Лазери, бетон і ШІ. Як зробити дороги сучаснішими – технології та досвід інших країн

До повномасштабного вторгнення РФ в Україні багато говорили про бетонні дороги, кілька ділянок такої дороги навіть побудували – зокрема, на Житомирщині. Серед думок – ці дороги є ідеальними для будь-яких кліматичних та експлуатаційних умов. Як приклад найчастіше наводять США, де більшість доріг мають саме бетонне покриття. Інші вказують на велику вартість будівництва таких доріг порівняно з асфальтовими.

Liga.Tech вирішила розібратися в перевагах і недоліках обох варіантів, а також дослідити, які сучасні технології використовують у будівництві розумних доріг у світі та які з них можна використати у нас під час  післявоєнної відбудови.

Чим дороги з цементобетону відрізняються від асфальтобетонних

У США експлуатація доріг (зокрема бетонних) відрізняється від української практики відсутністю ямкового ремонту і боротьбою з перевантаженням транспорту. У Штатах кожен водій вантажівки неодмінно зважується після навантаження. Водієві потрібно або розподілити вагу, або зняти частину вантажу. В іншому випадку його чекатимуть величезні штрафи, які зроблять всю поїздку нерентабельною.

Інший нюанс – дороги з бетону будуються довше. Основна причина – вимоги складних технології. Міцність бетону, необхідна для різних марок доріг, також різна. Тому необхідно спочатку визначити пропорцію бетону, а потім використовувати бетонозмішувальне обладнання для виробництва бетону в різних пропорціях.

У США міністерство транспорту (US DOT) встановлює суворі вимоги до різних класів доріг і штати самостійно ці вимоги змінювати не можуть. До компетенції самих штатів належать дрібніші питання на кшталт маршрутів прокладання дороги, обмеження швидкості, але стандарти будівництва єдині для всіх. Хоча від штату до штату технології можуть трохи змінюватися – це пов'язано з різним кліматом і сейсмічними умовами. 

Бетон також чутливіший до впливу протиожеледних реагентів. Колись технічна документація навіть забороняла протягом року після укладання обробляти дорогу реагентами, щоб бетон міг набрати міцність. Але зараз у бетон додають речовини з ефектом повітровтягування і гідрофобізації, які оберігають його від розтріскування.

З переваг – у доріг із цементобетону не буває колійності і вони значно менше просідають, оскільки бетон за своєю структурою твердіший за асфальт. Саме тому він не схильний до деформацій під час впливу навантажень і підвищеної температури. У темний час доби на такій дорозі краща видимість, адже сам матеріал має кращий світловідбивний ефект.

Дороги з цементобетону також менш шумні в порівнянні з асфальтовими дорогами, сучасні технології дозволяють знизити різницю до мінімальних 2-4 дБ. Так, у Швейцарії активно застосовують технологію шумозниження й одночасного підвищення коефіцієнта зчеплення бетонного покриття. В процесі укладання верхнього шару використовують сповільнювач, що дозволяє потім на кілька міліметрів оголити заповнювач – кам'яний щебінь.

За прикладом США бетонні дороги вже будують у Китаї та Японії, Австралії й деяких європейських країнах. У США намагаються будувати нові дороги тільки з бетону, знижуючи цим витрати на утримання дороги в процесі експлуатації.

Які технології застосовуються у процесі створенні розумних доріг

Але матеріал дороги – не єдине питання. Майбутнє транспортної інфраструктури — цифровізація й автоматизація. У містах і за їх межами дороги стануть безпечнішими для учасників руху, коли різні сенсори й датчики зможуть контролювати швидкість машин, самі машини взаємодіятимуть між собою (концепція Vehicle to Vehicle (V2V), а потоком керуватиме комп'ютерна система, що обробляє величезний обсяг інформації за секунду.

3D-моделювання під час будівництва

Для того, щоб оптимізувати процеси будівництва, кілька років тому було розроблено систему 3D-моделювання, що дозволяє забезпечити вищий рівень автоматизації процесу будівництва. Тут основний компонент – 3D-модель, яка є комплексом файлів поверхонь у DXF-форматі.

Такі файли почергово завантажуються в бортовий комп'ютер, встановлений у кабіні машини, а розумна система позиціює укладальник – машина сама "розуміє", де знаходиться, коли потрібно починати укладання, шаром якої товщини і в якому напрямку воно має виконуватися.

Такі системи вже застосовуються — наприклад, проєкт QSBW 4.0 з Німеччини якраз і використовує моделювання. Але німці ще й розробили просунуту систему відстеження стану покриття, що укладається.

Система контролю стану матеріалів будівництва

Кожен шар сучасного покриття дороги має відповідати певним характеристикам. Тому якість покриття потрібно контролювати не лише під час укладання, а й під час доставляння до місця будівництва. Для цього використовуються розумні сенсори, що встановлюються на вантажівках, бетонозмішувачах та інших транспортних системах, оцінюючи властивості гравію, бітуму, бетону й інших складів.

Що стосується самих матеріалів, то зараз широко застосовуються геосинтетичні матеріали (геотекстиль, геосітки, об'ємні георешітки) у конструкціях земляного полотна й дорожнього одягу; полімерні матеріали у конструкціях пішохідних переходів, зливових очисних систем, стовпів освітлення, поручнів, лотків та інших елементів облаштування дороги.

Лазерні системи контролю

Коли йдеться про розумну інфраструктуру, то зазвичай говорять про розумні знаки, розмітку й інші складні системи. Поки що на дорогах їх дуже мало — просто тому, що це дорого, причому не тільки через високу вартість самих датчиків, а й тому, що для їх використання необхідно модернізувати наявну інфраструктуру доріг.

У 2021 році спеціалісти з Університету Карнегі-Меллона запропонували замінити ці датчики на лазерну систему. Це лазерна віброметрія, де використовують аналіз відбитого сигналу. Система посилає промінь на певний об'єкт, промінь відбивається, і відбиток аналізується фотодетектором. Якщо на поверхні об'єкта виникають механічні коливання, то відбитий сигнал змінюється відповідно до них.

Для використання цієї системи потрібна лазерна установка та звичайні дорожні знаки, які не потрібно змінювати, ні якимось чином адаптувати.

Промінь лазера безпечний для людини, тож навіть якщо потрапить на водія, нічого не повинно статися. Така система може використовуватися для виявлення приїзду громадського транспорту, підрахунку трафіку, визначення типу автомобілів, що проїжджають, визначення зайнятості паркувального місця тощо.

Розумне дорожнє покриття

Окрім асфальту чи бетону, розробники розумних доріг пропонують різні типи дорожнього покриття, які здатні виконувати досить цікаві завдання. Є кілька різновидів покриттів. 

Абсорбівне покриття. Зовні матеріал для доріг виглядає як звичайна плитка, але водночас володіє унікальними властивостями. Він пропускає через себе воду, разом з тим ніяк не змінюючись. Наприклад бетонна дорога Topmix може поглинати 880 галонів (3331 літр) за хвилину.

Сонячні батареї. Ідея, прототипи якої вже існують і випробовуються у різних країнах. На звичайне дорожнє покриття пропонується укладати спеціальні сонячні батареї. Вартість проєкту становить 5 млн євро, тобто в рази вища за вартість прокладання звичайної дороги. Енергію, яку виробляє покриття, намагалися використати як для постачання інфраструктурі, так і для освітлення вулиць, що прилягають до транспортної магістралі. В підсумку, проєкт сонячної дороги Wattway у Франції виявився збитковим і його довелося закрити в 2019 році.

Розумна розмітка, що світиться. Дорожнє полотно покрито спеціалізованими елементами — флуоресцентними або зі світлодіодами. Вони дозволяють сповіщати водіїв про дорожню ситуацію, висвітлювати дорогу, оптимізують трафік і знижують аварійність.

Акумуляція теплової енергії. Це вже не сонячні панелі, а тепловий колектор, який накопичує теплову енергію протягом світлового дня, віддаючи потім її на інші потреби, наприклад, на обігрів різних транспортних об'єктів, тунелів тощо. Система акумулює тепло, використовуючи рідкий теплоносій. Він циркулює під дорожнім покриттям і зберігається у спеціальних резервуарах.

"Асфальт" із пластику. Концепція безвідходного споживання zero waste буде поширена на всій планеті. Сміття перероблятимуть і використовуватимуть з користю для довкілля. Наприклад, із пластику почнуть робити дороги: і проїжджу, і пішохідну частини. Про приклади такого будівництва в наш час у Великій Британії й Нідерландах Liga.Tech уже писала в матеріалі.

Штучний інтелект, який виявляє вибоїни на дорогах. Розробкою займається Корейський інститут цивільного будівництва й будівельних технологій (KICT). Ця система використовує алгоритми штучного інтелекту, щоб виявляти в режимі реального часу вибоїни та тріщини. Вона новаторська тим, що завдяки використанню на великій кількості автомобілів точність виявлення зростає. Адже, якщо одна "машина" не виявила пошкодження дорожнього полотна через обмежену видимість, то це зробить інша машина, наприклад, наступного дня. Зараз технологія тестується в кількох містах у Південній Кореї. 

Схожа система вже працює в Нідерландах. Компанія Bridgestone Mobility Solutions буде тестувати ті траси, які заплановані для поїздки далекобійниками, і передавати далекобійнику точні дані про стан дорожнього полотна. Тріщини, провали й інші пошкодження буде видно заздалегідь, що допоможе водієві уникнути пошкодження шини або кузова, а також уникнути аварії. Зараз Bridgestone Road Conditions окрім Нідерландів можна придбати у Великій Британії, Ірландії, Австрії, Франції, Іспанії, Португалії, Італії, Польщі, Бельгії, Німеччині, Швейцарії.

Окрім того, компанія заявила, що  система може використовувати муніципалітети, щоб спланувати профілактику або швидко усунути пошкодження. Bridgestone транслює інформацію не тільки про траси, а також про дорожні знаки, розмітки, світлофори. Якщо вони пошкоджені – це відразу буде видно. 

А в ОАЕ використовуватимуть лазер для виявлення тріщин і вибоїн на дорогах. Передові лазерні пристрої, прикріплені до патрульних машин Управління доріг і транспорту, складають карту автомагістралей для виявлення тріщин, вибоїн, просідання асфальтового покриття й інших пошкоджень, що потребують ремонту. Ця ініціатива допомогла значно скоротити час, потрібний для польових інспекцій для моніторингу стану доріг. Дані, зібрані під час дорожніх турів, аналізуються та враховуються під час складання графіків технічного обслуговування й ремонту, гарантуючи, що ті дороги, які найбільше потребують ремонту, обслуговуватимуть першочергово.

Перспективи

Технології створення доріг удосконалюються з кожним днем. Чим розумнішими стають дороги, тим прогресивнішими є й технології будівництва, розгортання інфраструктури. У тому чи іншому вигляді розумні системи з’являються на дорогах майже всіх країн світу. Їхнє подальше просування дещо уповільнює мала поширеність відповідних технологій, а також відсутність відповідної законодавчої та нормативної бази. Але за кілька років ситуація має змінитися, і більшість країн їздитиме дорогами, які вже без перебільшення можна буде назвати розумними. 

Для України ж важливі інвестиції у повоєнній відбудові й допомога партнерів із впровадження нових стандартів і технологій будівництва доріг.