Как технология из ИрГУПС научит конструкции предсказывать собственные поломки
Каждый день сотни машин и грузовиков проезжают через мосты в Иркутской области. Снаружи все выглядит привычно: бетонные опоры, металлические пролеты, дорожное полотно. Но что происходит внутри конструкции, видят только инженеры во время редких плановых проверок.
Теперь у мостов появится «виртуальный брат-близнец» – цифровой двойник, который круглосуточно следит за их состоянием и заранее «чувствует» дефекты. Первую в России такую технологию разработали в Иркутском государственном университете путей сообщения. Уже в следующем году ее протестируют на двух мостах в Иркутской области, а экономия от ее внедрения может составить десятки миллионов рублей.
Разработка иркутских ученых называется «Агрегированный цифровой двойник мостового перехода». Это система датчиков и математическая модель, которая собирает данные в реальном времени: нагрузка на мост, состояние конструкций, износ и остаточный ресурс.
«Технология позволяет из многообразия данных с датчиков, записывающих огромные массивы информации, получать своевременную, объективную и понятную информацию: количество пропущенной нагрузки, остаточный ресурс, фактическая грузоподъемность, которая может снижаться из-за остаточных деформаций конструкции и движения опор», – рассказал начальник Центра трансфера технологий ИрГУПС Павел Иванов.
История проекта началась более 15 лет назад. Тогда сотрудники кафедры «Строительство железных дорог. Мосты и тоннели» под руководством Натальи Быковой установили первые датчики на Академическом мосту в Иркутске. Коллектив из четырех человек собирал данные о деформациях конструкции в процессе эксплуатации и получил уникальные результаты. Но технологии того времени не позволяли реализовать идею в полном объеме.
«Тогда были получены уникальные данные и сделаны первые выводы о перспективности данного направления. Однако не хватило технологического развития для полномасштабной реализации», – вспоминает Павел Иванов.
Прорыв произошел в 2023 году, когда ректор ИрГУПС Юрий Трофимов принял решение создать объединенную команду разработчиков. К специалистам-мостовикам присоединились сотрудники Центра трансфера технологий и Центра цифровых компетенций «ЦИФРА». В ходе мозгового штурма специалистов по мостам, цифровым технологиям, научным исследованиям и технологическому предпринимательству родилась концепция «Агрегированного цифрового двойника моста».
Сегодня команда насчитывает шесть ученых-кандидатов наук, трех аспирантов, двух инженеров-программистов и одного доктора наук. Благодаря этому проекту два студента стали аспирантами, и Павел Иванов не сомневается, что они станут талантливыми учеными.
Иркутская область стала первопроходцем не случайно. Регион находится в сейсмически активной зоне, через него проходят железнодорожные и автомобильные артерии, соединяющие запад и восток России, а также Европу с Азией в международной логистике. По этой причине мосты здесь требуют особого внимания.
Но главное преимущество иркутской разработки – в скорости обработки данных. Технология отличается от разработок, проводимых по всей стране, за счет обработки данных с датчиков при помощи цифрового двойника.
Часть команды работает над цифровыми двойниками с 2015 года, плотно взаимодействуя со специалистами ведущей школы Санкт-Петербургского политехнического университета. В команде есть и серьезные компетенции по разработке бортовых измерительных систем локомотивов – результат сотрудничества с Российским университетом транспорта.
Сегодня диагностика мостов выглядит просто: инженеры раз в несколько месяцев, а иногда раз в несколько лет осматривают конструкции. Полноценные обследования проходят очень редко. Цифровой двойник делает это в режиме реального времени. На мост устанавливаются датчики деформации – как правило, по одному на каждую полосу движения каждого пролета. Таким образом, на одном объекте может быть 10 и больше датчиков. Это количество на самом деле очень небольшое, так как деформации и механические напряжения по всем элементам конструкции определяются цифровой моделью.
Датчики снимают показания несколько раз в секунду. Затем обработанные данные уходят на сервер – уже существенно реже. Дополнительно система получает информацию о типе транспортных средств при помощи видеокамер и компьютерного зрения. Эти же камеры фиксируют нарушителей.
Что касается сибирского климата с морозами до -40°C, резкими перепадами температур и высокой влажностью – современное оборудование выпускается в разных климатических исполнениях. Пока проблем нет, но разработчики готовы к тому, что они могут возникнуть, и уверены, что смогут их решить – технологии не стоят на месте.
В 2024 году команда изготовила лабораторный макет мостового перехода, на котором отработала всю информационную структуру технологии: серверную часть, математическую обработку данных, сигналы управления.
Ключевая особенность системы – светофорное регулирование. Если мост перегружен, система автоматически закрывает въезд на него вслед за тяжелыми машинами. Это позволяет предотвратить преждевременное разрушение конструкции.
Система может увидеть просадку опоры и снижение грузоподъемности. Такой дефект в сочетании с перегрузкой моста может привести к критическим повреждениям, длительному дорогостоящему ремонту. В некоторых случаях мосты разрушаются. В случае выявления проблем система не только ограничит нагрузку, но и отправит сигнал в региональную дирекцию автодорог. Специалисты смогут оперативно восстановить конструкцию моста.
Пилотными станут два объекта – мосты через реки Олха и Ушаковка. Но это не обычные капитальные сооружения, а временные конструкции типа САРМ – сборно-разборные металлические мосты, которые возводят для организации объезда основных мостов на время их капремонта. Такие конструкции можно быстро собрать, а после окончания ремонта – разобрать и использовать повторно на другом объекте.
В 2025 году было найдено новое применение технологии именно для таких временных мостов. Они имеют меньший запас прочности и больше подвержены разрушениям по сравнению с капитальными. При этом пролетные строения полностью металлические – их используют повторно на разных объектах.
Здесь экономика складывается из контроля ресурса, позволяющего или не позволяющего безопасную повторную эксплуатацию элементов конструкции. Система позволит безопасно и длительно эксплуатировать САРМ, снижая расходы на обводные мосты в 2 и более раза.
Мосты такого типа были введены в эксплуатацию в этом году – их установили через реки Олха и Ушаковка. Совместно с Дирекцией автодорог Иркутской области было принято решение взять эти объекты в пилотный проект. Обсуждается и внедрение системы на крупном объекте – мосту через Лену в Усть-Куте.
Стоимость установки цифрового двойника начинается от 3 миллионов рублей для небольших мостов и может многократно вырасти пропорционально величине конструкции и количеству датчиков.
Но экономия впечатляет. Можно потратить на ремонт всего 10% от стоимости капитального ремонта, если своевременно провести укрепление элементов моста. Или другой вариант: вместо капремонта раз в 15 лет проводить его раз в 20 лет – получается 5 лет эксплуатации моста в подарок.
Система позволит снизить затраты на содержание мостов и продлить их ресурс, сэкономить время и средства за счет частичного сокращения обследований мостов. Так на каждом мосту можно будет экономить десятки миллионов рублей, а главное – обеспечивать гарантированную связанность территорий.
Для региона это не только про деньги. В октябре 2018 года в Приморском крае обрушился автомобильный мост в районе села Осиновка под большегрузом – погибли два человека. В декабре 2019 года в Забайкалье туристический автобус упал с моста в реку Куэнга – трагедия унесла жизни 19 человек. В июле 2023 года в Луге Ленинградской области во время городского фестиваля обрушился пешеходный мост – погиб 70-летний мужчина. Каждый такой случай – это не только человеческие жизни, но и парализованная инфраструктура, миллионные убытки. Иркутская область может стать первым регионом, где такие ситуации будут предотвращать заранее.
ИрГУПС планирует развивать направление цифровой инженерии и создавать виртуальные копии не только мостов, но и подвижного состава, бизнес-процессов, а в перспективе – всех критически важных объектов инфраструктуры Иркутской области.
«Цифровые двойники подвижного состава и бизнес-процессов простыми словами – это технология, позволяющая объять необъятное, – объясняет Павел Иванов. – Когда что-то очень сложное, тяжело контролируемое, трудно измеримое можно оцифровать и при помощи быстрой обработки огромных массивов данных контролировать в режиме реального времени. Создать простые, легко воспринимаемые отчеты для людей, эксплуатирующих эти объекты, дать рекомендации по управлению или обслуживанию, спрогнозировать дальнейшее развитие событий при разных вариантах управленческих решений. Технология цифровых двойников может существенно облегчать жизнь на производстве и в бизнесе».
В 2026 году команда планирует реализовать намеченные планы с коллегами из Дирекции автодорог, а после заняться масштабированием на другие регионы России.
