بعد الحرب العالمية الثانية ، ضخت حكومات الدول المختلفة أموالاً ضخمة في تحديث وإنشاء البنية التحتية: الطرق السريعة والجسور والسكك الحديدية. لقد مر أكثر من نصف قرن منذ ذلك الحين ، وكل هذا الإرث الخرساني الإسفلتي يبدأ تدريجياً في الانهيار ، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية وحتى إصابات بشرية ، وهو مكلف وطويل وغير فعال في وضع رجال تعقب بأجهزة الكشف عن الخلل في جميع الأطراف. نقول كيف يقترح العلماء الاستماع ، واللمس والأقران في البنية التحتية للطرق من أجل حل مشكلة الشيخوخة.
وفقًا للبنك الدولي ، تعد الطرق اليوم هي أقل عناصر البنية الأساسية استثمارًا على هذا الكوكب. مقارنة بالموانئ والسكك الحديدية والشبكات الكهربائية وأنظمة إمدادات المياه والاتصالات السلكية واللاسلكية والمطارات ، يتم ضخ أموال أقل بكثير في هذا القطاع أكثر من اللازم. يعتقد المحللون أن شبكة الطرق في العالم بحلول عام 2040 ستحصل
على أقل من 8 تريليونات دولار اللازمة لتحديثها وتطويرها.
هذا يعني أن الطرق ، وكذلك إنشاءات الطرق (الجسور والجسور والأنفاق) سيتم تدميرها إذا لم نتوصل إلى وسائل أكثر كفاءة واقتصادية لخدمة هذه الطرق. مراقبة الصحة الهيكلية (SHM) هي الآن واحدة من الصناعات الأكثر كثافة والمواد كثيفة العمالة.
نحن في عداد المفقودين:
- الأشخاص ، لأن طول البنية التحتية يجعل من المستحيل تشخيص حالتها بفعالية عبر الأجهزة المحمولة بمشاركة شخصية من المتخصصين ؛
- التكنولوجيا ، لأن معدات الكشف عن العيوب نفسها تتلاشى بسرعة ، ولكنها مكلفة للغاية في نفس الوقت ؛
- الوقت ، لأنه من خلال الوسائل ، من المستحيل ضمان التكرار اللازم لعمليات التفتيش ، حتى لا تفوت أي صدع جديد في العمود الذي سبق رؤيته في الجسر.
أي اتجاه للذهاب؟ المتجه العام هو كما يلي: يجب أن تكون أدوات SHM صغيرة ، متعددة ، رخيصة ، آلية ، مترابطة ونائية ، ويجب أن يستمر تدفق التحليلات منها. بمعنى آخر ، يجب أن تغطي ثورة إنترنت الأشياء أيضًا مجال SHM ، حيث توجد العديد من أجهزة الاستشعار وممارسات جمع البيانات ، ولكن لا توجد قاعدة اتصال لذلك. ما هي وسائل مراقبة الطرق والهياكل التي يجب دمجها في إنترنت الأشياء؟ كيف تبدو؟ نعرض مثالاً من ممارسة توشيبا وزملائنا من البلدان الأخرى.
استمع: مجسات صوتية في الجسور والأنفاق في اليابان
في عام 2012 ، انهار قوس أحد أنفاق الطرق العديدة في اليابان. انهار سقف يبلغ ارتفاعه 30 متراً على نفق بطول 4 كيلومترات على السيارات المارة. كما أظهر الفحص لاحقًا ، كان السبب هو شيخوخة المباني التي لم يتم خدمتها بشكل صحيح منذ السبعينيات. في بلد جبلي ، حيث يوجد أكثر من 150 ألف من الجسور والأنفاق ، يجب عدم السماح بهذه الحوادث. علاوة على ذلك ، بحلول عام 2033 ، سيحتفل حوالي 63٪ من المباني من هذا النوع بالذكرى السنوية الخمسين أو أكثر.
طورت شركة Toshiba Corporation مع جامعة كيوتو تقنية للتحليل الصوتي للهياكل الخرسانية لتصور العيوب الداخلية لعناصر الجسر. يعتمد على الانبعاثات الصوتية ، أي موجات الضغط التي تحدث أثناء العمليات الديناميكية في مواد مختلفة. ببساطة ، أي تدمير يولد الصوت (الأمواج الصوتية) ، على سبيل المثال ، فرع شجرة ينكسر قبل السقوط. بالطبع ، لا يمكن اكتشاف كل هذه الموجات بالأذن العارية ، لذلك فإن أجهزة استشعار خاصة "تسمع" الصوت.
يمكن وضع مجسات الانبعاث الصوتي على طول هيكل الجسور والأنفاق والهياكل الأخرى بالكامل. يمكن الحصول على القياس عن بُعد وتحليله بشكل مستمر تقريبًا ، والتدخل في حركة المرور غير مطلوب تقريبًا. المصدر: قناة توشيبا يوتيوب
تنعكس الأضرار الداخلية للمادة في نمط الموجة ، مما يتيح لك أن تفهم تمامًا مكان وجود الكسر أو الكسر أو الفراغات وما إلى ذلك في البلاطة الخرسانية علاوة على ذلك ، يمكن لشدة الصوت أن تتنبأ بمعدل التدمير الإضافي للمادة ومصدرها. في هذه الحالة ، لا نحتاج إلى التأثير فعليًا على الخرسانة أو قطع أي عينات للدراسة - كل شيء يمر في إطار تقنية الاختبار غير المدمرة ، التي
تحدثنا عنها بالفعل ، بالمناسبة.
من خلال تلوين شدة الانبعاث الصوتي ، يمكن للمرء أن يفهم في أي جزء من الهيكل الخرساني هناك بالفعل أخطاء كبيرة ، حيث يمكن أن تظهر ، وحيث لا تزال المادة تحافظ على سلامتها. المصدر: توشيبا
يمكن توصيل المستشعرات بشبكة ، متصلة بأنظمة تحديد الموقع الجغرافي ، ويمكن تحليل البيانات التي تم جمعها في مركز معالجة البيانات في وضع بعيد ، باستخدام شبكات طويلة المدى موفرة للطاقة (LPWAN ، BLE) ، وكذلك 5G ، للاتصال. ليست هناك حاجة لتجاوزات ، ويمكن أن تستمر المراقبة بشكل مستمر تقريبًا. صحيح أن الحاجة إلى مثل هذا التحليل الشامل في حالة الخرسانة ، والتي أثبتت متانتها منذ أيام روما القديمة ، ليست موجودة دائمًا ، وهو أمر لا يمكن قوله عن سطح الطريق - العنصر الأكثر ضعفًا في البنية التحتية.
المس: حساسات اهتزاز على autobahns الألمانية
كما تعلمون ، في ألمانيا واحدة من أطول شبكات الطرق الوطنية في العالم ، ومن المنطقي أن هذا الاقتصاد ليس من السهل العناية به. بحلول عام 2030 ، تعتزم حكومة البلاد إنفاق 270 مليار يورو على الإصلاحات وبناء خطوط اتصال جديدة ، منها 69 ٪ ستذهب لتحديث البنية التحتية القائمة. سيتم إنفاق نصف الأموال المخصصة على الطرق ، وهذا أمر صعب للغاية معها: فقط 177 كم من الطرق تخضع لتحليل تشخيصي متكرر في ألمانيا ، في حين أن 505 كم غير منتظمة. في الوقت نفسه ، يبلغ الطول الإجمالي للأوتوباهن وحدها 13 ألف كم. من الواضح ، لا يمكنك التجول في جميع هذه الكيلومترات ، ولا يمكنك التجول في السيارات التشخيصية الخاصة. لذلك ، اقترحت مجموعة من العلماء من معهد كارلسروه للتكنولوجيا حلاً أصليًا - لتحويل السيارات الشخصية للألمان العاديين إلى سيارات تشخيصية.
لهذا ، اقترح المهندسون تزويد الآلات بأدوات قياس رخيصة الثمن - جهاز استشعار بالقصور الذاتي مع وحدة GPS. يقع مستشعر القصور الذاتي بالقرب من مركز ثقل السيارة. كما تقوم مسجلات التسارع والسرعة الزاوية بجمع البيانات عند نقطة جغرافية محددة. يمكن نقل المعلومات التي تم جمعها تلقائيًا إلى الخادم عبر Wi-Fi بمجرد عودة السيارة إلى موقف السيارات - وهذا إذا كان مالك السيارة لا يريد أن يتم تسجيل جغرافية حركته وتخزينها بطريقة أو بأخرى. ومع ذلك ، إذا كان مشغل المراقبة قادرًا على ضمان سلامة البيانات ، ولم يكن صاحب الجهاز مهتمًا ، فيمكن دمج المستشعر بالقصور الذاتي ووحدة GPS في نظام IoT البيئي. سيتيح لك ذلك تلقي معلومات حول حالة الطرق في الوقت الفعلي. على سبيل المثال ، إذا تشكلت صدع على الطريق بسبب الانهيار الأرضي ، فسوف يعرف مشغل شبكة الطرق عن ذلك حالما يمر أول جهاز متصل بالنظام فوق الكراك. ثم ، استنادًا إلى خوارزمية التعلم الآلي والإحصائيات المحسوبة من اهتزازات وديناميكية السيارة ، يمكن للنظام تصنيف خصائص الطريق وتقييم حالتها.
الشيء الرئيسي هو وضع جهاز الاستشعار بشكل صحيح ، وإلا سيتم قراءة البيانات بشكل غير صحيح. المصدر: Masino، J.، Frey، M.، Gauterin، F.، & Sharma، R. (2016). تطوير جهاز قياس دقيق للغاية ومنخفض التكلفة للاختبارات التشغيلية الميدانية. 2016 ندوة IEEE الدولية على أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي والنظم.
في الواقع ، تتحول السيارة إلى جهاز محمول ، والذي "يشعر" بسطح الطريق لتحقيق توازنه. كلما زادت قوة الاهتزاز ، زادت جودة الطريق. إن تجهيز جزء صغير نسبيًا من السيارات سيمكّن من تغطية معظم الطرق الألمانية بالتشخيصات. هذه التقنية مثالية لطريق سريع مجهز تجهيزًا جيدًا في ألمانيا ، ولكن في روسيا ، حيث أهمية السكك الحديدية كبيرة ، يتم استخدام تقنية أخرى.
نلقي نظرة فاحصة: أجهزة استشعار الألياف البصرية والسكك الحديدية في روسيا
تحتل روسيا المرتبة الثالثة في العالم من حيث طول خطوط السكك الحديدية بعد الولايات المتحدة والصين - حيث تبلغ مساحتها 85 ألف كيلومتر (أكثر بقليل من خطي الأرض). في الوقت نفسه ، تمر معظم خطوط السكك الحديدية في أماكن يصعب الوصول إليها في ظل ظروف مناخية وجغرافية صعبة ، مما يجعل البنية التحتية تتدهور بشكل أسرع من البلدان الأخرى.
تتبع السكك الحديدية في روسيا ليس بالأمر السهل ، لأنه يتطلب الكثير من معدات الكشف عن الخلل ، في الواقع ، القطارات المتخصصة مجهزة بالعديد من أجهزة الاستشعار. سرعتها منخفضة ، وتكلفة عالية ، لذلك لا يمكنهم إعطاء تدفق مستمر للمعلومات. وأصبحت السيارات التشخيصية نفسها بالية بسرعة: بحلول عام 2020 ، سيصل تآكل هذا الجهاز إلى 84٪.
كيفية استبدالها؟ يقدم مهندسو الشركة الروسية Laser Solutions مراقبة حالة السكك الحديدية من خلال أجهزة استشعار الألياف البصرية الموزعة. لقياس التغيرات البيئية ، تنتقل إشارة الضوء عبر كابل الألياف الضوئية. نظرًا لأن سرعة الضوء في الألياف الضوئية معروفة ، فإن التأخير الزمني بين إدخال النبضة وتسجيل وصولها إلى نقطة النهاية قد يشير إلى تأثيرات فعلية على الكبل - درجة الحرارة والتشوه والاهتزاز والاهتزازات الصوتية. أنها تغير محليا خصائص أصل الضوء. وبالتالي ، يتحول كابل الألياف الضوئية إلى مستشعر طويل ، وهو "يعتني" بكائن البنية التحتية بطول كامل طوله. يمكن حفر هذا الكبل ، على سبيل المثال ، في القاعدة الترابية لمسار السكة الحديدية - وهو جزء ضعيف من البنية التحتية للسكك الحديدية ، لأن حركات التربة المستمرة تبلى وتنهار الطريق. في المقاطع الحرجة من المسارات ، توضع أجهزة استشعار تشوه الألياف البصرية ودرجة الحرارة في الطبقة الفرعية. يراقب مستشعر التشوه حركة التربة ، ومستشعر درجة الحرارة ضروري لعمليات ذوبان الأرض الموسمية.
حتى الآن ، لا يتجاوز طول مقاطع السكك الحديدية التي تسيطر عليها أجهزة استشعار الألياف البصرية 60 كم ، وذلك لأسباب اقتصادية بحتة ومعروفة - حفر كابل عالي التقنية حيث يمكن حتى سرقة الأسلاك النحاسية محفوفة بالعواقب السلبية.
في نفس الوقت ، يجب أن نفهم أننا في هذا وفي التقنيات الموضحة أعلاه ، نقوم بإنشاء بنية أساسية منفصلة لمراقبة البنية التحتية للنقل البري ، والتي تتطلب أيضًا صيانة - جمع ومعالجة المعلومات وتفسير البيانات والاستجابة. في يوم من الأيام ، سوف يتعين تغيير هذه الشبكة الموازية من أجهزة الاستشعار والكابلات ومراكز البيانات. للخروج من هذه العودية التكنولوجية ، نحتاج إلى تعليم الشفاء الذاتي للبنية التحتية.
"شفاء نفسك!"
في السنوات الأخيرة ، حاول العلماء تطوير مواد بناء جديدة يمكن استعادتها (تقريبًا) بمفردهم. لذلك ، في جامعة دلفت للتكنولوجيا (هولندا) خلقت الإسفلت ، والتي يمكن معالجتها بالتسخين التعريفي. الإسفلت هو عبارة عن مزيج من الحصى والرمل ، والذي يلتصق ببعضه بعضًا من البيتومين السميك واللزج. تدريجيا ، تحت تأثير التآكل والأكسدة ودرجة الحرارة والضغط الجسدي ، يختفي هذا "الغراء" ، وبعد ذلك يتشقق الإسفلت ويصبح بعد ذلك مغطى بالثقوب. اقترح الهولنديون إضافة رقائق رقيقة من الصلب إلى البيتومين ، ثم تسخينها من وقت لآخر باستخدام الحث المغناطيسي باستخدام آلة طريق خاصة. في الوقت نفسه ، يمتص البيتومين الحرارة ويستعيد اللزوجة ، ويثبت عناصر الإسفلت. وفقًا للعلماء ، ستضاعف طريقة صيانة الإسفلت هذه مدة حياتها.
ولكن كجزء من دورة العلاج للخرسانة ، يقترح بعض العلماء تعيين بكتيريا خاصة - الكائنات الحية الدقيقة التي تقلل الكبريتات. يمكن زرعها في الخرسانة في مرحلة البناء والبقاء في الرسوم المتحركة مع وقف التنفيذ حتى يتغير الموائل ، على سبيل المثال ، حتى تظهر الشقوق الصغيرة. ثم تخرج هذه البكتيريا من السبات ، وتبدأ في التكاثر وإنتاج كربونات الكالسيوم وغيرها من المواد التي تحتفظ بالخرسانة المتفتتة.
لذلك ، فإن دمج جميع أجهزة الاستشعار المذكورة أعلاه في النظام الإيكولوجي لإنترنت الأشياء في المستقبل سوف يسمح لنا لجعل المراقبة مستمرة حقا ، والتي تقضي عمليا أو تقلل بشكل كبير من احتمال وقوع الحوادث التكنولوجية ، وتقلل من تكاليف الصيانة وبناء مرافق البنية التحتية الجديدة ، وكذلك تؤدي إلى إطلاق ل مهام أكثر إثارة للاهتمام لعشرات الآلاف من صانعي الطريق الشرطي في جميع أنحاء العالم.