Мониторинг на пътната инфраструктура

Пътната инфраструктура е жизненоважна за икономическия и социален растеж. Автомобилният трафик, съчетан с въздействията от околната среда, води до повреди в пътното платно и влошаване на пътната конструкция. Ако не се наблюдават и отстраняват, тези повреди могат да увеличат разходите за поддръжка на пътищата и дори да застрашат безопасността на участниците в движението. Наблюдението на условията на експлоатация, определянето на подходящото време за поддръжка и изборът на оптимални технологии са решаващи фактори за удължаване на живота на пътищата. Дали бързо развиващата се технология интернет на нещата (IoT) може да се приложи при поддръжката и изграждането на пътната инфраструктура? Този въпрос заслужава внимание.

текст: списание Инфрабилд



Изправени сме пред уникални предизвикателства при изграждането и поддръжката на пътната инфраструктура. Системата, чрез инженерен мониторинг на място, дали е в състояние активно да събира и анализира различни типове данни? Ако има налични данни за консумация на енергия, температура, влажност, шум в околната среда, скорост и посока на вятъра, вибрации на конструкцията на настилката, те биха били основа за проектиране, поддръжка и приложения за оптимално взаимодействие между превозни средства и пътища. Вече се полагат усилия за насърчаване на прилагането на IoT технологията в цифровата поддръжка на пътищата, безопасността на движението и оптимизираното проектиране на настилките. Сега ще се спрем на някои интересни възможности.

Най-общо казано, интернет на нещата се отнася до обширна мрежа от физически обекти или „неща“, които са снабдени със сензори, софтуер и други технологии за свързване и обмен на данни с други устройства и системи през интернет.  Тези „неща“ могат да варират от ежедневни домакински предмети до сложни промишлени структури. Появата на интернет на нещата (IoT) променя не само различни индустрии, но и пътната инфраструктура. Инженерите разработват и свързват в мрежа както сензори (на база MEMS-системи - т.е. микроелектромеханични системи), така и технологии за безжична комуникация, съхранение на данни и анализи. Тези иновации могат да бъдат използвани за контрол на качеството в пътното строителство, мониторинг на информация за екологичния трафик и оценка на пътната ефективност.


Контрол на качеството

За осъществяване на контрол на качеството при изграждането на пътни настилки и конструкции може да се използват микроелектромеханични сензори. Например SmartRock е безжичен сензор за наблюдение на температурата и якостта в реално време при втвърдяване на бетона, като така се елиминира необходимостта от старите методи за тестване на бетон. Освен това се проучва използването на техники за моделиране на дискретни елементи, за да се проследява движението на частиците при уплътняване на основни типове асфалтови смеси. Разработва се интегриране на МЕМ-сензори с изкуствени невронни мрежи (ANN), за да се създаде система за динамично прогнозиране на модула на асфалтовата смес. Впечатляваща е идеята за използване на „интелигентни“ агрегати, с вградени MEMS-акселерометри, за да се наблюдава процесът на уплътняване на пътните настилки, като се анализират динамичните реакции по време на вибрационно валиране. Разработена е вградена интелигентна система за мониторинг на изграждането на асфалтова настилка, която в реално време събира данни за местоположението на строителната техника, температурата на асфалтовата настилка и информация за вибрациите на валяците. Тези данни се предават в реално време към отдалечен център за мониторинг чрез 4G мрежа, като така се подобряват качеството и ефективността на изграждането на асфалтова настилка.

При оценката на експлоатационните характеристики на настилката фокусът е предимно върху структурната якост на материалите за нея, откриването на повреди, оценката на триенето и равномерността на повърхността. При изследователските разработки са използвани безжични сензорни системи и софтуерни симулации с крайни елементи, за да се получи задълбочена оценка на структурната якост на материалите за настилката, на вибрационните свойства на асфалтовите смеси, на влиянието на динамичните натоварвания от превозните средства, за откриването на повреди. След такъв анализ е възможно предлагане на бързи и прецизни методи за локализиране на дефекти. При използването на сензорна система със самостоятелно захранване тя може да бъде проектирана така, че да измерва коефициентите на триене на пътната настилка, а това дава възможност за подобряване на противохлъзгащите характеристики в реално време. За да се оцени равномерността на пътната настилка, може да се проектира и внедрява система, базирана на вибрациите при шофиране, като се използват триосни MEMS акселерометри и GPS система за позициониране.


Околна среда и трафик

По отношение на мониторинга на околната среда и трафика може да се създаде мрежа от сензорни възли без батерии, захранвана от радиочестотна енергия, използваща LoRa технология за наблюдение на температурата и влажността, подходяща за наблюдение на структурното състояние в тежки условия. LoRa (съкратено от Long Range) е безжична технология, по-специално техника за модулация на физически слой (PHY), използвана за създаване на комуникационни връзки с голям обхват и ниска мощност, особено подходяща за устройства от интернет на нещата (IoT). Тя позволява на устройствата да предават малки количества данни на огромни разстояния, което я прави идеална за приложения за мониторинг на околната среда. Работи се по внедряване на самозахранваща се безжична сензорна мрежа, която да събира пиезоелектрическа енергия от пътя и която може да отчита температурата и влажността на настилката в реално време. За целта се вграждат MEMS акселерометри и геомагнитни сензори, за да бъдат формирани сензорни мрежи, предаващи данните дистанционно чрез безжична комуникация, за да се постигне наблюдение в реално време на скоростта и теглото на превозното средство. В сравнение с традиционното оборудване за наблюдение на изображения, този подход предлага по-голяма поверителност, по-ниска цена и минимални смущения на пътя.


IoT компоненти за интелигентна пътна инфраструктура

Системата за интелигентна пътна инфра структура обхваща материали и конструкции за настилката, сензорнамрежа, състояща се от сензори и изходящо предавателно устройство, комуникационна мрежа, система за захранване и облачна платформа с отдалечен сървър и визуален интерфейс. За захранване с енергия на сензорната мрежа се използват слънчева и вятърна енергия, добивани от соларни панели или мини ветрогенератори, разположени на рамката, носеща камерите и сензорите, но няма да се спираме на техническите подробности на комуникационната мрежа и захранването. Съвкупността от сензори включва две основни групи елементи. Едната група обхваща крайпътни камери, сензори за шум, температура и влажност, сензори за скорост и посока на вятъра, като всички те са монтирани на носеща рамка и са разположени край пътя. Основната им цел е да наблюдават условията в непосредствената околна среда на пътя.

Втората група включва сензори за вибрации и температура, вградени в пътя, за да следят вибрационните реакции на пътя към превозни средства и вътрешната температура на настилката. Много усилия се влагат в разработката на вградените сензори, за да поддържат стабилна комуникация на данни и за да се сведат до минимум потенциалните повреди по настилката. Едно от решенията е да се свързва множество вградени сензори с един кабел. Външният корпус на сензора да е от неръждаема стомана, за да осигурява якост на натиск. Вътрешно платката да е покрита със защитна боя, запечатана със силикон. Тази комбинация осигурява водоустойчивост и защита от корозия. Събраните данни се предават към централното предавателно устройство и така се формира цялостна сензорна мрежа.

Предавателното устройство обобщава данни отмониторинг в реалновремеи следлокално съхранение и обработка ги качва в облачна платформа чрез 5G комуникационен модул. Подразбира се, че този „изход“ на предварително обработени данни е подбран така, че да комуникира с предвидените сензори, а главен процесор обработва данните и ги качва на облачната платформа. Обемът на данните, генерирани при непрекъснато наблюдение, е огромен. За да се намали размерът на съхраняваните данни и консумацията на енергия за комуникация, в изходящото устройство са интегрирани алгоритми за извличане на данни, техники за компресиране на данни и механизми за припокриващо се качване. Ще отбележим, че има различни алгоритми за извличане и компресиране на данни, но тук няма да ги разглеждаме.


Данни и облачни платформи

Облачната платформа, т.е отдалеченият сървър, декомпресира пакетите данни, качени от „изхода“, и използва алгоритми за обработка на данни, за да анализира суровите данни за вибрациите. Като се има предвид мощната изчислителна мощност на сървъра, постоянното захранване и благоприятната среда за разработка, внедряването на сложни алгоритми и модели може значително да подобри работата на цялата система. Ще разгледаме едно примерно положение, когато в сървъра са разположени три основни алгоритъма - за предварителна обработка на сурови данни, за индивидуална идентификация на превозното средствои за разбор на информация за превозното средство. Всяка категория алгоритъм може да включва различни подалгоритми.

Например алгоритъмът за обработка на сурови данни може да включва калибриране на базовата линия, филтриране и премахване на шум, извличане на характеристики и сливане на данни. Чрез този алгоритъм могат да бъдат получени пикови стойности и съответните им времеви данни. Алгоритъмът за индивидуална идентификация на превозното средство обхваща изрязване, съпоставяне и проверка на матрицата на превозното средство, за да се получат данни за всяко превозно средство. Алгоритмите за наблюдение на информацията за трафика се състоят от алгоритми за разбор на скорост, междуосие, брой оси, амплитуда, положение на товара, посока на движение, поток на трафика, тип превозно средство и тегло на превозното средство, за да се получи изчерпателна информация за трафика.

Основната информация предоставя данни като материал, структура, дължина, наклон и др.; подробности за хардуерното оборудване, като сензорни възли, местоположение на разполагане, оперативно състояние, ниво на батерията и др.; подробности за помощ на платформата като инструкции за работа и съвети; административни данни като имена, пароли, оперативни дневници и потребителска информация, включваща имена, пароли, дати на регистрация, идентификационни кодове, подсказки за пароли и др. Данните от мониторинг обобщават данните, събрани от сензорните възли - данни за вибрации, данни за температура, данни за калибриране и др. Обработените данни обхващат данни за трафика, предупредителни съобщения и подробности за околната среда. Данните за трафика се състоят от скорост, междуосие, тип превозно средство, диапазон на теглото, посока на движение, позиция на товара и поток на трафика. Предупредителните съобщения включват скорост, тегло, посока на движение, оставащ заряд на батерията, повреди на възлите и други предупреждения за аномалии. Данните за околната среда обхващат влажност, условия на заледяване на настилката и друга аномална метеорологична информация.