Телефон может помочь диагностировать проблемы разрушения мостов

Любой смартфон в любом автомобиле может улавливать уникальные вибрации пролёта. Отслеживание того, как это меняется с течением времени, выявляет скрытые структурные проблемы. Ответственный человек, который не пишет сообщения и не ведёт машину, когда переезжает мост, держит смартфон «прилипшим» к приборной панели.

У каждого моста есть своя «модальная частота» или то, как вибрации распространяются через него, а затем в машину и телефон. (Высокие здания, которые качаются на ветру или во время землетрясения, тоже имеют модальные частоты.) «Жёсткость, масса, длина — все эти элементы информации будут влиять на модальную частоту», — говорит Томас Матараццо, инженер-строитель в Массачусетском технологическом институте и Военной академии США. «Если мы увидим значительное изменение физических свойств моста, модальные частоты изменятся». Думайте об этом как о измерении температуры моста — изменение может быть симптомом какого-то основного заболевания.

В США большая часть инфраструктуры мостов была построена для поддержки автомобильной культуры после Второй мировой войны, и она устаревает и становится ненадежной. Ирония среди иронии: ранее в этом году мост в Питтсбурге рухнул за несколько часов до того, как президент Джо Байден должен был посетить город, чтобы поговорить об инфраструктуре.

В результате обрушения в 2007 году в Миннеаполисе 13 человек погибли и 145 получили ранения, а в 1993 году обрушение железнодорожного моста недалеко от Мобила, штат Алабама, унесло жизни 47 человек и более 100 получили ранения. Для отслеживания трещин, коррозии и других дефектов на некоторых мостах установлены дорогие датчики, определяющие изменение их модальной частоты. Но на подавляющем большинстве пролётов по всему миру — только в США насчитывается около 600 000 автодорожных мостов — таких датчиков нет. (Они не работают по принципу «установи и забудь»: для охвата особенно длинного моста требуются сотни датчиков, и приходится менять их батареи и загружать данные каждые несколько месяцев.)

Вместо этого операторы мостов полагаются на медленные, трудоёмкие визуальные осмотры. Поэтому инженерам нужен лучший способ мониторинга модальных частот, в идеале недорогой и в режиме реального времени. В новой статье в журнале Nature Communications Engineering Матараццо и его коллеги описывают, как они использовали обычные смартфоны в проезжающих машинах, чтобы точно оценить модальную частоту моста Золотые Ворота.

Это может проложить путь к будущему, в котором тысячи телефонов, перемещающихся туда и обратно по мосту, смогут коллективно измерять состояние пролёта, предупреждая инспекторов о проблемах до того, как они станут видны человеческому глазу.

Исследователи начали с контролируемого эксперимента, в ходе которого они собирали данные, проезжая по мосту Золотые Ворота со смартфонами на приборной панели. Они знали все переменные: в какой машине они находились, их скорость, их местонахождение в любой момент времени и где именно в машине находились телефоны. Пока они ехали, телефоны собирали данные со своих акселерометров, которые измеряли движение — в данном случае вибрации автомобиля. Это позволило исследователям точно измерить модальную частоту моста, которая совпала с данными традиционных датчиков, которые уже были развёрнуты на пролёте. Затем учёные попросили приложение для совместных поездок Uber предоставить данные акселерометра от его водителей, когда они пересекали Золотые Ворота. «Я не знаю, какой у них телефон, я не знаю, какая у них машина, я понятия не имею, с какой скоростью они едут», — говорит Матараццо. Тем не менее, эти данные также позволили точно оценить модальную частоту по сравнению с данными датчика моста. «Даже если вы не можете точно контролировать аспекты поездок для собираемых данных, вы всё равно можете получить эту информацию, что действительно замечательно», — говорит он.

Это потому, что, хотя данные Uber не обязательно согласуются — водители используют много разных транспортных средств и телефонов — мост Золотые Ворота согласуется. Его модальная частота прорывается сквозь шум этих других переменных. «Разнообразие данных на самом деле может быть чрезвычайно полезным для того, чтобы сделать эти индивидуальные эффекты немного менее выраженными», — говорит Матараццо. «Если мы думаем о сборе сотен тысяч наборов данных, у нас будет огромное количество транспортных средств, и основной характеристикой всех этих наборов данных будет вибрация от одного общего моста». Но если измерение изменения модальной частоты похоже на определение того, что у мост вибрирует, инженерам всё ещё нужно выяснить, что это вызывает.

Это может быть сложно, потому что природная среда также может влиять на частоту, изменяя состояние стали и бетона, например, когда температура наружного воздуха повышается и понижается. Но Матараццо отмечает, что предыдущие исследования показали, что этот сигнал можно выделить и объяснить.

С каждым годом растёт необходимость должным образом следить за этими тысячами стареющих мостов. Некоторые из них значительно превышают свой прогнозируемый срок службы, и все они теперь обременены большим количеством транспортных средств, таких как легионы грузовиков, доставляющих онлайн-заказы. «Вы как будто просите 80-летнего человека нести больше груза, чем он носил в молодости», — говорит инженер из Алабамского университета в Бирмингеме Назим Уддин, который исследует использование смартфонов для определения модальных частот мостов. «Вот почему везде рушатся мосты. Если у вас не будет такой системы, я думаю, мы не сможем с этим справиться».

Но, говорит Матараццо, если вы обеспокоены тем, что муниципалитеты начнут собирать данные о местоположении вашего смартфона и данные акселерометра для мониторинга своих мостов, не волнуйтесь. Его команда предполагает использовать городские транспортные средства, такие как полицейские машины, для сбора данных.

Тем не менее, также возможно анализировать информацию с легковых автомобилей. Транспортные средства всё чаще оснащаются акселерометрами, которые передают данные, например, в системы активной подвески. «Автомобиль становится всё умнее», — говорит инженер-строитель Дублинского университетского колледжа Юджин О'Брайен, изучающий мониторинг мостов, но не участвовавший в новой статье. Но, отмечает он, это вызывает вопросы о конфиденциальности данных и правах собственности. «Есть вопросы о том, как обмениваться данными — как передать эти данные владельцу дороги, чтобы сообщить им о состоянии их инфраструктуры?» Для этого может потребоваться соглашение между владельцами мостов и производителями транспортных средств, которые в идеале должны сначала запросить согласие водителей.

Города могут даже разработать системы для компенсации водителям, которые соглашаются предоставлять данные: если оказывать помощь с обслуживанием пролётов и, следовательно, экономить деньги правительства, возможно, есть вероятность получить скидку на плату за проезд по мосту. «Таким образом, это даёт дополнительную ставку: я полагаюсь на этот мост, но я также собираю данные, которые будут поддерживать этот мост», — говорит Матараццо. «Это поможет работать лучшее сегодня, завтра и для будущих поколений».