डामर की थकान: सड़क बुनियादी ढांचे के स्वास्थ्य की निगरानी कैसे की जाती है

दूसरे विश्व युद्ध के बाद, विभिन्न देशों की सरकारों ने बुनियादी ढांचे के आधुनिकीकरण और निर्माण में भारी धन डाला: राजमार्ग, पुल, रेलवे। तब से आधी सदी से अधिक समय बीत चुका है, और यह सब डामर कंक्रीट विरासत धीरे-धीरे उखड़ना शुरू हो जाता है, जिससे आर्थिक नुकसान और यहां तक ​​कि मानव हताहत भी हो जाता है, और यह ट्रैकमेन को दोषपूर्ण डिटेक्टरों के साथ सभी छोरों पर रखने के लिए महंगा, लंबा और अप्रभावी है। हम बताते हैं कि किस तरह से वैज्ञानिक अपनी बढ़ती उम्र की समस्या को हल करने के लिए सड़क के बुनियादी ढांचे को सुनने, छूने और सहकर्मी बनाने का प्रस्ताव रखते हैं।

विश्व बैंक के अनुसार, आज सड़कें ग्रह पर सबसे कम निवेश वाला बुनियादी ढांचा तत्व हैं। बंदरगाहों, रेलवे, इलेक्ट्रिक नेटवर्क, पानी की आपूर्ति प्रणाली, दूरसंचार, हवाई अड्डों की तुलना में, इस क्षेत्र में आवश्यकता से बहुत कम पैसा डाला जाता है। विश्लेषकों का मानना ​​है कि 2040 तक ग्रह के सड़क नेटवर्क को इसके आधुनिकीकरण और विकास के लिए $ 8 ट्रिलियन से कम की आवश्यकता होगी।

इसका मतलब है कि सड़कें, साथ ही सड़क निर्माण (ओवरपास, पुल, सुरंग) को नष्ट कर दिया जाएगा यदि हम उन्हें सेवा देने के अधिक कुशल और किफायती साधन नहीं लाते हैं। स्ट्रक्चरल हेल्थ मॉनिटरिंग (SHM) अब सबसे अधिक सामग्री और श्रम गहन उद्योगों में से एक है।

हम गायब हैं:

• लोग, क्योंकि बुनियादी ढांचे की लंबाई ऐसी है कि विशेषज्ञों की व्यक्तिगत भागीदारी के साथ मोबाइल माध्यम से इसकी स्थिति का प्रभावी ढंग से निदान करना असंभव है;
• प्रौद्योगिकी, क्योंकि दोष का पता लगाने वाले उपकरण खुद ही जल्दी खराब हो जाते हैं, लेकिन एक ही समय में बहुत महंगा है;
• समय, क्योंकि साधनों के साथ निरीक्षण की आवश्यक आवृत्ति सुनिश्चित करना असंभव है, ताकि फ्लाईओवर के पहले से ही देखे गए स्तंभ में एक ताजा दरार को याद न करें।

किस दिशा में जाना है? सामान्य वेक्टर निम्नानुसार है: SHM उपकरण छोटे, कई, सस्ते, स्वचालित, परस्पर और दूरस्थ होने चाहिए, और उनमें से एनालिटिक्स का प्रवाह निरंतर होना चाहिए। दूसरे शब्दों में, IoT क्रांति को SHM क्षेत्र को भी कवर करना चाहिए, जहां कई सेंसर और डेटा संग्रह अभ्यास हैं, लेकिन इसके लिए कोई संचार आधार नहीं है। सड़कों और संरचनाओं की निगरानी के साधन को इंटरनेट की चीजों में एकीकृत करने की आवश्यकता है? यह कैसा दिखता है? हम तोशिबा और अन्य देशों के हमारे सहयोगियों के अभ्यास से एक उदाहरण दिखाते हैं।

सुनो: जापान में पुल और सुरंगों में ध्वनिक सेंसर

2012 में, जापान में कई सड़क सुरंगों में से एक का मेहराब ढह गया। गुजरती कारों पर 4 किलोमीटर की सुरंग पर 30 मीटर की छत की छत ढह गई। जैसा कि बाद में परीक्षा में दिखाया गया था, इसका कारण संरचनाओं की सामान्य उम्र बढ़ने था जो 1970 के दशक से ठीक से काम नहीं कर रहे हैं। एक पहाड़ी देश में, जहां 150 हजार से अधिक पुल और सुरंग हैं, ऐसी दुर्घटनाओं की अनुमति नहीं दी जानी चाहिए। इसके अलावा, 2033 तक, इस तरह की संरचनाओं के लगभग 63% लोग अपनी पचास या उससे अधिक वर्षगांठ मनाएंगे।

तोशिबा कॉरपोरेशन ने क्योटो विश्वविद्यालय के साथ मिलकर पुल के तत्वों के आंतरिक दोषों की कल्पना करने के लिए कंक्रीट संरचनाओं के ध्वनिक विश्लेषण के लिए तकनीक विकसित की है। यह ध्वनिक उत्सर्जन पर आधारित है, अर्थात विभिन्न सामग्रियों में गतिशील प्रक्रियाओं के दौरान होने वाली तनाव तरंगें। सीधे शब्दों में कहें, कोई भी विनाश ध्वनि (ध्वनिक तरंगें) उत्पन्न करता है, जैसे कि, उदाहरण के लिए, गिरने से पहले एक पेड़ की शाखा। बेशक, इन सभी तरंगों को नग्न कान के साथ पकड़ा जा सकता है, इसलिए, विशेष सेंसर ध्वनि को सुनते हैं।

ध्वनिक उत्सर्जन सेंसर को पुलों, सुरंगों और अन्य संरचनाओं के पूरे ढांचे के साथ रखा जा सकता है। टेलीमेट्री प्राप्त की जा सकती है और लगभग निरंतर विश्लेषण किया जा सकता है, और यातायात में हस्तक्षेप की लगभग आवश्यकता नहीं है। स्रोत: तोशिबा यूट्यूब चैनल

सामग्री को आंतरिक क्षति लहर पैटर्न में परिलक्षित होती है, जिससे आपको यह समझने की अनुमति मिलती है कि कंक्रीट स्लैब में दरार, ब्रेक, voids आदि कहां हैं। इसके अलावा, ध्वनि की तीव्रता सामग्री और उसके स्रोत के आगे विनाश की दर का अनुमान लगा सकती है। इस मामले में, हमें अध्ययन के लिए ठोस रूप से काम करने या किसी भी नमूने को काटने की आवश्यकता नहीं है - सब कुछ गैर-विनाशकारी परीक्षण तकनीक के ढांचे के भीतर गुजरता है, जिसे हम, वैसे, पहले से ही बात कर चुके हैं ।


ध्वनिक उत्सर्जन की तीव्रता को चित्रित करके, कोई यह समझ सकता है कि कंक्रीट संरचना के किस हिस्से में पहले से ही बड़े दोष हैं, जहां वे दिखाई दे सकते हैं, और जहां सामग्री अभी भी अपनी अखंडता को बरकरार रखती है। स्रोत: तोशिबा

सेंसर एक नेटवर्क से जुड़ा हो सकता है, जियोलोकेशन सिस्टम से जुड़ा हो सकता है, और एकत्र डेटा का विश्लेषण ऊर्जा-कुशल लंबी दूरी के नेटवर्क (एलपीडब्ल्यूएएन, बीएलई), साथ ही संचार के लिए 5 जी का उपयोग करके दूर से डेटा प्रोसेसिंग सेंटर में किया जा सकता है। किसी भी बायपास की आवश्यकता नहीं है, और निगरानी लगभग निरंतर चल सकती है। सच है, कंक्रीट के मामले में इस तरह के गहन विश्लेषण की आवश्यकता है, जिसने प्राचीन रोम के दिनों से इसकी स्थायित्व को साबित किया है, हमेशा मौजूद नहीं होता है, जिसे सड़क की सतह के बारे में नहीं कहा जा सकता है - बुनियादी ढांचे का सबसे कमजोर तत्व।

टच: जर्मन ऑटोबान पर कंपन सेंसर

जैसा कि आप जानते हैं, जर्मनी में दुनिया के सबसे लंबे राष्ट्रीय सड़क नेटवर्क में से एक है, और यह तर्कसंगत है कि ऐसी अर्थव्यवस्था की देखभाल करना आसान नहीं है। 2030 तक, देश की सरकार मरम्मत और संचार की नई लाइनों के निर्माण पर 270 बिलियन यूरो खर्च करने का इरादा रखती है, जिसमें से 69% मौजूदा बुनियादी ढांचे के आधुनिकीकरण के लिए जाएंगे। आवंटित धन का आधा हिस्सा सड़कों पर खर्च किया जाएगा, और यह वास्तव में उनके साथ मुश्किल है: केवल 177 किमी सड़कें जर्मनी में लगातार नैदानिक ​​विश्लेषण के अधीन हैं, जबकि 505 किमी अनियमित हैं। इस बीच, अकेले ऑटोबान की लंबाई 13 हजार किमी है। जाहिर है, आप इन सभी किलोमीटरों के आसपास नहीं जा सकते हैं और विशेष नैदानिक ​​कारों पर भी नहीं जा सकते हैं। इसलिए, कार्ल्स्रुहे इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों के एक समूह ने एक मूल समाधान का प्रस्ताव दिया - साधारण जर्मनों की व्यक्तिगत कारों को नैदानिक ​​कारों में बदलना।

इसके लिए, इंजीनियरों ने मशीनों को सस्ती मापने वाले उपकरणों से लैस करने का प्रस्ताव दिया - एक जीपीएस मॉड्यूल के साथ एक जड़त्वीय सेंसर। जड़ता सेंसर वाहन के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र के पास स्थित है। त्वरण और कोणीय वेग रिकार्डर भी एक विशिष्ट भौगोलिक बिंदु पर डेटा एकत्र करते हैं। एकत्र की गई जानकारी वाई-फाई के माध्यम से स्वचालित रूप से सर्वर पर स्थानांतरित की जा सकती है जैसे ही कार पार्किंग स्थल पर लौटती है - यह है अगर कार का मालिक नहीं चाहता कि उसके आंदोलन का भूगोल किसी भी तरह से रिकॉर्ड और संग्रहीत किया जाए। हालांकि, अगर मॉनिटरिंग ऑपरेटर डेटा की सुरक्षा सुनिश्चित करने में सक्षम है, और मशीन का मालिक बुरा नहीं मानता है, तो आईओटी पारिस्थितिकी तंत्र में जड़त्वीय सेंसर और जीपीएस-मॉड्यूल को एकीकृत किया जा सकता है। यह आपको वास्तविक समय में सड़कों की स्थिति के बारे में जानकारी प्राप्त करने की अनुमति देगा। उदाहरण के लिए, यदि भूस्खलन के कारण सड़क मार्ग पर दरार बन जाती है, तो सड़क नेटवर्क ऑपरेटर को इसके बारे में पता चल जाएगा जैसे ही सिस्टम से जुड़ी पहली मशीन दरार के ऊपर से गुजरती है। फिर, मशीन लर्निंग एल्गोरिदम और वाहन के कंपन और गतिशीलता से गणना के आधार पर, सिस्टम सड़क की विशेषताओं को वर्गीकृत कर सकता है और इसकी स्थिति का मूल्यांकन कर सकता है।


मुख्य बात सेंसर को सही ढंग से रखना है, अन्यथा डेटा गलत तरीके से पढ़ा जाएगा। स्रोत: मासिनो, जे।, फ्रे, एम।, गौटरिन, एफ।, और शर्मा, आर। (2016)। फील्ड ऑपरेशनल टेस्ट के लिए एक अत्यधिक सटीक और कम लागत माप उपकरण का विकास। 2016 IEEE अंतर्राष्ट्रीय संगोष्ठी Inertial सेंसर और सिस्टम पर।

वास्तव में, कार एक मोबाइल डिवाइस में बदल जाती है, जो अपनी शाम के लिए सड़क की सतह को "महसूस" करती है। मजबूत और अधिक बार कंपन, सड़क की गुणवत्ता खराब होती है। कारों के अपेक्षाकृत छोटे हिस्से को लैस करने से निदान के साथ जर्मन सड़कों के बहुमत को कवर करना संभव होगा। तकनीक जर्मनी में एक अच्छी तरह से सुसज्जित मोटरवे के लिए एकदम सही है, लेकिन रूस में, जहां रेलवे का महत्व महान है, एक और तकनीक का उपयोग किया जाता है।

बारीकी से देखें: रूस के फाइबर ऑप्टिक सेंसर और रेलवे

रूस संयुक्त राज्य अमेरिका और चीन के बाद रेलवे की लंबाई के मामले में दुनिया में तीसरे स्थान पर है - यह 85 हजार किमी (पृथ्वी के दो समीकरणों से थोड़ा अधिक) है। इसी समय, अधिकांश रेलवे कठिन जलवायु और भौगोलिक परिस्थितियों के साथ कठिन-से-पहुंच वाले स्थानों में गुजरती हैं, जो अन्य देशों की तुलना में बुनियादी ढांचे को तेजी से बिगड़ती है।

रूस में रेलवे को ट्रैक करना आसान नहीं है, क्योंकि इसके लिए बहुत सारे दोषों का पता लगाने वाले उपकरणों की आवश्यकता होती है, वास्तव में, कई सेंसर से लैस विशेष ट्रेनें। उनकी गति कम है, लागत अधिक है, इसलिए वे जानकारी का एक निरंतर प्रवाह नहीं दे सकते हैं। और नैदानिक ​​कारें खुद तेजी से अप्रचलित हो रही हैं: 2020 तक, इस उपकरण का पहनना 84% तक पहुंच जाएगा।

उन्हें कैसे बदला जाए? रूसी कंपनी लेजर सॉल्यूशंस के इंजीनियर वितरित फाइबर-ऑप्टिक सेंसर के माध्यम से रेलवे की स्थिति की निगरानी करने की पेशकश करते हैं। पर्यावरणीय परिवर्तनों को मापने के लिए, एक प्रकाश संकेत एक फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से प्रेषित होता है। चूंकि एक ऑप्टिकल फाइबर में प्रकाश की गति ज्ञात है, पल्स इनपुट और उसके अंत बिंदु तक पहुंचने की रिकॉर्डिंग के बीच का समय देरी से केबल पर भौतिक प्रभावों का संकेत हो सकता है - तापमान, विरूपण, कंपन और ध्वनिक कंपन। वे स्थानीय रूप से प्रकाश की उत्पत्ति की विशेषताओं को बदलते हैं। इस प्रकार, फाइबर ऑप्टिक केबल एक लंबे संवेदक में बदल जाता है, जो कि, इसकी पूरी लंबाई के साथ बुनियादी ढांचे की वस्तु के "बाद में" दिखता है। इस तरह के केबल को खोदा जा सकता है, उदाहरण के लिए, रेलवे ट्रैक के मिट्टी के बेस में - रेलवे के बुनियादी ढांचे का एक कमजोर हिस्सा, क्योंकि मिट्टी के लगातार आंदोलनों से सड़क खराब हो जाती है और टूट जाती है। पटरियों के महत्वपूर्ण खंडों में, फाइबर-ऑप्टिक विरूपण और तापमान संवेदक उपनगर में रखे गए हैं। एक विरूपण सेंसर मिट्टी की गति पर नज़र रखता है, और पृथ्वी के विगलन की मौसमी प्रक्रियाओं के लिए एक तापमान सेंसर आवश्यक है।

अब तक, फाइबर-ऑप्टिक सेंसर द्वारा नियंत्रित रेलवे ट्रैक खंडों की लंबाई 60 किमी से अधिक नहीं होती है, विशुद्ध रूप से तकनीकी और प्रसिद्ध आर्थिक कारणों के कारण - एक उच्च-तकनीकी केबल खोदना जहां तांबे के तार भी चोरी हो सकते हैं, नकारात्मक परिणामों से भरा है।

साथ ही, यह समझना चाहिए कि इसमें और ऊपर वर्णित तकनीकों में हम सड़क परिवहन बुनियादी ढांचे की निगरानी के लिए एक अलग बुनियादी ढांचा तैयार कर रहे हैं, जिसमें रखरखाव - जानकारी एकत्र करना और प्रसंस्करण करना, डेटा की व्याख्या करना और जवाब देना भी आवश्यक है। किसी दिन, सेंसर, केबल, डेटा केंद्रों के इस समानांतर नेटवर्क को बदलना होगा। इस तकनीकी पुनरावृत्ति से बाहर निकलने के लिए, हमें बुनियादी ढांचे को आत्म-चिकित्सा सिखाने की आवश्यकता है।

"अपने आप को चंगा!"

हाल के वर्षों में, वैज्ञानिक नए निर्माण सामग्री को विकसित करने की कोशिश कर रहे हैं जो अपने दम पर बहाल (लगभग) हो सकते हैं। इसलिए, डेल्फ़्ट यूनिवर्सिटी ऑफ़ टेक्नोलॉजी (नीदरलैंड्स) में डामर बनाया गया, जिसे इंडक्शन हीटिंग के साथ इलाज किया जा सकता है। डामर है, मोटे तौर पर, बजरी और रेत का मिश्रण, जो मोटी और चिपचिपा कोलतार के साथ चिपक जाता है। धीरे-धीरे, कटाव, ऑक्सीकरण, तापमान और शारीरिक दबाव के प्रभाव में, यह "गोंद" खराब हो जाता है, जिसके बाद डामर टूट जाता है और फिर छिद्रों से ढंक जाता है। डच ने बिटुमेन को पतले स्टील के चिप्स जोड़ने का सुझाव दिया, और फिर समय-समय पर इसे एक विशेष सड़क मशीन का उपयोग करके चुंबकीय प्रेरण का उपयोग करके गर्म किया। उसी समय, बिटुमेन गर्मी को अवशोषित करता है और चिपचिपाहट को पुन: प्राप्त करता है, डामर के तत्वों को बन्धन करता है। वैज्ञानिकों के अनुसार, डामर की सर्विसिंग का यह तरीका उसके जीवन काल को दोगुना कर देगा।

लेकिन कंक्रीट के लिए एक उपचार पाठ्यक्रम के हिस्से के रूप में, कुछ वैज्ञानिक विशेष बैक्टीरिया - सल्फेट-कम करने वाले सूक्ष्मजीवों की नियुक्ति का प्रस्ताव करते हैं। उन्हें निर्माण के चरण में कंक्रीट में प्रत्यारोपित किया जा सकता है और जब तक कि माइक्रोक्रैक्स दिखाई नहीं देते, तब तक आवास में परिवर्तन नहीं होने तक निलंबित एनीमेशन में बने रहें। फिर ये बैक्टीरिया हाइबरनेशन से बाहर निकलते हैं, कैल्शियम कार्बोनेट और अन्य पदार्थों का उत्पादन और गुणा करना शुरू करते हैं जो एक साथ ढहते हुए ठोस होते हैं।

इसलिए, भविष्य में इंटरनेट की चीजों के पारिस्थितिकी तंत्र में उपर्युक्त सभी सेंसर का एकीकरण हमें निगरानी को वास्तव में निरंतर बनाने की अनुमति देगा, जो तकनीकी दुर्घटनाओं की संभावना को वास्तव में समाप्त या काफी कम कर देगा, रखरखाव की लागत और नई अवसंरचना सुविधाओं के निर्माण दोनों को कम करेगा, और रिलीज के लिए भी नेतृत्व करेगा। दुनिया भर के दसियों सशर्त मार्ग लाइनमेकर्स के अधिक दिलचस्प कार्य।