LaserBeat: Automatische Fehlererkennung bei der kontaktlosen Prüfung von Tunnelstrukturen

Problemstellung

Die Prüfung von Tunnelbauwerken – sowohl bei der Abnahme von Neubauten, als auch bei der wiederkehrenden Inspektion von Bestandsbauwerken – erfolgt aktuell hauptsächlich als Sichtprüfung kombiniert mit händischem Abklopfen der Struktur. Im Bauwesen ist das Abklopfen mittels Hammer zur akustischen Detektion verdeckter Fehler etabliert, da es schnell und intuitiv durchgeführt werden kann. Sind die Befunde aus dem Abklopfen der Struktur unklar, wird in den meisten Fällen auf die zerstörende Prüfung zurückgegriffen. Fortschrittlichere Messmittel zur Detektion innenliegender Fehlstellen werden nur vereinzelt eingesetzt. Bei Tunnelbauwerken müssen allerdings aufgrund hoher Sicherheitsanforderungen große Flächen systematisch inspiziert werden, was zu erheblichem Aufwand führt. Trotz des großen Potentials zur Digitalisierung, Automatisierung und Objektivierung dieses Prozesses konnte sich bisher keine mechanisierte Alternative durchsetzen. Zum Teil ist das auf die oft verwendeten taktilen Ansätze zurückzuführen, die einen effizienten Einsatz solcher Systeme unmöglich machen.

Zielstellung und Lösungsweg

Eine flexible und schnelle Prüfung der großen und oft unregelmäßig geformten Oberflächen eines Tunnels kann nur durch ein kontaktloses Verfahren realisiert werden. Im Projekt LaserBeat werden hierzu zwei unterschiedliche Lasertechnologien eingesetzt. Ein Pulslaser erzeugt mit kurzen und energiereichen Lichtpulsen eine lokale Erhitzung, die in einer mechanischen Anregung der Tunnelwand resultiert. In Abhängigkeit von Zusammensetzung und Aufbau verändert sich das Schwingungsverhalten der Struktur. Zur Erfassung der erzeugten Schwingungen wird ein vom Fraunhofer IPM eigens entwickeltes Laser-Doppler-Vibrometer verwendet. Dieses erfordert weder eine Refokussierung bei wechselnden Abständen noch eine Oberflächenvorbereitung, um eine ausreichende Messqualität zu erreichen.

Die sichere Erkennung von Schäden anhand der Messdaten ist der zweite Schritt bei der Realisierung eines zuverlässigen Prüfsystems. Für diese Zielstellung müssen Schäden auch bei wechselnden Bauwerken, Bauweisen, Untergründen und Umgebungsbedingungen verlässlich erkannt werden. Hierzu werden beim Fraunhofer IGP Methoden des maschinellen Lernens angewendet. Allerdings ist ein erneutes Anlernen von Schadensmerkmalen beim Wechsel der Struktur oder der Messbedingungen praxisfern. Aus diesem Grund wird das Verfahren so ausgelegt, dass es Schäden auch ohne Referenzdaten erkennen kann. Indem sowohl Merkmale der Signale als auch die Topologie der Messpunkte in die Analyse einfließen, können Schäden im Messrater als räumlich begrenzte Veränderungen identifiziert werden.

Nutzen

Die im Projekt LaserBeat entwickelten Technologien sind die Basis für ein Prüfsystem, dass den bisher erforderlichen Aufwand bei der Tunnelinspektion drastisch reduziert. Eine Automatisierung der manuellen Fehlersuche führt jedoch nicht nur zu einer Arbeits- und Zeitersparnis für die Prüfingenieure, sondern auch zu einer Objektivierung der Prüfergebnisse. Für die Betreiber der Tunnel bedeutet dies letztlich eine erhöhte Transparenz bezüglich des Gesamtzustands bei einer gleichzeitig verbesserten Verfügbarkeit ihrer Infrastrukturbauwerke.