Após a Segunda Guerra Mundial, governos de diferentes países investiram enormes recursos na modernização e criação de infraestrutura: rodovias, pontes, ferrovias. Mais de meio século se passou desde então, e todo esse legado do concreto asfáltico gradualmente começa a desmoronar, levando a perdas econômicas e até a baixas humanas, e é caro, longo e ineficaz colocar atacantes com detectores de falhas em todas as extremidades. Contamos como os cientistas se propõem a ouvir, tocar e espiar a infraestrutura viária, a fim de resolver o problema de seu envelhecimento.
Segundo o Banco Mundial, hoje as estradas são o elemento de infraestrutura menos investido no planeta. Comparado a portos, ferrovias, redes elétricas, sistemas de abastecimento de água, telecomunicações, aeroportos, muito menos dinheiro é investido nesse segmento do que o necessário. Os analistas acreditam que a rede rodoviária do planeta até 2040
receberá menos de US $ 8 trilhões necessários para sua modernização e desenvolvimento.
Isso significa que as estradas e as construções (viadutos, pontes, túneis) serão destruídas se não encontrarmos meios mais eficientes e econômicos de atendê-las. O Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) é agora uma das indústrias mais intensivas em material e mão-de-obra.
Estamos em falta:
- pessoas, porque o comprimento da infraestrutura é tal que é impossível diagnosticar efetivamente sua condição por meios móveis com a participação pessoal de especialistas;
- tecnologia, porque o próprio equipamento de detecção de falhas se desgasta rapidamente, mas é muito caro ao mesmo tempo;
- tempo, porque com os meios é impossível garantir a freqüência necessária das inspeções, para não perder uma nova fenda na coluna já vista do viaduto.
Qual direção seguir? O vetor geral é o seguinte: as ferramentas SHM devem ser pequenas, numerosas, baratas, automatizadas, interconectadas e remotas, e o fluxo de análises a partir delas deve ser contínuo. Em outras palavras, a revolução da IoT também deve abranger a esfera do SHM, onde existem muitos sensores e práticas de coleta de dados, mas não há base de comunicação para isso. Que meios de monitorar estradas e estruturas precisam ser integrados à Internet das coisas? Como é isso? Mostramos um exemplo da prática da Toshiba e de nossos colegas de outros países.
Listen: Sensores acústicos em pontes e túneis no Japão
Em 2012, o arco de um dos muitos túneis rodoviários desabou no Japão. Um trecho de tecto de 30 metros em um túnel de 4 km desabou sobre carros que passavam. Como o exame mostrou posteriormente, o motivo foi o envelhecimento banal de estruturas que não são atendidas adequadamente desde a década de 1970. Em um país montanhoso, onde existem mais de 150 mil pontes e túneis, esses acidentes não devem ser permitidos. Além disso, em 2033, cerca de 63% das estruturas desse tipo celebrarão seus cinquenta ou mais anos.
A Toshiba Corporation, juntamente com a Universidade de Kyoto, desenvolveu tecnologia para a análise acústica de estruturas de concreto para visualizar defeitos internos dos elementos da ponte. É baseado na emissão acústica, ou seja, ondas de tensão que ocorrem durante processos dinâmicos em diferentes materiais. Simplificando, qualquer destruição gera som (ondas acústicas), como, por exemplo, um galho de árvore que quebra antes de cair. Obviamente, longe de todas essas ondas podem ser capturadas com o ouvido nu, portanto, sensores especiais “ouvem” o som.
Sensores de emissão acústica podem ser colocados ao longo de toda a estrutura de pontes, túneis e outras estruturas. A telemetria pode ser obtida e analisada quase continuamente, e quase não é necessária intervenção no tráfego. Fonte: Canal Toshiba no YouTube
Os danos internos ao material são refletidos no padrão de onda, permitindo entender exatamente onde na laje de concreto há uma rachadura, quebra, vazios, etc. Além disso, a intensidade do som pode prever a taxa de destruição adicional do material e sua fonte. Nesse caso, não precisamos afetar fisicamente o concreto nem cortar nenhuma amostra para estudo - tudo passa dentro da estrutura da técnica de teste não destrutivo, sobre a qual
já falamos .
Ao colorir a intensidade da emissão acústica, é possível entender em que parte da estrutura de concreto já existem grandes falhas, onde elas podem aparecer e onde o material ainda mantém sua integridade. Fonte: Toshiba
Os sensores podem ser conectados a uma rede, conectados a sistemas de geolocalização, e os dados coletados podem ser analisados em um centro de processamento de dados em modo remoto, usando redes de longo alcance com eficiência energética (LPWAN, BLE) e 5G, para comunicação. Nenhum desvio é necessário, e o monitoramento pode continuar quase continuamente. É verdade que a necessidade de uma análise tão completa no caso do concreto, que provou sua durabilidade desde os dias da Roma Antiga, nem sempre existe, o que não se pode dizer sobre a superfície da estrada - o elemento mais vulnerável da infraestrutura.
Touch: sensores de vibração em autobahns alemãs
Como você sabe, na Alemanha, uma das maiores redes rodoviárias nacionais do mundo, e é lógico que essa economia não seja fácil de cuidar. Até 2030, o governo do país pretende gastar 270 bilhões de euros em reparos e construção de novas linhas de comunicação, das quais 69% serão destinadas a modernizar a infraestrutura existente. Metade dos fundos alocados serão gastos em estradas, e é realmente difícil com eles: apenas 177 km de estradas são submetidos a análises diagnósticas frequentes na Alemanha, enquanto 505 km são irregulares. Enquanto isso, o comprimento total das auto-estradas é de 13 mil km. Obviamente, você não pode percorrer todos esses quilômetros e nem mesmo usa carros de diagnóstico especiais. Portanto, um grupo de cientistas do Instituto de Tecnologia Karlsruhe propôs uma solução original - transformar carros pessoais de alemães comuns em carros de diagnóstico.
Para isso, os engenheiros propuseram equipar as máquinas com instrumentos de medição baratos - um sensor inercial com um módulo GPS. O sensor de inércia está localizado próximo ao centro de gravidade do veículo. Os registradores de aceleração e velocidade angular também coletam dados em um ponto geográfico específico. As informações coletadas podem ser transferidas automaticamente para o servidor via Wi-Fi assim que o carro retornar ao estacionamento - isto é, se o proprietário do carro não quiser que a geografia de seu movimento seja de algum modo gravada e armazenada. No entanto, se o operador de monitoramento puder garantir a segurança dos dados e o proprietário da máquina não se importar, o sensor inercial e o módulo GPS poderão ser integrados ao ecossistema de IoT. Isso permitirá que você receba informações sobre as condições das estradas em tempo real. Por exemplo, se uma rachadura se formar na estrada devido a um deslizamento de terra, o operador da rede de estradas saberá disso assim que a primeira máquina conectada ao sistema passar por cima da rachadura. Em seguida, com base no algoritmo de aprendizado de máquina e nas estatísticas calculadas a partir das vibrações e dinâmicas do veículo, o sistema pode classificar as características da estrada e avaliar sua condição.
O principal é colocar o sensor corretamente, caso contrário, os dados serão lidos incorretamente. Fonte: Masino, J., Frey, M., Gauterin, F. e Sharma, R. (2016). Desenvolvimento de um dispositivo de medição altamente preciso e de baixo custo para testes operacionais de campo. Simpósio Internacional IEEE 2016 de Sensores e Sistemas Inerciais.
De fato, o carro se transforma em um dispositivo móvel, que "sente" a superfície da estrada por sua uniformidade. Quanto mais forte e mais frequentemente a vibração, pior a qualidade da estrada. Equipar até uma parte relativamente pequena dos carros permitirá cobrir a maioria das estradas alemãs com diagnóstico. A tecnologia é perfeita para uma rodovia bem equipada na Alemanha, mas na Rússia, onde a importância das ferrovias é grande, outra técnica é usada.
Dê uma olhada: sensores de fibra óptica e ferrovias da Rússia
A Rússia ocupa a terceira posição no mundo em termos de comprimento de ferrovias, depois dos Estados Unidos e da China - são 85 mil km (pouco mais de dois equadores da Terra). Ao mesmo tempo, a maioria das ferrovias passa em locais de difícil acesso, com difíceis condições climáticas e geográficas, o que faz com que a infraestrutura se deteriore mais rapidamente do que em outros países.
O rastreamento de ferrovias na Rússia não é fácil, porque requer muito equipamento de detecção de falhas; na verdade, trens especializados equipados com vários sensores. Sua velocidade é baixa, o custo é alto, portanto eles não podem fornecer um fluxo contínuo de informações. E os próprios carros de diagnóstico estão se tornando obsoletos rapidamente: até 2020, o desgaste deste equipamento chegará a 84%.
Como substituí-los? Os engenheiros da empresa russa Laser Solutions oferecem o monitoramento da condição das ferrovias por meio de sensores de fibra óptica distribuídos. Para medir mudanças ambientais, um sinal de luz é transmitido através de um cabo de fibra óptica. Como a velocidade da luz em uma fibra óptica é conhecida, o atraso de tempo entre a entrada de pulso e a gravação de seu alcance no ponto final pode indicar efeitos físicos no cabo - temperatura, deformação, vibração e vibrações acústicas. Eles localmente alteram as características da origem da luz. Assim, o cabo de fibra óptica se transforma em um sensor longo, que, por assim dizer, "cuida" do objeto de infraestrutura ao longo de todo o seu comprimento. Esse cabo pode ser cavado, por exemplo, na base de terra da via férrea - uma parte vulnerável da infraestrutura ferroviária, porque movimentos constantes do solo se desgastam e quebram a estrada. Nas seções críticas dos trilhos, deformação por fibra óptica e sensores de temperatura são colocados no subleito. Um sensor de deformação monitora o movimento do solo e é necessário um sensor de temperatura para processos sazonais de descongelamento da terra.
Até agora, o comprimento das seções das ferrovias controladas por sensores de fibra ótica não excede 60 km, devido a razões econômicas puramente técnicas e conhecidas - escavar um cabo de alta tecnologia onde até o fio de cobre pode ser roubado está repleto de consequências negativas.
Ao mesmo tempo, deve-se entender que, com isso e nas tecnologias descritas acima, estamos criando uma infraestrutura separada para monitorar a infraestrutura de transporte rodoviário, o que também exige manutenção - coleta e processamento de informações, interpretação de dados e resposta. Algum dia, essa rede paralela de sensores, cabos, data centers terá que ser alterada. Para sair dessa recursão tecnológica, precisamos ensinar a autocura da infraestrutura.
"Cure-se!"
Nos últimos anos, os cientistas têm tentado desenvolver novos materiais de construção que podem ser restaurados (quase) por conta própria. Assim, na Universidade de Tecnologia de Delft (Holanda), criou o asfalto, que pode ser tratado com aquecimento por indução. O asfalto é, grosso modo, uma mistura de cascalho e areia, que adere betume espesso e viscoso. Gradualmente, sob a influência de erosão, oxidação, temperatura e pressão física, essa "cola" se desgasta, após o que o asfalto racha e depois fica coberto de buracos. Os holandeses sugeriram a adição de aparas finas de aço ao betume e, em seguida, aquecê-lo de tempos em tempos usando indução magnética usando uma máquina rodoviária especial. Ao mesmo tempo, o betume absorve o calor e recupera a viscosidade, fixando os elementos do asfalto. Segundo os cientistas, essa forma de manutenção do asfalto dobrará sua vida útil.
Mas, como parte de um curso de tratamento de concreto, alguns cientistas propõem a nomeação de bactérias especiais - microorganismos redutores de sulfato. Eles podem ser implantados no concreto na fase de construção e permanecer em animação suspensa até o habitat mudar, por exemplo, até aparecerem microfissuras. Em seguida, essas bactérias saem da hibernação, começam a se multiplicar e produzem carbonato de cálcio e outras substâncias que mantêm juntas o concreto em ruínas.
Portanto, a integração de todos os sensores mencionados acima no ecossistema da Internet das coisas no futuro nos permitirá tornar o monitoramento verdadeiramente contínuo, o que praticamente eliminará ou reduzirá significativamente a probabilidade de acidentes tecnológicos, reduzirá os custos de manutenção e a construção de novas instalações de infraestrutura e também levará à liberação para tarefas mais interessantes de dezenas de milhares de fabricantes de linhas de rota condicionais em todo o mundo.