Tomografia procesowa
Zespół naukowców Instytutu Informatyki Stosowanej zaangażowanych w prace grupy 'tomoKIS': |
|
![]() |
prof. dr hab. inż. D. Sankowski
dr hab. inż. W. Mosorow, prof. PŁ dr hab. L. Babout dr inż. R. Banasiak dr inż. Z. Chaniecki dr inż. K. Grudzień dr inż. M. Janaszewski
dr inż. J. Nowakowski
dr inż. A. Romanowski dr inż. R. Wajman mgr inż. P. Fiderek
mgr inż. T. Jaworski
|
Zespół naukowy tomografii procesowej Instytutu Informatyki Stosowanej TomoKIS koncentruje się na badaniach dotyczących zastosowania nowoczesnych technologii informatycznych w systemach tomograficznych. Celem prowadzonych badań jest wypracowanie nowoczesnych bezinwazyjnych technik automatycznej kontroli procesów przemysłowych pod względem jakości i optymalizacji produkcji.W głównej mierze prace naukowe związane są z:
|
![]() |
Badania w dziedzinie tomografii procesowej prowadzone są pod kierunkiem prof. Dominika Sankowskiego przy inspiracji i znaczącej pomocy prof. Andrzeja Pląskowskiego z Warszawy. W sukcesach Instytutu, dotyczących badań nad Tomografią Procesową, swój wielki wkład miał zmarły w 2006 roku prof. Tomasz Dyakowski. Dzięki Jego wysokiej aktywności Instytut Informatyki Stosowanej zdobył światowe uznanie i wysoką pozycję naukową w dziedzinie Tomografii Pojemnościowej.
W sierpniu 2008, a także we wrześniu 2004 roku, Instytut zorganizował dwa międzynarodowe sympozja poświęcone tym zagadnieniom, w których wzięło udział ponad 80 naukowców z: Chin, Czech, Finlandii, Grecji, Japonii, Litwy, Niemiec, Norwegii, Polski, Ukrainy i Wlk. Brytanii.
O randze prowadzonych w Instytucie badań z zakresu Tomografii Procesowej może świadczyć powołanie prof. D. Sankowskiego do składu Międzynarodowych Komitetów Doradczych Kongresów Tomografii Procesowej oraz mianowanie go Dyrektorem Komunikacji ISIPT - Międzynarodowego Stowarzyszenia Tomografii Procesowej.
Laboratorium Tomografii Procesowej im. Tomasza Dyakowskiego
28. października 2008 w Instytucie Informatyki Stosowanej otwarto Laboratorium Badawcze Tomografii Procesowej. Jest to jedno z najnowocześniejszych tego typu laboratoriów na świecie. Laboratorium nosi imię prof. Tomasza Dyakowskiego – zmarłego przedwcześnie w 2006 roku współtwórcy łódzkiej szkoły tomografii procesowej, pracownika Politechniki Łódzkiej i Uniwersytetu w Manchester.
Uroczystość otwarcia Laboratorium odbyła się w budynku Instytutu Informatyki Stosowanej przy al. Politechniki 11. Swą obecnością uświetniło ją wielu znamienitych gości, potwierdzając tym samym rangę wydarzenia stawiającego naszą uczelnię w światowej czołówce w dziedzinie Tomografii Procesowej. Obecni byli Prezydent Miasta Łodzi Jerzy Kropiwnicki, Rektor Politechniki Łódzkiej Stanisław Bielecki, Dziekan Wydziału EEIiA Sławomir Wiak, rodzina profesora Tomasza Dyakowskiego oraz wielu innych znamienitych gości, a pracownię poświęcił biskup Adam Lepa.
W Laboratorium znajdują się instalacje do nieinwazyjnego badania zjawisk fizyko-chemicznych w przepływach wielofazowych. W celu zapewnienia możliwości przeprowadzenia badań w warunkach analogicznych do mających miejsce podczas rzeczywistych procesów przemysłowych, obiekt zaprojektowano i zbudowano w skali przemysłowej.
Instalacje służą do badania:
- procesów transportu pneumatycznego materiałów sypkich,
- zjawisk dynamicznych występujących przy opróżnianiu silosów,
- przepływów dwu-fazowych typu gaz-ciecz,
- zjawisk występujących w procesach mieszania cieczy.

Fotografie instalacji badawczych w Laboratorium Tomografii Procesowej im. Tomasza Dyakowskiego
Fotografia stanowiska do badania przepływów z systemem ECT
Laboratorium jest wyposażone w specjalizowane urządzenia pomiarowe, w tym oczywiście tomograficzne.
Są to m.in.:
- 16-to kanałowy tomograf pojemnościowy firmy ECT Instruments Ltd.. Z uwagi na swoją szybkość pomiarową stosowany jest do wizualizacji procesów przepływowych,

- Dwa 32 kanałowe tomografy pojemnościowe zbudowane przez naukowców Instytutu Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem dr. Romana Szabatina. Z uwagi na możliwość swobodnego doboru wzmocnień wszystkich kanałów pomiarowych dedykowany jest do badań nad trójwymiarowa tomografią pojemnościową.

- 32 kanałowy tomograf pojemnościowy zbudowany w Instytucie Informatyki Stosowanej w ramach projektu DENIDIA, wykorzystywany jest również do badań nad trójwymiarowa tomografią. Wspiera również koncepcję czujników obrotowych dzięki możliwości synchronizacji wykonywania pomiarów z obrotem silników krokowych instalowanych przy czujnikach. Tomograf umożliwia pomiary metodą pojemnościową oraz rezystancyjną.

- oraz oprzyrządowanie firm National Instruments, Rigol i Agilent.


System uzupełniają również serwery:
-
serwer tomoKIS: 2 x Intel Xeon Quad 2.33Ghz, 16 GB RAM, 1x GPU ATI Radeon 4850
(teoretyczna moc obliczeniowa: 1 TFlop) -
serwer TESLA: Intel i7 2.8 Ghz, 12 GB RAM, 2 GPU x ATI Radeon 5970, serwer 4 x GPU TESLA S1070-400
(teoretyczna moc obliczeniowa: 13,3 TFlops) -
serwer Radeon: AMD Phenom II 955 Black Edition 3.2Ghz, 8 GB RAM, 4 x ATI Radeon 5970
(teoretyczna moc obliczeniowa: 18,4 TFlops)
Fotografie systemu obliczeniowego
Możliwości obliczeniowe serwera Radeon obrazuje poniższy film. Uruchomiony na serwerze Radeon benchmark osiąga sumaryczny wynik ponad 280.000 punktów. W tym samym teście procesor Intel i7 2.8 GHz, wykorzystujący 4 rdzenie osiąga 3.600 punktów.
http://www.youtube.com/embed/YYSSnqpchaw
Pyrit Benchmark uruchomiony na serwerze Radeon i osiągi ponad 280000 PMK/s
Prezentowany zestaw urządzeń pomiarowych oraz obliczeniowych umożliwia wykonywanie w czasie rzeczywistym wizualizacji 2D oraz 3D badanego procesu przemysłowego. Uzyskiwane w Laboratorium wyniki zaowocowały już promocyjnymi pracami naukowymi jak rówież publikacjami w czasopismach z listy filadelfijskiej oraz licznymi wyróżnieniami i nagrodami na wystawach krajowych i międzynarodowych.
Laboratorium powstałe w pomieszczeniach Instytutu Informatyki Stosowanej odgrywa znaczącą rolę przy opracowywaniu, testowaniu i wdrażaniu systemów nieinwazyjnego obrazowania dla potrzeb aplikacji przemysłowych. Celem tego przedsięwzięcia jest wypracowanie nowoczesnych bezinwazyjnych technik automatycznej kontroli procesów przemysłowych pod względem jakości i optymalizacji produkcji.
Zakres realizowanych badań w dziedzinie Tomografii Procesowej
Badania prowadzone w zakresie Tomografii Procesowej dotyczą przede wszystkim zastosowania TP w diagnostyce przepływów materiałów sypkich oraz ciekłych. Prace prowadzone są w następujących kierunkach:
- opracowywanie metodyki prowadzenia eksperymentów naukowych, pomiarów i analizy surowych danych pomiarowych, ang. Raw Data;
- konstrukcja i projektowanie pojemnościowych czujników pomiarowych, z uwzględnieniem dokładności pomiaru;
- tworzenie i modyfikacja algorytmów do konstrukcji oraz analizy obrazów;
- przetwarzanie i analiza tomograficznych danych pomiarowych oraz danych zrekonstruowanych;
-
bezprzewodowe metody transmisji danych diagnostycznych przemysłowych systemów produkcyjnych z użyciem surowych danych pomiarowym;
- trójwymiarowa elektryczna tomografia pojemnościowa;
- modyfikacja powszechnie stosowanych algorytmów konstrukcji obrazów mająca na celu polepszenie jakości i czasu uzyskiwanych wyników.
- pneumatycznym;
- grawitacyjnym;
- dwufazowym cieczy.
Realizowane projekty badawcze
W ramach współpracy naukowej m.in. z uniwersytetami brytyjskimi UMIST Manchester i University of Leeds, norweskim University of Bergen oraz niemieckim Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, naukowcy Instytutu realizują liczne projekty oraz wyjeżdżają na kilkumiesięczne staże. W zagranicznych jednostkach naukowych nasi pracownicy prowadzą wspólne, z partnerami zagranicznymi badania, dotyczące przede wszystkim diagnostyki oraz monitorowania procesów przemysłowych transportu pneumatycznego oraz składowania i opróżniania grawitacyjnego materiałów sypkich.Nie bez znaczenia jest również wspólna wymiana wymiana wiedzy.
W latach 2006 - 2010, naukowcy Instytutu koordynowali czteroletni międzynarodowy projekt na łączną kwotę około jednego mln € pt. „Development of Excellence in Non-Invasive Diagnostic System for Industrials and Scientific Applications” o akronimie: DENIDIA. Projekt był realizowany w ramach 6. Programu Ramowego - Mobility - Marie Curie Host Fellowships for the Transfer of Knowledge, na podstawie kontraktu zawartego z Commission of the European Communities – Research Directorate-General o nr. MTKD-CT-2006-039546.
Celem projektu było: „Uzyskanie doskonałości w badaniach naukowych i przemysłowych zastosowaniach bezinwazyjnych systemów diagnostycznych”.
Więcej szczegółów na temat prac prowadzonych w ramach tego projektu można znaleźć tutaj>>
W latach 2003-2006 naukowcy Instytutu uczestniczyli w międzynarodowym grancie „Industrial process gamma tomography” finansowanym przez International Atomic Energy Agency z Wiednia. Grant dotyczył zastosowania dwóch komplementarnych technik tomograficznych - tomografii gamma i elektrycznej tomografii pojemnościowej do badań złóż fluidalnych. W projekcie tym brały udział zespoły badawcze z USA, Wielkiej Brytanii, Norwegii, Polski, Brazylii, Malezji oraz Meksyku.
W latach 2003-2004, w Instytucie realizowano wraz z naukowcami z University of Leeds, oraz University of Manchester. projekt Spatial and Temporal Modelling for Electrical Capacitance Tomography, sponsorowany przez brytyjskie EPSRC.
Naukowcy Instytutu Informatyki Stosowanej brali także udział w grancie przyznanym przez Royal Society we współpracy z UMIST Manchester dotyczącym zastosowań tomografii procesowej: "Application of tomographic methods for modelling multi-phase flows".
Zastosowanie trójwymiarowej elektrycznej tomografii pojemnościowej do wyznaczania udziału faz oraz identyfikacji struktur w przepływach typu gaz-ciecz w rurociągach poziomych i pionowych”
“(projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki 4664/B/T02/2010/38)
Celem projektu było zbudowanie narzędzia posiadającego możliwośści nieinwazyjnego monitorowania i diagnozowania procesów przepływów dwufazowych mieszanin gaz-ciecz, które znajdują szerokie zastosowania w przemyśle budowlanym, spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym, rafineryjnym i wielu innych.
W ramach zrealizowanych prac badawczych dokonano oceny własnośści metrologicznych prototypowego systemu trójwymiarowej elektrycznej tomografii pojemnościowej w zastosowaniu do nieinwazyjnego wyznaczania udziału faz oraz identyfikacji struktur w przepływach dwufazowych mieszanin gaz-ciecz, w rurociągach pionowych i poziomych. Istota proponowanego rozwiązania polegała na zastosowaniu nowatorskiej, trójwymiarowej struktury czujnika pojemnośściowego o elektrodach wewnętrznych, systemu pomiarowego elektrycznej tomografii pojemnościowej ECT 3D oraz specjalizowanych algorytmów równoległego, szybkiego przetwarzania danych pomiarowych do wizualizacji wnętrza fragmentu przepływu mieszanin gaz-ciecz. Autorzy zastosowali w swoim systemie szereg nowych rozwiązań, które wymagały opracowania nowych algorytmów przetwarzających dane pomiarowe pochodzące z systemu trójwymiarowej elektrycznej tomografii procesowej. W wyniku prowadzonych badań opracowane zostały metody pozwalające na szybką rekonstrukcję obrazów tomograficznych 3D dobrej jakości. Dla tych potrzeb opracowano i zaimplementowano równoległą architekturę obliczeniowš łączaca w sobie technologie Nvidia CUDA oraz OpenCL. Opracowana architektura zapewnia radykalny wzrost szybkości obliczeń dzięki wykorzystaniu mocy układów procesorów graficznych. Zrekonstruowane tymi metodami obrazy zostały poddane procesowi identyfikacji struktur przepływu mieszanin gaz-ciecz przy pomocy algorytmów klasteryzacji rozmytej.
Przeprowadzone w trakcie realizacji niniejszego projektu multidyscyplinarne badania zaowocowały opracowaniem nowych nieinwazyjnych metod identyfikacji i wizualizacji struktur przepływów dwufazowych. Opracowane w ramach projektu techniki i algorytmy pozwalaja na szybka trójwymiarową wizualizację wnętrza rurociagów, w których zachodzą przepływy mieszanin gaz-ciecz, poprzez uzyskanie w krótkim czasie obrazów tomograficznych oraz ich szybką analizę i identyfikację. Tak wypracowana informacja diagnostyczna może być użyteczna w kontekście przemysłowych procesów monitorowania oraz sterowania przepływami mieszanin gaz-ciecz w systemach czasu rzeczywistego. Opracowana metoda identyfikacji i wizualizacji struktur, występujšcych w przemyśle przepływów dwufazowych, przy zastosowaniu systemu pomiarowego trójwymiarowej elektrycznej tomografii pojemnościowej, może znaleźć praktyczne zastosowanie w wielu gałęziach gospodarki, gdzie powszechnie wykorzystywane są procesy przepływowe mieszanin gaz-ciecz np.: w przemyśśle chemicznym, farmaceutycznym, wydobywczym, energetycznym, odlewniczym, spożywczym i wielu innych.
pojemność zbiornika pośredniego. napełnianie odbywa się w rytmie: napełnienie zbiornika pośredniego, otwarcie
zasuwy pneumatycznej zbiornik pośredni-zbiornik główny;
Zastosowanie instalacji transportu pneumatycznego i oprózniania grawitacyjnego materiałów sypkich
Trójwymiarowa (3D) metoda rekonstrukcji obrazów dla ECT
Rekonstrukcja obrazu w przemysłowych systemach elektrycznej tomografii pojemnościowej dotychczas opierała się na pomiarze realizowanym w jednej bądź kilku niezależnych płaszczyznach. Satysfakcjonujące wyniki wizualizacji uzyskiwano stosując rodzinę metod Projekcji Wstecznej realizowanych w jednym kroku bądź w schemacie iteracyjnym. W celu wizualizacji trójwymiarowej wnętrza przestrzeni procesu przemysłowego Zespół Tomografii Procesowej w Instytucie Informatyki Stosowanej PŁ zastąpił stosowaną do tej pory jednopierścieniową strukturę czujnika ECT nowatorskim, trójwymiarowym czujnikiem pojemnościowym, w którym pomiar pojemności realizowany jest pomiędzy wszystkimi elektrodami umieszczonymi w przestrzeni. Zmierzone pojemności zawierają przestrzenną informację o skanowanej przestrzeni procesu przemysłowego a obraz 3D wnętrza procesu przemysłowego można zbudować przy użyciu algorytmów konstrukcji obrazu 3D. Obrazy trójwymiarowe przedstawiające wnętrze procesu przemysłowego, pozwalają na ekstrakcję trójwymiarowych obiektów charakteryzujących się np. odmiennym kształtem geometrycznym, różnymi fazami skupienia czy też różną koncentracją materiału.
![]() |
![]() |
Inną ważną tematyką poświęconą elektrycznej tomografii pojemnościowej 3D są badania nad rozwojem nowych algorytmów nieliniowej rekonstrukcja obr azu i kształtów 3D. W ramach tych zagadnień prowadzone są prace nad poprawą efektywności oraz szybkości istniejących metod rekonstrukcji obrazu opartych na wokselach oraz węzłach siatki 3D. W Instytucie Informatyki Stosowanej PŁ prowadzone są również eksperymenty nad zastosowaniem mechanizmów obliczeń równoległych w procesie trójwymiarowej rekonstrukcji obrazu przy użyciu wielordzeniowych jednostek obliczeniowych oraz technologii Nvidia CUDA .
Kolejnym, nowym nurtem badań prowadzonych przez Zespół tomoKIS PŁ wraz z naukowcami z Uniwersytetu w Bath jest rekonstrukcja kształtów 3D dla tomografii ECT 3D w oparciu o metodę poziomic (ang. Level Set). Przykładowa rekonstrukcja obrazu oraz kształtu, uzyskana w oparciu o dane eksperymentalne, została zademonstrowana na poniższym rysunku.
Rekonstrukcja obrazu 3D Rekonstrukcja kształtu 3D
Trójwymiarowa tomograficzna wizualizacja
Współpraca krajowa i zagraniczna
Naukowcy z Instytutu Informatyki Stosowanej poza wymienionymi powyżej uczelniami zagranicznymi współpracują także
z naukowcami z Zakładu Elektroniki Jądrowej i Medycznej Politechniki Warszawskiej i Katedry Podstaw Budownictwa i Inżynierii Materiałowej Politechniki Gdańskiej.
7th World Congress on Industrial Process Tomography, Kraków, 2013
organizator
Instytut Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej.
Nagrody i wyróżnienia grupy tomoKIS
Więcej na temat licznych nagród zdobytych przez zespół tomoKIS można znaleźć tutaj>>
Redakcja:
Andrzej Romanowski
Krzysztof Grudzień
Radosław Wajman
Ostatnia modyfikacja:
2016-04-09 20:45:24,
Radosław Wajman