СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ И УДАЛЕННОГО МОНИТОРИНГА КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Полезная модель относится к дистанционным измерительным системам и предназначена для использования в системах диспетчерского контроля и мониторинга контактной сети железнодорожного транспорта.
Высокоскоростное движение поездов ставит жесткие требования к объектам и устройствам инфраструктуры железнодорожного транспорта, в частности, к контактной сети, от механической прочности, геометрических параметров и технического состояния элементов которой зависит безопасность и бесперебойность движения поездов.
Широко распространенный на сегодняшний день подход по обслуживанию и ремонту контактной сети железнодорожных путей заключается в выявлении состояния элементов контактной сети путем периодических осмотров и непосредственных измерений. Измерения, выполняемые вручную, и периодические осмотры контактной сети являются экономически неэффективными и дают недостаточно точные результаты.
Известен бесконтактный способ контроля технического состояния контактной сети, заключающийся в оценке износа и провиса проводов по результатам их видеосъемки (патент РФ №2066645, МПК В61К 9/08, публикация 1996 г.). Основной недостаток данного способа - крайне низкая точность и достоверность получаемых оценок, обусловленных малым пространственным разрешением видеокамеры и зашумленностью формируемого изображения.
Известен способ контроля степени износа контактного провода, заключающийся в применении матричных вихретоковых преобразователей, размещаемых на токосъемной лыже вагона-лаборатории (патент РФ №2108936, МПК В61К 9/08, публикация 1998 г.). Основными недостатками данного подхода являются: неработоспособность способа при оценке износа двухпроводной контактной сети; значительные сложности по интерпретации и привязке к местности результатов электромагнитных измерений сечения провода.
Известно устройство для замера и регистрации износа контактного провода, содержащее установленные на токоприемнике подвижного средства кронштейны с линейным осветителем контактного привода, расположенным вдоль полоза токоприемника и соединенным с выходом источника питания, и сборкой светоприемников, а также блок обработки и индикации информации, при этом в качестве светоприемников использованы установленные в один ряд параллельно полозу токоприемника и линейному осветителю телевизионные камеры с объективами, светофильтрами и линейными многоэлементными фотоприемными устройствами со схемами управления, а объектом наблюдения каждой телекамеры при движении вагона-лаборатории является светящаяся полоса на контактном проводе, при этом ширина площадки износа определяется числом ячеек камеры, имеющих повышенную относительно соседних элементов яркость (патент РФ №2120866, В60М 1/12, В60М 1/13, публикация 1998 г.).
Известен способ контроля состояния контактного провода, заключающийся в том, что контактный провод засвечивают посредством оптического устройства, смонтированного на токоприемнике транспортного средства, и регистрируют высоту контактного провода, при этом с помощью оптического устройства регистрируют динамику деформации контактного провода - его упругую линию (провис) при движении транспортного средства, сравнивая фактическую величину момента инерции исследуемого сечения, исходя из высоты контактного провода, замеренной при помощи оптического устройства, и расчетную величину момента инерции того же сечения, полученного в результате замеров упругой линии провода (провиса) (патент РФ №2134203, МПК В60М 1/12, публикация 1999 г.).
Известный способ контроля состояния контактного провода осуществляется посредством устройства, содержащего закрепленное на токоприемнике основание с установленной на нем оптической системой, состоящей из датчика, включающего в себя источник и приемник светового излучения, расположенные по разные стороны от контактного провода, при этом основание закреплено посредством рычажной системы с исключением непосредственного контакта с контактным проводом, а установленная на нем оптическая система включает в себя ряд датчиков, размещенных вдоль оси контактного провода, причем каждый датчик представляет собой систему из двух излучателей, расположенных по разные стороны от контактного провода и выполненных с возможностью формирования световых лучей малой расходимости, и двух приемников светового излучения.
Известен способ диагностирования локального износа контактной сети электропитания железнодорожных составов, включающий съемку контактной сети посредством тепловизионного сканера, установленного на крыше движущегося в составе поезда вагона, последующее формирование изображения контактной сети с помощью компьютерных средств и анализ неоднородности температурного поля каждого провода, далее выделяют участки, характеризующиеся повышенной температурой каждого контактного провода по отношению к заданным температурным пределам и выявляют степень локального износа контактной сети и определяют на местности места локального повышенного износа проводов контактной сети, подлежащих замене (патент РФ №2264930, МПК В60М 1/12, G01N 3/56, публикация 2005 г.).
Известна система контроля параметров контактной сети железной дороги, которая размещена на оборудованном механизмом пантографа самоходной подвижной единице железнодорожного транспорта, и содержит датчик высоты подвеса контактного провода, датчик положения контактного провода в плане, датчик температуры окружающего воздуха, источник питания, блок сбора и передачи сигналов, пульт управления, устройство для определения положения контактного провода в плане с размещенными в нем n датчиками положения контактного провода (патент РФ №68977, МПК В60М 1/12, публикация 2007 г.).
Оценка состояния контактной сети с помощью вагона-лаборатории дает возможность в процессе проезда вагона по линии обеспечить измерение высоты подвески контактного провода, его износа, нажатие полоза токоприемника на контактный провод, напряжение в контактной сети.
Недостатком известных систем контроля состояния контактной сети с помощью вагонов-лабораторий является то, что эти измерения носят периодический характер, при этом не обеспечивается возможность наблюдения за напряженно-деформированным состоянием элементов контактной сети.
Для обнаружения на ранней стадии изменений состояния контактной сети необходим постоянный непрерывный контроль ее элементов. Современная система текущего содержания контактной сети требует использования измерительных систем, которые делают возможным автоматический контроль состояния элементов контактной сети без больших затрат времени и с минимальным привлечением персонала.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание системы диагностики и удаленного мониторинга контактной сети железной дороги, обеспечивающей непрерывный контроль параметров элементов контактной сети в режиме реального времени, анализ и выявление сущности причин возникновения аварийных ситуаций для своевременного их предупреждения.
Технический результат, получаемый при реализации предложенной системы, заключается в получении объективной оценки о состоянии контактной сети в режиме реального времени и возможности принятия своевременных превентивных ремонтных мероприятий по замене дефектных участков контактной сети.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в следующем.
Система диагностики и удаленного мониторинга (СДУМ) контактной сети железной дороги содержит датчики параметров технического состояния элементов контактной сети, которая включает размещенные на анкерных опорах контактной сети консоли, несущий трос, струны, контактный провод, грузокомпенсирующие устройства несущего троса и контактного провода. Стационарные блоки сбора и передачи информации устанавливаются по всей длине контактной сети на несущем тросе и контактном проводе непосредственно за роликами блоков грузокомпенсирующих устройств и/или над гирляндами грузов грузокомпенсирующих устройств, размещенных на анкерных опорах контактной сети. Каждый блок сбора и передачи информации содержит комплект датчиков параметров технического состояния элементов контактной сети, включающий датчики виброакустики и вибродиагностики элементов контактной сети, датчик магнитного поля и датчик температуры, а также автономный источник питания, микропроцессорное устройство для первичной аналого-цифровой обработки информации с датчиков блока, устройство радиосвязи между блоком и размещаемым на узловой станции промежуточным концентратором информации СДУМ, который соединен посредством проводной и/или беспроводной связи с единым концентратором информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги.
На фиг.1 изображена структурная схема блока сбора и передачи информации системы диагностики и удаленного мониторинга; на фиг.2 показаны места установки блоков сбора и передачи информации.
Система диагностики и удаленного мониторинга (СДУМ) контактной сети железной дороги содержит блоки сбора и передачи информации 1, закрепленные на участках несущего троса 2 и контактного провода 3 непосредственно за роликами блоков 4 грузокомпенсирующих устройств и над гирляндами грузов 5 грузокомпенсирующих устройств, которые размещены на анкерных опорах 6 контактной сети, расположенных на расстоянии 1200-1600 метров друг от друга по всей длине контактной сети.
Для контроля за состоянием контактной сети на одном анкерном участке (между двумя соседними анкерными опорами) достаточно размещение двух стационарных блоков сбора информации.
Каждый блок сбора и передачи информации 1 содержит комплект 7 датчиков, включающий объединенные на одной микросхеме датчик виброакустики (пассивный датчик) и датчик вибродиагностики (трехкоординатный акселерометр), датчик магнитного поля (регистрация перемещения) и датчик температуры (не показаны).
Блок сбора и передачи информации 1 содержит также автономный источник питания 8, микропроцессорное устройство (МПУ) 9, устройство радиосвязи 10 между блоком и размещаемым на узловой станции железной дороги промежуточным концентратором информации СДУМ, а также элемент сопряжения 11 системы передачи данных блока (СПД) 1.
Промежуточный концентратор информации соединен посредством проводной и/или беспроводной связи с единым концентратором информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги.
Работа предложенной системы непрерывного во времени автоматизированного контроля состояния элементов контактной сети основана на использовании вибродиагностики, акустической эмиссии посредством регистрирующей аппаратуры (датчиков) блока сбора и передачи информации.
При возникновении повреждений отдельных элементов контактной сети в них происходит перераспределение внутренних усилий вследствие снижения жесткости, в результате чего меняются передаточные функции и формы и энергии колебаний, а также снижаются частоты собственных колебаний и увеличиваются амплитудные колебания. Анализ этих явлений производится путем установления вынуждающей силы и физических характеристик возникающих колебаний.
Блок сбора и передачи информации осуществляет анализ параметров (мгновенных фактических значений амплитуд ускорений вынужденных колебаний, основных частот собственных колебаний, собственные формы колебаний, логарифмических декрементов колебаний, напряжений, температур, частотного спектра) с частотой до 500 раз в секунду, регистрируя быстротекущие процессы.
Посредством микропроцессорного устройства, входящего в блок сбора и передачи информации, осуществляется управление, первичная обработка информации с датчиков блока.
Элемент сопряжения СПД блока обеспечивает стыковку, регистрацию, безопасность в сети СПД устройств системы СДУМ контактной сети. Это связано с необходимостью выполнения требований по безопасному подключению к общетехнологической сети передачи данных железной дороги. Стыковка осуществляется путем включения в цепочку передачи данных следующих элементов:
- разделительного коммутатора с программной функцией аппаратное шифрование (на базе AIM-слота) и широко известного программного обеспечения Cisco IOS, обеспечивающего безопасность при передаче данных через публичные сети;
- аппаратного Firewall на базе межсетевого экрана Cisco Secure Private Internet Exchange (PIX) Firewall, позволяющего реализовать защиту корпоративных сетей. Схема защиты, базируется на применении алгоритма адаптивной безопасности (adaptive security algorithm - ASA). Этот устойчивый алгоритм обеспечивает безопасность на уровне соединения на основе контроля информации об адресах отправителя и получателя, последовательности нумерации пакетов TCP (Transmission Control Protocol), номерах портов и добавочных флагах TCP.
Полученные результаты по каналу радиосвязи передаются на промежуточные концентраторы СДУМ, расположенные через 15-20 км на узловых станциях по всей длине контактной сети. Промежуточные концентраторы СДУМ обеспечивают сбор и анализ информации, полученной от блоков сбора и передачи информации с последующей передачей данных в единый концентратор информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги.
Оценка состояния контактной сети производится в автоматическом режиме по результатам анализа данных, который выполняется программным обеспечение на сервере СДУМ, расположенным в информационно-вычислительном центре дороги.
Анализ состояния элементов контактной сети базируется на экспертно-расчетном методе. Данный метод основан на фундаментальных свойствах конструкций контактной сети, заключающийся в связи ее параметров жесткости с параметрами собственных и вынужденных колебаний. Расчеты выполняются на конечно-элементной модели, откалиброванной по экспериментально определенным параметрам матрицы передаточных функций, спектру собственных колебаний, формам колебаний с использованием модального анализа. Таким образом существуют два этапа оценки состояния элементов контактной сети:
Экспресс анализ - выполняемый непосредственно блоком сбора и передачи информации. Заключается в сравнении установленных (нормативными документами) граничных параметров контролируемых величин с измеренными. По результатам сравнения формируется сигнал в системе.
Мат-анализ - по измеренным и переданным блоком значениям строится математическая модель позволяющая произвести оценку остаточного ресурса элементов контактной сети, прогнозировать поведение КС при неблагоприятных внешних воздействиях.
Предложенная система диагностики и удаленного мониторинга позволяет выявлять следующее: обрыв несущего троса (одной или нескольких жил троса), обрыв контактного провода; изменение величины натяжения несущего троса и/или контактного провода при нарушении нормальной работы компенсирующих устройств или падения посторонних предметов на трос и/или контактный провод; контроль целостности элементов грузокомпенсации; перемещение грузов под воздействием температур; выскальзывание контактного провода из зажимов; контроль обрыва одной или более жил несущего провода; возникновение резонансных колебаний в элементах контактной сети.
Предложенная система диагностики позволяет осуществлять безопасное высокоскоростное движение по фактической погоде (при сильном ветре, обледенении).
Использование предложенной системы диагностики и удаленного мониторинга позволяет снизить расходы на эксплуатацию контактной сети железной дороги за счет своевременного обнаружения предаварийных и аварийных ситуаций и возможности принятия превентивных ремонтных мероприятий.