Напольные системы мониторинга подвижного состава

Напольные системы мониторинга подвижного состава

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).
Напольные системы мониторинга подвижного состава. ЮАР: комплексная система
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.
Перспективные разработки напольных систем мониторинга подвижного состава. Европейский проект D-Rail
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