วิศวกรโตชิบา พัฒนาระบบการติดตาม ประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างพื้นฐานที่มีอายุ เพื่อป้องกันการพังทลาย


หลายคนน่าจะเคยได้ยินเรื่อง “ปาฏิหาริย์ทางเศรษฐกิจ” แห่งดินแดนอาทิตย์อุทัย ซึ่งเป็นช่วงที่สภาพเศรษฐกิจของญี่ปุ่นเติบโตขึ้นอย่างก้าวกระโดดหลังสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่ 2 และด้วยความเจริญก้าวหน้าที่เกิดขึ้นในช่วงนี้เอง ทำให้โครงสร้างพื้นฐานส่วนใหญ่ของประเทศญี่ปุ่นในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็นถนนหนทาง สะพาน หรืออาคารสูงระฟ้าทั้งหลายล้วนถูกสร้างขึ้นในช่วงเวลาที่ว่านี้

วิศวกรโตชิบา พัฒนาระบบการติดตาม ประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างพื้นฐานที่มีอายุ เพื่อป้องกันการพังทลาย
รูปที่ 1 : ภาพรวมการวัดการปล่อยคลื่นเสียงบนสะพาน

นับจากช่วงเวลาแห่งความรุ่งเรืองนั้น ก็ผ่านมากว่า 50 ปีแล้ว จึงไม่ใช่เรื่องน่าแปลกใจที่สภาพโครงสร้างของสิ่งปลูกสร้างเหล่านี้เสื่อมถอยลงไปอย่างมาก จากการสำรวจในปี ค.ศ. 2018 พบว่าประมาณ25% ของสะพานที่มีความยาวเกินกว่า 2 เมตรทั้งหมดในญี่ปุ่น มีอายุเกินกว่า 50 ปีแล้ว และในปี ค.ศ. 2033 ตัวเลขนี้จะเพิ่มขึ้นจนถึง 63% ของสะพานทั้งหมด อันตรายอย่างหนึ่งของการเสื่อมสภาพของโครงสร้างพื้นฐานในสังคมเหล่านี้คือ มีโอกาสที่จะทำให้เกิดอุบัติเหตุร้ายแรงได้ อย่างเช่นในปี ค.ศ. 2012 ผนังคอนกรีตความยาวประมาณ 130 เมตรของอุโมงค์ทางด่วนบริเวณใกล้กรุงโตเกียวถล่มลงมา ทำให้มีผู้บาดเจ็บและเสียชีวิตหลายราย ถือเป็นหนึ่งในอุบัติเหตุที่ร้ายแรงที่สุดของญี่ปุ่นที่มีสาเหตุมาจากการเสื่อมสภาพของสิ่งปลูกสร้าง จึงเห็นได้ว่าในปัจจุบัน การบำรุงรักษา การจัดการดูแลอาคารและโครงสร้างพื้นฐานต่างๆ จะมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นเรื่อยๆ

ยิ่งไปกว่านั้นยังมีเรื่องที่น่าเป็นห่วงอีกอย่างหนึ่งคือ ปัญหาขาดแคลนแรงงานที่จำเป็นสำหรับงานบำรุงรักษาสิ่งปลูกสร้างเหล่านี้ จากการที่ประเทศญี่ปุ่นได้เข้าสู่สังคมผู้สูงอายุอย่างเต็มรูปแบบ นั่นจึงเป็นสาเหตุว่าทำไมโตชิบาจึงได้พัฒนาระบบการติดตามประเมินและเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างต่างๆ โดยการใช้เซนเซอร์มาช่วยให้สามารถ “มองเห็น” โครงสร้างภายในของสิ่งปลูกสร้าง ซึ่งจะช่วยให้การตรวจสอบมีประสิทธิภาพและครอบคลุมยิ่งขึ้น

ตรวจสอบความเสียหายภายใน ซึ่งไม่อาจมองเห็นได้ด้วยตา

คาซึโอะ วาตาเบะ

“หลังจากเหตุการณ์อุโมงค์ถล่ม ได้มีการบังคับใช้กฎหมายที่เข้มงวดมากขึ้นในการตรวจสอบสภาพสะพานแต่ละแห่งทุกๆ 5 ปี อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบโดยทั่วไปจะเป็นเพียงการตรวจดูด้วยตาและค้อน โดยการให้เจ้าหน้าที่ใช้ค้อนทุบสะพานและฟังเสียงที่เกิดขึ้น ซึ่งวิธีการนี้ก็ยังยากที่จะบอกสภาพที่แท้จริงของโครงสร้าง หากความเสื่อมสภาพนั้นไม่อาจแยกแยะได้ด้วยสายตาหรือเสียง” คาซึโอะ วาตาเบะ หัวหน้าฝ่ายวิจัยวิทยาศาสตร์ ห้องปฏิบัติการระบบวิศวกรรม ณ ศูนย์วิจัยและพัฒนา โตชิบา คอร์ปอเรชั่น กล่าว และเขายังอธิบายต่อไปว่า ในอดีตมันอาจจะพอเป็นไปได้ที่คนงานจำนวนจำกัดจะเข้าไปตรวจสอบสะพานแต่ละแห่งด้วยหูและตาของตนเอง โดยอาศัยเพียงประสบการณ์และสัญชาตญาณของพวกเขา แต่ในปัจจุบันมีสะพานที่มีความยาวมากกว่า 15 เมตร จำนวนกว่า 150,000 แห่งทั่วประเทศญี่ปุ่น ทำให้วิธีการนี้ใช้ไม่ได้จริงอีกต่อไป “ในฐานะที่เราเป็นส่วนหนึ่งใน ‘โครงการพัฒนาระบบหุ่นยนต์และเซนเซอร์สำหรับการบำรุงรักษา โครงสร้างพื้นฐานและการสำรวจภัยพิบัติ’ ขององค์การพัฒนาพลังงานใหม่และเทคโนโลยีอุตสาหกรรม หรือ NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) เราจึงตัดสินใจทำการวิจัยและพัฒนาระบบการติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างอาคาร ร่วมกับ ศ.โทโมคิ ชิโอทานิ แห่งมหาวิทยาลัยเกียวโต” วาตาเบะเผย

วิศวกรโตชิบา พัฒนาระบบการติดตาม ประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างพื้นฐานที่มีอายุ เพื่อป้องกันการพังทลาย
รูปที่ 2 : ตัวอย่างผลการวิเคราะห์จากข้อมูลการวัด AE Shear AE : AE ที่เกิดจากแรงเสียดทานของรอยแตกที่มีอยู่เดิม Tensile AE : AE ที่เกิดขึ้นในบริเวณที่รอยแตกกำลังเกิดขึ้น และ/หรือกำลังขยายใหญ่ขึ้น

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของระบบการติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้างนี้คือ เทคโนโลยีการตรวจจับที่ทำให้ระบบสามารถ “มองเห็น” ภาพความเสียหายที่อยู่ภายในแผ่นคอนกรีตได้ แม้ในจุดที่คนงานไม่อาจมองเห็น จึงช่วยตรวจสอบระดับความเสื่อมสภาพที่เกิดขึ้นจริงได้อย่างแม่นยำ “ประโยชน์จากการที่เราสามารถ ‘มองเห็น’ ภาพความเสียหายภายในแผ่นคอนกรีตได้ ทำให้เราสามารถเรียงลำดับความสำคัญในการบำรุงรักษาสิ่งปลูกสร้างแต่ละแห่งได้ อย่างเวลาที่เราไปตรวจสุขภาพฟัน เราอาจจะมีฟันซี่ที่ผุมาก ผุน้อย และซี่ที่ดูเหมือนอาจจะเริ่มผุได้ในอีกไม่นาน แน่นอนว่าทันตแพทย์ก็จะต้องให้ความสำคัญกับซี่ที่ผุมากเป็นอันดับแรก เช่นเดียวกันกับความเสียหายที่เราตรวจสอบได้ด้วยระบบเซนเซอร์นี้ เราก็จะสามารถวางแผนได้ว่า สะพานแห่งไหนต้องการการบำรุงรักษาเร่งด่วนที่สุด ซึ่งจะช่วยให้เราจัดสรรทรัพยากรมนุษย์และงบประมาณที่มีอยู่จำกัดได้อย่างมีประสิทธิภาพที่สุด แต่ในขณะที่คนที่ปวดฟัน เขาสามารถบอกทันตแพทย์ได้ว่าเขาปวดตรงไหน แต่สะพานไม่สามารถพูดอะไรได้ ระบบนี้จึงช่วยให้เราสามารถตรวจเช็คสภาพโครงสร้างของตัวสะพานได้ เราจึงสามารถวางแผนดูแลรักษาสะพานแต่ละที่ได้อย่างถูกวิธีและมีประสิทธิภาพที่สุด” วาตาเบะกล่าวสรุป

รูปที่ 3 : การตรวจสอบผลการวิเคราะห์ผ่านตัวอย่างจริงของผิวหน้าสะพาน

หารอยแตกภายในคอนกรีต ผ่านการส่นั สะเทือนจากเครื่องยนต์

ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยีการตรวจจับนี้สำเร็จได้ก็คือคลื่นยืดหยุ่น หรือ Elastic Wave ซึ่งเป็นคลื่นที่เกิดจากรอยแตกเล็กๆ น้อยๆ ทั้งหลายในโครงสร้างคอนกรีต เมื่อรถวิ่งบนสะพานจะเกิดแรงสั่นสะเทือน ส่งผลให้เกิดคลื่นยืดหยุ่นหลายสิบไปจนถึงหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์เล็ดลอดออกมาจากรอยแตกภายใน ซึ่งระบบเซนเซอร์จะวัดคลื่นที่เกิดขึ้นนี้จากจุดที่ติดตั้งบนพื้นผิวของตัวสะพาน โดยวิธีการทดสอบแบบนี้เรียกว่า วิธีการปล่อยคลื่นเสียง หรือ Acoustic Emission (AE) Method* 1

ทาคาชิ อูซุอิ

ทาคาชิ อูซุอิ นักวิจัยวิทยาศาสตร์ ห้องปฏิบัติการระบบวิศวกรรม ณ ศูนย์วิจัยและพัฒนา โตชิบา คอร์ปอเรชั่น เผยว่าพวกเขาใช้ประโยชน์จากฐานข้อมูลจำนวนมากที่โตชิบาได้สั่งสมมาเป็นระยะเวลายาวนาน เพื่อพัฒนาระบบเทคโนโลยีตรวจจับชิ้นนี้ “ที่จริงเซนเซอร์ AE ได้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรมแต่ส่วนใหญ่กลับไม่มีการพัฒนาระบบที่ครอบคลุมอย่างแท้จริงได้ ซึ่งผมเชื่อว่าสาเหตุที่เราสามารถสร้างระบบวัดเซนเซอร์ AE ที่สมบูรณ์ ครอบคลุมถึงการประมวลผลสัญญาณที่ได้รับ และการประเมินระดับความเสียหายผ่านความถี่และเวลาการเดินทางของคลื่นยืดหยุ่นเช่นนี้ได้ก็เพราะเรามีทรัพยากรไว้อย่างเพียบพร้อมที่โตชิบา” อูซุอิ กล่าว

ใครจะคาดคิดว่า ‘พายุฝน’ จะกลายเป็นเรื่องดี

นอกจากนี้ พวกเขายังได้ค้นพบประโยชน์ที่ไม่คาดคิด ในขณะที่ กำลังดำเนินการทดสอบระบบอยู่ “วันหนึ่ง ในขณะที่เรากำลังทดสอบระบบกันอยู่ก็เกิดพายุฝนฟ้าคะนองขึ้น ทำให้เราบังเอิญได้ข้อมูลที่เรานึกไม่ถึงมาก่อน โดยปกติแล้วสำหรับระบบที่ใช้คลื่นยืดหยุ่นในการทำงาน พายุฝนถือเป็นเสียงรบกวนที่ผู้ทดสอบพยายามหลีกเลี่ยงให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่ในกรณีนี้ เราพบว่าเม็ดฝนที่ตกลงมาบนพื้นผิวถนนก่อให้เกิดคลื่นยืดหยุ่น ดังนั้นการคำนวณการกระจายตัวของเม็ดฝนจึงสามารถบ่งบอกถึงตำแหน่งของรอยแตกภายใต้ผิวหน้าของสะพานได้” วาตาเบะ กล่าว

นั่นหมายความว่า พวกเขาอาจจะสามารถลดทอนระยะเวลาที่ใช้ในการตรวจสอบสภาพโครงสร้างแต่ละแห่งด้วยการใช้รถบรรทุกฉีดน้ำแทนการรอให้ฝนตกจริงๆ ซึ่งเหตุบังเอิญที่เกิดขึ้นนี้กลับกลายเป็นสิ่งที่ดี เพราะพวกเขาสามารถเก็บข้อมูลได้จำนวนมากในเวลาเพียง 10 นาที (เทียบเท่าเวลาหลายวัน เมื่อเทียบกับข้อมูลที่เก็บได้จากรถที่วิ่งผ่านไปผ่านมาบนสะพาน) ยิ่งไปกว่านั้น มันยังได้เปิดประตูความเป็นไปได้อีกบานหนึ่งสำหรับระบบการติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้าง นั่นคือ หากเกิดฝนตกหนัก พวกเขาอาจจะสามารถใช้การตกกระทบของเม็ดฝนเพื่อตรวจจับความเสื่อมสภาพของพื้นที่ที่ไม่ได้มีการสัญจรไปมามากนัก “ในอนาคตผมเชื่อว่าเราน่าจะสามารถใช้วิธีการนี้ในการมอนิเตอร์สภาพถนน อาคาร หรือแม้แต่เครื่องจักรอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ได้ ปัญหาการเสื่อมสภาพของโครงสร้างต่างๆ เป็นสิ่งที่ต้องเกิดขึ้นกับเกือบทุกอุตสาหกรรม และเรามั่นใจว่า เราจะสามารถพัฒนาวิธีการต่างๆ มาปรับใช้กับระบบตรวจสอบนี้ได้” อูซุอิ กล่าว

แต่ ณ เวลานี้ พวกเขาจะดำเนินการทดสอบระบบต่อไป เพื่อเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ผลข้อมูล และนำมาพัฒนาระบบให้มีความแม่นยำยิ่งขึ้น หากระบบการติดตามประเมิน และเฝ้าระวังวิศวกรรมโครงสร้าง มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอนาคตอันใกล้ การบำรุงรักษาโครงสร้างพื้นฐานทางสังคมจะอาศัยแรงงานคนและค่าใช้จ่ายน้อยลงมาก แต่เหนือสิ่งอื่นใด เราเชื่อว่าไม่มีการตอบแทนสังคมในรูปแบบใดจะยิ่งใหญ่ไปกว่าการดูแลความปลอดภัยให้กับประชาชนทุกคนอีกแล้ว


Source: นิตยสาร Electricity & Industry Magazine ปีที่ 28 ฉบับที่ 2 มีนาคม-เมษายน 2563 คอลัมน์ Article
บทความนี้ได้รับการสนับสนุนจาก องค์การพัฒนาพลังงานใหม่และเทคโนโลยีอุตสาหกรรม (NEDO) แห่งประเทศญี่ปุ่น
1 AE Method : วิธีวัดคลื่นเสียงที่เกิดจากความเสียหายเล็กน้อยภายในโครงสร้างของวัตถุที่เป็นของแข็ง