Monitorowanie stanu technicznego infrastruktury torowej w miastach

Monitorowanie stanu technicznego infrastruktury torowej w miastach
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Wiedza o stanie infrastruktury torowej w mieście jest kluczowa choćby dla racjonalnego planowania inwestycji infrastrukturalnych czy naprawy torowisk. Torowisk tramwajowych nie da się jednak monitorować korzystając z metod używanych na kolei. System monitorowania dedykowany infrastrukturze tramwajowej powstał na Politechnice Poznańskiej i od dwóch lat jest użytkowany w tamtejszym Miejskim Przedsiębiorstwie Komunikacyjnym.

W przypadku systemów tramwajowych częste monitorowanie toru ma istotny wpływ na właściwe planowanie i realizację procesu transportowego oraz obniżenie kosztów utrzymania infrastruktury. Dodatkowo kwestie bezpieczeństwa i ograniczania kosztów eksploatacji systemów transportowych nabierają coraz większego znaczenia. Ma to związek z renesansem komunikacji tramwajowej w Europie i na świecie, co powoduje, że linie tramwajowe wracają do łask, a tramwaje z roku na rok przewożą coraz większą liczbę pasażerów [1]. Pomimo ewidentnych korzyści płynących z gromadzenia wiedzy na temat intensywności zużywania infrastruktury torowej systemy tego typu nie są powszechne

Głównym założeniem budowy systemu monitorowania układu biegowego pojazdu szynowego jest stwierdzenie, że wymuszenie od toru, zmienne w czasie normalnej eksploatacji, może być podstawą wnioskowania o stanie układu biegowego pojazdu oraz samego toru. Prowadzone badania nad wykorzystaniem wymuszenia operacyjnego do oceny aktywności wibroakustycznej pojazdu dowodzą, że istnieje możliwość kompleksowej oceny stanu poszczególnych elementów układu biegowego pojazdu oraz toru w czasie normalnej eksploatacji bazując na sygnałach przyspieszeń drgań wybranych elementów konstrukcyjnych pojazdu [2,3]. W związku z powyższym przyjęto następujące założenia metodyczne:
- monitorowanie stanu pojazdu oraz stanu toru realizowane będzie z pozycji pojazdu (jednostka centralna systemu będzie zainstalowana na pojeździe),
-w procesie monitorowania stanu jako podstawowy nośnik informacji wykorzystany będzie sygnał wibroakustyczny (pomiar przyspieszeń drgań),
-badane zjawiska oceniane są wyłącznie jakościowo, monitorowane jest przekroczenie dopuszczalnych poziomów wybranych parametrów drgań,
- system musi być kompatybilny z istniejącymi systemami informatycznymi tramwaju i nie zakłócać ich działania,
- architektura systemu powinna być otwarta tak, aby możliwe było rozszerzenie jego funkcjonalności w trakcie użytkowania,
-poszczególne przetworniki stanowią system rozproszony ułatwiający skalowanie systemu w zależności od typu pojazdu, -łatwość instalacji i niskie koszty implementacji układu monitorowania. System spełniający takie wymagania może być zastosowany we wszystkich tramwajach eksploatowanych w całej Polsce i za granicą. Bazując na wskazanych założeniach oraz doświadczeniu uzyskanym z prowadzonych badań i dyskusji ze specjalistami z MPK Poznań ustal ono, że system powinien być przystosowany do monitorowania intensywności degradacji infrastruktury torowej i detekcji zjawisk niepożądanych, tj:
-korugacji (zużycie faliste powierzchni tocznej szyn),
- pęknięcia szyn,
- zmiana parametrów geometrycznych tor u (przechyłka, wichrowatość itp.),
-lokalna zmiana sztywności podtorza (ugięcie toru),
- jakościowa ocena rozjazdów i krzyżownic,
- jakościowa ocena zużycia toków

Wymienione powyżej założenia stały się podstawą do opracowania sprawnej technicznie i funkcjonalnie architektury systemów monitorowania stanu toru i pojazdu on-line

Architektura systemu

Dla obniżenia docelowych kosztów aplikacji przeprowadzono optymalizację sprzętową, której efektem jest unifikacja modułów czujników stosowanych w systemach monitorowania stanu tor u i układu biegowego tramwaju oraz zastosowanie wspólnej architektury jednostki akwizycji danych (JAD). Opracowany system monitorowania stanu technicznego tor u i układu biegowego lekkiego pojazdu szynowego składa się z przetworników drgań, zintegrowanego przetwornika pogodowego, żyroskopów i inklinometrów oraz odometrów, a także modułu GPS włączonych w magistralę danych CAN, okablowania, JAD wraz zoprogramowaniem, modułu łączności z serwerem (GPRS lub Wi- Fi) oraz serwera systemu wraz z niezbędnym oprogramowaniem. Strukturę systemu schematycznie przedstawiono na rysunku 1

Funkcjonalnie system monitorowania podzielony został na następujące podsystemy:
-podsystem pokładowy (umieszczony na pojeździe),
- podsystem serwera i przetwarzania danych (umieszczony na serwerach Politechniki Poznańskiej lub serwerze klienta/odbiorcy finalnego),
- podsystem użytkownika (zainstalowany na kilku wybranych komputerach)

Moduły i czujniki wchodzące w skład podsystemu pokładowego zostały połączone za pomocą szeroko stosowanej, wysokoprzepustowej magistrali CAN 2.0B. Wykonane elementy systemu zostały dostosowane do konstrukcji mechanicznej oraz pozostałych urządzeń i instalacji elektrycznych tramwajów, tak by nie zakłócały ich prawidłowej pracy. Opracowane czujniki zostały przystosowane do montażu na elementach konstrukcyjnych pojazdu (obudowy łożysk kołowych, rama wózka, pudło pojazdu) bez ingerencji w ich strukturę, w sposób stabilny, pozwalający na realizację funkcji pomiarowych, a także umożliwiający ich swobodny demontaż w razie konieczności wprowadzenia ewentualnych zmian podczas trwania testów eksploatacyjnych. Jednostka akwizycji danych oraz moduł łączności zostały przystosowane do montażu w szafie elektrycznej tramwaju. Widok ogólny drugiej generacji prototypu podsystemu pokładowego przed montażem na pojeździe przedstawiono na rysunku 2.

Zaplanowane i przeprowadzone testy laboratoryjne systemu monitorowania stanu technicznego lekkiego pojazdu szynowego, pozwoliły na wyznaczenie amplitudowoczę-stotliwościowych charakterystyk drganiowych modułów przeworników drgań. W toku prowadzonych badań określono czułości wykonanych modułów przetwornikowych oraz potwierdzono ich przydatność do prowadzenia monitorowania stanu technicznego tor u i układu biegowego pojazdu niezależnie od warunków pogodowych

W celu przeprowadzenia badań eksploatacyjnych zainstalowano systern monitorowania stanu infrastruktury torowej oraz monitorowania stanu układu biegowego na dwuwagonowym tramwaju typu Moderus Alfa numer inwentarzowy 88-89. Wygląd pojazdu oraz schematyczne rozmieszczenie punktów pomiarowych przedstawiono na rysunku 3

Zasilanie Jednostki Akwizycji Danych (JAD) oraz przetworników pomiarowych pochodziło z wewnętrznej instalacji 24V DC, buforowanej przez zestaw akumulatorowy, stanowiący wyposażenie pojazdu szynowego

Przetworniki przyspieszeń drgań zostały rozlokowane w punktach pomiarowych wyznaczonych symulacyjnie w oparciu o modele numeryczne tramwajów (modele MBS) wnastępujących miejscach:
- rama wózka, strona lewa (RWL),
- rama wózka, strona prawa (RWP),
- pudło pojazdu, nad pierwszym wózkiem (PP),
- obudowy łożysk atakującego zestawu kołowego

W systemie umieszczono również dodatkowy moduł pozycjonowania pojazdu, oparty o indukcyjny licznik obrotów koła tramwajowego (nawigacja zliczeniowa typu "dead recko-ning")

Jednostka Akwizycji Danych została umieszczona w kabinie motorniczego, w obudowie mechanizmu otwierania drzwi, umożliwiając bezproblemowe podłączenie się do instalacji elektrycznej pojazdu. Lokalizacja ta umożliwia również sprawowanie nadzoru nad pracą JAD bez potrzeby ingerencji w instalację tramwaju. Antena GPS została zamontowana na dachu pojazdu, zwykorzystaniem istniejących przepustów

Na tramwaju typu Moderus Alfa system jest użytkowany od czerwca 2012 roku. W czasie całego okresu trwania testów tramwaj jest eksploatowany w normalnym ruchu liniowym z pasażerami. Ze względu na liczne, trwające w Poznaniu remonty, linie tramwajowe zmieniały swoje trasy, dzięki czemu badany obszar uległ rozszerzeniu w stosunku do pojedynczej trasy jednej linii. Tramwaj pomiarowy przejeżdżał średnio ok. 3 500km miesięcznie, co pozwoliło na zebranie znacznej ilości danych pomiarowych

Efekty monitorowania

Pierwszym efektem działania systemu monitorowania stanu technicznego toru była inwentaryzacja jakości infrastruktury tor owej na wybranych sekcjach poznańskiej sieci tramwajowej. Ponieważ opracowanie, przyjęcie iweryfikacja standardów jakości torów oraz jej utrzymania jest wewnętrzną sprawą organizatora transportu miejskiego to brak jest ogólnych wytycznych co do wartości krytycznych przyspieszeń drgań rejestrowanych podczas jazdy. Dlatego opracowano procedurę adaptacyjnej detekcji miejsc na torach, które wymagają natychmiastowej interwencji służb torowych. Jednocześnie zadbano, żeby kryterium określania miejsc najbardziej niebezpiecznych z punktu widzenia rejestrowanych wymuszeń od toru uwzględniało również preferencje jakości przewozów ustalanych indywidualnie przez zleceniodawcę usług transportowych

Wszystkie zebrane dane mogą być wizualizowane w aplikacji użytkownika. Jest to w pełni konfigurowalne środowisko typu C4i, które w sposób syntetyczny integruje bardzo zaawansowane funkcje administracyjne systemu z graficznymi możliwościami przedstawiania danych. Przykładowy ekran omawianej aplikacji przedstawiono na rysunku 4

Na rysunku 4 widać typowe wykresy, które pozwalają na obserwację danych zbieranych przez system pokładowy w funkcji czas u lub drogi względnej. Jednocześnie te same dane mogą być wizualizowane i oceniane w funkcji kilku zmiennych (tj. chwilowa prędkość jazdy, bezwzględne położenie geograficzne, zdefiniowany wcześniej obszar/sekcja infrastruktury, itp.) z bezpośrednim naniesieniem wyników analiz na mapę i zaznaczeniem punktów krytycznych (trójkąty ostrzegawcze)

Najczytelniejszym przykładem efektów monitorowania stanu infrastruktury torowej jest detekcja miejsc o najwyższym stopniu dynamicznego oddziaływania na pojazd. Bazując na wielokrotnych przejazdach "tramwaju pomiarowego" przez te same sekcje tor owe uzyskane dane można było poddać wiarygodnej analizie statystycznej. Dla weryfikacji poprawności funkcjonowania systemu dokonano oględzin miejsc wskazanych przez system jako najbardziej niebezpieczne. Przykładowe wyniki weryfikacji przeprowadzonych analiz wskazano na rysunku 5 i 6

Potwierdzenie wizją lokalną wskazanych przez system "gorących miejsc" na infrastrukturze torowej daje podstawy do automatyzacji prowadzonych analiz oraz gradacji stopnia wyeksploatowania torów. Takie doraźne korzyści z zainstalowania sytemu pozwalają na ułożenie harmonogramu napraw torowisk według nowego kryterium - dynamicznego oddziaływania toru na pojazd. Rozwinięcie pełnych możliwości w zakresie monitorowania stanu i dynamicznego określania miejsca oraz zakresu niezbędnych prac naprawczych torowiska będzie możliwe dopiero po zebraniu danych długookresowych. Tylko na bazie takich danych jest możliwe wyznaczenie intensywności zużywania szyn, a na ich podstawie predykcji stanów przyszłych umożliwiającej planowanie inwestycji infrastrukturalnych i działań naprawczych na sieci tramwajowej

To samo kryterium proponuje się wykorzystać do racjonalizacji wprowadzanych ograniczeń prędkości na sieci tramwajowej. Jak wynika zdotychczasowych doświadczeń zeksploatacji przedstawianego systemu monitorowania, wprowadzane ograniczenia prędkości na danych sekcjach nie maj ą nic wspólnego z rzeczywistym oddziaływaniem pojazdu na tor i toru na pojazd. Zebrane dane podważają zasadność stosowania ograniczeń prędkości
jazdy bazujących tylko na danych z toromierzy, czy informacji o ostatnich remontach. Dobrym przykładem ilustrującym zagadnienie wyznaczania limitów prędkości jest torowisko w ciągu ulicy Król owej Jadwigi od Ronda Rataje do Mostu Dworcowego (rys. 7)

Na odcinku Rondo Rataje -ul. Serafitek limit 30 km/h jest notorycznie ignorowany przez motorniczych. Oczywiście jest to karygodne, natomiast okazało się, że efekty dynamiczne w postaci drgań są na tym odcinku torowiska niższe niż na innych sekcjach o wyższych parametrach technicznych przy tych samych prędkościach jazdy - ok 50 km/h. W związku z powyższym można zaproponować nowe kryterium doboru limitów prędkości w oparciu o rzeczywiste oddziaływanie pojazd-tor

Literatura

Raczyński J.: Miejski transport szynowy w Unii Europejskiej. Transport Miej- ki i Regionalny, 2005, nr 6, s. 2 + 9
Czechyra B.: Operational excitations in experimen-tal research into dynamics of Light Rail Vehic-les, XXIV Symposium Vibrations in Phy- ical Systems, Poznan - Bedlewo, May 12-15, 2010,
Czechyra B., Firlik B., Tomaszewski F.: Technical state monitoring met hod of light rai l track wear Proceedings of the Fourth European Workshop on Structural Health Monitoring 2008, Edited by: UHL, OSTROWSKI, HOLNICKI-SZULC; DEStrech Pu-blications, Inc., 439 North Duke Street Lancaster, Pennsylvania 17602 USA; page 167-174; ISBN 978-1-932078-94-7
Niziński S.: Eksploatacja obiekt ów technicznych, Bibliotek Problemów Eksploatacji, Radom 2002;
ISBN 83-7204-284-5
Gewert M., Skoczylas Z.: Elementy anal izy wektorowej. Teoria, przykłady, zadania wyd. 6, Oficyna Wydawnicza GiS, Wrocław 2010; ISBN: 978-8362780-05-1
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Monitorowanie stanu technicznego infrastruktury torowej w miastach

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!