ایالات متحده بیش از 600٬000 پل دارد که ترافیک را حمل میکند. نزدیک به 40 درصد از این پلها بیش از 50 سال سن دارند و 9 درصد از تمام پلهای مطرح شده از نظر ساختاری ناقص هستند. نظارت بر آنها تلاشی عظیم است. برای هر فروریختگی بسیار قابل مشاهده مانند فروریختن پل موراندی در جنوا، ایتالیا در سال 2018، تعداد زیادی پل کوچکتر، پلهایی با مسیرهای بسته، اتصالها و تکیهگاههای موقت، محدودیتهای ترافیکی وجود دارد.
در حالحاضر، سازهها بهصورت حضوری در فواصل زمانی مشخص بررسی میشوند و اغلب قبل از اینکه کسی متوجه مشکلی شود، باید یک نشانه خارجی از خراب شدن ظاهر شود. از آنجایی که بیشتر سازهها سال به سال فقط تخریب جزئی را نشان میدهند، این اغوا وجود دارد که بودجه در نظر گرفته شده برای این تلاش کم و ناچیز شود.
اکثر مشکلات زیرساختی تا زمانی که پیامدهای منفی قابل توجهی نداشته باشند غیر قابل مشاهده باقی میمانند. اینترنت اشیا با حسگرها و نظارت از راه دور، غیر قابل مشاهده را قابل مشاهده میکند.
طیف گستردهای از حسگرها درحال توسعه هستند که با اتصال اینترنت اشیا به هندسه تحلیلی (علم تجزیه و تحلیل)، نحوه انجام نظارت بر سلامت ساختاری را تغییر خواهد داد و نظارت و سرمایهگذاری در زیرساختهای بتنی را کارآمدتر میکنند.
این نوع موقعیت برای توزیع گسترده و قابلیتهای جمعآوری اطلاعات بلندمدت اینترنت اشیا، عالی است. حتی زمانی که حسگرها در حال آزمایش و نصب هستند، قابلیتهای تحلیلی درحال توسعه هستند. علائم هشدار دهنده اولیه خوردگی و ضعف سازهای که بیشتر مفید هستند کدامند؟ حسگرها نمیتوانند آسیب واقعی را اندازهگیری کنند، فقط علائم مختلفی مرتبط با آن است. بنابراین، علاوه بر دادههای حسگر، اطلاعات آبوهوا، دانش و آگاهی از بارها، اثرات، ضربهها و آسیبهای احتمالی و کاستیهای احتمالی در ساخت اصلی و اولیه، همگی ورودیهای مدلهای سازهای خواهند بود.
هر چه دادههای بیشتری در طول زمان تولید شود، مدلهای خوردگی و سلامت سازهای بهتری میتوانند تولید شوند. اطلاعات ارائه شده توسط حسگرها میتوانند توسط تیمهای بازرسی پهپادی پیشرفته به سلامت ساختاری واقعی مرتبط شود و مدلها اصلاح شوند.
پنج پارامتر ضروری برای پایش سلامت سازه زیرساختهای بتنی وجود دارد:
حسگرهای تعبیه شده یا متصل عوامل مختلفی از جمله بارهای سرویس، یونهای مختلف نشاندهنده خوردگی (بهویژه کلرید)، pH[1]، رطوبت و ترکهای قابل مشاهده را نظارت و مونیتورینگ میکنند. این حسگرها باید انرژی داشته باشند و به اندازه کافی محکم باشند تا برای مدت طولانی قابل استفاده باقی بمانند، و بتوانند به طور مداوم دادههای خود را که به احتمال زیاد به صورت بیسیم است، انتقال دهند. نرخ دادههای لازم بسیار کم است و ساخت انواع راهحلهای شبکه گسترده کممصرف (LPWAN)[2] را ممکن می سازد.
نیازی نیست که سرعت داده بالا باشد. سپس این دادهها باید تجزیه و تحلیل شوند و نتایج به تصمیم گیرندگان و کارگران حاضر در محل منتقل شود.
طیف وسیعی از سنسورهای ممکن وجود دارد، و آزمایش و تجزیه و تحلیل برای تعیین اینکه کدامیک مفیدترین دادهها را در طول عمرشان ارائه میکنند، درحالی که نیاز به حداقل تعمیر، تعویض و کالیبراسیون مجدد داشته باشند، ضروری است.
[1] پیاچ یا پ هاش :pH مقیاسی برای تعیین میزان اسیدی یا بازی بودن یک محلول آبی است. هرچه محلول اسیدیتر باشد عدد pH کوچکتر، و هر چه بازیتر باشد، عدد pH بزرگتری خواهد داشت. در دمای اتاق )25 درجه سلسیوس)، آب خالص نه خاصیت اسیدی و نه خاصیت بازی دارد و در نتیجه، عدد pH آن برابر ۷ خواهد بود.
[2] شبکه گسترده کم مصرف به انگلیسی :low-power wide-area network (LPWAN) یک نوع شبکه گسترده مخابراتی و بیسیم است که به منظور ارتباطات طولانی مدت با نرخِ انتقال دادهی کم برای استفاده در بستر اینترنت اشیاء طراحی شدهاست. سرعت انتقال دادهی هر کانال در این نوعِ شبکه، بین 3/0 کیلوبیت تا ۵۰ کیلوبیت بر ثانیه است.
سنسورهای فیبر نوری تغییر شکلها را در سازه تشخیص میدهند. حسگرهای فیبر نوری در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند، تحت طیف وسیعی از دما کار میکنند و میتوانند بسیار طولانی مدت بدون تضعیف سیگنال، فعال باشند. آنها را میتوان بهراحتی در مواد یا سازهها در حین ساخت گنجاند.
حسگرهای پیزوالکتریک در پاسخ به نیرو بار تولید میکنند و میتوانند برای تشخیص فشار، کرنش و ترک استفاده شوند.
سنسورهای الکتروشیمیایی خوردگی را از طریق روشهای مختلف اندازهگیری میکنند. یونهای کلرید شایعترین عامل خوردگی در آرماتورهای فولادی سازههای بتنی هستند، بنابراین تشخیص محل نفوذ آنها میتواند نشانهای از خطر خوردگی باشد. بهویژه در قسمتهایی از سازه که در بتن محصور شدهاند و بنابراین نمیتوان آنها را بهصورت خارجی بازرسی کرد.
سنسورهای دما به ویژه در نظارت و مونیتورینگ عملآوری بتن تازه ریخته شده مفید هستند، فرآیند پیچیدهتر از آن چیزی است که اکثر افراد خارج از صنعت ساخت و ساز متوجه شوند. دماهای شدید نیز در طول عمر سازه میتوانند آن را تضعیف کنند. نظارت و مونیتورینگ دما در طول زمان میتواند امکان کالیبراسیون طول عمر سازه، کوتاه شدن یا طولانی شدن فواصل بازرسی را فراهم کند.
حسگرهای رطوبت، آبی را که باعث خوردگی، کربناته شدن، و انواع دیگر آسیب میشود، شناسایی میکنند و میتوانند در ساختارها از طریق چرخههای انجماد و ذوب ترک ایجاد کند.
سازههای بتنی برای حفظ استحکام و جلوگیری از خوردگی میلگرد، به pH قلیایی وابسته هستند، بنابراین سنسورهای pH میتوانند هشدار اولیه درباره اسیدیته بیش ازحد و وجود احتمالی کربناته را بدهند.
اینها تنها تعدادی از احتمالاتی است که در دست بررسی است. مجموعهای باورنکردنی از فنآوریها و پیادهسازیهای ممکن وجود دارد که ادبیات حسگر، با ظهور برنامههای کاربردی جدید از دانشگاهها و آزمایشگاههای تحقیقاتی و آزمایش آنها برای امکانات تجاری، به طور فزایندهای در حال بزرگ شدن است.
همه این حسگرها باید در طول عمر سازه دوام بیاورند و یا در جایی قرار داشته باشند که برق آنها تامین شود یا باتری آنها عوض شود یا راهی برای تولید برق خود داشته باشند. آنها در معرض تخریب و آسیب هستند، درست مانند سازههایی که تحت نظارت هستند.
اکثر مشکلات زیرساختی تا زمانی که پیامدهای منفی قابل توجهی نداشته باشند غیر قابل مشاهده باقی میمانند. اینترنت اشیا، غیر قابل مشاهده را قابل مشاهده میکند. دادهها و تجزیه و تحلیل آن میتواند از ایجاد پلتفرمهایی برای مدیریت بودجه تعمیر و نگهداری و سرمایهگذاریهای خطرپذیر پشتیبانی کند.
روزی، همه، عمر طولانی پلها و سایر زیرساختها را بدیهی میدانند، بدون اینکه دانشی از فناوریهای زیربنایی اینترنت اشیا که این امر را ممکن میسازد، آگاهی داشته باشند.
· نوشته شده توسط: الکس جابلوکوف
· 11 نوامبر 2020
M.Gh.
