Ученые ЛЭТИ создали комплекс для высокоточной оценки состояния железнодорожных путей
Данный комплекс, созданный разработчиками Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», позволит выявлять повреждения у рельсов и прогнозировать развитие их поломок.
Железнодорожный транспорт в России является одним из крупнейших ЖД комплексов в мире, развернутая протяженность которого составляет более 100 тысяч километров. И поскольку по железнодорожным путям ежедневно проходят тяжелые подвижные составы, на рельсы приходится огромная нагрузка. Со временем в них образуются небольшие трещины, изломы, а также смятия, которые в зависимости от скорости вагонов под ударным воздействием колес могут становиться все больше.
Данная проблема несет потенциальные угрозы для экономической деятельности, а также жизни и здоровья участников железнодорожных перевозок. Поэтому рельсовое полотно требует регулярной диагностики. Одним из традиционных способов контроля за состоянием рельсов является наблюдение с помощью видеокамер, установленных на диагностическом вагоне. Если на записи фиксируется характерное темное пятно на рельсе, то в этом месте предположительно имеется поломка. Туда отправляется обходчик для подтверждения наличия поверхностных повреждений и их измерения с помощью путеизмерительного инструмента (для измерения глубин неровностей).
Однако такие способы требуют значительных затрат времени и могут использоваться только в теплое время года, поскольку в России рельсы значительную часть времени находятся под снегом. По этой причине требуется создавать новые подходы, которые позволят быстрее выявлять какие-либо поломки у железнодорожных путей независимо от погодных условий.
«Наша работа направлена на поиск и создание таких способов, которые могут использоваться в любое время года для обнаружения различных дефектов у рельсовых путей. Таким образом, мы улучшили имеющиеся методы по обнаружению внешних и внутренних повреждений, разработали модели для выявления поврежденных участков и алгоритм, который может прогнозировать развитие поломок с помощью инерциальных датчиков. В перспективе разработанный комплекс может способствовать повышению безопасности, энергоэффективности железнодорожных перевозок и, как следствие, снижению их стоимости», – рассказал доцент кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Роман Вадимович Шалымов.
Для создания модели, которая позволит диагностировать повреждения, коллектив разработчиков ЛЭТИ предложил использовать акселерометры в качестве средства диагностики состояния поверхностей рельсов, анализируя движения колес. Но поскольку датчики измеряют все колебания и вибрации (не только при прохождении по неровностям), нужно было выделить только ту составляющую их движения, которая определяется именно формой дефектов рельсов.
«Для решения этой проблемы мы применили вибрационный анализ и вейвлет-обработку, с помощью которых смогли выделить нужные нам параметры в сложном сигнале. Проанализировав полученные характеристики, мы апробировали разработанную модель на экспериментальных данных, полученных при прохождении вагоном МДК фирмы АО «Радиоавионика» по местам с поврежденными рельсами. Предварительно мы измерили глубину этих повреждений с помощью путеизмерительного инструмента и затем сравнили полученные данные с теми, которые были получены с помощью предложенной модели. Результаты показали, что наша разработка позволит заменить ручной путеизмерительный инструмент», – подчеркнул доцент кафедры информационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Михайлович Клионский.
Кроме того, разработчики ЛЭТИ создали алгоритм прогноза развития дефектов на основе регрессионного анализа (набор статистических методов исследования влияния одной или нескольких независимых переменных на зависимую переменную) показаний датчиков мобильной системы диагностики рельсового пути. С этой целью они сравнивали показания датчиков по одному и тому же участку рельсов и выявили физические причины взаимных отличий сигналов (наличие отрясенных шпал, сдвоенные дефекты, изменения скорости движения), а также проанализировали влияние скорости и направления движения по рельсовому пути на локальные сигналы. В частности, ими был определен характер влияния скорости на показания акселерометров при прохождении болтовых стыков, дефектов и оценено влияние изменения скорости движения вагона на вейвлет-модель.
Проект по разработке комплекса диагностики системы колесо-рельс на основе показаний инерциальных датчиков выполнен по гранту Российского Научного Фонда. Данный проект является большой научно-исследовательской работой коллектива разработчиков СПбГЭТУ «ЛЭТИ». В рамках гранта была выполнена задача по увеличению точности измерения глубин неровностей с помощью модели, целью которого выступает ее использование вместо ручного путеизмерительного инструмента.
В коллектив проекта, выполняемого под руководством профессора, декана факультета информационно-измерительных и биотехнических систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александра Михайловича Боронахина также входят доценты кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Роман Вадимович Шалымов, Людмила Николаевна Подгорная, Даниил Юрьевич Ларионов, доцент кафедры информационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Михайлович Клионский и старший преподаватель кафедры ЛИНС СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александра Васильевна Большакова.