DE19702126C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Havariemanagement in oder an Bauwerken, zum Facility-Management und zur Gebäude-Automatisierung mittels faseroptischer Sensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Havariemanagement mittels faseroptischer Sensoren gemäß Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens (DE 195 09 129 A1).

Aus der DE 36 28 083 G2 ist eine Überwachungsanordnung mit ei­ nem Lichtwellenleiter als Drucksensor bekannt, wobei der Lichtwellenleiter im Boden einer zu überwachenden Zone ange­ ordnet ist.

Der dort gezeigte Lichtwellenleiter weist Fasern auf, welche auf eine örtliche radiale Kompression durch Veränderung ihres Übertragungsverhaltens reagieren. Das Übertragungsverhalten der bekannten Lichtleitfaser wird durch ein Dämpfungsmeßgerät bestimmt, wobei die Dämpfung selbst von Mikrokrümmungen der Faser bei Druckeinwirkung herrührt.

Der bekannte Lichtwellenleiter-Sensor ist in balkenförmigen Bauteilen eingebracht, die zur Bildung von Bodenplatten paral­ lel nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind, wo­ bei jeder Balken eine Deckschicht aus einem flexiblen Material aufweist. Mittels der bekannten Überwachungsanordnung auf der Basis der Erfassung von Druckkräften auf oder im Boden kann festgestellt werden, ob z. B. Lagergut auf einer Fläche befind­ lich ist oder von dort entfernt wurde. Gegebenenfalls kann das Betreten von Räumen überprüft werden.

Aus der DE 195 09 159 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Kontrolle und Überwachung des Zustandes von Rohren, Pipelines, Behältern oder dergleichen bekannt. Dort wird die Umgebungstemperaturverteilung über Abschnitte längs und/oder um-fangsmäßig und/oder bodenbereichsnah bei den Rohren oder Behältern bestimmt. Diese Temperaturbestimmung erfolgt mit einem langgestreckten, verteilten Temperatursensor, insbesondere einem faseroptischen Sensorkabel, wobei bei festgestellter örtliche Anomalie in der Temperaturverteilung auf eine Leckage geschlossen und der Ort, die, Ausbreitungsrichtung sowie die Leckagemenge aus der Temperaturverteilung am jeweiligen Anomaliepunkt oder sich verändernden Ort der Anomalie bestimmbar ist.

Bei dem Verfahren nach DE 37 42 331 C2 wird zur Temperaturmes­ sung auf die temperaturabhängige Kopplung zwischen zwei spe­ ziellen Lichtwellenleitern zurückgegriffen. Konkret wird Licht aus einem ersten Lichtwellenleiter in einen zweiten Lichtwel­ lenleiter eingekoppelt, wobei der erste Lichtwellenleiter aus einem Glaskern und einem Mantel aus organischem Material be­ steht. Durch die spezielle Gestaltung der Lichtwellenleiter soll auch eine Tieftemperaturmessung möglich werden.

Es ist jedoch mit den bekannten Überwachungsanordnungen nicht möglich, die bei einer Havarie auftretenden vielfältigen Er­ scheinungen, insbesondere die Änderung einer Temperaturver­ teilung in einem Raum eines Gebäudes oder in mehreren Räumen zu erfassen, um Anomalien zu erkennen, sowie geeignete Maß­ nahmen zu deren Beseitigung einzuleiten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Havariemanagement in oder an Bauwerken mittels faseroptischer Sensoren anzugeben, das bzw. die es gestattet, frühzeitig Anti-Havariemaßnahmen einzuleiten, um das Entstehen von Schäden zu vermeiden bzw. die Auswirkung bereits vorhan­ dener Beeinträchtigungen zu begrenzen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig mit einem Gegenstand, wie er im Patentanspruch 1 beschrieben ist. Vorrichtungsseitig wird auf die Merkmale des Patentan­ spruches 4 verwiesen. Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale umfassen mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht primär darin, durch fa­ seroptische Sensoren, die sich integral an oder im Bauwerk be­ finden, eine laufende Messung und Bestimmung der zeitlichen Änderungen der vorhandenen linearen, flächigen oder räumlichen Temperaturfelder vorzunehmen und die primären Meßdaten, deren Meßorte zunächst nur als Entfernung auf dem faseroptischen Meßkabel vom Meßgerät gegeben sind, mit Hilfe speziell ent­ wickelter Computermodelle in ein Modellkoordinantensystem (MKS) zu überführen, das die Gebäude und das Gelände, auf dem diese stehen, als eine Hierarchie von Raumzonen beschreibt und den Verlauf der Meßkabel integriert. Die aktuellen Meßwerte werden über das rechnerinterne Modell der Bauwerke mit im Modell enthaltenen Referenzmodellen oder Bezugswerten über normale Zustände unter verschiedenen Bedingungen laufend ver­ glichen, um hieraus Anomalie- oder Havariewerte zu bestimmen.

Im Falle erkannter Anomalien oder einer Havarie erfolgt das Auslösen von Maßnahmen zur Beseitigung der Anomalie- oder Havariesituation, indem beispielsweise gefährdete Stromkreise abgeschaltet, Versorgungsleitungen geschlossen, Fluchtwege geöffnet, Havarieräume abgeschlossen u. s. w. werden. Beispiel­ haft kann bei Erkennung von Überhitzungen mittels der faser­ optischen Temperaturmessungen über eine Computer-Aided- Facility-Management (CAFM)-Lösung oder ein computerbasiertes Lagerverwaltungssystem automatisch auf gefährdete Bereiche geschlossen und Maßnahmen zur Entfernung von brennbaren oder explosiven Materialien eingeleitet werden.

Erfindungsgemäß erfolgt mittels der erhaltenen Anomalie- oder Havariewerte über ein CAFM- oder Gebäude-Automatisierungs­ system und eine Modellierung von Verkehrswegen im Gebäude eine Routen-Optimierung für die Personen-Evakuierung und eine auf den vorgegebenen, jeweiligen Havariefall abgestellte Ansteue­ rung von optischen und/oder akustischen Signalgebern, wobei die Signalgeber der Lenkung von Menschenströmen, Markierung von Fluchtwegen, Öffnen und Schließen von Sicherheitstüren oder Fluchtwegen od. dgl. dienen und die optischen und/oder akustischen Signale den zu evakuierenden Personen übermittelt werden. Gleichzeitig können erfindungsgemäß die laufend erhaltenen Temperaturfelder zur optimalen Steuerung von Lüftung und Klima eines entsprechend ausgerüsteten Gebäudes verwendet werden.

Es liegt im Sinne der Erfindung, die erfaßten linearen, flächigen oder räumlichen Temperaturfelder mit weiteren ortsaufgelösten Meßwerten zu kombinieren. Zweckmäßigerweise kann auf an sich bekannte Lichtwellenleiter-Drucksensoren zurückgegriffen werden, die im Boden bzw. in Geschoßzwischen­ decken der Gebäude verlegt sind. Auf der Basis der Druckmeß­ werte kann festgestellt werden, in welchem Gebäudeteil sich Personen und/oder Güter aufhalten, wodurch wiederum bestimmt werden kann, inwieweit bestimmte Gebäudeabschnitte bevorzugt zu evakuieren bzw. zu räumen sind.

Alle vorstehend genannten Meßwerte und Daten laufen in ein erfindungsgemäßes CAFM- und/oder Gebäude-Automatisierungs­ system ein. Dieses System dient primär der optimalen Aus­ nutzung bzw. Auslastung des Gebäudes sowohl hinsichtlich des Verwendungszweckes von Räumen oder Gebäudeabschnitten als auch des Einsatzes von Energie zur Beheizung, Beleuchtung, Lüftung und so weiter.

Die vorrichtungsseitig vorgeschlagenen faseroptischen Sensoren in Form von Lichtwellenleitern zur verteilten Temperatur­ messung sind fest in Bauwerken integriert oder fest in diesen Bauwerken angeordnet. Zusätzlich sind die faseroptischen Sensoren so verlegt, daß Veränderungen an elektrischen Lei­ tungen, die sich in Kabeltrassen befinden, frühzeitig erkannt werden können. Ebenso wird vorgeschlagen, die faseroptischen Sensoren in der Nähe von Rohrleitungen anzuordnen, die dem Transport von flüssigen oder gasförmigen Stoffen dienen.

Es hat sich gezeigt, daß erfindungsgemäß besonders vorteilhaft bei horizontal verlegten Rohrleitungen zum Transport flüssiger oder gasförmiger Medien der faseroptische Temperatursensor in einem Abstand von bis zu 20 cm unterhalb der jeweiligen Leitung in der sogenannten 6-Uhr-Stellung als gestreckter Sensor anzuordnen ist.

Bei geneigt oder vertikal verlegten Rohrleitungen kann der faseroptische Sensor spiralförmig die Leitung umgebend verlegt werden.

Vorzugsweise ist die Ummantelung des Lichtwellenleiters mit einer nicht entflammbaren, nichtbrennbaren und schwer schmelzbaren Umhüllung versehen. Durch ein geeignetes Beschichten wird der Lichtwellenleiter bis zu Temperaturen von 500°C einsatzfähig.

Die Temperaturerfassung erfolgt derart, daß an mindestens einem Ende des langgestreckten faseroptischen Sensors ein Laserimpuls eingespeist wird und daß die vom Sensor bzw. Lichtwellenleiter rückgestreute Strahlung untersucht wird. Aufgrund der gegebenen Wechselwirkungen läßt sich die Temperatur und der Ort längs des Lichtwellenleiters spektral und laufzeitabhängig auswerten, wobei die Längenkoordinaten des Lichtwellenleiters entsprechenden Temperaturwerten zugeordnet werden können. Hierdurch ist die gewünschte Erfassung von linearen, flächigen oder räumlichen Temperatur­ feldern möglich.

Beim anzuwendenden Meßverfahren wird auf die Auswertung des rückgestreuten Raman-Streulichtes eines Lichtwellenleiters zur Temperaturmessung zurückgegriffen. Diese Temperaturmessung beruht auf dem an sich bekannten DTS-Meßverfahren (Distributed Optical Fibre Temperature-Sensing), bei dem, wie vorerwähnt, das Licht eines Lasers in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Bei der Ausbreitung des Laserlichtes innerhalb des Lichtwellenleiters erfolgt eine Streuung an den Molekülen desselben, wobei die Intensität des rückgestreuten Lichtes in Abhängigkeit von der Laufzeit in vorgebenem Maße abfällt. Aufgrund der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit des emittierten Lichtes im Lichtwellenleiter kann aus dem ermit­ telten zeitlichen Verlauf die Intensität des Rückstreulichtes und der vom Licht jeweils zurückgelegte Weg bestimmt werden.

Bedingt durch die Wechselwirkungen des Laserlichtes mit optischen Phononen, d. h. Schwingungsquanten einer elastischen Deformationswelle in einem Festkörper, entsteht die Raman- Rückstreuung. Die Intensität des Raman-Rückstreulichtes ist direkt von der Temperatur am jeweiligen Ort der Entstehung des Streulichtes abhängig.

In dem Falle, wenn Laserlicht in den Lichtwellenleiter einge­ koppelt und die Intensität des Raman-Streulichtes laufzeit­ abhängig ausgewertet wird, kann die ortsabhängige Temperatur­ verteilung wie gewünscht ermittelt werden.

Mittels der vorstehend beschriebenen Erfindung ist es möglich, frühzeitig Gefahren in Gebäuden zu erkennen und/oder die ermittelten Meßwerte zur Steuerung von Klima, Luft und Kälte für ein übergeordnetes Gebäude-Management zu nutzen. Dies erfolgt durch Einsatz faseroptischer Sensoren, so daß physikalische Zustände in den entsprechenden Gebäuden oder Bauwerken laufend überwacht werden können. Neben der Tempe­ ratur können auch die Deckenlast, die Feuchte oder weitere Meßwerte Grundlage der laufenden Auswertung bilden. Durch zusätzliche Druckerfassung in Verbindung mit der Temperatur­ überwachung kann der Aufenthaltsort mindestens größerer Gruppen von Personen bestimmt werden und es können unter Berücksichtigung der jeweils momentanen klimatischen Verhält­ nisse Steuerungsaufgaben gelöst werden. Im Gefahrenfall kann mit der vorbeschriebenen Sensorik festgestellt werden, wo sich beispielsweise noch Personen befinden, die gezielt geborgen werden müssen.

Letztendlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der zugehörigen Vorrichtung unter Rückgriff auf die ermit­ telten Anomalie- oder Havariewerte ganz gezielt Fluchtwege freigegeben werden oder Rettungsmannschaften gezielt zum Einsatz kommen, wobei unter Nutzung eines CAFM- und/oder Gebäude-Automatisierungssystems eine Routen-Optimierung möglich ist.

Die vorgeschlagenen faseroptischen, verteilt angeordneten Sensoren liefern Signale, die in eine vorhandene Gebäu­ dedatenbank eingehen, so daß die entsprechenden Havariekon­ troll-, Steuerungs- und Überwachungsaufgaben wahrgenommen werden können. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des entsprechenden Verfahrens kann auch zur Erhöhung der Reaktorsicherheit oder zur Steuerung von akustischen Eigen­ schaften, z. B. eines Konzertsaales, je nach Besucheranzahl und Auslastung der Räumlichkeiten, erfolgen. Hierbei kann beispielsweise auch berücksichtigt werden, inwieweit anwesende Personen, die als Wärmequelle dienen, zu berücksichtigen sind, so daß eine Optimierung der Luft- und Klimatechnik denkbar ist. Durch Anpassung der Referenzmodelle an jeweilige Verwen­ dungs- und Nutzungssituationen kann die Genauigkeit der Erfassung einer Havarie bzw. eines anomalen Zustandes erhöht werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Verlauf einer sich ausbreitenden Temperaturanomalie zu bestimmen. Auch im Falle von Störungen einzelner Sensoren oder Sensorabschnitte kann durch das Setzen eines neuen Referenzmodells die Aussage­ fähigkeit des Verfahrens erhalten bleiben.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher beschrieben werden.

Beim Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß in einem großflächigen, mehrstöckigen Gebäude, das über eine autarke Lüftungs- und Klimatechnik verfügt, eine Vielzahl von lang­ gestreckten faseroptischen Sensoren zur verteilten Tempera­ turerfassung angeordnet ist.

Die Sensoren selbst befinden sich unter Putz verlegt in vorgegebenen Abschnitten der Gebäudewände und/oder des Bodens und der Decke. Zusätzlich sind Sensoren in Kabeltrassen ange­ ordnet und verlaufen dort parallel oder spiralförmig entlang der eigentlichen Medienstränge.

Für jeweilige Nutzung und Auslastungsfälle bzw. unter Beach­ tung unterschiedlicher klimatischer Gegebenheiten werden Temperatur-Referenzmodelle in einer Datenbank abgelegt, die Bestandteil eines rechnerinternen Modells zur Lüftungs- und Klimasteuerung sowie zum Havariemanagement des Bauwerkes sind.

An einem zentralen Gebäude-Automatisierungs- und/oder CAFM- System können laufend der Zustand, die Auslastung und der Klima- bzw. Lüftungszustand des Gebäudes bzw. der einzelnen Räume des Gebäudes überwacht werden.

Im Falle auftretender Temperaturanomalien kann der Entste­ hungsort der Anomalie und/oder die Ausbreitung der Anomalie bestimmt werden. Gleichzeitig ist rechtzeitig das Auslösen eines Alarms möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Brand­ detektoren sind Fehlalarme nahezu ausgeschlossen. Insbesondere können durch die Anordnung der Sensoren in besonders gefährdeten Kabeltrassen Entstehungsbrände leicht erkannt werden, was mit bisherigen Mitteln nicht oder lediglich zu einem zu späten Zeitpunkt möglich ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine graphische Dar­ stellung der in das Modellkoordinatensystem des Gebäudes überführten Temperaturmeßwerte unter Rückgriff auf das erwähnte Computer-Aided-Facility-Management-System. Diese Darstellung wird z. B. durch Einblenden numerischer Meßwerte in einer entsprechenden Grafik jeweils in unmittelbarer Nähe zum Meßort mit Verweis auf den Meßort vorgenommen oder es erfolgt ein Einblenden eines Symbols in der Grafik in unmittelbarer Nähe zum Meßort mit Verweis auf den Meßort. Letztendlich kann auch eine flächenhafte Darstellung der Meßwerte mittels Falschfarbenkodierung vorgenommen werden, wodurch sich in leichter Weise Zonen und ihre Gefährdung erkennen lassen.

Beim Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß die faseroptischen, langgestreckten Temperatursensoren durch weitere Sensorik ergänzt werden. Hier sind im Boden verlegte Drucksensoren, ebenfalls als Lichtwellenleiter ausgeführt, denkbar. Durch diese weitere Sensorik kann festgestellt werden, ob sich Personen und/oder gefährdete Güter in bestimmten Gebäudeabschnitten befinden.

Mit dem Erkennen einer Gefährdungssituation erfolgt zweck­ mäßigerweise selbsttätig ein Abschalten von Versorgungs­ strängen im gefährdeten Bereich, z. B. Gasleitungen oder Leitungen zur elektrischen Stromversorgung. Gleichzeitig kann beim Ausbreiten der Havarie mit Gefährdung von Personen ein optischer und/oder akustischer Alarm ausgelöst werden, der mit entsprechenden an sich bekannten Sicherheitsvorrichtungen im Gebäude zusammenwirkend einen jeweils optimalen sicheren Fluchtweg markiert. Zusätzlich können Fluchttüren geöffnet und Brandschutztüren zu gefährdeten Bereichen automatisch geschlossen werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Havariemanagement mittels faseroptischer Sensoren, umfassend die Schritte

• - laufende Messung und Bestimmung der zeitlichen Änderungen des vorhandenen linearen, flächigen oder räumlichen Temperaturfeldes;
• - rechnergestützter Vergleich der Meßwerte mit einem oder mehreren Referenzmodellen zum Ermitteln von Anomalie- oder Havariewerten mittels einer den Meßorten zugeordneten Darstellung der zeitlichen Änderungen des oder der erfaßten Temperaturfelder; und
• - Auslösen von Maßnahmen zur Beseitigung von Anomaliewerten oder zur Havariebekämpfung,

dadurch gekennzeichnet, daß für die Messungen auf in oder an Bauwerken angebrachte faseroptische Sensoren zurückgegriffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der Meßdaten und die Gewinnung der erforderlichen Informationen aus den Meßdaten über ein rechnerinternes Modell (RIM) der Bauwerke erfolgt, das u. a. die Geometrie maßstabgerecht in beliebigen Modellkoordina­ tensystemen (MKS) des Gebäudes wiedergibt und in dem insbe­ sondere der Verlauf der faseroptischen Sensorkabel reprä­ sentiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines rechnerinternen Modells, das modular aufge­ baut ist, und in dem Raumzonen (Einzelräume, Raumgruppen, Kabeltrassen, Trassenabschnitte, ganze Gebäude oder Komplexe von Gebäuden) definiert sind, eine Transformation der faser­ optischen Meßwerte unter Berücksichtigung weiterer Meßwerte über physikalische Zustände im Gebäude oder dessen unmittel­ barer Umgebung in das Modellkoordinatensystem des Gebäudes erfolgt und die nutzerorientierte Visualisierung und graphi­ sche Darstellung im Rahmen eines Computer-Aided-Facility- Management- bzw. Gebäude-Automatisierungs-Systems und die Weiterverarbeitung der Daten zu Komponenten einer intelli­ genten Steuerung und Überwachung von Gebäuden vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der erhaltenen Anomalie- oder Havariewerte eine vorgegebene, auf den jeweiligen Havariefall abgestellte Ansteuerung von optischen und/oder akustischen Signalgebern zur Lenkung von Menschenströmen, und/oder Markierung von Fluchtwegen vorgenommen wird,
weiterhin eine Ansteuerung von Sicherheitstüren und/oder Fluchtwegen zum Freigeben von Fluchtwegen und/oder Abschließen von Havarie- und Gefahrenbereichen vorgenommen wird und
daß ein Abschalten gefährdeter Stromkreise und/oder Versor­ gungsleitungen erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei horizontal verlegten Rohrleitungen zum Transport flüssiger und/oder gasförmiger Medien der eingesetzte faseroptische Temperatursensor vorzugsweise in einem Abstand von bis zu 20 cm unterhalb der jeweiligen Rohrleitung vorzugsweise in der 6-Uhr-Stellung als gestreckter Sensor angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei von der Horizontalen abweichend verlegten Rohrlei­ tungen der faseroptische Temperatursensor spiralförmig die jeweilige Leitung umgebend verlegt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung des Lichtwellenleiters nicht entflammbar, nicht brennbar und schwer schmelzbar ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter mit einer temperaturbeständigen Beschichtung versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Temperatursensor über eine an sich bekannte Kabelverbindung und/oder eine Telemetrieeinrichtung mit einer Aufzeichnungs- und Auswerteeinrichtung zum Erhalten ortsbezogener Temperaturwerte in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum faseroptischen Sensor zur verteilten Temperaturmessung faseroptische Sensoren zur Erfassung des Drucks im Boden der zu überwachenden Bereiche angeordnet sind.