Ứng dụng smartphone, drone kiểm tra ‘sức khỏe’ các cây cầu, tòa nhà

Quan trắc kết cấu công trình, bao gồm các cây cầu, tòa nhà cũ, là điều vô cùng quan trọng để giữ an toàn cho mọi người và ngăn chặn các thảm họa xảy ra.

Thông thường, tình trạng của các cây cầu được theo dõi theo một trong hai cách: hoặc các kỹ sư đến trực tiếp hiện trường kiểm tra các vết nứt, gãy hoặc dùng cảm biến thu thập dữ liệu về các rung động và chuyển động.

Việc đánh giá tình trạng sẽ giúp kịp thời bảo trì, sửa chữa, phòng ngừa, phục hồi, trang bị bổ sung, xây mới, giảm các sự cố không mong muốn.

Nhằm đơn giản hóa quy trình bảo trì, tiết kiệm chi phí và thời gian, tăng mức độ chính xác cũng như giảm rủi ro, các chuyên gia trên khắp thế giới đang tìm cách ứng dụng công nghệ mới trong công tác quan trắc kết cấu công trình.

Phát hiện tình trạng khẩn cấp dựa vào dữ liệu điện thoại của tài xế

Các nhà nghiên cứu tại Học viện quân sự West Point và các trường đại học khác đã phát triển một phương pháp thu thập dữ liệu gia tốc kế từ smartphone trong ô tô khi đi qua cầu để phát hiện tình trạng hư hỏng của cầu.

Trong các thử nghiệm khi lái xe qua cầu Cổng Vàng ở San Francisco (Mỹ) và một cây cầu bê tông cốt thép ở Ý, họ phát hiện chỉ cần hai smartphone có thể cung cấp dữ liệu có độ chính xác tương tự 240 cảm biến đứng yên.

Điện thoại nhận được các rung động tự nhiên xảy ra từ các cây cầu, cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi sự thay đổi cấu trúc của chúng theo thời gian.

Họ ước tính việc giám sát thông qua dữ liệu smartphone trong suốt vòng đời của cầu có thể tăng tuổi thọ công trình thêm 30%, chỉ đơn giản bằng cách giúp các đội bảo trì sửa chữa kịp thời.

Chi phí bảo trì cầu rất đắt đỏ. Có khoảng 600.000 cây cầu tại Mỹ và chỉ riêng thiết bị cảm biến đã mất khoảng 50.000 USD, chưa kể các chi phí duy trì và phân tích dữ liệu phát sinh từ cảm biến. Vì vậy, smartphone là lựa chọn rẻ hơn.

Tuy nhiên, theo Ahmet Emin Aktan – Giáo sư kỹ thuật dân dụng, kiến trúc và môi trường tại Đại học Drexel – cần phải tiến hành nhiều thử nghiệm hơn để biến kỹ thuật này thành hiện thực và áp dụng rộng rãi.

Ông tin rằng kiểm tra thủ công vẫn là phương pháp quan trắc chính trong 10 đến 20 năm tới vì dữ liệu từ cả cảm biến và smartphone đều khó giải thích hơn so với những gì các kỹ sư quan sát bằng mắt.

Thay đổi thời tiết hay trọng tải giao thông cũng ảnh hưởng đến cấu trúc hoạt động và dữ liệu.

Lắp cảm biến thời gian thực trên tất cả đường cao tốc

Vào tháng 3, Bộ Giao thông Đường bộ và Đường cao tốc Ấn Độ thông báo sẽ lắp đặt các cảm biến thời gian thực để theo dõi tình trạng các cây cầu trên tất cả đường quốc lộ.

Đối với cây cầu quan trọng, các thông số như biến dạng, độ lệch, rung, độ nghiêng, chuyển vị, nhiệt độ… phải được thu thập thông qua các cảm biến này.

Các cảm biến theo dõi “sức khỏe” cho các cây cầu sẽ được tính toán hợp lệ trong các báo cáo dự án chi tiết (DPR) của các dự án đường cao tốc.

Loại chính xác, số lượng và vị trí của các cảm biến cho các cây cầu hiện tại sẽ được một ủy ban chuyên gia bao gồm các kỹ sư cao cấp phê duyệt.

Hiện tại, các cây cầu ở Ấn Độ được giám sát thông qua đánh giá trực quan và quan trắc định kỳ. Bộ muốn đưa giám sát thời gian thực vào tất cả các dự án.

Các đơn vị thuộc bộ phải cung cấp tất cả các chi tiết về cầu, loại cảm biến được cài đặt, chi tiết của hệ thống thu thập dữ liệu, các công cụ phần mềm để phân tích hiệu suất của chúng và kết quả phân tích.

Dùng drone theo dõi an toàn của cầu

Hai giáo sư Đại học Tufts đang xây dựng một hệ thống kết hợp cảm biến rung và máy bay không người lái (drone) để theo dõi các cây cầu trong thời gian thực và cảnh báo các kỹ sư khi có điều gì đó không ổn.

Năm 2009, Giáo sư Moaveni cùng với sinh viên đã gắn 10 bộ gia tốc kế và cảm biến nhiệt vào cầu đi bộ Dowling Hall trong khuôn viên trường.

Những cảm biến này chuyển 5 phút dữ liệu thu thập mỗi giờ đến một máy chủ nhỏ đặt trong hộp gần cầu. Bằng cách phân tích mô hình rung động, nhóm của ông có thể xác định những thay đổi có khả năng gây thiệt hại cho một phần của cây cầu.

Hiện tại, ông đang cùng trợ lý giáo sư Usman Khan để quản lý hệ thống không dây. Vấn đề là các cảm biến truyền dữ liệu trong khoảng cách xa qua mạng không dây lại không hiệu quả về mặt năng lượng. Vì thế, ông đề xuất giải pháp sử dụng drone để tải thông tin từ các cảm biến gắn trên cầu.

Thay vì gửi đến máy chủ trung tâm, Khan cho biết, các cảm biến sẽ lưu trữ dữ liệu trên các thẻ RFID, sau đó một nhóm drone sẽ hoạt động bên dưới cầu, bay đủ gần cảm biến để tải thông tin từ các thẻ này. Cuối cùng, drone quay về trạm sạc gần đó để chia sẻ dữ liệu với máy chủ.

Hệ thống theo dõi mực nước, cảnh báo lũ lụt gần cầu

Công ty Đường sắt trung tâm Đông Nam (SECR) của Ấn Độ đã giới thiệu Hệ thống giám sát mực nước nhằm tăng cường các biện pháp an toàn cho các cây cầu đường sắt trọng yếu.

Hệ thống tận dụng công nghệ hiện đại để theo dõi mực nước tại các vị trí đo đồng hồ trên các cây cầu đường sắt để kịp thời đưa ra cảnh báo lũ lụt.

Nó cung cấp thông tin thời gian thực để nhà chức trách ra quyết định nhanh chóng, đảm bảo hoạt động của các đoàn tàu.

Hệ thống này trang bị các cảm biến nhanh chóng thu thập và truyền thông tin thời gian thực về mực nước. Đặc biệt, nếu nước sông dâng đột ngột, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo ngay lập tức đến điện thoại của các quan chức.

Cách tiếp cận chủ động giúp phản ứng kịp thời và ra quyết định sáng suốt, duy trì hoạt động an toàn ngay cả trong thời tiết bất lợi.

SECR đã triển khai công nghệ tại 12 cây cầu đường sắt quan trọng mà họ quản lý. Các phương pháp giám sát mực nước truyền thống thường chậm trễ và thiếu chính xác. Diễn biến bất thường của lũ gây nguy hiểm cho các đường ray và cầu đường sắt.