Setelah Perang Dunia Kedua, pemerintah dari berbagai negara menggelontorkan dana besar ke dalam modernisasi dan penciptaan infrastruktur: jalan raya, jembatan, kereta api. Lebih dari setengah abad telah berlalu sejak itu, dan semua warisan beton aspal ini secara bertahap mulai runtuh, menyebabkan kerugian ekonomi dan bahkan korban manusia, dan itu mahal, lama dan tidak efektif untuk menempatkan trackman dengan detektor cacat untuk semua tujuan. Kami memberi tahu bagaimana para ilmuwan mengusulkan untuk mendengarkan, menyentuh, dan mengintip infrastruktur jalan untuk menyelesaikan masalah penuaannya.
Menurut Bank Dunia, jalan saat ini adalah elemen infrastruktur yang paling sedikit berinvestasi di planet ini. Dibandingkan dengan pelabuhan, kereta api, listrik, pasokan air, telekomunikasi, bandara, jauh lebih sedikit uang yang dituangkan ke segmen ini daripada yang diperlukan. Analis percaya bahwa jaringan jalan planet ini pada tahun 2040 akan
menerima kurang dari $ 8 triliun yang dibutuhkan untuk modernisasi dan pengembangannya.
Ini berarti bahwa jalan, serta konstruksi jalan (jalan layang, jembatan, terowongan) akan hancur jika kita tidak menggunakan cara yang lebih efisien dan ekonomis untuk melayaninya. Pemantauan Kesehatan Struktural (SHM) sekarang adalah salah satu industri yang paling banyak material dan padat karya.
Kami hilang:
- orang, karena panjang infrastruktur sedemikian rupa sehingga tidak mungkin untuk secara efektif mendiagnosis kondisinya dengan cara mobile dengan partisipasi pribadi dari spesialis;
- teknologi, karena peralatan pendeteksian cacat itu sendiri cepat aus, tetapi sangat mahal pada saat yang sama;
- waktu, karena dengan sarana tidak mungkin untuk memastikan frekuensi inspeksi yang diperlukan, sehingga tidak ketinggalan celah baru di kolom flyover yang sudah terlihat.
Ke arah mana harus pergi? Vektor umum adalah sebagai berikut: Alat SHM harus kecil, banyak, murah, otomatis, saling berhubungan dan jauh, dan aliran analisis dari mereka harus kontinu. Dengan kata lain, revolusi IoT juga harus mencakup bidang SHM, di mana ada banyak sensor dan praktik pengumpulan data, tetapi tidak ada basis komunikasi untuk ini. Apa arti dari pemantauan jalan dan struktur yang perlu diintegrasikan ke dalam Internet? Seperti apa bentuknya? Kami menunjukkan contoh dari praktik Toshiba dan kolega kami dari negara lain.
Dengarkan: Sensor Akustik di Jembatan dan Terowongan di Jepang
Pada 2012, lengkungan salah satu dari banyak terowongan jalan runtuh di Jepang. Bentangan langit-langit setinggi 30 meter di terowongan 4 kilometer runtuh karena mobil yang melintas. Seperti yang ditunjukkan oleh pemeriksaan selanjutnya, alasannya adalah penuaan struktur yang tidak diservis dengan baik sejak tahun 1970-an. Di negara pegunungan, di mana terdapat lebih dari 150 ribu jembatan dan terowongan, kecelakaan seperti itu seharusnya tidak diizinkan. Selain itu, pada tahun 2033, sekitar 63% dari struktur semacam ini akan merayakan ulang tahun ke-50 atau bahkan lebih.
Toshiba Corporation, bersama dengan University of Kyoto, telah mengembangkan teknologi untuk analisis akustik struktur beton untuk memvisualisasikan cacat internal elemen jembatan. Ini didasarkan pada emisi akustik, yaitu gelombang tegangan yang terjadi selama proses dinamis dalam bahan yang berbeda. Sederhananya, setiap kerusakan menghasilkan suara (gelombang akustik), seperti, misalnya, cabang pohon pecah sebelum jatuh. Tentu saja, jauh dari semua gelombang ini dapat ditangkap dengan telinga telanjang, oleh karena itu, sensor khusus "mendengar" suara.
Sensor emisi akustik dapat ditempatkan di sepanjang seluruh struktur jembatan, terowongan dan struktur lainnya. Telemetri dapat diperoleh dan dianalisis hampir terus menerus, dan intervensi dalam lalu lintas hampir tidak diperlukan. Sumber: Saluran YouTube Toshiba
Kerusakan internal pada material tercermin dalam pola gelombang, memungkinkan Anda untuk memahami dengan tepat di mana di lempengan beton ada celah, keretakan, lubang, dll. Selain itu, intensitas suara dapat memprediksi tingkat kerusakan lebih lanjut dari material dan sumbernya. Dalam hal ini, kita tidak perlu secara fisik mempengaruhi beton atau memotong sampel apa pun untuk dipelajari - semuanya lewat dalam kerangka teknik pengujian non-destruktif, yang kita, omong-omong,
sudah bicarakan .
Dengan mewarnai intensitas emisi akustik, orang dapat memahami di mana bagian struktur beton sudah ada kesalahan besar, di mana mereka dapat muncul, dan di mana bahan masih mempertahankan integritasnya. Sumber: Toshiba
Sensor dapat dihubungkan ke jaringan, terhubung ke sistem geolokasi, dan data yang dikumpulkan dapat dianalisis di pusat pemrosesan data dalam mode jarak jauh, menggunakan jaringan jarak jauh hemat energi (LPWAN, BLE), serta 5G, untuk komunikasi. Tidak diperlukan pelintas, dan pemantauan dapat berlangsung hampir terus menerus. Benar, perlunya analisis yang menyeluruh dalam kasus beton, yang telah membuktikan ketahanannya sejak zaman Romawi Kuno, tidak selalu ada, yang tidak dapat dikatakan tentang permukaan jalan - elemen infrastruktur yang paling rentan.
Sentuh: sensor getaran pada autobahn Jerman
Seperti yang Anda ketahui, di Jerman salah satu jaringan jalan nasional terpanjang di dunia, dan masuk akal jika ekonomi seperti itu tidak mudah dirawat. Pada tahun 2030, pemerintah negara itu bermaksud untuk menghabiskan 270 miliar euro untuk perbaikan dan pembangunan jalur komunikasi baru, di mana 69% akan digunakan untuk memodernisasi infrastruktur yang ada. Setengah dari dana yang dialokasikan akan dihabiskan untuk jalan, dan sangat sulit untuk itu: hanya 177 km jalan yang sering mengalami analisis diagnostik di Jerman, sementara 505 km tidak teratur. Sementara itu, total panjang autobahn sendiri adalah 13 ribu km. Jelas, Anda tidak bisa berkeliling sejauh ini dan bahkan tidak berkeliling dengan mobil diagnostik khusus. Oleh karena itu, sekelompok ilmuwan dari Institut Teknologi Karlsruhe mengusulkan solusi asli - untuk mengubah mobil pribadi orang Jerman biasa menjadi mobil diagnostik.
Untuk ini, para insinyur mengusulkan untuk melengkapi alat berat dengan alat ukur murah - sebuah sensor inersia dengan modul GPS. Sensor inersia terletak di dekat pusat gravitasi kendaraan. Perekam akselerasi dan kecepatan sudut juga mengumpulkan data pada titik geografis tertentu. Informasi yang dikumpulkan dapat secara otomatis ditransfer ke server melalui Wi-Fi segera setelah mobil kembali ke tempat parkir - ini adalah jika pemilik mobil tidak ingin geografi pergerakannya entah bagaimana direkam dan disimpan. Namun, jika operator pemantauan dapat memastikan keamanan data, dan pemilik mesin tidak keberatan, maka sensor inersia dan modul GPS dapat diintegrasikan ke dalam ekosistem IoT. Ini akan memungkinkan Anda untuk menerima informasi tentang kondisi jalan secara real time. Misalnya, jika retakan terbentuk di jalan raya karena tanah longsor, operator jaringan jalan akan mengetahuinya segera setelah mesin pertama yang terhubung ke sistem melewati retakan. Kemudian, berdasarkan algoritma pembelajaran mesin dan statistik yang dihitung dari getaran dan dinamika kendaraan, sistem dapat mengklasifikasikan karakteristik jalan dan mengevaluasi kondisinya.
Hal utama adalah menempatkan sensor dengan benar, jika tidak data akan terbaca salah. Sumber: Masino, J., Frey, M., Gauterin, F., & Sharma, R. (2016). Pengembangan perangkat pengukuran yang sangat akurat dan berbiaya rendah untuk Tes Operasional Lapangan. Simposium Internasional IEEE 2016 tentang Sensor dan Sistem Inersia.
Bahkan, mobil berubah menjadi perangkat mobile, yang "terasa" permukaan jalan karena kemerataannya. Semakin kuat dan semakin sering getaran, semakin buruk kualitas jalan. Melengkapi bahkan bagian yang relatif kecil dari mobil akan memungkinkan untuk menutupi sebagian besar jalan di Jerman dengan diagnostik. Teknologi ini sempurna untuk jalan raya yang lengkap di Jerman, tetapi di Rusia, di mana pentingnya kereta api sangat bagus, teknik lain digunakan.
Lihatlah lebih dekat: sensor serat optik dan kereta api Rusia
Rusia menempati urutan ketiga di dunia dalam hal panjang jalur kereta api setelah Amerika Serikat dan Cina - jaraknya 85 ribu km (sedikit lebih dari dua ekuator Bumi). Pada saat yang sama, sebagian besar jalur kereta api melewati tempat-tempat yang sulit dijangkau dengan kondisi iklim dan geografis yang sulit, yang membuat infrastruktur memburuk lebih cepat daripada di negara lain.
Melacak kereta api di Rusia tidaklah mudah, karena membutuhkan banyak alat pendeteksi cacat, pada kenyataannya, kereta api khusus yang dilengkapi dengan banyak sensor. Kecepatan mereka rendah, biaya tinggi, sehingga mereka tidak dapat memberikan aliran informasi yang berkelanjutan. Dan mobil diagnostik itu sendiri dengan cepat menjadi usang: pada tahun 2020, keausan peralatan ini akan mencapai 84%.
Bagaimana cara menggantinya? Insinyur dari perusahaan Rusia Laser Solutions menawarkan untuk memantau kondisi jalan kereta api melalui sensor serat optik terdistribusi. Untuk mengukur perubahan lingkungan, sinyal cahaya ditransmisikan melalui kabel serat optik. Karena kecepatan cahaya dalam serat optik diketahui, waktu tunda antara input pulsa dan perekamannya mencapai titik akhir dapat menunjukkan efek fisik pada kabel - suhu, deformasi, getaran, dan getaran akustik. Mereka secara lokal mengubah karakteristik asal usul cahaya. Dengan demikian, kabel serat optik berubah menjadi sensor panjang, yang seolah-olah, "merawat" objek infrastruktur sepanjang panjangnya. Kabel semacam itu dapat digali, misalnya, di dasar tanah jalur kereta api - bagian yang rentan dari infrastruktur kereta api, karena gerakan tanah yang konstan aus dan merusak jalan. Pada bagian kritis trek, deformasi serat optik dan sensor suhu diletakkan di tanah dasar. Sensor deformasi memonitor pergerakan tanah, dan sensor suhu diperlukan untuk proses pencairan musiman di bumi.
Sejauh ini, panjang bagian jalur kereta api yang dikendalikan oleh sensor serat optik tidak melebihi 60 km, karena alasan ekonomi murni teknis dan terkenal - menggali kabel teknologi tinggi di mana bahkan kawat tembaga dapat dicuri penuh dengan konsekuensi negatif.
Pada saat yang sama, harus dipahami bahwa dalam hal ini dan dalam teknologi yang dijelaskan di atas kami menciptakan infrastruktur terpisah untuk memantau infrastruktur transportasi jalan, yang juga memerlukan pemeliharaan - pengumpulan dan pemrosesan informasi, menafsirkan data, dan merespons. Suatu hari nanti, jaringan paralel sensor, kabel, pusat data ini harus diubah. Untuk keluar dari rekursi teknologi ini, kita perlu mengajarkan infrastruktur penyembuhan diri sendiri.
"Sembuhkanlah dirimu!"
Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah mencoba mengembangkan bahan bangunan baru yang dapat dipulihkan (hampir) sendiri. Jadi, di Universitas Teknologi Delft (Belanda) dibuat aspal, yang bisa diolah dengan pemanasan induksi. Aspal, secara kasar, adalah campuran kerikil dan pasir, yang menyatukan aspal tebal dan kental. Lambat laun, di bawah pengaruh erosi, oksidasi, suhu, dan tekanan fisik, "lem" ini aus, setelah itu aspal retak dan kemudian menjadi berlubang. Belanda menyarankan menambahkan kepingan baja tipis ke bitumen, dan kemudian memanaskannya dari waktu ke waktu menggunakan induksi magnetik menggunakan mesin jalan khusus. Pada saat yang sama, aspal menyerap panas dan mendapatkan kembali viskositas, mengikat elemen aspal. Menurut para ilmuwan, cara melayani aspal ini akan menggandakan waktu hidupnya.
Tetapi sebagai bagian dari kursus perawatan beton, beberapa ilmuwan mengusulkan penunjukan bakteri khusus - mikroorganisme pereduksi sulfat. Mereka dapat ditanamkan ke dalam beton pada tahap konstruksi dan tetap dalam animasi ditunda sampai habitat berubah, katakanlah, sampai microcracks muncul. Kemudian bakteri ini keluar dari hibernasi, mulai berkembang biak dan menghasilkan kalsium karbonat dan zat lain yang menyatukan beton yang hancur.
Jadi, integrasi semua sensor yang disebutkan di atas ke dalam ekosistem Internet hal-hal di masa depan akan memungkinkan kita untuk membuat pemantauan yang benar-benar berkelanjutan, yang secara virtual akan menghilangkan atau secara signifikan mengurangi kemungkinan kecelakaan teknologi, mengurangi biaya pemeliharaan dan pembangunan fasilitas infrastruktur baru, dan juga mengarah pada rilis untuk tugas yang lebih menarik dari puluhan ribu pembuat garis rute bersyarat di seluruh dunia.