СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
SYSTEM FOR MONITORING POTENTIALLY HAZARDOUS RAILWAY TRANSPORT INFRASTRUCTURE

Изобретение относится к области контроля состояния объектов, в частности мониторинга состояния протяженных объектов железнодорожного транспорта с помощью сенсорных устройств.
Известна беспроводная сенсорная система с программным управлением, содержащая один или более блоков беспроводных датчиков, предназначенных для измерения параметров, настроенных на получение инструкций, при этом блок беспроводных датчиков предназначен для сообщения данных по результатам измерений, когда беспроводный датчик устанавливает, что данные по результатам измерений, проведенных, по меньшей мере, одним датчиком, не соответствуют пороговому значению, при этом каждый из упомянутых блоков датчиков снабжен биркой, указывающей планируемое местоположение упомянутого блока датчиков, носитель информации, считываемый компьютером и предусмотренный для одного или более блоков беспроводных датчиков, содержит данные, указывающие на местоположения упомянутых датчиков, и соответствующие идентификационные коды для каждого из упомянутых блоков датчиков, и базовый блок, предназначенный для сообщения с блоками беспроводных маршрутизаторов и для передачи данных от одного или более блоков датчиков компьютеру, проводящему мониторинг, настроенному на отправку уведомления ответственному лицу, когда данные от одного или более блоков беспроводных датчиков соответствуют аварийной ситуации, упомянутый компьютер, проводящий мониторинг, предназначен для регистрации в журнале данных от одного или более блоков беспроводных датчиков, когда данные от одного иди более упомянутых блоков беспроводных датчиков соответствуют аномальной ситуации (RU 2008114637 A1, G08B 25/10, 27.10.2009).
Известная система работает в режиме постоянно высокого энергопотребления, что обусловлено передачей сообщений с постоянной скважностью вне зависимости от ситуации, которая происходит на контролируемом объекте. В системе отсутствует механизм адаптации и обновления посредством радиоканала порогового значения на удаленном сенсорном узле, что не обеспечивает интеллектуальный контроль и затрудняет принятие решения по результатам измерений сенсорными датчиками.
Наиболее близким аналогом является беспроводная система мониторинга состояния искусственного сооружения, содержащая связанные посредством радиоканала сенсорные узлы, размещенные в местах диагностирования, каждый из которых состоит из интегрированных датчиков, источника питания, приемопередатчика и контроллера, выполненного с возможностью обработки данных, полученных от датчиков, и координатора с подключенным к нему через интерфейс управляющим компьютером, программное обеспечение которого выполнено с возможностью передачи данных от узлов системы, находящихся вне прямой зоны радиовидимости, входящие в координатор базу данных, связанную с приемопередатчиком и накапливающую информацию об объекте, и блок анализа состояния конструкции, выполненный с возможностью прогнозирования состояния конструкции искусственного сооружения и связанный с базой данных и управляющим компьютером, а каждый из узлов содержит метамодель, представляющую собой набор кластеров, характеризующихся присущими им ограничениями признакового пространства с возможностью пополнения, при этом источник питания каждого из узлов выполнен с возможностью подзарядки за счет энергии среды (RU 98290 C1, G08C 17/00, 10.10.2010 г.).
Известное устройство обеспечивает возможность мониторинга различных параметров объекта с последующей оценкой состояния элементов конструкции объекта. Однако известное устройство не обеспечивает возможность оптимизации выбора контролируемых с помощью сенсорных датчиков параметров, адаптации локальной модели состояния объекта и принятия оптимальных решений по дальнейшей его эксплуатации. Недостаток модели заключается также в сложности принятия решения о необходимости обновления локальной базы данных сенсорного узла на основании лишь последовательности идентификационных номеров ситуаций состояния объекта в указанные временные интервалы. Кроме того, потребление энергии элементов известного устройства осуществляется во всех режимах функционирования.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании беспроводной сенсорной системы мониторинга состояния протяженного объекта, обеспечивающей оперативное отслеживание состояния элементов его конструкции, на основании которого осуществляют долгосрочное прогнозирование состояния объекта для принятия своевременных мер по недопущению разрушающих последствий.
Технический результат заключается в повышении эффективности мониторинга состояния потенциально опасных объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта за счет оптимизации выбора контролируемых с помощью сенсорных датчиков параметров и обновления по результатам измерений баз знаний инициализируемого сенсорного узла и идентичных ему сенсорных узлов, анализа состояния конструкции объекта на основе данных о предаварийных и аварийных состояниях контролируемого объекта за весь период функционирования системы.
Это достигается тем, что система мониторинга потенциально опасных объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта содержит, по меньшей мере, один координатор и связанные между собой посредством радиоканала сенсорные узлы, размещенные в критических местах конструкции объекта, каждый из которых включает автономный блок питания, сенсорные датчики, приемопередатчик и микроконтроллер, соответствующие входы/выходы которого подключены к выходам/входам сенсорных датчиков и приемопередатчика, каждый координатор включает автономный блок питания, контроллер и приемопередатчик, соединенный посредством радиоканала с приемопередатчиками сенсорных узлов, а также два сторожевых узла, расположенные по разные стороны местонахождения объекта инфраструктуры на заданном расстоянии от него и включающие контроллер, приемопередатчик, соединенный входом/выходом с выходом/входом контроллера, и автономный блок питания, блок сбора данных, установленный на автоматизированном рабочем месте оператора передвижного транспортного средства и включающий вычислительный блок, радиомодем для формирования канала радиосвязи с приемопередатчикам координаторов и сторожевых узлов, а также блок управления, блок памяти, базу данных, базу знаний и маршрутизатор, вход/выход каждого из которых соединен с соответствующим выходом/входом вычислительного блока, причем вход/выход радиомодема подключен к другому выходу/входу маршрутизатора, а другой выход вычислительного блока соединен с входом блока отображения аппаратно-программного устройства автоматизированного рабочего места оператора подвижного транспортного средства, приемопередающее устройство которого соединено входом/выходом с соответствующим выходом/входом вычислительного блока, в каждый координатор дополнительно включены база знаний и блок памяти, вход/выход каждого из которых соединен с соответствующим выходом/входом контроллера, другим входом/выходом подключенного к входу/выходу приемопередатчика, в аппаратно-программное устройства рабочего места оператора ситуационного центра железной дороги дополнительно введены база знаний, база данных, блок памяти и блок принятия решений, вход/выход каждого из которых подключен к соответствующему выходу/входу центрального процессора автоматизированного рабочего места оператора ситуационного центра, другие входы/выходы которого через сервер связи связаны с выходами/входами приемопередающего устройства подвижного транспортного средства, при этом программное обеспечение центрального процессора дополнительно включает анализ текущего состояния объекта мониторинга и прогнозирование его будущего состояния с возможностью отображения на мониторе блока отображения автоматизированного рабочего места оператора ситуационного центра данных мониторинга объекта на его трехмерной модели и/или отдельных элементах его конструкции.
В качестве датчиков используют цифровые инклинометры, и/или тензодатчики, и/или акселерометры, и/или датчики силы сжатия/растяжения, и/или датчики трещин.
Блоки питания сенсорных узлов и координаторов выполнены в виде, по меньшей мере, одной аккумуляторной батареи.
В одном из вариантов выполнения системы для питания координатора и сенсорного узла используют пьезодатчики, размещенные между рельсом и шпалой и подключенные через соответствующие преобразователи к аккумуляторной батарее блоков питания.
В другом варианте выполнения системы для питания координатора и сенсорного узла используют солнечные батареи, установленные на объекте в непосредственной близости от координатора и подключенные через контроллеры заряда к аккумуляторным батареям блоков питания.
Возможен вариант выполнения системы, в котором для питания сенсорных узлов и координаторов введены солнечные батареи, установленные на объекте и подключенные через соответствующие контроллеры заряда к аккумуляторным батареям сенсорных узлов и координаторов, и пьезогенераторы, размещенные между рельсом и шпалой и подключенные через соответствующие преобразователи к аккумуляторным батареям сенсорных узлов и координаторов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 представлена структурная схема одного из вариантов выполнения системы мониторинга потенциально опасных объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта - системы мониторинга железнодорожного моста, на фиг.2 - структурная схема сенсорного узла, на фиг.3 - структурная схема координатора, фиг.4 - структурная схема одного из вариантов выполнения электропитания сенсорных узлов и координатора, а на фиг 5 - структурная схема сторожевого узла.
Система мониторинга железнодорожного моста содержит связанные между собой посредством радиоканала сенсорные узлы 1, размещенные в критических местах конструкции железнодорожного моста 2, координатор 3, блок 4 сбора данных, расположенный на автоматизированном рабочем месте 5 оператора передвижного транспортного средства (АРМ 5 ПТС).
Блок 4 сбора данных включает вычислительный блок 6, а также блок 7 управления, блок 8 памяти, базу 9 данных, базу 10 знаний, маршрутизатор 11, вход/выход каждого из которых подключен к соответствующему выходу/входу вычислительного блока 6, радиомодем 12, связанный маршрутизатором 11. Вычислительный блок 6 соединен также с блоком 13 отображения и приемопередающим устройством 14 АРМ 5 ПТС.
Приемопередающее устройство 14 АРМ 5 ПТС посредством радиоканала связано с сервером 15 связи автоматизированного рабочего места 16 оператора ситуационного центра (АРМ 16 СЦ), центральный процессор 17 которого подключен к блоку 18 ввода/вывода информации и блоку 19 отображения.
АРМ 16 СЦ включает также базу 20 знаний, базу 21 данных, блок 22 памяти и блок 23 принятия решений, вход/выход каждого из которых подключен к соответствующему выходу/входу центрального процессора 17, соединенного соответствующим входом/выходом с выходом/входом сервера 15 связи.
Каждый сенсорный узел 1 включает блок 24 питания, микроконтроллер 25 с подключенными к нему сенсорными датчиками 26, базой 27 знаний и приемопередатчиком 28. Сенсорные узлы 1 выполнены с возможностью соединения друг с другом посредством радиоканала.
Координатор 3 содержит блок 29 питания, контроллер 30, к соответствующим входам/выходам которого подключены выходы/входы базы 31 знаний, блока 32 памяти и приемопередатчика 33.
Приемопередатчик 33 выполнен двухчастотным и посредством радиоканала соединен с передатчиками 28 соответствующих сенсорных узлов 1 и радиомодемом 12 блока 4 сбора данных.
Для питания сенсорных узлов 1 и координаторов 3 используют размещенные между рельсом и шпалой железнодорожного пути 34 пьезогенераторы 35, подключенные через соответствующие преобразователи 36 к аккумуляторным батареям блоков 24 (29) питания, а также солнечные батареи 36, установленные на объекте мониторинга и подключенные через соответствующие контроллеры 37 заряда к аккумуляторным батареям блоков 24 (29, 42).
Сторожевые узлы 39 расположены по обе стороны моста 2 на заданном расстоянии от него и выполнены с возможностью соединения по радиоканалу с координаторами 3. Каждый сторожевой узел 39 включает контроллер 40, приемопередатчик 41, соединенный входом/выходом с выходом/входом контроллера 40, и автономный блок 42 питания
Система работает в режиме реального времени с мгновенной реакцией на изменение состояния контролируемых параметров. Данные о состоянии объекта стекаются в единую базу 20 знаний потенциально опасных участков пути автоматизированного рабочего места 16 ситуационного центра.
Система использует технологию беспроводных сенсорных сетей. Передача данных между сенсорными узлами 1 осуществляется по протоколу высокого сетевого уровня ZigBee при помощи маломощных приемопередатчиков 28, основанных на стандарте IEEE 802.15.4. Протокол поддерживает сложные ячеистые топологии сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.
При организации радиоканала между узлами 1 и координаторами 3 используется полоса частот 2,4 ГГц и офсетная квадратурная фазовая манипуляция, передающая по 2 бита в символе. Максимальная выходная мощность приемопередатчика 28 не превышает 10 мВт. На сенсорных узлах 1 отсутствует направленная антенна. Расчетная продолжительность автономной работы отдельного узла 1 с использованием, например, литиевого аккумулятора емкостью 19 А·ч, саморазрядом - 50% и опросом датчиков 26 три раза в сутки составляет 10 лет без подзарядки аккумулятора.
В системе используется маячковый профиль сети, специфика функционирования которого заключается в том, что узлы 1, обеспечивающие ретрансляцию сигналов по сети, периодически передают в эфир служебные сигналы - «маячки», чтобы подтвердить свое присутствие на других узлах 1 сети. Между передачами «маячков» все узлы 1 могут находиться в спящем состоянии. Это позволяет значительно продлить работу данных сенсорных узлов 1 без подзарядки аккумуляторов.
Потребление сенсорного узла 1 в спящем режиме составляет 6 мкА, в активном - 27 мА. Такое низкое энергопотребление позволяет использовать для питания сенсорных узлов 1, помимо стандартных аккумуляторных батарей, источники альтернативной энергии.
Сенсорные узлы 1 устанавливают в критических местах диагностирования конструкции железнодорожного моста 2. Информационные данные с выходов датчиков 26 в режиме реального времени поступают на микроконтроллер 25, который осуществляет предварительную обработку данных на основании информации базы 27 знаний и определяет аномалии в данных. В блоке 27 знаний каждого сенсорного узла 1 хранится информация об образах нормальной реакции моста 2 в точке расположения сенсорного узла 1. В случае обнаружения аномалий микроконтроллер 24 формирует команду на включение передатчика 28 и передачу информационного сообщения координатору 3. Сообщение включает признаковый вектор образа, который характеризует текущее состояние объекта в данной точке мониторинга.
Информационные данные с датчиков 26 беспроводного сенсорного узла 1 передаются на микроконтроллер 25, который производит предобработку данных и агрегирует информацию на основе базы 27 знаний. Алгоритмы предварительной обработки зависят от специфики измеряемых датчиками 26 параметров. Например, для акселерометров - датчиков, измеряющих вибрацию, в качестве такого алгоритма используется быстрое преобразование Фурье. База 27 знаний такого сенсорного узла 1 будет содержать кластерную мета-модель, где каждый из кластеров будет заключать информацию как о нормальных образах вибрации для данной точки измерений, так и об аварийных образах вибраций. Агрегация повышает информационную составляющую передаваемых по радиоканалу данных и снижает нагрузку на автономный элемент питания 24 узла. Только в случае обнаружении аварийного образа измеряемого параметра сенсорный узел 1 передает информацию координатору 3 либо напрямую, либо организует передачу информации по сенсорной сети посредством других сенсорных узлов 1.
Приемопередатчик 28 по каналу радиосвязи передает сообщение приемопередатчику 33 координатора 3, который направляет его на соответствующий вход контроллера 30. Контроллер 30 идентифицирует сенсорный узел 1, от которого получено сообщение, а обработку информационного сообщения осуществляет на основе базы 31 знаний. База 31 знаний включает информацию в виде признаковых векторов об образах нормального и аварийного процессов реакции моста. В случае если контроллер 30 подтверждает повреждение, то он посылает сообщение инициализируемому узлу 1 для сбора информации с идентичных ему узлов 1, местоположение которых функционально связано с местоположением инициализируемого сенсорного узла 1.
Микроконтроллер 25 инициализируемого узла 1, получив такое сообщение, формирует сеть для сбора информации с указанных в сообщении других сенсорных узлов 1. Сенсорный узел 1, собрав информацию со всех указанных узлов, передает пакет информации в координатор 3. Контроллер 30 координатора 3 анализирует переданную информацию с использованием базы 31 знаний. По результатам анализа контроллер 30 решает, следует ли обновить локальные базы 27 знаний на сенсорных узлах 1. В случае положительного вердикта контроллер 30 составляет корректирующее сообщение, которое по каналу радиосвязи передает в инициализируемый узел 1 и идентичные ему сенсорные узлы 1, в которых на основании принятых данных микроконтроллер 25 осуществляет обновление баз 27 знаний. Кроме того, всю информацию, передаваемую в координатор 3, контроллер 30 направляет в блок 32 памяти для хранения.
При приближении подвижного транспортного средства (ПТС), как правило путеизмерительного вагона, на заданное расстояние к железнодорожному мосту 2 блок 7 управления выдает команду на включение вычислительного блока 6 и формирует идентификационные сигналы-запросы сторожевым узлам 39, которые через вычислительный блок 6, маршрутизатор 11, радиомодем 12 и радиочастотный канал постоянно передаются в эфир.
По получении запроса от блока 4 сбора данных приемопередатчик 41 сторожевого узла 39 направляет его в контроллер 40. Контроллер 40 в ответ на запрос формирует соответствующий сигнал-отклик и через приемопередатчик 41, радиочастотный канал, радиомодем 12, маршрутизатор 11 и вычислительный блок 6 передает его в блок 7 управления блока 4 сбора данных.
В свою очередь, контроллер 40 сторожевого узла 39 формирует информационное сообщение координатору 3 о необходимости вывести из спящего состояния сенсорные узлы 1 и передает его через приемопередатчик 41, канал радиосвязи и приемопередатчик 33 в контроллер 30. Получив информационное сообщение, координатор 3 посылает команду всем сенсорным узлам 1 выйти из спящего состояния и начать измерение.
Получив отклик от сторожевого узла 39, блок 7 управления дает команду вычислительному блоку 6 принять данные от координатора 3 контролируемого моста 2. После получения команды от блока 7 управления вычислительный блок 6 формирует запрос, который через маршрутизатор 11, радиомодем 12, канал радиосвязи и приемопередатчик 33 передает на соответствующий вход контроллера 30 координатора 3. Получив запрос, контроллер 30 запрашивает из блока 32 памяти информацию об аномальных ситуациях объекта 2 мониторинга за период времени и передает ее в вычислительный блок 6. Вычислительный блок 6 сравнивает полученную от координатора 3 информацию о состоянии моста 2 с информацией, записанной в базе 9 данных, и направляет результаты сравнения в блок 8 памяти. При этом результаты сравнения отображаются на мониторе блока 13 отображения АРМ 5 ПТС.
После передачи в вычислительный блок 6 данных из блока 32 памяти контроллер 30 осуществляет сбор результатов измерений сенсорных узлов 1 при проезде ПТС вдоль железнодорожного моста 2 и направляет их на хранение в блок 32 памяти.
При проезде ПТС вдоль железнодорожного моста с несколькими координаторами 3 вычислительный блок 6 направляет каждому координатору 3 запрос. Аналогичным образом происходит считывание информации со всех координаторов 3. Информация с контроллеров 30 всех координаторов 3 через соответствующие приемопередатчики 33, каналы радиосвязи, радиомодем 12, маршрутизатор 11 последовательно поступает в вычислительный блок 6, который сравнивает ее с соответствующими данными базы 9 данных и передает результаты сравнения в блок 8 памяти.
Причем после передачи в вычислительный блок 6 данных из блока 32 памяти контроллер 30 каждого координатора 3 осуществляет сбор результатов измерений с соответствующих сенсорных узлов 1 при проезде ПТС вдоль железнодорожного моста 2 и направляет их на хранение в свой блок 32 памяти.
После сбора информации вычислительный блок 6 осуществляет обработку информации на основании данных базы 10 знаний. База 10 знаний содержит кластерную метамодель, где каждый из кластеров включает информацию как о нормальных образах состояний для каждой точки измерений объекта, так и об аварийных образах. Блок 4 сбора данных осуществляет сбор информации о состоянии объекта мониторинга 2 во время его эксплуатации в момент прохода ПТС.
Вычислительный блок 6 по результатам обработки формирует данные для отображения состояния моста 2 на мониторе блока 13 отображения. Данные для отображения состояния моста 2, диагностические сообщения о текущем состоянии моста 2 и признаковые вектора, зафиксированные в сенсорных узлах 1, которые характеризуют аномальный процесс или повреждение моста. Оператор-эксперт просматривает видеоданные о состоянии диагностируемого объекта и отчеты мониторинга и принимает решения о дальнейшем режиме эксплуатации контролируемого объекта 2, а также о необходимости дополнительного обновления баз 31 знаний координаторов 3. Обновление базы 31 знаний производят с использованием общей базы 10 знаний об объекте мониторинга 2, учитывающей динамику старения моста 2 за весь период наблюдений, а также сезонные закономерности колебаний его параметров. Цель обновления баз 31 знаний сенсорных узлов 1 заключается в переопределении нормального состояния моста 2 для данной конкретной точки измерений в зависимости от изменения внешних условий среды, например колебаний температуры и/или влажности.
Данные результатов обработки вычислительный блок 6 направляет в приемопередатчик 14, который по радиоканалу передает их в сервер 15 связи. С сервера 15 связи информация поступает в центральный процессор 17 автоматизированного рабочего места 16 ситуационного центра (АРМ 14 СЦ). Центральный процессор 17 на основании представленной информации анализирует текущее состояние конструкции моста 2 и формирует данные для отображения его на мониторе блока 19 отображения автоматизированного рабочего места 16 ситуационного центра.
При отсутствии каких-либо отклонений от норм конструкции железнодорожного моста 2 центральный процессор 17 направляет информацию о результатах измерений в блок 22 памяти. При наличии отклонений от норм эксплуатации, которые требуют выработки и принятия соответствующих решений, оператор АРМ 16 СЦ с помощью блока 18 ввода/вывода запрашивает информацию из базы 20 знаний и базы 21 данных, на основании которой устанавливает показатели конструкции моста, требующие корректировки. Результаты моделирования в базе 20 знаний и анализа в блоке 21 данных поступают в процессор 17 и далее в блок 23 принятия решений, который вырабатывает решения о дальнейшей эксплуатации моста, формирует перечень и объемы последующих текущих ремонтных работ.
Таким образом, данные по результатам обследования каждого наиболее опасного объекта инфраструктуры участка железнодорожного пути через сервер 15 связи поступают в процессор 17 и хранятся в блоке 22 памяти. Процессор 17 на основании информации базы 20 знаний и данных блока 22 памяти по каждому объекту мониторинга формирует долгосрочный прогноз, на основании которого блок 23 принятия решений формирует перечень и объемы последующих текущих ремонтов и осмотров объектов мониторинга. Это позволяет вырабатывать комплексные решения по дальнейшей эксплуатации контролируемого объекта инфраструктуры, а следовательно, и участка железнодорожного пути.
При мониторинге объектов, не имеющих внешней сети электропитания или в качестве резервной системы электроснабжения, используют альтернативные виды энергии.
Например, блоки 24, 29 и 42 питания соответственно каждого сенсорного узла 1, координатора 3 и сторожевого узла 39 дополнительно могут включать пьезогенераторы 35 и/или солнечные батареи 37. Пьезогенераторы 35 установлены между рельсом и шпалой на мосту 2 в непосредственной близости от сетевого узла 1 или координатора 3. Солнечная батарея 37 также размещена на ферме железнодорожного моста в непосредственной близости от сенсорного узла 1 или координатора 3.
При прохождении транспортного средства по мосту пьезогенератор 34 генерирует электроэнергию, которая преобразуется в преобразователе 35 и аккумулируется в аккумуляторах блоков 24, 29, 42 питания.
Энергия солнца преобразуется солнечной батареей 36 и через контроллер 37 заряда поступает на аккумуляторы блоков 24, 29, 42 питания.