УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике контроля за состоянием железнодрожного пути, а именно бесстыкового и звеньевого и может быть использована для создания систем мониторинга в области управления технико-эксплуатационным состоянием бесстыкового и звеньевого пути, в условиях влияния внешней среды и эксплуатационных воздействий, а именно для постоянного контроля положения, состояния, поведения рельса и рельсо-шпальной решетки (РШР), накопления и хранения этих данных, передачи их на пункт обработки, анализа и практического использования контролируемых параметров, для определения расчетным путем нейтральной температуры рельса, температуры закрепления всей плети, запаса устойчивости РШР и предельных их значений, а также для краткосрочного прогноза поведения плети и состояния РШР.
В настоящее время в Российской Федерации уровень информационного обеспечения процессов управления технико-эксплуатационным состоянием участков бесстыкового и звеньевого пути в условиях воздействия факторов природной окружающей среды не достаточно высокий: основным видом определения состояния пути является метод ручного визуального контроля в ТУ-2000. «Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» Утверждено 31.03.2000 г. МПС РФ, ст.4.2.2, при котором при ручном осмотре по смещению контрольных сечений рельсовой плети относительно «маячных» шпал, по следам клемм на подошве рельсов, смещению накладок и другим признакам делается заключение о состоянии пути.
Недостатки: недостаточно высокая точность данных об измерении состояния рельса из-за влияния человеческого фактора и отсутствия непрерывного наблюдения в режиме реального времени.
Наиболее близким техническим решением является канадская система: Rail Stress System (Stress monitoring system for railways Unaited states patent application Harrison Pub/No US 2007/0044566 Al date: mar. 1/2007, WO 2006014893. Assignee: Salent Systems, Inc., Dublin, OH (US), которая позволяет получать первичную информацию о состоянии пути.
Система предназначена для контроля частей рельса и включает набор устройств мониторинга напряжения частей рельсов, приемник, обеспечивающий связь с каждым из модулей мониторинга напряжения, для дальнейшей передачи данных о напряжении рельса к устройству обработки, в виде удаленного сервера, связанного с приемником. На нем оцениваются данные напряжения рельса, и отдельная программа на сервере вырабатывает сигнал тревоги при получении пограничных значений напряжения рельса.
Измерительное устройство, устанавливаемое только на ненапряженном рельсе методом приварки, представляет собой датчик тяжения, снабженный средствами накопления и передачи результатов измерений, что позволяет осуществлять мониторинг тяжения рельса в горизонтальной плоскости, и передавать данные о силовых и температурных воздействиях на шейку рельса через промежуточную станцию на сервер, после обработки их отображать результаты измерений с задержкой по времени. По измеренной устройством величины горизонтального тяжения, расчетным путем определяются другие параметры, характеризующие состояние рельса на сервере системы.
Недостатки системы: недостаточно высокая точность и достоверность получаемых данных о состоянии рельса, ограниченное количество измерительных каналов датчиков, установка измерительных устройств возможна только одновременно с выполнением работ по разрядке плетей, с большими трудозатратами и временем выполнения работ, анализ состояния плети только в месте установки датчика, недостаточно высокая безопасность на контролируемом участке пути.
Технический результат: повышение точности и достоверности измерения данных о состоянии рельса на порядок по всем измерительным каналам датчиков беспроводных измерительных модулей, возможность динамического регулирования зоны чувствительности беспроводных измерительных модулей до 300%, установки и работы заявляемого устройства без раскрепления плетей, а также оценки состояния всей плети и рельсошпальной решетки не только в месте установки беспроводных измерительных модулей, возможность автоматического принятия решения на прекращение или запрет движения с выдачей рекомендаций в автоматизированную систему управления (АСУ), получение информации о состоянии рельса в режиме реального времени, повышение безопасности на контролируемом участке пути.
В отличие от аналогов, у заявляемого устройства высокая точность измерения данных о состоянии рельса по всем измерительным каналам, датчиков беспроводных измерительных модулей и возможность динамического регулирования зоны чувствительности беспроводных измерительных модулей до 300%. У аналогов точность измеренных данных ниже на порядок, а количество измерительных каналов датчиков ограничено в связи с использованием меньшего количества датчиков. Заявляемое устройство обеспечивает возможность установки и работы без раскрепления плетей, а также оценки состояния всей плети и рельсо-шпальной решетки не только в месте установки модуля. У аналогов установка устройств возможна только с раскреплением плетей с большими трудозатратами и временем выполнения работ, а оценка состояния рельса только в месте установки датчика.
В отличие от аналогов, заявляемое устройство обеспечивает повышение безопасности на контролируемом участке пути, возможность автоматического принятия решения на прекращение или запрет движения с выдачей рекомендаций в АСУ. У аналогов отсутствует автоматизированное рабочее место.
В отличие от аналогов, заявляемое устройство обеспечивает получение информации о состоянии рельса в режиме реального времени. У аналогов отсутствуют хронометр времени повышенной точности и программная среда реального времени.
Этот технический результат в устройстве для контроля состояния железнодорожного пути, содержащего базовую станцию, созданную на базе миникомпьютера, в которой имеется антенна, солнечная батарея, приемопередатчик, микропроцессор, внешний и внутренний источники питания, внешний датчик температуры окружающей среды, принимающую информацию от беспроводных измерительных модулей, каждый из которых размещен в герметичном контейнере, выполненном из высокопрочного и влагоустойчивого пластика и закрепленных на шейке рельса и состоит из энергонезависимой памяти, тензометрического многоосевого датчика силы, блока питания, инструментального усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора с запоминающим устройством, электронного хронометра повышенной точности, приемо-передатчика с антенной, датчика температуры рельса, сервер, принимающий информацию от базовой станции, имеющий операционную систему, систему управления базами данных, программу исполнительных кодов, сеть общего доступа в Интернет, интерфейс обслуживания, ручной считыватель, получающий информацию от беспроводного измерительного модуля, и передающий ее на сервер, состоящий из микроконтроллера, источника автономного питания, зарядного устройство, памяти программ, внешнего запоминающего устройства, приемо-передатчика, клавиатуры считывателя, дисплея считывателя достигается за счет того, что устройство дополнительно снабжено автоматизированным рабочим местом (АРМ), включающим в себя программную среду реального времени - (ПСРВ) исполнительные коды программы получения и обработки данных в режиме реального времени, канал связи с интеграцией в интеллектуальный комплекс автоматизированной системы управления (ИК АСУ), интерфейс тестирования и управления, а каждый из беспроводных измерительных модулей дополнительно имеет - источник опорного напряжения, датчик температуры корпуса модуля, датчик магнитного поля рельса, датчик ускорения рельса, датчик наклона рельса, датчик вибрации рельса, при этом устройство снабжено по меньшей мере одной базовой станцией, каждая из которых имеет - хронометр повышенной точности, сервер снабжен каналом связи локальным с интеграцией в АСУ, а ручной считыватель имеет хронометр времени повышенной точности.
Возможность установки и работы заявляемого устройства без раскрепления плетей, а также оценки состояния плети и рельсошпальной решетки не только в месте установки модуля, повышение точности измеренных данных о состоянии рельса на порядок по всем измерительным каналам датчиков беспроводных измерительных модулей и возможностью динамического регулирования зоны чувствительности беспроводных измерительных модулей до 300%, повышение безопасности на контролируемом участке пути, с появлением возможности автоматического принятия решения на прекращение или запрет движения с выдачей рекомендаций в АСУ, получение информации о состоянии рельса в режиме реального времени достигается за счет того, что устройство дополнительно снабжено автоматизированным рабочим местом, включающим программную среду реального времени, исполнительные коды программы получения и обработки данных в режиме реального времени, канал связи с интеграцией в интеллектуальный комплекс автоматизированной системы управления (ИК АСУ), интерфейс тестирования и управления, беспроводными измерительными модулями, каждый из которых имеет - источник опорного напряжения, датчик температуры корпуса модуля, датчик магнитного поля, датчик ускорения, датчик наклона рельса, датчик вибрации, а каждая базовая станция имеет - хронометр повышенной точности,
Базовые станции и беспроводные измерительные модули заявляемого устройства обеспечивают одновременный, полный, автоматический и непрерывный контроль параметров воздушной среды, температуры рельсов, напряженного состояния рельса и положение балластного слоя, температурных параметров земляного полотна, геофизических параметров искусственных сооружений и устройств в районе путей, мостовых переходов.
Заявляемое устройство позволяет не только оценивать, но и прогнозировать технико-эксплуатационную безопасность железнодорожного пути и перевозок с учетом тенденций изменения факторов окружающей природной среды и в необходимых угрожающих ситуациях, предпринимать соответствующие защитные меры, вплоть до прекращения движения по данному участку.
Наличие отличительных признаков в заявляемом техническом решении позволяет сделать вывод о соответствии условию патентоспособности: «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
На фигуре 1 изображена схема крепления беспроводного измерительного модуля к шейке рельса.
На фигуре 2 изображена общая структурная схема устройства для контроля состояния железнодорожного пути.
На фигуре 3 изображена общая структурная схема беспроводного измерительного модуля.
На фигуре 4 изображена общая структурная схема базовой станции.
На фигуре 5 изображена общая структурная схема сервера.
На фигуре 6 изображена общая структурная схема ручного считывателя.
На фигуре 7 изображена общая структурная схема АРМ.
Устройство для контроля железнодорожного пути состоит из беспроводного измерительного модуля 1, предназначенного для измерения контролируемых параметров с записью их в энергонезависимую память 18 беспроводного измерительного модуля 1 для последующей передачи измеренных данных на базовые станции 2, закрепленного на шейке рельса 59 с помощью струбцины 58, на расстоянии до 300 метров друг от друга, с внешней стороны расположения каждой базовой станции 2, в который входит, энергонезависимая память 18 беспроводного измерительного модуля 1, тензометрический многоосевой датчик силы 6, блок питания 21, инструментальный усилитель 13, аналого-цифровой преобразователь 14, микропроцессор с запоминающим устройством 16, источник опорного напряжения 15, электронный хронометр повышенной точности 17, приемопередатчик с антенной 19, память программ 20, датчик температуры рельса 7, датчик температуры окружающей среды модуля 8, датчик магнитного поля рельса 9, датчик ускорения рельса 10, датчик наклона рельса 11, датчик вибрации рельса 12, базовых станций 2, предназначенных для приема информации от беспроводного измерительного модуля 1 на расстоянии радиовидимости или до 3000 метров на открытом пространстве, передачи этой информации на сервер 3, каждая из которых состоит из антенны канала связи GPRS 26, радиомодема приемопередатчика 27, солнечной батареи 33, приемо-передатчика 25, микропроцессора 22, энергонезависимой памяти 23 базовой станции 2, платы согласования 24, антенны внутреннего канала связи 28, канала данных Интернет 29, источника резервного питания 30, источника питания ~220 В 31, внешнего источника питания 32, внешнего датчика температуры окружающей среды 35, хронометра повышенной точности 34 базовой станции, сервера 3, предназначенного для приема информации от базовых станций 2, ее накопления и хранения, обработки и передачи в АРМ 4, состоящего из операционной системы 37, системы управления базами данных 38, программы исполнительных кодов 39, сети общего доступа Интернет 44, интерфейса обслуживания 42, программы Web приложения 40, сервера приложений программы Apache 41, канала связи локального с интеграцией в АСУ 43, ручного считывателя 5, предназначенного для получения информации от беспроводного измерительного модуля 1, ее записи и передачи в любое время на сервер 3, ПК, или иное устройство, состоящего из микроконтроллера 45, источника автономного питания 46, зарядного устройства 47, памяти программ 48, внешнего запоминающего устройства 49, приемопередатчика 50, клавиатуры считывателя 51, дисплея считывателя 52, хронометра времени повышенной точности 53, автоматизированного рабочего места 4, предназначенного для приема информации о состоянии объекта от сервера 3, обработки и выдачи ее на экран, или в ИК АСУ, с возможностью автоматического принятия решения на разрешение или прекращение движения на контролируемом участке, имеющее программную среду реального времени (ПСРВ) 54, исполнительные коды 55 программы получения и обработки данных в режиме реального времени, канал связи с интеграцией в ИК АСУ 56, интерфейс тестирования и управления 57.
Устройство позволяет использовать количество беспроводных измерительных модулей 1 от одного и более с различным сочетанием датчиков, в зависимости от сложности участков пути, повторяемости опасных явлений природной окружающей среды для железнодорожного транспорта, базовых станций 2 от одной и более.
Работа устройства:
Устройство для контроля состояния железнодорожного пути устанавливают непосредственно на определенные участки железнодорожного пути, которые характеризуются сложными эксплуатационными характеристиками или нагруженностью, а так же на участки подверженные воздействию на их техническое состояние подвижным составом. Устройство позволяет использовать беспроводные измерительные модули в любом количестве и с различным сочетанием датчиков, в зависимости от сложности участков пути, повторяемости опасных явлений природной окружающей среды для железнодорожного транспорта.
Для контроля состояния железнодорожного пути определяют его участки, которые характеризуются сложными эксплуатационными характеристиками или нагруженностью, подверженные воздействию на их техническое состояние подвижным составом. Беспроводные измерительные модули 1 устанавливают на шейку рельса 59 с помощью струбцины 58 на протяжении всего выбранного участка железнодорожного пути, в зоне прямой радиовидимости каждой базовой станции 2, на равном удалении от элементов крепления рельса 59 к шпале и обеспечивается автономным питанием от блока питания 21. Каждую базовую станцию 2 устанавливают с помощью кронштейна на опоры силового провода или линий освещения в зоне прямой видимости беспроводных измерительных модулей 1 антенной внутреннего канала связи 28.
Полученную информацию по двухосевому сжатию и растяжению металла рельса 59 от тензометрического многоосевого датчика силы 6 через инструментальный усилитель 13, температуру рельса 59 от датчика температуры рельса 7, температуру окружающей среды от датчика температуры окружающей среды модуля 8, намагниченность рельса 59 от датчика магнитного поля рельса 9, ударное воздействие от датчика ускорения рельса 10, положение рельса 59 от датчика наклона рельса 11, вибрации рельса 59 от датчика вибрации рельса 12, установленных в корпусе каждого беспроводного измерительного модуля 1, используя беспроводной канал связи, беспроводной измерительный модуль 1, закрепленный струбциной 58 на шейке рельса 59 передает на базовые станции 2. Каждая базовая станция 2, закрепленная на опоре в зоне радиовидимости принимает информацию от всех беспроводных измерительных модулей 1, находящихся в радиусе действия до 2 км. Накопленная информация архивируется в каждой из базовых станций 2 и доступна для считывания сервером 3 системы или автоматизированным рабочим местом пользователя АРМ 4. В минимальном варианте комплектации данные с каждого беспроводного измерительного модуля 1 могут считываться ручным считывателем 5. Информация с измерительных датчиков 6-12 поступает на аналого-цифровой преобразователь сигналов 14, запитанный от источника опорного напряжения 15. Коды преобразований записываются в энергонезависимую память 18 беспроводного измерительного модуля 1, тактирование процесса измерений и записи производится в микропроцессоре с запоминающим устройством 16, память программ 20, под управлением электронного хронометра повышенной точности 17, далее микропроцессор с запоминающим устройством 16 считывает накопленные данные с энергонезависимой памяти 18 беспроводного измерительного модуля 1 и передает их в приемопередатчик с антенной 19 для дальнейшей передачи их в каждую базовую станцию 2, которая имеет несколько источников питания: источник резервного питания 30, источник питания ~220 в. 31, внешний источник питания 32 и солнечную батарею 33, преобразование питания выполняется преобразователем питания и заряда 36. Принятая каждой базовой станцией 2 информация от беспроводного измерительного модуля 1 через антенну внутреннего канала связи 28 поступает на радиомодем приемопередатчика 27, далее через плату согласования 24 на микропроцессор 22, где производится раскодирование полученной информации, привязка ее к единому времени, разделение на информационные каналы и запись обработанных данных в энергозависимую память базовой станции 23. Дополнительно, микропроцессор 22 получает измеренные данные с внешнего датчика температуры окружающей среды 35. Далее все данные передаются приемопередатчиком 25 по каналу данных Интернет 29 через антенну канала связи GPRS 26 на сервер 3. Согласование всех устройств по времени и синхронизации с единым временем осуществляется в хронометре повышенной точности 34. Корректировка его производится автоматически по серверам единого времени, получаемых при цифровом соединении к сетям общего доступа передачи данных, которую обеспечивает радиомодем приемопередатчика 27 через антенну канала связи GPRS 26. На стандартный сервер 3 общего применения на платформе процессоров INTEL, AMD устанавливается многопользовательская операционная система 37 Linux по программе исполнительных кодов 39, написанных на языке РНР, производится запрос исходной информации от зарегистрированных базовых станций 2, находящихся в сети общего доступа Интернет 44 по уникальному адресу или находящиеся в канале связи локальном с интеграцией в АСУ 43. Полученные данные архивируются в систему управления базами данных 38 MySQL, где осуществляется их долговременное хранение, анализ и сортировка. Программа Web-приложений 40 осуществляет запрос в систему управления базами данных 38 и графическое отображение измеренных данных в интерфейсе пользователя. Обслуживание устройства осуществляется через административные функции и интерфейс обслуживания 42. Управление всеми процессами во времени после включения сервера 3, а также резервное копирование данных осуществляется сервером приложений программой Apache 41. Информация с базовых станций 2 асинхронно поступает в ПСРВ 54, где обрабатывается с помощью исполнительных кодов 55 программы получения и обработки данных в режиме реального времени, и выдает информацию о состоянии объекта мониторинга (состояние и характеристики рельсо-шпальной решетки или плети бесстыкового пути в целом), которая поступает на канал связи с интеграцией в ИК АСУ 56 для индикации состояния и принятия решения. Достоверность информации обеспечивается интерфейсом тестирования и управления 57 по определенному алгоритму. Если разница между фактическим состоянием РШР и исходным состоянием превышает допустимые, ПСРВ 54 вырабатывает сигнал, который поступает в канал связи с интеграцией в ИК АСУ 56, которая анализирует его и определяет как: «рекомендательный» или «запретительный», на основании чего принимается решение на разрешение или запрет движения на, контролируемом устройством для контроля состояния железнодорожного пути участке.
В случае неисправности, или отсутствия питания базовых станций 2, необходимую информацию от беспроводных измерительных модулей 1 путевой обходчик может снять с помощью ручного считывателя 5 по радиоканалу приемопередатчика 50. Далее информация обрабатывается микроконтроллером 45 по программе, записанной в памяти программ 48, которая обрабатывает данные, декодирует информацию и отображает результаты на дисплее считывателя 52. Отображение выполняется в буквенно-цифровом формате с указанием: даты, времени, номера модуля. Кроме отображения, всю информацию можно записать на внешнее запоминающее устройство 49 для последующего анализа на сервере 3. Для навигации по меню ручного считывателя 5 и ввода режимов работы используется клавиатура считывателя 51. Для синхронизации всех процессов во времени используется хронометр времени повышенной точности 53. Работу ручного считывателя 5 обеспечивает источник автономного питания 46, подзарядка которого выполняется через зарядное устройство 47, входящее в комплект ручного считывателя 5.
Использование заявляемой полезной модели обеспечит на железной дороге повышение точности и достоверности измеренных данных о состоянии рельса на порядок по всем измерительным каналам датчиков беспроводных измерительных модулей, возможностью динамического регулирования зоны чувствительности беспроводных измерительных модулей до 300%, возможность установки и работы заявляемого устройства без раскрепления плетей, а также оценки состояния плети и рельсошпальной решетки не только в месте установки беспроводных измерительных модулей, повышение безопасности на контролируемом участке пути, с появлением возможности автоматического принятия решения на прекращение или запрет движения с выдачей рекомендаций в АСУ, получение информации о состоянии рельса в режиме реального времени.