КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-29-01428

НазваниеРазработка и исследование методов комплексной диагностики системы колесо-рельс на основе показаний инерциальных датчиков

РуководительБоронахин Александр Михайлович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-605 - Комплексирование и обработка информации в технических системах

Ключевые словадефект, рельс, диагностика, мониторинг, безопасность движения, идентификация, классификация, прогнозирование, датчик, вагон, инерциальный, виброакустика, колебания, вейвлет, фильтрация

Код ГРНТИ51.31.31

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из озвученных АО РЖД тенденций развития (см., например, распоряжение № 777р от 27.04.2016 «Об утверждении Концепции развития систем диагностики и мониторинга объектов путевого хозяйства на период до 2025 года») является формирование комплексной системы диагностики и мониторинга объектов путевого хозяйства. Особое внимание при этом уделяется системам сбора, хранения и обработки полученной диагностической информации и автоматизации обработки измерительных данных от средств диагностики для реализации управленческих решений. При этом указывается, что в рамках модернизации и обновления средств диагностики является необходимым «перейти на преимущественное применение мобильных средств диагностики и малообслуживаемых систем измерения на подвижном составе, включая на высокоскоростном» и обеспечить «использование мобильных средств диагностики с совмещением различных функций на одной подвижной единице (применение комплексных средств контроля) с привязкой результатов контроля к единой координате пути». В соответствии с вышесказанным, проект «Разработка и исследование методов комплексной диагностики системы колесо-рельс на основе показаний инерциальных датчиков» является, безусловно, актуальным. Переход на мобильные, в высокой степени автоматизированные системы диагностики и мониторинга состояния рельсового пути, анонсированный АО РЖД, является принципиально новым шагом в развитии отрасли. До сих пор ставка делалась на совокупность специализированных средств: вагонов-лабораторий и ручных измерителей, что затрудняло обеспечение регулярной диагностики (высокая стоимость и недостаточное количество вагонов-лабораторий, необходимость внедрения окон в и без того плотный трафик для осуществления мониторинга, особенно при использовании ручных измерителей). Среди компаний, выпускающих мобильные средства диагностики рельсового пути большая часть иностранные (например, MerMec). Полноценных отечественных решений, доведенных до массовой эксплуатации, на рынке нет. В этой ситуации выгодно выделяется решение, предложенное коллективом авторов кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ»: малогабаритная интегрированная система диагностики рельсового пути (МИСД РП). В состав системы, помимо прочего, входит набор инерциальных измерительных модулей (ИИМ), позволяющих определять кинематические характеристики тех элементов вагона, на которые они установлены. Анализ этих характеристик в свою очередь позволяет судить о динамике взаимодействия в системе вагон-рельсовый путь, а значит и о наличии поверхностных дефектов рельсов. Система компактна и может быть установлена на практически любую железнодорожную подвижную единицу. Внедрение системы, участие в котором принимали члены коллектива исполнителей проекта, было осуществлено на вагоне-дефектоскопе АВИКОН-03М фирмы АО «Радиоавионика» для расширения номинала контролируемых им параметров. За время функционирования МИСД РП был собран значительный банк данных от ИИМ, полученных в диагностических проездах в составе вагона АВИКОН-03М. Помимо этого среди штатных систем вагона присутствуют магнитометрическая система обнаружения несплошностей рельсов и система видеосъемки рельсов, данные от которых также доступны исполнителям проекта. На их основе является возможным проведение апробации методов и алгоритмов идентификации, классификации и прогноза развития поверхностных дефектов рельсов, разработка которых планируется в рамках настоящего проекта. После нахождения соответствия между соответствующими дефектами в базах данных становится возможным переход к идентификации дефекта в каждом из последовательных проездов, классификации его типа (выкрашивание, рифли, смятие в сварном стыке и т.д.). Выполнение этого шага требует как анализа формы сигналов датчиков при прохождении каждого из типов неровностей поверхности катания, так и выявления в их показаниях влияния состояния элементов конструкции подвижного объекта (вагона). На этом этапе могут быть использованы дополнительные данные видеосъемки рельсовой нити, а также является необходимым применение новых для большинства членов научного коллектива методов анализа и обработки данных, что потребовало привлечения члена коллектива, обладающего соответствующими компетенциями. После планируемого в рамках настоящего проекта создания «масок» дефектов (набора особенностей сигналов, характеризующих прохождение конкретного типа неровностей) становится возможным создание алгоритма автоматизированной идентификации и классификации дефектов с последующим измерением их параметров: глубины, протяженности и др. (в зависимости от типа неровности). Следует отметить, что рельсовый путь – не стационарный объект. Рельсы в процессе эксплуатации подвержены как упругим, так и пластическим деформациям. При этом очевидным является факт ускоренного развития дефектов: при появлении неровности на поверхности катания рельса каждое колесо каждого вагона при каждом проходе по этой неровности будет осуществлять соударение с ней. При этом удар будет тем сильнее, чем глубже проходимая неровность. Такой механизм взаимодействия способствует углублению неровностей с течением времени (как функции прошедшей по участку массы), причем тем быстрее, чем глубже они становится. На основании вышесказанного, становится возможным разработка алгоритма прогнозирования тенденций развития дефектов, вплоть до предсказаний моментов выхода из строя дефектных рельсов. Основу подобного решения может составить регрессионный анализ результатов измерения параметров неровностей в последовательных проездах. При этом становится возможным не только прогнозирование моментов необходимости снижения скорости движения или ремонта на анализируемом участке пути, но и оценивание качества проведенного ремонта (например, снижение глубины дефекта после прохода рельсошлифовальной машины). Кроме того, инерциальные датчики, входящие в состав МИСД РП и используемые для обнаружения поверхностных дефектов рельсов, которые представляют собой короткие импульсные неровности, могут быть использованы для определения длинноволновых неровностей рельсового пути, которые в настоящее время обнаруживают визуальным методом, что приводит к значительным время- и трудозатратам. Поставленные в настоящем проекте задачи не только актуальны, но и возможные пути их решения в России не имеют глубокой проработки. Работа над проектом потребует создания новых подходов, методик и алгоритмов, ранее не применявшихся в системах, эксплуатируемых РЖД. Проект посвящен решению современной актуальной задачи и планируемые к получению в процессе его выполнения результаты имеют несомненную научную новизну и прикладную значимость: при дальнейшем внедрении они могут послужить не только повышению безопасности железнодорожных перевозок, но и обеспечению более высокой энергоэффективности вождения составов благодаря учету информации о текущем состоянии пути и элементов конструкции подвижного объекта при формировании законов управления движением.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты выполнения проекта: - модели пути как акустопровода и как колебательной системы, применимые в дальнейшем при интерпретации данных от инерциальных датчиков, при их эксплуатации в составе мобильных систем диагностики рельсового пути; - обзор методов и средств виброакустики и контроля кинематических характеристик, используемых в настоящее время или имеющих предпосылки к использованию при контроле состояния элементов конструкции вагона и рельсового пути в составе мобильных систем диагностики рельсового пути; - перечень значимых событий – типовых реакций на прохождение вагоном элементов конструкции рельсового пути в показаниях установленных на нем инерциальных датчиков, обладающих достаточным потенциалом к распознаванию; - перечень особенностей в спектрах (фурье- и вейвлет-) инерциальных датчиков, соответствующих осуществлению ранее отобранных значимых событий; - выявление в спектрах (фурье- и вейвлет-) сигналов инерциальных датчиков особенностей, вызванных периодическими движениями элементов конструкции буксового узла и их дефектами; - оценка уровня и природы отличий в показаниях датчиков при последовательном прохождении мобильной системой одного и того же элемента конструкции рельсового пути; - формализованное описание влияния перекрестных связей в системе вагон-рельсовый путь на показания установленных на вагоне инерциальных датчиков; - теоретические модели реакций инерциальных датчиков на прохождение вагоном отобранных элементов конструкции рельсового пути; - оценки достоверности для каждой из предложенных теоретических моделей реакций датчиков, полученные на основе их сопоставления с экспериментальными данными; - список рекомендаций по интерпретации и обработке показаний инерциальных датчиков с целью идентификации и классификации искомых событий; - формализованное описание влияния скорости, направления движения и других факторов на локальные сигналы, регистрируемые в показаниях датчиков мобильной системы диагностики рельсового пути при прохождении одного и того же элемента конструкции рельсового пути; - метод обнаружения длинноволновых неровностей рельсового пути на основании использования показаний инерциальных датчиков; - алгоритм прогноза развития дефекта поверхности катания рельса на основе регрессионного анализа показаний датчиков мобильной системы диагностики рельсового пути в последовательных проездах; - оценка достоверности предложенного алгоритма прогноза, полученная на основе сопоставления полученных прогнозных значений с экспериментальными данными. Направление работ по настоящему проекту является перспективным и передовым не только на уровне отечественных, но и на фоне зарубежных разработок в этой области, где мобильным системам диагностики уделяется пристальное внимание. Предложенный проект поднимает целый пласт как теоретических, так и прикладных научных задач, решение которых возможно только в комплексе. Результаты работы будут соответствовать мировому уровню исследований в сфере диагностики состояния рельсового пути (в первую очередь в части методик и алгоритмов обработки показаний датчиков; прогнозных алгоритмов; многофакторной оптимизации). Предложенные модели, методики и алгоритмы, полученные оценки, формализованные описания и рекомендации могут быть востребованы специалистами как в области железнодорожной техники (в первую очередь фирмами, занимающимися производством путеизмерительного оборудования), так и в других областях, где находят или могут найти применение инерциальные датчики. Полученные теоретические модели, проанализированные эмпирические данные, результаты их сопоставления и выработанные практические рекомендации в области создания мобильных систем диагностики рельсового пути должны создать основу для их широкого внедрения на железной дороге. Результаты работы создадут предпосылки для уменьшения нагрузки на бригады путеобходчиков, благодаря внедрению средств и методов автоматизированного обнаружения и классификации дефектов поверхности катания рельсов. Что, в совокупности с реализацией прогнозных алгоритмов, предложенных в настоящем проекте, должно не только повысить безопасность железнодорожных перевозок, но и существенно упростить составление графика путеремонтных бригад, обеспечив своевременность ремонта при сокращении издержек на диагностику. Подобный подход и реализующие его решения будут интересны и востребованы не только в России, но и за рубежом. Помимо прочего, полученные в ходе выполнения настоящего проекта результаты найдут свое применение при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ», как в рамках НИР студентов и аспирантов, так и в составе курса «Методы обработки измерительной информации».

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Рассмотрены существующие подходы к созданию моделей рельсового пути и вагона как колебательной системы, а также возможности анализа их взаимодействия. Выбранная в качестве основной модель позволяет учитывать любые воздействия, подавая их на вход модели, но не вводя их в нее аналитически, при этом является относительно простой. Взаимодействие элементов системы вагон-рельсовый путь при движении поезда вызывает колебания с различными частотами. Эти колебания могут быть вызваны прохождением характерных расстояний, обусловленных строением пути или подвижного состава, например, межшпального или межвагонного расстояний. Либо прохождением дефектов поверхности катания рельса и колеса. Использование в исследовании методов вибрационной диагностики вызвало необходимость рассмотрения также и виброакустических моделей рельсового пути. Так как анализ колебательной системы вагон-рельсовый путь требует нагрузки, единственным как методом, так и средством контроля кинематических характеристик элементов конструкции в этой системе являются диагностические вагоны различных типов. Наибольший интерес в рамках настоящего проекта представляет система МИСД РП, основанная на инерциальных модулях, установленных в непосредственной близости к зоне контакта колесо-рельс (на буксах). С точки зрения акустики, использование ультразвуковых средств диагностики является классическим методом, применяемым и на вагонах-дефектоскопах, и в ручных средствах измерения, однако обладает некоторыми недостатками. При этом видится возможным использовать в диагностике элементов конструкции тележки вагона подходы, используемые в вибродиагностике станков с использованием вейвлет- и Фурье анализа. В сигналах акселерометров, полученных при проезде МИСД РП в составе вагона-дефектоскопа содержится информация о состоянии элементов буксового узла, прохождении дефектов поверхности катания рельса и поверхности катания колеса, о проходимых неровностях, связанных с элементами конструкции пути, а также о состоянии балластного слоя. Выявление локальных сигналов, соответствующих отобранным для анализа событиям (в первую очередь неровностям рельсов) предполагает последовательное использование фильтрации, корреляционного анализа и пороговой обработки, что позволяет существенно снизить вероятность ошибок 1 рода. При многократных проездах по одним и тем же элементам пути отмечена высокая повторяемость сигналов акселерометров. При этом при прохождении одного и того же элемента в разные стороны, наблюдаются некоторые различия, связанные с различной динамикой системы из-за различий ее механических свойств, вызванных дефектами балластного слоя. Анализ и формализованное описание этих отличий являются важными задачами следующего этапа проекта. При рассмотрении вагона и рельсового пути как единой колебательной системы отмечены эффекты, связанные с перераспределением энергии внутри этой системы. Получена модель, позволяющая учесть эту связь в показаниях инерциальных датчиков.

 

Публикации

1. Большакова А.В., Боронахин А.М., Бохман Е.Д., Ларионов Д.Ю., Подгорная Л.Н., Ткаченко А.Н., Шалымов Р.В. The Possibility of Using Inertial Sensor Data for Detection of Long Wavelength Rail Irregularities 29th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2022, 2022, 29th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2022, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.23919/ICINS51784.2022.9815439

2. Большакова А.В., Боронахин А.М., Клионский Д.М., Ларионов Д.Ю., Ткаченко А.Н., Шалымов Р.В. Railway Track Diagnostics by Combined Kinematic and Vibroacoustic Analysis Proceedings of the 2022 IEEE International Conference "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies", IT and QM and IS 2022, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/ITQMIS56172.2022.9976711

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Осуществлена интерпретация показаний инерциальных датчиков в составе мобильной системы диагностики рельсового пути. С этой целью составлены теоретические модели реакций датчиков на прохождение вагоном отобранных элементов конструкции рельсового пути. Определены закономерности, наблюдаемые в сигналах при прохождении стрелочного перевода (размещение болтовых стыков, особенности в спектрах акселерометров и гироскопов). Модель прохождения болтового стыка (предназначенная для его идентификации при сравнении со сварным стыком) определена как набор частотных особенностей (выявленных в скалограммах показаний акселерометров). Для дефектов рельсового пути (как коротких, так и длинных) разработаны модели, позволяющие не только выявлять их прохождение в сигналах датчиков ИИМ, но и определять их параметры (глубину и длину неровности) с достаточной точностью. Проработаны варианты таких моделей на основе дискретного и непрерывного вейвлет-преобразования. Определены преимущества последней в силу лучшего частотного (масштабного) разрешения. Проанализирована зависимость качества восстановления формы неровности при применении различных типов материнских вейвлетов. Предложена модель для волнообразных (периодических) дефектов в виде косинусоидальной зависимости с переменной амплитудой и квазипостоянной частотой. Предложенные теоретические модели и апробированы на экспериментальных данных полученных при прохождения вагоном, с установленной на нем мобильной системой диагностики рельсового пути. Показана их общая адекватность: выявлены ожидаемые особенности в сигналах при прохождении стрелок и стыков. Показан эффект применения модели импульсного дефекта (как короткого, так и длинного). На основе данных системы видеофиксации подтверждена корректность модели периодической неровности. Получены качественные и численные оценки достоверности для всех предложенных теоретических моделей реакций датчиков. Полученные оценки основаны на воспроизводимости регистрируемых сигналов и сравнении с результатами альтернативных источников информации (промеры ручным шаблоном, данные видеофиксации). По итогам составлен список рекомендаций по интерпретации и обработке показаний инерциальных датчиков с целью идентификации и классификации событий, соответствующих прохождению искомых элементов конструкции рельсового пути. Предложенные решения учитывают влияние состояния колес; обеспечение высокой вероятности выявления проходимого элемента рельсового пути с использованием корреляционного анализа; выделения в сигналах датчиков участков, соответствующих стрелочным переводам и болтовым стыкам; выделение формы импульсных (коротких и длинных) неровностей на фоне всех прочих колебаний и вибраций пути; идентификацию и измерение параметров периодических (волнообразных) неровностей; повышение точности определения параметров дефектов. Разработан алгоритм прогноза развития дефектов поверхности катания рельсов на основании показаний инерциальных датчиков в последовательных проездах. С этой целью проведен сопоставительный анализ показаний датчиков в последовательных проездах по одному и тому же участку рельсового пути. Показана хорошая воспроизводимость сигналов, полученных при различных условиях прохождения одного и того же элемента пути. Проанализированы ситуации отсутствия такой воспроизводимости и выявлены физические причины взаимных отличий сигналов (наличие отрясенных шпал, сдовенные дефекты, изменения скорости движения). Осуществлен анализ влияния скорости и направления движения по рельсовому пути на локальные сигналы, регистрируемые в показаниях датчиков мобильной системы диагностики рельсового пути при прохождении одного и того же элемента конструкции рельсового пути. Формализован учет этого влияния на проведение корреляционного анализа, а значит снижена вероятность не выявления дефектов рельсов. Определен характер влияния скорости на показания акселерометров при прохождении болтовых стыков и дефектов. Оценено влияние изменения скорости движения вагона на полосу пропускания вейвлет-фильтра модели импульсной неровности. На основе регрессионного анализа показаний датчиков мобильной системы диагностики рельсового пути в последовательных проездах разработан алгоритм прогноза развития дефекта поверхности катания рельса. Обоснована квадратичная модель развития дефекта. В качестве регрессионного параметра взята совокупная масса проехавших по анализируемому участку пути составов. Результаты прогноза прошли сравнение с эмпирическими данными (на основе четырех последовательных проездов), подтвердив достоверность предложенного алгоритма (с точностью до десятых долей миллиметра).

 

Публикации

1. Большакова А.В., Боронахин А.М., Клионский Д.М., Ларионов Д.Ю.,Ткаченко А.Н., Шалымов Р.В. Peculiarities of Vibration Signal Processing Techniques Application to Inertial Way Diagnostics Proceedings of the 2023 IEEE International Conference "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies", IT and QM and IS, Proceedings of the 2023 IEEE International Conference "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies", IT and QM and IS (год публикации - 2023)

2. Большакова А.В., Боронахин А.М., Ларионов Д.Ю.,Ткаченко А.Н., Шалымов Р.В., Чуряев Э.Д. Cross-Coupling Analysis of Accelerations of the Axle Boxes of the Car Bogie Proceedings of the 2023 IEEE International Conference "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies", IT and QM and IS, Proceedings of the 2023 IEEE International Conference "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies", IT and QM and IS (год публикации - 2023)

3. Большакова А.В., Боронахин А.М.,Бохман Е.Д.,Ларионов Д.Ю.,Подгорная Л.Н., Ткаченко А.Н., Шалымов Р.В. Using Wavelet Transform to Analyze Railway Car Dynamics within Inertial Sensor Data 2023 30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 2023 30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.23919/ICINS51816.2023.10168395

4. Боронахин А.М., Большакова А.В., Клионский Д.М., Ларионов Д.Ю.,Шалымов Р.В. Методы обработки сигналов акселерометров на железнодорожном транспорте с использованием вейвлет преобразования Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, - (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Результаты выполнения проекта будут востребованы предприятиями, производящими путеизмерительную и дефектоскопную технику. Усовершенствованная технология инерциальной диагностики даст им возможность модифицировать имеющиеся диагностические комплексы, а также разработать новые. В потенциале полученные результаты могут быть тиражированы и применены к широкому кругу подвижного состава АО РЖД при неизбежной модификации подхода к контролю состояния железнодорожной инфраструктуры. Некоторые из полученных теоретических соотношений и выявленных экспериментальных закономерных закономерностей могут лечь в основу дальнейших исследований в области обеспечения безопасного железнодорожного сообщения.