پایش هوشمند سلامت سازه با دوقلوی دیجیتال مبتنی بر BIM

پایش سلامت سازه‌ای یا SHM (Structural Health Monitoring)  به مجموعه‌ای از فرایندها گفته می‌شود که طی آن، اطلاعات مرتبط با عملکرد سازه به کمک حسگرها جمع‌آوری و تحلیل می‌شود. هدف اصلی این فرایند، بررسی مستمر رفتار سازه و دستیابی به اطلاعاتی قابل‌اعتماد برای تصمیم‌گیری در زمینه ایمنی، تعمیرات، نگهداری و مدیریت دارایی‌های عمرانی است.

اهمیت این موضوع در ساختمان‌ها، پل‌ها، تونل‌ها، سوله‌ها و دیگر زیرساخت‌های شهری دوچندان می‌شود؛ زیرا عملکرد مناسب این سازه‌ها مستقیماً بر ایمنی عمومی، استمرار فعالیت‌های اقتصادی و تاب‌آوری شهرها در برابر حوادث و شرایط بحرانی تأثیر دارد.

در سال‌های اخیر، فناوری‌هایی مانند مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM) و اینترنت اشیا (IOT) نقش پررنگی در توسعه سامانه‌های پایش سازه پیدا کرده‌اند. حسگرهای متصل به شبکه اینترنت اشیا می‌توانند اطلاعاتی مانند جابه‌جایی، تغییرشکل و پاسخ سازه در برابر بارهای مختلف را به‌صورت پیوسته ثبت کرده و در اختیار سامانه پایش قرار دهند.با وجود این پیشرفت‌ها، بسیاری از سامانه‌های موجود همچنان با محدودیت‌هایی روبه‌رو هستند.

یکی از مهم‌ترین چالش‌ها، کیفیت داده‌های دریافت‌شده از حسگرهاست. داده‌های خام ممکن است تحت تأثیر نویز، خطای اندازه‌گیری یا نوسان‌های نامعتبر قرار گیرند. اگر این اطلاعات پیش از تحلیل به‌درستی پالایش و پردازش نشوند، نمی‌توانند تصویر دقیقی از وضعیت واقعی سازه ارائه دهند.

چالش دیگر، نحوه تفسیر داده‌هاست. در برخی سامانه‌ها، اطلاعات حسگرها بدون ارتباط کافی با اصول و مبانی تحلیل سازه بررسی می‌شوند. در چنین شرایطی، داده‌ها ممکن است صرفاً در قالب اعداد و نمودارها نمایش داده شوند و نتوانند رفتار واقعی سازه را به‌درستی بازتاب دهند.

دوقلوی دیجیتال؛ پلی میان سازه واقعی و مدل مجازی

برای رفع این محدودیت‌ها، می‌توان از یک چارچوب هوشمند دوقلوی دیجیتال مبتنی بر BIM استفاده کرد. دوقلوی دیجیتال، مدلی مجازی و پویا از سازه واقعی است که با دریافت مداوم داده‌های حسگرها، هم‌زمان با سازه اصلی به‌روزرسانی می‌شود. به بیان ساده، هرگونه تغییر در عملکرد یا رفتار سازه می‌تواند از طریق اطلاعات ثبت‌شده توسط حسگرها به مدل دیجیتال منتقل شود. در نتیجه، وضعیت سازه در یک محیط سه‌بعدی و قابل‌تحلیل بازنمایی خواهد شد.

در این رویکرد، سه حوزه اصلی با یکدیگر ترکیب می‌شوند:

• اینترنت اشیا و ارتباطات بی‌سیم

حسگرهای نصب‌شده بر روی اجزای سازه، اطلاعات موردنیاز را به‌صورت خودکار و بلادرنگ جمع‌آوری کرده و از طریق ارتباطات بی‌سیم به سامانه مرکزی منتقل می‌کنند. این قابلیت امکان پایش مداوم سازه را بدون نیاز به بازدیدهای دائمی فراهم می‌سازد.

• پردازش سیگنال دیجیتال

داده‌های دریافتی از حسگرها پیش از استفاده باید پالایش شوند. به همین دلیل، روش‌های مختلف پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) برای کاهش نویز، حذف داده‌های نامعتبر و افزایش کیفیت اطلاعات به کار گرفته می‌شوند. مقایسه این روش‌ها کمک می‌کند مناسب‌ترین شیوه پردازش برای دستیابی به داده‌های دقیق‌تر انتخاب شود.

• تحلیل و تفسیر مهندسی سازه

در این چارچوب، داده‌های حسگرها تنها به شکل مجموعه‌ای از اعداد نمایش داده نمی‌شوند. این اطلاعات با استفاده از دانش تحلیل سازه تفسیر شده و به تصویری قابل‌فهم از نحوه تغییرشکل و عملکرد اعضای سازه‌ای تبدیل می‌شوند.

نمایش رفتار سازه در محیط  BIM

یکی از قابلیت‌های مهم این روش، استفاده از درون‌یابی برای تخمین رفتار سازه در نقاط فاقد حسگر است. در پروژه‌های واقعی، نصب حسگر در تمام نقاط تیرها، ستون‌ها و سایر اعضای سازه‌ای امکان‌پذیر یا از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست. درون‌یابی این امکان را فراهم می‌کند که با استفاده از اطلاعات تعداد محدودی حسگر، رفتار نقاط میان آن‌ها نیز تخمین زده شود. به این ترتیب، می‌توان تغییرشکل یک عضو سازه‌ای را در طول آن محاسبه و در محیط BIM  به‌صورت بصری نمایش داد. این نوع نمایش، فرایند بررسی وضعیت سازه را ساده‌تر می‌کند. مهندسان می‌توانند رفتار اجزای سازه را با دقت بیشتری تحلیل کنند و مدیران، کارفرمایان و سایر افراد غیرمتخصص نیز به‌جای مواجهه با مجموعه‌ای از اعداد و نمودارهای پیچیده، وضعیت سازه را در قالب یک مدل سه‌بعدی قابل‌درک مشاهده کنند.

جمع‌بندی

مهم‌ترین ویژگی این رویکرد، با ایجاد یکپارچه‌سازی حسگرهای اینترنت اشیا، پردازش سیگنال دیجیتال، مدل‌سازی اطلاعات ساختمان و دانش تخصصی تحلیل سازه رسید به سازه ای سالم و بهینه است. ترکیب این فناوری‌ها موجب می‌شود داده‌های دریافت‌شده از سازه کیفیت بالاتری داشته باشند و رفتار واقعی آن با دقت و شفافیت بیشتری نمایش داده شود. استفاده از چنین چارچوبی می‌تواند به مدیریت هوشمند دارایی‌های عمرانی، تشخیص سریع‌تر تغییرات غیرعادی، برنامه‌ریزی دقیق‌تر برای تعمیر و نگهداری و تصمیم‌گیری آگاهانه‌تر درباره ایمنی سازه کمک کند. این فناوری به‌ویژه در پروژه‌هایی اهمیت دارد که پایش مستمر عملکرد، دسترسی سریع به اطلاعات و جلوگیری از بروز آسیب‌های پرهزینه یا خطرات احتمالی، از الزامات اصلی بهره‌برداری از سازه به شمار می‌رود.