Low-Cost Efficient Wireless Intelligent Sensors for Railroad Bridge Displacement Monitoring

تُعد السكك الحديدية شرايين التجارة، حيث تحمل أحمالاً ثقيلة عبر مسافات شاسعة، لكن الجسور التي تحملها تتعرض باستمرار للإجهاد بسبب وزن وإيقاع القطارات المارة. ومع مرور الوقت، يمكن للاهتزاز والانحناء المتكرر أن يضعفا هذه الهياكل، وأحياناً بطرق يصعب رؤيتها بالعين المجرة. يحتاج المهندسون إلى معرفة مقدار حركة الجسر عند عبور قطار، لأن هذه الحركة، أو الإزاحة، هي علامة مباشرة على سلامة الهيكل. فإذا انحنى الجسر أكثر من اللازم، فقد يكون ذلك علامة تحذير من وقوع مشكلة. ومع ذلك، فإن قياس هذه الحركة على خط سكة حديد نشط أمر صعب للغاية. فالجسور غالباً ما تكون في مواقع نائية، والوصول إليها مقيد لأسباب تتعلق بالسلامة، كما أن الحركات ضئيلة جداً، وغالباً ما تكون أقل من عرض ظفر الإصبع. وعادة ما تتطلب الأدوات التقليدية لقياس مثل هذه التحولات معدات ثقيلة، ونقاط مرجعية ثابتة يصعب تركيبها، أو إمداداً مستمراً من الكهرباء والإنترنت، وهي أمور لا تتوفر بسهولة في منتصف ممر السكك الحديدية.

ولحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين من جامعة نيو مكسيكو و"نيو مكسيكو ريل رانر إكسبريس" نوعاً جديداً من المستشعرات يسمى "LEWIS 7". تم تصميم هذا الجهاز ليكون صغيراً، ورخيص الثمن، ومكتفياً ذاتياً تماماً. وهو مصمم ليتم تثبيته على جسر، ويُترك هناك لعدة أشهر، ثم يُنقل إلى موقع آخر دون الحاجة إلى أي أسلاك أو اتصالات إنترنت محلية. الفكرة الجوهرية هي "الاستماع" إلى الجسر بدلاً من "مراقبته". يستخدم المستشعر مكوناً إلكترونياً صغيراً يمكنه الشعور بالاهتزازات، تماماً مثل الأذن الداخلية للإنسان، ليكتشف مرور قطار. وبدلاً من تسجيل البيانات باستمرار، مما قد يستنزف بطاريته، يظل الجهاز في وضع السكون حتى يشعر باهتزاز محدد لقطار. وعند حدوث ذلك، يستيقظ، ويسجل الاهتزاز لبضع ثوانٍ، ثم يستخدم طريقة ذكية لحساب مقدار حركة الجسر الفعلية بناءً على شدة اهتزازه. بعد ذلك، يرسل هذه المعلومات إلى السحابة باستخدام شبكة خلوية، تشبه الهاتف المحمول، حتى يتمكن المهندسون من مراجعة البيانات من أي مكان.

بنى الباحثون الجهاز باستخدام قطع جاهزة للحفاظ على التكلفة الإجمالية دون 170 دولاراً، وهو جزء ضئيل مما تكلفه أنظمة المراقبة التقليدية. يعمل المستشعر ببطارية قابلة لإعادة الشحن يتم الحفاظ على شحنها بواسطة لوح شمسي صغير، مما يسمح له بالعمل إلى أجل غير مسمى دون صيانة. ولضمان دقة البيانات، اختبر الفريق المستشعر أولاً في المختبر؛ حيث وضعوه على آلة تهتز بحركات دقيقة ومنضبطة وقارنوا قراءاته بنظام ليزر عالي الجودة يقيس الحركة بدقة متناهية. وأظهرت النتائج أن المستشفر منخفض التكلفة يمكنه تقدير حركة الجسر بهامش خطأ يقل عن عُشرين من المليمتر، مما أثبت أن طريقة حساب الحركة من خلال الاهتزاز كانت سليمة.

بعد نجاح الاختبارات المخبرية، نقل الفريق المستشعر إلى جسر سكك حديدية خشبي حقيقي في ألباكركي، نيو مكسيكو. قاموا بتثبيت الجهاز على دعامة الجسر، أو الركيزة، على ارتفاع حوالي ثمانية أقدام عن الأرض. تم تصميم عملية التركيب لتكون سريعة وغير جراحية (غير تخريبية)؛ حيث قام الفريق بصنفرة السطح الخشبي، ولصق صفيحة معدنية صغيرة عليه، ثم ثبتوا المستشعر ببساء على الصفيحة باستخدام مغناطيس. استغرقت العملية برمتها أقل من خمس دقائق. وعلى مدار عدة أشهر، ظل المستشفر هادئاً على الجسر، ينتظر القطارات. وعندما كانت قطارات الركاب "ريل رانر" تمر، كان الجهاز يستيقظ، ويلتقط بيانات الاهتزاز، وينقلها إلى خادم.

وللتحقق من عمل المستشفر بشكل صحيح في العالم الحقيقي، أحضر الباحثون نفس نظام الليزر عالي الجودة المستخدم في المختبر. وجهوا الليزر نحو الجسر في اللحظة ذاتها التي يسجل فيها المستشعر عبور قطار. فعلوا ذلك لثلاث حالات منفصلة لمرور القطارات، بما في ذلك قطارات تسير في اتجاهات مختلفة وفي أيام مختلفة. وكشفت المقارنة أن حسابات المستشفر تطابقت بشكل ملحوظ مع قياسات الليزر. لقد تحرك الجسر حوالي مليمتر واحد فقط أثناء العبور، وهي إزاحة ضئيلة، ومع ذلك التقط المستشفر حجم وسرعة تلك الحركة بدقة عالية. وأظهرت البيانات أن المستشفر يمكنه تتبع سلوك الجسر بشكل موثوق بغض النظر عما إذا كان القطار يتجه شمالاً أو جنوباً، أو ما إذا كان الاختبار قد تم في حرارة شهر مايو أو برد شهر يناير.

خلصت الدراسة إلى أن هذا النهج منخفض التكلفة واللاسلكي يعد وسيلة فعالة لمالكي السكك الحديدية لمراقبة حالة جسورهم. أثبت النظام أنه من الممكن الحصول على بيانات إزاحة دقيقة دون بنية تحتية مكلفة، أو تركيبات دائمة، أو زيارات ميدانية متكررة. وأشار الباحثون إلى أنه بينما يعمل التصميم الحالي بشكل جيد مع قطارات الركاب، فقد يحتاج إلى تعديلات للتعامل مع قطارات الشحن الأطول والأثقل التي تستغرق وقتاً أطول في العبور. كما سلطوا الضوء على أن قدرة المستشفر على الانتقال من جسر إلى آخر تعد ميزة كبرى، مما يسمح لجهاز واحد بمراقبة شبكة كاملة من الجسور بمرور الوقت. ومن خلال توفير طريقة بسية وبأسعار معقولة لرؤية كيفية تفاعل الجسور مع الإجهاد اليومي لحركة القطارات، تقدم هذه التكنولوجيا أداة جديدة للحفاظ على سلامة وكفاءة شبكة السكك الحديدية.