В ноябре 2013 г. во Франкфурте-на-Майне состоялась вторая конференция по системам мониторинга подвижного состава (WTMS). В ней приняли участие 90 специалистов из разных стран мира — от Великобритании до Южной Африки, что подтверждает актуальность обсуждаемых вопросов для обеспечения надежности и безопасности железнодорожного транспорта. Представитель Европейского железнодорожного агентства (ERA) ознакомил собравшихся с законодательной базой, регулирующей использование железнодорожных систем наблюдения и контроля всех типов в правовом поле Европейского союза. Участники форума получили возможность убедиться в экономической эффективности систем мониторинга. Наиболее проблемным аспектом использования систем WTMS является надежность привязки результатов измерений к идентификационным номерам вагонов. Одной из наиболее значимых задач на ближайшую перспективу является организация обмена информацией, получаемой от систем WTMS, на международном уровне.
Нормативно-правовая база ЕС
Анализ результатов мониторинга подвижного состава и инфраструктуры обеспечивает возможность корректировки и совершенствования работы систем управления работой железных дорог и организации технического обслуживания. Регламент ЕС 1078/2012 определяет процесс согласований в этой сфере между железнодорожными предприятиями, операторами инфраструктуры и подразделениями технического обслуживания.
Общие методы обеспечения безопасности базируются на выборе приоритетов при реализации процедур мониторинга, оперативности (ранние предупреждения для своевременного предотвращения угроз безопасности движения) и координации между всеми участниками перевозочного процесса и технического обслуживания подвижного состава, а также документировании процесса мониторинга с целью его контроля регулирующими органами. Функции контроля за соблюдением этих принципов осуществляет Европейское железнодорожное агентство (ERA) в сотрудничестве со структурами железнодорожного транспорта.
Международный опыт
Канада: мониторинг пассажирских поездов
Региональная транспортная компания GO Transit, работающая в провинции Онтарио, осуществляет пассажирские перевозки в регионе Большого Торонто и Гамильтона, где на территории 11 тыс. км2 проживает около 7 млн чел. Компания перевозит более 57 млн пассажиров ежегодно. В 2008 г. был принят план Big Move, который впоследствии стал основой 25-летнего регионального плана развития транспорта, определившего приоритеты, перспективную стратегию и программу комплексного развития транспорта. В настоящее время темпы роста перевозок личными автомобилями в регионе опережают темпы роста численности населения, которая, по прогнозам, составит 9,2 млн чел. в 2036 г. Перспективная транспортная система должна быть основана на скоординированном взаимодействии различных видов транспорта и призвана обеспечить максимальную эффективность и бесперебойность сообщений.
В русле этой стратегии выработаны меры повышения привлекательности транспортных услуг для традиционных и новых клиентов с целью обеспечения роста перевозок и улучшения эксплуатационных показателей на сети GO Transit. При этом приоритетом остается задача поддержания подвижного состава и транспортной инфраструктуры в хорошем техническом состоянии. Рост перевозок требует повышения эффективности использования и эксплуатационной готовности подвижного состава. Для решения этой задачи предусмотрено, в частности, массовое внедрение на железнодорожной сети напольных средств контроля технического состояния подвижного состава для решения эксплуатационных и технических проблем посредством реализации стратегии упреждающих действий, заложенных в программе технического обслуживания и ремонта подвижного состава.
ЮАР
Напольные контрольно-измерительные средства, используемые для оперативной оценки технического состояния подвижного состава, эволюционировали от датчиков нагрева букс до нейронной сети, анализирующей потоки данных и изображений от напольных датчиков. Эти технические средства позволяют постоянно контролировать параметры большинства компонентов подвижного состава, имеющих критическое значение для безопасности и надежности перевозок. Однако данные измерений могут эффективно использоваться только в привязке к конкретной единице подвижного состава. Оснащение парка вагонов идентификационными датчиками TFR дало возможность разработать комплексную унифицированную систему оперативного контроля технического состояния поездов ITCMS. В настоящее время на сети, где обращаются вагоны с датчиками TFR, используются разнообразные контрольно-измерительные системы, причем приоритет отдается системам, позволяющим диагностировать компоненты подвижного состава, отказы которых могут критически влиять для работу железной дороги в целом.
Система сбора данных приспособлена для работы с любыми протоколами передачи сообщений, применяемыми в стране, благодаря чему снижаются расходы на закупку и интеграцию оборудования. Информация со всех измерительных комплексов собирается в 24 накопительных системах, распределенных по территории страны (рис. 1).
Рис. 1. Схема централизованной обработки данных мониторинга подвижного состава
Тревожные ситуации выявляются как непосредственно измерительной системой, так и в процессе обработки результатов измерений. Такие ситуации классифицируются по трем категориям: требующие немедленной остановки поезда, допускающие следование поезда до ближайшей станции и допускающие следование в ремонтное депо. Информация по первым двум категориям передается в соответствующий центр управления движением и ремонтное депо.
Поскольку информация с измерительных комплексов может быть использована для различных целей, автоматизация ее обработки и распределения имеет приоритетное значение. Поэтому были объединены в единый комплекс многочисленные источники данных, выдающие ретроспективную информацию о выполненных ремонтах, техническом состоянии подвижного состава, сведения коммерческого характера, например сопроводительные документы и т. п. Кроме того, разработаны алгоритмы автоматизированной обработки входных данных с целью выдачи отчетов для пользователей различных категорий. Например, выходная информация может отображаться на мониторах в режиме реального времени, отправляться в виде тревожных предупреждений эксплуатационным и ремонтным службам, а также предоставляться в виде стандартных периодических отчетов.
Отправлять вагон в ремонт по предупреждению, относящемуся к одному или двум его компонентам, экономически невыгодно. Накопление результатов измерений параметров технического состояния вагона позволяет применять многомерную оценку перед принятием решения о выводе его из эксплуатации. Перечень единиц подвижного состава, подлежащих направлению в ремонт, формируется и отправляется в автоматическом режиме, возможно также детализированное графическое оформление предоставляемой информации. По результатам обработки данных могут формироваться различные отчеты, например по износу колесных пар в конкретном парке вагонов. Такие возможности создают благоприятные условия для организации технического обслуживания подвижного состава в соответствии с его фактическим состоянием.
Оценить качество работы измерительных систем позволяет анализ на точность и непротиворечивость принимаемых от них данных. Персонал, отвечающий за техническое обслуживание и ремонт этих систем, получает обратную связь, позволяющую оценить необходимость выполнения корректировки, калибровки или выявить характерные недостатки в конструкции оборудования.
Данные, поступающие от системы динамического взвешивания грузовых вагонов, служат для выявления в пути следования случаев перегруза или неправильных размещения и крепления груза в вагоне. Эта информация особенно востребована на линиях с тяжеловесным движением, по которым в ЮАР перевозят руду и каменный уголь в океанские порты.
Единая информационная модель в Австралии
Данные о техническом состоянии подвижного состава, полученные до и после выполнения технического обслуживания или ремонта, могут быть противоречивы и вызывать затруднения при их анализе. Так, контрольные данные какого-либо компонента подвижного состава становятся ненужными после замены этого компонента. Возможны ситуации, при которых компонент отремонтирован для последующей установки на другой вагон. Поэтому необходимо знать «историю» компонента в течение всего срока службы.
Данные оперативного контроля технического состояния подвижного состава уязвимы с точки зрения ошибок считывания информации с датчиков, погрешностей передачи данных, воздействий окружающей среды, изменений в составе поезда и влияния человеческого фактора. Поэтому в целях повышения качества и достоверности информации применяются трейдинг и нормализация поступающих данных с исключением при анализе резко отклоняющихся значений.
Получаемые от систем WTMS данные используются при идентификации отказов, оценке эксплуатационных рисков, планировании технического обслуживания и ремонта подвижного состава, проведении научных исследований. Эффективность использования таких систем подтверждается быстрым ростом их числа на железных дорогах мира. Как следствие, лавинообразно растет объем доступных для использования данных. В этих условиях объективная целевая интерпретация данных при использовании их для принятия управленческих решений представляет собой довольно сложную задачу.
На практике имеет место определенная несогласованность в работе систем, регистрирующих данные от измерительных комплексов и отслеживающих проведение технического обслуживания или ремонта подвижного состава. Эта несогласованность может стать причиной неправильной интерпретации тревожных и аварийных сообщений, что может повлечь за собой неадекватные действия ремонтных предприятий, такие как повторное направление подвижного состава в ремонт, неэффективное использование производственных мощностей и увеличение расходов. Для минимизации влияния этих факторов может применяться сопоставление данных систем WTMS и ремонтных служб и сведение их в единую базу данных. Единая информационная модель позволит однозначно привязать результаты измерений к конкретным компонентам, предотвращая тем самым неправильную интерпретацию информации. Это сопоставление даст возможность отслеживать перемещение компонентов между различными вагонами и их параметры в течение всего срока службы в целях выявления тенденций, свойственных парку в целом.
Опыт австралийских специалистов по разработке методов решения перечисленных проблем охватывает также вопросы взаимодействия автоматизированных информационных систем со сторонними ремонтными предприятиями, а также формирование крупных центров по хранению и обработке данных.
Европейский проект D-Rail
Основной целью финансируемого комиссией Европейского союза проекта D-Rail является сокращение случаев схода подвижного состава с рельсов и уменьшение влияния сходов на работу железных дорог. Для этого исследуются параметры, способствующие сходу, с использованием моделей взаимодействия поезда и пути. Внимание исследователей сконцентрировано на возможности схода подвижного состава на прямых участках и в кривых, на стрелочных переводах и крестовинах, а также в результате возникновения обезгрузки колеса вследствие колебаний жидкости в цистерне.
Установлено, что при движении по прямому пути и стрелочным переводам дисбаланс нагрузки на колеса является определяющим фактором возможности схода вагона.
Применительно к сходам на стрелочных переводах и крестовинах рассматривался сценарий с подъемом гребня колеса при движении по стрелочному переводу с малым радиусом переводной кривой. Были выполнены четыре различных исследования 25 параметров пути и подвижного состава с проведением экспериментов по взаимодействию контактирующих поверхностей. При этом выявлено, что на сход в основном влияют взаимодействие в пятне контакта колесо — рельс, воздействие на ходовую часть при продольных и поперечных колебаниях жидкости в цистернах, а также вращающий момент, возникающий при прохождении неровности и в особенности при перекосе пути. В целях определения ориентировочных предельных показателей была получена трехмерная диаграмма условий схода (рис. 2). Каждая точка поверхности диаграммы соответствует определенной комбинации показателей продольных и поперечных колебаний жидкого груза в цистерне и вращающего момента, действующего на ходовую часть вагона. Кроме того, определены соотношения продольной, поперечной и диагональной сил в смоделированных условиях и усредненных вертикальных сил, передаваемых от колес. Эти величины определяют местоположение каждой из точек поверхности трехмерного графика.
Рис. 2. Трехмерный график условий схода вагона
Цвет каждой точки соответствует значению подъема колеса при прохождении стрелочного перевода и имеющих место неровностях пути. Очевидно, что подъем колеса, а следовательно, и риск схода увеличивается с увеличением совокупности сил, но зависит от их соотношения. Поэтому для точного определения предрасположенности подвижного состава к сходу с рельсов необходимо учитывать соотношение сил на всех его колесах. Полученные результаты могут использоваться при разработке критериев риска схода как следствия дисбаланса нагрузок на колеса вагона, измеренных в пунктах динамического взвешивания.
Режим обмена грузовыми вагонами регламентируется европейским соглашением RIV, в котором определены нормы номинальной полезной загрузки грузовых вагонов. Поскольку указанные в этих правилах предельные величины получены на основе статических расчетов, они не учитывают такие факторы, как жесткость подвески и ее нелинейность у грузового вагона. Условно-расчетные величины распределения нагрузки могут значительно отличаться от тех, что фиксируются измерительными комплексами на колесах реальных вагонов.
На основе номинальных предельных значений сил, вызываемых колебаниями жидкости в цистернах, и графика определяются граничные значения, при превышении которых должно выдаваться аварийное предупреждение по коэффициенту нагрузки. Для поперечного дисбаланса вагона соотношение нагрузок составляет 1:1,35, а для продольного — 1:3. Предельное значение для одной оси колесной пары, при котором будет выдаваться аварийное предупреждение, может быть 1:1,7, что соответствует действующим нормам Федеральных железных дорог Швейцарии и может быть признано приемлемым исходя из результатов моделирования.
Если при движении грузового вагона в порожнем состоянии соотношение диагонального дисбаланса составляет 1:1,3, это должно быть основанием для технического осмотра ходовой части, а с дисбалансом 1:1,7 — для остановки поезда. Результаты моделирования показывают, что такое соотношение является критическим с точки зрения опасности схода.
В рамках программы также рассматриваются вопросы точности измерений в пунктах контроля осевых нагрузок, анализа данных для оценки дисбаланса нагрузок на колеса грузовых вагонов, а также выдачи информации о средних значениях нагрузки на колеса для контроля их дисбаланса и о максимальных значениях этих нагрузок для идентификации повреждения колесных пар.
Железные дороги мира — 2014, № 3