Использование закладных датчиков в системах автоматизированного мониторинга состояния дорог

Дорожные службы стремятся автоматизировать мониторинг состояния и техническое обслуживание автомобильных дорог. Поэтому в дорожных сетях будет использоваться все больше и больше датчиков.

В начале сентября 2021 года национальное агентство автомобильных магистралей Великобритании «National Highways», в прошлом «Highways England», объявило о своей новой стратегии «Цифровые дороги» (Digital Roads). В представленной стратегии одним из основных элементов видения перспектив развития дорожной сети было создание цифровых двойников дорог. Цифровые копии дорог помогут в прогнозировании изменения состояния дорог, требующего раннего вмешательства, что позволит продлить срок службы дорог и обеспечить бесперебойное движение транспорта.

В пресс-релизе дорожного агентства «National Highways» говорится: «Объединение данных, полученных от «умных» материалов, интегрированных  в существующее дорожное покрытие, и возможностей визуализации дорожной сети и мониторинга состояния дорог, которые дает система цифровых двойников, позволит определить необходимость проведения ремонтных работ. При этом асфальтовое покрытие сможет восстанавливаться самостоятельно с помощью самовосстанавливающихся материалов. Это позволит значительно сократить потребность в проверках на местах, которые занимают много времени и требуют значительных средств, а также предотвратить ненужные задержки движения и сократить выбросы вредных веществ, возникающие в ходе производства дорожных работ».

Цифровые двойники — это не просто виртуальные копии физических объектов. Между физическим объектом и его цифровой копией должна быть установлена связь, позволяющая отправлять и получать данные, касающиеся, среди прочего, грузонапряженности движения, типов транспортных средств и результатов контроля состояния объектов.  Для сбора этой информации дорожным сетям потребуется множество датчиков, часть которых должна быть интегрирована в дорожное покрытие.

На 7-м конгрессе «Евроасфальт и Евробитум» (Eurasphalt & Eurobitume (E&E)), который состоялся в июне 2021 года в дистанционном формате, участники узнали о разработках, которые осуществляются как научными учреждениями, так и коммерческими организациями в области создания систем датчиков, интегрируемых в дорожное покрытие. Такие исследования и разработки ведутся в Европе, а также в США, Китае и Японии.

Две декады «умных дорог»

Используемые в настоящее время способы проверки и оценки состояния дорожных покрытий занимают много времени и сопряжены со значительными расходами. Оценку состояния покрытия можно выполнить визуальными методами или с помощью автоматизированных средств, например, сканера. Оценку целостности дорожной одежды можно произвести с помощью специального оборудования или системы, например, дефлектометра с падающим грузом (ДПГ) или, возможно, радара подповерхностного зондирования (РПЗ). Зачастую приходится использовать методы разрушающего контроля, такие как отбор керна.

Но если в дорожное покрытие интегрировать датчики, это означало бы, что информация о состоянии дороги будет доступна всегда и без необходимости совершать дополнительные вмешательства. Датчики могли бы измерить такие параметры, как деформация, интенсивность движения и температура, а полученные с помощью датчиков данные использовались бы для определения необходимости технического обслуживания.

Эта идея не нова. В конце 90-х в США был реализовать проект «Virginia Smart Road». В рамках этого проекта на участке автомагистрали длиной 3,3 км в дорожное покрытие были интегрированы на разную глубину различные датчики.

В 2012 году французская подрядная организация Eiffage, совместно с Лионским университетом и Национальной школой архитектуры и строительства общественных зданий и сооружений (ENTPE), заложили на участке автомагистрали A41N недалеко от Лиона проволочные тензометры, датчики температуры и волоконные решетки Брэгга (ВБР).

Во Франции был проведен еще один эксперимент с закладными датчиками. Датчики были заложены в крайней правой полосе движения на участке автомагистрали A10, соединяющей города Париж и Бордо. Для сбора данных использовали беспроводной программно-технический комплекс PEGASE, разработанный Французским институтом науки и технологии развития транспорта и транспортных сетей (INRETS). Программно-технический комплекс PEGASE можно приобрести у французской компании I3IP

Разумеется, что с тех пор, как 20 лет назад были проведены первые эксперименты по интеграции средств измерения в дорожные покрытия, в разработке технологий для беспроводного сбора и передачи данных были достигнуты значительные успехи. Сегодня беспроводные датчики широко используются во многих областях применения, а возможности по обработке данных и искусственный интеллект (ИИ) открывают лучшие возможности для использования собранных данных.

Однако здесь все еще сохраняются различные сложности. Например, для работы датчиков необходимы аккумуляторные батареи, срок службы которых ограничен. До сих пор сохраняются вопросы, касающиеся стабильности работы датчиков, а также проблема, связанная с тем, как защитить и сохранить датчики, которые повреждаются в ходе укладки дорожного покрытия.

Влияние перегрузок

На конгрессе E&E исследователь Патриция Кара де Мейер (Patricia Kara De Maeijer) из Антверпенского университета рассказала об исследовательской программе, направленной на изучение воздействия большегрузных транспортных средств на дорожные покрытия. В исследованиях используются волоконные решетки Брэгга. Грузовые автомобили часто загружаются сверх допустимых пределов, что ускоряет повреждение дорожного покрытия и сокращает срок его службы.

Волоконная решетка Брэгга (ВБР) состоит из распределенного брэгговского отражателя, сформированного в светонесущей сердцевине оптического волокна. Решетка способна отражать ограниченный диапазон длин волн и пропускать другие. При движении участка волокна с решеткой, которое происходит из-за деформации дорожного покрытия, происходит частичное или полное отражение электромагнитного излучения от решетки в определенном спектральном диапазоне. Одна из самых больших проблем при использовании такой технологии в асфальтовых покрытиях заключается в том, как установить ВБР, не повредив их во время укладки слоев дорожной одежды.

Впервые коммерчески доступные датчики ВБР были установлены Де Мейер и ее коллегами-исследователями еще в 2017 году. Тогда датчики были интегрированы в велосипедную дорожку на территории университета. Исследователи использовали два способа закладки датчиков. Первый способ заключался в том, что оптоволокно сначала укладывалось в готовые асфальтобетонные блоки, а во втором способе оптоволокно укладывалось в канавки непосредственно в нижней части слоя асфальта.

Второй экспериментальный проект по закладке датчиков ВБР был реализован в 2019 году в порту Антверпен. В этом проекте датчики были интегрированы в дорожную одежду капитального типа. При этом оптоволокно было уложено в продольном и поперечном направлении в каждом из трех слоев асфальтового покрытия. Исследователи использовали три разных способа размещения датчиков: в сборных элементах, в канавках и в георешетке.

В рамках этого экспериментального проекта исследователями были установлены датчики деформации и температуры ВБР-типа на другом участке дороги в порту Антверпен. В этом эксперименте датчики были помещены в канавках в местах, где на несвязанный слой дорожного основания наносили известковый раствор. Исследователи использовали два вида раствора, эпоксидный и цементный. Степень сохранности датчиков при данном способе закладки составила 100%.

По словам Де Мейер, благодаря интеллектуальному анализу и обработке данных, информацию, полученную от датчиков деформации и температуры ВБР-типа, можно использовать для множества различный целей, включая автоматическое обнаружение транспортных средств, детектирование высоких значений деформации, определение количества транспортных средств, измерение суточного колебания температуры.

Новые датчики infraTest Prüftechnik

Одной из последних новинок в ассортименте оборудования для тестирования автомобильных дорог, предлагаемого компанией-производителем приборов для контроля качества и проведения испытаний прочности грунта для дорожного строительства infraTest Prüftechnik, являются датчики. «Система датчиков infraTest — наш последний инновационный продукт, — заявил генеральный директор компании Матиас Мартус (Matthias Martus) на конгрессе E&E. — Мы начали два или три года назад с разработки датчиков температуры, которые мы закладывали в асфальт в процессе укладки. Мы помещали их в разные слои дорожной одежды – в поверхностный, связующий и в слой дорожного основания».

По словам Матиаса Мартуса, датчики можно настроить таким образом, чтобы они измеряли температуру через заданные промежутки времени. В датчиках предусмотрена возможность изменения длительности интервалов. Это беспроводные датчики, поэтому их можно запрограммировать и настроить после установки.

Датчики сохраняют данные, которые затем экспортируются вручную или автоматически по беспроводной сети с использованием технологии РЧИД. По словам Матиаса Мартуса, срок службы аккумуляторных батарей датчиков составляет от двух до трех лет в зависимости от настроек периодичности измерений

Компания infraTest Prüftechnik также поставляет датчики ускорения, которые способны обнаруживать изменения вибрации на осях x, y и z, когда над ними проезжает транспортное средство. Эти датчики подключаются с помощью кабеля и передают данные на блок управления, который затем может отправлять данные в облако.

Датчики с автономным питанием

Исследователи из университета Пердью, который находится в американском штате Индиана, разработали под руководством профессора кафедры гражданского строительства Луна Лу (Luna Lu) датчики, которые можно интегрировать в бетонные дороги для контроля прочности бетона за счет определения изменений таких свойств, как гидратация, жесткость и прочность на сжатие. Датчики представляют собой пьезоэлектрические датчики, которые способны генерировать электрический заряд в ответ на механическое воздействие, поэтому им не требуется источник напряжения или тока.

Датчики были установлены на межштатных автомагистралях 465 и 74 для Департамента транспорта штата Индианы в течение почти двух лет. Университет Пердью также сообщил, что работает с Федеральным управлением автомобильных дорог (FHWA) над установкой датчиков на автомагистралях Техаса, Колорадо, Теннесси и Миссури.

На начальном этапе датчики можно использовать для того, чтобы убедиться, что бетон достиг достаточной прочности, чтобы выдерживать нагрузку от транспортных средств. На более поздних этапах эксплуатации дороги датчики предупредят владельца дорог о том, что бетонное покрытие начинает разрушаться, позволяя заблаговременно спланировать ремонт или замену покрытия.

«При разработке графиков строительных работ наши датчики могут помочь принять решения на основе фактических данных. «Датчики также помогут повысить качество бетонных конструкций», —сказал Луна Лу. — Возможность отслеживать прочность бетона в течение более длительного периода времени помогла бы инженерам понять, если конструкция дорожной одежды была спроектирована с излишним или недостаточным запасом прочности, а также определить более точно, когда необходимо выполнить замену бетонного покрытия».

Эффективный анализ всех собранных данных поможет владельцам дорог и проектным бюро понять, какую фактическую нагрузку испытывают дорожные покрытия, и спроектировать будущие покрытия с учетом результатов такого анализа. Благодаря системам, аналогичным тем, которые сейчас испытывают исследователи Антверпенского университета, интегрированные в дорожное покрытие датчики обеспечат для владельцев дорог возможность контролировать участников дорожного движения. Поэтому могут уйти в прошлое нарушения большегрузными автомобилями требований к максимально допустимой массе груза.

Стратегия цифровизации дорог

Стратегия «Цифровые дороги» британского дорожного агентства «National Highways» описывает концепцию цифровизации автомобильных дорог по трем направлениям: проектирование и строительство, эксплуатация и техническое обслуживание, и заказчики. Одной из тем для углубленного рассмотрения является внедрение систем интеллектуального управления активами дорожного хозяйства. Наряду с дальнейшим усовершенствованием процессов сбора и обработки данных, агентство «National Highways» рассматривает развертывание автономного цифрового предприятия, которое призвано обеспечить более эффективную координацию ремонтных работ на дорогах.

Передает Информационный портал Заполнители