"GNSS Varyometrik yaklaşımıyla düşey yönlü dinamik hareketlerin izlenmesi ve gerçek zamanlı değerlendirme yazılımının geliştirilmesi"
Monitoring of vertical dynamic movements with GNSS Variometric approach and development of real-time evaluation software
Günümüze kadar yapılmış birçok mühendislik yapısının deprem, rüzgâr ve trafik yükü gibi dinamik yüklerin etkisine maruz kalması sonucu yapıda meydana gelen dinamik davranışların izlenmesi, yapı sağlığı izlemelerinde (YSİ) hızlı tehlike değerlendirme, erken uyarı sistemleri, afet yönetimi ve gelecekteki projelere ışık tutması açısından önemlidir. Erken uyarı sistemlerinde yapısal titreşimlerin “gerçek zamanlı” olarak ölçülebilmesi, uyarıların anlık yapılabilmesi ve karşı önlemlerin hızlı alınabilmesi için gereklidir. Geçmişten günümüze birçok çalışmada bağıl GNSS yöntemi ve son zamanlarda yaygın olarak kullanılan gerçek zamanlı Hassas Nokta Konumlama (RT-PPP) yöntemi, yatay ve düşey yönlü yapısal titreşimlerin ölçülmesinde kullanılmaktadır. Bağıl GNSS yöntem, sabit bir noktada gezici alıcı ile eşzamanlı GNSS gözlemlerine, RT-PPP yönteminde ise anlık hassas uydu yörünge ve saat düzeltme verilerine ihtiyaç duyar, buna bağlı olarak 2 ila 10 sn lik gecikmelere neden olmaktadır. İnternet bağlantısı ya da L bant uydu verisi ihtiyacı ile ürünlerdeki gecikmeler, RT-PPP yönteminin gerçek zamanlı erken uyarı sistemi olarak kullanımını kısmen sınırlamaktadır. PPP yöntemine güçlü bir alternatif yöntem olarak tek GNSS alıcısının zamana bağlı yer değişimlerini herhangi bir internet bağlantısı ile harici bir bilgiye ihtiyaç duymadan ve gecikmeye uğramadan sadece GNSS uydu sistemlerinden yayınlanan yayın efemeris bilgisiyle uydu yörünge ve saat düzeltme bilgilerini hesaplayabilen varyometrik (VADASE) yöntem geliştirilmiştir. Günümüzde, varyometrik GNSS yaklaşımının yatay yönlü dinamik deplasmanları belirlemesi üzerine gerçek deprem verileri ve deneysel veri setleri kullanılarak çalışılmış olsa da tek/çift frekanslı varyometrik yaklaşımın düşey yönlü dinamik deplasmanları izleme kabiliyetleri GNSS tabanlı sistemlerden bağımsız sensör verileri ve hassas sarsma masası ile deneysel olarak veya gerçek bir mühendislik yapısı üzerinde çalışılmamış dolayısıyla çoklu GNSS gözlemlerini gerçek zamanlı değerlendiren bir yazılım literatürde bulunmamaktadır. Bu bağlamda, önerilen proje kapsamında, hem tek/çift frekanslı GNSS varyometrik yaklaşımın düşey yönlü dinamik hareketleri yakalama performansı hem de düşük maliyetli gerçek zamanlı yapı sağlığı izleme amaçlı GNSS varyometrik değerlendirme yazılımı geliştirilecektir. Önerilen projenin özgün yönleri, uluslararası ve ulusal literatürde ilk defa olmak üzere (1) hem tek hem de çift frekanslı çoklu GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) gözlemlerini gerçek zamanlı değerlendirebilen bir yazılım geliştirilmesi, (2) yüksek ve düşük maliyetli çoklu GNSS alıcısı ve antenlerinin gerçek zamanlı varyometrik sonuçlarının düşey yönlü dinamik hareketleri belirleyebilme performansının eş zamanlı ve bağımsız sensör verileriyle değerlendirilmesi, (3) tek ve çift frekanslı çoklu GNSS varyometrik sonuçların hem ideal hem de ideal olmayan ölçme şartlarında incelenmesi, (4) tüm değerlendirmelerde düşey yönlü dinamik hareketlerin hassas bir düşey yönlü sarsma masasında üretilmesi ve yöntemlerin bağımsız sensör verileri ve bağıl GNSS ve RT-PPP yöntemleriyle karşılaştırmalı bir yaklaşımla ele alınacaktır. Önerilen proje kapsamında, hâlihazırda yüksek duyarlıklı ve maliyetli GNSS VADASE (varyometrik yaklaşım) özellikli alıcı/anteni ve düşük maliyetli GNSS alıcısı/anteni kullanılacaktır. Proje, 5 iş paketinden oluşacaktır. (İP1) Projenin ilk 6 ayında (0.-6. ay) proje yürütücüsü (CÖY), GNSS gözlemlerini değerlendirme konusunda tecrübeleri olan bir araştırmacı (BB) ve doktora bursiyerleri, gerçek zamanlı çoklu GNSS verilerini varyometrik yöntemle değerlendirebilen bir yazılımı MATLAB programlama dilinde geliştirecektir. Geliştirilen yazılımın gerçek zamanlı çalışabilirliği hareketsiz noktada yapılan testlerle değerlendirilecektir. (İP2) Projenin sonraki 3 ayında (7.-9. ay) tüm proje ekibinin katılımıyla sarsma masası testleri yapılacaktır. Hem tek hem de çift frekanslı yüksek ve düşük maliyetli GNSS varyometrik yaklaşımın ideal (açık gökyüzü) ve ideal olmayan (kısmen sinyal engelli ve sinyal yansımalı) ölçme ortamında test edilmesi için farklı frekans ve genliklerde 4 farklı senaryoda sarsma masası testleri gerçekleştirilecektir. Deneylerde, LVDT (Linear Variable Differential Transformer) ve MEMS (Mikro-Elektronik Mekanik Sistem) tabanlı ivmeölçer ile eş zamanlı veriler de toplanacak ve GNSS tabanlı yöntemlerinin performansını ortaya çıkarmak için referans veri olarak kullanılacaktır. Tek ve çift frekanslı GNSS Varyometrik yaklaşımın test edilmesi sırasında geçmişten günümüze yaygın olarak YSİ uygulamalarında kullanılan bağıl GNSS yöntemi ve şu sıralar üzerinde çokça araştırmalar yapılan gerçek zamanlı Hassas Nokta Konumlama (RT-PPP) yöntemi ile de ölçümler yapılacaktır. GPS, GLONASS, Galileo ve BeiDou uydu gözlemleri 20 Hz örnekleme aralığında ve 10o kesme açısında toplanacaktır. (İP3) Projenin sonraki 3 ayında (10.-12. Ayları) proje yürütücüsü, 2 araştırmacı (BA, BB) ve bursiyerlerle birlikte toplanan GNSS gözlemlerinin ön incelemesi, bağıl yöntem sonuçlarının elde edilmesi için ikili fark yöntemiyle değerlendirilmesi, gerçek zamanlı varyometrik ve RT-PPP sonuçlarının ön incelemesi (gürültü seviyeleri, çözümlerde eksik epokların varsa tespiti ve oranı, çözümlerde anormal davranışların ve ani sıçramaların tespiti ve karakterleri) gerçekleştirilecektir. (İP4) Projenin bu aşamasında İP3 e paralel olarak yöntemlerin karşılaştırılmasında referans olarak kullanılacak LVDT ve MEMS tabanlı ivmeölçer verileri proje araştırmacılarından inşaat mühendisliği alanındaki YSİ tecrübesi olan araştırmacı (AAD) tarafından gerçekleştirilecektir. LVDT sensörü çıktısı doğrudan deplasman olacaktır, fakat ivmeölçerden elde edilen ivme verileri frekans alanında hız ve deplasman verilerine araştırmacımız tarafından Python programlama dilinde halihazırda yazılmış programla dönüştürülecektir. Her iki sensör verileri deplasman alanında karşılaştırılarak bağımsız sensörlerden elde edilen verilerin güvenirliği ve dönüşümün başarısı doğrulanacaktır. (İP5) Projenin son bir yılında (13. aydan 24. aya kadar) tüm proje ekibi, GNSS çözümlerinin performanslarını referans sensör LVDT ve ivmeölçerlerden elde edilen deplasman verileriyle zaman ve frekans alanında inceleyecektir. Deneylerdeki her bir harmonik salınım için zaman alanındaki hata değerleri ve histogramı, karesel ortalama hataları, maksimum hataları ve ortalamaları, varsa uyuşumsuz ölçü miktarları gibi istatistiksel değerler elde edilecektir. Frekans alanında ise yine her bir harmonik salınımların FFT (Fast Fourier Transform) spektrumları, temel sinyal frekans ve genlik değerleri her yöntem için elde edilecektir. Proje kapsamında tüm elde edilen sonuçlar, hesaplamalar, filtrelemeler ve görselleştirmeler MATLAB programlama dilinde gerçekleştirilecektir. Elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı bir yaklaşımla değerlendirilecek ve seçkin uluslararası dergilerde değerlendirilmek üzere yayına hazırlanacak ve konferanslarda sunulacaktır. Proje kapsamında biri doktora sonrası ve biri doktora öğrencisi olmak üzere iki bilim insanı yetiştirilecektir. Projenin temel hedefi gerçek zamanlı GNSS Varyometrik yöntemin gerçek zamanlı YSİ izlemelerinde performansının değerlendirilmesi ve düşük maliyetli GNSS ve Varyometrik çözümleriyle YSİ maliyetlerini düşürebilmektir.
Anahtar Kelimeler: GNSS, RT-VADASE, RT-PPP, Düşük maliyetli GNSS, Gerçek zamanlı YSİ
Harita ve İnşaat Mühendisliği disiplinlerinin ortak çalışması olacak bu projenin amaçları ve hedefleri aşağıda sıralanmıştır.
AMAÇLAR:
1. Düşük maliyetli tek ve çift frekanslı çoklu GNSS alıcılarının/antenlerinin verilerini VADASE yaklaşımıyla gerçek zamanlı değerlendirebilen bir yazılımın geliştirilmesi.
2. Tek ve çift frekanslı yüksek ve düşük maliyetli GNSS VADASE yöntemlerinin ideal (açık gökyüzü ve yansımasız ortam) ve ideal olmayan (kısıtlı uydu görüşü ve sinyal yansımalı ortam) düşey yönlü yapısal titreşimleri belirleyebilme kabiliyetlerinin incelenmesi.
3. Tek ve çift frekanslı yüksek ve düşük maliyetli GNSS VADASE yöntemlerinin gerçek zamanlı deplasman farkı değerlerinin integrasyon sonucu bulunan deplasman değerlerinin yapı sağlığının detaylı değerlendirilmesinde kullanılabilirliğinin araştırılması.
HEDEFLER:
1. Düşey yönlü sarsma masası ile köprü ve viyadüklerin beklenen frekans ve minimum genlik aralıklarında (0.1 Hz – 5 Hz, 5 mm – 30 mm) harmonik ve yarı-statik hareketler üretmek.
2. Düşey sarma masası ile açık gökyüzü ve kısıtlı gökyüzü/sinyal yansımalı ortamlarda gerçek zamanlı tek ve çift frekanslı GNSS VADASE, bağıl GNSS, RT-PPP, LVDT ve ivmeölçer ile eş zamanlı veri toplayarak testler yapmak.
3. LVDT ve ivmeölçer sensörü çözümleri referans alınarak, çift ve tek frekanslı yüksek ve düşük maliyetli VADASE yöntemlerinin, tek ve çift frekanslı bağıl GNSS çözümleri ve gerçek zamanlı RT-PPP yöntemleriyle kıyaslamasını yapmak.
4. Tek ve çift frekanslı VADASE yöntemlerinin elde edilen konum değişimlerinin integrasyonu sonucu türetilen deplasman zaman serilerinin karakterlerini, zaman/frekans alanında filtreleme teknikleriyle filtrelenebilirliğini ve mühendislik yapısındaki yapısal titreşimlerin olay sonrası detaylı inceleme amaçlı kullanılıp kullanılamayacağını araştırmak.
5. Göreceli olarak daha düşük maliyetli olması açısından tek frekanslı yüksek duyarlıklı/maliyetli GNSS VADASE yönteminin çift frekanslı yüksek duyarlıklı/maliyetli GNSS VADASE yöntemi yerine köprülerin izlenmesinde tercih edilebilir olup olmadığını araştırmak ve yöntemlerin hangi tür mühendislik yapılarının izlenmesinde kullanılabileceğini belirlemek.
6. Düşük maliyetli GNSS alıcılarının gerçek zamanlı varyometrik yaklaşımla değerlendirebilmek ve yapı sağlığı izlemelerinde kullanılabilirliğinin araştırmak ve geliştirilen yazılımın köprü vb. mühendislik yapılarının sürekli izlemesinde kullanılabilirliğini incelemek.