrost oder gehäufte Starkregenereignisse, sind ein paar Beispiele, die erfordern an immer mehr Orten zB. Schutz vor Steinschlag und Murgängen zu gewährleisten. In den letzten 30 Jahren haben sich weltweit Steinschlagbarrieren aus Stahldrahtnetzen als Schutzlösung etabliert. Parallel zu den flexiblen Steinschlagbarrieren wurden flexible Murgangsperren entwickelt und weltweit installiert, sowie Lawinenverbauungen aus Geflecht im Anrissgebiet. 1.1 Problemstellung Ein Aspekt der Verkehrsinfrastruktur ist dessen Zustandsüberwachung in mehr oder weniger Echtzeit, um gezielten Unterhalt durchzuführen oder zu planen. Der Schutz gegen Naturgefahren ist ein weiterer Aspekt, der die Betreibung und der Unterhalt der Infrastruktur massgeblich beeinflusst. Es gibt verschiedene Schutzlösungen, die den Naturgefahren Einhalt gebieten, zum Beispiel flexible Schutzzäune aus Stahlgeflechten. Diese werden am Rand der Infrastruktur installiert und sollten regelmässig unterhalten werden. Schutzverbauungen werden grösstenteils in den Bergen oder an den Meeresküsten erstellt. Meist stehen die Systeme in unwegsamem Gelände; sie sind schwer zu erreichen und auch eine Überwachung auf Sicht ist häufig nicht möglich. Die Kontrolle und der Unterhalt solcher Anlagen wurde in den letzten Jahrzenten vielerorts vernachlässigt. Auch gerieten ein Teil dieser Lösungen in Vergessenheit, meist verdeckt durch wachsende Vegetation. Dies stellt jedoch eine erhebliche Gefahr dar, wenn zum Beispiel sich ein Steinschlagzaun langsam füllt und nicht beräumt wird. Sollte dann der grösste anzunehmende Steinschlag, für den der Zaun ausgelegt wurde, eintreten, ist die Energieaufnahmekapazität in einem solchen Fall nicht gewährleistet. Ein weiteres Szenario ausserhalb von Einschlägen von Steinschlag oder einem Murgang zum Beispiel, ist das langsam, aber sichere Abbauen des Stahls, der der Umwelt ausgesetzt ist. Verschiedene Korrosionsklassen sind normiert und bestimmt, die eine zu erwartende Lebensdauer angeben. Je nach Standort und lokalen Gegebenheit (z.B. häufiges streuen von Salz auf der Strasse) kann die Korrosionsklasse über- oder unterschätzt werden und leitet zu einer Überdimensionierung der Schutzlösung oder wiederum zu zu frühen Instandhaltungsmassnahmen oder gar Ersetzen einer Schutzlösung, die so noch nicht in der Budgetplanung aufgenommen war Unterhalt ist ereignis- und standortabhängig. In der Praxis definieren die Verantwortlichen meist Intervalle für die Vorort-Kontrolle der Barrieren. Dies kann einbis mehrere Male im Jahr bedeuten. Aber selbst bei häufigen Kontrollen kann ein Ereignis längere Zeit unentdeckt bleiben. Wenn dann ein Ereignis, beispielsweise ein grösserer Steinschlag, die Schutzkapazität reduziert, oder die Korrosion von gewissen Elementen, besteht in der Folge ein unnötiges Sicherheitsrisiko. Um den Bestand an flexiblen Schutzlösungen besser zu dokumentieren, in Echtzeit zu überwachen und Unterhaltsarbeiten im Voraus zu planen, wurde ein multi-funktioneller IoT Sensor, namens Guard entwickelt. Nach der genauen Vorstellung des Geräts wird zusätzlich ein Anwendungsbeispiel in Deutschland gezeigt, das seit knapp 2 Jahren im Einsatz ist. 2. IoT Gerät Geobrugg Guard Es wurde ein Gerät entwickelt, das die Umweltbedingung misst, sprich Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Korrosionsprozess, wie auch dynamische und quasi-statische Belastung mittels Beschleunigungssensor und Kraftmessung im Seil. 2.1 Entwicklung eines IoT Gerätes gemäss IoT Definition [1] Je nach Anwendungsfall muss man die Information am physischen Gerät abrufen können mittels RFID oder QR Code. Dies ist bei diesem Gerät, der Fall in dem RFID es ermöglicht Updates auf das Gerät zu spielen, wie es auch einen QR Code besitzt, welcher ermöglicht bei der Installation, mittels einer Webapp alle relevanten Informationen direkt aufzunehmen, oder schon im Datenportal diese darstellt. Andererseits wird auch verlangt das die Informationen, die übermittelt werden, bearbeiten werden können. In diesem Fall sind die Anforderungen relativ hoch, die Hardware muss zuverlässig sein, einen geringen Wartungsaufwand (da eine hohe Ausfallrate Wartungsarbeiten an sehr vielen Geräten, die mitunter räumlich weit auseinander liegen oder schwer zu erreichen sind, nötig macht), und einen niedrigen Energieverbrauch vorweisen. Letztlich sollten die Anschaffungskosten relativ gering sein, da möglichst viele physische Entitäten ausgerüstet werden müssen. Dies erfüllt alles auch der entwickelte Guard, der einen niedrigeren Energieverbrauch hat, die gemessenen Daten, werden wöchentlich gesendet, und das Gerät ist mit einer Batterie ausgestattet die eine Lebensdauer von ca.7 bis 10 Jahren hat, je nach wo sie ausgesetzt ist (warm/ kalt, guter/ schlechte Netzverbindung). Die Daten werden mittels GSM Netzwerk übermittelt (2G/ 3G oder Cat M1), und in einem mit Login geschützten Datenportal angezeigt. Entwicklung eines IoT fähigen Sensors zur Zustandsermittlung v. Infrastrukturschutzmassnahmen gegen Naturgefahren 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 215 Dort können die gesendeten Daten ausgewertet und interpretiert werden. Idealerweise geht eine Lernphase voraus, die es erlaubt den Sensor zu kalibrieren. 2.2 Sensorik im Guard Die eigens entwickelte Sensorik, misst den stattfindenden Korrosionsprozess, ist mit Temperatur und Feuchtigkeitssensoren bestückt, ist mit Beschleunigungssensoren ausgestattet, die einen dynamischen Prozess melden können und misst zusätzlich die Kraft in den Tragseilen der Schutzlösung, um langsame, pseudo-statische Veränderungen im System wahrzunehmen. Die Übertragung der Daten erfolgt über das Mobilfunknetz (GSM, UMTS oder LTE) direkt auf eine Cloud. Ein assoziiertes Datenportal erlaubt die Einsicht der stattfindenden Prozesse in quasi Echtzeit (siehe Abbildung 1). Verantwortliche kennen damit den Zustand ihrer Barriere nicht nur direkt nach einer Vor-Ort-Kontrolle, sondern laufend. Abbildung 1: Funktionsprinzip der Datenübertragung der Guards und die Anezige deren Daten. Die Sensorik und technischen Angaben sind in Tabelle 1 aufgelistet: Seilkraftmessung bis zu 30.000 kg Beschleunigung 0 g bis 200 g Orientierung XYZ-Achse Korrosion Strom (μA) Temperatur - 50°C bis 80°C Luftfeuchtigkeit 0% - 100% Energie Batteriespannung (V); Laufzeit 7 bis 10 Jahre Signalstärke RSSI Kommunikation 2G/ 3G; LTE Cat M1 Tabelle 1 2.3 Dynamische Lastfälle Die dynamischen Lastfälle, wie zum Beispiel einen Steinschlag, ein Murgang oder Baumschlag während eines Sturms oder Forstarbeiten, werden mittels zwei Beschleunigungssensoren erkannt und gemessen. Die zwei Sensoren messen zwei Bereiche zwischen 0 und 15g und 0 und 200g. Langfristig soll mittels den erhobenen Daten eine Aussage möglich sein über den möglichen Standort eines Einschlages, da eine Steinschlagschutzverbaaung mehrere 100m lang sein kann, sowie eine Einschätzung der Grösse des Steines oder dem Volumen einer Mure. 2.4 Statische Lastfälle Statische Lastfälle, wie langsam zunehmende Schneedecke, Last von gefüllten Material nach einem Murgang, etc, werden mittels einer Seilkraftmessung ermittelt. Deshalb wird der Guard an einem der Tragseile oder Rückhalteseil der Verbauung montiert (siehe Abbildung 2). Dank einer minimalen Umlenkung des Seiles unter dem Guard kann die Kraft des Seiles über Dehnmessstreifen ermittelt werden. Abbildung 2: Das Führen des Seils entlang des Guard und der Drahtseilklemme ermöglicht eine Messung der Kraft im Seil. 2.5 Korrosion Neben dynamischen, gravitativen Naturereignissen ist Korrosion der wichtigste Faktor für eine reduzierte Lebensdauer von Anlagen [2]. Weltweite Felderfahrung hat gezeigt, dass die Korrosionsklassen nach EN ISO 12944-2 [3] auf kleinem Raum stark variieren und zu unangenehmen Überraschungen führen können. Daher muss das Verständnis für korrosionsbegünstigende Mikroklimata verbessert werden. Ein Ziel des Guard ist es, durch die Bewertung der lokalen Korrosivität den Übergang von der Reparatur und vorbeugenden Instandhaltung zur vorausschauenden Instandhaltung zu ermöglichen. Dieses Gerät ist unter anderem mit einem speziell entwickelten Korrosionssensor ausgestattet. Der Korrosionssensor überwacht ständig die Umgebungsbedingungen der Barriere und erlaubt Entwicklung eines IoT fähigen Sensors zur Zustandsermittlung v. Infrastrukturschutzmassnahmen gegen Naturgefahren 216 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 eine Aussage über die Lebensdauer eines installierten flexiblen Schutzsystems, was zum Konzept der vorausschauenden Wartung führt. Korrosion ist im Bereich des Naturgefahrenschutzes problematisch, da die Funktionstüchtigkeit der Schutzsysteme von der vollen Integrität ihrer Komponenten abhängt. Eine angemessene Beschreibung der Korrosivität des zukünftigen Standortes eines Stahlschutzsystems ist grundlegend, um den richtigen Korrosionsschutz an den Stahlkomponenten zu gewährleisten. Heutzutage wird die Korrosivität der Umgebung nach EN ISO 12944-2 definiert und in 6 verschiedenen Korrosionsklassen von C1 bis CX beschrieben. Diese Umgebungsdefinition lässt viel Interpretationsspielraum offen. Die Lebensdauervorhersage von beispielsweise Draht-Zinkbeschichtungen nach ISO 9223: 2012-05 [4] ist gemäss EN ISO 12944-2 immer mindestens um den Faktor zwei ungenau. Wobei einfach gesagt C1 unproblematisch für eine Zn-Al-Beschichtung ist, die andererseits in einer C5-Umgebung schnell verschwindet. Leider sind diese Klassen sehr allgemein gehalten und basieren nur auf regionalen klimatischen Aspekten. Der Korrosionsprozess ist komplexer und hängt von mehreren Faktoren ab, die lokal stark variieren können. Faktoren, die ein Mikroklima schaffen, welches sich von der auf dem regionalen Klima basierenden Korrosivitätsklassifizierung unterscheidet, sind zum Beispiel eine Industrieanlage, die verschmutzte Luft ausstösst, das Vorhandensein von lokalem Wasser, das reich an Chlorid oder Schwefel ist, Gebiete, die immer im Schatten liegen und daher feuchter sind, oder andererseits sehr trockene Gebiete mit einem gewissen Salzeintrag, der nicht regelmäßig abgewaschen wird. Die Enteisung von Strassen im Winter induziert ebenfalls ein Mikroklima entlang des ersten Meters über der Straße, was zu beschleunigter Korrosion durch den Salzeintrag führt, obwohl man in einer alpinen Umgebung denken würde, dass die Korrosivitätsklasse C2 sein muss. Die Notwendigkeit, einen speziellen Korrosionssensor zu entwickeln, schien von größtem Interesse zu sein, um solche mikroklimatischen Bereiche um Schutzsysteme herum zu definieren und zu überwachen. Die prognostizierte Lebensdauer einer Schutzbauwerks kann beispielsweise gemäss definiertem Klima und Norm zwischen 30 und 90 Jahren liegen. Ohne laufende Messungen muss vom tiefsten Wert ausgegangen werden, was unnötige Kosten verursachen kann und auch bezüglich Nachhaltigkeit nicht überzeugt. Mit laufender Messung kennt der Infrastrukturbetreiber die reale Korrosion und kann entsprechend handeln Der Korrosionssensor wurde in einer Klimakammer und auf einem Testgelände in Helgoland, Deutschland, getestet. Die Ergebnisse in der Klimakammer und die Ergebnisse auf dem Korrosionstestgelände in Deutschland scheinen auf eine Proportionalität zwischen dem gemessenen Strom und dem Gewichtsverlust am Korrosionssensor hinzuweisen. Bisher wurden etwa 50 Boxen eingesetzt und erste Ergebnisse scheinen den Trend zu bestätigen. Weitere Schlussfolgerungen können nur gezogen werden, wenn die Geräte eine längere Zeit im Freien eingesetzt werden. 2.6 Restliche Sensoren und Anzeigen der Daten Die restlichen Sensoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie die Spannung der Batterie und die Signalstärke des Mobilfunknetz erlauben eine Plausibilitätsprüfung (stimmen die Temperaturen mit der Umgebung überein) und eine Statusanzeige des jeweiligen Gerätes um etwaige Wartung am Gerät selber frühzeitig vornehmen zu können. Die Daten werden übersichtlich auf einem Online-Dashboard angezeigt und liefern eine Vielzahl entscheidender Informationen, in welchem Zustand sich die Schutzlösung aktuell befindet. Auch werden die kalkulierten Abtragsraten des Korrosionssensors, sowie die umgerechnete Umlenkung des Seiles als Kraft in Newton dargestellt. 3. Anwendungsbeispiel in Heiligenberg, Deutschland mit dynamischen Einschlägen Die erstens Guards wurden im Sommer 2019 an mehreren Steinschlag- und Murgangbarrieren in ganz Europa angebracht. Die Standorte wurden nach bekannten häufigen Einschlägen und stark korrosiven Bereichen ausgewählt. Einer dieser Standorte ist an der Landesstrasse 201 an der Neuen Steige bei Heiligenberg in Baden-Württemberg. Ein Steinschlagschutznetz das besagte Landesstrasse schützt, wurde mit drei Guards ausgerüstet (siehe Abbildung 3). Abbildung 3: montierter Guard am Tragseil einer Steinschlagschutzverbauung Wie ersichtlich auf den Bildern ist diese Verbauung ein typisches Beispiel, das trotz Nähe zur schützenden Infrastruktur, stark unter der wachsenden Vegetation zunehmen verschwindet und langsam mit kleinem Geröll und Laub gefüllt wird (Siehe Abbildungen 4 und 5). Entwicklung eines IoT fähigen Sensors zur Zustandsermittlung v. Infrastrukturschutzmassnahmen gegen Naturgefahren 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 217 Abbildung 4: in der Vegetation verschwindende Steinschlagschutzverbauung in Heiligenberg Abbildung 5: über die Zeit verfüllte Barriere Am 16. Juni 2020 ereignete sich dann ein kleiner Steinschlag. Es handelte sich um einen Felsblock mit Kantenlängen von ca 100 cm x 100cm x 40 cm und einer Masse von etwa 1‘000 kg. Ein im Nachbarfeld des Einschlages installierter Guard, zeichnete das Steinschlagereignis auf: Beschleunigung 14,7 g, um 18: 00: 32 Uhr (siehe Abbildung 6 und 7). Das Ereignis löste unmittelbar via Dashboard und SMS eine Meldung dieses Einschlages aus. Die Unterhaltsverantwortlichen können damit geeignete Massnahmen ergreifen. Abbildung 6: Einschlag am 16. Juni 2020 Abbildung 7: Absolute Beschleunigung des Steinschlags am 16.06.2020 Am 4. März 2021 löste wiederum ein dynamischer Einschlag eine Meldung aus, diesmal war es ein Stück eines Baumstamms während Forstarbeiten (siehe Abbildung 8 und 9). Entwicklung eines IoT fähigen Sensors zur Zustandsermittlung v. Infrastrukturschutzmassnahmen gegen Naturgefahren 218 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Abbildung 8: Einschlag eines Baumstammes nach Bereinigung und roden der Vegetation um die Verbauung. Abbildung 9: Absolute Beschleunigung am 04.03.2021 durch den Baumstamm Einschlag. 4. Fazit Dieser Beitrag zum Guard zeigt die Entwicklung eines IoT Gerätes zur Überwachung von Verbauungen gegen Naturgefahren zum Schutz von Infrastruktur. Der Guard ist in wenigen Minuten installiert auf Anlagen verschiedenster Hersteller. Mit seiner unabhängigen Energieversorgung funktioniert er bis zu zehn Jahre ohne Gerätewartung vor Ort. Der Guard liefert die wichtigsten Informationen, um eine zuverlässige Funktion der Schutzmassnahmen zu gewährleisten. Er ist zertifiziert und zugelassen für EWR-Länder und wurde unter verschiedensten Bedingungen an verschiedenen Standorten in Europa getestet. Diese IoT Lösung soll es ermöglichen weniger bzw. bedarfsgerechte Inspektionen durchzuführen und trotzdem eine 24/ 7-Überwachung zu gewährleisten. Dies reduziert die Inspektionskosten der Verbauung und erhöht das Sicherheitsniveau für die Arbeiter in der Gefahrenzone und der Verbauung selber. Auch wird vorbeugende Instandhaltung möglich. Über die Zeit werden Ereignisse protokolliert und wichtige Rückschlüsse werden möglich durch Kombinieren von Daten, z. B. Wildwechsel (Steinschlag), Wetterdaten (Murgang) und Luftverschmutzung (Korrosion). Referenzen [1] “Internet of Things.” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 26 Apr. 2021, en.wikipedia.org/ wiki/ Internet_of_things. [2] Hofmann, H., Hörtnagl, A., Sorg, M., von Wartburg, J., 2020. Development of a digital device for monitoring and predictive maintenance of flexible steel protection systems against natural hazards. Proceedings of the 14 th Congress Interpraevent 2020. [3] ISO 9223: 2012-05 Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres - Classification, determination and estimation [4] Corrosion protection of steel by coatings and coatings 4; DIN EN ISO 12944-1 to DIN EN ISO 12944-8; 1998 Beuth