Nicht-invasive Inspektion von Wasserkanälen mit Dronar: USV mit Consumer-Sonar erkennt Sedimentauflagen
Die Autoren stellen ein Preprint vor, in dem ein kostengünstiges, unbemanntes Oberflächenfahrzeug mit handelsüblichem Sonar, genannt Dronar, für die Inspektion von Betonkanälen entwickelt und in Feldtests auf dem Arizona Canal erprobt wird. Das System kann Sedimentablagerungen ohne Trockenlegung sichtbar machen: Die Tiefenprofile eines sedimentierten Kanalabschnitts lagen bis zu 15 cm flacher als nach der Reinigung, während wiederholte Fahrten über den gereinigten Abschnitt innerhalb von maximal 7 cm übereinstimmten. Damit liefert der Dronar eine skalierbare Grundlage für die Priorisierung von Wartungsarbeiten an aktiven Kanalnetzen.
Kann ein autonomes Oberflächenfahrzeug mit Consumer-Sonar den Sedimentzustand und potenzielle Schäden von Betonkanalbetten nicht-invasiv und wiederholbar erfassen?
Betonkanäle wie das SRP-System in Phoenix werden nur alle vier Jahre im Rahmen teurer Trockenlegungen inspiziert; oberhalb der Wasserlinie sind Sichtprüfungen möglich, aber Sediment verdeckt Risse und Verformungen, sodass Wartungsteams Schäden nicht priorisieren können.
Bisher erfolgt die Inspektion visuell durch Zanjeros oberhalb des Wassers und bei Trockenlegung; sonarbasierte Verfahren nutzten oft spezialisierte Schiffe oder fliegende Drohnen mit geschlepptem Transducer. Flugdrohnen scheitern an Luftraumbeschränkungen, Positionsungenauigkeiten und kurzer Flugdauer, während Spezialschiffe teuer und schwer einsetzbar sind.
Der Dronar kombiniert ein selbstgebautes Doppelrumpf-USV mit zwei Elektroantrieben, CubePilot-Steuerung (Rover-Firmware, ArduPilot) und einem Lowrance Active Imaging HD 3-in-1-Transducer mit HDS Pro 9. Der Transducer hängt unter der Wasserlinie vor den Antrieben; das System ist unangebunden und wird mit einem speziellen Transport- und Aussetzwagen über steile Kanalböschungen zu Wasser gelassen. Die Auswertung nutzt DownScan-Tiefenprofile, die mit Python nachbearbeitet werden; SideScan wurde nur illustrativ erfasst.
Im Proof-of-Concept auf dem Arizona Canal legte das USV 1,6 km stromabwärts in etwa 25 Minuten bei 8 km/h zurück und verbrauchte 38 % der Batterie; stromaufwärts erreichte es nur 1,6 km/h. In Test 2 wurde ein etwa 400 m langer Abschnitt vor und nach der Wartung befahren: Der Sedimentzustand zeigte im DownScan bis zu 15 cm geringere Tiefen als der gereinigte Zustand, bei gefilterten Profilen mit negativen Abweichungen von bis zu 15 cm. Wiederholte Fahrten über den sauberen Abschnitt wichen maximal 7 cm voneinander ab. Sechs Fahrten nach der Wartung dauerten je nach Modus 7 bis 14 Minuten; die Batterien (16 Ah für vier Fahrten, 20 Ah für zwei Fahrten) blieben mit 71 % bzw. 75 % Restladung ausreichend. Alle Ergebnisse stammen aus Feldtests am echten Kanal, nicht aus Simulation.
Die Autoren nennen fehlende Validierung für Verformungen, Risse, verschiedene Sedimenttypen und Fremdkörper; nur zwei bekannte Zustände (sedimentiert und gereinigt) wurden verglichen. Die Nachbearbeitung erfolgte manuell, ohne automatisierte Pipeline; SideScan-Daten wurden nicht quantitativ ausgewertet, sodass Kanalränder und wandnahe Bereiche nicht abgedeckt sind. Zudem war die Bergung anfangs fehleranfällig (vier Versuche in Test 1), der Controller überhitzte bei etwa 35 °C und die stromaufwärts-Fahrt war mit 1,6 km/h unpraktisch, weshalb nur stromabwärts gefahren wurde. Der Code ist nicht veröffentlicht; die Daten sind im Artikel enthalten.
Für Betreiber großer Bewässerungs- und Trinkwasserkanäle wie SRP oder vergleichbare Versorgungsunternehmen könnte der Dronar innerhalb von 1 bis 3 Jahren als routinemäßiges Inspektionswerkzeug dienen, sofern weitere Defekttypen validiert, eine automatisierte Datenverarbeitung entwickelt und die Logistik für lange Kanalnetze gelöst wird. Er würde die Wartungsplanung ohne Trockenlegung verbessern und Kosten senken.
Der Volltext wird hier nicht wiedergegeben, weil die Lizenz der Studie das nicht erlaubt. Das Original steht auf arXiv.