Après la Seconde Guerre mondiale, les gouvernements de différents pays ont investi d'énormes fonds dans la modernisation et la création d'infrastructures: autoroutes, ponts, chemins de fer. Plus d'un demi-siècle s'est écoulé depuis lors, et tout cet héritage de béton bitumineux commence à s'effriter progressivement, entraînant des pertes économiques et même des pertes humaines, et il est coûteux, long et inefficace de mettre à tout bout de piste des détecteurs de défauts. Nous racontons comment les scientifiques proposent d'écouter, de toucher et de scruter l'infrastructure routière afin de résoudre le problème de son vieillissement.
Selon la Banque mondiale, les routes sont aujourd'hui l'élément d'infrastructure le moins investi de la planète. Par rapport aux ports, aux chemins de fer, à l'électricité, à l'approvisionnement en eau, aux télécommunications et aux aéroports, ce secteur consacre beaucoup moins d'argent que nécessaire. Les analystes estiment que le réseau routier de la planète d'ici 2040
recevra moins de 8 billions de dollars nécessaires à sa modernisation et à son développement.
Cela signifie que les routes, ainsi que les constructions routières (survols, ponts, tunnels) seront détruites si nous ne trouvons pas de moyens plus efficaces et économiques de les entretenir. La surveillance structurelle de la santé (SHM) est désormais l'une des industries les plus exigeantes en matières et en main-d'œuvre.
Nous manquons:
- les personnes, car la longueur de l'infrastructure est telle qu'il est impossible de diagnostiquer efficacement son état par des moyens mobiles avec la participation personnelle de spécialistes;
- la technologie, car l'équipement de détection de défauts s'use rapidement, mais il est en même temps très coûteux;
- temps, car avec les moyens il est impossible d'assurer la fréquence nécessaire des inspections, afin de ne pas manquer une nouvelle fissure dans la colonne déjà vue du survol.
Dans quelle direction aller? Le vecteur général est le suivant: les outils SHM doivent être petits, nombreux, bon marché, automatisés, interconnectés et distants, et le flux d’analyse à partir d’eux doit être continu. En d'autres termes, la révolution de l'IoT devrait également couvrir la sphère SHM, où il existe de nombreux capteurs et pratiques de collecte de données, mais il n'y a pas de base de communication pour cela. Quels moyens de surveillance des routes et des structures doivent être intégrés dans l'Internet des objets? À quoi ça ressemble? Nous montrons un exemple de la pratique de Toshiba et de nos collègues d'autres pays.
Écouter en ligne: Capteurs acoustiques dans les ponts et tunnels au Japon
En 2012, l'arc de l'un des nombreux tunnels routiers s'est effondré au Japon. Un tronçon de plafond de 30 mètres monté sur un tunnel de 4 kilomètres s'est effondré sur les voitures qui passaient. Comme l'examen l'a montré par la suite, la raison en est le vieillissement banal des structures qui n'ont pas été correctement entretenues depuis les années 1970. Dans un pays montagneux, où il y a plus de 150 000 ponts et tunnels, de tels accidents ne devraient pas être autorisés. De plus, d'ici 2033, environ 63% des structures de ce type fêteront leur cinquantenaire, voire plus.
Toshiba Corporation, en collaboration avec l'Université de Kyoto, a développé une technologie pour l'analyse acoustique des structures en béton afin de visualiser les défauts internes des éléments de pont. Il est basé sur l'émission acoustique, c'est-à-dire les ondes de contrainte qui se produisent lors de processus dynamiques dans différents matériaux. En termes simples, toute destruction génère du son (ondes acoustiques), comme par exemple une branche d'arbre qui se brise avant une chute. Bien sûr, loin de toutes ces ondes peuvent être captées à l'oreille nue, par conséquent, des capteurs spéciaux «entendent» le son.
Des capteurs d'émission acoustique peuvent être placés le long de la structure entière des ponts, tunnels et autres structures. La télémétrie peut être obtenue et analysée presque en continu, et une intervention dans le trafic n'est presque pas nécessaire. Source: Toshiba YouTube Channel
Les dommages internes au matériau se reflètent dans le motif des vagues, vous permettant de comprendre exactement où, dans la dalle de béton, il y a une fissure, une rupture, des vides, etc. De plus, l'intensité du son peut prédire le taux de destruction ultérieure du matériau et de sa source. Dans ce cas, nous n'avons pas besoin d'affecter physiquement le béton ou de découper des échantillons pour étude - tout passe dans le cadre de la technique de contrôle non destructif, dont nous avons d'ailleurs d'
ailleurs déjà parlé .
En colorant l'intensité de l'émission acoustique, on peut comprendre dans quelle partie de la structure en béton il y a déjà de gros défauts, où ils peuvent apparaître et où le matériau conserve encore son intégrité. Source: Toshiba
Les capteurs peuvent être connectés à un réseau, connectés à des systèmes de géolocalisation, et les données collectées peuvent être analysées dans un centre de traitement de données en mode distant, en utilisant des réseaux à longue portée économes en énergie (LPWAN, BLE), ainsi que la 5G, pour la communication. Aucun bypass n'est requis, et la surveillance peut se poursuivre presque en continu. Certes, la nécessité d'une analyse aussi approfondie dans le cas du béton, qui a prouvé sa durabilité depuis l'époque de la Rome antique, n'est pas toujours là, ce qui ne peut pas être dit de la surface de la route - l'élément le plus vulnérable de l'infrastructure.
Touch: capteurs de vibrations sur autoroutes allemandes
Comme vous le savez, en Allemagne, l'un des plus longs réseaux routiers nationaux au monde, et il est logique qu'une telle économie ne soit pas facile à entretenir. D'ici 2030, le gouvernement du pays prévoit de dépenser 270 milliards d'euros pour les réparations et la construction de nouvelles lignes de communication, dont 69% iront à la modernisation des infrastructures existantes. La moitié des fonds alloués seront dépensés pour les routes, et c'est vraiment difficile avec eux: seuls 177 km de routes sont soumis à des analyses diagnostiques fréquentes en Allemagne, tandis que 505 km sont irréguliers. Pendant ce temps, la longueur totale des autoroutes est à elle seule de 13 000 km. De toute évidence, vous ne pouvez pas vous déplacer sur tous ces kilomètres et ne vous promenez même pas sur des voitures de diagnostic spéciales. Par conséquent, un groupe de scientifiques de l'Institut de technologie de Karlsruhe a proposé une solution originale - transformer les voitures personnelles des Allemands ordinaires en voitures de diagnostic.
Pour cela, les ingénieurs ont proposé d'équiper les machines d'instruments de mesure peu coûteux - un capteur inertiel avec un module GPS. Le capteur d'inertie est situé près du centre de gravité du véhicule. Les enregistreurs d'accélération et de vitesse angulaire collectent également des données à un point géographique spécifique. Les informations collectées peuvent être automatiquement transférées au serveur via Wi-Fi dès que la voiture revient sur le parking - c'est si le propriétaire de la voiture ne veut pas que la géographie de son mouvement soit en quelque sorte enregistrée et stockée. Cependant, si l'opérateur de surveillance est en mesure d'assurer la sécurité des données et que le propriétaire de la machine ne s'en soucie pas, le capteur inertiel et le module GPS peuvent être intégrés dans l'écosystème IoT. Cela vous permettra de recevoir en temps réel des informations sur l'état des routes. Par exemple, si une fissure se forme sur la chaussée en raison d'un glissement de terrain, le gestionnaire du réseau routier en sera informé dès que la première machine connectée au système franchira la fissure. Ensuite, sur la base de l'algorithme d'apprentissage automatique et des statistiques calculées à partir des vibrations et de la dynamique du véhicule, le système peut classer les caractéristiques de la route et évaluer son état.
L'essentiel est de placer le capteur correctement, sinon les données ne seront pas lues correctement. Source: Masino, J., Frey, M., Gauterin, F., et Sharma, R. (2016). Développement d'un appareil de mesure très précis et peu coûteux pour les tests opérationnels sur le terrain. Symposium international de l'IEEE 2016 sur les capteurs et systèmes inertiels.
En fait, la voiture se transforme en un appareil mobile, qui "sent" la surface de la route pour sa régularité. Plus les vibrations sont fortes et fréquentes, plus la qualité de la route est mauvaise. Équiper même une partie relativement petite des voitures permettra de couvrir la majorité des routes allemandes avec des diagnostics. La technologie est parfaite pour une autoroute bien équipée en Allemagne, mais en Russie, où l'importance des chemins de fer est grande, une autre technique est utilisée.
Regardons de plus près: les capteurs à fibre optique et les chemins de fer de la Russie
La Russie occupe le troisième rang mondial en termes de longueur des chemins de fer après les États-Unis et la Chine - elle est de 85 000 km (un peu plus de deux équateurs de la Terre). Dans le même temps, la plupart des chemins de fer passent dans des endroits difficiles d'accès avec des conditions climatiques et géographiques difficiles, ce qui fait que l'infrastructure se détériore plus rapidement que dans d'autres pays.
Le suivi des chemins de fer en Russie n'est pas facile, car il nécessite beaucoup d'équipements de détection de défauts, en fait des trains spécialisés équipés de nombreux capteurs. Leur vitesse est faible, leur coût élevé, ils ne peuvent donc pas fournir un flux continu d'informations. Et les voitures de diagnostic elles-mêmes deviennent rapidement obsolètes: d'ici 2020, l'usure de ces équipements atteindra 84%.
Comment les remplacer? Les ingénieurs de la société russe Laser Solutions proposent de surveiller l'état des chemins de fer grâce à des capteurs à fibre optique distribués. Pour mesurer les changements environnementaux, un signal lumineux est transmis via un câble à fibre optique. Étant donné que la vitesse de la lumière dans une fibre optique est connue, le délai entre l'entrée d'impulsion et l'enregistrement de son arrivée au point final peut indiquer des effets physiques sur le câble - température, déformation, vibration et vibrations acoustiques. Ils modifient localement les caractéristiques de l'origine de la lumière. Ainsi, le câble à fibres optiques se transforme en un long capteur qui, pour ainsi dire, «soigne» l'objet d'infrastructure sur toute sa longueur. Un tel câble peut être creusé, par exemple, dans la base en terre de la voie ferrée - une partie vulnérable de l'infrastructure ferroviaire, car les mouvements constants du sol s'usent et cassent la route. Aux sections critiques des voies, des capteurs de déformation à fibre optique et de température sont installés dans le sol de fondation. Un capteur de déformation surveille le mouvement du sol et un capteur de température est nécessaire pour les processus saisonniers de décongélation de la terre.
Jusqu'à présent, la longueur des tronçons de voies ferrées contrôlées par des capteurs à fibre optique ne dépasse pas 60 km, pour des raisons économiques purement techniques et bien connues - creuser un câble de haute technologie où même le fil de cuivre peut être volé est lourd de conséquences négatives.
En même temps, il faut comprendre que, dans ce domaine et dans les technologies décrites ci-dessus, nous créons une infrastructure distincte pour surveiller l'infrastructure de transport routier, qui nécessite également une maintenance - collecte et traitement des informations, interprétation des données et réponse. Un jour, ce réseau parallèle de capteurs, câbles, data centers devra être changé. Pour sortir de cette récursivité technologique, nous devons enseigner l'auto-guérison de l'infrastructure.
"Guéris-toi!"
Ces dernières années, les scientifiques ont essayé de développer de nouveaux matériaux de construction qui peuvent être restaurés (presque) par eux-mêmes. Ainsi, à l'Université de technologie de Delft (Pays-Bas), l'asphalte a été créé, qui peut être traité par chauffage par induction. L'asphalte est, grosso modo, un mélange de gravier et de sable, qui colle ensemble du bitume épais et visqueux. Progressivement, sous l'influence de l'érosion, de l'oxydation, de la température et de la pression physique, cette «colle» s'use, après quoi l'asphalte se fissure puis se recouvre de trous. Les Néerlandais ont suggéré d'ajouter des copeaux d'acier minces au bitume, puis de le chauffer de temps en temps par induction magnétique à l'aide d'une machine routière spéciale. Dans le même temps, le bitume absorbe la chaleur et retrouve sa viscosité, fixant les éléments d'asphalte. Selon les scientifiques, cette façon d'entretenir l'asphalte doublera sa durée de vie.
Mais dans le cadre d'un cours de traitement du béton, certains scientifiques proposent la nomination de bactéries spéciales - des micro-organismes sulfato-réducteurs. Ils peuvent être implantés dans du béton au stade de la construction et rester en animation suspendue jusqu'à ce que l'habitat change, par exemple, jusqu'à l'apparition de microfissures. Ensuite, ces bactéries sortent de l'hibernation, commencent à se multiplier et produisent du carbonate de calcium et d'autres substances qui maintiennent le béton en ruine.
Ainsi, l'intégration de tous les capteurs susmentionnés dans l'écosystème de l'Internet des objets à l'avenir nous permettra de rendre la surveillance véritablement continue, ce qui éliminera ou réduira sensiblement la probabilité d'accidents technologiques, réduira à la fois les coûts de maintenance et la construction de nouvelles infrastructures, et conduira également à la libération de tâches plus intéressantes de dizaines de milliers de monteurs de lignes conditionnels à travers le monde.