Комплексное средство диагностики рельсового пути на основе инерциальных и геоинформационных технологий

Р. В. ШАЛЫМОВ ¹

(Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»)

КОМПЛЕКСНОЕ СРЕДСТВО ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ НА ОСНОВЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Рассматривается концепция построения комплексного средства контроля состояния высокоскоростных железнодорожных магистралей для оценки отклонения от норм содержания рельсового пути и прогноза их развития, а также отображения информации с использованием достижений геоинформационных технологий.

Введение

В настоящее время наблюдается постоянный рост грузоперевозок с использованием железнодорожного транспорта, что приводит к увеличению скоростей движения и повышению трафика. Вследствие чего с одной стороны повышается риск возникновения и развития дефектов, а с другой – становится затруднительным их своевременное обнаружение и устранение из-за высокой загруженности пути. Подобное несоответствие может стать причиной возникновения аварий на железнодорожном транспорте. Поэтому научные исследования по созданию новых диагностических средств состояния железнодорожного пути остаются чрезвычайно актуальными.

Настоящая работа посвящена разработке автоматизированной системы диагностики рельсового пути (АСД РП), предназначенной для оснащения локомотивов регулярно курсирующих железнодорожных составов, а также комплексного средства мониторинга на ее основе с использованием геоинформационных технологий.

Концепция построения АСД РП

Предлагается следующая концепция построения АСД РП:

В состав системы входят (см. рис. 1):

• 
  Система ориентации (СО);
  
• 
  Оптическая система, позволяющая определять взаимное положение вагона и тележки;
  
• 
  Датчики микромеханические (ДММ);
  
• 
  Одометр;
  
• 
  Приемная аппаратура спутниковой навигационной системы (ПА СНС);
  

• 
  При обнаружении критических отклонений от норм содержания рельсового пути предполагается передача информации напрямую диспетчеру через радиоканал.
  
• 
  Отображение результатов работы системы предполагается с использованием геоинформационной системы (ГИС).
  

Статистическую обработку баз предполагается осуществлять в соответствии с блок-схемой на рис. 3.

После выбора анализируемого отрезка рельсового пути осуществляется проверка: производился ли на этом участке ремонт с момента записи предыдущей базы. Если да, то рассматриваются две базы: записанные до и после ремонта. В этом случае полезной информацией являются данные о качестве проведенного ремонта (правая ветка алгоритма).

Если с момента предыдущей записи ремонт не проводился, то обработка осуществляется в соответствии с левой веткой алгоритма. С использованием загруженных баз формируется вектор измерений H, элементами которого являются значения параметра неровности в каждом из проездов. Далее, с использованием метода наименьших квадратов (МНК), вырабатывается оценка вектора измерений (), как квадратичной функции переменной T (прошедшая по участку рельсового пути масса) [1]. Коэффициенты полинома : , и (начальное значение, скорость и ускорение роста параметра неровности) в дальнейшем используются для прогнозирования момента выхода из строя дефектного рельса.

Рис. 1. Алгоритм статистической обработки баз, содержащих параметры неровностей

Основой для разрабатываемой системы являются результаты работы по внедрению Малогабаритной Инерциальной Системы Диагностики Рельсового Пути (МИСД РП) в состав вагона-дефектоскопа АВИКОН-03М [2, 3, 4]. МИСД РП измеряет короткие неровности поверхности катания рельсов глубиной от 1мм и автоматически формирует ведомость дефектов, а также параметры геометрии рельсового пути.

Испытания комплекта ДММ при высоких скоростях движения

В декабре 2011 года был осуществлён экспериментальный проезд с целью испытания комплекта из 4-х микромеханических датчиков в условиях высокоскоростного движения (до 160 км/ч). Вследствие высоких скоростей движения, вертикальные ускорения колес вагона будут значительны даже при прохождении небольших неровностей, что благоприятно для разрабатываемой системы. На рис. 4 можно видеть воспроизводимость показаний датчиков при прохождении неровности на различных скоростях движения. Графики здесь и далее разнесены по оси ординат для большей наглядности.

Рис. 2. Показаний датчиков при прохождении неровности на различных скоростях движения

По результатам испытаний был обнаружен дополнительный полезный эффект от использования ДММ. На рис. 6 приведены показания датчиков трех разных модулей расположенных, как показано на схеме (см. рис. 5). Легко видеть периодический характер сигналов акселерометров второй по ходу движения колесной пары (период, порядка 3 метров). При этом отсутствует аналогичный сигнал в показаниях впереди идущего акселерометра, как это должно быть при наличии неровности рельсового пути (пики с шагом 2,4 м в правой части графика). Подобная картина наблюдается и при движении с другой скоростью в обратную сторону.

Рис. 3. Наличие периодического сигнала в показаниях ДММ1

В соответствии с [5], допустимая разность диаметров колес должна быть в пределах 1 мм, а порядок эллипсности не более 0,5мм. Поверхность катания колес не должна иметь выщербин, навара, ползунов, наката и трещин. На рис. 7 приведены удары, зафиксированные одним из акселерометров на шести последовательных оборотах колеса. В результате чего показана высокая повторяемость характера данных ударов. Делаем вывод о дефекте поверхности катания колеса, на буксе которого был закреплен ДММ1.

Рис. 4. Удары, зафиксированные одним из акселерометров

Следует отметить, что при анализе показаний нескольких проездов всегда встает вопрос о сведении их по оси абсцисс − путевой координате.

В настоящее время проблема коррекции показаний одометра, а значит и сведения данных с нескольких проездов, на РЖД решена следующим образом: вдоль рельсового полотна располагаются пикетные столбы, установленные с шагом в один км; при перемещении путеизмерительного вагона коррекция пройденной дистанции осуществляется нажатием кнопки человеком в момент, когда он видит пикет в окно. В результате может наблюдаться картина, представленная на рис. 8: до момента осуществления коррекции оператором разность в определении пройденной дистанции на момент прохождения пикетного столба по трем проездам (Δ^до) оказывается меньше, чем после осуществления коррекции (Δ^после), т.е. оператор, вместо улучшения ситуации, ухудшает её.

В то же время при прохождении участка рельсового пути, содержащего неровность, либо стык, в показаниях первого и следом идущего акселерометров будет наблюдаться реакция на ударное воздействие (см. рис. 9). Соответственно, скорость движения вагона может быть получена, как по сигналу одометра (черным цветом на рис. 10), так и используя информацию о времени прохождении неровности рельсового пути (красным цветом на рис. 10).

Это может быть использовано для коррекции показаний одометра и включено в разработанную ранее на кафедре ЛИНС (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») систему навигации на рельсовом пути [6].

Рис. 5. Скорость движения вагона

Следует отметить, что в сигналах ДММ находят своё отражение различные дефекты и элементы строения рельсового пути. Наиболее часто в их показаниях встречается реакция на болтовые стыки, смятия в сварных стыках и пробоксовки. Важной задачей является идентификация и классификация этих элементов рельсового пути по показаниям датчиков системы.

Структура системы

Исходя из вышесказанного, была выработана следующая структура построения системы (см. рис. 11).

Рис. 6. Структура системы

Датчик пути корректируется по показаниям системы навигации на рельсовом пути. При этом используется сигнал непосредственно с датчика угла (которым в конечном счете и является датчик пути) для анализа показаний ДММ на периоде колеса и определении дефектов его поверхности катания. Далее, по показаниям пары модулей, расположенных с одной стороны вагона определяются дефекты на поверхности рельсовых нитей. Показания СО и оптической системы позволяют определять геометрические параметры рельсового пути. Информация о геометрии рельсового пути, показания спутниковой системы и данные о моментах прохождения неровностей рельсового пути поступают в систему навигации на рельсовом пути. Данные по отклонениям от норм содержания рельсового пути формируют базы проезда и далее используются в ГИС, вместе с информацией от системы навигации формируя электронный паспорт пути.

Заключение

В настоящей работе изложена концепция построения комплексного средства диагностики рельсового пути на основе инерциальных и геоинформационных технологий. Рассмотрены принципы статистической обработки баз, содержащих параметры неровности. Приведены результаты экспериментальных испытаний датчиков микромеханических на высоких скоростях движения (до 160 км/ч). Описаны существующие проблемы, связанные с коррекцией показаний одометра и идентификацией различных элементов рельсового пути.

• 
  Осуществлять систематическую диагностику пути на высоких скоростях движения;
  
• 
  Оценивать отклонения от норм содержания, а также тенденции изменения состояния участка пути (выработка прогноза), благодаря статистическому анализу;
  
• 
  Диагностировать состояние рельсового пути без включения в трафик движения дополнительных подвижных единиц;
  

• 
  Автоматизировать процесс измерений, что исключает необходимость постоянного присутствия обслуживающего персонала (в противоположность путеизмерительным вагонам);
  
• 
  Повысить уровень безопасности движения за счет оптимизации процессов планирования и проведения ремонтных работ.
  

1. 
   Нормативно-техническая документация: Технические указания по шлифованию рельсов. / ОАО «РЖД». – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. – 39 с.
   
2. 
   Боронахин, А.М. Малогабаритная интегрированная система диагностики рельсового пути // Гироскопия и навигация, №1 (64) // А.М. Боронахин, Л.Н. Олейник, Н.С. Филипеня. – С-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - С. 63 – 74.
   
3. 
   Боронахин А.М. Инерциальная система мониторинга рельсового пути // А.М. Боронахин [и др.] // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. Вып. 10. С 84 – 91.
   
4. 
   Boronakhin A. M. MEMS-Based Inertial System for Railway Track Diagnostics // A. M. Boronakhin [etc.] // Gyroscopy and Navigation, 2011, Vol. 2, No. 4, pp. 261–268. © Pleiades Publishing, Ltd., 2011.
   
5. 
   Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар. (ЦВ – 944). / Инструкция министерства путей сообщения Российской Федерации. – М., 2005. – 65 с.
   
6. 
   Гупалов, В.И. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути: Учеб. пособие. // В.И. Гупалов, А.В. Мочалов, А.М. Боронахин. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. – 144 с.