kontakt    mapa strony  
    polski   english

Tomografia procesowa

 

Zespół naukowców Instytutu Informatyki Stosowanej
zaangażowanych w prace grupy 'tomoKIS':
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:

  • projektowaniem nowych i modyfikacją istniejących algorytmów do konstrukcji obrazów tomograficznych;
  • opracowywaniem algorytmów przetwarzania i analiza tomograficznych danych pomiarowych oraz danych zrekonstruowanych (obrazów);
  • opracowaniem metod monitorowania stanu dynamicznych procesów przemysłowych;
  • bezprzewodowymi metodami transmisji danych diagnostycznych przemysłowych systemów produkcyjnych z użyciem danych pomiarowych;
  • trójwymiarową wizualizacją procesów przemysłowych na bazie elektrycznej tomografii pojemnościowej;
  • modelowaniem zjawisk przy użyciu m.in. metod stochastycznych oraz symulacji komputerowych;
  • projektowaniem środowisk obliczeniowych dla celów wykorzystania tomograficznych danych pomiarowych typu tzw. big data oraz wykorzystanie metod uczenia maszynowego w celu poszukiwania i ekstrakcji parametrów z danych eksperymentalnych.

 


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.

 

Tablica Pamiatkowa ku pamięci profesora Tomasza Dyakowskiego

 

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.

foto tomograf ET3
  • 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:

  1. serwer tomoKIS: 2 x Intel Xeon Quad 2.33Ghz, 16 GB RAM, 1x GPU ATI Radeon 4850
    (teoretyczna moc obliczeniowa: 1 TFlop)
  2. 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)
  3. 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.
Badania prowadzone są w zakresie zjawisk zachodzących przepływach:
  • 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. 

 

Bezprzewodowe metody transmisji danych diagnostycznych przemysłowych systemów produkcyjnych z użyciem surowych danych pomiarowym
 
Nadzór przemysłowych procesów prowadzony jest zdalnie z użyciem tablic synoptycznych. Typowo realizowane jest to poprzez dedykowane zestawy konsol operatorskich. Obecnie specyfika zarządzania tego typu systemami wymaga rozpraszanie zarządzania procesem zarówno ze względu na lokalizację i mobilny personel techniczny. Istotne jest stąd wypracowywanie  metod uwzględniających zdefiniowane wymagania. Proponowane przez naukowców z IIS rozwiązanie bazuje na wirtualnych tablicach synoptycznych dostępnych zarówno na ekranach komputerów stacjonarnych, jak i przenośnych tabletów i PDA. ¦rodowisko zarządzania  wykonane jest z użyciem graficznego środowiska programistycznego LabVIEWTM. ¦rodowisko to umożliwia realizację oprogramowania komunikującego się między urządzeniami w oparciu o nowoczesne, wszechogarniające i innowacyjne w sensie zastosowań w przemyśle, technologie bezprzewodowe.
 
 
Schemat instalacji przemysłowej transportu pneumatycznego i oprózniania grawitacyjnego materiałów sypkich
 
 
 
Zdjęcia zbiorników na materiały sypkie
 
 
Rozwiązanie takie wspomaga łatwiejsze zarządzanie aparaturą sterującą i pomiarową rozproszoną w wielu punktach instalacji. Jednocześnie pozwala naukowcom oraz inżynierom procesów na swobodę poruszania się po hali produkcyjnej, czy wręcz nadzorowanie działania instalacji spoza jej najbliższego otoczenia. Dzięki takiemu rozwiązaniu personel techniczny (ang. maintenance staff) zyskuje możliwość kontrolowania systemu, wszędzie tam gdzie jest dostęp do sieci Wi-Fi, bądź GSM, poprzez połączenia sieciowe – interfejs www, e-mail lub komunikaty SMS.
 
   
 
Przykładowe zrzuty ekranowe wirtualnych tablic synoptycznych dla komputera PC i PDA
 
 
Wirtualne tablice, identycznie jak ich fizyczne odpowiedniki, mogą być wyposażone w elementy aktywne (diody sygnalizacyjne i kontrolki dźwiękowe, wyświetlacze tekstowe i graficzne, itp.) regulacyjne i sterownicze. Algorytmy sterowania ręcznego, jak i automatycznego dotyczą zagadnień związanych z przetwarzaniem danych, pozyskiwanych z różnorodnych czujników rozmieszczonych w kluczowych węzłach instalacji. Nadzór i sterowanie odbywa się w zakresie pozyskiwanych i przetwarzanych danych oraz parametrów urządzeń wykonawczych automatyki, takich jak siłowniki zasuw, pompy nawiewne i obrotowe przepływu, itd. Podstawową / główną cechą użycia metod bezprzewodowych jest pozyskiwanie najważniejszych informacji o procesie i stanie instalacji w czasie rzeczywistym przez osoby mające strategiczne znaczenie w procesie zarządzania i nadzoru technicznego.
 
Sterowanie w instalacji możliwe jest w następującym zakresie:
- podczas napełniania zbiornika kontrolowany jest stan zamknięcia otworu wylotowego (dół);
- włączana są pompy systemu napełniania. Proces ten jest prowadzony pulsacyjnie, ze względu na mniejszą
  pojemność zbiornika pośredniego. napełnianie odbywa się w rytmie: napełnienie zbiornika pośredniego, otwarcie
  zasuwy pneumatycznej zbiornik pośredni-zbiornik główny;
- kontrola poziomu otwarcia otworu wylotowego podczas opróżniania silosu.
 
Bezprzewodowe monitorowanie procesu i instalacji obejmuje:
- podglądu stanu poszczególnych czujników i prezentacja w postaci tekstowej bądź graficznej (charts);
- podgląd obrazu z otoczenia silosu.

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.

Rezultaty wizualizacji trójwymiarowej przepływu grawitacyjnego materiałów sypkich oraz przepływu ciecz/gaz, przy zastosowaniu elektrycznej tomografii pojemnościowej 3D, zostały przedstawione na poniższym rysunku:

Etapy Opróżniania Zbiorników na materiały sypkie

  

Najnowsze badania poświęcone rozwojowi trójwymiarowej tomografii pojemnościowej prowadzone są między innymi w dziedzinie nieinwazyjnej inspekcji materiałów i obiektów o właściwościach dielektrycznych (ang. non-destructive inspection of dielectric media) pod kątem poszukiwania defektów w ich strukturze. Na poniższym rysunku zaprezentowano przykładowe wyniki detekcji defektów w materiale o właściwościach dielektrycznych. Uzyskane rezultaty badań uzyskano przy współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Bath w Wielkiej Brytanii .

Rekonstrukcja 3D

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.

WCIPT7

 

Nagrody i wyróżnienia grupy tomoKIS

Więcej na temat licznych nagród zdobytych przez zespół tomoKIS można znaleźć tutaj>>

powrót do góry


Redakcja:
Andrzej Romanowski
Krzysztof Grudzień
Radosław Wajman

Ostatnia modyfikacja:
2016-04-09 20:45:24, Radosław Wajman