Nach dem Zweiten Weltkrieg haben Regierungen verschiedener Länder riesige Mittel in die Modernisierung und Schaffung von Infrastruktur gesteckt: Autobahnen, Brücken, Eisenbahnen. Seitdem ist mehr als ein halbes Jahrhundert vergangen, und all dieses Erbe aus Asphaltbeton beginnt allmählich zu bröckeln, was zu wirtschaftlichen Verlusten und sogar zu menschlichen Verlusten führt. Es ist teuer, langwierig und ineffektiv, Trackmen mit Fehlerdetektoren an alle Enden zu bringen. Wir erzählen, wie Wissenschaftler vorschlagen, die Straßeninfrastruktur zu hören, zu berühren und zu betrachten, um das Problem ihrer Alterung zu lösen.
Nach Angaben der Weltbank sind Straßen heute das am wenigsten investierte Infrastrukturelement auf dem Planeten. Im Vergleich zu Häfen, Eisenbahnen, Stromnetzen, Wasserversorgungssystemen, Telekommunikation und Flughäfen fließt viel weniger Geld in dieses Segment als nötig. Analysten gehen davon aus, dass das Straßennetz des Planeten bis 2040
weniger als 8 Billionen US-Dollar erhalten wird, die für seine Modernisierung und Entwicklung benötigt werden.
Dies bedeutet, dass Straßen sowie Straßenkonstruktionen (Überführungen, Brücken, Tunnel) zerstört werden, wenn wir keine effizienteren und wirtschaftlicheren Mittel für deren Wartung finden. Structural Health Monitoring (SHM) ist heute eine der material- und arbeitsintensivsten Branchen.
Wir vermissen:
- Menschen, weil die Länge der Infrastruktur so groß ist, dass es unmöglich ist, ihren Zustand mit mobilen Mitteln unter persönlicher Beteiligung von Spezialisten effektiv zu diagnostizieren;
- Technologie, weil die Fehlererkennungsausrüstung selbst schnell abgenutzt ist, aber gleichzeitig sehr teuer ist;
- Zeit, denn mit den Mitteln ist es unmöglich, die notwendige Häufigkeit der Inspektionen sicherzustellen, um keinen neuen Riss in der bereits gesehenen Spalte der Überführung zu verpassen.
In welche Richtung? Der allgemeine Vektor lautet wie folgt: SHM-Tools sollten klein, zahlreich, billig, automatisiert, miteinander verbunden und entfernt sein, und der Analysefluss von ihnen sollte kontinuierlich sein. Mit anderen Worten, die IoT-Revolution sollte auch die SHM-Sphäre abdecken, in der es viele Sensoren und Datenerfassungspraktiken gibt, für die es jedoch keine Kommunikationsbasis gibt. Welche Mittel zur Überwachung von Straßen und Strukturen müssen in das Internet der Dinge integriert werden? Wie sieht es aus? Wir zeigen ein Beispiel aus der Praxis von Toshiba und unseren Kollegen aus anderen Ländern.
Hören Sie: Akustische Sensoren in Brücken und Tunneln in Japan
2012 stürzte der Bogen eines der vielen Straßentunnel in Japan ein. Ein 30 Meter langer Deckenabschnitt in einem 4 Kilometer langen Tunnel stürzte bei vorbeifahrenden Autos ein. Wie die Untersuchung später ergab, war der Grund die banale Alterung von Bauwerken, die seit den 1970er Jahren nicht mehr ordnungsgemäß gewartet wurden. In einem Gebirgsland mit mehr als 150.000 Brücken und Tunneln sollten solche Unfälle nicht zugelassen werden. Darüber hinaus werden bis 2033 etwa 63% der Bauwerke dieser Art ihr fünfzigjähriges oder noch mehrjähriges Bestehen feiern.
Die Toshiba Corporation hat zusammen mit der Universität von Kyoto eine Technologie zur akustischen Analyse von Betonstrukturen entwickelt, um interne Defekte von Brückenelementen sichtbar zu machen. Es basiert auf Schallemissionen, dh Spannungswellen, die bei dynamischen Prozessen in verschiedenen Materialien auftreten. Einfach ausgedrückt, jede Zerstörung erzeugt Schall (Schallwellen), wie zum Beispiel einen Ast, der vor einem Sturz bricht. Natürlich können weit entfernt von all diesen Wellen mit dem bloßen Ohr gefangen werden, daher „hören“ spezielle Sensoren den Schall.
Schallemissionssensoren können entlang der gesamten Struktur von Brücken, Tunneln und anderen Strukturen platziert werden. Telemetrie kann fast kontinuierlich abgerufen und analysiert werden, und Eingriffe in den Verkehr sind fast nicht erforderlich. Quelle: Toshiba YouTube-Kanal
Interne Schäden am Material spiegeln sich im Wellenmuster wider, sodass Sie genau verstehen können, wo in der Betonplatte Risse, Brüche, Hohlräume usw. vorhanden sind. Darüber hinaus kann die Schallintensität die Geschwindigkeit der weiteren Zerstörung des Materials und seiner Quelle vorhersagen. In diesem Fall müssen wir nicht physisch auf Beton einwirken oder Proben für das Studium herausschneiden - alles läuft im Rahmen der zerstörungsfreien Prüftechnik ab, über die wir übrigens
bereits gesprochen haben .
Durch Färben der Intensität der Schallemission kann man verstehen, in welchem Teil der Betonstruktur bereits große Fehler vorliegen, wo sie auftreten können und wo das Material noch seine Unversehrtheit behält. Quelle: Toshiba
Die Sensoren können mit einem Netzwerk verbunden werden, das mit Geolokalisierungssystemen verbunden ist, und die gesammelten Daten können in einem Datenverarbeitungszentrum in einem Remote-Modus unter Verwendung energieeffizienter Fernnetze (LPWAN, BLE) sowie 5G für die Kommunikation analysiert werden. Es sind keine Bypässe erforderlich, und die Überwachung kann nahezu kontinuierlich erfolgen. Die Notwendigkeit einer solch gründlichen Analyse im Fall von Beton, der sich seit den Tagen des alten Roms als dauerhaft erwiesen hat, ist zwar nicht immer vorhanden, was nicht über die Straßenoberfläche gesagt werden kann - das anfälligste Element der Infrastruktur.
Touch: Vibrationssensoren auf deutschen Autobahnen
Wie Sie wissen, ist Deutschland eines der längsten nationalen Straßennetze der Welt, und es ist logisch, dass eine solche Wirtschaft nicht einfach zu pflegen ist. Bis 2030 will die Regierung des Landes 270 Milliarden Euro für Reparaturen und den Bau neuer Kommunikationswege ausgeben, von denen 69% für die Modernisierung der bestehenden Infrastruktur verwendet werden. Die Hälfte der zugewiesenen Mittel wird für Straßen ausgegeben, und es ist wirklich schwierig mit ihnen: Nur 177 km Straßen werden in Deutschland häufigen diagnostischen Analysen unterzogen, während 505 km unregelmäßig sind. Allein die Gesamtlänge der Autobahnen beträgt 13.000 km. Natürlich können Sie nicht alle diese Kilometer umrunden und fahren nicht einmal mit speziellen Diagnoseautos herum. Daher schlug eine Gruppe von Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie eine originelle Lösung vor - die Umwandlung von Personenkraftwagen gewöhnlicher Deutscher in Diagnosefahrzeuge.
Zu diesem Zweck schlugen die Ingenieure vor, die Maschinen mit kostengünstigen Messinstrumenten auszustatten - einem Trägheitssensor mit einem GPS-Modul. Der Trägheitssensor befindet sich nahe dem Schwerpunkt des Fahrzeugs. Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsrekorder erfassen auch Daten an einem bestimmten geografischen Punkt. Die gesammelten Informationen können automatisch über WLAN an den Server übertragen werden, sobald das Auto auf den Parkplatz zurückkehrt. Dies ist der Fall, wenn der Besitzer des Autos nicht möchte, dass die Geografie seiner Bewegung auf irgendeine Weise aufgezeichnet und gespeichert wird. Wenn der Überwachungsbetreiber jedoch in der Lage ist, die Sicherheit der Daten zu gewährleisten, und es dem Besitzer der Maschine nichts ausmacht, können der Trägheitssensor und das GPS-Modul in das IoT-Ökosystem integriert werden. Auf diese Weise können Sie in Echtzeit Informationen über den Zustand von Straßen erhalten. Wenn sich beispielsweise aufgrund eines Erdrutschs ein Riss auf der Fahrbahn bildet, wird der Straßennetzbetreiber davon erfahren, sobald die erste an das System angeschlossene Maschine über den Riss fährt. Basierend auf dem Algorithmus für maschinelles Lernen und Statistiken, die aus den Vibrationen und der Dynamik des Fahrzeugs berechnet werden, kann das System dann die Eigenschaften der Straße klassifizieren und ihren Zustand bewerten.
Die Hauptsache ist, den Sensor richtig zu platzieren, sonst werden die Daten falsch gelesen. Quelle: J. Masino, M. Frey, F. Gauterin & R. Sharma (2016). Entwicklung eines hochgenauen und kostengünstigen Messgeräts für Feldbetriebstests. 2016 IEEE Internationales Symposium für Inertialsensoren und -systeme.
Tatsächlich verwandelt sich das Auto in ein mobiles Gerät, das die Straßenoberfläche für ihre Gleichmäßigkeit "fühlt". Je stärker und häufiger die Vibration ist, desto schlechter ist die Straßenqualität. Durch die Ausstattung auch nur eines relativ kleinen Teils der Autos kann der Großteil der deutschen Straßen mit Diagnosen abgedeckt werden. Die Technologie ist perfekt für eine gut ausgestattete Autobahn in Deutschland, aber in Russland, wo die Bedeutung der Eisenbahnen groß ist, wird eine andere Technik verwendet.
Schauen Sie genauer hin: Glasfasersensoren und Eisenbahnen Russlands
Russland liegt in Bezug auf die Länge der Eisenbahnen nach den USA und China an dritter Stelle der Welt - es sind 85.000 km (etwas mehr als zwei Äquatoren der Erde). Gleichzeitig fahren die meisten Eisenbahnen an schwer erreichbaren Orten mit schwierigen klimatischen und geografischen Bedingungen, wodurch sich die Infrastruktur schneller verschlechtert als in anderen Ländern.
Das Verfolgen von Eisenbahnen in Russland ist nicht einfach, da viele Geräte zur Fehlererkennung erforderlich sind, in der Tat Spezialzüge mit zahlreichen Sensoren. Ihre Geschwindigkeit ist niedrig, die Kosten hoch, so dass sie keinen kontinuierlichen Informationsfluss geben können. Und die Diagnosefahrzeuge selbst werden schnell veraltet: Bis 2020 wird der Verschleiß dieser Geräte 84% erreichen.
Wie ersetze ich sie? Ingenieure des russischen Unternehmens Laser Solutions bieten an, den Zustand der Eisenbahnen durch verteilte Glasfasersensoren zu überwachen. Um Umgebungsänderungen zu messen, wird ein Lichtsignal über ein Glasfaserkabel übertragen. Da die Lichtgeschwindigkeit in einer optischen Faser bekannt ist, kann die Zeitverzögerung zwischen dem Impulseingang und der Aufzeichnung des Erreichens des Endpunkts physikalische Auswirkungen auf das Kabel anzeigen - Temperatur, Verformung, Vibration und akustische Vibrationen. Sie verändern lokal die Eigenschaften des Lichtursprungs. So wird das Glasfaserkabel zu einem langen Sensor, der das Infrastrukturobjekt sozusagen über seine gesamte Länge „betreut“. Ein solches Kabel kann beispielsweise in den Erdboden der Eisenbahnstrecke gegraben werden - ein gefährdeter Teil der Eisenbahninfrastruktur, da ständige Bodenbewegungen abgenutzt sind und die Straße brechen. An kritischen Streckenabschnitten sind faseroptische Verformungs- und Temperatursensoren im Untergrund verlegt. Ein Verformungssensor überwacht die Bewegung des Bodens und ein Temperatursensor ist für saisonale Prozesse des Auftauens der Erde erforderlich.
Bisher überschreitet die Länge von Gleisabschnitten, die von Glasfasersensoren gesteuert werden, aus rein technischen und bekannten wirtschaftlichen Gründen nicht mehr als 60 km. Das Graben eines High-Tech-Kabels, bei dem sogar Kupferdraht gestohlen werden kann, hat negative Folgen.
Gleichzeitig muss verstanden werden, dass wir mit dieser und den oben beschriebenen Technologien eine separate Infrastruktur zur Überwachung der Straßenverkehrsinfrastruktur schaffen, die auch Wartung erfordert - Sammeln und Verarbeiten von Informationen, Interpretieren von Daten und Antworten. Eines Tages muss dieses parallele Netzwerk aus Sensoren, Kabeln und Rechenzentren geändert werden. Um aus dieser technologischen Rekursion herauszukommen, müssen wir die Selbstheilung der Infrastruktur lehren.
"Heile dich selbst!"
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler versucht, neue Baumaterialien zu entwickeln, die (fast) selbst restauriert werden können. So entstand an der Technischen Universität Delft (Niederlande) Asphalt, der mit Induktionserwärmung behandelt werden kann. Asphalt ist grob gesagt eine Mischung aus Kies und Sand, die dickes und viskoses Bitumen zusammenhält. Unter dem Einfluss von Erosion, Oxidation, Temperatur und physikalischem Druck nutzt sich dieser „Kleber“ allmählich ab, woraufhin der Asphalt reißt und dann mit Löchern bedeckt wird. Die Niederländer schlugen vor, dem Bitumen dünne Stahlspäne hinzuzufügen und es dann von Zeit zu Zeit durch magnetische Induktion mit einer speziellen Straßenmaschine zu erhitzen. Gleichzeitig nimmt Bitumen Wärme auf und gewinnt die Viskosität zurück, wodurch die Asphaltelemente befestigt werden. Laut Wissenschaftlern wird diese Art der Asphaltwartung die Lebensdauer verdoppeln.
Im Rahmen eines Behandlungskurses für Beton schlagen einige Wissenschaftler die Ernennung spezieller Bakterien vor - sulfatreduzierende Mikroorganismen. Sie können bereits in der Bauphase in Beton implantiert werden und bleiben in schwebender Animation, bis sich der Lebensraum ändert, beispielsweise bis Mikrorisse auftreten. Dann kommen diese Bakterien aus dem Winterschlaf, beginnen sich zu vermehren und produzieren Calciumcarbonat und andere Substanzen, die den bröckelnden Beton zusammenhalten.
Die Integration aller oben genannten Sensoren in das Ökosystem des Internet der Dinge in der Zukunft wird es uns ermöglichen, die Überwachung wirklich kontinuierlich zu gestalten, wodurch die Wahrscheinlichkeit von technologischen Unfällen praktisch beseitigt oder erheblich verringert wird, sowohl die Kosten für die Wartung als auch der Bau neuer Infrastruktureinrichtungen gesenkt werden und auch die Freigabe für erfolgt interessantere Aufgaben von Zehntausenden von Linemachern mit bedingten Routen auf der ganzen Welt.