All-In-One Sensor Validatietest - Eindrapport

Transcriptie

1 Industry Siemens AG, I CS VS CMR, Werner-von-Siemens-Str. 65, Erlangen Naam Bernhard Lang Afdeling I CS VS CMR Stichting IJKdijk Telefoon bernhard.lang@siemens.com Onze referentie BL Datum November 30, 2012 All-In-One Sensor Validatietest - Eindrapport Den Haag, München, 30 november 2012 Auteurs: Bernhard Lang Coen Speckens Rene Joubert Ilya Mokhov Hubert Kraut Arnaud Duchemin Frank Klöckner

2 Inhoudsopgave 1 Samenvatting Inleiding Rol van Siemens bij de dijkdoorbraakexperimenten Vereisten voor dit rapport Feitenrapport Beschrijving van de experimenten West Dijk Oost Dijk Zuid Dijk Project-tijdlijn van Siemens Het Siemens-systeem Grafische gebruikersinterface Navigatiepaneel Dijkoverzicht Doorsnede-weergave Berekende waarden (voorspellingen) Projectfase Twitter Weerstation Webcams en sensorbeeldmateriaal Sensorfilter Statusoverzicht Grafieken Grafieklegenda Visualisering van sensorwaarden in de dijkdoorbraakexperimenten Analyse Analyse van sensorwaarden, bijv. van Alert Solution, Koenders, Landustrie, StabiAlert Voorspelling door middel van Finite Element Models (eindig element modellen) Anomalie detectie strategieën Clustergebaseerde anomalie detectie Modellering met behulp van de transfer functie voor anomalie detectie Samenwerking van component Kunstmatige Intelligentie en Virtueel Model Datavoorbereiding Oost en West Dijken Zuid Dijk Anomaliedetectie Toepassing van datagebaseerde methodes voor analyse van experimenten Inleiding West Dijk Oost dijk Zuid Dijk Conclusies voor datagebaseerde methode voor anomalie detectie Toegevoegde Waarde van voorspellingen Literatuur Bijlagen Bijlage 1: Resultaten van Finite Element Modeling WinCC OA Eigenschappen HR Wallingford Inleiding Geotechnische parameters Doorlatendheid Afschuifsterkte Slappe klei Veengrond Zand Stijfheid Dichtheid RELIABLE-voorspelling voor klasse A Waterpeil in reservoir onder kernkruin... 7 AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 2 van 128

3 3.1.1 Modelinstellingen Resultaten Waterpeil in reservoir boven kernkruin Modelinstellingen Resultaten RELIABLE-voorspelling voor klasse B Waterpeil in reservoir boven kernkruin Modelinstellingen Resultaten HR Breach - klasse B voorspelling Run Initiële modelinstellingen Resultaten Run Modelinstellingen Resultaten Run Modelinstellingen Resultaten Run Modelinstellingen Resultaten Run Modelinstellingen Resultaten Run Modelinstellingen Resultaten Doorbraakverloopgrafieken Bijlagen AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 3 van 128

4 Figurenlijst Figuur 1: Stroomschema met gegevens in AIO-sensorvalidatietest (bron Deltares)... 8 Figuur 2: West Dijk profiel Figuur 3: Alert Solution Sensoren - West Dijk Figuur 4: Gebeurtenissen voor waterhoogte Figuur 5: Gebeurtenissen voor waterspanning Figuur 6: Tijdlijn van gebeurtenissen bij West Dijk Figuur 7: Diverse vlaggen zijn al geïnstalleerd (11:57 (NL) 25.08) Figuur 8: Scheurvorming op de dijk - 21:09 (NL) Figuur 9: Begin van de breuk bij West Dijk 05:31 (NL) Figuur 10: West Dijk na breuk - 06:44 (NL) Figuur 11: Oost Dijk profiel Figuur 12: Alert Solution Sensoren - Oost Dijk Figuur 13: Gebeurtenissen voor waterhoogte Figuur 14: Tijdlijn van de gebeurtenissen voor Oost Dijk Figuur 15: Start van lekkage 15:17 (NL) Figuur 16: Uitvergrote versie van Figuur Figuur 17: Scheuren op de kruin van Oost Dijk - 10:10 (NL) Figuur 18: Oost Dijk na breuk - 10:44 (NL) Figuur 19: Profiel van Zuid Dijk geselecteerde sensorposities Figuur 20: Alert Solution Sensoren - Zuid Dijk (west) Figuur 21: Alert Solution Sensoren - Zuid Dijk (oost) Figuur 22: Gebeurtenissen voor schommelende inclinatiecoördinaten voor Zuid Dijk Figuur 23: Tijdlijn van de gebeurtenissen voor Zuid Dijk Figuur 24: Zuid Dijk - 14:28 (NL) Figuur 25: Zuid dijk, begin van breuk 14:29 (NL) Figuur 26: Zuid dijk voortzetting breuk 14:30 (NL) Figuur 27: Zuid dijk na breuk 14:34 (NL) Figuur 28: Zuid dijk Breuklocatie 14:36 (NL) Figuur 29: Zuid dijk 15:00 (NL) Figuur 30: Siemens stroomschema gegevens Figuur 31: WinCC OA startscherm bij 1e monitor Figuur 32: WinCC OA weergave linker monitor Figuur 33: WinCC OA weergave project trends (rechter monitor) Figuur 34: Navigatiepaneel Figuur 35: Dijkoverzicht Figuur 36: Sensor metingen Figuur 37: Sensortype weergave Figuur 38: Tabelweergave Figuur 39: Berekening Figuur 40: Twitterbox Figuur 41: Weerstation Figuur 42: Webcam en geïntegreerde online visualisering van sensorleverancier Meta-Sensing Figuur 43: Sensorfilter Figuur 44: Statusoverzicht Figuur 45: Alarmconfiguratie Figuur 46: Grafieken Figuur 47: Grafieklegenda Figuur 48: Tabbladen Figuur 49: Voorspelling van faalmechanisme piping Figure 50: Virtuele sensoren Figuur 51: Virtuele sensoren en AS Figuur 52: Virtuele sensoren en AS218, 220, Figuur 53: Verplaatsing in de virtuele sensoren Figuur 54: Oost dijk: vergelijking van virtuele en echte sensoren AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 4 van 128

5 Figuur 55: West dijk: vergelijking van virtuele en echte sensoren Figuur 56: Zuid dijk: vergelijking van virtuele en echte sensoren Figuur 57: Oost dijk: virtuele sensor AS 218 (blauw) en echte AlertSolutions sensor AS 218 (groen) Figuur 58: virtuele sensor - waterhoogte (blauw) en echte Deltares sensor (groen) Figuur 59: Oost dijk: X-as waterspanning na luchtdruk substractie, Y-as hoogte Figuur 60: Toepassing kunstmatige intelligentie bij Oost Dijk: a) en b) Figuur 61: Vergelijking waterspanning a) en b) Figuur 62: Resultaten van anomaliedetectie met behulp van lineair model (simulatie/voorspelling) Figuur 63: Vergelijking tijdreeks a) en b) Figuur 64: a) b) en c) Figuur 65: a) b) en c) Figuur 66: Bovenste: AlertSolutions inclinatiesensor (GB-AG-3) [graden] Figuur 67: a) b) en c) Figuur 68: Bovenste: StabiAlert inclinatiesensor Figuur 69: a) b) en c) Figure 70: Waterdruk in set 1 aan virtuele sensoren Figure 71: Waterdruk in set 2 aan virtuele sensoren AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 5 van 128

6 Tabellenlijst Tabel 1: Experimentlogboek voor West Dijk Tabel 2: Experimentlogboek voor Oost Dijk Tabel 3: Experimentlogboek voor Zuid Dijk Tabel 4: Lijst met sensorleveranciers die deelnamen aan IJKdijk experimenten Tabel 5: Dijkdoorbraakvoorspellingen voor West Dijk Tabel 6: Dijkdoorbraakvoorspellingen voor Oost Dijk Tabel 7: Dijkdoorbraakvoorspellingen voor Zuid Dijk AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 6 van 128

7 1 Samenvatting Vanuit het gezichtspunt van Siemens, zijn dit de belangrijkste conclusies van de dijkdoorbraakexperimenten in augustus/september 2012 in Booneschans. Aangezien de stappen van het experiment vooraf goed waren gedefinieerd, was een wiskundige modellering van het dijkgedrag voor al deze volgende stappen en ten slotte van de faalmechanismen in de dijk een zeer bruikbare strategie om te voorspellen wat er zal of zou kunnen gebeuren en op welk moment. De door sensoren verstrekte informatie werd gebruikt om deze wiskundige modellen te verbeteren. Diverse sensoren waren in staat kritieke afwijkingen van een "normale status" vroegtijdig aan te tonen, evenals nog kritiekere afwijkingen vlak voor de dijkdoorbraken. Intelligente methodes om sensorwaarden te vergelijken met andere sensorwaarden (echte en virtuele), methodes voor systeemidentificatie, en kunstmatige intelligentie respectievelijk non-lineaire statistieken hebben hun waarde bewezen voor het genereren van vroege alarmmeldingen. Kunstmatige intelligentie respectievelijk non-lineaire statistieken kunnen hun volledige potentie aantonen in andere scenario's voor dijkdoorbraakvoorspellingen die afwijken van de verstrekte condities van de dijkdoorbraakexperimenten, b.v. onderscheiden van typische schommelingen van sensorwaarden door seizoensgebonden en/of weersinvloeden van kritieke afwijkingen, het vinden van de locaties van de meest kritische afwijkingen bij een langere dijk waar de secties elkaar totaal niet beïnvloeden. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 7 van 128

8 2 Inleiding 2.1 Rol van Siemens bij de dijkdoorbraakexperimenten Diverse dijkfaaltests zijn verricht te Booneschans, Nederland, binnen het IJKdijk-programma: 2 piping-experimenten (augustus 2012) en 1 macro-stabiliteitstest (september 2012). Siemens neemt deel aan het IJKdijk Consortium en heeft bijgedragen aan de experimenten bij de West Dijk in augustus 2012 Oost Dijk in augustus 2012 Zuid Dijk begin september 2012 Figuur 1: Stroomschema met gegevens in AIO-sensorvalidatietest (bron Deltares) AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 8 van 128

9 Siemens heeft bijgedragen aan de volgende functieblokken: Understandable data: Samen werken aan begrijpelijke sensorwaarden, met desbetreffende sensorleveranciers. Artificial Intelligence module: Ontwikkeling en toepassing van de component Kunstmatige Intelligentie, voor online anomaliedetectie (tijdens de experimenten). Interpretation/analysis: Deze taak vereist offline analyse van verzamelde metingen tijdens en na de experimenten. Visualization of data: Doel van visualisering is ondersteuning van operators in de online gegevensanalyse. Warning/Alarmsystem: Dit subsysteem moet online data verwerken en alarmmeldingen geven. Detailled report 2.2 Vereisten voor dit rapport Stichting IJKdijk heeft om de volgende opbouw gevraagd: A) Feitenrapport Dit rapport bevat de beschrijving van het experiment vanuit het gezichtspunt van het sensor- of visualiseringsysteem (prestatie van sensoren, bijzondere gebeurtenissen). Naast grafieken, moeten er metingen en visualiseringen worden gepresenteerd. Analyses van metingen zijn ondergebracht bij deel B. B) Analyses Analyses en een omschrijving van eigen metingen en visualisering (bijv. wat gebeurt er in de dijk, welke faalmechanismen zijn zichtbaar). C) Toegevoegde Waarde van voorspellingen Gedurende de experimenten heeft Stichting IJKdijk al voorspellingen en gewijzigde voorspellingen ontvangen. Deze zullen in deze fase worden gevalideerd. In dit deel worden deelnemers gevraagd om een samenvatting van ingediende voorspellingen, waarbij wordt aangegeven in hoeverre voortschrijdende inzichten op basis van metingen hebben bijgedragen (of niet!!) aan de juistheid van de voorspelling. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 9 van 128

10 3 Feitenrapport 3.1 Beschrijving van de experimenten Het logboek voor het experiment is gebaseerd op het officiële logboek van de organisatoren. Dit logboek is aangevuld door gebruik te maken van echte sensormetingen. Sommige tijden van gebeurtenissen in het logboek zijn gewijzigd. Een paar gebeurtenissen op basis van sensorwaarden zijn toegevoegd. Voor dit doel zijn sensormetingen van twee verschillende deelnemers toegevoegd: Deltares: hoogtesensoren (voor waterhoogte); Landustrie: waterspanningsmeters. Dit experimentenlogboek is gebruikt als basis voor de volgende figuren: Tijdlijn van de gebeurtenissen; Relatie tussen sensorgegevens en gebeurtenissen. In dit rapport maken wij onderscheid tussen de drie experimenten op basis van hun locatie (West Dijk, Oost Dijk, Zuid Dijk) West Dijk Dijk en sensorposities in een notendop De AutoCAD-tekeningen verstrekt door de organisatoren van het experiment geven een compleet overzicht van de dijkconstructie, sensorsystemen en hun posities. Voor dit rapport geven wij een uittreksel van deze algemene informatie voor de West Dijk. Figuur 2: West Dijk profiel AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 10 van 128

11 Figuur 3: Alert Solution Sensoren - West Dijk Gebeurtenissen De volgende sensormetingen zijn geraadpleegd: Deltares hoogtesensoren zijn gebruikt om daadwerkelijke gebeurtenissen te verkrijgen voor de watertoename met corresponderende datum en tijd, zie Figuur 4: Waterhoogte binnenbassin, sensor-id: Waterhoogte buitenbassin, sensor-id: Landustrie waterspanningsmeters, zie Figuur 5: PT01: weergave gebeurtenissen bovenste DMC afvoersysteem, Sensor-ID: PT02: weergave gebeurtenissen onderste DMC afvoersysteem, Sensor-ID: AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 11 van 128

12 4 3, ,5 Waterhoogte in Waterhoogte uit meter 2 1,5 1 0,5 0 12: : :00-23 datum 12: :00-25 Figuur 4: Gebeurtenissen voor waterhoogte De nieuwe gebeurtenissen zijn genummerd in Figuur 4 en hebben betrekking op kolom id van Tabel PT01 PT02 mbar : : : : : : : : : :00-26 date Figuur 5: Gebeurtenissen voor waterspanning AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 12 van 128

13 Voor de West Dijk is het experimentlogboek beschreven in Tabel 1. id Datum, tijd Omschrijving 1 21-aug :12:18 Toename in waterniveau, waarde: aug :32:18 Toename in waterniveau, waarde: 0, aug :46:18 Toename in waterniveau, waarde: 0, aug :52:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :04:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :12:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :52:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :28:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :18:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :52:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :03:24 Bovenste DMC-buis wordt binnen een uur geopend aug :56:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :00:26 Onderste DMC-buis wordt binnen een uur geopend aug :32:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :14:18 Toename in waterniveau, waarde: 1, aug :38:18 Onderste DMC-buis is geopend, waarde: 9, aug :10:18 Onderste DMC-buis is geopend, waarde: 9, aug :28:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :26:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :20:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :46:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :44:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :18:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :16:52 Bovenste DMC-buis wordt op dit moment een beetje verder geopend aug :47:56 Onderste DMC-buis wordt op dit moment een beetje verder geopend aug :34:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :09:30 Onderste DMC-buis wordt op dit moment een beetje verder geopend aug :36:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :41:10 Onderste DMC-buis wordt op dit moment een beetje verder geopend aug :50:06 Bovenste DMC-buis wordt op dit moment een beetje verder geopend aug :50:03 Bovenste DMC-buis wordt op dit moment een beetje verder geopend aug :12:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :36:18 Bovenste DMC-buis is geopend, waarde: 3, aug :54:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :00:00 Onderste DMC-buis wordt gesloten om uur plaatselijke tijd aug :32:18 Onderste DMC-buis is geopend, waarde: 3, aug :43:13 Bovenste DMC-buis zal nu worden gesloten aug :20:18 Toename in waterniveau, waarde: 3, aug :34:18 Toename in waterniveau, waarde: 2, aug :22:18 Toename in waterniveau, waarde: 3, aug :58:18 Afname in waterniveau, waarde: 0, aug :16:56 Totaal falen van de West Dijk AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 13 van 128

14 Sensorwaarde invoer van het officiële logboek Toename/afname in waterniveau Bovenste DMC-buis is geopend onderste DMC-buis is geopend Bovenste/onderste DMC-buis is gesloten overige gebeurtenissen Tabel 1: Experimentlogboek voor West Dijk De verkregen tijdlijn-logs van de gebeurtenissen worden automatisch verwerkt. De resulterende tijdlijn voor de gebeurtenissen staat in de volgende figuur. toename_in_water_niveau aug :00:00 23-aug :00:00 24-aug :00:00 25-aug :00:00 DMC_bovenste_open aug :48:00 25-aug :00:00 25-aug :12:00 DMC_onderste_open aug :36:00 25-aug :48:00 26-aug :00:00 DMC_bovenste_dicht aug :00:00 25-aug :00:00 DMC_onderste_dicht aug :00:00 25-aug :00:00 overige_gebeurtenissen Falen van de dijk 25-aug :00:00 26-aug :00:00 Figuur 6: Tijdlijn van gebeurtenissen bij West Dijk AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 14 van 128

15 Foto's tijdens het experiment Figuur 7: Diverse vlaggen zijn al geïnstalleerd (11:57 (NL) 25.08) Figuur 8: Scheurvorming op de dijk - 21:09 (NL) AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 15 van 128

17 3.1.2 Oost Dijk Dijkconstructie en sensorposities in een notendop De AutoCAD-tekeningen verstrekt door de organisatoren van het experiment geven een compleet overzicht van de dijkconstructie, sensorsystemen en hun posities. Voor dit rapport geven wij een uittreksel van deze algemene informatie voor de Oost Dijk. Figuur 11: Oost Dijk profiel Figuur 12: Alert Solution Sensoren - Oost Dijk AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 17 van 128

18 Gebeurtenissen Het officiële logboek van de gebeurtenissen leek enkele onzekerheden te bevatten inzake het tijdstip van de gebeurtenissen. Teneinde de daadwerkelijke datum en tijd van gebeurtenissen te verkrijgen, werd de sensor voor het meten van de waterhoogte geraadpleegd. De volgende sensormetingen zijn geraadpleegd: Deltares hoogtesensoren zijn gebruikt om daadwerkelijke gebeurtenissen voor watertoename te verkrijgen met corresponderende datum en tijd, zie Figuur 4: Waterhoogte binnenbassin, Sensor-ID: Waterhoogte buitenbassin, Sensor-ID: meter Waterheight in Waterheight out : : : : : :00-27 date Figuur 13: Gebeurtenissen voor waterhoogte AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 18 van 128

19 Voor de Oost Dijk is het experimentlogboek beschreven in Tabel 2 id Datum, tijd Omschrijving 1 21-aug :22:18 Toename in waterniveau, verschil: 0, aug :44:18 Toename in waterniveau, verschil: 0, aug :04:18 Toename in waterniveau, verschil: 0, aug :08:18 Toename in waterniveau, verschil: 1, aug :14:18 Toename in waterniveau, verschil: 1, aug :26:18 Toename in waterniveau, waarde: 1,3400 De eerste put is ontdekt bij de stroomafwaartse dijkteen van de Oost Dijk. De locatie ziet u in de webcam-foto's: deze wordt aangegeven met een blauw teken met een nummer 1 erop. Later worden nieuwe putten op een vergelijkbare manier aangegeven, zonder nadere aankondigingen op dit kanaal. Zodra een put zand gaat produceren, d.w.z. een daadwerkelijk teken dat piping plaatsvindt, 7 23-aug :16:00 wordt het teken rood aug :14:18 Toename in waterniveau, verschil: 1, aug :54:18 Toename in waterniveau, verschil: 1, aug :08:18 Toename in waterniveau, verschil: 1, aug :20:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :50:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :32:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :36:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :08:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :04:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :04:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :12:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :02:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :00:18 Toename in waterniveau, verschil: 2, aug :04:18 Toename in waterniveau, verschil: 2,8700 Door het falen van de West Dijk, stroomde er water in het bassin aan de stroomafwaartse zijde van de Oost Dijk. Wij zijn nu bezig dit aug :45:09 water weg te pompen aug :04:18 Toename in waterniveau, verschil: 3, aug :04:18 Toename in waterniveau, verschil: 3, aug :36:18 Toename in waterniveau, verschil: 3, aug :03:49 Falen van de Oost Dijk Sensorwaarde invoer van het officiële logboek Aangepaste invoer van het officiële logboek toename in waterniveau overige gebeurtenissen Tabel 2: Experimentlogboek voor Oost Dijk AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 19 van 128

20 De verkregen tijdlijn-logs van de gebeurtenissen worden automatisch verwerkt. De resulterende tijdlijn voor de gebeurtenissen staat in de volgende figuur. increase_in_water_level Aug :00:00 25-Aug :00:00 27-Aug :00:00 other_events The first well at the downstream toe. Failure of the dike Aug :00:00 25-Aug :00:00 27-Aug :00:00 Due to the failure of the West dike water flowed into the basin at the downstream site of the East dike. We are now pumping this water away. Figuur 14: Tijdlijn van de gebeurtenissen voor Oost Dijk Foto's tijdens het experiment Figuur 15: Start van lekkage 15:17 (NL) AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 20 van 128

23 3.1.3 Zuid Dijk Dijkconstructie en sensorposities in een notendop De AutoCAD-tekeningen verstrekt door de organisatoren van het experiment geven een compleet overzicht van de dijkconstructie, sensorsystemen en hun posities. Voor dit rapport geven wij een uittreksel van deze algemene informatie voor de Zuid Dijk. Figuur 19: Profiel van Zuid Dijk geselecteerde sensorposities AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 23 van 128

25 Gebeurtenissen De volgende sensormetingen zijn geraadpleegd: AlertSolutions inclinatiesensoren zijn gebruikt om de uitgravingsgebeurtenissen te verkrijgen. In de onderstaande figuur ziet u de vierkantswortel van de som aan kwadraten van de inclinatiecoördinaten tilt, degree GB-AG1 GB-AG2 GB-AG3 GB-AG4 GB-AG5 GB-AG6 GB-AG : : : : : : : :00-07 date Figuur 22: Gebeurtenissen voor schommelende inclinatiecoördinaten voor Zuid Dijk (wortel uit het gemiddelde van kwadraten). Verkregen tijd-logs zijn opgenomen in het gecombineerde tijdlijn-logboek, zie onderstaande tabel. Als gevolg, is voor de Zuid Dijk het gecombineerde logboek van gebeurtenissen als volgt: id Datum, tijd Omschrijving Om 12:30 (3 september) beginnen we met de eerste fase, het 1 03-sep :30:00 opvullen van de zandkern van de dijk 16:00 nog steeds vullen van de zandkern met water. Inmiddels zijn we begonnen met het opvullen van het bassin bij de buitenste helling 2 03-sep :00:01 van de testdijk 3 03-sep :40:00 waarde 0, sep :00:01 Gestopt met vullen van zandkern en bassin om ongeveer 01:00 uur sep :20:00 waarde 0, sep :00:01 waarde 0, sep :45:00 waarde 0, sep :35:00 waarde 0,11166 Om 11:00 plaatselijke tijd beginnen we met uitgraving van 1 meter sep :23:00 fase 3 van de test. Begonnen om 11:23 aan oostzijde van de testdijk sep :25:00 waarde 0, sep :10:00 waarde 0, sep :30:00 Fase 3 is voltooid om 16:30 plaatselijke tijd, met één verschil t.o.v. de tekeningen: de uitgraving begint bij 1,5m vanaf de dijkteen, in plaats van 1,0m. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 25 van 128

26 13 04-sep :25:00 waarde 1, sep :25:00 waarde 0, sep :30:00 waarde 0,22672 Om 10 uur in de ochtend willen we naar fase 5 gaan. In eerste instantie slechts 0,5m uitgraving, waarbij een bodembreedte van 4m sep :00:01 wordt aangehouden sep :30:00 Om 11:30 plaatselijke tijd was de uitgraving van 0,5m voltooid. Het filterniveau van de waterspanningsmeter in het bassin is NAP 1,26 m. Het filterniveau van de waterspanningsmeter in de uitgraving sep :19:56 is nu NAP -2,66 m sep :40:00 waarde 0,70846 Om 15 uur plaatselijke tijd wordt de volgende 0,5m uitgegraven, tot een totale graafdiepte van 2,0m. Nog steeds bij een bodembreedte sep :00:01 van slechts 4m. Om 16:45 plaatselijke tijd was de uitgraving voor vandaag voltooid: Fase 5 met een totale graafdiepte van 2m en een bodembreedte van sep :45:00 slechts 4m. Wij moesten de waterspanningsmeter in de uitgraving vervangen. Het filterniveau van de waterspanningsmeter in de uitgraving is nu sep :19:13 NAP -3,15 m sep :40:00 waarde 0, sep :40:00 waarde 1, sep :20: sep :50:00 Wij hebben een interventie verricht om 7:20. Wij zijn weer begonnen met het opvullen van de zandkern (langzaam, niet geforceerd) Om 7:50 (plaatselijke tijd) hebben wij de waterstroom naar de zandkern een beetje geopend, vergelijkbaar met de kleine stappen die we hebben genomen op de eerste dag van de test. Ook weer begonnen met opvullen van bassin. Wij proberen nu de sep :01:13 zandkern op te vullen tot een hoogte van 0,25m boven de dijkteen. Vervolgens proberen wij een interventie te verrichten met de DMCbuis sep :02: sep :10:12 Weer gestopt met vullen van de zandkern sep :15:00 waarde 1, sep :16:00 Om 8:16 was het DMC systeem geactiveerd. Om 10:00 (plaatselijke tijd) is het vullen van de zandkern met water sep :00:01 weer hervat. Om 12:00 tussen de middag, wordt de DMC geactiveerd - nu sep :00:01 daadwerkelijk? sep :45:00 DMC is nog steeds actief sep :45:00 Vullen van de zandkern is gestopt om 15:45 plaatselijke tijd. Om 17:00 uur beginnen we met het vullen van de containers met sep :00:01 0,25 meter water sep :00:01 Om 17:00 is DMC-buis gesloten sep :00:01 Om 23:00 uur beginnen we met het vullen van de containers met 0,25 m water tot een hoogte van 0,50 m water Om 5:00 beginnen we met het vullen van de containers met 0,25 m sep :00:01 water tot een hoogte van 0,75 m water sep :30:00 waarde 6, sep :00:01 Om 8 uur beginnen we met het vullen van de containers met 0,25 m water (tot een hoogte van 1,00 m) AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 26 van 128

27 42 07-sep :30:00 Om 9:30 wordt het vullen van de zandkern met water hervat. Om 9:30 wordt het DMC-systeem weer geactiveerd (in sep :31:00 afvoermodus). Vanaf 15:30 tot 16:00, is de doorstroom in de DMC-buis verhoogd tot sep :30:00 20 % (was, en is nu 10%) Om 17 uur plaatselijke tijd zullen we het niveau in de containers verhogen van 1,00m naar 1,25m. Ondertussen gaan we door met het sep :00:01 vullen van de zandkern sep :00:01 19:00 DMC-buis ook gesloten sep :00:01 19:00 uur, stoppen met vullen van de kern sep :01:00 19:00 uur de klep is gesloten sep :30:00 Om 00:30 plaatselijke tijd zullen we het niveau in de containers verhogen van 1,25m naar 1,50m. Om 4:00 wordt het vullen van de zandkern met water hervat. Het sep :00:01 waterniveau in de containers is nu 1,5 meter sep :00:01 Om 8 uur gaan we al het water uit de uitgraving pompen sep :30:00 Om 9:30 gaan we container 2,3,4 en 5 opvullen tot 1,75 m Om 14 uur vullen we de zandkern niet meer langzaam, maar gaan sep :00:01 wij hem vullen door middel van geforceerd pompen sep :30:00 om 14:30 faalde de dijk invoer van het officiële logboek aangepaste invoer van het officiële logboek Sensorwaarde toename in waterniveau verandering in inclinatiesensor Bovenste DMC-buis is geopend onderste DMC-buis is geopend Bovenste/onderste DMC-buis is gesloten overige gebeurtenissen Tabel 3: Experimentlogboek voor Zuid Dijk AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 27 van 128

28 De verkregen tijdlijn-logs van de gebeurtenissen worden automatisch verwerkt. De resulterende tijdlijn voor de gebeurtenissen staat in de volgende figuur inclination Sep :00:00 05-Sep :00:00 06-Sep :00:00 07-Sep :00:00 increase_in_water_level Sep :00:00 06-Sep :00:00 08-Sep :00:00 DMC_open Sep :36:00 07-Sep :24:00 DMC_close Sep :00: other_events Sep :00:00 05-Sep :00:00 07-Sep :00:00 08-Sep :00:00 Figuur 23: Tijdlijn van de gebeurtenissen voor Zuid Dijk AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 28 van 128

29 Foto's tijdens het experiment Foto's van de zuid dijk: Figuur 24: Zuid Dijk - 14:28 (NL) 8.09 Figuur 25: Zuid dijk, begin van breuk 14:29 (NL) AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 29 van 128

33 Figuur 29: Zuid dijk 15:00 (NL) Project-tijdlijn van Siemens De werkelijke tijdlijn wijkt iets af van de geplande tijdlijn: Start project in Karlsruhe: On-site containerinstallatie, incl. voeding: On-site systeeminstallatie: On-site integratie, incl. verbindingstest met AnySense: Bezoekersdag #1: Bezoekersdag #2: Bezoekersdag #3: Aanpassing voor overgang van experiment Oost/West Dijk experiment naar experiment Zuid Dijk: Bezoekersdag #4: Bezoekersdag #5: Directiedag: Verwijderen Siemens-systeem en Siemens-container: Download van enkele aanvullende sensorwaarden die niet beschikbaar waren gedurende experimenten: Engelstalig versie gereed Indiening eindrapport: AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 33 van 128

34 3.3 Het Siemens-systeem Figuur 30: Siemens stroomschema gegevens Siemens heeft op locatie een container met eigen voeding geplaatst. Het hele systeem werkt op een server met virtuele machines. Aanvullend was er een backup-server beschikbaar voor redundantiedoeleinden. Systeem Systeem was online van maandag 13 augustus tot 10 september 2012 onderbrekingen: Woensdag 15 augustus van 9 uur tot 16 uur vanwege vreemde inlogpogingen (geïdentificeerd Trojanincident) WinCC OA AnySense Driver was online vanaf 22 augustus TNO Sensor-gegevens waren beschikbaar van: Oost-west: 30 juli :15 tot 27 augustus :30 Zuid: 27 augustus tot 8 september :15 WinCC Open Architecture (OA) wordt gebruikt als platform voor het Siemens Dijk Monitoring Systeem. WinCC OA is een SCADA systeem voor grootschalige automatiseringstoepassingen, met name voor gedistribueerde systemen, bijv. infrastructuren. Enkele voorbeelden zijn de Delfland-applicatie voor waterhoogtebeheer, het verspreide SCADA-systeem voor het Gasunie gasnetwerk in Nederland, and CERN in Genève / Zwitserland. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 34 van 128

35 Geïnstalleerde basis van WinCC OA is ongeveer 5000 installaties. Siemens biedt WinCC OA aan klanten, als de klant een flexibelere en meer open platform wil hebben in vergelijking tot het algemener gebruikte "klassieke" WinCC SCADA systeem. SIMATIC WinCC Open Architecture maakt deel uit van het SIMATIC HMI assortiment en is ontworpen voor gebruik in applicaties die een hoge mate van client-specifieke aanpasbaarheid vergen, grote en/of complexe applicaties en projecten die specifieke systeemvereisten en functies eisen. De effectiviteit van SIMATIC WinCC Open Architecture komt met name naar voren in het geval van genetwerkte en redundante hoogwaardige besturingssystemen. Continue, hoge-prestatie communicatie wordt gegarandeerd, van veldniveau naar regelcentrum, van de machine naar het hoofdkantoor van het bedrijf. Ongeacht de situatie, SIMATIC WinCC Open Architecture is gebruiksvriendelijk en hoge beschikbaarheid, betrouwbare informatie en snelle interactie zijn gegarandeerd. Applicatiewijzigingen kunnen ook worden gemaakt zonder dat er processen hoeven te worden onderbroken, wat betekent dat rendabiliteit, efficiëntie en veiligheid altijd in balans zijn. SIMATIC WinCC Open Architecture heeft zijn betrouwbaarheid bewezen in een groot aantal bedrijfskritieke applicaties. Hoogtepunten van SIMATIC WinCC Open Architecture zijn o.a.: Objectoriëntatie maakt efficiency in engineering en flexibele systeemuitbreidingen mogelijk Tot en met 2048 servers op gedistribueerde systemen Opschaalbaar tot genetwerkte redundante hoogwaardige systemen met meer dan 10 miljoen tags Platformonafhankelijk en beschikbaar voor Windows, Linux en Solaris Hot-Standby Redundancy en Disaster Herstelsysteem garandeert de hoogste betrouwbaarheid en beschikbaarheid Platform voor op maat gemaakte oplossingen Omvattende reeks drivers voor connectiviteit: XML, OPC, TCP/IP, Modbus, IEC /104, DNP3 Dit systeem bevat diverse voorzieningen voor visualisering bij beheerstations of tablet-pc's, hantering van waarschuwingen en alarmmeldingen, web-clients, geautomatiseerde rapportage, etc. WinCC Open Architecture (OA) wordt gebruikt als platform voor het Siemens Dijk Monitoring Systeem. WinCC OA kan om de 100 milliseconden gegevens navragen. Voor meer details over de kenmerken van WinCC OA, zie hoofdstuk 7.2 AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 35 van 128

36 3.4 Grafische gebruikersinterface Het WinCC OA project biedt displayfunctionaliteit, bevat configuraties voor filtermechanisme, navigatie en online trendvisualisering voor operators (HMI). HMI biedt visualisering over twee monitors in de TNOcontainer. Figuur 31 toont de start-/home-schermen van de 1e monitor na opstarten van het WinCC OA-project. Figuur 31: WinCC OA startscherm bij 1e monitor AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 36 van 128

37 Figuur 32 toont het hoofdscherm van de linker monitor met: Integratie van Google maps Twitter-visualisering met betrekking tot de experimentfase Webcam-beelden Visualisering van sensor informatie zoals foto s, diagrammen etc. geleverd door andere bedrijven Dijkoverzicht Dijkdoorsnede-weergave Voorspellingsschema's Alarm event window Figuur 32: WinCC OA weergave linker monitor AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 37 van 128

38 Figuur 33 toont online configureerbare trendvisualiseringen, waarbij ook een boomweergave met alarmindicatie is voorzien. Figuur 33: WinCC OA weergave project trends (rechter monitor) De HMI bestaat uit aanvullende schermen, bijvoorbeeld: scherm met alarmmeldingen diagnosescherm (met WinCC OA processen) online hulp uitvoering van vooraf gedefinieerde presentatie Navigatiepaneel Figuur 34: Navigatiepaneel Het navigatiepaneel bestaat uit de volgende knoppen: Event Screen Opent een gebeurtenissenscherm waarin huidige en historische gebeurtenissen worden getoond (alarmmeldingen, waarschuwingen). Configuration Panel Opent het configuratiemenu System Overview Toont een overzicht van alle lopende processen van het project Help Opent de standaard WinCC OA hulpfunctie Execute File Voert een bestand uit dat is gedefinieerd in het configuratiebestand. Meestal kunt u een presentatie, video of pdf starten. Close Sluit of restart de gebruikersinterface. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 38 van 128

39 3.4.2 Dijkoverzicht Het dijkoverzicht toont een vereenvoudigde weergave van het experiment. Alle dijken zijn onderverdeeld in delen. Ieder deel heeft een signaallamp, die kan zijn (grijs = geen KPI's) => niet gebruikt voor demonstratiedoeleinden groen = Betrouwbaarheidswaarde is beter dan of gelijk aan 90% geel = Betrouwbaarheidswaarde is beter dan of gelijk aan 50% rood = Anders Ieder deel kan meer dan één toegewezen betrouwbaarheidswaarde hebben. In dit geval wordt de KPI getoond die past bij de gekozen filtercriteria (eigenaar en type meting) in het navigatiepaneel. Voor de complete dijk is er een algehele signaallamp die verbonden is met de berekende veiligheidsfactor van de voorspellingsbestanden. De waarde, de tekst en de kleur is gehaald uit de voorspellingsbestanden (csv). De verheven delen in de figuur zijn geselecteerd, waardoor de bijbehorende dijkdoorsnede wordt gevisualiseerd. Er kunnen twee doorsnedes tegelijk naast elkaar worden gevisuliseerd. Figuur 35: Dijkoverzicht AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 39 van 128

40 3.4.3 Doorsnede-weergave Voor ieder deel zijn er drie soorten detailweergaven mogelijk. Eindrapport AIO-SVT Figuur 36: Sensor metingen Figuur 37: Sensortype weergave AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 40 van 128

42 3.4.4 Berekende waarden (voorspellingen) Eindrapport AIO-SVT Berekende (of voorspelde) waarden worden in het volgende paneel weergegeven. De waarden en beelden zijn uit de mappen voor uitwisseling gehaald. De weergave toont altijd de berekeningen voor de actueel geselecteerde experimentfase. De geselecteerde fase kan worden gewijzigd door op de label van de fase te klikken (bijv. in de onderstaande afbeelding moet u klikken op 13 Fase Verder vullen van de zandkern. Figuur 39: Berekening Projectfase Twitter Aan de linkerzijde van de eerste monitor is een klein Twitter-vak weergegeven, welke automatisch wordt geactualiseerd met de nieuwste berichten uit het experiment. Als de gebruiker dubbelklikt op het kleine Twitter-vak, wordt het grote Twitter-vak geopend. Figuur 40: Twitterbox AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 42 van 128

43 3.4.6 Weerstation Het weerstation verstrekt verschillende weergaven voor metingen met betrekking tot vochtigheid, temperatuur, schittering, wind en regenval. Figuur 41: Weerstation Webcams en sensorbeeldmateriaal In de hoofdweergave, aan de linkerzijde, vindt u een overzicht van alle actieve webcams en sensorgevens die in beeldformaat zijn aangeleverd.. Door op de titel van een van de mini-afbeeldingen te klikken, wordt de webcamviewer geopend. Hier kunt u door alle opgeslagen beelden bladeren en desgewenst verslepen naar de andere monitor om naast specifieke grafieken de gebeurtenissen op een tijdstip te vergelijken AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 43 van 128

44 Figuur 42: Webcam en geïntegreerde online visualisering van sensorleverancier Meta-Sensing Sensorfilter De sensor in de tabel en de doorsnede-weergaven kunnen worden gefilterd met de meerkeuzemenu's in het navigatiepaneel. Figuur 43: Sensorfilter AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 44 van 128

45 3.4.9 Statusoverzicht Het statusoverzicht toont alle sensoren van de dijken drie keer, in een boomstructuur en op drie verschillende manieren gegroepeerd: Logische groepen: Secties, Basisgroepen en Basissensoren Eigenaarsgroepen: Sensoraanbieders: Fysieke groepen: bijv., FlowRate, Declination Front, Declination Side, etc. Figuur 44: Statusoverzicht Binnen Expert-modus (zie Figuur 45) maakt WinCC OA het mogelijk drempels te configureren voor elk datapunt. Een datapunt kan staan voor Een sensorwaarde Een virtuele sensorwaarde Een betrouwbaarheidswaarde of een WinCC OA interne variabele, bijv. buffer overstroom, connectiviteit etc. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 45 van 128

46 Deze alarmfunctie is een handig kenmerk voor individuele sensoren en met name voor de betrouwbaarheidswaarden van kunstmatige intelligentie. Hij kan ook worden gebruikt wanneer sensorleveranciers relevante drempels verstrekken voor hun systemen en de betekenissen ervan. Er kunnen ook instructies worden verstrekt of andere gebeurtenissen worden opgeroepen. (zie hoofdstuk 7.2). In deel wordt de detectie van anomalieën beschreven. Op basis van de berekeningsresultaten van de betrouwbaarheidswaarde, zie figuur 59 en 60b) is er een alarm geïdentificeerd op 24-aug :06:18 en 25 aug :06:18 met een drempelwaarde ingesteld op 0,8. Parallel hieraan wordt er een andere methode voor de detectie van anomalieën weergegeven in fig 60 a) waarin een echte en een virtuele sensorwaarde wordt getoond. Op basis van het verschil tussen deze waarden, kunnen er gemakkelijk alarmmeldingen worden gegenereerd. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 46 van 128

47 Figuur 45: Alarmconfiguratie Voor iedere meting kan er een alarmconfiguratie worden toegewezen. Indien deze alarmconfiguratie een alarm activeert, heeft de Sensor een rode stip in het statusoverzicht en ook alle bovenliggende knooppunten. Als een knooppunt geen geactiveerd alarm heeft voor zichzelf of zijn onderliggende knooppunten, dan heeft hij een groene stip. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 47 van 128

48 Grafieken Door middel van slepen en loslaten van sensoren vanuit de dijkdoorsnedeweergave of statusweergave (boomstructuur) kunnen trends worden gecombineerd met andere sensortrends. De verticale schaal is onafhankelijk manipuleerbaar en u kunt zo trends binnen de grafiek verschuiven, vergroten, verkleinen om tot een goed vergelijk te kunnen komen. Door middel van het scroll-wiel op de muis kan een samengestelde grafiek worden vergroot of verkleind. U kunt ook een window selecteren over een gedeelte van de grafiek om deze te vergroten. Wanneer niet en window maar een punt geselecteerd wordt, worden in een seperaat window alle sensor waarden weergeven op het geselecteerde tijdstip. De grafieken zijn georganiseerd in tabbladen. Iedere grafiek heeft een titel (klik op de grijze balk boven de grafiek om hem te wijzigen) en ieder tabblad heeft een naam. Figuur 46: Grafieken Grafieklegenda Figuur 47: Grafieklegenda De grafieklegenda toont een omschrijving, de huidige waarde en de eenheid voor iedere weergegeven meting. Door het vakje in de kolom Show te selecteren/deselecteren, kan er een trend worden geactiveerd en gedeactiveerd in de trendweergave. De kleuren in de Show -kolommen tonen de kleur van de trends. Door op de eerste en tweede datum te klikken, kan het tijdbereik worden gewijzigd. Als de optie Shifting Time Range is geselecteerd, wordt iedere nieuwe meting toegevoegd aan de trendweergave en wordt de tijdframe overeenkomstig verplaatst. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 48 van 128

49 Tabbladen Per tabblad worden er 4 grafieken weergegeven. U kunt de naam van een tabblad wijzigen door op de knop "Rename Tab" te klikken. Door middel van New Tab en Remove Tab kunt u tabbladen toevoegen en verwijderen. Figuur 48: Tabbladen 3.5 Visualisering van sensorwaarden in de dijkdoorbraakexperimenten Siemens verzamelde alle beschikbare sensorinformatie via de AnySense database. Tabel 4 geeft een overzicht van alle sensorleveranciers die van plan waren om deel te nemen aan de experimenten. Sommige sensorleveranciers waren geen lid van het consortium voor de dijkdoorbraakexperimenten en maakten geen deel uit van de groep officiële samenwerkingspartners. Om die reden konden de sensorwaarden van deze leveranciers niet worden gevonden in AnySense. De sensoren van Deltares dienen als referentiesensoren, zodat Siemens hier geen gebruik van kon maken tijdens de experimenten. Een juiste en betekenisvolle visualisering van sensorwaarden vereiste een fundamenteel begrip van de sensorwaarden: Exacte positie van sensor; Uitleg van fysieke waarden die moeten worden gemeten en gerelateerd bereik aan waarden en eenheden; Nauwkeurigheid van meetapparatuur (bijv. +- 1%); Impliciete signaalverwerking van ruwe data, zodat er een waarde wordt gevisualiseerd die onmiddellijk kan worden begrepen door op het scherm te kijken; Potentiële kalibrering van ruwe data; Dataopmaak (scalar, vector, bitmap, etc.); Datasnelheid (belangrijk voor online analyse van tijdreeksen) De kolom Type of measurements geeft aan of de metingen geschikt zijn voor online analyse (online data) of voor offline analyse (online/offline data). Het Siemens-systeem WinCC OA visualiseerde alle data die in de AnySense database zaten en waar Siemens toegang toe had. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 49 van 128

50 Sensordeelnemer Oost West Zuid Alert Solutions X X X ++ DMC (Landustrie sensoren) X X X + Deltares X X X + EMPEC X X X Intech X X X - ITC X + Koenders X X X - StabiAlert X - TenCate/Inventec X X - Weerstation Rensselaer Polytechnic Institute (New York) Colorado School of Mines Nanjing Hydraulic Research Institute National Chiao Tung University, inbreng Communicatie / Samenwerking - Verzoek is niet gestuurd Verzoek is niet gestuurd Verzoek is niet gestuurd Verzoek is niet gestuurd Soort metingen Online / in-situ Online / in-situ Online / in-situ Offline / remote Offline / remote Offline / remote Online / in-situ Online / in-situ Online / in-situ Online / remote Beschikbaar voor Siemens voor oost / west / zuid opmaak Ja/Ja/Ja tijdreeks Ja/Ja/Ja tijdreeks Nee/Nee/Nee tijdreeks Ja/Ja/Ja JPEGafbeeldingen Ja/Ja/Ja JPEGafbeeldingen Ja/-/- JPEGafbeeldingen Ja/Ja/Ja tijdreeks - /- /Ja tijdreeks Na experiment / - / na experiment onbekend Ja/Ja/Ja tijdreeks Tabel 4: Lijst met sensorleveranciers die deelnamen aan IJKdijk experimenten AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 50 van 128

51 4 Analyse Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee benaderingen voor de analyse van sensorwaarden: Interactieve analyse, bijvoorbeeld met krachtige visualiseringhulpmiddelen en hulpmiddelen voor wiskundige modellering Geautomatiseerde analyse, bijvoorbeeld met online signaalverwerking, hulpmiddelen op basis van kunstmatige intelligentie, en geautomatiseerde alarmmeldingen Siemens richtte zich op Finite Element Models (eindige elementen modellen) voor de berekeningen van de dijkstabiliteit en diverse intelligente methodes voor geautomatiseerde alarmmeldingen. Webcams, reeksen infraroodfoto's, etc. konden ook worden gevisualiseerd in WinCC OA, maar er werd vooral ingezet op methodes voor online analyse. 4.1 Analyse van sensorwaarden, bijv. van Alert Solution, Koenders, Landustrie, StabiAlert Het analyseren van sensorwaarden begint met werken aan het begrijpen ervan, zie functieblok understandable data in Figuur 1 en meer in detail de criteria genoemd in paragraaf 3.5. Communicatie/Coöperatie weergegeven in de speciale kolom in Tabel 4 Tabel 4 toont de bereidheid van sensorleveranciers om samen te werken. - betekent dat er geen reactie was of ten minste één reactie was gegeven, + betekent dat tenminste een deel van de gevraagde informatie is verstrekt, ++ betekent dat de sensorleverancier de gevraagde informatie volledig heeft verstrekt. Dit is geen evaluatie wat betreft de kwaliteit van de sensor. Vereisten t.a.v. sensormetingen die geschikt zijn voor verdere verwerking met gegevensgebaseerde methodes van SIemens zijn als volgt: online stream van numerieke gegevens (tijdreeks). Dit betekent dat video streams en afbeeldingen (EMPECH en Intech) niet geschikt zijn voor gegevensverwerking. Weerstation is alleen praktisch in geval van langdurige experimenten met sterk veranderende weersomstandigheden. Voor kortdurende tijdreeksanalyse is dit type data niet praktisch. ITC is gerelateerd aan off line data uitsluitend geleverd in JPEG-opmaak, dat is waarom deze data niet zijn gebruikt voor online en offline gegevensanalyse. Analyse van Tabel 4 geeft aan dat alleen metingen van AlertSolutions, Koenders, Deltares, StabiAlert, Landustrie en TenCate geschikt zijn voor gegevensanalyse. Deltares gaf metingen van waterniveau in het bassin (zgn. Water In -metingen) en waterniveau in de sloot nabij de geteste helling ( Water Uit ) voor Oost/West-experiment, waterniveau in de containers voor Zuid Dijk experiment. Overige Deltares-metingen (van waterspanningsmeters, SAAF inclinometers en overige apparatuur) waren niet in de planning om te worden gedeeld tot na afloop van het experiment en validering van alle verzamelde metingen. Ten Cate-metingen zijn na het experiment geïmporteerd. Om deze reden zijn ze niet in dit rapport meegenomen. Koenders heeft geen informatie verstrekt met betrekking tot gegevensverwerking. Dat is de reden waarom de grootste nadruk van dit rapport ligt op analyses van sensoren van AlertSolutions, StabiAlert en Landustrie. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 51 van 128

52 4.2 Voorspelling door middel van Finite Element Models (eindig element modellen) Samenvatting Gedurende het project werden de virtuele modellen van de natuurlijke dijk gecreëerd. Een virtueel model (eindig element model) wordt gecreëerd met behulp van speciale finite element engineering-software die wordt gekozen vanuit het probleem (geotechnisch of anders). Tijdens het project gebruikten wij Plaxis-software. Een virtueel model houdt ook rekening met verschillende kenmerken van geometrie, belasting, materiaaleigenschappen, etc. Aangezien de in beschouwing genomen gronddijken bij het onderzoekspunt lange objecten zijn, was het mogelijk 2-D modellen te gebruiken waarmee de kenmerkende doorsnede van het object wordt beschreven. Voor virtuele (finite element) modellen van Oost, West en Zuid Dijken, zijn 2-D elementen met 15-knooppunten gebruikt. Het Oost-West model heeft ongeveer graden vrijheid en het Zuid model heeft ongeveer graden vrijheid. Tijdens het natuurlijke experiment, werd de bestudering van de toestand van de dijk uitgevoerd met behulp van sensoren die geïnstalleerd waren in het dijklichaam. Om een vergelijking te maken tussen gegevens uit het natuurlijke experiment en de numerieke gegevens werden er GeoBeads waterspanningsmeters (van Alert Solutions) gebruikt. Zo lang de exacte dieptepositionering van GeoBeads sensoren niet was verstrekt in de beschrijving van het natuurlijke experiment, werden er twee sets virtuele sensoren overwogen. Virtuele sensoren zijn knooppunten van een virtueel model die op dezelfde plaatsen zijn geplaatst als natuurlijke sensoren. Tijdens het werk aan het Project werden de volgende soorten finite-element analyses uitgevoerd: - Analyse van waterspanningsveld wat plaatsvindt terwijl water het Zandlichaam infiltreert van Oost-West dijk tijdens het begin en verdere ontwikkeling van faalmechanisme piping; - Analyse van de vectorgrootheid van de verplaatsing die plaatsvindt tijdens het begin en verdere ontwikkeling van faalmechanisme afschuiving in Zuid Dijk. Ook is er een beoordeling van de veiligheidsfactor van de gronddijk uitgevoerd voor diverse soorten natuurlijke experimenten. Het werk is gebaseerd op: - Documenten en tekeningen geleverd door Deltares; - Finite-element methode en finite-element software PLAXIS, welke gericht is op het bestuderen van grondgedrag. Twee mogelijke experimentvarianten (gepland en werkelijk) werden overwogen in de controleberekeningen. Oost-West Dijk Voorspelling voor begin van faalmechanisme piping vond plaats in nauwe samenwerking met HR Wallingford, gebaseerd op de resultaten van het numerieke experiment. In Figuur 1 kun je de afhankelijkheid zien tussen waterniveau aan de noordzijde van de helling (horizontale as) en mogelijkheid van falen (verticale as). De grafiek voor de voorspellingsanalyse is gemaakt door HR Wallingford op basis van door Siemens CT RUS verstrekte data m.b.t. tot de distributie van waterspanning. Zoals de voorspellingsanalyse liet zien, moesten de eerste tekenen van faalmechanisme piping worden waargenomen wanneer het waterniveau aan de noordzijde van de dijk het niveau 1,75 m bereikte. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 52 van 128

53 Figuur 49: Voorspelling van faalmechanisme piping Tijdens het natuurlijke experiment werden de eerste tekenen van faalmechanisme piping waargenomen bij een waterniveau van 1,6m. Het verschil tussen voorspelde en werkelijke waarden is ongeveer 8%. Een dergelijke hoge nauwkeurigheid bewijst dat de gekozen methode goed is om dit soort taken op te lossen en veel potentie heeft om verder te worden ontwikkeld. Resultaten van het virtuele experiment (= gesimuleerd experiment) werden ook gebruikt om risicovolle afwijkingen van waterspanning vast te stellen tijdens het natuurlijke experiment (= werkelijk experiment). De methode waarbij deze data werden gebruikt is ontwikkeld en verbeterd gedurende het experiment. De resultaten van dit werk ziet u in figuur 2, 3. Er is gezien dat de curven die staan voor waterspanning in virtuele en echte sensoren een vergelijkbaar patroon voor stijgingen en dalingen hebben. De momenten waarop de data van echte sensoren zich anders beginnen te gedragen dan de data van virtuele sensoren, zijn gemarkeerd met zwarte ovale cirkels. In de werkelijkheid zou een dergelijk verschil in gedrag tussen virtuele en werkelijke data een teken kunnen zijn om een specifiek alarm-signaal te generen. Zodoende kan worden geconcludeerd dat de gekozen methode een goede toepasbaarheid laat zien voor het voorspellen van faalmechanisme piping en veel potentie heeft voor verdere ontwikkeling. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 53 van 128

55 90 Second line VD (12 cm between sand and clay) VD (29 cm between sand and clay) AS 218 AS 220 AS Figuur 52: Virtuele sensoren en AS218, 220, 222 Zuid Dijk Met behulp van het finite-element analyse zijn de reeksen voorspellingen van het moment van falen van de Zuid Dijk uitgevoerd. Eerste voorspelling (A-voorspelling) is gedaan vóór aanvang van het experiment. Deze voorspelling liet zien dat de tweede fase van de uitgraving van de geul de kritieke fase is. Na deze fase, zal de helling van de Dijk gaan bewegen zonder vermindering van deformatie (Figuur 4). Figuur 53: Verplaatsing in de virtuele sensoren AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 55 van 128

56 Dag 105 staat voor het begin van het experiment (gepland op 3 september 2012), dag 106 moet 4 september 2012 zijn, enz. De belangrijkste aanname gebaseerd op de criteria voor de dijk zoals die gebouwd is, is dat de huidige geometrie van de dijk geconsolideerd en stabiel is. Hoewel we uit de metingen weten dat er nog steeds sprake is van een langzame maar voortdurende verzakking van de dijk, hebben wij deze aanname gekozen om de (statische) FEMmodellering toe te passen. Een modelleringsfout kan na een langere periode groter worden als de geometrie van de dijk als stabiel is beschouwd, maar dat niet was. Volgens de huidige berekeningen zullen de eerste significante veranderingen plaatsvinden op dag 108 (6 september 2012). Dergelijke veranderingen zijn het startpunt voor verdere veranderingen. De meest ernstige veranderingen zullen plaatsvinden op 7 september 2012). De tweede voorspelling werd gedaan tijdens het experiment en hield rekening met enkele wijzigingen die waren geïmplementeerd door Deltares tijdens het bouwproces: Geul was 0,5m verder van de dijkteen uitgegraven dan was gepland. Geul was uitgegraven met een bodembreedte van slechts 4m. 6m was gepland. Kern van zand was ongeveer 35 cm gevuld op eerste dag. Is minder dan gepland (50 cm). Vervolgens zakte dit niveau geleidelijk tot cm. Op 6 september. waterniveau in zandkern is verhoogd tot ongeveer cm en op 7 september gaat het omlaag. Op 7 september is zandkern slechts tot cm gevuld (sensoren GB-AG-1 en GB-AG-5 in 2012_0907_Delta Inclination 24hour_15 hour.png) terwijl 75 cm gepland was Geul is gevuld met water. De meeste van de wijzigingen hielden de dijk in een stabielere conditie dan was gepland. Hierna werd de voorspelde faaltijd gewijzigd en verplaatst naar de nacht van vrijdag op zaterdag. Daadwerkelijk falen van de dijk vond plaats op zaterdagmiddag. Volledige duur van experiment (tijd tot falen) = ongeveer 136 uur Eerste voorspelling van falen = ongeveer 110 uur Tweede voorspelling van falen = ongeveer uur Dit bewijst dat de gekozen methode het mogelijk maakt om het moment van falen met een redelijk hoge nauwkeurigheid en betrouwbaarheidscoëfficiënt te voorspellen. AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 56 van 128

57 4.3 Anomalie detectie strategieën De hoofdtaak van de op datagebaseerde kunstmatige intelligentie component is de detectie van anomalie binnen een on-line stroom van metingen. Dit kan worden uitgevoerd doortoepassing van verschillende strategieën: een op clustergebaseerde benadering en een modelgebaseerde benadering. Beschrijving van deze benaderingswijze word hier na op in gegaan Clustergebaseerde anomalie detectie De op cluster gebaseerde anomalie detectie benaderingswijze is gebaseerd op een van de drie aannames dat normale datapunten: Horen bij een cluster van gegevens, terwijl afwijkingen tot geen enkel cluster behoren Liggen dicht bij hun dichtstbijzijnde cluster centroid, terwijl afwijkingen daar ver van af liggen: Het proces van anomalie detectie vergt twee stappen: Het construeren van clusters en het berekenen van de afstand naar het dichtst bijzijnde centroid. Een van de belangrijkste voordelen van deze methode is dat deze goede resultaten geven in het geval van zelfstandige training. Statische anomalie detectie gaan er van uit dat normale datapunten voorkomen in het hoge waarschijnlijkheidsgebied van een stochastisch model, terwijl anomalie voorkomen in het lagere waarschijnlijkheidsgebied (b.v. Gaussian mixture models. Parzen windows) In dit project hebben we de zogenaamde Neurale wolk (Neural Cloud; NC) toegepast om abnormaal gedrag te kunnen vaststellen in een dijklichaam. Dit is een eenzijdige classificeerder gebaseerd op de clustering methode. Het NC classificatie algoritme ontvangt de voorbehandelde data en een set toegespitste features als input. Het hart van de NC classificatie agent (enkelvoudige classificatie algoritme) is een combinatie van een vooruitstrevende K-Means clustering algoritme en een uitgebreide radiale basis functie benadering. De NC neemt alle voorgaande bekende configuraties van geselecteerde parameters gedurende de geselecteerde periode in zich op (zie Figuur 7.2) De getrainde NC berekend, aan de hand van de betrouwbaarheidswaarde behorend bij normaalgedrag, een betrouwbaarheidswaarde voor elke nieuwe toestand van het dijklichaam. Een waar van 1 of 100% betekend een uitstekend vertrouwen in de huidige status van de dijk en een waarde van 0 of 0% betekend een volledig onbekende toestand, welke overeenkomt met een anomalie. De overgang tussen 100% en 0% is gelijkmatig, zodat alarmdrempels zullen moeten worden geïntroduceerd om discrete alarmen te kunnen generen. Gebasserd op de gewenste gevoeligheid. Confidence value x 2 x 1 -- GOOD CONDITION -- BAD CONDITION x 2 x 1 a) b) a) Voorbeeld van de toepassing van een Neurale Wolk op twee dimensionale data b) 3-D voorstelling van de betrouwbaarheidwaarde van normaal gedrag van een object De basis gedachte van NC voor complexe systemen is gebaseerd op de implementatie van een enkele geclassificeerde gebeurtenis, om daarmee de afwijkend gedrag van het hele systeem te kunnen vaststellen. We AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 57 van 128

58 X 2 6 x X1 x 10-3 Eindrapport AIO-SVT hebben deze benadering uitgebreid met de introductie van een set classificeerde agents, getraind en onafhankelijk van elkaar toegepast om afwijkingen te detecteren Elke eenzijdig geclassificeerde datapunten kan worden berekend uit ruwe of bewerkte data. Meervoudige sensor metingen kunnen worden gegroepeerd volgens het zogenoemde fysieke redundantie principe: aanpalende sensoren, sensoren van het zelfde dwarsprofiel of sensorwaarde met dezelfde fysieke parameters kunnen worden geanalyseerd door een eenzijdige classificeerder. Een andere manier of groeperen bestaat uit het evalueren van analytische redundantie tussen sensoren: in het geval van vastgestelde lineaire/ niet lineaire afhankelijkheden gedurende een historische periode, kunnen sensoren worden gegroepeerd. De stabiliteit van de vastgestelde afhankelijkheid zal in dat geval worden bewaakt. Verschillende methodes voor data analyse kunnen worden gebruikt voor feature extraction (zie figuur) Physical redundancy (type of sensor) Committee Analytical redundancy Physical redundancy (the same placement) Sensor measurements Feature extraction Cl 1 Cl 2 Cl k -- NORMAL BEHAVIOUR -- ABNORMAL BEHAVIOUR Confidence values Benaderingswijze voor detectie van afwijkende gedrag in dijken Modellering met behulp van de transfer functie voor anomalie detectie In het geval dat een juist model is geconstrueerd, kan door middel van het vergelijken van de output van het model met de actuele sensordata leiden tot vaststellen van afwijking. De zelfde benadering kan worden gebruikt voor sensoren modules welke verschillende parameters meten op eenzelfde locatie: (zie figuur) in dit geval kunnen sensorwaarden kruislings worden gevalideerd. U is een input waarde y is een output waarde y* is een model output, e is een output fout. a) b) u Real TF Model TF Real TF Model TF y* y 2-4 e sensor physical parameter Decision support - e Decision support a) Transfer functie (TF) tussen verschillende sensoren b) Transfer functie (TF) tussen fysieke parameters in een enkele sensormodule AIO SVT Siemens eindrapportage 2.docx Siemens AG All rights reserved Blz. 58 van 128

Nog meer weergeven