Лазеры, бетон и ИИ. Как сделать дороги более современными – технологии и опыт других стран

До полномасштабного вторжения РФ в Украине много говорили о бетонных дорогах, несколько участков такой дороги даже построили – в частности, в Житомирской области. Среди мнений – эти дороги идеальны для любых климатических и эксплуатационных условий. В качестве примера чаще всего приводят США, где большинство дорог имеют бетонное покрытие. Остальные указывают на большую стоимость строительства таких дорог по сравнению с асфальтными.

Liga.Tech решила разобраться в преимуществах и недостатках обоих вариантов, а также исследовать, какие современные технологии используют при строительстве умных дорог в мире и какие из них можно использовать у нас при послевоенном восстановлении.

Чем дороги из цементобетона отличаются от асфальтобетонных

В США эксплуатация дорог (в том числе бетонных) отличается от украинской практики отсутствием ямочного ремонта и борьбой с перегрузкой транспорта. В Штатах каждый водитель грузовика непременно взвешивается после погрузки. Водителю нужно либо распределить вес, либо снять часть груза. В противном случае его будут ждать огромные штрафы, которые сделают всю поездку нерентабельной.

Другой нюанс – дороги из бетона строятся дольше. Основная причина – требования сложных технологий. Прочность бетона, необходимая для разных марок дорог, также разная. Поэтому необходимо сначала определить пропорцию бетона, а затем использовать бетоносмесительное оборудование для производства бетона в разных пропорциях.

В США министерство транспорта (US DOT) устанавливает строгие требования к разным классам дорог и штаты самостоятельно эти требования изменять не могут. К компетенции самих штатов относятся более мелкие вопросы типа маршрутов прокладки дороги, ограничения скорости, но стандарты строительства едины для всех. Хотя от штата к штату технологии могут немного изменяться – это связано с разным климатом и сейсмическими условиями. 

Бетон также более чувствителен к воздействию противогололедных реагентов. Когда-то техническая документация даже запрещала в течение года после укладки обрабатывать дорогу реагентами, чтобы бетон мог набрать прочность. Но сейчас в бетон добавляют воздухововлекающие и гидрофобизирующие составы, предохраняющие его от растрескивания.

Из преимуществ – у дорог из цементобетона не бывает колеи и они значительно меньше проседают, поскольку бетон по своей структуре тверже асфальта. Именно поэтому он не подвержен деформациям при воздействии нагрузок и повышенной температуре. В темное время суток на такой дороге лучше видимость, ведь сам материал имеет лучший светоотражающий эффект.

Дороги из цементобетона также менее шумны по сравнению с асфальтированными дорогами, современные технологии позволяют снизить разницу до минимальных 2-4 дБ. Так, в Швейцарии активно применяют технологию шумопонижения и одновременного повышения коэффициента сцепления бетонного покрытия. При укладке верхнего слоя используют замедлитель, позволяющий затем на несколько миллиметров обнажить заполнитель – каменный щебень.

По примеру США, бетонные дороги уже строят в Китае и Японии, Австралии и некоторых европейских странах. В США пытаются строить новые дороги только из бетона, снижая тем самым затраты на содержание дороги в процессе эксплуатации.

Какие технологии применяются при создании умных дорог

Но материал дороги – не единственный вопрос. Будущее транспортной инфраструктуры – цифровизация и автоматизация. В городах и за их пределами дороги станут более безопасными для участников движения, когда разные сенсоры и датчики смогут контролировать скорость машин, сами машины будут взаимодействовать между собой ( концепция Vehicle to Vehicle (V2V), а потоком будет управлять компьютерная система, обрабатывающая огромный объем информации за секунду.

3D-моделирование во время строительства

Для того чтобы оптимизировать процессы строительства, несколько лет назад была разработана система 3D-моделирования, позволяющая обеспечить более высокий уровень автоматизации процесса строительства. Здесь основной компонент – 3D-модель, которая является комплексом файлов поверхностей в DXF-формате.

Такие файлы поочередно загружаются в бортовой компьютер, который установлен в кабине машины, а умная система позиционирует укладчик – машина сама "понимает", где находится, когда нужно начинать укладку, слоем какой толщины и в каком направлении она должна выполняться.

Такие системы уже применяются – например, проект QSBW 4.0 из Германии как раз и использует моделирование. Но немцы еще и разработали продвинутую систему отслеживания состояния укладываемого покрытия.

Система контроля состояния материалов строительства

Каждый слой современного покрытия дороги должен соответствовать определенным характеристикам. Поэтому качество покрытия нужно контролировать не только при укладке, но и при доставке к месту строительства. Для этого используются умные сенсоры, устанавливаемые на грузовиках, бетоносмесителях и других транспортных системах, оценивая свойства гравия, битума, бетона и других составов.

Что касается самих материалов, то сейчас широко используются геосинтетические материалы (геотекстиль, геосетки, объемные георешетки) в конструкциях земляного полотна и дорожной одежды; полимерные материалы в конструкциях пешеходных переходов, ливневых очистных систем, столбов освещения, перил, лотков и других элементов обустройства дороги.

Лазерные системы контроля

Когда речь заходит об умной инфраструктуре, то обычно говорят об умных знаках, разметке и других сложных системах. Пока что на дорогах их очень мало – просто потому, что это дорого, причем не только из-за высокой стоимости самих датчиков, но и потому, что для их использования необходимо модернизировать существующую дорогу.

В 2021 году специалисты из Университета Карнеги-Меллона предложили заменить эти датчики лазерной системой. Это лазерная виброметрия, где используют анализ отраженного сигнала. Система посылает луч на определенный объект, луч отражается и отпечаток анализируется фотодетектором. Если на поверхности объекта возникают механические колебания, то отраженный сигнал изменяется в соответствии с ними.

Для использования этой системы необходима лазерная установка и обычные дорожные знаки, которые не нужно изменять, ни каким-либо образом адаптировать.

Луч лазера безопасен для человека, и даже если попадет на водителя, ничего не должно произойти. Такая система может использоваться для выявления приезда общественного транспорта, подсчета трафика, определения типа проезжающих автомобилей, определения занятости парковочного места и т.д.

Умное дорожное покрытие

Кроме асфальта или бетона, разработчики умных дорог предлагают разные типы дорожного покрытия, которые способны решать интересные задачи. Есть несколько разновидностей покрытий.

Абсорбирующее покрытие. Внешне материал для дорог смотрится как обычная плитка, но при этом обладает уникальными свойствами. Он пропускает через себя воду, при этом никак не меняясь. К примеру бетонная дорога Topmix может поглощать 880 галлонов (3331 литр) в минуту.

Солнечные батареи. Идея, прототипы которой уже существуют и испытываются в разных странах. На обычное дорожное покрытие предлагается укладывать специальные солнечные батареи. Стоимость проекта составляет 5 млн евро, то есть в разы выше стоимости прокладки обычной дороги. Энергию, которую производит покрытие, пытались использовать как для поставки инфраструктуре, так и для освещения прилегающих к транспортной магистрали улиц. В итоге проект солнечной дороги Wattway во Франции оказался убыточным и его пришлось закрыть в 2019 году.

Умная светящаяся разметка. Дорожное полотно покрыто специализированными элементами – флуоресцентными или со светодиодами. Они позволяют извещать водителей о дорожной обстановке, освещать дорогу, оптимизируют трафик и снижают аварийность.

Аккумулирование тепловой энергии. Это уже не солнечные панели, а тепловой коллектор, накапливающий тепловую энергию в течение светового дня, отдавая потом ее на другие нужды, например, на обогрев различных транспортных объектов, туннелей и т.д. Система аккумулирует тепло, используя жидкий теплоноситель. Он циркулирует под дорожным покрытием и хранится в специальных резервуарах.

"Асфальт" из пластика. Концепция безотходного потребления zero waste будет распространена по всей планете. Мусор будут перерабатывать и использовать с пользой для окружающей среды. Например, из пластика начнут делать дороги: и проезжую, и пешеходную части. О примерах такого строительства в настоящее время в Великобритании и Нидерландах Liga.Tech уже писала в материале.

Искусственный интеллект, выявляющий выбоины на дорогах. Разработкой занимается Корейский институт гражданского строительства и строительных технологий (KICT). Эта система использует алгоритмы искусственного интеллекта, чтобы обнаруживать в режиме реального времени ухабы и трещины. Она новаторская тем, что благодаря использованию на большом количестве автомобилей точность обнаружения растет. Ведь, если одна машина не обнаружила повреждения дорожного полотна из-за ограниченной видимости, то это сделает другая машина, например, на следующий день. Сейчас технология тестируется в нескольких городах в Южной Корее. 

Похожая система уже работает в Нидерландах. Компания Bridgestone Mobility Solutions будет тестировать трассы, которые запланированы при поездке дальнобойщиками, и передавать дальнобойщику точные данные о состоянии дорожного полотна. Трещины, провалы и другие повреждения будут видны заранее, что поможет водителю избежать повреждения шины или кузова, а также избежать аварии. Сейчас Bridgestone Road Conditions помимо Нидерландов можно приобрести в Великобритании, Ирландии, Австрии, Франции, Испании, Португалии, Италии, Польше, Бельгии, Германии, Швейцарии.

Кроме того, компания заявила, что система может использовать муниципалитеты, чтобы спланировать профилактику или быстро устранить поломки. Bridgestone транслирует информацию не только о трассах, но и о дорожных знаках, разметках, светофорах. Если они повреждены – это сразу будет видно. 

А в ОАЭ будут использовать лазер для обнаружения трещин и выбоин на дорогах. Передовые лазерные устройства, прикрепленные к патрульным машинам Управления дорог и транспорта, составляют карту автомагистралей для обнаружения трещин, выбоин, просадки асфальтового покрытия и других повреждений, требующих ремонта. Эта инициатива помогла значительно сократить время, необходимое для полевых инспекций для мониторинга состояния дорог. Данные, собранные во время дорожных туров, анализируются и учитываются при составлении графиков технического обслуживания и ремонта, гарантируя, что те дороги, которые больше всего нуждаются в ремонте, будут обслуживаться в первую очередь.

Перспективы

Технологии создания дорог усовершенствуются с каждым днем. Чем умнее становятся дороги, тем прогрессивнее и технологии строительства, развертывания инфраструктуры. В том либо ином виде умные системы появляются на дорогах практически всех государств мира. Их дальнейшее продвижение несколько замедляет низкую распространенность соответствующих технологий, а также отсутствие соответствующей законодательной и нормативной базы. Но через несколько лет ситуация должна измениться, и большинство стран будет ездить по дорогам, которые уже без преувеличения можно будет назвать умными. 

Для Украины важны инвестиции в послевоенное восстановление и помощь партнеров по внедрению новых стандартов и технологий строительства дорог.