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Bautechnik 84 (2007), Heft 7

Beitrag zur intelligenten Bauwerksüberwachung mit drahtlosen SensornetzwerkenMarkus KrügerChristian U. Große

Dem Bauwerksmonitoring, das heißtder fortlaufenden Überwachung vonBauwerken mittels geeigneter Tech-nologien, kommt insbesondere im Zu-sammenhang mit dem zunehmendenAlter von Bauwerken wie auch anstei-genden Anforderungen an deren Trag-fähigkeit und Dauerhaftigkeit eine im-mer größere Bedeutung zu. VisuelleBauwerksuntersuchungen,wie sie häu-fig vorgenommen werden und teilweiseauch vorgeschrieben sind, stoßen aller-dings manchmal an ihre Grenzen. Ver-einzelt besteht der Bedarf, weiterecharakteristische Bauwerksdaten mit-tels geeigneten Messsystemen zu er-fassen und auszuwerten. Zu diesenDaten gehören vor allem die Luft-und Bauteiltemperatur und -feuchteoder auch Bauteildehnungen, -ver-schiebungen und -schwingungen undweitere Kennwerte.

Problematisch bei den bisher ein-gesetzten kabelgebundenen Überwa-chungssystemen sind der hohe Zeit-aufwand bei deren Installation sowieder hohe Kostenaufwand. Daher wer-den solche Systeme zur Dauerüber-wachung meist nur selten eingesetzt.Die Verwendung von intelligenten,

drahtlosen Sensornetzwerken ermög-licht hingegen ein breiteres Anwen-dungsspektrum, da derartige Monitor-ingsysteme gegenüber konventionellenMesssystemen einfacher zu applizie-ren und deutlich kostengünstiger sind.Schädigungsprozesse wie auch dasBauwerksverhalten unter verschiede-nen Einwirkungen können mit sol-chen Systemen überwacht und analy-siert werden.

1 Einleitung

Der kontinuierlichen Überwachungvon maßgebenden Bauwerkseigen-schaften kommt insbesondere im Zu-sammenhang mit deren zunehmen-dem Alter wie auch steigenden Anfor-derungen an Tragfähigkeit und Dauer-haftigkeit eine zunehmende Bedeu-tung zu. Für die meisten Fälle reichthierfür die visuelle Inspektion aus.Allerdings haben auch verschiedeneSchadensfälle in der Vergangenheitgezeigt, dass eine rein visuelle Über-prüfung nicht immer ausreicht. Beibesonders kritischen Fällen werdendaher auch zunehmend drahtgebun-dene Monitoringsysteme installiert,

die eine Vielzahl von Messwerten auf-zeichnen [8], [18]. Zu diesen Kenn-werten gehören vor allem die Luft-und Bauteiltemperatur und -feuchtebzw. Bauteildehnungen, -verschiebun-gen und -schwingungen wie auch Ver-fahren zur Bestimmung der Korro-sionsgefährdung. Nachteilig erweistsich jedoch der hohe Kostenfaktorsolcher drahtgebundenen Monitoring-systeme, weshalb der Einsatz vondrahtlosen Sensornetzwerken für einebreitere Anwendung zweckmäßig er-scheint. Drahtlose Sensornetzwerkekönnen in Verbindung mit preisgüns-tigen Miniatursensoren die Kosten fürdie Dauerüberwachung deutlich re-duzieren, da einerseits die Komponen-ten vergleichsweise preiswert sind undzudem ein solches System schnell undeinfach zu installieren ist. So kann eindrahtloser Sensor mit MEMS-Senso-rik momentan mit Preisen zwischen100 und 400 Euro produziert werden,wobei bei entsprechender Massen-produktion die Kosten hierfür zukünf-tig eher noch fallen werden. Mit sol-chen Monitoringsystemen ermittelteKennwerte lassen schließlich genauereAussagen über die Veränderungen des

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Tragwerks und der Restlebensdauerzu. Ferner können damit auch gezieltMaßnahmen zur Instandsetzung undzum Bauwerkserhalt ergriffen werden,was langfristig Kostensenkungen ver-spricht.

2 Ziele und Aufgaben der kontinuier-lichen Bauwerksüberwachung

Die kontinuierliche Bauwerksüber-wachung erlangt in Verbindung mitder zunehmenden Verfügbarkeit vongeeigneten Systemen immer mehr Be-deutung. Vor einem Einsatz von Sys-temen zur Dauerüberwachung sindallerdings zunächst verschiedene An-wendungsszenarien zu unterscheiden.

So kann die Überwachung dermaßgebenden Bauwerkseigenschaf-ten – hier dürfte hauptsächlich dieTragfähigkeit und die Tragwerkssicher-heit im Vordergrund stehen – dieMessaufgabe bestimmen, wobei ins-besondere äußere Einwirkungen wieklimatische Einflüsse, chemische Be-anspruchungen und/oder statischeund dynamische Beanspruchungenberücksichtigt werden.

Andererseits kann die kontinuier-liche Bauwerksüberwachung auch alsbegleitende Maßnahme in Verbindungmit einem Bauwerksmanagement inErwägung gezogen werden. Die Er-gebnisse des Monitorings finden dannEingang in Methoden zur Lebens-dauerprognose oder zur differenzier-teren Instandsetzungsplanung. Hier-bei könnten auch Ergebnisse von ein-zelnen Bauwerken auf ganze Bau-werkstypen übertragen werden.

Während bei dem erstgenanntenAnwendungsfall die Kosten für die In-stallation und den Betrieb eines Mo-nitoringsystems aufgrund möglicherSicherheitsrelevanz von untergeord-neter Bedeutung sind, spielen im Hin-blick auf das Bauwerksmanagementwirtschaftliche Aspekte eine überge-ordnete Rolle.

Kontinuierliche Bauwerksüberwa-chung – Eine Bauherrenaufgabe?Sicherheitsaspekte spielen seit jeherim Bauwesen eine große Rolle, sei esdurch die Anwendung von Teilsicher-heitsbeiwerten auf der Widerstands-oder Einwirkungsseite bei der Bemes-sung oder aber bei statistischen Ab-minderungsfaktoren, wie sie häufigbei der Festlegung von Materialkenn-werten zugrunde gelegt werden. Aller-

dings ist auch zu bedenken, dass Si-cherheitsaspekte darüber hinaus auchwährend der Nutzung von Bauwer-ken Bedeutung erlangen. Eigner undBetreiber von Bauwerken haben dies-bezüglich seit jeher bestimmte Ver-antwortlichkeiten.

Insbesondere auch aufgrund derHalleneinstürze im Winter 2005/2006wurden im September 2006 von derBauministerkonferenz die „Hinweisefür die Überprüfung der Standsicher-heit von baulichen Anlagen durch denEigentümer/Verfügungsberechtigten“verabschiedet. Obgleich dies nur „Hin-weise“ sind, ergibt sich hieraus unterdem Aspekt „Stand der Technik“ eineverstärkte Verpflichtung des Betrei-bers zur kontinuierlichen Überwa-chung, welche auch aus juristischerSichtweise Bedeutung erlangt. Hierzuein Auszug aus Kapitel 5 „Weitere Hin-weise“:

„Bei der Planung von Neubautenwird empfohlen, darauf zu achten,dass die maßgebenden Bauteile für dieÜberprüfungen zugänglich und ein-sehbar sind. Die Nachrüstung von Re-visionsöffnungen kann zweckmäßigsein.

Als Frühwarnsystem zur Vermei-dung von Schäden können insbeson-dere bei baulichen Anlagen mit gro-ßen Spannweiten geeignete, verdrah-tete und drahtlose, permanent tätigeÜberwachungssysteme in Betrachtkommen. Bei der Entscheidung überden Einbau eines Überwachungs-systems sollte in jedem Fall ein Inge-nieur mit besonderer Erfahrung undmit Kenntnissen des aktuellen Standsder Technik auf diesem Gebiet zuRate gezogen werden.“

3 Restriktionen drahtloser Sensor-netzwerke

Bevor ein Einsatz drahtloser Sensor-netzwerke für die Bauwerksüberwa-chung in Erwägung gezogen wird,sollten zunächst auch Einschränkun-gen solcher Systeme berücksichtigtwerden. Eine der größten Einschrän-kungen ergibt sich aus dem Umstandder drahtlosen Kommunikation undder damit verbundenen Autarkheiteines einzelnen Sensorknotens, dasheißt der fehlenden externen Strom-versorgung. Als geeignete Stromver-sorgungen haben sich Industriebatte-rien, wiederaufladbare Batterien oderKondensatoren in Verbindung mit

Solarzellen und geeigneten Ladeelek-troniken bewährt. Verschiedentlichwerden auch weitere Ansätze zur Ener-gieversorgung erforscht, wie beispiels-weise Energiegewinnung basierendauf Bewegungsenergie. Insgesamt istjedoch die zu Verfügung stehendeEnergie bei allen autarken Systemenbeschränkt, weswegen der Strombe-darf eines Sensorknotens maßgebendden Einsatzbereich bestimmt.

Den weitaus höchsten Strom-bedarf weist bei heutigen drahtlosenSensornetzwerken die drahtlose Kom-munikation selbst auf. Daher sind ge-eignete Maßnahmen zur Minimierungder drahtlosen Kommunikation zu er-greifen.

Die Minimierung des Strombe-darfs bedingt im Allgemeinen aberauch genaue Informationen über dieMessaufgabe selbst, das heißt die not-wendige Messrate, die Wichtigkeit derzu übertragenden Messwerte und da-mit die benötigte Übertragungssicher-heit. Zu bedenken ist hier insbeson-dere, dass eine hundertprozentige Si-cherheit bei der Datenübertragungnie gewährleistet werden kann. DieÜbertragungssicherheit ist bei draht-losen Sensornetzwerken vielmehr einSteuerparameter, der maßgeblich denStrombedarf und damit die Betriebs-dauer eines drahtlosen Sensornetz-werks bestimmen kann.

Der mit dem Bauobjekt beauf-tragte Ingenieur bzw. Sachverständigeist aufgrund der vorhandenen Re-striktionen gehalten, den eigentlichenMessbedarf und die Messaufgabe zudefinieren bzw. zu optimieren. Dieshat weiterhin auch vor dem Hinter-grund Bedeutung, dass eine schlichteErfassung und Speicherung von vie-len Messdaten grundsätzlich nochkeine Bewertung des Zustandes einesBauwerkes impliziert. Es stellt sich dieFrage, inwiefern die Messwerte einenNutzen bzw. einen Mehrwert für dasBauwerk darstellen können. Es sinddaher intelligente Methoden zu im-plementieren, die diesen Mehrwertgenerieren können.

4 Technologien für die drahtloseBauwerksüberwachung

Primäre Aufgabe eines Systems zurBauwerksüberwachung ist zunächstdie Erfassung von relevanten Mess-werten wie beispielsweise Temperatur,Feuchtigkeit, Dehnungen und Span-

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nungen oder auch Verschiebungenusw. Bei drahtlosen Sensornetzwerkenwerden solch relevante Daten mittelsdrahtloser Sensorknoten (Motes) anverschiedenen Stellen des Bauwerkserfasst und dann per Funk an einenoder mehrere Zentralrechner versandt.Ein Zentralrechner, meist ein einfa-cher Industrie-PC, dient vornehmlichder Datenspeicherung und der erwei-terten Datenanalyse. Ausgestattet miteiner geeigneten Netzverbindung stelltder Zentralrechner zudem eine Kom-munikationsmöglichkeit zum Nutzerbzw. zum zuständigen Ingenieur her.

Der Sensorknoten (Mote)Neben der reinen Erfassung verschie-dener Messwerte weist ein Mote ins-besondere Funktionalitäten auf, dieauf eine Verminderung des Strombe-darfs abzielen, da bei drahtlosen Sys-temen der Strombedarf der Kompo-nenten von entscheidender Bedeu-tung für die Anwendbarkeit in derPraxis ist. Den höchsten Stromver-brauch weist in der Regel die Daten-übertragung per Funk auf, weswegendie Funkkommunikation auf ein Mini-mum zu beschränken ist. Eine Mini-mierung kann zunächst durch eineeffiziente, bereits auf dem Mote aus-geführte Datenanalyse und -reduktionerreicht werden. Ein Mote besteht da-her im Allgemeinen aus einem Mikro-prozessor mit angepasster Rechen-und Speicherkapazität, einem Funk-modul, geeigneten Signalkonditionie-rungsmodulen und A/D-Wandlern,einer adäquaten Stromquelle sowieeinem oder mehreren Sensoren(Bild 1). Alle diese Komponentensind im Hinblick auf einen geringenStromverbrauch zu wählen, wobeiinsbesondere die Unterstützung vonverschiedenen Möglichkeiten zur Re-duzierung des Stromverbrauchs er-

forderlich ist. Ein drahtloses Sensor-netzwerk unterscheidet sich damitvon üblichen Telemetriesystemen, wel-che beispielsweise in der Automobil-industrie für die reine Messdatenüber-mittlung eingesetzt werden.

Drahtlose Sensornetzwerke undentsprechende Komponenten werdenheutzutage für die verschiedenstenDisziplinen entwickelt, wobei einigedieser Systeme speziell für eine intel-ligente Dauerüberwachung von Bau-werken geeignet erscheinen [15],[14]. Allerdings sind im Bereich derNetzwerksoftware und des Stromver-brauchs sowie der Datenverlustratenoch nicht alle Probleme gelöst; des-halb wird an der Universität Stuttgartintensiv an der Weiterentwicklungvon geeigneter Hard- und Softwarefür drahtlose Sensornetzwerke gear-beitet [6], [9], [10], [21].

Sensorik und SignalkonditionierungEin entscheidender Kostenfaktor beider Messwerterfassung ist oftmals dieverwendete Sensorik bzw. die dafürbenötigten elektronischen Komponen-ten. So können beispielsweise hoch-genaue Seismometer, welche für eineModalanalyse verwendet werden, jeStück bereits 5000 Euro und mehrkosten. Derart kostspielige Sensorenfür eine Dauerüberwachung von Bau-werken einzusetzen, ist in der Regelzu teuer. Es sind daher Alternativenzu nutzen, die mit geringem finanziel-lem Aufwand eine Ermittlung von ver-wertbaren Messwerten ermöglichen,wobei die einzusetzende Sensorik mitden vorhandenen Energieressourcenso sparsam wie möglich umgehensollte.

Werden die vorhandenen Restrik-tionen beim Strombedarf berücksich-tigt, so lassen sich für drahtlose Sen-sornetzwerke eine Vielzahl konven-

tioneller Sensoren einsetzen. Eine we-sentliche Weiterentwicklung im Hin-blick auf geeignete Sensorik stellen indiesem Zusammenhang MEMS-Sen-soren (MEMS = Micro Electro Mecha-nical System) dar. MEMS sind mi-kroelektromechanische Systeme, beidenen elektrische und mechanischeKomponenten auf kleinen Chips inte-griert werden [10], [22]. Bei Massen-fertigung sind solche MEMS mit Prei-sen von wenigen Euro sehr kosten-günstig. Viele MEMS-Sensoren ver-fügen weiterhin über eine integrierteTemperaturkompensation sowie Kali-brierungsmechanismen, weshalb sichderen Anwendung recht einfach ge-staltet. Ein weiterer Vorteil ergibt sichaus der Integration der Signalkon-ditionierung auf dem Chip und derOptimierung hinsichtlich des Strom-verbrauchs. Dieser liegt bei einigenMEMS nur bei wenigen Mikro- bzw.Milliwatt.

Für Temperatur- und Feuchte-messungen sowie für diverse andereEinsatzmöglichkeiten ist bereits eineVielzahl von zweckmäßigen MEMS-Sensoren verfügbar. Auch für Schwin-gungsmessungen im niedrigen Fre-quenzbereich, beispielsweise für dieModalanalyse, sind verschiedeneMEMS-Sensoren erhältlich. Im Be-reich der Schwingungsmesstechnik fürmittlere bis hohe Frequenzen sind hin-gegen häufig nur proprietäre MEMS-Sensoren verfügbar, wie beispielsweiseSchocksensoren für die Automobil-industrie. Zudem besteht hier nochdie Problematik der nutzbaren Band-breite, der Empfindlichkeit sowie desStromverbrauchs.

Die weitere Entwicklung im Be-reich der MEMS-Sensorik wird je-doch in Zukunft preisgünstige Gerätefür zahlreiche Messaufgaben ermög-lichen.

5 Methodische Ansätze zur intelligenten,drahtlosen Bauwerksüberwachung

Eine intelligente Bauwerksüberwa-chung bedingt, sich vorher Gedankenüber die Datenerfassung, die Daten-auswertung und die zu erwartendenErgebnisse, das heißt, den möglichenNutzen zu machen (Bild 2).

Der Begriff Monitoring beschreibtdefinitionsgemäß eine quasi konti-nuierliche Erfassung relevanter Mess-werte über einen längeren Zeitraumhinweg. Zu klären ist dabei zunächst,

Bild 1. Mote, bestehend aus Prozessorboard mit konventioneller Mehrkanalsignal-konditionierung (links) und robuster Mote am Bauwerk (rechts)

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wie ein kontinuierliches Monitoringunter Berücksichtigung der beschränk-ten Hardwareressourcen mittels einerdiskreten Messwerterfassung abgebil-det werden kann. Grundsätzlich bie-ten sich für das drahtlose Monitoringzwei wesentliche Arten der Diskreti-sierung an, die ereignisbasierte Mess-werterfassung und, als Spezialfall derereignisbasierten Messwerterfassung,die zeitdiskrete Messwerterfassung.

Nach der Erfassung sind dann dieentsprechenden Messwerte zu cha-rakterisieren bzw. zu diskriminieren.Dies kann für jeden Messwert ein-zeln, oder für ganze Messserien erfol-gen. Mittels der Datenfusion könnenanschließend verschiedene Kennwertemiteinander kombiniert werden, undes wird eine Bewertung der Ergeb-nisse vorgenommen, welche dann ineiner Strukturanalyse münden kann.Aufbauend auf den Ergebnissen der-artiger Strukturanalysen werden dannmögliche Reaktionen ausgelöst (z. B.Alarmierung des Nutzers/Betreiberso. dgl.).

Zeitdiskrete BauwerksüberwachungDie zeitdiskrete Messwerterfassungstellt eine der einfachsten Methodender Dauerüberwachung dar. Bei derzeitdiskreten Messwerterfassung wirdin vorher fixierten Zeitabständen einMesswert erfasst und abgespeichert,wobei sich praktikable Messintervalleaufgrund des Strombedarfs und derDatenmenge im Bereich von Stundenbis hin zu Monaten bewegen. Werdenhierbei verschiedene Messwerte gleich-zeitig erfasst, so bezeichnet man sol-che Multisensorsysteme auch als Tele-metriesysteme. Werden die erfasstenMesswerte anschließend automatischoder zumindest teilautomatisch mitgeeigneten Verfahren analysiert, sospricht man hier hingegen auch vonintelligenten Systemen. EinfacheAnalysemethoden sind beispielsweiseGrenzwertüberschreitungen (z. B. ma-ximale Dehnungen, Durchbiegungenoder Windbeanspruchungen). Kom-plexere Methoden hingegen berück-sichtigen eine Vielzahl verschiedenerMesswerte und ermöglichen damiteine Bewertung des Zustands.

Ereignisbasierte Bauwerksüberwa-chungDie zeitdiskrete Bauwerksüberwa-chung hat jedoch auch einen gravie-renden Nachteil, nämlich dass even-tuell kritische Einwirkungen oderauch schädliche Auswirkungen nichterfasst werden, da das Sensorsystemzwischen zwei Messzeitpunkten quasitaub ist.

Diesem Problem kann man mitder ereignisbasierten Messwerterfas-sung begegnen. Ein auslösendes Er-eignis, beispielsweise die Überfahrteines bestimmten Zuges über eineBrücke, ein Erdbeben, Wind, Regenoder aber auch das Versagen einzel-ner Tragstrukturen wird hierbei zumAnlass genommen, eine Reaktion aus-zulösen. Eine ereignisbasierte Mess-werterfassung eignet sich demnachfür solche Messungen, bei denen eineVielzahl von Einzelwerten erfasst wer-den soll, die nur unter bestimmten Be-dingungen auftreten. Der Vorteil einerereignisbasierten Messwerterfassungliegt in der Staffelung sowie der Viel-falt der möglichen Reaktionen aufdas Ereignis. Diese reichen von demEinschalten von diversen Elektronik-komponenten und benachbarter Sen-sorknoten zur weiteren Messwerter-fassung über die Signalanalyse bis hinzur Sendung einer Alarmmeldung anden Nutzer.

Von Bedeutung ist hierbei, dassdas kritische Ereignis als solches vomSystem auch erkannt wird. Die Ereig-niserkennung erweist sich in diesemZusammenhang teilweise als proble-matisch, da alle stromverbrauchen-den Komponenten eines Sensorkno-tens so lange und so oft wie möglichausgeschaltet werden sollten. In Ver-bindung mit der Ereigniserkennungsind daher vorzugsweise solche Sen-soren einzusetzen, die bei einem sehrgeringen Strombedarf in der Lagesind, die maßgebenden Ereignisse zu-verlässig zu detektieren und die not-wendigen Reaktionen zu bewirken.Eine Vielzahl von am Markt verfüg-baren Sensoren scheidet aufgrunddieser Anforderungen von vornhereinfür den Einsatz bei der Bauwerks-überwachung aus. Vereinzelt sind aber

bereits auch hierfür Lösungen aufMEMS-Basis verfügbar. Als Beispielsei hier die Verwendung eines MEMS-Beschleunigungssensors genannt, wel-cher über einen flexibel programmier-baren Schwellenwert beispielsweiseeinen herannahenden Zug erkennenkann und somit Messprogramme aneiner Brücke während der Zugüber-fahrt gezielt auslösen kann. SolcheSensoren finden bei Laptops, Fest-platten oder Mobiltelefonen bereitsAnwendung. Ebenso kann eine solcheSensorik zur Erkennung von Bruch-vorgängen in Bauteilen oder ganzenKonstruktionen verwendet werden.

SensornetzwerktopologienEin drahtloses Sensornetzwerk be-steht häufig aus einer Vielzahl einzel-ner Sensorknoten, die jeweils mit ver-schiedenen Sensoren bestückt seinkönnen. Nach der Erfassung und derSignaldiskriminierung muss über einedrahtlose Funkverbindung erreichtwerden, dass die einzelnen Sensor-daten zuverlässig an den Nutzer bzw.den verantwortlichen Ingenieur über-tragen werden. Grundsätzlich kom-men für diesen drahtlosen Daten-transfer einfache Star-Topologien oderMultihop-Topologien (Bild 3) in Frage[1].

Multihop-Topologien bieten denVorteil eines geringeren Stromver-brauchs sowie geringerer Anforderun-gen an die Funktechnologie in Ver-bindung mit größeren Funkstrecken,da für die Datenübertragung durchdie Nutzung von Sensorknoten alsZwischenstation nur geringe Sende-leistungen erforderlich sind. Zudemkommuniziert ein Sensorknoten sonur mit einigen wenigen benachbar-ten Knoten, weshalb die Sendeleistungund zugleich die gegenseitige Störungbei der Funkübertragung minimiertwerden kann. Nachteilig ist allerdingsder erhöhte Aufwand bezüglich derProgrammierung und Konfigurationeines solchen Multihop-Netzwerks, dasich ein drahtloses Sensornetzwerkmöglichst selbsttätig aufbauen (adhoc-Netzwerk) und dann die Netzwerk-funktionalität über einen längerenZeitraum bereitstellen sollte.

Der Festlegung der Netzwerk-strukturen und Übertragungsregeln,dem sogenannten Routing, sowie derZeitsynchronisation ist deshalb er-höhte Aufmerksamkeit zu schenken.Für das Routing müssen Software-

Bild 2. Vorgehensweise bei der intelligenten Bauwerksüberwachung.

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metriken bereitgestellt werden, dieneben dem Stromverbrauch eine defi-nierbare Datenverlustrate berücksich-tigen, welche gerade noch akzeptabelist. Die jeweils aktuellen Netzwerk-pfade müssen kontinuierlich durchgeeignete Softwarealgorithmen über-prüft und gegebenenfalls automatischangepasst werden, ohne dass der Nut-zer hierauf aktiv reagieren muss [20],[17] und [1]. In aktuellen Entwick-lungen werden bereits erweiterte Soft-waremetriken entwickelt, die auch an-wendungsspezifische Informationenberücksichtigen und durch den Nut-zer vorher definiert werden [21]. Bei-spielsweise können Übertragungs-prioritäten für ereignisbasierte Mess-werte festgelegt werden, oder es wirderst eine gewisse Menge an Messwer-ten zwischengespeichert, zu einemPaket zusammengefasst und dann perFunk weiter übertragen.

Sollen Messwerte von verschie-denen Sensorknoten unter Verwen-dung einer gemeinsamen Zeitbasismiteinander kombiniert und analy-siert werden, so ist eine Zeitsynchro-nisation erforderlich. Eine hohe Ge-nauigkeit in der Größenordnung vonMillisekunden bis hin zu einigen Mi-krosekunden wird beispielsweise beider Detektion und Lokalisierung vonSchädigungen mittels der Schallemis-sionsanalyse oder der Untersuchungdes Tragverhaltens mit der Modalana-lyse benötigt. Derartige Genauigkei-ten sind in der Regel nur mit speziel-len Algorithmen zu erreichen, wobeider Aufwand für die Zeitsynchronisa-tion und damit der Strombedarf mitzunehmender Anzahl der Motes imNetzwerk deutlich ansteigen [2], [19]und [16].

Bei großen Sensornetzwerkenbietet es sich weiterhin an, eine Da-tenanalyse nicht nur lokal auf einemMote durchzuführen, sondern auchsogenannte Clusteranalysen vorzuneh-men, bei denen die Daten von mehre-ren benachbarten Motes analysiertwerden [13]. Dabei übernimmt einerder in einem Cluster enthaltenen Mo-tes die Datenanalyse für dieses Clus-ter und sendet danach erst die maß-gebenden Informationen an den Zen-tralrechner bzw. den Nutzer. Ein sol-ches Cluster kann sowohl statisch seinals auch erst dynamisch als Folge vonbesonderen Ereignissen erstellt wer-den.

Ein Sensorclustering bietet nebender Datenreduktion den Vorteil, dassnur die Sensorknoten aus dem be-trachteten Cluster zeitlich synchroni-siert werden müssen. Dadurch kanneine höhere Genauigkeit bei einemvergleichsweise geringen Strombedarferreicht werden, was insbesondere inAnbetracht einer Modalanalyse oderSchallemissionsanalyse von Bedeu-tung ist [16]. Aus der Kombinationvon einzelnen Messwerten ergibt sichbeim Sensorclustering jedoch nochein weiterer Vorteil. Während ein ein-zelner Messwert fehlerbehaftet seinkann und zudem meist nicht aussage-kräftig ist, bietet die Vielzahl vonMesswerten die Möglichkeit, mittelsautomatisierter Algorithmen (Daten-fusion) kritische Bauwerksveränderun-gen bereits vorab herauszufiltern undzu charakterisieren. Beispielsweise istdie Erfassung absoluter Messwerte zujedem Zeitpunkt meist nicht erforder-lich. Beachtung ist hier vielmehr denrelativen Veränderungen in Abhängig-keit weiterer Messparameter zu schen-

ken. Eine derartige Datenfusion trägtdamit maßgeblich zu einer weiterenReduktion der Datenmenge bei.

Daten- und SignalanalyseIm Gegensatz zu einfachen Teleme-triesystemen wird bei intelligentenSensornetzwerken ein Teil der Daten-analyse lokal in einem Mote durchge-führt. Zu den Aufgaben eines Motesgehört daher neben der Datenerfas-sung auch die Daten- bzw. Signalana-lyse zur Ermittlung möglicher Schädi-gungen oder Bauteilveränderungen,wobei im Hinblick auf die Stromein-sparung und die beschränkte Band-breite bei der Funkübertragung die Da-tenreduktion eine große Rolle spielt.

Die Datenanalyse und -reduktionreicht von einfachen Funktionen wieMAX, MIN, AVERAGE usw. bis hinzu komplexeren Analysen wie bei-spielsweise der Ermittlung maßgeben-der Eigenfrequenzen oder der Dämp-fung unter Berücksichtigung von ver-schiedenen äußeren Einwirkungen.Beispielsweise bietet die Modalana-lyse über längere Zeiträume hinwegdie Möglichkeit der Charakterisierungund Beurteilung des Bauwerkszustandshinsichtlich seines Tragverhaltens, wo-bei durch die Dauerüberwachung auchextreme Lastfälle berücksichtigt wer-den können.

Weitere Beispiele komplexererAnalysen sind etwa die Seilkraftbe-stimmung in Schrägseilbrücken [3]oder die Schallemissionsanalyse zurDetektion von Bruchprozessen, wel-che hohe Anforderungen an draht-lose Sensornetzwerke stellt und beidenen optimierte Analysemethodenunabdingbar sind [4], [5], [7], [12],[11]. Anwendungen liegen hier z. B.im Bereich der Erfassung und Loka-lisierung von Litzenbrüchen in Brü-ckenbauwerken.

6 Ausblick

Der Einsatz drahtloser Sensornetz-werke in Verbindung mit kosten-günstiger Sensorik wie beispielsweiseMEMS-Systemen kann gegenüber derVerwendung von drahtgebundenenMonitoringsystemen die Kosten fürdie Dauerüberwachung von Bauwer-ken deutlich senken. Ein wesentlicherVorteil ist vor allem die höhere Flexi-bilität eines kabelungebundenen Über-wachungssystems, welches sich leichtinstallieren, demontieren und an an-

Bild 3. Schema eines Multihop-Sensornetzwerks mit Clusterbildung

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derer Stelle wieder aufbauen lässt –entsprechend den sich veränderndenAnforderungen der Bauwerksüber-wachung. Vorraussetzung für denpraxistauglichen Einsatz ist neben ge-eigneter Hard- und Software die Ent-wicklung geeigneter Analyseverfahren,bei denen eine Vielzahl von charakte-ristischen Messwerten berücksichtigtund in einen Gesamtzusammenhanggesetzt werden. Vorzugsweise sindteilautomatisierte bzw. automatisierteAnalyseverfahren zu verwenden, umdie hohen Datenmengen auf die we-sentlichen Informationen zu reduzie-ren. Erst solche Informationen kön-nen Ingenieure sinnvoll bei der Beur-teilung des Tragverhaltens und derTragwerkssicherheit, der Lebensdauer-prognose und der Planung von bau-werkserhaltenden Maßnahmen nut-zen, was zukünftig zur Reduktion derUnterhaltkosten für Bauwerke führenkann. Bedingung ist allerdings, dasszunächst in solche Monitoringtech-nologien investiert wird.

DankGroße Teile der dargestellten Arbeitenwurden von der Europäischen Ge-meinschaft im Rahmen des Projektes„Sustainable Bridges“ gefördert. Da-bei wurden die Entwicklungen im Be-reich drahtloser Sensornetzwerke ins-besondere in enger Kooperation mitder EMPA in Dübendorf vorangetrie-ben (www.sustainablebridges.net).

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Bild 4. Prozesskette bei der intelligenten Bauwerksüberwachung

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Autoren dieses Beitrages:Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Markus Krüger, Dr.-Ing. Christian U. Große, Materialprüfungs-anstalt Universität Stuttgart MPA, Otto-Graf-Institut, Pfaffenwaldring 4, 70569 Stuttgart