AFET ETKİLERİNİ İZLEME VE DEĞERLENDİRME
ULUSAL AĞININ KURULMASI
ÖZET
Doğal afetler, olumsuz zemin koşulları, çarpık yapılaşma, imalat ve proje hataları, sonradan yapılan yanlış müdahaleler,
mühendislik yapılarında hasar ve/veya yıkıma, dolayısıyla can ve/veya mal kayıplarına sebebiyet vermektedir.
Mühendislik yapılarının gerek kendi yükleri gerek ise deprem, rüzgar vb. gibi dış yükler altındaki davranışları yapıların
sahip olduğu hakim frekans değerinde değişikliklere neden olur. Yapıların eş zamanlı olarak dinamik
karakteristiklerindeki değişimlerin izlenmesi olası tehlikeli durumların tespit edilmesi açısından önemlidir. Bu amaçla
kullanılacak olan cihaz, proje kapsamında MikroElektroMekanik Sensörler (MEMS) tabanlı olarak üretilecektir. Cihaz,
konumlandığı yapı özelinde yapacağı hesaplar ile elde ettiği veriyi kurulacak veri merkezine iletecek ve yapıda meydana
gelecek iç veya dış yükler etkisinde hakim frekans değişimi veri merkezinde tespit edilecektir. Akıllı Şehirler Sistemine
Yönelik Nesnelerin İnterneti Uygulamaları kapsamında üretimi yapılacak 20 adet cihaz ve iki ayrı noktada kurulacak veri
merkezi ile cihazlardan merkeze veri aktarımı sağlanacak, merkezde çalışacak karar alma algoritmaları ile afet olması
veya olmaması durumunda, yapısal hasarın göstergesi olan hakim frekanstaki değişim ile ilgili bilgi üretilecektir. Bu
bilginin yetkililere/karar mekanizmalarına (AFAD-Afet Yönetim ve Karar Destek Sistemi’ne (AYDES) iletilmesi de
mümkün olacaktır. Projenin en güçlü yanı maliyet etkin, sürdürülebilir kentleşme açısından toplumsal farkındalık
yaratacak etkiye sahip bir yerel ağ uygulaması olmasıdır. Cihazı kullanacak hedef kitle konut tipi yapılar için daire
sakinleri olarak planlandığından, projede geliştirilecek olan cihazın yaygın kullanılması, afete karşı duyarlılığın arttırılması
yönünde etkin olacaktır. Üretilecek cihaz ile yapı özelinde FFT analizi yapılacaktır. Her cihaz 10sn’lik veri paketleri
üzerinde FFT (Hızlı Fourier Dönüşümü) yaparak en yüksek frekans değerini bellekte saklayacak, 3dk sonunda
hafızasında tuttuğu en yüksek beş (5) frekans değerini LoRa protokolü üzerinden LoRa ağ geçidine, buradan da
kablolu (DSL, fiber) veya kablosuz (3G, 4G) geniş alan ağları ile veri merkezine aktaracaktır. Hakim frekans değeri
hesaplama işlemi veri merkezinde yapılacağından yine yapı özelinde hakim frekansın aşılması durumunda uyarı mesajı
veri merkezinde üretilecektir. Cihaz üretim aşaması da dahil olacak şekilde, her türlü cihaz kalibrasyon, laboratuvar ve
saha ortamı testleri, gerçek yapı testleri, algoritma ve yazılım geliştirme, iletim/iletişim sistemleri tasarım ve
kurulumu olmak üzere, tüm aşamalarda hata ayıklama ve güncelleme işlemleri titizlikle gerçekleştirilecektir. Proje çıktısı
olarak üretilecek cihaz, nesnelerin interneti (IoT) uygulaması barındıran, özgün yazılımı ve güncel teknolojik
donanımı ile market değeri ve satın alınma potansiyeli yüksek bir ticari ürün olacaktır. Benzer şekilde, ulusal ölçekte
hizmet verme potansiyeli olan veri merkezi de projenin ticari çıktısı niteliğindedir. Tasarlandığı şekliyle ve pilot
uygulaması proje süresince tamamlanacak olan bu sistemin hedefi Teknoloji Hazırlık Seviyesi 7 olacak şekilde bir
Patent başvurusu ile sonlanacaktır.
İvmeölçer: Titreşimlerin ölçülmesi için MEMS tabanlı, yüksek duyarlılıklı ivmeölçer kullanılmaktadır. Cihazda gürültü seviyesi 22.5µg’den düşük sensör yer almaktadır. İlgili cihaz ile düşük modların hakim olduğu az-orta katlı yapıların hakim frekansındaki değişim izleneceğinden, yüksek genlikli mod etkileri için önem arz eden gürültü seviyesi proje gereklerini karşılamak için yeterlidir.
Mikroişlemci: Veri işleme merkezi olarak 64 Mhz, 512 KB Flash ve 64 KB RAM’i bulunan ARM Cortex M4 tabanlı bir mikroişlemci tercih edilmiştir. İçerisinde bulunan Floating Point Unit (FPU) sayesinde DSP (Digital Signal Processing – Dijital Sinyal İşleme) işlemlerinin hızlı bir şekilde yapılmasına olanak sağlamaktadır. Aynı zamanda tercih edilen mikroişlemcide kablosuz yerel haberleşme için Bluetooth desteği bulunmaktadır.
Veri iletim modülü: Haberleşme modülü olarak, uzun menzilli, düşük güç tüketimli ve 868 MHz de çalışan LoRa uç birim devresi kullanılmaktadır.
Güç kaynağı: Cihaz güç kaynağı olarak 5V/2A kapasitesinde bir adaptör kullanılmaktadır. Aynı zamanda cihaz üzerinde 3400 mAh kapasiteli şarj edilebilir Lithium pil bulunmakta ve elektrik kesintilerinde bu pil devreye girmektedir.
Cihazın yerine getirmesi beklenen fonksiyonları düşünülerek Yazılım Fonksiyonel Tasarım dokümanı hazırlanacaktır. Kart üzerindeki donanımları işler hale getirmek üzere kart destek paketi yazılımının oluşturulacaktır. Cihazın görevlerini yönetecek işletim sistemi hazırlanacaktır. Cihazın esas uygulaması olan ivmeölçer verilerini okuma, işleme, saklama, filtreleme ve iletme yazılımı geliştirilecektir. Elde edilen verilerin LoRa Ağ Geçidine ulaştırılmasını sağlayacak yazılım hazırlanacaktır.
Üretilen cihazın kalibrasyonu amacıyla, ilk aşamada Gebze Teknik Üniversitesi Deprem ve Yapı Laboratuvarında bulunan Guralp marka ivmeölçerler referans alınarak, sarsma masası üzerindeki yapı düzeneğinde karşılaştırmalı testleri yapılacaktır. Sarsma masası, temel olan üç farklı hareket protokolüne göre hareket ettirilecektir. Bu hareketler, sırasıyla, harmonik (sabit genliklisabit frekanslı, sabit genlik-değişken frekanslı ve değişken genlik-sabit frekanslı sinüs sinyali), ani tek (patlatma sinyali) ve gelişigüzel (deprem sinyali) olacaktır. Deplasman kontrollü sarsma masasının hareket eden tabliyesine cihaz ile beraber bir adet üç eksenli kütle dengeleyiciye sahip (Guralp CMG-5T) ivmeölçer bağlanacak ve her iki cihazın hareket protokolü çıktıları karşılaştırmalı olarak değerlendirilecektir.
Sonraki adım olarak cihazların yerinde hesapladığı yapısal titreşim frekansı değerlerinin zaman serisi analizlerini yapmak üzere veri merkezinin kurulması planlanmıştır. Proje kapsamında kurulacak olan veri merkezi, üretilen cihaz(lar)dan gelecek olan titreşim hâkim frekans değerlerini işleyecektir. Cihazların yerinde hesapladığı yapısal titreşim frekansı değerleri cihaz üzerindeki LoRa uç birim devresi vasıtasıyla LoRa ağ geçidine, ağ geçidi üzerinden ise veri merkezine ulaşacaktır. Ulaşan her bir veri paketi yapıya ait en yüksek 5 titreşim değerine karşılık gelen frekans değerlerinin yanı sıra, cihaza ve zamana ait bilgileri de taşıyor olacaktır. Sahaya yerleşmiş tüm cihazların kimlik bilgisi (enlem, boylam, seri no, saha yerleştirilme tarihi) veri merkezinde tutulacaktır. Cihazdan veri merkezine gelecek bilgi, FFT değerleri olacaktır. Cihazın bulunduğu yapıya ait hâkim frekans değeri, veri merkezinde hesaplanacak, olası anomali durumunda, sebep olabilecek kuvvetli yer hareketi veya yüzey patlamasının belirlenmesi için ilgili veri ağları (T.C. İç İşleri Bakanlığı Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (AFAD), Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü (KRDAE), Avrupa-Akdeniz Sismoloji Merkezi (CSEM-EMSC), Sismoloji İçin Anonim Araştırma Kurumları (IRIS) vb.) kayıtları merkezi yazılım aracılığıyla taranacaktır. Yapılacak değerlendirme ile cihazın yerleşik olduğu yapı özelinde kalıcı hasar ile ilişkilendirilen titreşim karakteristiği (hâkim frekans) değişimi belirlenecektir. Tamamlanan değerlendirme sonrasında, halihazırda Netaş tarafından yazılım desteği sağlanan ilgili afet yönetim sistemine bilgi aktarımı yapılabilecektir (Afet Yönetim ve Karar Destek SistemiAYDES). Bununla beraber, bilinen bir dış etkinin olmadığı ancak titreşim karakteristiğinin değiştiği durumlar da, olası bir yıkım riski sebebiyle ilgili yönetim birimlerine aktarılabilecektir. Bu ikinci durum için frekansların incelenmesi ilkinden farklı olarak daha geniş bir süreyi kapsayacaktır (saat-gün mertebesinde).
Projenin en kapsamlı iş paketi olan dördüncü adım,; ⅓ ölçekli yapı modeli ve GTÜ yerleşkesinde yer alan 20 adet gerçek bina üzerinde uygulanacak testleri kapsamaktadır. Testlerin uygulanacağı binalar 1~4 katlı ve 5~30 yıllık düzenli yapısal sisteme sahip betonarme yapılardır. Bu aşamada gerçekleştirilecek olan testler; hem cihaz havuzunu barındıran ağın, hem de analiz ve değerlendirmelerin yapılacağı veri merkezinin performansını ölçmek amacı ile kurgulanmıştır. GTÜ yerleşkesinin pilot bölge olarak seçilmesinin en önemli nedeni projede hedeflenen az-orta katlı betonarme binaları temsil eden yapıları barındırmasıdır. Mevsimsel etkileri de gözlemleyebilmek amacı ile GTÜ yerleşkesinde yapılacak izleme en az 6 ay sürecek şekilde planlanmıştır. Cihaz ve veri merkezi testleri başarı ile tamamlandıktan sonra yapılması gereken veri merkezi ve cihaz ağının kapsamlı testleri laboratuvar ve sahada gerçekleştirilecek statik ve dinamik testlerle iki ayrı kısımda gerçekleştirilecektir.
GTÜ pilot bölgesinde yer alan yapılar, projede hedef olarak seçilen az-orta katlı mevcut binaları temsil eder niteliktedir. Yapıların hakim frekanslarındaki değişimin rijitlik değişiminden ne oranda etkilendiği ve bu durumun ne oranda bir anomaliye neden olacağı saha testleri ile tespit edilmeye çalışılacaktır. Saha testleri sonucunda elde edilecek olan bu veriler ışığında, yapılarda ölçülecek hakim frekans eşik değerlerinin üstünde yer alan bir anomaliye neden olacak bir rijitlik değişiminin olası yapısal hasarla ilişkisinin istatistiksel olarak belirlenmesi mümkün olabilecektir. Bu kapsamda tamamlanan testler sonucunda pilot sistemde modellenen bileşenler, üretimde kullanılacak bileşenleri temsil edecek şekilde oluşturulmuş olacaktır. Özgün yazılımlar ile hazırlanacak arayüzlerin ve sistem fonksiyonlarının herbiri gerçek ortamda ve farklı koşullar altında test edilmiş olacaktır.
Bursiyerler
- Kamer Özdemir
