F² – Fibre for the Future

Hvorfor fiberoptisk sensing?

Fiberoptisk sensing (FOS) gjør en fiberoptisk kabel til en sammenhengende rekke av sensorer. Den måler tøyning (hvor mye kabelen strekkes), vibrasjon og temperatur med høy oppløsning over lange avstander.

To hovedvarianter brukes i geoteknisk overvåking: Distributed Acoustic Sensing (DAS), som registrerer vibrasjoner langs kabelen, og Distributed Strain Sensing (DSS), som måler tøyning langs kabelen. FOS er brukt til å oppdage tidlige bevegelser i skråninger, studere skred, følge grunnens bevegelser under tunneldriving, overvåke rørledninger, fundamenter og fyllinger, og følge setninger og hevinger i grunnen, underjordisk CO₂-lagring og geotekniske laboratorieforsøk.

Hva vet vi ikke ennå?

Innen geoteknikk er FOS fortsatt nytt, særlig i Norge, og det er viktige kunnskapshull. Et av de største er hvor godt fiberen er koblet til jorda rundt. I kornete materialer som sand og grus kan koblingen variere og gi store usikkerheter i målingene. Vi trenger også bedre forståelse av hvordan ytre forhold påvirker datakvaliteten, hvordan dataene bør tolkes, og hvordan FOS kan kalibreres og valideres mot tradisjonelle geotekniske målinger.

Kostnad er en annen faktor. Særlig DAS er dyrt, og forholdet mellom kostnad og nytte må forstås bedre.

Hva gjør F²?

F² er et anvendt forskningsprosjekt. Målet er å løfte teknologimodenheten (Technology Readiness Level, TRL) til FOS, et mål på hvor moden en teknologi er, slik at den kan brukes bredt i geotekniske prosjekter.

Prosjektet arbeider fra laboratoriet til felt, med modellering på flere skalaer, KI og maskinlæring i dataanalysen, nye sensorteknologier, laboratoriekarakterisering og feltstudier. Det skal etablere beste praksis for valg og installasjon av fiber, kalibrering, og validering og tolkning av data, særlig i kornete materialer.

Hva er nytt?

F² skal bryte ny mark på fem områder:

• modeller for hvordan fiberoptiske sensorer samvirker med kornet jord (AP1);
• 3D-formmåling («shape sensing») i grunnen, som måler hvordan grunnen deformeres i tre dimensjoner (AP2);
• maskinlæring som oppdager avvik og forutsier brudd ved å gjenkjenne svake forvarsler i FOS-data (AP3);
• lavfrekvent DAS ved et aktivt avgangsanlegg, kombinert med andre overvåkingsmetoder (AP4);
• et nytt pH-følsomt system for distribuert kjemisk sensing som skal overvåke mulig spredning av forurensning i grunnvann (AP5).

Hvem har nytte av det?

For gruveselskaper kan kontinuerlig og detaljert FOS-overvåking av tilstanden i en avgangsdam (for eksempel deformasjon og vanninnhold) og av lekkasje (grunnvannets pH) gi bedre grunnlag for risikovurderinger og beslutninger om utforming, drift og nedleggelse. Det kan bidra til å redusere risiko for mennesker, infrastruktur og miljø, og kommer lokalsamfunn nedstrøms til gode.

Kunnskapen fra F² kan også brukes i andre overvåkingsoppgaver, blant annet skred, tunneler, utgravinger og infrastruktur på land og til havs.

Forskningsspørsmål

F² er bygd rundt tre forskningsspørsmål:

• Hvilke geotekniske parametere kan vi nøyaktig utlede fra FOS, for eksempel deformasjon, stivhet, fuktighet, miljøforurensning eller væskelekkasje? Hva fiberen måler, avhenger av jorda, kabelen og hvordan den installeres. Prosjektet utformer derfor forsøk som isolerer og kvantifiserer samspillet mellom jord og fiber.
• Hvordan kan disse parameterne brukes i prediktive geotekniske modeller for å øke sikkerheten? Det krever metoder for analyse av FOS-data, maskinlæring og datafusjon som kan håndtere de store datamengdene fra DAS. I feltstudiene skal endringer i vanninnhold og poretrykk utledes fra endringer i seismisk hastighet eller lavfrekvent DAS-tøyning. Prosjektet sammenligner også kostnad og nytte ved FOS med tradisjonell overvåking.
• Hvordan kan ny teknologi gjøre FOS enda mer nyttig for geoteknisk overvåking? FOS er følsom for tøyning, så prosjektet leter etter nye måter å «tøye fiberen» på som svar på omgivelsene. Et eksempel er pH-måling i grunnvann, der polymermaterialer overfører en endring i det kjemiske miljøet til fiberen (AP5).

Arbeidspakker

Prosjektet har seks arbeidspakker.

AP1 – Fysiske og numeriske modeller for samspillet mellom jord og fiber
Leder: Stefan Ritter, NGI

Utvikler fysiske og numeriske modeller for hvordan fiberoptiske kabler og jord samvirker. Koblingsforsøk i laboratoriet varierer forhold som effektivspenning, metning, kabeltype og -orientering og jordtype, og resultatene sammenlignes med modellene. Arbeidspakken utvikler også verktøy for å kalibrere modellene og modellerer fysisk brudd i en avgangsdam for å lage kontrollerte testdata til maskinlæringen i AP3.

AP2 – Formmåling på kort rekkevidde
Leder: Henrik Meland, NGI

Utvikler 3D-formmåling i grunnen sammen med Nerve-Sensors. Arbeidspakken undersøker hvordan den romlige oppløsningen på tøyningsmålingene påvirker hvor nøyaktig deformasjonsformen kan rekonstrueres, i laboratoriet og i felt, og utvikler prosesserings- og tolkningsmetoder for 3D-overvåking av grunndeformasjoner.

AP3 – Dataanalyse og tolkning
Leder: Ingeborg Gjerde, NGI

Bruker maskinlæring i tillegg til klassiske analysemetoder for å hente ut meningsfull informasjon fra FOS-data. Utvikler og validerer rutiner for databehandling og maskinlæringsmodeller for avviksdeteksjon, og samler verktøyene i en Python-samling.

AP4 – Lang rekkevidde: avgangsdam
Leder: Luca Piciullo, NGI

Vurderer hvordan distribuert FOS fungerer ved et aktivt avgangsanlegg, i samarbeid med Lumidas LLC. Omfatter gjentatt seismisk avbildning av dammen med DAS (tidsutviklende overflatebølgetomografi), analyse av tradisjonelle geotekniske overvåkingsdata og sammenligning av FOS-data med geotekniske og hydrauliske parametere.

AP5 – Distribuert kjemisk sensing: avgangsanlegg
Leder: Christian Totland, NGI

Utvikler og tester en ny pH-følsom fiberoptisk sensor for grunnvann, basert på polyelektrolytter som endrer oppførsel med pH. Omfatter laboratorietesting, kalibrering og tolkningsmetoder, og et planlagt feltforsøk ved de gamle Båsmo-avgangsmassene i Mo i Rana.

AP6 – Prosjektledelse
Prosjektleder: Benjamin Lange, NGI. Teknisk leder: Dylan Mikesell, NGI

Koordinerer prosjektet administrativt og faglig.

Hvorfor gruveavgang?

Avgangsmasser er det finkornete avfallet som blir igjen etter at malm er bearbeidet, og de lagres ofte bak dammer. Hver fase i en gruve, fra bygging og deponering til nedleggelse, krever en helhetlig tilnærming til overvåking for å sikre langsiktig damstabilitet og begrense miljøpåvirkningen. De to feltstudiene i F² handler om avgangsmasser og skal vise hvordan FOS kan brukes til å redusere risiko. Ulike FOS-teknologier testes for å vise potensialet.

Aktivt avgangsanlegg, Canada (AP4)

I samarbeid med Lumidas LLC vurderer prosjektet lavfrekvent DAS og andre FOS-metoder ved et aktivt avgangsanlegg i Canada. Målet er å kombinere dem med andre overvåkingsmetoder for å få en helhetlig forståelse av hvordan dammen oppfører seg.

Gamle Båsmo-avgangsmasser, Mo i Rana (AP5)

En pH-følsom fiberoptisk sensor skal testes i felt ved de gamle Båsmo-avgangsmassene i Mo i Rana. Målet er å overvåke mulig spredning av forurensning i grunnvann og bidra til langsiktig miljøsikkerhet.

Partnere

Lumidas LLC (Calgary, Canada): En oppstartsbedrift som arbeider for å senke terskelen for å ta i bruk FOS til geoteknisk overvåking av kritisk infrastruktur. Lumidas samarbeider med NGI om avgangsdammen (AP4).

Nerve-Sensors (Kraków, Polen): Et innovasjonsselskap som utvikler og produserer skreddersydde FOS-kabler for store infrastrukturprosjekter og geotekniske anvendelser. Kablene er utformet for best mulig tøyningsoverføring fra jord til fiber, og selskapet utvikler også kabler for formmåling i felt. Nerve-Sensors samarbeider med NGI om formmåling (AP2).

Oslo Metropolitan University (OsloMet): Tre av prosjektdeltakerne har delt stilling mellom NGI og OsloMet.

Resultater og oppdateringer

F² skal publisere resultatene i fagfellevurderte tidsskrifter og presentere dem på relevante konferanser. Prosjektet har også som mål å bidra til nye standarder og retningslinjer for geoteknisk testing med FOS. Etter hvert som prosjektet skrider frem, finner du publikasjoner og nyheter fra prosjektet på denne siden.