Исследователи разработали интеллектуальную мониторинговую трубу, которая объединяет оптическое зондирование с алгоритмами машинного обучения для отслеживания и прогнозирования трёхмерной осадки грунта. Датчик показан вместе с физической картой соединения защитной конструкции в форме «собачьей кости», напечатанной на 3D‑принтере, передает Ground Engineering.
Разработанный инструмент может помочь предотвратить смещения трубопроводов и обрушения зданий.
Датчик траектории трёхмерной осадки грунта (SST‑3D) объединяет оптическое зондирование с алгоритмами машинного обучения — это позволяет отслеживать и прогнозировать осадку грунта в трёх измерениях.
Учёные Шаньсийского университета (Китай) создали устройство, оснастив ПВХ‑трубу защитными конструкциями, напечатанными на 3D‑принтере, и специальными оптоволоконными нитями с миниатюрными зеркалами — так называемыми волоконными брэгговскими решётками (ВБР), выполняющими функцию сверхчувствительных тензодатчиков.
Волоконные брэгговские решётки чрезвычайно чувствительны к малейшим деформациям, вызванным выдавливанием и осадкой грунта. Кроме того, они не подвержены электромагнитным помехам и устойчивы к воздействию агрессивных сред — например, почвы.
«Вместо одной решётки мы использовали два набора пятиточечных решётчатых массивов, прикреплённых к трубе под углом 45° крест‑накрест, а также независимую решётку температурной компенсации для устранения влияния колебаний температуры, — пояснил Дандан Сун, руководитель исследовательской группы. — Это повышает точность измерения деформации и позволяет фиксировать разнонаправленные сигналы».
Когда грунт смещается или сдавливает трубу, волокна растягиваются или изгибаются, вызывая небольшое изменение проходящего через них света. Измеряя это изменение, система может точно рассчитать, насколько и в каком направлении смещается грунт.
Сначала учёные провели испытания датчика в воздушной среде в лабораторных условиях. Результаты показали, что устройство достаточно чувствительно и точно для обнаружения очень малых перемещений — оно чётко определяет, где и как смещается грунт.
Затем последовали лабораторные испытания с заглублением в лёссовый грунт — он встречается в разных регионах мира и представляет особую сложность для существующих методов мониторинга осадки грунта. Эксперименты показали, что грунт оседает не равномерно, а проходит четыре отчётливых стадии при дренаже:
Для анализа данных с датчика исследователи применили модель машинного обучения «Случайный лес» (Random Forest). Алгоритм научился распознавать эти четыре стадии с точностью 95,65 % и мог прогнозировать объём удалённой воды (показатель величины осадки грунта) с относительной погрешностью всего 4,02 %.
«Осадка грунта напрямую угрожает безопасности инженерных сооружений — зданий, мостов, трубопроводов и склонов», — отметил Сун.
В научной статье, опубликованной в журнале Optics Express, авторы пришли к выводу: при дальнейшем развитии система сможет заблаговременно предупреждать о рисках, связанных с осадкой грунта. Это, в свою очередь, поможет предотвратить:
По словам Суна, одно из перспективных направлений применения технологии — старые городские районы, которые часто построены на мягком или нестабильном грунте.
«Отслеживая траекторию трёхмерной осадки фундамента здания в режиме реального времени и заранее прогнозируя, может ли он войти в опасную стадию, мы сможем устранять проблемы до того, как они станут критическими, — пояснил учёный. — Метод также может быть полезен для:
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку