วิศวกรโตชิบาพัฒนาระบบ การติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างพื้นฐาน

วิศวกรโตชิบาพัฒนาระบบ การติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างพื้นฐานที่มีอายุ เพื่อป้องกันการพังทลาย



หลายคนน่าจะเคยได้ยินเรื่อง “ปาฏิหาริย์ทางเศรษฐกิจ” แห่งดินแดนอาทิตย์อุทัย ซึ่งเป็นช่วงที่สภาพเศรษฐกิจของญี่ปุ่นเติบโตขึ้นอย่างก้าวกระโดดหลังสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่ 2 และด้วยความเจริญก้าวหน้าที่เกิดขึ้นในช่วงนี้เอง ทำให้โครงสร้างพื้นฐานส่วนใหญ่ของประเทศญี่ปุ่นในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็น ถนนหนทาง สะพาน หรืออาคารสูงระฟ้าทั้งหลาย ล้วนถูกสร้างขึ้นในช่วงเวลาที่ว่านี้

นับจากช่วงเวลาแห่งความรุ่งเรืองนั้น ก็ผ่านมากว่า 50 ปีแล้ว จึงไม่ใช่เรื่องน่าแปลกใจที่สภาพโครงสร้างของสิ่งปลูกสร้างเหล่านี้เสื่อมถอยลงไปอย่างมาก จากการสำรวจในปี ค.ศ. 2018 พบว่าประมาณ 25% ของสะพานที่มีความยาวเกินกว่า 2 เมตรทั้งหมดในญี่ปุ่น มีอายุเกินกว่า 50 ปีแล้ว และในปี  ค.ศ. 2033 ตัวเลขนี้จะเพิ่มขึ้นจนถึง 63% ของสะพานทั้งหมด

อันตรายอย่างหนึ่งของการเสื่อมสภาพของโครงสร้างพื้นฐานในสังคมเหล่านี้ คือ มีโอกาสที่จะทำให้เกิดอุบัติเหตุร้ายแรงได้ อย่างเช่นในปี ค.ศ. 2012 ผนังคอนกรีตความยาวประมาณ 130 เมตรของอุโมงค์ทางด่วนบริเวณใกล้กรุงโตเกียวถล่มลงมา ทำให้มีผู้บาดเจ็บและเสียชีวิตหลายราย ถือเป็นหนึ่งในอุบัติเหตุที่ร้ายแรงที่สุดของญี่ปุ่นที่มีสาเหตุมาจากการเสื่อมสภาพของสิ่งปลูกสร้าง

จึงเห็นได้ว่า ในปัจจุบัน การบำรุงรักษา การจัดการดูแลอาคารและโครงสร้างพื้นฐานต่าง ๆ จะมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นเรื่อย ๆ

ยิ่งไปกว่านั้น ก็ยังมีเรื่องที่น่าเป็นห่วงอีกอย่างหนึ่งคือ ปัญหาขาดแคลนแรงงานที่จำเป็นสำหรับงานบำรุงรักษาสิ่งปลูกสร้างเหล่านี้ จากการที่ประเทศญี่ปุ่นได้เข้าสู่สังคมผู้สูงอายุอย่างเต็มรูปแบบ นั่นจึงเป็นสาเหตุว่าทำไมโตชิบาจึงได้พัฒนาระบบ การติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างต่าง ๆ โดยการใช้เซนเซอร์มาช่วยให้สามารถ “มองเห็น” โครงสร้างภายในของสิ่งปลูกสร้าง ซึ่งจะช่วยให้การตรวจสอบมีประสิทธิภาพและครอบคลุมยิ่งขึ้น

▼ ตรวจสอบความเสียหายภายในซึ่งไม่อาจมองเห็นได้ด้วยตา
“หลังจากเหตุการณ์อุโมงค์ถล่ม ได้มีการบังคับใช้กฎหมายที่เข้มงวดมากขึ้นในการตรวจสอบสภาพสะพานแต่ละแห่งทุก ๆ 5 ปี อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบโดยทั่วไปจะเป็นเพียงการตรวจดูด้วยตาและค้อน โดยการให้เจ้าหน้าที่ใช้ค้อนทุบสะพานและฟังเสียงที่เกิดขึ้น ซึ่งวิธีการนี้ก็ยังยากที่จะบอกสภาพที่แท้จริงของโครงสร้าง หากความเสื่อมสภาพนั้นไม่อาจแยกแยะได้ด้วยสายตาหรือเสียง” นายคาซึโอะ วาตาเบะ หัวหน้าฝ่ายวิจัยวิทยาศาสตร์ ห้องปฏิบัติการระบบวิศวกรรม ณ ศูนย์วิจัยและพัฒนาของโตชิบา กล่าว

และเขายังอธิบายต่อไปว่า ในอดีตมันอาจจะพอเป็นไปได้ที่คนงานจำนวนจำกัดจะเข้าไปตรวจสอบสะพานแต่ละแห่งด้วยหูและตาของตนเอง โดยอาศัยเพียงประสบการณ์และสัญชาตญาณของพวกเขา แต่ในปัจจุบันมีสะพานที่มีความยาวมากกว่า 15 เมตร จำนวนกว่า 150,000 แห่งทั่วประเทศญี่ปุ่น ทำให้วิธีการนี้ใช้ไม่ได้จริงอีกต่อไป

“ในฐานะที่เราเป็นส่วนหนึ่งใน ‘โครงการพัฒนาระบบหุ่นยนต์และเซนเซอร์สำหรับการบำรุงรักษาโครงสร้างพื้นฐานและการสำรวจภัยพิบัติ’ ขององค์การพัฒนาพลังงานใหม่และเทคโนโลยีอุตสาหกรรม หรือ NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) เราจึงตัดสินใจทำการวิจัยและพัฒนาระบบการติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างอาคาร ร่วมกับ ศาสตราจารย์  โทโมคิ ชิโอทานิ แห่งมหาวิทยาลัยเกียวโต” นายวาตาเบะ เผย

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของระบบการติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างนี้ คือ เทคโนโลยีการตรวจจับที่ทำให้ระบบสามารถ “มองเห็น” ภาพความเสียหายที่อยู่ภายในแผ่นคอนกรีตได้ แม้ในจุดที่คนงานไม่อาจมองเห็น จึงช่วยตรวจสอบระดับความเสื่อมสภาพที่เกิดขึ้นจริงได้อย่างแม่นยำ


นายคาซึโอะ วาตาเบะ หัวหน้าฝ่ายวิจัยวิทยาศาสตร์ ห้องปฏิบัติการระบบวิศวกรรม ณ ศูนย์วิจัยและพัฒนา โตชิบา คอร์ปอเรชั่น

“ประโยชน์จากการที่เราสามารถ ‘มองเห็น’ ภาพความเสียหายภายในแผ่นคอนกรีตได้ ทำให้เราสามารถเรียงลำดับความสำคัญในการบำรุงรักษาสิ่งปลูกสร้างแต่ละแห่งได้ อย่างเวลาที่เราไปตรวจสุขภาพฟัน เราอาจจะมีฟันซี่ที่ผุมาก ผุน้อย และซี่ที่ดูเหมือนอาจจะเริ่มผุได้ในอีกไม่นาน แน่นอนว่าทันตแพทย์ก็จะต้องให้ความสำคัญกับซี่ที่ผุมากเป็นอันดับแรก เช่นเดียวกันกับความเสียหายที่เราตรวจสอบได้ด้วยระบบเซนเซอร์นี้ – เราก็จะสามารถวางแผนได้ว่า สะพานแห่งไหนต้องการการบำรุงรักษาเร่งด่วนที่สุด ซึ่งจะช่วยให้เราจัดสรรทรัพยากรมนุษย์และงบประมาณที่มีอยู่จำกัดได้อย่างมีประสิทธิภาพที่สุด แต่ในขณะที่คนที่ปวดฟัน เขาสามารถบอกทันตแพทย์ได้ว่าเขาปวดตรงไหน แต่สะพานไม่สามารถพูดอะไรได้ ระบบนี้จึงช่วยให้เราสามารถตรวจเช็คสภาพโครงสร้างของตัวสะพานได้ เราจึงสามารถวางแผนดูแลรักษาสะพานแต่ละที่ได้อย่างถูกวิธีและมีประสิทธิภาพที่สุด” นายวาตาเบะ กล่าวสรุป

▼ หารอยแตกภายในคอนกรีต ผ่านการสั่นสะเทือนจากเครื่องยนต์
ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยีการตรวจจับนี้สำเร็จได้ก็คือ คลื่นยืดหยุ่น หรือ Elastic Wave ซึ่งเป็นคลื่นที่เกิดจากรอยแตกเล็ก ๆ น้อย ๆ ทั้งหลายในโครงสร้างคอนกรีต เมื่อรถวิ่งบนสะพานจะเกิดแรงสั่นสะเทือน ส่งผลให้เกิดคลื่นยืดหยุ่นหลายสิบ ไปจนถึงหลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์ เล็ดลอดออกมาจากรอยแตกภายใน ซึ่งระบบเซนเซอร์จะวัดคลื่นที่เกิดขึ้นนี้จากจุดที่ติดตั้งบนพื้นผิวของตัวสะพาน โดยวิธีการทดสอบแบบนี้เรียกว่า วิธีการปล่อยคลื่นเสียง หรือ  Acoustic Emission (AE) Method*1 


รูปที่ 1: ภาพรวมการวัดการปล่อยคลื่นเสียงบนสะพาน


รูปที่ 2: ตัวอย่างผลการวิเคราะห์จากข้อมูลการวัด AE

Shear AE: AE ที่เกิดจากแรงเสียดทานของรอยแตกที่มีอยู่เดิม
Tensile AE: AE ที่เกิดขึ้นในบริเวณที่รอยแตกกำลังเกิดขึ้น และ/หรือ กำลังขยายใหญ่ขึ้น


รูปที่ 3: การตรวจสอบผลการวิเคราะห์ผ่านตัวอย่างจริงของผิวหน้าสะพาน

นายทาคาชิ อูซุอิ นักวิจัยวิทยาศาสตร์ ห้องปฏิบัติการระบบวิศวกรรม ณ ศูนย์วิจัยและพัฒนา เผยว่า พวกเขาใช้ประโยชน์จากฐานข้อมูลจำนวนมากที่โตชิบาได้สั่งสมมาเป็นระยะเวลายาวนาน เพื่อพัฒนาระบบเทคโนโลยีตรวจจับชิ้นนี้
“ที่จริง เซนเซอร์ AE ได้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรม แต่ส่วนใหญ่กลับไม่มีการพัฒนาระบบที่ครอบคลุมอย่างแท้จริงได้ ซึ่งผมเชื่อว่า สาเหตุที่เราสามารถสร้างระบบวัดเซนเซอร์ AE ที่สมบูรณ์ ครอบคลุมถึงการประมวลผลสัญญาณที่ได้รับ และการประเมินระดับความเสียหายผ่านความถี่และเวลาการเดินทางของคลื่นยืดหยุ่น เช่นนี้ได้ก็เพราะเรามีทรัพยากรไว้อย่างเพียบพร้อมที่โตชิบา” นายอูซุอิ กล่าว
 
▼ ใครจะคาดคิดว่า ‘พายุฝน’ จะกลายเป็นเรื่องดี
นอกจากนี้ พวกเขายังได้ค้นพบประโยชน์ที่ไม่คาดคิด ในขณะที่กำลังดำเนินการทดสอบระบบอยู่

“วันหนึ่ง ในขณะที่เรากำลังทดสอบระบบกันอยู่ก็เกิดพายุฝนฟ้าคะนองขึ้น ทำให้เราบังเอิญได้ข้อมูลที่เรานึกไม่ถึงมาก่อน โดยปกติแล้วสำหรับระบบที่ใช้คลื่นยืดหยุ่นในการทำงาน พายุฝนถือเป็นเสียงรบกวนที่ผู้ทดสอบพยายามหลีกเลี่ยงให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่ในกรณีนี้ เราพบว่าเม็ดฝนที่ตกลงมาบนพื้นผิวถนนก่อให้เกิดคลื่นยืดหยุ่น ดังนั้นการคำนวณการกระจายตัวของเม็ดฝนจึงสามารถบ่งบอกถึงตำแหน่งของรอยแตกภายใต้ผิวหน้าของสะพานได้” นายวาตาเบะ กล่าว

นั่นหมายความว่า พวกเขาอาจจะสามารถลดทอนระยะเวลาที่ใช้ในการตรวจสอบสภาพโครงสร้างแต่ละแห่งด้วยการใช้รถบรรทุกฉีดน้ำแทนการรอให้ฝนตกจริง ๆ ซึ่งเหตุบังเอิญที่เกิดขึ้นนี้กลับกลายเป็นสิ่งที่ดี เพราะพวกเขาสามารถเก็บข้อมูลได้จำนวนมากในเวลาเพียง 10 นาที (เทียบเท่าเวลาหลายวัน เมื่อเทียบกับข้อมูลที่เก็บได้จากรถที่วิ่งผ่านไปผ่านมาบนสะพาน) ยิ่งไปกว่านั้น มันยังได้เปิดประตูความเป็นไปได้อีกบานหนึ่งสำหรับระบบ การติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้าง นั่นคือ หากเกิดฝนตกหนัก พวกเขาอาจจะสามารถใช้การตกกระทบของเม็ดฝนเพื่อตรวจจับความเสื่อมสภาพของพื้นที่ที่ไม่ได้มีการสัญจรไปมามากนัก

“ในอนาคต ผมเชื่อว่าเราน่าจะสามารถใช้วิธีการนี้ในการมอนิเตอร์สภาพถนน อาคาร หรือแม้แต่เครื่องจักรอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ได้ ปัญหาการเสื่อมสภาพของโครงสร้างต่าง ๆ เป็นสิ่งที่ต้องเกิดขึ้นกับเกือบทุกอุตสาหกรรม และเรามั่นใจว่า เราจะสามารถพัฒนาวิธีการต่าง ๆ มาปรับใช้กับระบบตรวจสอบนี้ได้” นายอูซุอิ กล่าว

แต่ ณ เวลานี้ พวกเขาจะดำเนินการทดสอบระบบต่อไป เพื่อเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ผลข้อมูล และนำมาพัฒนาระบบให้มีความแม่นยำยิ่งขึ้น หากระบบ การติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้าง มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอนาคตอันใกล้ การบำรุงรักษาโครงสร้างพื้นฐานทางสังคมจะอาศัยแรงงานคนและค่าใช้จ่ายน้อยลงมาก แต่เหนือสิ่งอื่นใด เราเชื่อว่าไม่มีการตอบแทนสังคมในรูปแบบใดจะยิ่งใหญ่ไปกว่าการดูแลความปลอดภัยให้กับประชาชนทุกคนอีกแล้ว


*บทความนี้ได้รับการสนับสนุนจาก องค์การพัฒนาพลังงานใหม่และเทคโนโลยีอุตสาหกรรม (NEDO) แห่งประเทศญี่ปุ่น