استخدام المبيدات البصرية في رصد الصحة الهيكلية في تونيل السكك الحديدية

دور المبيدات البصرية في رصد قنوات السكك الحديدية الحديثة

فالأنفاق السكك الحديدية تشكل العمود الفقري لشبكات النقل الحديثة، مما يتيح حركة السكك الحديدية والشحن العالية السرعة من خلال التضاريس الصعبة، وتواجه هذه الهياكل تحت الأرض ضغوطا مستمرة من القطارات العابرة، والتحولات الجيولوجية، وضغط المياه الجوفية، والتغيرات البيئية، وقد يؤدي الفشل في سلامة العمل إلى عواقب كارثية، بما في ذلك اختلالات في الخدمة، وعمليات الإصلاح المكلفة، ومخاطر السلامة.

فهم تكنولوجيا الكابلات البصرية

وتتكون الكابلات البصرية الفيبرية من سلالات رقيقة من الزجاج أو البلاستيك فوق البنفسج، وكل شيء عن قطر شعر بشري، بحيث تنقل البيانات كقنابل الضوء من خلال التأمل الداخلي الكلي، ويحيط اللب بطبقة مائلة ذات مؤشر أقل من الارتداد، ويظل الضوء محصورا في النواة حتى حول الركود، ويحمي عنصر التغليف الحساس من التلف الميكانيكي أثناء التركيب والتركيب.

وتشمل الخصائص الرئيسية التي تجعل الكابلات الضوئية للألياف مناسبة لرصد النفق ارتفاع نطاقها، ومقاومة التدخل الكهرومغناطيسي، والحصانة من التآكل، والقدرة على العمل على مسافات طويلة - غالبا عشرات الكيلومترات - التي تكون فيها أدنى خسارة في الإشارات، وخلافا للمجس الالكترونية، لا تتطلب الألياف قدرة كهربائية في نقطة الاستشعار، مما يجعلها مأمونة في البيئات التي يمكن فيها أن تكون غازات قابلة للاشتعال.

How Fiber Optic Cables Enable Structural Health Monitoring

مبادئ العمل المتعلقة بالاستشعار البصري

ويعتمد التصور الفيبري للكيمياء السمية على قياس التغيرات في خصائص السفر بالضوء عبر الألياف، وعندما يختبر هيكل النفق إجهاداً أو تفاوتاً في درجة الحرارة أو اهتزازات، فإن الألياف تشوه مادياً أو تغير حرارياً، وهذه التغييرات تؤثر على مراحل الضوء المتنقل أو الموجات أو الكثافة أو السمات المبعثرة، ومن خلال تحليل هذه التغيرات البصرية، يمكن للحدثات الهندسية أن تحدد حجمها وحجم، وحجم، وحجم، وحجمها.

وتشمل أكثر آليات الاستشعار شيوعا المستخدمة في رصد نفق السكك الحديدية ما يلي:

• Brillouin scattering - light scattered by acoustic phonons in the fiber, sensitive to both strain and temperature changes along the entire fiber length.
• Raman scattering - الرش المعتمد على درجة الحرارة المستخدم أساساً في الاستشعار عن درجات الحرارة الموزعة (DTS).
• Rayleigh scattering] - elastic scattering used for distributed acousticens (DAS) and vibration monitoring.
• Fiber Bragg Grating (FBG)] - بيانات رقمية قياسية دورية للانحلال مكتوبة في لب الألياف تعكس مسار موجي محدد، مع التحول إلى السلالة أو درجة الحرارة.

Installation Approaches in Tunnels

ويمكن تركيب الكابلات البصرية الفيبرية في أنفاق السكك الحديدية باستخدام عدة طرق تعتمد على أهداف الرصد ونوع تشييد الأنفاق، أما بالنسبة للأفق الموجودة، فإن الكابلات غالبا ما تكون مثبتة على سطح الأرض على بطانات النفق باستخدام مصاعدات الازدحام، والمقاطع الميكانيكية، أو تُدرج في إطار الرواسب الضحلة التي تقطع في الخرسانة، وبالنسبة لأنفاق الجديدة، يمكن أن تُلقي الكابلات مباشرة في أماكن العزل

وفي الأنفاق التشغيلية، يجب تنسيق التركيب مع جداول القطارات وبروتوكولات الأمان، فغالبا ما تكون نوافذ الحيازة المؤقتة قصيرة إلى أربع ساعات في كل ليلة، تتطلب تخطيطا دقيقا وأفرقة تركيب سريعة، وعلى الرغم من هذه التحديات، فإن الفوائد الطويلة الأجل للرصد المستمر تفوق بكثير صعوبة التركيب الأولية.

أنواع أجهزة الاستشعار الضوئية المستعملة في وحدة SHM

أجهزة الاستشعار فيبر براغ

ويُختلق جهاز استشعارات السحب المتحركة بكشف جزء قصير من الألياف إلى الضوء فوق البنفسجي المكثف من خلال قناع المرحلة، مما يخلق تغييراً دورياً في الرقم القياسي لسحب العجلات، وهذا القذف يمثل انعكاساً لخطورة الموجات المتناهية الصغر: عندما يُطلق الضوء العريض إلى الألياف، يعكس الرطوبة الضيقة التي تركز على الشعار المُتَوَقَفِّيْعَفْعَيْ.

والمجسات التي تستخدمها شركة FBG هي أجهزة استشعار من نوع واحد - كل جهاز من أجهزة المراقبة المطلة على ظهرها مباشرة فقط، ولتغطية طول النفق الذي يبلغ عدة كيلومترات، والمهندسين المتعددي الألف أو مئات من الـ FBG على طول الألياف الواحدة، وكل واحد منها في اتجاه موجي متمايز، ويتيح التعددية في تقسيم الوحل معالجة كل جهاز منفرد مع تقاسم نفس المسار البصري، ويوفر هذا النهج بيانات عالية الاستبان في المواقع المشتركة.

أجهزة الاستشعار الضوئية الموزعة

وتمثل أجهزة الاستشعار الموزعة نهجا مختلفا اختلافا جوهريا: فالألياف كلها تمثل عنصرا استشعاريا مستمرا، وتوفر القياسات في كل نقطة على طولها، وباستخدام تقنيات التصوير الضوئي للدم، فإن نبض الليزر يُطلق في الألياف، بينما يحلل الضوء المبعثر لتحديد الممتلكات المحلية، ويكشف التأخير في الوقت بين موقع إطلاق النبضات وإشارة العودة عن المكان.

() [استشعار الإجهاد الموزع ] استناداً إلى تفرقات الرلوين (BOTDA أو BOTDR) يمكن أن تحقق قرارات مكانية تتراوح بين 0.5 و2 متراً على طول الألياف تتجاوز 30 كيلومتراً، مما يجعل من المثالي رصد أجزاء الأنفاق الطويلة، كشف التشهير التدريجي الناجم عن المستوطنات الأرضية، أو التوسع الحراري، أو التسلل إلى النفق.

أجهزة الاستشعار المتقطعة

وتقيس أجهزة الاستشعار الضوئية المتقطعة للألياف الفوقية التغيرات الدقيقة في طول المسار البصري الناجمة عن الإجهاد أو الاهتزاز أو الضغط، وتشمل التشكيلات المشتركة ماتش - زاندر، وميشالسون، وفابي - بيروت، وأجهزة الاستشعار المتشابكة التي تستخدمها شركة ساغناك، وهي توفر درجة عالية من الحساسية للأحداث الدينامية، وهي مفيدة بصفة خاصة في كشف اليقظة من الاقتراب من القطارات، وتقييم حالة التحميل، ورصد نقاط الاستشعار الهيكلي.

Advantages of Fiber Optic SHM for Railway Tunnels

ويتيح اعتماد الكابلات الضوئية الألياف لرصد النفق فوائد قابلة للقياس من شأنها تحسين السلامة والكفاءة التشغيلية على السواء.

التغطية المكانية غير المطابقة

ويمكن للنظم البصرية الفيبرية أن ترصد طول النفق يتراوح بين ٢٠ و ٥٠ كيلومترا من وحدة استجواب واحدة، وتوفر آلاف نقاط القياس دون الحاجة إلى أجهزة استشعار منفصلة أو أسلاك أو سجلات بيانات على طول الطريق، وهذه القدرة الموزعة ضرورية للهياكل الأساسية السككية مثل الأنفاق، حيث يمكن أن تحدث أحداث حرجة في أي مكان، كما أن أجهزة الاستشعار التقليدية المختلفة - التي تعمل على فرز أجهزة الضبط، أو أجهزة التنظيف.

الرصد المستمر للجرائم الحقيقية

وبعد تركيب نظم الألياف البصرية لإدارة الصحة البشرية تعمل بصورة مستقلة، وتجمع البيانات على مدار الساعة، و365 يوماً في السنة، ويمكن تشكيل أجهزة الإنذار الآلية لتسريبها عند تجاوز العتبات المزروعة، وتصبح درجات الحرارة مفرطة، أو اكتشاف أنماط غير عادية من اليقظة، مما يتيح الاستجابة الفورية للقضايا الناشئة قبل وقوع أضرار واضحة، وهذا يعني بالنسبة لمشغلي النفق انخفاض تكاليف التفتيش، وقصر فترات الرد على المركبات.

الحصانة لبيئة قناة هرش

وتشكل الأنفاق السكك الحديدية بيئة تحد فريدة من نوعها بالنسبة لمعدات الرصد: الرطوبة العالية، والغبار، والاهتزاز، والحقول الكهرومغناطيسية من نظم القدرة على الحركة، والتفاوت في درجات الحرارة، وتكون الكابلات البصرية في مأمن من التدخل الكهرومغناطيسي، ولا تعاني من التآكل في الظروف الرطبة، ولا تتطلب أي طاقة كهربائية في موقع الاستشعار الأدنى، ويمكن أن تعمل على نطاق واسع من درجات الحرارة.

الكشف المبكر عن الشذوذ الهيكلي

ويكشف المجس البصري الفيبري عن التغيرات التي تحدث على مستوى الميكروستين، مما يتيح تحديد المسائل الهيكلية قبل أن تصبح واضحة للعين المجردة، وعلى سبيل المثال، يمكن للمستشعرات الموزعة أن تحدد تشوها محليا في بطانة النفق نتيجة تطور خلف حلقة الشرائح، ويمكِّن الكشف المبكر من معالجة مشكلة التآكل أو التخريب أو التعزيز الهيكلي قبل أن يُحرز تقدم في معالجة التكاليف.

خفض تكاليف دورة الحياة

وفي حين أن الاستثمار الأولي في نظم الأشعة السينية الضوئية للألياف أعلى من نظم التفتيش اليدوية، فإن التكلفة الإجمالية للملكية على الحياة التشغيلية للنفق تكون أقل في كثير من الأحيان، فالرصد المستمر يقلل من تواتر عمليات التفتيش اليدوية، ويقلل من خطر حدوث إخفاقات هيكلية كبيرة، ويوسع فترات التباعد بين أعمال الإصلاح الرئيسية، وبالنسبة لأنفاق عالية الارتداد حيث تحمل كل ساعة من الإغلاق تكاليف اقتصادية كبيرة، والقدرة على التخطيط للصيانة القائمة على أساس الادخار الفعلي.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من مزاياها الكثيرة، فإن نظم إدارة السجلات والمحفوظات البصرية للألياف ليست بدون تحديات، ومن الضروري فهم هذه القيود فهماً واضحاً من أجل التنفيذ الناجح.

التعقيد والتكلفة

ويتطلب تركيب الكابلات الضوئية للألياف في الأنفاق التشغيلية للسكك الحديدية تخطيطاً دقيقاً، وموظفين مهرة، وتنسيق عمليات القطارات، ويجب حماية الكابلات المتجهة جواً من الأضرار الميكانيكية أثناء التنظيف والصيانة وأي عمل في المستقبل في البنية التحتية للنفق، حيث إن إنتاج الكابلات في خط الأنفاق أثناء البناء أقل اضطراباً، ولكن يجب التخطيط له من مرحلة التصميم، وإن كانت تكلفة رؤوس الأموال من وحدات القراء - المسافرين -

حجم البيانات وتفسيرها

وتولد نظم الألياف الضوئية الموزعة كميات هائلة من البيانات، إذ إن نظاماً واحداً من نظم إدارة المعلومات الرقمية يُعين في 1 كيلوهرتز على أكثر من 10 كيلومترات ينتج ما يقرب من 500 غيغابايت من البيانات الخام يومياً، وتتطلب إدارة هذه البيانات وتخزينها وتجهيزها وتفسيرها خطوطاً قوية للبيانات والتحليلات المتقدمة.

مدة الخدمة في ظروف قصوى

وفي حين أن الكابلات البصرية للألياف قوية عموما، فإن المعاطف الواقية والموصلات يمكن أن تكون ضعيفة في بيئات الأنفاق، كما أن الاقتحامات المائية عند إغلاق الأنفاق، والأضرار الناجمة عن القوارض، والارتطام الميكانيكي من معدات تنظيف الأنفاق هي مخاطر حقيقية، بل إن الكابلات المصفحة من السلال المجهزة بالبرايلات المكشوفة بالجيل، هي حتى كابلات غير المجهزة، وهي عوامل أساسية لتحقيق التشغيل المستمر.

معايرة وقابلية الانتقال الطويلة الأجل

وتحتاج أجهزة الاستشعار البصرية الفيبرية، ولا سيما النظم الموزعة، إلى معايرة دقيقة لتأثيرات منفصلة للإجهاد ودرجة الحرارة، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستشعار التي تستند إلى البرامترات تتسم بالحساسية إزاء البارامترات في آن واحد، وتستلزم إما أجزاء الألياف المكشوفة حسب درجة الحرارة أو قياس درجات الحرارة المستقلة لعزل البيانات الإجهادية، وعلى مدى فترات طويلة، قد يؤدي الربط بين الألياف والهيكل إلى تدهور، وتغيير النقل عبر الحدود، وإدخال قياسات المرجعية العائمة.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

تانيل سكاير عالية السرعة في أوروبا

وقد اعتمدت عدة شبكات أوروبية للسكك الحديدية ذات السرعة العالية الألياف البصرية للأنفاق الحرجة، وقد مكّن نفق قاعدة غوثارد في سويسرا، أطول نفق للسكك الحديدية في العالم على 57 كيلومترا، واستخدامات أجهزة الاستشعار الضوئي الموزعة المثبتة في خط الأنفاق لرصد حركة الأرض، وتغيير درجة الحرارة، والاستجابة الهيكلية لأحمال القطارات، ويوفر النظام تغطية مستمرة لطول النفق، مع وجود إنذارات صحيحة.

رصد التشهير بالنفقات المعدنية في آسيا

وفي البيئات الحضرية الكثيفة، تكون الأنفاق المتروية معرضة بشكل خاص للتشوه من البناء المتاخم، وتغيرات المياه الجوفية، والتوطيد الطويل الأجل، وقد قامت عدة مدن آسيوية، بما فيها شنغهاي وسنغافورة وطوكيو، بوضع نظم رصد بصري للألياف في أقسام الأنفاق الحرجة، وفي شنغهاي، تم تركيب جزء من خط المترو 10 على مسافة 3.2 كيلومترا مع نظام مختلط مثبت للقطع للقطع

رصد التوليد في المناطق الجيولوجية النشطة

إن الأنفاق السكك الحديدية التي تمر عبر خطوط خطية نشطة، أو المنحدرات الأرضية المعرضة للتعدين تحتاج إلى رصد قوي بشكل خاص، وفي النرويج، تُبلغ الأنفاق الصخرية - جزء من مشروع السكك الحديدية الموزعة - أجهزة الاستشعار الضوئية لرصد التشوهات الجماعية للصخور أثناء الحفر والتشغيل، ويوفر النظام مراقبة على مدار الساعة لقطع الأنفاق الصغيرة حيث تتفاوت الصيانة فوق النفق من 5 إلى 200 متر

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

التكامل مع التوائم الرقمية

ويتزايد إدماج مجرى البيانات من نظم الألياف البصرية للإدارة المستدامة للأراضي في البرامج الرقمية المزدوجة - التمثيل الرقمي الدينامي للموجودات المادية التي تستكمل في الوقت الحقيقي، كما أن التوأم الرقمي لسقوط نفق السكك الحديدية، ودرجة الحرارة، واليقظة، والبيانات البيئية المستمدة من أجهزة الاستشعار الضوئية بالألياف إلى جانب معلومات حركة المرور، وسجلات الصيانة، والنماذج الجيولوجية، يمكن للمهندسين أن يحفزوا على تغيير أثر التدخلات الجديدة.

تحليل البيانات المتقدم والتعلم في مجال الآلات

وقد أصبحت خوارزميات التعلم الماكنة أساسية لاستخراج قيمة من مجموعات البيانات الضخمة التي تنتجها أجهزة الاستشعار البصرية الموزعة، ويمكن أن تصنف نماذج التعلم العميق أحداث الاهتزاز (نوع التدريب، السرعة، التوجيه)، وتكشف الشذوذ (الشقوق الناشئة، الأجزاء غير المستقرة، الحركة الأرضية غير العادية)، وتتوقع بقاء الحياة المفيدة لمكونات الكشف عن الأنفاق.

الاستشعار متعدد المقاييس على محرك واحد

وقد أظهرت البحوث الأخيرة القدرة على قياس الإجهاد ودرجات الحرارة والهتز، وحتى البارامترات الكيميائية )الرهوب، والهكتار، والدخل الدخاني الكلوري( في وقت واحد باستخدام الألياف البصرية الوحيدة، وتجمع نظم الاستجواب الهجينة بين تحليلات الارتداد في أداة واحدة، وتوفر صورة شاملة لصحة الأنفاق دون تكلفة وتعقيد شبكات الاستشعار المختلفة.

الاستجمامات والباتات

والمستشعرات البصرية الفيبرية هي في جوهرها سلبية، ولا تتطلب أي طاقة كهربائية عند نقطة القياس، مما يجعلها مثالية لقطع النفق النائية أو التي يصعب الوصول إليها حيث يكون استبدال البطاريات أو أسلاك الطاقة غير عملي، إذ أن تصميمات مركز الاستجواب المتطورة - التي تستخدم مصادر ليزر منخفضة التكلفة، ومطيافات مدمجة، وتجهيز البيانات السحابية - تقلل من الحواجز أمام اعتماد مشغلي الأنفاق الأصغر.

خاتمة

إن استخدام الكابلات الضوئية الألياف لرصد الصحة الهيكلية لأنفاق السكك الحديدية يمثل تقدما كبيرا في إدارة الهياكل الأساسية، إذ أن هذه النظم، بتحويلها إلى عنصر استشعار مستمر، توفر تغطية مكانية غير مسبوقة، وبيانات آنية، وقدرة على الإنذار المبكر لا يمكن أن تحققها أساليب التفتيش التقليدية، وقد انتقلت التكنولوجيا إلى أبعد من مختبرات البحوث إلى نشر تشغيلي في بعض أنفاق السكك الحديدية التي تتطلبها العالم، مما يثبت قيمتها في كشف المسائل المتعلقة بالسلامة.

وستزداد التحديات التي لا تزال قائمة، وإدارة البيانات، والتقدم الأولي في مجال تصميم أجهزة الاستشعار، ومعدات الاستجواب، والمحللين، وتعالج هذه الحواجز بصورة مطردة، حيث أن الشبكة العالمية للسكك الحديدية ستتوسع وأعمارها، والحاجة إلى رصد فعال من حيث التكلفة وموثوق ومستمر، كما أن الحركة الشعبية لتحرير السودان توفر مساراً مثبتاً لتلبية تلك الحاجة، مما يمكّن مشغلي الأنفاق من الانتقال من إدارة السك الحديدية على أساس جداول زمنية ثابتة.