de.wedoany.com-Bericht: Forscher des Moskauer Instituts für Elektronik und Mathematik der Nationalen Forschungsuniversität „Höhere Wirtschaftsschule" (benannt nach A.N. Tikhonov, MIEM HSE) und des Instituts für integrierte Erschließung mineralischer Rohstoffe der Russischen Akademie der Wissenschaften (benannt nach Akademiemitglied N.V. Melnikov, IPKON RAS) haben ein neues mathematisches Modell für die Überwachung entwickelt, mit dem die Quelle gefährlicher Bodenerschütterungen in Echtzeit bestimmt werden kann. Die Technologie zielt darauf ab, das Risiko von Schäden an Gebäuden, Straßen und Infrastruktur in der Umgebung von Steinbrüchen und Bergwerken zu verringern. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Gornaja promyschlennost" (Bergbauindustrie) veröffentlicht.
Bodenerschütterungen entstehen durch Sprengarbeiten, den Betrieb schwerer Bergbaumaschinen und andere Umstände. Sie können sich im Boden über Hunderte von Metern ausbreiten und bei längerer Einwirkung Gebäude, Straßen und technische Anlagen beschädigen. Besonders gefährlich sind niederfrequente Schwingungen, da sie sich weit ausbreiten und leicht mit Bauwerken in Resonanz treten können, was selbst bei relativ geringer Krafteinwirkung zu Rissen führen kann. Im Zielgebiet gibt es oft mehrere Vibrationsquellen, darunter Steinbrüche, Bergwerke sowie lokale Störungen durch Verkehr, Baustellen und den Betrieb von Anlagen in Wohngebieten. Hintergrundgeräusche und mehrere Vibrationsquellen erschweren die Dateninterpretation erheblich. Die Hauptaufgabe des Überwachungssystems besteht daher darin, festzustellen, ob eine bestimmte Vibration von einem Bergbauunternehmen oder einer anderen Quelle stammt.
Um Bedrohungen zu erkennen, bevor Risse und Verformungen auftreten, entwickelte das Forschungsteam ein theoretisches Modell eines Überwachungssystems auf Basis einer seismischen Antenne mit kleiner Apertur. Derzeit überwachen Bergbauunternehmen Vibrationen hauptsächlich mit Sensornetzwerken oder einzelnen Messstationen. Erstere sind teuer in der Installation, letztere können die Vibrationsquelle nicht genau lokalisieren – beide weisen bei hohen Genauigkeitsanforderungen Einschränkungen auf. Das neue System benötigt keine umfangreiche Ausrüstung oder komplexe Einrichtung. Es besteht aus einer Gruppe kompakter, eng beieinander angeordneter Sensoren. Diese erfassen gleichzeitig Bodenerschütterungen, analysieren die Signale mit speziellen Algorithmen und bestimmen die Richtung der Vibrationsquelle. So können Sprengungen im Steinbruch, der Betrieb schwerer Maschinen oder lokale Lärmquellen in Wohngebieten unterschieden werden.
Zur Validierung der Technologie simulierten die Forscher die Ausbreitung seismischer Wellen und testeten eine Antenne aus zehn Sensoren. Die Berechnungen ergaben, dass der Fehler bei der Bestimmung der Signalparameter in einer Entfernung von über 10 Metern 7 % nicht überschreitet; in einer Entfernung von über 50 Metern sinkt der Fehler auf 4 %. Selbst unter starken Hintergrundstörungen behält das System eine hohe Genauigkeit.
Das System ist kompakt und kann direkt in der Nähe von Wohnhäusern, Straßen oder Industrieanlagen installiert werden. Dies senkt die Kosten für Geräteinstallation, Kommunikationsverkabelung und Wartung und erfordert keine komplexen Datenverarbeitungsmethoden, wie sie in der klassischen Seismologie üblich sind. Die Forscher betonen, dass das Ziel der Entwicklung nicht nur die Aufzeichnung von Vibrationen, sondern die Prävention von Folgen ist. Durch vorzeitige Informationen über potenziell gefährliche Vibrationen können Experten den Betriebsmodus der Geräte rechtzeitig anpassen, Sprengarbeiten korrigieren oder Schutzbarrieren installieren.
Studienautor Sergej Nefedow, Professor am Moskauer Institut für Elektronik und Mathematik der Höheren Wirtschaftsschule, wies darauf hin, dass derzeit in vielen Fällen erst Maßnahmen ergriffen werden, wenn Risse oder Verformungen an Gebäuden auftreten. Die neue Methode hingegen identifiziert zuerst die Quelle der Gefahr, bewertet das Risiko und ergreift dann Maßnahmen. Sie ermöglicht eine schnelle und hochpräzise Informationsgewinnung unter Bedingungen mehrerer Vibrationsquellen. Die Entwickler glauben, dass solche Systeme in Zukunft Teil intelligenter Komplexe für die Umweltsicherheit werden könnten. Die Sensordaten würden automatisch an ein digitales Steuerungssystem übertragen, um den Betriebsmodus der Geräte anzupassen, den Zeitplan für Sprengarbeiten zu korrigieren oder spezielle Schutzstrukturen zu installieren. Studienautor Maxim Ikrennikow, Doktorand am Fachbereich Elektrotechnik des Moskauer Instituts für Elektronik und Mathematik der Höheren Wirtschaftsschule, erklärte, der nächste Schritt sei die Integration der Überwachung in industrielle Managementsysteme, sodass Vibrationsdaten nicht nur zur Beobachtung, sondern auch für Echtzeitentscheidungen genutzt werden können. Dies würde die Gewinnung mineralischer Rohstoffe für Menschen, Umwelt und Stadtinfrastruktur sicherer machen. Die Technologie eignet sich nicht nur für den Bergbau, sondern auch für große Baustellen, Verkehrsadern, Tunnel und andere Anlagen, bei denen Bodenerschütterungen überwacht und Schäden rechtzeitig verhindert werden müssen.
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