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

रेलवे वाणिज्य की धमनियां हैं, जो विशाल दूरियों तक भारी भार ले जाती हैं, लेकिन जो पुल उन्हें ढोते हैं, वे गुजरने वाली ट्रेनों के वजन और लय से लगातार तनाव झेलते हैं। समय के साथ, बार-बार होने वाले कंपन और झुकने से ये संरचनाएं कमजोर हो सकती हैं, कभी-कभी ऐसे तरीकों से जिन्हें नग्न आंखों से देखना कठिन होता है। इंजीनियरों को यह जानने की आवश्यकता होती है कि एक ट्रेन के गुजरने पर पुल कितना हिलता है, क्योंकि यह हलचल, या विस्थापन (डिस्प्लेसमेंट), संरचना के स्वास्थ्य का सीधा संकेत है। यदि पुल बहुत अधिक झुकता है, तो यह किसी समस्या का चेतावनी संकेत हो सकता है। हालांकि, एक सक्रिय रेल लाइन पर इस हलचल को मापना बेहद कठिन है। पुल अक्सर दूरदराज के स्थानों में होते हैं, पहुंच प्रतिबंधित होती है, और हलचल बहुत सूक्ष्म होती है, जो अक्सर एक नाखून की चौड़ाई से भी कम होती है। ऐसी गतिविधियों को मापने वाले पारंपरिक उपकरणों के लिए आमतौर पर भारी उपकरणों, स्थापित करने में कठिन संदर्भ बिंदुओं, या बिजली और इंटरनेट की निरंतर आपूर्ति की आवश्यकता होती है, जो एक रेल कॉरिडोर के बीच में आसानी से उपलब्ध नहीं होते हैं।

इस समस्या को हल करने के लिए, यूनिवर्सिटी ऑफ न्यू मैक्सिको और न्यू मैक्सिको रेल रनर एक्सप्रेस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने LEWIS 7 नामक एक नए प्रकार का सेंसर विकसित किया है। यह उपकरण छोटा, सस्ता और पूरी तरह से आत्मनिर्भर होने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसे इस तरह बनाया गया है कि इसे एक पुल पर क्लिप किया जा सके, महीनों तक वहीं छोड़ा जा सके, और बिना किसी तार या स्थानीय इंटरनेट कनेक्शन के दूसरे स्थान पर ले जाया जा सके। मुख्य विचार पुल को देखने के बजाय उसे "सुनना" है। सेंसर एक छोटे इलेक्ट्रॉनिक घटक का उपयोग करता है जो कंपन को महसूस कर सकता है, ठीक वैसे ही जैसे मानव कान कंपन को महसूस करते हैं, ताकि यह पता लगाया जा सके कि ट्रेन कब गुजर रही है। डेटा को लगातार रिकॉर्ड करने के बजाय, जिससे इसकी बैटरी खत्म हो सकती है, यह उपकरण तब तक सोता रहता है जब तक कि इसे ट्रेन के विशिष्ट झटके का अनुभव न हो। जब ऐसा होता है, तो यह जाग जाता है, कुछ सेकंड के लिए कंपन को रिकॉर्ड करता है, और फिर एक चतुर विधि का उपयोग करके यह गणना करता है कि पुल वास्तव में कितना हिला, यह इस आधार पर कि वह कितनी जोर से हिला था। इसके बाद यह इस जानकारी को क्लाउड पर एक सेलुलर नेटवर्क का उपयोग करके भेजता है, जो एक मोबाइल फोन की तरह काम करता है, ताकि इंजीनियर कहीं से भी डेटा की समीक्षा कर सकें।

शोधकर्ताओं ने कुल लागत को $170 से कम रखने के लिए बाजार में उपलब्ध सामान्य पुर्जों का उपयोग करके इस उपकरण का निर्माण किया, जो पारंपरिक निगरानी प्रणालियों की तुलना में बहुत कम है। सेंसर को एक रिचार्ज करने योग्य बैटरी द्वारा संचालित किया जाता है जिसे एक छोटे सौर पैनल द्वारा चार्ज रखा जाता है, जिससे यह बिना किसी रखरखाव के अनिश्चित काल तक कार्य कर सकता है। डेटा की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, टीम ने पहले प्रयोगशाला में सेंसर का परीक्षण किया। उन्होंने इसे एक ऐसी मशीन पर रखा जो इसे सटीक, नियंत्रित आंदोलनों के साथ कंपन करती थी और इसकी रीडिंग की तुलना एक उच्च-स्तरीय लेजर सिस्टम से की जो अत्यधिक सटीकता के साथ गति को मापता है। परिणामों ने दिखाया कि कम लागत वाला सेंसर दो-दशांश मिलीमीटर से भी कम की त्रुटि के साथ पुल की हलचल का अनुमान लगा सकता है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि कंपन से हलचल की गणना करने का तरीका सही था।

प्रयोगशाला परीक्षण सफल होने के बाद, टीम ने सेंसर को अल्बुकर्क, न्यू मैक्सिलो में एक वास्तविक लकड़ी के रेल ब्रिज पर ले गई। उन्होंने डिवाइस को एक ब्रिज सपोर्ट, या पियर (pier) पर जमीन से लगभग आठ फीट ऊपर स्थापित किया। इंस्टॉलेशन को त्वरित और गैर-आक्रामक बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था; टीम ने लकड़ी की सतह को घिसा, उस पर एक छोटी धातु की प्लेट चिपकाई, और फिर बस चुंबक के साथ सेंसर को उस प्लेट पर लगा दिया। पूरी प्रक्रिया में पांच मिनट से भी कम समय लगा। कई महीनों तक, सेंसर चुपचाप पुल पर ट्रेनों का इंतजार करता रहा। जब रेल रनर यात्री ट्रेनें पास से गुजरीं, तो डिवाइस जाग गया, कंपन डेटा कैप्चर किया और उसे सर्वर पर ट्रांसमिट किया।

वास्तविक दुनिया में सेंसर के सही ढंग से काम करने की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उसी उच्च-स्तरीय लेजर सिस्टम को लाया जिसका उपयोग लैब में किया गया था। उन्होंने ठीक उसी क्षण ब्रिज की ओर लेजर केंद्रित किया जब सेंसर ट्रेन के गुजरने को रिकॉर्ड कर रहा था। उन्होंने अलग-अलग दिशाओं में जाने वाली और अलग-अलग दिनों की तीन अलग-अलग ट्रेन घटनाओं के लिए ऐसा किया। तुलना से पता चला कि सेंसर की गणना लेजर के माप से उल्लेखनीय रूप से मेल खाती है। ट्रेन के गुजरने के दौरान पुल केवल लगभग एक मिलीमीटर हिला, जो एक बहुत ही सूक्ष्म बदलाव है, फिर भी सेंसर ने उस हलचल के आकार और गति को उच्च सटीकता के साथ पकड़ा। डेटा ने दिखाया कि सेंसर ट्रेन चाहे उत्तर की ओर जा रही हो या दक्षिण की ओर, या परीक्षण मई की गर्मी में हो या जनवरी की ठंड में, पुल के व्यवहार को विश्वसनीय रूप से ट्रैक कर सकता है।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि यह कम लागत वाला, वायरलेस दृष्टिकोण रेल मालिकों के लिए अपने पुलों के स्वास्थ्य की निगरानी करने का एक व्यवहार्य तरीका है। प्रणाली ने सिद्ध किया कि महंगी बुनियादी संरचना, स्थायी स्थापना, या बार-बार साइट विज़िट के बिना सटीक विस्थापन डेटा प्राप्त करना संभव है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जबकि वर्तमान डिज़ाइन यात्री ट्रेनों के लिए अच्छी तरह से काम करता है, लंबी और भारी मालगाड़ियों के लिए इसमें समायोजन की आवश्यकता हो सकती है जो पार करने में अधिक समय लेती हैं। उन्होंने यह भी रेखांकित किया कि सेंसर की एक पुल से दूसरे पुल पर जाने की क्षमता एक बड़ा लाभ है, जिससे एक ही डिवाइस समय के साथ कई पुलों के नेटवर्क की निगरानी कर सकता है। पुलों को दैनिक ट्रेन यातायात के तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करने देती है, इसे देखने का एक सरल, किफायती तरीका प्रदान करके, यह तकनीक रेल नेटवर्क को सुरक्षित और कुशल बनाए रखने के लिए एक नया उपकरण पेश करती है।