Використання закладних датчиків у системах автоматизованого моніторингу стану доріг

Будiвництво Стaттi

24 Січ 2022, 10:00

eye-icon

35

comment-icon

0

Дорожні служби прагнуть автоматизувати моніторинг стану та технічне обслуговування автомобільних доріг. Тому в дорожніх мережах буде використовуватися все більше і більше датчиків.

Група дослідників кафедри цивільного будівництва американського університету Пердью виконують закладку датчиків в асфальтобетонне покриття траси I-465 неподалік від Індіанаполіса
Група дослідників кафедри цивільного будівництва американського університету Пердью виконують закладку датчиків в асфальтобетонне покриття траси I-465 неподалік від Індіанаполіса

На початку вересня 2021 року національне агентство автомобільних магістралей Великобританії «National Highways», в минулому «Highways England», оголосило про свою нову стратегію «Цифрові дороги» (Digital Roads). У представленій стратегії одним з основних елементів бачення перспектив розвитку дорожньої мережі було створення цифрових двійників доріг. Цифрові копії доріг допоможуть у прогнозуванні зміни стану доріг, що вимагає раннього втручання, що дозволить продовжити термін служби доріг і забезпечити безперебійний рух транспорту.

У пресрелізі дорожнього агентства «National Highways» йдеться: “Об’єднання даних, отриманих від” розумних “матеріалів, інтегрованих в чинне дорожнє покриття, та можливостей візуалізації дорожньої мережі та моніторингів При цьому асфальтове покриття зможе відновлюватися самостійно за допомогою самовідновлюваних матеріалів. Це дозволить значно скоротити потребу в перевірках на місцях, які займають багато часу і вимагають значних коштів, а також запобігти непотрібним затримкам руху і скоротити викиди шкідливих речовин, що виникають під час виробництва дорожніх робіт “.

Цифрові двійники – це не просто віртуальні копії фізичних об’єктів. Між фізичним об’єктом і його цифровою копією повинен бути встановлений зв’язок, що дозволяє відправляти і отримувати дані, що стосуються, серед іншого, вантажонапруженості руху, типів транспортних засобів і результатів контролю стану об’єктів. Для збору цієї інформації дорожнім мережам потрібно безліч датчиків, частина яких повинна бути інтегрована в дорожнє покриття.

На 7-му конгресі «Євроасфальт і Євробітум» (Eurasphalt & Eurobitume (E&E)), який відбувся в червні 2021 року в дистанційному форматі, учасники дізналися про розробки, які здійснюються як науковими установами, так і комерційними організаціями в області створення систем датчиків, що інтегруються в дорожнє покриються Такі дослідження і розробки ведуться в Європі, а також у США, Китаї та Японії.

Дві декади «розумних доріг»

Використовувані в цей час способи перевірки та оцінки стану дорожніх покриттів займають багато часу і пов’язані зі значними витратами. Оцінку стану покриття можна виконати візуальними методами або за допомогою автоматизованих засобів, наприклад, сканера. Оцінку цілісності дорожнього одягу можна провести за допомогою спеціального обладнання або системи, наприклад, рефлектометра зі спадним вантажем (ДПГ) або, можливо, радара підповерхневого зондування (РПЗ). Часто доводиться використовувати методи руйнівного контролю, такі як відбір керну.

Але якщо в дорожнє покриття інтегрувати датчики, це означало б, що інформація про стан дороги буде доступна завжди та без необхідності здійснювати додаткові втручання. Датчики могли б виміряти такі параметри, як деформація, інтенсивність руху і температура, а отримані за допомогою датчиків дані використовувалися б для визначення необхідності технічного обслуговування.

Ця ідея не нова. Наприкінці 90-х у США був реалізувати проєкт «Virginia Smart Road». В рамках цього проєкту на ділянці автомагістралі довжиною 3,3 км в дорожнє покриття були інтегровані на різну глибину різні датчики.

У 2012 році французька підрядна організація Eiffage, спільно з Ліонським університетом і Національною школою архітектури та будівництва громадських будівель і споруд (ENTPE), заклали на ділянці автомагістралі A41N недалеко від Ліона дротяні тензометри, датчики температури та волоконні решітки Брегга (ВБР).

Датчики допомагають Департаменту транспорту штату Індіана визначити більш точно, коли нове бетонне покриття готове витримати інтенсивний рух автотранспорту
Датчики допомагають Департаменту транспорту штату Індіана визначити більш точно, коли нове бетонне покриття готове витримати інтенсивний рух автотранспорту

У Франції був проведений ще один експеримент із закладними датчиками. Датчики були закладені в крайній правій смузі руху на ділянці автомагістралі A10, що з’єднує міста Париж і Бордо. Для збору даних використовували бездротовий програмно-технічний комплекс PEGASE, розроблений Французьким інститутом науки та технології розвитку транспорту і транспортних мереж (INRETS). Програмно-технічний комплекс PEGASE можна придбати у французької компанії I3IP

Зрозуміло, що відтоді, як 20 років тому були проведені перші експерименти з інтеграції засобів вимірювання в дорожні покриття, в розробці технологій для бездротового збору і передачі даних були досягнуті значні успіхи. Сьогодні бездротові датчики широко використовуються в багатьох областях застосування, а можливості з обробки даних і штучний інтелект (ШІ) відкривають кращі можливості для використання зібраних даних.

Однак тут все ще зберігаються різні складнощі. Наприклад, для роботи датчиків необхідні акумуляторні батареї, термін служби яких обмежений. Досі зберігаються питання, що стосуються стабільності роботи датчиків, а також проблема, пов’язана з тим, як захистити і зберегти датчики, які пошкоджуються в ході укладання дорожнього покриття.

Вплив перевантажень

На конгресі E&E дослідник Патриція Кара де Мейєр (Patricia Kara De Maeijer) з Антверпенського університету розповіла про дослідницьку програму, спрямовану на вивчення впливу великовантажних транспортних засобів на дорожні покриття. У дослідженнях використовуються волоконні решітки Брегга. Вантажні автомобілі часто завантажуються понад допустимі межі, що прискорює пошкодження дорожнього покриття і скорочує термін його служби.

Волоконна решітка Брегга (ВБР) складається з розподіленого бреггівського відбивача, сформованого у світлоносній серцевині оптичного волокна. Решітка здатна показувати обмежений діапазон довжин хвиль і пропускати інші. При русі ділянки волокна з ґратами, яке відбувається через деформацію дорожнього покриття, відбувається часткове або повне зображення електромагнітного випромінювання від решітки в певному спектральному діапазоні. Одна з найбільших проблем при використанні такої технології в асфальтових покриттях полягає в тому, як встановити ВБР, не пошкодивши їх під час укладання шарів дорожнього одягу.

Вперше комерційно доступні датчики ВБР були встановлені Де Мейєр і її колегами-дослідниками ще у 2017 році. Тоді датчики були інтегровані у велосипедну доріжку на території університету. Дослідники використовували два способи закладки датчиків. Перший спосіб полягав у тому, що оптоволокно спочатку укладалося в готові асфальтобетонні блоки, а в другому способі оптоволокно укладалося в канавки безпосередньо в нижній частині шару асфальту.

Другий експериментальний проєкт по закладці датчиків ВБР був реалізований у 2019 році в порту Антверпен. У цьому проєкті датчики були інтегровані в дорожній одяг капітального типу. При цьому оптоволокно було укладено в поздовжньому і поперечному напрямку в кожному з трьох шарів асфальтового покриття. Дослідники використовували три різні способи розміщення датчиків: у збірних елементах, у канавках і в георешетці.

“Під час будівництва важких покриттів значна кількість датчиків була загублена. В основному це були датчики, встановлені в георешетці, а також у збірних елементах “,

– сказала Де Мейєр на конгресі E & E.

У рамках цього експериментального проєкту дослідники встановили датчики деформації та температури ВБР-типу на іншій ділянці дороги в порту Антверпен. У цьому експерименті датчики були поміщені в канавках у місцях, де на незв’язаний шар дорожньої основи наносили вапняний розчин. Дослідники використовували два види розчину, епоксидний і цементний. Ступінь збереження датчиків при даному способі закладки склав 100%.

За словами Де Мейєр, завдяки інтелектуальному аналізу та обробці даних, інформацію, отриману від датчиків деформації та температури ВБР-типу, можна використовувати для безлічі різних цілей, включаючи автоматичне виявлення транспортних засобів, детектування високих значень деформації, визначення кількості транспортних засобів, вимірювання добового коливання температури.

Нові датчики infraTest Prüftechnik

Однією з останніх новинок в асортименті обладнання для тестування автомобільних доріг, пропонованого компанією-виробником приладів для контролю якості та проведення випробувань міцності ґрунту для дорожнього будівництва infraTest Prüftechnik, є датчики. “Система датчиків infraTest – наш останній інноваційний продукт, – заявив генеральний директор компанії Матіас Мартус (Matthias Martus) на конгресі E & E. Ми почали два або три роки тому з розробки датчиків температури, які ми закладали в асфальт в процесі укладання. Ми поміщали їх у різні шари дорожнього одягу – у поверхневий, зв’язуючий і в шар дорожньої основи “.

За словами Матіаса Мартуса, датчики можна налаштувати таким чином, щоб вони вимірювали температуру через задані проміжки часу. У датчиках передбачена можливість зміни тривалості інтервалів. Це бездротові датчики, тому їх можна запрограмувати та налаштувати після установки.

Датчики зберігають дані, які потім експортуються вручну або автоматично через бездротову мережу з використанням технології РЧИД. За словами Матіаса Мартуса, термін служби акумуляторних батарей датчиків становить від двох до трьох років залежно від налаштувань періодичності вимірювань

Компанія infraTest Prüftechnik також постачає датчики прискорення, які здатні виявляти зміни вібрації на осях x, y і z, коли над ними проїжджає транспортний засіб. Ці датчики підключаються за допомогою кабелю і передають дані на блок управління, який потім може відправляти дані в хмару.

«Ми можемо виміряти навантаження на осі автомобіля, визначити колісну формулу, інтенсивність дорожнього руху, тип транспортного засобу, а за допомогою довгострокових досліджень ми можемо отримати інформацію про життєвий цикл, а також скласти прогноз життєвого циклу»,

– сказав Матіас Мартус.

Датчики з автономним живленням

Дослідники з університету Пердью, який знаходиться в американському штаті Індіана, розробили під керівництвом професора кафедри цивільного будівництва Луна Лу (Luna Lu) датчики, які можна інтегрувати в бетонні дороги для контролю міцності бетону шляхом визначення змін таких властивостей, як гідратація, жорсткість і міцність на стиснення. Датчики являють собою п’єзоелектричні датчики, які здатні генерувати електричний заряд у відповідь на механічний вплив, тому їм не потрібно джерело напруги або струму.

Датчики були встановлені на між штатних автомагістралях 465 і 74 для Департаменту транспорту штату Індіани протягом майже двох років. Університет Пердью також повідомив, що працює з Федеральним управлінням автомобільних доріг (FHWA) над установкою датчиків на автомагістралях Техасу, Колорадо, Теннессі та Міссурі.

Датчики допомагають Департаменту транспорту штату Індіана визначити більш точно, коли нове бетонне покриття готове витримати інтенсивний рух автотранспорту
Датчики допомагають Департаменту транспорту штату Індіана визначити більш точно, коли нове бетонне покриття готове витримати інтенсивний рух автотранспорту

На початковому етапі датчики можна використовувати для того, щоб переконатися, що бетон досяг достатньої міцності, щоб витримувати навантаження від транспортних засобів. На більш пізніх етапах експлуатації дороги датчики попередять власника доріг про те, що бетонне покриття починає руйнуватися, дозволяючи завчасно спланувати ремонт або заміну покриття.

“При розробці графіків будівельних робіт наші датчики можуть допомогти прийняти рішення на основі фактичних даних. Датчики також допоможуть підвищити якість бетонних конструкцій, – сказав Місяць Лу. – Можливість відстежувати міцність бетону протягом більш тривалого проміжку часу допомогла б інженерам зрозуміти, якщо конструкція дорожнього одягу була спроєктована з зайвим або недостатнім запасом міцності, а також визначити більш точно, коли необхідно виконати заміну бетонного покриття “.

Ефективний аналіз всіх зібраних даних допоможе власникам доріг і проєктним бюро зрозуміти, яке фактичне навантаження відчувають дорожні покриття, і спроєктувати майбутні покриття з урахуванням результатів такого аналізу. Завдяки системам, аналогічним тим, які зараз відчувають дослідники Антверпенського університету, інтегровані в дорожнє покриття датчики забезпечать для власників доріг можливість контролювати учасників дорожнього руху. Тому можуть піти в минуле порушення великовантажними автомобілями вимог до максимально допустимої маси вантажу.

Стратегія цифровізації доріг

Стратегія «Цифрові дороги» британського дорожнього агентства «National Highways» описує концепцію цифровізації автомобільних доріг за трьома напрямками: проєктування і будівництво, експлуатація і технічне обслуговування, і замовники. Однією з тем для поглибленого розгляду є впровадження систем інтелектуального управління активами дорожнього господарства. Поряд з подальшим удосконаленням процесів збору та обробки даних, агентство «National Highways» розглядає розгортання автономного цифрового підприємства, яке покликане забезпечити більш ефективну координацію ремонтних робіт на дорогах.

Передає Інформаційний портал Заповнювачі

Підпишись на нашу розсилку

Дайджест головних новин, презентації обладнання, огляди заходів і багато іншого.

*

* Ці поля обов'язкові для заповнення.

Advertisement

Матеріали по темі

Екзоскелети в будівництві

Екзоскелети в будівництві

Метью Марино (Matthew Marino), директор напрямку ергономіки та людських факторів в компанії HeroWear, яка є розробником і постачальником роботизованих технологій, зокрема, екзоскелетів, розповідає про те, як і для чого ця технологія може використовуватися на будівельних майданчиках.

23 Лют 2022, 16:59

eye-icon

35

comment-icon

0

Практичний приклад використання технологій Topcon при ремонті гоночної траси

Практичний приклад використання технологій Topcon при ремонті гоночної траси

Завдяки сучасним технологіям укладання нового покриття гоночної траси Autodromo di Franciacorta в Італії виконано з високою точністю і в рекордно короткі терміни.

15 Лют 2022, 10:00

eye-icon

78

comment-icon

0

7 потужних трендів, які очікуються в будівельній галузі у 2022 році

7 потужних трендів, які очікуються в будівельній галузі у 2022 році

У цій статті йтиметься про найпомітніші на сьогодні тенденції в будівельній галузі.

8 Лют 2022, 10:00

eye-icon

90

comment-icon

0

Advertisement