橋の老朽化にスマート化で対応

ドイツのミュンヘン郊外に簡素な橋があります。シュヴィンデックのイーゼン川に架かる橋の長さはわずか20メートルで、車で通り過ぎても気づかないほどです。しかし、この老朽化した二車線の橋の下には、おそらくインフラ管理の未来が隠れています。それは圧力、歪み、傾斜、振動、さらには構造物の温度まで、ほぼあらゆるものを記録する約150個のセンサーです。

設置されている理由は？手遅れになる前に、どの橋が劣化の危険にさらされているのかを知っておくことは有益だからです。

ほとんどの国がインフラのメンテナンスに苦労している中、ドイツは革新的なデジタル ツイン技術を使用し、重要な構造物の監視と保守管理を行っています。

Stefan Küttenbaum博士とJohannes Wimmer氏が率いるシュヴィンデックのプロジェクトは、ドイツのミュンヘン連邦軍大学（University of the Bundeswehr Munich）とミュールドルフ・アム・イン地区が関与する共同事業です。Küttenbaum氏はコンクリート構造部門の重要インフラ作業グループのリーダーであり、Wimmer氏は研究員です。Thomas Braml教授がコンクリート構造部門を率いています。この取り組みは、重要インフラの回復力と持続可能性の強化を目的とした次世代EUプログラムの一環です。

ドイツの橋の多くは60年以上前に建設され、中には1世紀以上が経過している橋もあります。経年劣化と数十年にわたる継続的な使用により、早急な修理と改良が必要です。しかし、人員、資金、物資といった資源は限られているため、すべての橋を改修するのは現実的ではありません。しかし、公共の安全に値段をつけるのは容易ではありません。橋を渡るときに、人々が「安全だろうか？」と疑問に思うかもしれません。

「私たちは今、即時の改修あるいは交換が必要な橋が何千基もある現状に直面しています」とBraml氏は言います。「しかし、すべての橋を交換するには資源が限られており、耐用年数の伸長も検討する必要があります」

橋の安全性の問題に加え、データ管理とスケーラビリティに関する課題もあります。多数にわたる橋梁の監視システムから生成される膨大な量のデータの管理、分析は複雑です。課題は、複数の橋梁に適用できるスケーラブルなソリューションを作成し、技術的な専門知識が限られている小規模な地区でもこれらのシステムのメリットを享受できるようにすることです。

サイバーセキュリティに関する懸念もあります。デジタル インフラの重要性と関連データの機密性が増すにつれ、サイバーセキュリティーとデータ保護の確保が重要になります。これには、リスクをもたらす可能性のあるハイブリッド環境で安全に動作できるシステムの開発が含まれます。

求められる解決策は、NetAppの高度なデータ管理ソリューションを活用したデジタル ツイン技術の革新的な使用にあります。チームはセンサーを使用して大量のデータを収集し、IoTゲートウェイ経由で大学のデータレイクに送信して分析します。

ミュンヘン連邦軍大学は、フラウンホーファー研究機構実験的ソフトウェア工学研究所（IESE）と提携してデジタル ツイン テクノロジーを活用し、さまざまなデータソース（その出自、ワークフロー、インテリジェンス）を統合することで物理世界とデジタル世界を結び付けてきました。この橋梁プロジェクトは、デジタル ツイン テクノロジーが寿命の開始時点から実世界で応用された初めての事例です。

「デジタルツインにより、橋梁データをリアルタイムで正確に取得し、分析できるようになります」とBraml氏は言います。「これにより、スマートで予測的な保守管理が可能になります。目標は、現時点からの耐用年数を延ばしながらリソースの消費を削減することです。これは、インフラ部門の安全性、効率性、持続可能性の向上に大きく貢献します」

橋梁内のセンサーは、デジタル画像を作成するデータベースにデータを送信し、その画像を使用してプロセスと分析をテストします。また、デジタル情報は他のプロジェクトやサービスにも並行して利用できます。NetAppテクノロジーはさまざまな方法で使用されています。

• データ ストレージ： NetApp® StorageGRID®は、収集されたすべてのデータの安全な保存と容易なアクセスを可能にする、ハイパフォーマンスでスケーラブルなストレージ ソリューションを提供します。StorageGRIDは、既存のITインフラとのシームレスな統合を可能にし、センサーからのデータを効率的に管理、取得できるようにします。
• データ セキュリティー：インフラデータは機密性が高いため、セキュリティは最優先事項です。NetAppは、暗号化や安全なアクセス制御など、包括的なデータ保護機能を提供し、不正アクセスからデータを保護します。さらに、データは安全なプライベート クラウド環境に保存されるため、厳格なデータ プライバシー規制に準拠できます。
• リアルタイム監視と予測的保守管理： NetAppのデータ管理ソリューションにより、橋の状態をリアルタイムで監視できます。機械学習アルゴリズムを統合することで、システムはパターンを分析し、潜在的な問題が重大になる前に予測することができます。このプロアクティブなメンテナンス アプローチは、橋の寿命を延ばし、修理の全体的なコストを削減するのに役立ちます。

「これを行うのは橋梁管理者のためです。なぜなら、橋梁の評価と検査のデータ、さらに関連する情報フローをすべて管理するには、彼らの時間、予算、人員の面でのリソースはあまりにも限られていることが多いからです」とKüttenbaum氏は話します。「私たちはデジタル化によって彼らを助け、サポートする方法を見つけます。このテクノロジーにより、大量のデータを効率的に管理、分析できるようになり、情報に基づいた意思決定に必要な洞察が得られます」

• スケーラビリティーと転用の可能性：このプロジェクトの最も重要なメリットのひとつは、そのスケーラビリティです。このシステムは、小規模な地方道路から大規模な構造物まで、幅広い橋梁に適用できるように設計されています。この拡張性は、インフラ老朽化という広範囲にわたる問題に対処するために不可欠です。
• データに基づく洞察：このプロジェクトは、橋梁の保守と修復について情報に基づいた意思決定を行うために使用できる貴重なデータを提供します。例えば、収集データから、橋梁にかかる温度誘発ストレスは交通ストレスよりも大きくなる可能性があることが明らかになりました。このインサイトにより、さらに正確な予測とより優れたメンテナンス戦略が可能になります。
• 強化されたセキュリティー：インフラデータの機密性を考慮し、このプロジェクトではサイバーレジリエンスも重視されています。データはセキュアなプライベート クラウド環境に保存され、不正アクセスから保護されます。

このプロジェクトの将来性は高く、デジタル ツイン技術をドイツ全域および世界中のより多くの橋に拡大する計画があります。今後のプロジェクトには、新設される橋へのセンサー設置や、データ分析強化のための機械学習アルゴリズムの適用が含まれます。

「私たちはデータを使ってすべてを構築し、センサーを見て何が信頼でき、何が信頼できないかを確認しています」とWimmer氏は話します。

チームはまた、衛星観測を含む多様な情報源からのデータを統合し、橋梁の健全性と性能に関する包括的な見解の提供を目指しています。

まとめ

このプロジェクトでは、NetAppの高度なデータ ソリューションを活用したデジタル ツイン技術が橋梁管理に革命をもたらし、インフラ老朽化の課題に対して拡張性に優れたデータ主体のソリューションを提供する方法が提示されています。この取り組みは、高度な監視システムを統合しデータのセキュリティーを確保することで、インフラの回復力と持続可能性の新たな基準を確立します。