Усталость асфальта: как следят за здоровьем дорожной инфраструктуры



    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.
    Toshiba
    Больше, чем обычные технологии. Больше, чем бизнес

    Комментарии 4

      +1

      Можно я задам наивный вопрос, который у меня возникает, когда я смотрю за тем, как перекладывают асфальт в Москве? Чем-то по качеству и показателям отличается асфальт, который клали годы назад от того, который кладут сейчас? Из того, что видно мне со стороны — он другого цвета, возможно, что и механико-прочностные характеристики у него другие? (Лучше, хуже — не знаю) Насколько я понял новый асфальт — это как правило тот же снятый, отвезённый на завод, туда заливают чего-то ещё и везут обратно укладывать.
      Но вот эта тема с модернизацией… Сейчас материалы стали делать лучше или кардинально тут ничего не поменялось? Продержится ли он дольше чем старый или менять придётся реже?

        0
        Многие подозревают, что у старого асфальта есть один фатальный недостаток.
          0
          Я не дорожник, просто по чуть читал/слышал много. Попробую ответить в простых терминах…
          Ну на большую часть асфальт состоит из гравия мелкой или не очень фракции, песка и битума.
          Остальное это присадки разные… Для подгонки под необходимые требования.
          Думаю при желании состав можно найти без проблем =)

          Сейчас смотрел как «перекладывали» дорогу (проезжая часть улицы в крупном городе) пару лет назад примерно у нас. Между слоями видел укладывают сетки. Раньше я такое точно не видел.

          Старый асфальт скорее всего разогревают, добавляют битум и присадки…

          Обычно проблема дороги — не делают нормальную «подушку». Там и валуны нужны и гравий и песок в нужных слоях необходимой толщины. Если где-то материал не той фракции или качества (даже песок бывает некачественным — например даже речной отличается от карьерного по характеристикам весьма сильно), если где-то слой не той толщины или не до конца утрамбовали/прикатали или погода была «не для укладки» то какой бы качественный асфальт сверху не положили, он долго не пролежит. А еще могут асфальт не той марки для данной местности. Или данной нагрузки. Факторов слишком много, я лет 15 назад видел книгу по дорожному строительству еще советских времён — там вполне расписано всё было.

          по «продержится ли дольше?» зависит от правильности укладки (начиная с подготовки), нагрузки(а она с каждым годом возрастает), погоды (цикличные мороз-вода разрушают сильно, если попадут в трещины) и еще кучи факторов =)

          по статье «проверяется несколько сот км, тогда как трасс тысячи км» — а зачем больше то?
          На каждом участке взяли «контрольный» кусочек, за ним и смотрят.
          Если на основной трассе нет ям/крупных трещин, которые видно и визуально то общий «износ» трассы можно брать по мелкому контрольному участку. Да, проверить всю трассу было бы лучше, но раз это требует слишком больших затрат то можно обойтись такими точечными проверками.
          +2
          Усталость асфальта: как следят за здоровьем дорожной инфраструктуры
          Вы серьёзно? В России о таком ещё можно пол века минимум не мечтать, у нас дороги по момему ремонтируют только когда надо денег попилить на этом, или когда становится много исков от автовладельцев, от которых всёравно отмахиваются и не платят по ним, но это уже как с комарами- укусить не укусит, но пищит непрятно, а когда писк становится больно слушать- тогда, с попилом (куда же без него) дорогу ремонтируют.

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

          Самое читаемое