Messtechnik zur Prüfung von Unterwasserstrukturen

Um die Sicher­heit von Off­shore-Infra­struk­turen wie Winden­ergiean­la­gen oder Öl- und Gas­förderungsan­la­gen zu gewährleis­ten, ist eine regelmäßige Inspek­tion und Wartung uner­lässlich. Die Arbeit­en unter Wass­er sind jedoch nicht nur aufwendig und teuer, son­dern bergen auch erhe­bliche Risiken für die Tauchen­den, die sie durch­führen. Fer­nges­teuerte Unter­wasser­fahrzeuge (ROVs) wer­den schon heute einge­set­zt, um den Zus­tand mar­itimer Anla­gen zu überwachen. Der Trend geht jedoch hin zu Sys­te­men, die als soge­nan­nte Sub­sea-Res­i­dent-AUVs über lange Zeiträume im Wass­er verbleiben, dort mith­il­fe von Meth­o­d­en der Kün­stlichen Intel­li­genz (KI) autonom operieren und zugle­ich im Bedarfs­fall fer­nges­teuert wer­den können.
 
Ein wichtiger Schritt in diese Rich­tung ist einem Kon­sor­tium führen­der Unternehmen und Forschung­sein­rich­tun­gen aus den Bere­ichen IT, Robotik, Antrieb­stech­nik und Off­shore unter Leitung des Robot­ics Inno­va­tion Cen­ter am Deutschen Forschungszen­trum für Kün­stliche Intel­li­genz (DFKI) im Pro­jekt Mare-IT gelun­gen. Zum Pro­jek­tab­schluss präsen­tierten die Part­ner, zu denen außer­dem die DFKI-Forschungs­bere­iche Kog­ni­tive Assis­ten­zsys­teme und Einge­bet­tete Intel­li­genz sowie die Wit­ten­stein cyber motor, SAP und die Rosen Tech­nol­o­gy and Research Cen­ter gehören, eine ganzheitliche Lösung. Diese umfasst ein neuar­tiges Zweiarm-AUV, das sowohl autonom als auch fer­nges­teuert operieren kann und dank zwei inte­gri­ert­er Manip­u­la­toren für Wartungsar­beit­en und Repara­turen an Unter­wasser­struk­turen ein­set­zbar ist. Darüber hin­aus stellen die Part­ner eine leis­tungs­fähige IT-Infra­struk­tur bere­it, die nicht nur die intu­itive Steuerung und Überwachung des Robot­ers unter Wass­er ermöglicht. Sie gewährleis­tet auch den rei­bungslosen bidi­rek­tionalen Infor­ma­tions­fluss mit den Anla­gen­be­treiben­den und erlaubt die Ein­bindung in beste­hende Geschäftsprozesse.
 
Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirch­n­er, Leit­er des DFKI Robot­ics Inno­va­tion Cen­ter: „Mit Mare-IT kon­nten wir ein­mal mehr zeigen, dass sich die Entwick­lung autonomer Robot­er für kom­plexe Unter­wasser­an­wen­dun­gen nicht ohne den Ein­satz von Meth­o­d­en des maschinellen Ler­nens und der Kün­stlichen Intel­li­genz denken lässt. Unsere Forschung stellt einen wichti­gen Baustein dar, um die Vision prax­is­tauglich­er AUVs in der Off­shore-Indus­trie Wirk­lichkeit wer­den zu lassen. Wir freuen uns, dass wir das Pro­jekt auch dank der sehr guten Zusam­me­nar­beit mit unseren starken Part­nern trotz der erschw­erten Bedin­gun­gen durch die Coro­na-Pan­demie erfol­gre­ich abschließen konnten.“
 
Das DFKI Robot­ics Inno­va­tion Cen­ter hat in Mare-IT erfol­gre­ich das AUV „Cut­tle­fish“ als ein frei in der Wasser­säule posi­tion­ier­bares Inter­ven­tions-AUV ent­wor­fen und aufge­baut. Das inno­v­a­tive AUV ver­fügt über zwei an der Bauch­seite ange­brachte, tief­see­taugliche Greif­sys­teme, mit denen es Objek­te unter Wass­er manip­ulieren kann. Dabei ist es dank seines speziellen Designs sowie der KI-basierten Steuerung und Regelung in der Lage, den Schw­er­punkt und Auftrieb während eines Tauch­gangs zu verän­dern und beliebige Ori­en­tierun­gen einzunehmen und sta­bil zu hal­ten. Neben dem vol­lau­tonomen Ein­satz kann das Fahrzeug mit­tels ein­er Glas­fas­er in einem hybri­den Modus betrieben wer­den, der das Ein­greifen durch den Men­schen erlaubt, etwa bei kri­tis­chen Oper­a­tio­nen an Unter­wasser­struk­turen. Dafür ist das AUV mit ein­er Vielzahl von Sen­soren zur Umge­bungswahrnehmung aus­ges­tat­tet, zum Beispiel Sonarsen­soren, Kam­eras, Laser­scan­ner und Mag­ne­tome­ter. Um die große Menge an Sen­sor­dat­en effek­tiv ver­ar­beit­en zu kön­nen, erar­beit­eten die Forschen­den ein spezielles Architek­turkonzept, dass die dezen­trale Analyse von Daten­strö­men direkt an Bord des Robot­ers ermöglicht. Auch die Umset­zung der Mis­sion­s­pla­nung zur Durch­führung von Inspek­tions- oder Wartungsaufträ­gen ver­ant­worteten die Bre­mer Forschen­den. Darüber hin­aus entwick­el­ten sie eine ein­heitliche Schnittstelle, die den bidi­rek­tionalen Date­naus­tausch zwis­chen AUV, Leit­stand und geschäftsin­tern­er Infra­struk­tur ermöglicht.
 
Virtueller Co-Pilot zur intu­itiv­en Teleoperation
Ein am DFKI-Forschungs­bere­ich Kog­ni­tive Assis­ten­zsys­teme entwick­el­ter virtueller Copi­lot unter­stützt das men­schliche Per­son­al im Leit­stand bei durchzuführen­den Tele­op­er­a­tionsauf­gaben. Dafür ist es mit ein­er Microsoft HoloLens aus­ges­tat­tet, die entwed­er in Kom­bi­na­tion mit dem Leit­stand oder auch als leicht­gewichtiges sep­a­rates Inter­ak­tion­s­medi­um, zum Beispiel an Bord eines Schiffs, einge­set­zt wer­den kann. Dank ein­er holo­grafis­chen 3D-Darstel­lung auf dem Dis­play ist die operierende Per­son jed­erzeit über den aktuellen Zus­tand des AUVs und der Unter­wasser­struk­tur informiert. Per natür­lich­er Sprach­in­ter­ak­tion kön­nen Sen­sor­in­for­ma­tio­nen und Mess­werte einge­blendet und War­nun­gen kon­fig­uri­ert wer­den. Zudem lassen sich das AUV und dessen Kam­eras über Sprach­be­fehle steuern und in Kom­bi­na­tion mit Eye-Track­ing Infor­ma­tio­nen zu Ele­menten der Infra­struk­tur abrufen, auf welche die Per­son ger­ade schaut. Dabei ist es möglich, eigene Sprach­be­griffe während der Mis­sion zu definieren und als Alias, zum Beispiel für Kam­era- oder Andock­po­si­tio­nen, zu verwenden.
 
Als Ergänzung zu den inno­v­a­tiv­en Inter­ak­tion­stech­nolo­gien hat der DFKI-Forschungs­bere­ich Einge­bet­tete Intel­li­genz in Mare-IT eine Weban­wen­dung erar­beit­et, die es erlaubt, das AUV über mobile Endgeräte wie Smart­phones oder Tablets zu steuern und Para­me­tere­in­stel­lun­gen vorzunehmen. Zudem unter­sucht­en die Forschen­den die Ein­satzmöglichkeit­en von kün­stlichen, oszil­lieren­den Mag­net­feldern für die Lokalisierung des Unterwasserroboters.
 
Robuste Thruster-Antriebe mit intel­li­gen­ter Steuerung
Die Wit­ten­stein cyber motor entwick­elte und pro­duzierte die hochro­busten Thruster-Antriebe für die Fort­be­we­gung des AUVs. Diese ver­fü­gen über einen Schub von bis zu 500 New­ton, sind geschützt gegen See­wass­er und eignen sich für Wasser­tiefen bis 6000 Meter. Bei der Her­stel­lung, bei der spezielle Ver­gusstech­nolo­gien zum Ein­satz kamen, wurde auf die Ver­wen­dung flüs­siger Füll­stoffe verzichtet, um chemis­che Gefahren für die Umwelt abzuwen­den. Die zu den Antrieben gehören­den Ser­voum­richter bein­hal­ten eine speziell auf den Thruster-Motor abges­timmte sen­sor­lose Regelung, die eine genaue, hoch­dy­namis­che Drehzahlregelung über den gesamten Drehzahlbere­ich bis hin zum Still­stand in bei­de Drehrich­tun­gen ermöglicht. Das AUV ist mit acht der­ar­ti­gen Thruster-Antrieben aus­ges­tat­tet, die im Gesamtver­bund hoch­präzise Bewe­gun­gen ermöglichen, wie sie für das Andock­en an Unter­wasser­struk­turen erforder­lich sind. Die hier­für erforder­liche Echtzeit-Kom­mu­nika­tion erfol­gt inner­halb des AUVs mit­tels EtherNet/IP.
 
Inte­gra­tion des AUVs in die IT-Infra­struk­tur und Interoperabilität
SAP unter­suchte in Mare-IT in welch­er Form und unter welchen Bedin­gun­gen autonome Sys­teme wie AUVs in IT-Infra­struk­turen wie Cloud-Sys­teme einge­bun­den wer­den kön­nen. Dafür wurde eine her­stellerun­ab­hängige Inte­gra­tion dig­i­taler Zwill­inge in betrieb­swirtschaftliche Anwen­dun­gen durch Aus­prä­gung der Ver­wal­tungss­chale, ein­er zen­tralen Kom­po­nente der Ref­eren­zar­chitek­tur Indus­trie 4.0, real­isiert. Die Ver­wal­tungss­chale stellt die Inter­op­er­abil­ität über Lösun­gen beliebiger Her­steller sich­er. Sie reduziert Inte­gra­tionskosten und ‑aufwände, ins­beson­dere wenn mehrere Organ­i­sa­tio­nen auf Dat­en dig­i­taler Zwill­inge zugreifen sollen. SAP prägte die Ver­wal­tungss­chale pro­to­typ­isch für geplante und unge­plante Wartung­sprozesse aus, etwa für das Iso­la­tionsven­til ein­er Unter­wasser­struk­tur. Die Cloud-Anwen­dung SAP Intel­li­gent Asset Man­age­ment kann nun eine solche Wartung über die Ver­wal­tungss­chale des Iso­la­tionsven­tils anstoßen und den Aus­führungssta­tus durch den Unter­wasser­ro­bot­er zurück­er­hal­ten. Dank der Ver­wal­tungss­chale kön­nen beliebige weit­ere Sys­teme ander­er Parteien ohne großen Inte­gra­tionsaufwand dazu genom­men oder durch andere erset­zt werden.
 
Prü­fung der Unterwasserstrukturen
Die Rosen Gruppe, der glob­al führende Anbi­eter von Integritäts­man­age­ment-Lösun­gen für Großin­dus­triean­la­gen der Energiewirtschaft, entwick­elte im Pro­jekt vier unter­schiedliche Messtech­nolo­gien für AUVs, um den Zus­tand ver­schieden­er Unter­seestruk­turen zu über­prüfen: Mag­net­feld­sen­soren zur Detek­tion von fer­ro­mag­netis­chen Struk­turen, Sen­soren zur Mes­sung elek­trisch­er Felder von Kath­o­den­schutzan­la­gen sowie Ultra­schall- und Wirbel­strom­sen­soren zur Mes­sung lokaler Wand­stärken mit Hil­fe der Manip­u­la­toren am AUV. Zusät­zlich wurde eine Kom­mu­nika­tions­bo­je entwick­elt, die eine Datenüber­tra­gung vom Robot­er durch die Wasser­säule an den zen­tralen Leit­stand sich­er­stellt. Rosen hat erfol­gre­ich alle vier Messtech­nolo­gien für den Ein­satz am AUV fer­tig gestellt und liefert somit einen wichti­gen Beitrag für autonome Unter­wasser­an­wen­dun­gen von kom­plex­en Sensorsystemen.