מבוא ל- UAV-מבוססים על ניטור בריאות

כלי רכב אוויריים בלתי ידועים (UAVs), הידוע בכינוי מזל"טים, משנים את הדרך בה מהנדסים ומפקחים לפקח על בריאות תשתיות אזרחיות.כלים מתקדמים אלה מציעים שיטה בטוחה ויעילה לחיזוי מצב של גשרים, סכרים, מגדלים, מבנים ביקורתיים אחרים, לעתים קרובות דורשים נפיחות כבדה, סגירות תנועה, או גישה אנושית בסיכון למגבלות גבוהות של חיישנים גמישים, אפילו חיישנים גמישים, אשר שימשו מגבלות שונות של פתורות.

ניטור בריאותי סטרקטי (SHM) באמצעות רחפנים אינו רק על בדיקה חזותית; הוא כרוך איסוף נתונים שיטתי וניתוח כדי לזהות הידרדרות, עייפות, ונזק לפני שהם מובילים לכישלון.עם ההזדקנות הגלובלית והתקציבים הידוק, SHM מבוסס AV הפך ככלי קריטי לשימור פרואקטיבי. מאמר זה חוקר את היתרונות, שיטות, אתגרים, ועתיד של שימוש ברחפנים עבור ניטור, מתן במהירות מנהלי נכסים עם קובעי מדיניות מפורטים של ניהול נכסים.

היתרונות של שימוש בכטב"מים ב- Structural Monitoring

אימוץ של מל"טים עבור ניטור בריאות מבני מציע כמה יתרונות משכנעים אשר ישירות לטפל נקודות הכאב של גישות בדיקה קונבנציונליות:

נגישות משופרת ובטיחות

רחפנים יכולים להגיע למקומות קשים או מסוכנים מבלי לשים כוח אדם בסיכון.לספק מגדלים גבוהים, גשר מתחת לפני השטח, פרצופים סכרים או צינורות בסביבה מסוכנת לעתים קרובות כרוך בעבודה בגובה, בחללים מוגבלים, או ליד תנועה חיה.על ידי שימוש במזל"ם, מפקחים יכולים ללכוד תמונות מפורטות ונתוני חיישן מרחוק בטוח, צמצום ההסתברות של נפילות, אלקטרו-חסון, או חשיפה לחומרים רעילים: ULTupation (F) נותרו סיכונים חיוניים (או בטיחותיים רבים.

High-Resolution Imaging and Sensor Data

מצויד במצלמות וחיישנים, מל"טים ללכוד תמונות מפורטות ונתונים לניתוח מעמיק. רחפנים מודרניים יכולים לשאת עומסים כגון 4K מצלמות אלקטרו-אופטיות, חיישנים תרמיים, LiDAR (גילוי אור ורנסינג), מצלמות מרובות-ספקטרום ואפילו גלאי גז.זה ריבוי-רגישים מאפשר לפקחים לראות מעבר לספקטרום הנראה לעין - detecting delamination, לחות, בפירוט תרמילי זיהוי, ודימום של מילימטרים, מאפשר מחסנים זעירים של פתורים של רזולוציה גבוהה.

זמן יעילות וצמצום

בדיקות מל"ט הן מהירות משמעותית מאשר שיטות מסורתיות, צמצום זמני של תשתיות.בדיקה מקיפה של גשר שעשויה לקחת צוות של כמה ימים באמצעות כלי רכב מסובכים או מתחת ל-bridge ניתן לעתים קרובות להשלים על ידי צוות של שני אנשים בתוך כמה שעות.עבור קווי שידור כוח או צינורות, מל"טים יכולים לכסות קילומטרים של נכסים ליניאריים בטיסה אחת, חיתוך זמן זה הוא מהירות קריטית עבור תשתיות קריטיות, כמו גם טיסות מהירות מבצעיות, כמו גם טיסות מהירות, כמו גם תחבורה פיננסית, כמו, כבישים מהירים, כמו גם.

חיסכון בעלויות על מחזור החיים של הנכסים

השימוש ברחפנים מקטין את עלויות העבודה וממזער את הצורך בעומס יקר או בציוד.ההשקעה הראשונית במערכת המל"ט ושכר החיישן מתבטלת לעתים קרובות בתוך מספר פרויקטים בגלל עלויות גיוס נמוכות יותר, פחות שעות עבודה, והפחתה של הוצאות ניהול התנועה.בתוחלת החיים של מבנה גדול, בדיקות מל"טים קבועות יכולות להאריך את המרווח בין בדיקות פולשניות על ידי מתן אזהרות מוקדמות של 20 אלקטריקטיביות (F) מאשר בדיקה נרחבת של 2.

שיטות וטכנולוגיות מעסיקות את UAV SHM

ניטור בריאות מבני מבוסס AV מסתמכ על שילוב של פלטפורמות טיסה, מטענים חיישן וטכניקות עיבוד נתונים.בחירה של פלטפורמה חיישן תלויה במבנה הספציפי, בתנאים סביבתיים, סוג של פגמים להיות מזוהה.

ביישומי טיס: Multirotor vs. קבוע-Wing

רוב הבדיקות תשתיות אזרחיות משתמשות ב- Multirotor UAVs (quadcopters, hexacopters, octocopters) בשל יכולת התמרון יוצאת הדופן שלהם ויכולת לרחף במקום.פלטפורמות אלה מצטיינים בבדיקת גיאוגרפיות מורכבות כגון גשרים, הדרים, וחזיתות בנייה (בדרך כלל יש זמני טיסה של 20-40 דקות בהתאם למשקל ולקיבולת הסוללה הקבועה, בעוד כמה שעות טיסה) יכולות להיות יותר מאשר אוויריות (או יותר ויותר) יותר מאשר אוויריות (או קווי חשמל יותר) ומהירות אוויריות (או קווי חשמל יותר מתאימים יותר), וקווי סוללה (או קווי סוללה), ומהירות) יותר, למשל, למשל, למשל, כמו למשל, כמו קווי סוללה (או קווי חשמל חמים יותר) יותר, למשל, למשל, למשל, למשל, למשל, למשל, למשל, למשל, למשל, למשל, למשל, זמן טיסה) יותר טוב יותר, זמן טיסה) יותר טוב יותר, וקווי סוללה (או קווי חשמל חמים יותר, או קווי סוללה (או קווי סוללה (או קווי סוללה מתאימים יותר טוב יותר, כולל קווי חשמל מהירים יותר, כולל קווי חשמל מהירים יותר) וקווי סוללה (או קווי סוללה (או קווי סוללה) וקווי סוללה).

טכנולוגיות חיישן ל Defect Detection

בחירת החיישנים מגדירה מה ניתן לזהות.חיישנים נפוצים המשמשים ב- UAVSHM כוללים:

  • (FLT:0) מצלמות חזותיות ברזולוציה גבוהה: לכידת תמונות RGB עבור גילוי סדקים משטח, התכווצויות, קורוזיה, עקירה וצמחייה יתר על המידה.
  • (FLT:0) מצלמות אינפרא אדום: ⁇ 1) הבדלים בטמפרטורות דקקט שעשויים להצביע על דלמנטום, לחות בתוקפנות, חללים בטון, או אובדן חום במעטפות בנייה.
  • (FLT:0)LiDAR:FLT:1 מספק גיאומטריה תלת-ממדית מדויקת ויכול לזהות עיוותים, התנחלויות או עיוותים.ענני נקודת לידר יכולים להיות בהשוואה למודלים שנבנו כדי לזהות שינויים לאורך זמן.
  • (FLT:0) מרביטיפל וחיישנים היפר-ספקטרום:FLT) 1 לתפוס נתונים על פני כמה להקות ספקטרליות, שימושיות לזיהוי של השפלה חומרית, ציפוי, או צמיחה ביולוגית שעלולה להשפיע על בריאות מבנית.
  • (FLT:0) חיישנים אקוסטיים ו Acoustic:BuildFLT) 1 בעוד פחות נפוץ בשל משקל ודרישות מגע, כמה מל"טים ניסיוניים לשאת מדדי עובי או חיישני פליטה אקוסטיים לגילוי פגמים פנימיים במכות או מסובכים.

עיבוד נתונים ותיקון עבודה

תהליך איסוף הנתונים מתחיל בתכנון נתיב הטיסה כדי להבטיח כיסוי מקיף של המבנה.במהלך הטיסה, המל"טים ללכוד תמונות ונתונים חיישן, אשר מעובדים לאחר מכן באמצעות תוכנה מיוחדת כדי לזהות אנומליות ולהעריך שלמות מבנית.

  1. (FLT:0)Flight Planning:FLT:1 שימוש בתוכנה כגון Pix4D, DroneDeploy, או DJI Pilot כדי לעצב נתיבי טיסה אוטומטיים עם תמונות חופפות עבור photogrammetry, או תבניות רשת עבור סקרים תרמיים.
  2. (FLT:0) איסוף נתונים: ההרחבה 1 (FLT:1) מוציאה את הטיסה תוך שמירה על מרחק עקבי מהמבנה, לעתים קרובות באמצעות חיישנים של הימנעות ממכשולים ו-Kinematic בזמן אמת (RTK) GPS עבור מיקום מדויק.
  3. (FLT:0) תמונה סטיצ'ינג ו 3D Revision:Build:cioFLT:1) Photogrammetry תוכנה מייצרת מפות אורטומוסמית, מודלים של עלייה דיגיטלית (DEMs), ומרקמים 3D meshes.מודלים אלה מאפשרים למהנדסים לבדוק את המבנה מרחוק ולבצע מדידות מדויקות.
  4. (FLT:0) זיהוי של זיהוי:Figal1 (סקירה ידנית של מפקחים מוסמכים עדיין נפוצה, אבל אלגוריתמי למידת מכונה משמשים יותר ויותר לזיהוי סדקים, ספאלים, וcorrosion. . Convolutional רשתות עצביות (CNN) מאומן על אלפי תמונות לא מאומתות יכול להשיג דיוק מעל 90% עבור פגמים משותפים.
  5. תוצאות ניתוח של FLT:0 (העברה ואינטגרציה: FLT:1reas) מופרשות לדיווחים עם אנטנות מבוזרות, דירוגי חומרה, ופעולות מומלצות. דוחות אלה יכולים להשתלב עם מערכות ניהול נכסים (למשל, IBMo, SAP) למעקב ארוך טווח.

תגית: UAV SHM בפעולה

פרויקט גשר דנקרק

בשנת 2022, מחלקת התחבורה של מדינת ניו יורק שותפו עם ספק שירות מל"ט כדי לבדוק את גשר דנקרק, מבנה של truss פלדה בן 50 שנה.בדיקה מסורתית דרשה מברג עבור גישה מתחת ל-bridge והמסלולים על גבי כביש עסוק. צוות המל"ט השתמש בפרויקט DJI Matrice 300K מצויד במצלמה חזותית של 20MP ו- FLIR עם תוספת של 7 ימים של בדיקות שבץ, 000 שעות בדיקה לא סדירות, ולאחר מכן, הם אספו עד 4.

דמי מעקב: Concrete Gravity Dam Deformation

בבדיקה של סכרים בטון גדולים דורש מדידה של עיוות פני השטח, סדקים, ו-Seepage. בפרויקט טייס על סכר ארכי בשווייץ, מל"ט מצויד עם מערכת LiDAR דיוק גבוהה סקר את הפנים למטה בכל שנה מעל שלוש שנים.המידע בענן נקודה נרשם כדי למנוע סריקות בסיס כדי לזהות עקירות מ"מ קטנות כמו 2 מ"מ מזוההים, המאפשרים לשילוב עם רמות בדיקה מדויקות יותר של נתונים והורדת דיוק של בדיקות.

Power Line and Tower Inspections

מסדרונות קו ההעברה למתוח אלפי קילומטרים, לעתים קרובות דרך שטח מרוחק. מל"טים עם מצלמות תרמיות וגלאי פריקה יכול לזהות insulators פגומים, כתמים חמים מחיבורים עמידים גבוהים, ובעירה צמחייה.אחד חברות שירות גדול בטקסס דיווחו כי באמצעות מל"טים מופחת זמן בדיקה עבור מסדרון של 100 קילומטר מ 50 ימים עד 3 ימים, עם ירידה של 40% עלות גבוהה יותר של זיכרון פלדה היה נמוך יותר על ידי ק"מ.

אתגרים ומגבלות של AVSHM

למרות היתרונות הרבים שלהם, מל"טים אינם תרופת פאן לניטור בריאות מבני.מספרים טכניים, רגולטורים ומבצעיים נותרו:

זמן טיסה מוגבל ו- Battery Life

רוב הכטב"טים הרב-רוטור יכולים לטוס רק 20-40 דקות לסוללה, אשר מגבילה את האזור שניתן לכסות במבנים גדולים מסוג אחד. מבנים גדולים כגון גשרים ארוכי טווח או בניינים גבוהים עשויים לדרוש מספר טיסות, תוך שיפור זמן בדיקה הכולל. בעוד טכנולוגיית סוללות סוללות סוללות סוללות סולדות ותאים דלק מימן להבטיח סיבולת ארוכה יותר), מגבלות הנוכחיות דורשות תכנון זהיר ולעתים קרובות שימוש במספר מערכות בתחום.

הגבלות רגולטוריות

פעולות מל"ט לבדיקת תשתיות כפופות לתקנות מחמירות משתנות על ידי המדינה בארצות הברית, מינהל התעופה הפדרלי (FAA) דורשות חלק 107 הסמכה עבור טייסים מסחריים, ופעולות מעבר לקו הראייה הראייה (BVLOS) עדיין מוגבלות לויתורים.בתחומים רבים, טיסה ליד שדות תעופה, מעל כבישים מהירים, או מעל קהל דורשות היתרים מיוחדים.

תנאים סביבתיים

מל"טים רגישים למזג אוויר: רוחות חזקות, גשם, שלג וחשיפה נמוכה יכולים לפעול בשטח.עבור תשתיות חוף או גבוהות, גלי רוח יכולים לעלות על גבולות יציבות מל"טים, במיוחד עבור מטוסים קטנים יותר, קיצוניות טמפרטורה גם להשפיע על ביצועי סוללות ודיוק החיישן.

עיבוד נתונים של צוואר

נפח הנתונים שנאספו על ידי רחפנים לעתים קרובות עולה על יכולת העיבוד של צוותי בדיקה.בדיקה של גשר יחיד יכול לייצר מאות ג'יגה-בייט של תמונות ונתונים LiDAR.סקירה ידנית של אלפי תמונות עבור פגמים דקים היא זמן-consuming ו prone לשגיאה אנושית. בעוד שמחשבה סטנדרטית מציעה עזרה, מודלים לזיהוי חזקים דורש נתונים גדולים, לא מאומתים שעדיין אינם מוגבלים עבור פורמטים סטנדרטיים של מערכות ניהול סטנדרטיות.

דרישות סקיל והסמכת טייס

רחפנים תפעוליים לצורך בדיקה מבנית דורשות יותר ממיומנויות טיסה בסיסיות.טייסים חייבים להבין תכנון טיסה למבנים מורכבים, לחיישן, ותהליכי חירום.הם גם צריכים ידע על המבנה שנבחן כדי לדעת היכן להתמקד בתשומת לב. ארגונים רבים מתקשים לשכור צוות שהם טייסי מזל"טים מוסמכים ומהנדסים אזרחיים מנוסים.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

העתיד של ניטור בריאות מבני מבוסס AV הוא בהיר, מונע על ידי התקדמות בחומרה, תוכנה ומסגרות רגולטוריות. מגמות מפתח לצפות כוללים:

אינטליגנציה מלאכותית וזיהוי עצמי

אלגוריתמי למידת מכונות נעים מהמעבדה לשדה.זמן עיבוד לוח בזמן על לוח באמצעות שבבים AI קצה (כגון NVIDIA Jetson) מאפשר ל- UAVs לזהות פגמים כפי שהם טסים, המאפשר נתיבי טיסה הסתגלות המתמקדים בתחומים של עניין. לדוגמה, UAV מעופף גשר יכול באופן אוטומטי לבלוט על סדק חשוד ולקחת תמונות מרובות לפני המשך הסריקה שלו.

טכנולוגיית סווממים עבור מבנים גדולים

ניתוח סוודר - שבו מספר רב של מל"טים לתאם את הטיסות שלהם - משפר את השיפורים הדרמטיים ביעילות.עבור גשר גדול מאוד או סכר, חתך של 5-10 מל"טים קטנים, כל אחד מצויד חיישן אחר, יכול לכסות את המבנה כולו בשבריר של זמן של מזל"ט יחיד. Swarms דורש פרוטוקולי תקשורת חזקים והתנגשות, אבל מערכות מסחריות מחברות כמו וולירו ו- Flyability כבר להפגין יכולות אלה בדיקות תעשייתיות.

פלטפורמות לטווח ארוך ו- BVLOS Progress

ההתקדמות בטכנולוגיית סוללות, רחפנים סולריים, ותאים דלק מימן דוחפים את זמני הטיסה במשך שעות ולא דקות.בינתיים, טייסים רגולטוריים עבור פעולות BVLOS נמצאים במדינות רבות. בארה"ב, תוכנית ה- BEYOND של FAA אישרה מספר מפעילי מל"טים לטוס מעבר לקו הראייה החזותי של בדיקה.

שילוב עם תאומים דיגיטליים

תאומים דיגיטליים - העתקים וירטואליים של נכסים פיזיים המתעדכנים עם נתונים בזמן אמת - הופכים לסטנדרט לניהול תשתיות.מל"טים מספקים שיטת רכישה אידיאלית עבור תאומים דיגיטליים, לכידת נתונים גאומטריים ומצביים במרווחים קבועים.על ידי שילוב נתוני סקרי רחפנים עם חיישנים (למשל, מדדים, מד תאוצה, תאוצה), מהנדסים יכולים ליצור מערכת מקיפה של MREDS, החיזוי חיים ו-Fimk%, אשר יש ירידה של מספר כישלונות של תאים דיגיטליים.

סטנדרט והסמכת

כמו UAV SHM בוגר, תקני התעשייה מתעוררים.החברה האמריקנית של מהנדסים אזרחיים (ASCE) והחברה הבינלאומית למעקב רפואי סטריקטלי (ISHM) מפתחים הנחיות לפרוטוקולים מבוססי רחפנים, דרישות איכות נתונים, ותבניות הדיווח. Standardization יפחיתו את החסמים לאימוץ על ידי מתן הליכים ברורים ותאפשר שקיפות של תוצאות על פני פרויקטים שונים ותכניות הסמכה עבור UAV"מ מפותחים, הן גם הם אנשי מקצוע בתחום המהנדסים והן מבטיח מיומנויות טיסה.

מסקנה

כלי רכב אוויריים לא ממומנים שינו באופן יסודי את הנוף של ניטור בריאות מבני עבור תשתיות אזרחיות.היכולת שלהם לגשת למקומות מסוכנים, ללכוד נתונים רב-רגישים ברזולוציה גבוהה במהירות, ולהפחית עלויות הופך אותם כלי חיוני עבור בעלי נכסים ומהנדסים. בעוד אתגרים כגון זמן טיסה מוגבל, מגבלות רגולטוריות ועיבוד נתונים נותרו, התקדמות טכנולוגית מהירה היא מעל מכשולים אלה.

עבור ארגונים האחראים לבטיחות ולרווחה של גשרים, סכרים, מגדלים, צינורות, תשתיות אחרות, השקעה ביכולות מל"טים אינה מושג עתידני יותר – זהו מושג מעשי.על ידי אימוץ טכנולוגיות אלה כיום, מנהלי נכסים יכולים לשפר את בטיחות, אופטימיזציה תקציבי תחזוקה, ולהרחיב את חיי המבנים הקריטיים שהחברה שלנו תלויה בכל יום.