مجسات تقنية (IoT Sensors) تعمل بالطاقة الشمسية يمكنها أن تحسن البنية التحتية (الجسور وما إلى ذلك) للدول

 

يشير تحليل لقاعدة بيانات الجرد الوطني لعام 2018 التابعة لوزارة النقل الأمريكية (NBI) إلى أن 9 في المئة تقريبًا من جميع الجسور الأمريكية تعتبر “غير جيدة إنشائياً”. وهذا أكثر من 54000 جسرا يحتمل أن يكون غير آمن. والأسوأ من ذلك، أن معدل الإصلاح الآن أقل مما كان عليه قبل خمس سنوات. فكر في ذلك في المرة القادمة التي تعبر فيها الجسر. (أنا أفعل).

والخبر السار هو أن نمو أجهزة استشعار ذكية منخفضة الطاقة، وأغراض الانترنت، والطاقة الشمسية، وتكنولوجيا البطاريات يمكن أن تساعد المهندسين على اكتشاف المشاكل الكبيرة قبل أن تصبح كارثية. وأحد الباحثين الذين يعملون على تحقيق ذلك هو الدكتورة جينيفر بريدج، أستاذ الهندسة المدنية في جامعة فلوريدا. بمساعدة منحة من المؤسسة الوطنية للعلوم، تقوم بريدج وطلابها بتطوير شبكة استشعار تراقب حالة الجسور أثناء العواصف المدارية وتبلغ هذه المستشعرات عن المعلومات في الوقت الفعلي (في الوقت نفسه بدون تأخر). يركز النشر الأولي على الجسور التي تعتبر جزءًا لا يتجزأ من عمليات الإخلاء والإنقاذ، خاصة تلك التي تشبه الجسور التي لحقت بها أضرار هيكلية من الأعاصير السابقة. مع استمرار انخفاض سعر هذه التكنولوجيا، يمكننا أن نرى يومًا تحتوي فيه كل الجسور على أجهزة استشعار ذكية تراقب باستمرار الضغوط على الجسور وتنبه المهندسين المدنيين إلى الإخفاقات الوشيكة.

إليك مقطع فيديو قصير يصف شبكة الاستشعار: https://www.youtube.com/watch?v=hehwDMACnWI
(الفيديو هو من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم).
بعد مشاهدة الفيديو، اتصلت بـ بريدج، التي كانت لطيفة معي بما يكفي للإجابة على بعض الأسئلة. وتحاورنا فيما يلي:

TL: حصلت على لمحة عن الأجزاء الداخلية للمستشعر الموجود في الفيديو. هل هذه لوحة أرد وينو تتحكم في النظام (لوحة تحكم عن بعد)؟ قطعة الراز بيري باي (Raspberry Pi: قطعة عملها يشبه عمل الحاسوب ولكن بشكل مبسط أكثر وتكون عادة رخيصة)؟
JB: تكساس انسترمنتس ماكروكونرولر (اسم قطعة تحكم عن بعد تشبه القطعة المذكورة سابقا Texas Instruments Microcontroller Launchpad)
TL: ما مقدار البيانات التي يمكن تخزينها في اللوحة في حالة فقدان الاتصال؟
JB: نحن نستخدم حاليا بطاقة الذاكرة (رام) SD 32 جيجابايت. سيحتفظ هذا ببضعة أسابيع من البيانات في معدل أخذ العينات الحالي.
TL: ربط البيانات بين المستشعر والجامعة – هل هو ربط خلوي (يقصد به ربط عن طريق بيانات الهاتف ام ربط عن طريق wife) ؟
JB: نعم. نحن نستخدم مودم، LTE CAT 1 (يستخدم المودم حاليًا إصدار AT&T ولكن نخطط للتبديل قريبًا إلى إصدار Verizon في هذا الموقع لتحسين التغطية في هذه المنطقة). هذه العوامل صغيرة جدًا، ولهذا خيارات استهلاك المودم منخفضة الطاقة نسبيًا والتي تتيح لنا تشغيله عبر الطاقة الشمسية أثناء سحب البيانات في الوقت الفعلي من مستشعرات الضغط السبعة. الاختلاف هو انتاج بيانات أقل من أجهزة المودم الخلوية الكبيرة (مثل أجهزة التوجيه Cradle point أو Cisco). اعتمدت مواقعنا الأخرى على أجهزة مودم أكبر وأكثر قوة، لإننا تمكنا من الوصول إلى مصدر طاقة رئيسية وذلك جعل ذلك ممكنًا. لا يتمتع هذا الموقع بالقدرة الكهربائية ولا في المنطقة المجاورة (ولا نريد الاعتماد على الطاقة الكهربائية أثناء أحداث العاصفة لأنها غالبا ما تنقطع)، لذلك نحن نعتمد على الطاقة الشمسية في البطارية.
TL: كيف تجعلين المستشعر قادرًا على تحمل الرياح الشديدة والأمطار؟
JB: المحور لديه تركيب آمن إلى موجات الجسر لضمان أن يظل في مكانه في الرياح القوية. والمستشعر لديها تصنيف IP من 67 أو أعلى ضد الماء. نحن نجري تعديلات على المستشعر للسماح بالاتصال بالمستشعر وأيضا لإضافة مكونات الطاقة الشمسية. ويتم سد هذه الثقوب باستخدام مانع التسرب البحري، مثل 3M Marine Seal.
TL: رأيتُ من الفيديو أنك تحدد القوى الجانبية عن طريق قياس فرق الضغط بين جانبي الجسر. لقد ذكرت أن الخطوة التالية هي قياس استجابة هيكل الجسر نفسه. ما نوع المستشعرات التي ستستخدمها لذلك، وما هي الاستجابات المحتملة التي تتوقعها؟
JB: يمكن أن توفر مقاييس التسارع مقياسًا للاستجابة الاهتزازية للهيكل ، والتي يمكن أن تتغير لأنها تتعرض للتلف. يمكننا أيضًا استخدام أجهزة استشعار تقيس الاستجابة بشكل مباشر، مثل مقاييس الميل (لقياس الميل) ومحولات التمدد / الإزاحة (لقياس تمدد سطح الجسر).
TL: ما الطرق التي يمكن بها استخدام البحث والتكنولوجيا الأساسية الخاصة بكِ للمساعدة في الحفاظ على البنية التحتية العامة للولايات المتحدة؟
JB: يعتمد تحسين البنية التحتية على الحفاظ على منشأتنا الحالية من الهياكل وتصميم هياكل جديدة أكثر مرونة. يمكن أن توفر بيانات الاستجابة الهيكلية، في بعض الحالات، إنذارًا مبكرًا ببدء الضرر الذي يمكن أن يكمل تقنيات الفحص المرئي الحالية. إن فهم كيفية استجابة الهياكل لظروف التحميل الحقيقية يمكّننا من اتخاذ قرارات أكثر استنارة بشأن وقت الحاجة إلى الصيانة والإصلاح والأكثر فعالية وأنواع عمليات التعديل الأكثر ملاءمة. بالإضافة إلى ذلك، عندما نفهم ظروف التحميل التي تواجهها الهياكل بشكل أفضل، يمكننا تحسين كيفية تصميمها للاستجابة، وبالتالي تحسين مرونتها وزيادة فترة حياتها. يعتمد تصميم تحميل الموجات للجسور حاليًا على المعادلات المشتقة من الاختبارات التجريبية المختبرية والنماذج التحليلية؛ يلزم إجراء قياسات شاملة أثناء أحداث العاصفة لفهم هذا النوع من التحميل بشكل أفضل.

نظرًا لأن القوى السياسية (الدولة بشكل عام) تستمر في إهمال البنية التحتية الأساسية للبلد، من الجيد أن نعرف أن بعض المهندسين يعملون لضمان سلامتها وموثوقيتها.

 

المصدر: هنا

 

ترجمة: Abdulrahman M. Abdulsattar
تدقيق:  Mosaab Al Hassino
تصميم: Furat Jamal
نشر: Abilta E Zeus