Железнодорожные туннели строятся с использованием двухуровневой конструкции – первичной и вторичной отделки, которая придаёт жёсткость и помогает выдерживать различные нагрузки. Однако если во вторичном слое возникают пустоты, это может ослабить конструкцию, привести к трещинам и даже вызвать обрушение туннеля. Обнаружение пустот является важным этапом, предотвращающим такие проблемы.

Для выявления пустот в облицовке туннелей применяются такие методы, как ручная инспекция и георадар. Георадарные системы демонстрируют высокую точность, но их стоимость и невозможность непрерывного мониторинга создают ограничения. Пытаясь найти более экономичное и эффективное решение, исследователи из Gansu Road & Bridge Construction Group Co и Хуачжунского университета науки и технологий создали систему обнаружения на основе Raspberry Pi, которая может выполнять мониторинг в реальном времени.

Система основана на измерении проводимости бетона во вторичном слое облицовки туннеля. В системе используется 40 контактов общего назначения (GPIO) на Raspberry Pi, которые подключены к бетонной структуре для регистрации проводимости. Снижение показателя проводимости служит сигналом о возможном образовании пустоты.

Для тестирования этой технологии в одном из новых 600-метровых туннелей были установлены провода, которые подключались к Raspberry Pi: контакт 2 выступал источником тока, а контакт 34 был заземлён. Когда система фиксировала разрыв цепи, Raspberry Pi регистрировал отсутствие тока, указывая на наличие пустоты. Если цепь была замкнута, это означало отсутствие пустот, и Raspberry Pi фиксировал прохождение тока, что подтверждало надёжное заполнение конструкции.

Для защиты оборудования в условиях туннеля исследователи использовали водонепроницаемые корпуса, способные выдерживать условия под землёй. Также система была дополнена датчиками давления Honeywell, а также датчиками температуры и влажности, что позволило учесть изменения в окружающей среде, которые могут повлиять на прочность туннеля.

Для мониторинга показаний датчиков используется облачная платформа Alibaba Cloud. Данные передаются по каналу связи 5G и хранятся в базе данных MySQL, что позволяет проводить анализ данных как в реальном времени, так и в ретроспективе.

Собранные данные могут быть использованы для дальнейшего анализа с применением алгоритмов машинного обучения, что позволит более точно прогнозировать возможные проблемы с конструкцией туннеля. Исследователи предполагают, что эти данные могут быть полезны для создания цифровых двойников – виртуальных копий туннелей, которые помогут в принятии решений и позволят отслеживать состояние объектов дистанционно.

Отправка данных в облако упрощает удалённый доступ к информации, что снижает необходимость физического присутствия инженеров под землёй для оценки состояния туннеля. Таким образом, система обеспечивает высокий уровень безопасности и удобства для специалистов, занимающихся эксплуатацией и обслуживанием туннелей.

При сравнении результатов работы новой системы на основе Raspberry Pi с данными, полученными с использованием георадара, исследователи отметили высокий уровень точности новой разработки. Однако остаются определённые ограничения, такие как трудности в обнаружении пустот неправильной формы или очень малых размеров.