После Второй мировой войны правительства разных стран вливали огромные средства в модернизацию и создание инфраструктуры: автомагистралей, мостов, железных дорог. С тех пор прошло больше полувека, и всё это асфальтобетонное наследство постепенно начинает рассыпаться, приводя к экономическим потерям и даже человеческим жертвам, а пустить во все концы путевых обходчиков с дефектоскопами дорого, долго и неэффективно. Рассказываем, как ученые предлагают прислушиваться, притрагиваться и приглядываться к дорожной инфраструктуре, чтобы решить проблему её старения.
По данным Всемирного банка, дороги сегодня — самый обделённый инвестициями элемент инфраструктуры на планете. По сравнению с портами, железными дорогами, электросетями, водопроводами, телекоммуникациями, аэропортами именно в этот сегмент вливается намного меньше денег, чем нужно. Аналитики считают, что дорожная сеть планеты к 2040 году недополучит 8 трлн долларов, необходимых на ее модернизацию и развитие.
Это значит, что дороги, а также дорожные сооружения (эстакады, мосты, туннели) будут разрушаться, если мы не придумаем более эффективные и экономичные средства их обслуживания. Сейчас мониторинг состояния конструкций (Structural Health Monitoring, SHM) остается одной из самых материало- и трудоёмких отраслей.
Нам не хватает:
— людей, потому что протяженность инфраструктуры такова, что эффективно диагностировать её состояние мобильными средствами с личным участием специалистов невозможно;
— техники, так как дефектоскопическое оборудование само быстро изнашивается, а стоит при этом очень дорого;
— времени, потому что имеющими средствами невозможно обеспечить нужную периодичность проверок, чтобы, скажем, не пропустить свежую трещину в уже отсмотренной колонне эстакады.
В каком же направлении идти? Общий вектор таков: средства SHM должны быть маленькими, многочисленными, дешёвыми, автоматизированными, взаимосвязанными и удалёнными, а поток аналитики от них — непрерывным. Иными словами, революция IoT должна охватить и сферу SHM, где датчиков и практик сбора данных — много, а коммуникационной базы для этого нет. Какие средства мониторинга дорог и сооружений нужно интегрировать в интернет вещей? Как это выглядит? Показываем на примере из практики Toshiba и наших коллег из других стран.
Прислушаться: акустические датчики в мостах и тоннелях Японии
В 2012 году в Японии обрушился свод одного из многочисленных дорожных туннелей. 30-метровый участок потолочных креплений 4-километрового туннеля обвалился на проезжающие автомобили. Как впоследствии показала экспертиза, причиной стало банальное старение конструкций, которые не подвергались должному обслуживанию с 1970-х годов. В гористой стране, где насчитывается более 150 тыс. мостов и туннелей, таких аварий допускать никак нельзя. Более того, к 2033 году порядка 63% сооружений такого рода отметят своё пятидесяти- и даже больше -летие.
Корпорация Toshiba вместе с Университетом Киото разработала технологию акустического анализа состояния бетонных конструкций, позволяющую визуализировать внутренние дефекты элементов мостов. В её основе — акустическая эмиссия, то есть волны напряжений, возникающие при динамических процессах в разных материалах. Говоря проще, любое разрушение порождает звук (акустические волны), как, к примеру, ломающаяся перед падением ветка дерева. Конечно, далеко не все эти волны можно уловить невооружённым ухом, поэтому звук «слышат» специальные датчики.
Датчики акустической эмиссии могут размещаться вдоль всей конструкции мостов, туннелей и других сооружений. Телеметрию можно получать и анализировать практически беспрерывно, а вмешательство в движение транспорта почти не требуется. Источник: YouTube-канал Toshiba
Внутренние повреждения материала отражаются на волновом рисунке, позволяя понять, где именно в бетонной плите есть трещина, разлом, пустоты и т.п. Более того, по интенсивности звука можно прогнозировать скорость дальнейшего разрушения материала и его источник. При этом нам не нужно физически воздействовать на бетон или вырезать какие-либо образцы для изучения — все проходит в рамках методики неразрушающего контроля, о которой мы, кстати, уже рассказывали.
С помощью окраски интенсивности акустической эмиссии можно понять, в какой части бетонной конструкции уже есть большие разломы, где они могут появится, а где материал ещё сохраняет целостность. Источник: Toshiba
Датчики можно соединить в сеть, подключить к системам геолокации, а собранные данные анализировать в центре обработки информации в удалённом режиме, используя для связи энергоэффективные сети дальнего радиуса действия (LPWAN, BLE), а также 5G. Обходчики при этом не требуются, а мониторинг может идти практически беспрерывно. Правда, потребность в таком тщательном анализе в случае с бетоном, доказавшим свою долговечность ещё со времён Древнего Рима, не всегда есть, чего не скажешь о дорожном покрытии – самом уязвимом элементе инфраструктуры.
Притронуться: вибрационные сенсоры на автобанах Германии
Как известно, в Германии одна из самых протяжённых национальных сетей автодорог в мире, и логично, что за таким хозяйством ухаживать непросто. К 2030 году правительство страны собирается потратить на ремонт и строительство новых путей сообщения 270 млрд евро, из которых 69% пойдут на модернизацию существующей инфраструктуры. Половина отпущенных средств будет потрачена на дороги, а с ними действительно всё сложно: частому диагностическому анализу в ФРГ подвергаются лишь 177 км дорог, тогда как нерегулярному — 505 км. Между тем общая протяжённость только автобанов — 13 тыс. км. Очевидно все эти километры не обойдёшь и даже не объедешь на специальных диагностических автомобилях. Поэтому группа учёных из Технологического института Карлсруэ предложила оригинальное решение — превратить в диагностические машины личные авто простых немцев.
Для этого инженеры предложили снабдить машины недорогими измерительными приборами — инерционным датчиком с GPS-модулем. Инерционный датчик размещается вблизи центра тяжести транспортного средства. Регистраторы ускорения и угловой скорости также собирают данные в конкретной географической точке. Собранную информацию можно автоматически передать на сервер через Wi-Fi, как только автомобиль вернётся на парковку — это в случае, если владелец машины не захочет, чтобы география его перемещения хоть как-то регистрировалась и хранилась. Однако если оператор мониторинга сумеет обеспечить сохранность данных, а владелец машины не будет против, то инерционный датчик и GPS-модуль можно интегрировать в экосистему IoT. Это позволит получать информацию о состоянии дорог в реальном времени. К примеру, если из-за дождевого оползня на дорожном полотне образуется трещина, оператор дорожной сети узнает об этом, как только над трещиной проедет первая же подключённая к системе машина. Затем на основе алгоритма машинного обучения и статистики, рассчитанной по вибрациям и динамике транспортного средства, система может классифицировать характеристики дороги и оценить её состояние.
Главное правильно разместить датчик, иначе данные будут считываться неправильно. Источник: Masino, J., Frey, M., Gauterin, F., & Sharma, R. (2016). Development of a highly accurate and low cost measurement device for Field Operational Tests. 2016 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems.
Фактически автомобиль превращается в передвижной аппарат, который «ощупывает» дорожные покрытие на предмет его ровности. Чем сильнее и чаще вибрации, тем хуже качество дороги. Оснащение даже сравнительно небольшой части автомобилей позволит охватить диагностикой большинство дорог Германии. Технология отлично подходит для хорошо обеспеченной автомагистралями ФРГ, а вот в России, где велика важность железных дорог, применяется другая техника.
Приглядеться: волоконно-оптические датчики и железные дороги России
Россия занимает третье место в мире по протяжённости железнодорожных путей после США и Китая — она составляет 85 тыс. км (чуть больше двух экваторов Земли). При этом большая часть железных дорог проходит в труднодоступных местах со сложными климатическими и географическими условиями, отчего инфраструктура разрушается быстрее, чем в других странах.
Следить за железными дорогами в России непросто, потому что требуется много дефектоскопической техники, фактически, — специализированных поездов, оснащённых многочисленными датчиками. Скорость их движения низкая, стоимость — высокая, поэтому дать непрерывный поток информации они не могут. Да и сами вагоны диагностики стремительно устаревают: к 2020 году износ этого оборудования достигнет 84%.
Чем их заменить? Инженеры российской компании Laser Solutions предлагают вести мониторинг состояния железных дорог посредством распределённых волоконно-оптических сенсоров. Для измерения изменений в окружающей среде по оптоволоконному кабелю передаётся световой сигнал. Поскольку скорость света в оптическом волокне известна, временная задержка между вводом импульса и регистрацией его достижения конечной точки может указывать на физические воздействия на кабель — температурой, деформацией, вибрацией, акустическими колебаниями. Они локально изменяют характеристики происхождения света. Таким образом, оптоволоконный кабель превращается в длинный сенсор, который как бы «приглядывает» за объектом инфраструктуры на всем его протяжении. Такой кабель можно вкопать, к примеру, в земляное основание железнодорожного полотна — уязвимую часть ж/д-инфраструктуры, ведь постоянные подвижки грунта изнашивают и ломают дорогу. На критических участках путей в земляное полотно закладываются волоконно-оптические сенсоры деформации и температуры. Сенсор деформации контролирует перемещение грунта, а температурный датчик необходим при сезонных процессах протаивания земли.
Пока что длина контролируемых волоконно-оптическими сенсорами участков железнодорожных путей не превышает 60 км, как в силу чисто технических, так и известных экономических причин — закапывать высокотехнологичный кабель там, где могут украсть даже медную проволоку, чревато негативными последствиями.
Вместе с тем нужно понимать, что в этой и в описанных выше технологиях мы создаём для контроля дорожно-транспортной инфраструктуры отдельную инфраструктуру, которая также требует обслуживания — сбора и обработки информации, интерпретация данных, реагирование. Когда-нибудь и эту параллельную сеть датчиков, кабелей, ЦОД придется менять. Чтобы выйти из этой технологической рекурсии нам надо научить инфраструктуру самовосстановлению.
«Исцелись сам!»
В последние годы учёные пытаются разработать новые строительные материалы, которые смогут восстанавливаться (почти) самостоятельно. Так, в Дельфтском технологическом университете (Нидерланды) создали асфальт, который можно лечить с помощью индукционного нагрева. Асфальт — это, грубо говоря, смесь гравия и песка, которые склеивает густой и вязкий битум. Постепенно под воздействием эрозии, окисления, температуры и физического давления этот «клей» изнашивается, после чего асфальт трескается, а затем покрывается ямами. Голландцы предложили добавить в битум тонкую стальную стружку, а затем время от времени разогревать её с помощью магнитной индукции специальной дорожной машиной. Битум при этом поглощает тепло и вновь приобретает вязкость, скрепляющую элементы асфальта. По подсчётам учёных, такой способ обслуживания асфальта позволит в два раза увеличить его срок службы.
А вот в рамках курса лечения для бетона некоторые учёные предлагают назначить особые бактерии — сульфатредуцирующие микроорганизмы. Они могут вживляться в бетон на стадии строительства и пребывать в анабиозе до изменения среды обитания, скажем, до появления микротрещин. Тогда эти бактерии выходят из спячки, начинают размножаться и производить карбонат кальция и другие вещества, которые скрепляют вместе разрушающийся бетон.
Итак, интеграция всех упомянутых выше датчиков в экосистему интернета вещей в будущем позволит нам сделать мониторинг действительно непрерывным, что практически исключит или многократно снизит вероятность техногенных аварий, сократит затраты как на обслуживание, так и на строительство новых инфраструктурных объектов, а также приведет к высвобождению для более интересных задач десятков тысяч условных путевых обходчиков по всему миру.
