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

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 проекта 22-29-01428

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

Руководитель Боронахин 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

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

Код ГРНТИ51.31.31

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.1109/ITQMIS56172.2022.9976711

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)
10.23919/ICINS51816.2023.10168395

4. 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)

5. 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)

6. 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)

Публикации