Пути повышения безопасности и снижения стоимости эксплуатации государственных железных дорог

Автоматизация поиска дефектов же­лезнодорожных путей позволяет повысить безопасность и снизить стои­мость их эксплуатации. Автоматизи­рованные системы мониторинга желез­нодорожных путей на основе сигналь­ных процессоров семейства Blackfin рассмотрены в настоящей статье.

А. Фредериксен, М. Шмид

Количество пассажиров, которые пользуют­ся железнодорожным транспортом, постоянно увеличивается. В связи с этим повышается ско­рость движения, уменьшается длительность интервалов между поездами, что увеличивает механическую нагрузку на железнодорожные пути. Повышение нагрузки, в свою очередь, приводит к быстрому износу железнодорож­ных путей и появлению дефектов, которые мо­гут привести к железнодорожной аварии. Для предотвращения аварийных ситуаций необхо­дим постоянный мониторинг состояния желез­нодорожных путей (рис. 1). Автоматизирован­ная система мониторинга состояния железно­дорожных путей разработана на основе сигнальных процессоров семейства Blackfin ком­пании Analog Devices и технологии LabVIEW компании National Instruments. Ниже рассмот­рены особенности работы этой системы.

Рис. 1. Концепция мониторинга и технического обслуживания железнодорожных путей

Если при укладке путей обнаружены дефек­ты, их необходимо устранить до бетонирова­ния. В противном случае эти дефекты могут впоследствии вызвать изменение положения путей вследствие ежедневной эксплуатации. Допуски на укладку путей регулируются меж­дународными стандартами. В задачу служб технического обслуживания железных дорог входит измерение и обнаружение неровностей железнодорожных путей и поддержание обна­руженных отклонений в пределах допуска. Непостоянная ширина колеи может привести к боковым вибрациям вагона, изменение укло­на путей также вызывает тряску и вибрацию вагона. Дефекты железнодорожных путей вызваны их деформацией, которая является следствием неоднородности поверхности рель­са (наличием борозд, выбоин, волнистости, от­верстий и т.п.). Отметим, что наличие некото­рого подъема наружного рельса технологичес­ки необходимо при укладке железнодорожных путей на поворотах. Однако при этом пассажи­ры не должны испытывать дискомфорт вслед­ствие дополнительных вибраций при прохож­дении таких участков пути.

Корректировка ширины колеи (расстояния между рельсами) позволяет свести к минимуму боковые вибрации при движении пасса­жирских вагонов.

Трещины и развинчивания болтовых соеди­нений рельсов относятся к наиболее опасным дефектам железнодорожных путей, которые мо­гут привести к сходу поезда с рельсов. Волнис­тость рельса с длиной волны от 20 до 100 мм вызывает неприятные вибрации вагона при ам­плитуде волны, превышающей 0.05 мм. Если пиковая амплитуда достигает 0.3 мм, вибрации могут вызвать необратимые разрушения желез­нодорожного полотна. Причины образования волнистости на поверхности рельсов еще недос­таточно изучены. Появление отдельных отвер­стий связывают со скачкообразным движением колесных пар. Эти отверстия хорошо описывают­ся математически с помощью полиномиальной аппроксимации. Они приводят к скачкам движу­щегося вагона. Скачки с постоянной частотой вызваны стыковкой отдельных отрезков желез­нодорожного пути, как правило, длиной 18 м.

При укладке современного железнодорожно­го полотна используются геометрические расче­ты, позволяющие оптимизировать колесно-рель­совое сопряжение. Форма рельса описывается тангенциальными линиями и специальными ра­диусами (рис. 2), задающими оптимальное поло­жение вращающегося колеса на поверхности рельса, что обеспечивает плавное и безопасное движение вагона. Для поддержания железнодо­рожных путей в надлежащем состоянии необхо­димо систематически контролировать их геомет­рию. В настоящее время это обеспечивается ин­теллектуальными измерительными средствами, сочетающими дистанционные измерения c изме­рениями продольного и поперечного профилей

Рис. 2. Подлежащие контролю геометрические параметры железнодорожных рельсов

рельсов. Все необходимые измерения произво­дятся либо мобильными приборами, либо изме­рительными поездами-лабораториями. Предва­рительная обработка результатов измерения мо­жет быть выполнена сигнальным процессором семейства Blackfin, а затем мощный компьютер обеспечивает обнаружение дефектов и привязку этих дефектов к цифровой карте анализируемого участка железнодорожного пути (рис. 3).

Рис. 3. Привязка дефектов железнодорожных рельсов к цифровой карте железнодорожных путей

Геомет­рический профиль рельса измеряется бескон­тактным индуктивным методом с погрешностью не хуже 0.01 мм, причем программируемый КИХ-фильтр нижних частот в составе измерите­ля ослабляет ВЧ-шумы. При измерении меж­рельсового расстояния используется вычисли­тельный алгоритм, позволяющий определить геометрические параметры как вдоль вертикаль­ной, так и горизонтальной осей. Последователь­ность вычислительного алгоритма иллюстриру­ется рис. 4.

Рис. 4. Алгоритм измерения дефектов межрельсового расстояния

Процессор семейства Blackfin управляет вобуляцией лазерного луча, формируемого передвижной лабораторией в пределах ±5° в диа­пазоне от 1 до 5 м. Измеренный профиль смеж­ных рельсов обрабатывается, параметры преоб­разуются из полярной системы координат в пря­моугольную. Кроме того, в процессе обработки геометрических параметров рельсов необходимо исключить влияние внешних факторов (нали­чия посторонних предметов: камней, травы и т.п.). Обработка данных измерения благодаря использованию сигнального процессора проис­ходит, практически, в реальном масштабе време­ни. Шероховатость поверхности рельса измеря­ется с микронной точностью датчиком, работаю­щим на основе вихревых токов. Магнитный преобразователь, выполненный на основе изме­рительного магнитного колеса, синхронизирует измерение неровностей продольного рельсового пути (рис. 5).

Рис. 5. Измерение продольных дефектов рельса бесконтактным датчиком вихревых токов

Результаты измерения фильтруются программируемым КИХ-фильтром нижних частот. Датчик профиля поверхности определя­ет, кроме того, металлургические дефекты рель­са. Профиль головки рельса измеряется лазер­ным сканированием (рис. 6), причем измерение и обработка выполняются в реальном масштабе времени.

Рис. 6. Профиль рельса, измеренный методом лазерного сканирования

Рис. 7. Рельсовый монитор для измерения профиля рельса, размеров его головки, ширины колеи и других параметров железнодорожного полотна

До последнего времени для дефектации же­лезнодорожных путей использовалось множе­ство измерительных приборов. При этом каж­дая группа приборов предназначалась для оп­ределения одного типа дефектов. В настоящее время фирма Schmid Engineering освоила вы­пуск дефектоскопов для железных дорог со встроенными средствами обработки данных. Это позволило наполнить рынок многофункциональными интеллектуальными мобильны­ми приборами для измерения параметров же­лезнодорожных путей. Рельсовый монитор этой фирмы (рис. 7) позволяет контролировать профиль рельса, размеры его головки, ширину колеи, уклон, глубину, температуру окружаю­щей среды, совмещая этот процесс с привяз­кой к координатам местоположения данного участка на цифровой карте железнодорожного пути.

Рис. 8. Монитор RailSurf, предназначенный для определения продольных геометрических параметров рельсов

Монитор RailSurf (рис. 8), устанавливае­мый в передвижной лаборатории, обеспечива­ет слежение за геометрическими параметрами продольного пути. Он оснащен несколькими сенсорами, которые позволяют фиксировать различные дефекты рельсов, такие как вол­нистость, отверстия, трещины, разрывы, не­равномерности профиля и уклона. Результаты измерения могут быть записаны в сменную па­мять прибора или переданы оператору по бес­проводному интерфейсу. Встроенный в эти портативные приборы сигнальный процессор семейства Blackfin сочетает достоинства мик­роконтроллера и DSP. Микроконтроллер поз­воляет управлять энергопотреблением для уве­личения ресурса батарейного питания прибо­ра, имеет I/O-входы/выходы для управления лазерным сканированием, подключения ана­логовых и цифровых сенсоров, клавиатур, TFT-дисплеев, датчиков уровня топлива и т.п. Сигнальный процессор обеспечивает реализа­цию алгоритмов обработки измерительной ин­формации, таких как быстрое преобразование Фурье, вычисление геометрических размеров рельсов и т.п. Использование моделирующей среды LabVIEW позволяет представлять дан­ные в удобном для пользователя виде, вклю­чая их графическую интерпретацию.

Передвижная измерительная лаборатория содержит пять процессоров семейства Black- fin, позволяющих поддерживать мониторинг железнодорожного пути длиной 10 км со счи­тыванием данных через каждые 5 мм. При этом один процессор поддерживает работу кла­виатуры и двух TFT-дисплеев, второй – осуще­ствляет запись геометрических параметров железнодорожного полотна в процессе движе­ния, фиксирует местоположение точек съема считываемых данных и передает эту информа­цию третьему DSP для последующей обработ­ки. В третьем и четвертом DSP происходит последующая обработка данных, которые записываются в память большого объема и ра­боту которой поддерживает пятый DSP. Обна­руженные в результате измерений и вычисли­тельных операций данные о дефектах желез­нодорожного пути передаются оператору для выработки управленческих решений.

Рис. 9. Анализ профиля изношенного рельса

Рис. 10. Аппроксимация профиля рельса математическими функциями

В основу оценки профиля рельса положено сравнение результатов измерения с идеализи­рованной (геометрической) моделью рельса. Как определяется износ рельса, показано на рис. 9. К другим измеряемым параметрам от­носятся геометрические размеры головки рельса, оценка допустимого радиуса изношен­ного рельса (рис. 10), измерение зазора путе­вой стрелки и др. Контроль соответствия до­пускам на эти параметры позволяет исклю­чить аварийные ситуации. Специалисты по обслуживанию железнодорожных путей могут отрегулировать автоматизированную измери­тельную систему таким образом, чтобы она фиксировала только реальные дефекты, устра­нение которых обеспечивает комфортное пе­редвижение пассажиров железнодорожным транспортом.

Наличие навигационной системы в составе передвижной измерительной лаборатории поз­воляет зафиксировать дефекты железнодо­рожного пути на цифровой карте, на которой уже имеется местоположение станций, стрелок, участков пути с резкими изгибами и т.п. Таким образом может быть получена цифро­вая карта железнодорожных путей региона или целой страны, что позволяет быстро лока­лизовать опасный участок железной дороги и устранить обнаруженные дефекты.

Остановимся подробнее на том, как работа­ет передвижная лаборатория. Пара DSP-про­цессоров семейства Blackfin обеспечивает де­фектацию измеряемого участка пути в реаль­ном масштабе времени, чтобы определить не­обходимость восстановительного ремонта. Один DSP поддерживает работу клавиатуры, сменной памяти и обеспечивает визуализацию дефектов на экранах двух TFT-дисплеев. Два лазерных сканера делают моментальные сним­ки профиля с частотой 20 Гц и передают дан­ные в контроллер DSP через CAN-шину. Про­цессор вычисляет отклонение профиля рельса от идеального, полученного от первого скане­ра, и одновременно запускает второй сканер для выполнения аналогичных операций в сле­дующей точке рельса. Каждый из двух DSP уп­равляет шестью сенсорами положения, имею­щими три степени свободы. Считывание ин­формации лазерным сканером под управлени­ем одного DSP происходит в 18 точках головки рельса, причем время полного измерения гео­метрических размеров головки не превышает нескольких секунд. Ранее такие измерения выполнялись более чем за несколько минут. Устройство съема измерительной информации с поверхности рельс показано на рис. 11. Оно имеет прочный корпус, защищающий элект­ронные узлы от воздействия окружающей сре­ды.

Рис. 11. Устройство съема измерительной информации с поверхности рельсов

ВЫВОДЫ

1. Увеличение скорости движения железно­дорожного транспорта и повышение пропуск­ной способности железных дорог требует ново­го автоматизированного подхода к выявлению дефектов железнодорожного полотна.
2. Использование лазерных дефектоскопов и других бесконтактных датчиков для измере­ния геометрических параметров рельсов и об­наружения их дефектов в реальном масштабе времени невозможно без применения высоко­эффективных средств информатики.
3. Применение современных DSP-процессо­ров типа Blackfin, вычислительной моделиру­ющей среды LabVIEWсовместно с новыми мо­бильными лазерными дефектоскопами позво­ляет быстро обнаруживать дефекты железно­дорожного пути и фиксировать их на цифро­вой карте железных дорог региона или страны, что приводит к снижению аварийности и уменьшению стоимости эксплуатации желез­ных дорог.