Мониторинг инфраструктуры: обеспечение структурного здоровья для устойчивого будущего

Инфраструктура является основой современного общества, обеспечивая транспорт, связь и экономическую деятельность. Мосты, здания, туннели, плотины, трубопроводы и другие сооружения являются жизненно важными активами, которые требуют постоянного мониторинга для обеспечения их безопасности, долговечности и эксплуатационной эффективности. В этом блоге рассматривается решающая роль мониторинга инфраструктуры, с особым акцентом на мониторинг структурного здоровья (МСЗ), его основные принципы, технологии, приложения и будущие тенденции.

Что такое мониторинг структурного здоровья (МСЗ)?

Мониторинг структурного здоровья (МСЗ) - это процесс, который включает в себя использование датчиков, систем сбора данных и передовых аналитических методов для обнаружения и оценки повреждений или ухудшения состояния конструкций с течением времени. Он предоставляет информацию о структурной целостности в режиме реального времени или в режиме, близком к реальному, обеспечивая своевременное техническое обслуживание и предотвращая катастрофические отказы. МСЗ - это активный подход к управлению инфраструктурой, переход от реактивного ремонта к стратегиям прогнозного обслуживания.

Ключевые компоненты системы МСЗ

• Датчики: Это фундаментальные строительные блоки систем МСЗ, отвечающие за сбор данных, связанных со структурным поведением. К распространенным типам датчиков относятся тензодатчики, акселерометры, датчики перемещения, волоконно-оптические датчики и датчики коррозии.
• Система сбора данных (ССД): ССД собирает, оцифровывает и передает данные датчиков в центральный процессор. Она обеспечивает точный и надежный сбор данных в различных экологических условиях.
• Передача и хранение данных: Этот компонент обрабатывает передачу данных из ССД на сервер или облачную платформу для хранения и анализа. Могут использоваться проводные или беспроводные технологии связи.
• Обработка и анализ данных: Этот этап включает в себя анализ собранных данных для выявления аномалий, обнаружения повреждений и оценки общего структурного здоровья. Часто используются передовые алгоритмы, такие как машинное обучение и анализ конечных элементов.
• Обнаружение и локализация повреждений: На основе анализа данных система определяет наличие, местоположение и степень повреждения внутри структуры.
• Прогноз и прогнозирование остаточного срока службы (RUL): Анализируя исторические данные и текущие структурные условия, системы МСЗ могут прогнозировать будущую производительность структуры и оценивать ее остаточный срок службы.

Преимущества мониторинга инфраструктуры и МСЗ

Внедрение систем мониторинга инфраструктуры и МСЗ предлагает многочисленные преимущества, в том числе:

• Повышенная безопасность: Раннее выявление структурных повреждений позволяет своевременно вмешиваться, предотвращая потенциальные обрушения и обеспечивая безопасность населения.
• Снижение затрат на техническое обслуживание: Прогнозное обслуживание на основе данных МСЗ сводит к минимуму ненужный ремонт и продлевает срок службы инфраструктурных активов.
• Повышение операционной эффективности: Мониторинг в режиме реального времени позволяет оптимизировать распределение ресурсов и сокращает время простоя из-за незапланированного ремонта.
• Продление срока службы активов: Выявляя и устраняя незначительные проблемы на ранней стадии, МСЗ помогает предотвратить их перерастание в серьезные структурные проблемы, продлевая срок службы структуры.
• Принятие решений на основе данных: МСЗ предоставляет ценные данные, которые информируют о принятии решений относительно стратегий технического обслуживания, восстановления и замены.
• Повышение устойчивости: Продлевая срок службы существующей инфраструктуры и оптимизируя использование ресурсов, МСЗ способствует более устойчивым методам управления инфраструктурой.

Технологии, используемые в мониторинге инфраструктуры

В мониторинге инфраструктуры используется широкий спектр технологий, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Вот некоторые из наиболее часто используемых методов:

Сенсорные технологии

• Тензодатчики: Эти датчики измеряют деформацию (деформацию) в конструкции под нагрузкой. Они широко используются для мониторинга уровней напряжения в мостах, зданиях и других сооружениях.
• Акселерометры: Акселерометры измеряют ускорение, которое можно использовать для обнаружения вибраций, динамических нагрузок и структурных перемещений. Они особенно полезны для мониторинга мостов и зданий в сейсмоопасных районах.
• Датчики перемещения: Эти датчики измеряют перемещение (движение) конструкции, предоставляя информацию о ее деформации и устойчивости. Они обычно используются для мониторинга мостов, плотин и туннелей.
• Волоконно-оптические датчики: Волоконно-оптические датчики предлагают несколько преимуществ по сравнению с традиционными датчиками, включая высокую чувствительность, невосприимчивость к электромагнитным помехам и возможность одновременного измерения нескольких параметров. Они все чаще используются для мониторинга мостов, трубопроводов и другой критической инфраструктуры.
• Датчики коррозии: Эти датчики обнаруживают и измеряют скорость коррозии в металлических конструкциях, предоставляя раннее предупреждение о потенциальном повреждении, связанном с коррозией. Они необходимы для мониторинга мостов, трубопроводов и морских сооружений.
• Датчики акустической эмиссии (АЭ): Датчики АЭ обнаруживают высокочастотные волны напряжения, генерируемые ростом трещин или другими формами повреждений внутри материала. Мониторинг АЭ можно использовать для определения активных мест повреждений и оценки степени повреждения.

Методы неразрушающего контроля (МНК)

• Ультразвуковой контроль (УК): УК использует высокочастотные звуковые волны для обнаружения внутренних дефектов и измерения толщины материалов.
• Радиографический контроль (РК): РК использует рентгеновские или гамма-лучи для создания изображений внутренних структур, выявляя дефекты и дефекты.
• Магнитопорошковый контроль (МПК): МПК использует магнитные поля для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в ферромагнитных материалах.
• Капиллярный контроль (ПТ): ПТ использует жидкий краситель для обнаружения поверхностных трещин и разрывов.
• Визуальный контроль: Обученные инспекторы визуально осматривают конструкции на предмет признаков повреждений или ухудшения состояния. Это часто является первым шагом в комплексной программе инспекции.

Технологии дистанционного зондирования

• Спутниковые снимки: Спутниковые снимки обеспечивают широкую область покрытия и могут использоваться для мониторинга крупных инфраструктурных активов, таких как трубопроводы и линии электропередач.
• LiDAR (обнаружение и определение дальности света): LiDAR использует лазерные сканеры для создания 3D-моделей конструкций с высоким разрешением, что позволяет проводить детальный осмотр и анализ.
• Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) / дроны: Дроны, оснащенные камерами и датчиками, можно использовать для осмотра мостов, зданий и других сооружений с безопасного расстояния, уменьшая необходимость ручного осмотра.
• InSAR (интерферометрический радар с синтезированной апертурой): InSAR использует радиолокационные спутниковые данные для обнаружения незначительной деформации грунта, которая может указывать на структурную нестабильность или проседание.

Методы анализа и моделирования данных

• Анализ конечных элементов (МКЭ): МКЭ - это численный метод, используемый для моделирования поведения конструкций при различных нагрузках и условиях.
• Машинное обучение (МО): Алгоритмы МО можно обучить на исторических данных для выявления закономерностей, прогнозирования будущей производительности и обнаружения аномалий.
• Статистический анализ: Статистические методы используются для анализа данных датчиков и выявления тенденций, корреляций и выбросов.
• Технология цифрового двойника: Цифровой двойник - это виртуальное представление физического актива, которое можно использовать для моделирования его поведения, мониторинга его состояния и оптимизации его производительности.

Приложения мониторинга инфраструктуры

Мониторинг инфраструктуры и МСЗ применяются к широкому спектру сооружений и отраслей по всему миру. Вот несколько примечательных примеров:

Мосты

Мосты являются критически важными компонентами транспортных сетей, и их структурная целостность имеет первостепенное значение. Системы МСЗ используются для мониторинга мостов на предмет признаков повреждений, таких как трещины, коррозия и чрезмерный прогиб. Например, мост Цинг Ма в Гонконге, один из самых длинных подвесных мостов в мире, оснащен комплексной системой МСЗ, которая отслеживает его структурное состояние в режиме реального времени.

Здания

МСЗ используется для мониторинга зданий на предмет структурных повреждений, вызванных землетрясениями, ветровыми нагрузками и другими факторами. Высотные здания и исторические сооружения особенно подвержены повреждениям и требуют постоянного мониторинга. Бурдж-Халифа в Дубае, самое высокое здание в мире, имеет сложную систему МСЗ для обеспечения его структурной устойчивости.

Туннели

Туннели уязвимы для перемещения грунта, проникновения воды и других факторов, которые могут поставить под угрозу их структурную целостность. Системы МСЗ используются для мониторинга туннелей на предмет признаков деформации, растрескивания и утечки воды. Подводный туннель под Ла-Маншем, соединяющий Великобританию и Францию, контролируется с использованием передовых технологий МСЗ.

Плотины

Плотины являются критически важными инфраструктурными активами, которые требуют постоянного мониторинга для предотвращения катастрофических отказов. Системы МСЗ используются для мониторинга плотин на предмет признаков деформации, просачивания и растрескивания. Плотина Итайпу, одна из крупнейших в мире гидроэлектростанций, имеет обширную систему МСЗ для обеспечения ее безопасности и стабильности.

Трубопроводы

Трубопроводы используются для транспортировки нефти, газа и воды на большие расстояния. Системы МСЗ используются для мониторинга трубопроводов на предмет коррозии, утечек и других форм повреждений. Мониторинг трубопроводов необходим для предотвращения экологических катастроф и обеспечения безопасной и надежной транспортировки ресурсов. Методы дистанционного зондирования, такие как спутниковые снимки и дроны, все чаще используются для мониторинга целостности трубопроводов на больших территориях.

Исторические памятники

Сохранение исторических памятников имеет решающее значение для культурного наследия. Системы МСЗ используются для мониторинга этих структур на предмет воздействия погоды, загрязнения и человеческой деятельности. Пизанская башня в Италии является известным примером того, где методы МСЗ использовались для мониторинга и смягчения ее наклона и обеспечения ее долгосрочного сохранения.

Глобальные примеры инициатив по мониторингу инфраструктуры

• Национальный план инфраструктуры Соединенного Королевства: Этот план подчеркивает важность мониторинга и обслуживания инфраструктурных активов Великобритании, включая мосты, дороги и энергетические сети.
• Программа Европейского Союза "Горизонт 2020": Эта программа исследований и инноваций финансировала многочисленные проекты, связанные с мониторингом инфраструктуры и МСЗ.
• Программа технического обслуживания инфраструктуры Японии: Япония имеет комплексную программу по обслуживанию своей стареющей инфраструктуры, которая включает в себя обширный мониторинг и инспекционную деятельность.
• Отчет об инфраструктуре Соединенных Штатов: Американское общество инженеров-строителей (ASCE) публикует отчет о состоянии инфраструктуры США, подчеркивая необходимость увеличения инвестиций в мониторинг и техническое обслуживание.
• Инициатива Китая "Один пояс и один путь": Этот масштабный проект развития инфраструктуры включает программы мониторинга и технического обслуживания для обеспечения долгосрочной устойчивости новых инфраструктурных активов.

Проблемы и будущие тенденции в мониторинге инфраструктуры

Несмотря на значительные достижения в технологиях мониторинга инфраструктуры, остается несколько проблем:

• Стоимость: Стоимость внедрения и обслуживания систем МСЗ может быть препятствием, особенно для небольших организаций и развивающихся стран.
• Управление данными: Управление и анализ больших объемов данных, генерируемых системами МСЗ, могут быть сложными.
• Надежность датчиков: Датчики должны быть надежными и точными в суровых условиях окружающей среды.
• Стандартизация: Отсутствие стандартизации в технологиях МСЗ и форматах данных затрудняет совместимость и обмен данными.
• Кибербезопасность: Системы МСЗ уязвимы для кибератак, которые могут поставить под угрозу целостность данных и функциональность системы.

Заглядывая в будущее, несколько тенденций формируют будущее мониторинга инфраструктуры:

• Более широкое использование IoT (Интернета вещей) и беспроводных сенсорных сетей (БСС): IoT и БСС позволяют развертывать крупномасштабные недорогие сенсорные сети для непрерывного мониторинга.
• Достижения в области искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО): Алгоритмы ИИ и МО используются для улучшения анализа данных, обнаружения повреждений и прогнозирования.
• Интеграция технологии цифрового двойника: Цифровые двойники становятся все более популярными для моделирования поведения конструкций и оптимизации стратегий технического обслуживания.
• Разработка интеллектуальных материалов: Интеллектуальные материалы, которые могут самочувствовать и самовосстанавливаться, разрабатываются для использования в строительстве и восстановлении инфраструктуры.
• Больший акцент на устойчивости: Мониторинг инфраструктуры играет все более важную роль в продвижении устойчивых методов управления инфраструктурой.

Заключение

Мониторинг инфраструктуры и мониторинг структурного здоровья (МСЗ) необходимы для обеспечения безопасности, долговечности и эксплуатационной эффективности наших жизненно важных инфраструктурных активов. Используя передовые сенсорные технологии, методы анализа данных и стратегии прогнозного обслуживания, мы можем активно управлять инфраструктурными рисками, снижать затраты на техническое обслуживание и продлевать срок службы конструкций. Поскольку технологии продолжают развиваться, мониторинг инфраструктуры будет играть еще большую роль в создании более устойчивой и отказоустойчивой построенной среды для будущих поколений. Глобальное внедрение этих технологий - это не просто вопрос инженерии; это решающий шаг к обеспечению безопасности и благополучия сообществ во всем мире и содействию устойчивому будущему для всех.