СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ И УДАЛЕННОГО МОНИТОРИНГА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Полезная модель относится к дистанционным измерительным системам, предназначенным для контроля и диагностики технического состояния элементов верхнего строения железнодорожного пути, и может быть использована в системах интервального регулирования движения железнодорожного транспорта.
Высокоскоростное движение поездов ставит жесткие требования к объектам и устройствам инфраструктуры железнодорожного транспорта, в частности, к состоянию рельсовой линии, верхнему строению пути (балласту), от электрических характеристик которых зависят качественные характеристики работы, безопасность и бесперебойность движения поездов.
В существующей системе железнодорожной автоматики одним из ее основных элементов является рельсовая цепь, представляющая собой электрическую цепь, состоящую из двух ходовых рельсов, ограниченных по концам изолирующими стыками и имеющими на одном конце приемник тока, на другом - источник питания. Весь путь делится на отдельные участки, по которым подаются сигналы, соответствующие допустимым скоростям движения по контролируемому блок-участку.
Известна система контроля механического состояния пути, в которой к рельсам начала контролируемой рельсовой колеи подключен источник электропитания, а с рельсами конца контролируемой рельсовой колеи соединено контрольное реле (Котляренко Н.Ф. и др. Путевая блокировка и авторегулировка, 1983г., стр.99, рис.4.23). В этом устройстве обеспечивается непрерывный контроль за состоянием исправности рельсов во все время работы рельсовой цепи.
Недостатком этого технического решения является невысокая надежность работы, что обусловлено влиянием изменения сопротивления верхнего строения пути.
Известен путевой датчик в составе индукционного электромагнитного устройства счета осей фирмы Сименс (ФРГ) (В.П.Бухгольц и др. Путевые датчики контроля подвижного состава на рельсовом транспорте, 1976 г., стр. 47-48). Это устройство содержит путевой датчик, преобразователь частоты генератора электромагнитных колебаний и счетчик импульсов. Путевой датчик выполнен в виде двух частей: передающей в виде катушки индуктивности, расположенной с наружной стороны рельса, и приемной, выполненной в виде второй катушки индуктивности, расположенной с внутренней стороны рельса. Преобразователь частоты генератора содержит генератор электромагнитных колебаний, фазовращатель, сумматор, усилитель, преобразователь синусоидального сигнала в последовательность однополярных импульсов, схему запрета, триггер и полосовой фильтр.
Также известно устройство счета осей ЖД вагонов (европейский патент №0130226, МПК B61L 1/16, публикация 1988 г.), в составе которого находятся два путевых датчика, два СВЧ-генератора, два детектора, два направленных ответвителя и блок обработки сигналов датчиков. Датчики выполнены в виде приемопередающих антенн, излучение антенн направлено в сторону обода колеса вагона или локомотива.
Недостатком известных устройств является то, что они дают ложные срабатывания при появлении на рельсе, где установлен датчик, железных предметов, не подлежащих счету, а также срабатывают от тормозных колодок электромагнитных тормозов. Однако существенным недостатком аппаратуры контроля на основе счета осей, является не возможность обеспечить один из режимов (контрольный) работы рельсовых цепей (предусмотренный правилами технической эксплуатации), суть которого заключается в контроле целостности рельсовой нити.
Известна разветвленная кабельная петлевая рельсовая цепь для контроля занятости блок-участка, содержащая систему расположенных поблизости друг от друга кабельных петлевых датчиков контроля занятости рельсовых блок-участков (патент РФ №2340498, МПК B61L 1/16, публикация 2008 г.).
В известном техническом решении кабельный петлевой датчик состоит из петли промышленного многожильного кабеля, размещенной между рельсами в земляном полотне железнодорожного рельсового пути. Он имеет приемник и передатчик сигналов, формируемых при взаимодействии металлических корпусов подвижного состава с электромагнитным полем, создаваемым кабелем. Кабельные петлевые датчики размещены на поверхности или внутри грунта рельсового пути на определенной глубине. Они укладываются между шпалами рельсового пути и выходят за его пределы на определенную величину. Длина кабельной петли определяется размером базы транспортного средства. Каждая кабельная петля расположена вдоль рельсового пути между изолирующими стыками, не пересекаясь с соседней. Токи в этих петлях, протекая по ним, образуют электромагнитные поля со встречным направлением. Количество кабельных петель соответствует количеству и конфигурации изолированных друг от друга разветвленных рельсовых путей. Концы кабельной петли заводятся в путевой ящик, жилы концов кабеля на клеммной колодке соединяются определенным образом, образуя катушку индуктивности с определенным числом витков.
Известные технические решения контроля занятости контролируемых блок-участков с помощью датчиков контроля прохода колесных пар и единиц подвижного состава имеют недостатки, связанные с трудоемкостью регулировки, и техническим обслуживанием.
Известна система для интервального регулирования движения подвижного состава (заявка РФ №93031552, МПК B61L 24/14, публикация 1996 г.), содержащая размещенный параллельно пути коаксиальный кабель с отверстиями, вырезанными в его оболочке и используемыми в качестве щелевых антенн метрового диапазона для излучения и приема радиоволн в направлении, перпендикулярном оси кабеля. Концы кабелей в тоннелях выведены на центральный пункт управления и присоединены к приемопередающим радиостанциям метрового диапазона, передающими принятые сигналы на центральный управляющий вычислительный комплекс, обрабатывающим эти сигналы и выдающим команды в цифровом коде на управляемый поезд. Вдоль пути укреплены пассивные датчики-транспондеры, отражающие элементы которых реагируют на радиоволны, а на поезде установлено устройство считывания информации с транспондеров, которые сообщают о своем номере и расстоянии до соседнего датчика или другие данные. На поезде в его головном и хвостовом вагонах размещены комплекты системы, содержащие также каждый бортовое управляющее вычислительное устройство, связанное с приемо-передающими станциями поезда и выходами датчиков скорости и считывающего устройства.
Известная система не позволяет контролировать техническое состояние рельсовой линии и верхнего строения железнодорожного пути.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание надежной системы контроля и диагностики технического состояния элементов верхнего строения железнодорожного пути для своевременного выявления предотказного состояния элементов верхнего строения железнодорожного пути в режиме реального времени без ограничений по скорости движения поездов.
Еще одной задачей предлагаемой полезной модели является создание системы диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути, обеспечивающей определение наличия подвижных единиц на контролируемом участке железнодорожного пути.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в получении объективной оценки о состоянии рельсовой линии и верхнего строения пути в режиме реального времени и возможности анализа и выявления сущности причин возникновения аварийных ситуаций для своевременного их предупреждения, а также в возможности объективного контроля положения подвижных единиц на железнодорожного пути в режиме реального времени для обеспечения надежного интервального регулирования движения поездов на контролируемом участке железнодорожного пути.
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.
Система диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути включает размещенные вдоль контролируемого участка железнодорожного пути датчики параметров технического состояния элементов рельсовой линии и верхнего строения железнодорожного пути, при этом вдоль контролируемого участка железнодорожного пути между узловыми станциями размещен, по крайней мере, один волоконно-оптический кабель (ВОК), включающий в себя датчики температуры, давления и деформации, выполненные на основе волоконно-оптических брегговских решеток (ВОБР), а также средство передачи данных от датчиков к размещаемым на узловых станциях промежуточным концентраторам информации, которые соединены посредством проводной и/или беспроводной связи с единым концентратором информации о состоянии элементов контролируемого участка железнодорожного пути и о положении подвижных единиц на участке железнодорожного пути.
Промежуточные концентраторы информации, размещаемые на узловых станциях, содержат оптоэлектронные анализаторы оптических спектров, а средство передачи данных от датчиков к промежуточному концентратору информации выполнено в виде волоконно-оптического канала связи.
Датчики температуры, давления и деформации на основе волоконно-оптических брегговских решеток предназначены для многопозиционного контроля температуры, давления, деформаций и ориентированы на применение в измерительных комплексах распределенных объектов. Основная идея предложенного технического решения заключается в создании множеств зон контроля при минимальных затратах энергии и минимизации обслуживания напольного оборудования, отсутствия медных кабелей и помех, которые могут искажать передаваемые сигналы. Предложенная система обеспечивает возможность произвести сочетание элементов контроля в ракурсе распределенной вычислительной сети.
В настоящее время волоконно-оптические брегговские решетки рассматриваются как один из наиболее перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков различных физических величин (температуры, механических напряжений, давления). Основным элементом такого датчика является внутриволоконная брегговская решетка. К числу основных преимуществ волоконно-оптических датчиков можно отнести: защищенность от воздействия электромагнитных полей, высокую чувствительность, надежность, воспроизводимость и широкий динамический диапазон измерений, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких световодах, значительное расстояние до места проведения измерений, малое время отклика на изменение измеряемой величины, высокую коррозионную, химическую и радиационную стойкость, малые габариты и вес.
Принцип действия основан на свойстве волоконно-оптических брегговских решеток изменять резонансную длину волны отражения при изменении температуры и натяжения. Для регистрации воздействий применяется специализированный оптоэлектронный анализатор оптических спектров (интеррогатор) и специальные методы обработки сигнала для регистрации изменяемых воздействий.
На фиг.1 изображена схема контролируемого участка железнодорожного пути с предлагаемой системой диагностики и удаленного мониторинга; на фиг.2 изображена схема установки волоконно-оптического кабеля.
Система диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути содержит волоконно-оптический кабель 1, расположенный на участках земляного полотна 2 (в призме земляного полотна) и шпальной решетки 3 (непосредственно под шпальной решеткой) вдоль контролируемого блок-участка железнодорожного пути между узловыми станциями А и Б. В волоконно-оптическом кабеле 1 на всем протяжении перегона организованы зоны контроля, включающие в себя датчики параметров технического состояния элементов рельсовой линии и верхнего строения железнодорожного пути (датчики температуры, давления и деформации), выполненные на основе волоконно-оптических брегговских решеток (не показаны).
Средство передачи данных от датчиков волоконно-оптического кабеля 1 к промежуточному концентратору информации 4, размещенному на узловой станции Б, выполнено в виде волоконно-оптического канала связи. На узловой станции Б размещен специализированный оптоэлектронный анализатор оптических спектров 5, фиксирующий волновое поведение сигналов, передающихся через волоконно-оптический кабель 1.
Для контроля каждого из путей на двухпутном участке железной дороги размещаются два независимых ВОК с датчиками параметров технического состояния элементов рельсовой линии и верхнего строения железнодорожного пути.
На перегоне для организации движения поездов могут быть использованы сигналы проходных светофоров 6, управление которыми осуществляется системой диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути.
Полученные от датчиков данные с оптоэлектронного анализатора оптических спектров 5 передаются по стандартному интерфейсу на размещаемые на узловых станциях промежуточные концентраторы информации 4, которые посредством каналообразующего устройства 7 соединены с системой передачи данных (СПД) железной дороги. Информация по СПД передается на единый концентратор информации дороги (не показан), фиксирующий информацию о состоянии элементов контролируемого участка железнодорожного пути и о положении подвижных единиц на участке железнодорожного пути.
Предложенная система непрерывного во времени автоматизированного контроля состояния элементов рельсовой линии и верхнего строения пути, а также контроля нахождения подвижных единиц на участке железнодорожного пути, основана на явлении интерференции мод в волоконном световоде (датчики на основе волоконно-оптических брегговских решеток). Применяются методы регистрации и обработки оптического интерференционного сигнала, вызванного вибрационным возмущением чувствительного световода.
В волоконно-оптическом извещателе используется явление изменения структуры светового потока на выходе из оптического волокна при деформации оптического кабеля на любом из его участков.
В качестве чувствительного к деформации элемента используется оптический кабель специальной конструкции (или уже находящейся в эксплуатации ВОК, который предварительно калибруется для определения зон брегговских решеток), в структуре которого имеются несколько светопроводящих жил, защищенных оболочкой. При пересечении (или приближении) к зоне установки оптического кабеля объектом (или подвижке элементов верхнего строения земляного полотна призмы пути) опосредованно производится незначительная деформация кабеля, вызывая изменение картины распределения пятен светового потока на выходе из оптического волокна. Это изменение фиксируется датчиками блока приема и передается в систему диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути, где формируются сигналы контроля и управления.
Построение и принцип действия системы допускает разнообразные модификации и адаптацию к условиям применения на объектах железнодорожной структуры.
Волоконный чувствительный тракт может устанавливаться под землей, в тоннелях, в бетонных насыпях и т.п.
Система позволяет обнаруживать быстро движущиеся объекты, что не возможно в используемых системах интервального регулирования движения поездов релейных рельсовых цепей (конструктивно релейного действия рельсовые цепи с аппаратурой тональной частоты обладают ограничением определения объектов движения со скоростью 160 км/час.).
Информация о состоянии контролируемых элементов собирается и передается через элементы сопряжения с системой передачи данных (СПД) дороги.
Элемент сопряжения СПД блока обеспечивает стыковку, регистрацию, безопасность в сети СПД устройств системы диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути. 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:
R
- разделительного коммутатора с программной функцией аппаратное шифрование (на базе AIM-лота) 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) - имеется ввиду набор сетевых протоколов разных уровней модели сетевого взаимодействия используемых в сетях передачи данных, номерах портов и добавочных флагах TCP.
Полученные результаты по каналу связи передаются на промежуточные концентраторы информации системы диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути, расположенные через 15-20 км на узловых станциях по всей длине перегонов железнодорожной линии. Промежуточные концентраторы системы обеспечивают сбор и анализ информации, полученной от датчиков с последующей передачей данных в единый концентратор информации о состоянии элементов рельсовой линии и верхнего строения пути железной дороги и о положении подвижных единиц на участке железнодорожного пути.
Оценка состояния рельсовой линии и верхнего строения пути, а также контроль положения подвижных единиц на участке железнодорожного пути, производятся в автоматическом режиме по результатам анализа данных, который выполняется программным обеспечением на сервере системы диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути, расположенным в информационно-вычислительном центре дороги.
Предложенная система позволяет выявлять свободность/занятость рельсовой цепи, состояние призмы земляного полотна, изменения (перемещения нагрузок), перемещение сверхнормативных нагрузок.
Предложенная система позволяет осуществлять безопасное высокоскоростное движение на скоростях свыше 160 км/час, исключая эффект ложной свободности в случаях подпитки посторонними источниками питания путевых элементов рельсовых цепей, исключает использование малоэффективных и подверженных коррозии медных кабелей (в случае использования например на участках систем на основе счетчиков осей). Позволяет организовать контроль рельсовых линий на малодеятельных участках, оборудованных системами ПАБ (полуавтоматической блокировкой), на участках с засоленным балластом, где работа традиционных рельсовых цепей невозможна или крайне малоэффективна из-за большого числа отказов, а также предотвращать случае преждевременного размыкания участков в системах СЦБ при потере шунта подвижной единицей (например при движении короткой подвижной единицы).
Использование предложенной системы диагностики и удаленного мониторинга позволяет снизить расходы на эксплуатацию инфраструктуры системы диагностики и удаленного мониторинга железнодорожного пути за счет своевременного обнаружения предаварийных и аварийных ситуаций и возможности принятия превентивных ремонтных мероприятий.
Использование предложенного технического решения позволяет сократить эксплуатационные затраты (за счет отсутствия энергоемких элементов, система построена на передаче квантов света, уменьшения оборудования, сокращения рутинных операций, изъятия не надежных элементов, таких, как медные кабели), сократить затраты на строительство и организацию контроля рельсовых линий, увеличить скорости движения, позволит оптимально разделить перегон (введение передвижных блок-участков), обеспечивает надежный контроль состояния (упруго-механических свойств и характеристик) земляного полотна призмы.