Новые подходы к мониторингу железнодорожного пути

Новые подходы к мониторингу железнодорожного пути
Авторы: Михалкин И.К., Симаков О.Б., Седелкин Ю.А., Атапин В.В., (НПЦ ИНФОТРАНС)
Одним из основных требований ПТЭ является то, что все элементы
железнодорожного пути: верхнее строение пути, искусственные сооружения, а
также земляное полотно должны по прочности, устойчивости и состоянию
обеспечивать безопасное и плавное движение поездов со скоростями,
установленными на данном участке.
Кроме того, эффективное содержание как всей железнодорожной
инфраструктуры, так и отдельных ее элементов невозможно без полного
представления о ее реальном состоянии и развитии.
В Стратегии развития железнодорожного транспорта РФ одним из
важнейших требований является разработка принципиально новых
комплексных систем и подходов к диагностике и мониторингу объектов
инфраструктуры с последующим сосредоточением данных в центрах обработки
информации.
Расстройства верхнего строения пути зачастую не являются отражением
плохого текущего содержания пути, а являются следствием ненадлежащего
состояния земляного полотна, выраженного в нестабильности насыпи и
балластного слоя, деформации земляного полотна, наличии выплесков и других
нарушений. При обнаружении таких мест необходимо проведение более
глубокого анализа и выявление истинной причины расстройства как верхнего
строения пути, так и земляного полотна в целом.
Для проведения анализа и решения поставленных задач необходимо,
прежде всего, быстрое и своевременное получение максимально полной
информации о состоянии контролируемого объекта.
В настоящее время основным поставщиком такой информации являются
современные автоматизированные средства диагностики: путеизмерительные
вагоны-лаборатории. Данные средства диагностики пути позволяют не только
контролировать параметры геометрии рельсовой колеи (рихтовка, просадка,
уровень и т.д.), но и проводить их всесторонний углубленный анализ и
мониторинг во времени. Особое место в ряду диагностических средств
занимают комплексы «ЭРА», которые позволяют во время одной поездки
получить максимально полную информацию о состоянии не только основных,
но и дополнительных параметров по техническим объектам инфраструктуры
(всего более 120 параметров) в привязке к путевой и геодезической системам
координат.
При этом следует отметить значимость применения диагностического
комплекса «ЭРА» для контроля и оценки состояния земляного полотна.
Установленная на диагностическом комплексе система георадиолокационного
зондирования подповерхностных слоев насыпи и балластной призмы,
благодаря использованию антенн с различными частотами излучения, дает
возможность обнаружения не только деформаций основной площадки
земляного полотна, но и нарушений границ конструктивных слоев и области
увлажнения на глубинах до 10-12 м. Система пространственного сканирования
позволяет осуществлять контроль очертания балластной призмы и земляного
полотна (ширина плеча балластной призмы, основной площадки земляного
полотна, крутизна уклона насыпи), что совместно с данными системы
обзорного видеонаблюдения, дающей наглядную картину состояния как
верхнего строения пути, так и земляного полотна, и возможность фиксировать
нарушения в их содержании (избытки или недостатки щебня в шпальных
ящиках, засоренность водоотводных канав, наличие растительности и др.), дает
возможность составить полное и объективное представление о состоянии
земляного полотна.
Интересной разработкой, актуальной для мониторинга земляного
полотна, является ручной автоматизированный диагностический комплекс –
ручной путеизмеритель РПИ. РПИ позволяет не только контролировать
основные геометрические параметры рельсовой колеи, но и вести
высокоточную
съемку
продольного
профиля
пути,
осуществлять
пространственное сканирование и определять очертания балластной призмы и
основной площадки, междупутное расстояние, опоры и подвеску контактной
сети. Преимуществом РПИ является возможность его использования в тех
местах, где невозможно или нецелесообразно использовать диагностические
комплексы «ЭРА», для оперативной проверки на локальных участках пути,
участках пути, которые требуют особо тщательного контроля и мониторинга за
состоянием земляного полотна, а также при ремонтных работах и для контроля
качества их выполнения.
Кроме того, появляется возможность сопоставления данных вагонапутеизмерителя (нагруженное состояние пути) и РПИ (ненагруженное
состояние пути) и выявления ослабленных и нестабильных участков верхнего
строения пути и земляного полотна.
Для проведения прогнозирования состояния земляного полотна, оценки
изменения состояния балластной призмы, определения мест с повышенной
увлажненность и деформациями основной площадки земляного полотна,
своевременного определения их перехода в опасное состояние необходим его
систематический мониторинг и контроль во времени.
Такую возможность дает, разработанная в НПЦ ИНФОТРАНС
информационно-аналитическая
система
комплексной
диагностики
железнодорожной инфраструктуры «ЭКСПЕРТ», которая обеспечивает сбор,
хранение, накопление, верификацию, синхронизацию и интеграцию данных.
Информацию, формируемую системой «ЭКСПЕРТ», могут использовать
внешние приложения, которые будут вести комплексный анализ данных в
различных проекциях. В настоящее время уже разработаны два таких
приложения:
- программа автоматизированного расчета частично работоспособного
(предотказного) состояния железнодорожной инфраструктуры УРРАН-RAMS,
разработанная НПЦ ИНФОТРАНС по поручению старшего вице-президента
ОАО»РЖД» Валентина Александровича Гапановича. Эта программа, на основе
методологии комплексного управления надежностью, рисками, стоимостью
жизненного цикла на железнодорожном транспорте позволяет в
автоматическом режиме оценивать и определять состояние любого по
протяженности участка пути, (км, м, перегон, станция, направление) с учетом
существующих рисков и грузонапряженности, а также выявлять участки пути,
требующие
ремонта,
и
оптимизировать
затраты
на
содержание
инфраструктуры, исходя из ее реального состояния и развития. Кроме того, на
основании данных системы УРРАН-RAMS можно выявлять проблемные места
пути, состояние которых является следствием расстройства земляного полотна,
и не может быть полностью выправлено текущим содержанием пути;
- программа «StabWay», разработанная по методике МИИТа и
реализованной специалистами НПЦ ИНФОТРАНС для оценки и мониторинга
состояния земляного полотна.
В настоящее время эти системы в локальном варианте установлены на
всех дорогах, а полный, сетевой, Web-ориентированный вариант проходит
опытную эксплуатацию на Куйбышевской железной дороге.
Рассмотрим несколько примеров анализа технического состояния
железнодорожного пути на Куйбышевской железной дороге.
Система «ЭКСПЕРТ» и программа расчета предотказного состояния
позволяют выявлять проблемы, связанные с земляным полотном, так как они
проявляются в геометрии пути как постоянно неблагополучные участки. Эти
участки невозможно привести в порядок только текущим содержанием, так как
проблемы имеют более глубинный характер и связаны с земляным полотном.
Пример 1.
Рис. 1
На рисунке 1, на основании карты развития предотказов (состояния пути),
полученной по данным регулярных проверок вагонов-путеизмерителей за 2
года (январь 2011 – январь 2013 г.), при анализе 754 км видно, что его
состояние по геометрии рельсовой колеи на ПК 2, ПК3 и ПК4 на протяжении 2
лет является стабильно неблагополучным и постоянно ухудшающимся. После
проведения в апреле 2012 г. работ текущего характера состояние пути на
данном километре на короткое время улучшилось, но затем снова вернулось в
прежнее состояние.
Анализ состояния земляного полотна на 754 км был выполнен по
методике, разработанной МИИТом и реализованной специалистами НПЦ
ИНФОТРАНС в программном обеспечении «StabWay» (рисунок 2)
Рис.2.
На рисунке 3 представлен график мониторинга земляного полотна на 754
и показано превышение положительного приращения ССКО (зеленая линия)
заданного порога (красная пунктирная линия) на период май-ноябрь 2012 г.
Рис. 3
При дальнейшем анализе поперечного профиля земляного полотна с
использованием графиков поперечного профиля, а также системы обзорного
видеонаблюдения видно ненадлежащее содержание земляного полотна на 754
км:
- при проведении путевых работ была нарушена технология выполнения
работ – произведена отсыпка старого щебня на откос насыпи, который
препятствует пропуску грунтовых и подземных вод и способствует развитию
нестабильности земляного полотна в данном месте;
- отсутствуют дренажные канавы;
- излишнее количество щебня в шпальных ящиках;
- наличие растительности на откосах земляного полотна.
Рис.4
В результате анализа состояния земляного полотна на 754 км по данным
георадиолокационного зондирования можно увидеть места основной площадки
земляного полотна с высокой увлажненностью и деформациями (рисунок 4).
Пример 2.
Рис.5
На рисунке 5 на карте развития состояния пути (предотказов) показан
пример неблагополучного состояния пути, где также на 779 км на протяжении
длительного времени видны развивающиеся ухудшения состояния пути по
геометрии рельсовой колеи, достигшие максимума в 2012 г.
Рис.6
При дальнейшем анализе данного километра в программном обеспечении
«StabWay» на протяжении практически всего километра видны превышения
положительным приращением ССКО заданного порогового значения. Также на
рисунке 6 представлена ведомость участков с нестабильным состоянием
земляного полотна.
Анализируя данные, полученные с диагностических комплексов «ЭРА»
по состоянию поперечного профиля земляного полотна, системы обзорного
видеонаблюдения, а также системы георадиолокационного зондирования,
можно обнаружить нарушения, связанные с состоянием земляного полотна в
виде отсутствия дренажных канав, а также наличия выплесков пути и мест с
высокой увлажненностью и деформациями земляного полотна (рисунки 7 и 8).
Рис.7
Рис.8
Интересным представляется анализ участка пути Северо-Кавказской
железной дороги с уложенной объемной георешеткой, выполненный в системе
УРРАН-RAMS с целью оценки эффективности применения объемной
георешетки.
Для анализа был выбран перегон Невинномысская-Киан (1 путь)
протяженностью около 19 км, на котором в 2011 г. в рамках проведения
реконструкции (модернизации) железнодорожного пути была уложена
объемная георешетка. Конструкция пути: рельсовые скрепления КБ, рельсы
Р65, ЖБ, Щ, преимущественно кривые участки пути (порядка 20-ти),
минимальный радиус кривой R = 830 м.
По результатам анализа данного участка в системе УРРАН-RAMS,
согласно динамике развития интенсивности предотказов геометрии рельсовой
колеи (рисунок 9) наглядно видно, что после проведения реконструкции
(модернизации) железнодорожного пути с укладкой в путь объемной
георешетки состояние пути является стабильным, без явных признаков
деградации.
Рис.9
Рис.10
Однако при более детальном анализе данного участка и просмотре карты
развития предотказов пути (рисунок 10), а также ее динамики за период с июля
2010 г. по февраль 2013 г., можно отметить, что на первых 4-х километрах
перегона Невинномысская-Киан (1 путь), где была уложена объемная
георешетка, деградация пути развивается значительно быстрее, чем на
остальных километрах (рисунок 11, 12, 13 и 14).
Рис.11
Рис.12
Рис.13
Рис.14
Данный факт свидетельствует о том, что при производстве ремонтных
работ с использованием объемной георешетки значительную роль играет
качество выполнения и строгое соблюдение технологии ремонтных работ.
На начальных этапах работы (1736-1739 км) еще велась отработка
технологии укладки объемной георешетки и были допущены отдельные
нарушения, которые привели к тому, что указанные километры имеют
относительно высокий уровень динамики деградации по сравнению с теми
километрами, на которых технология уже была отработана и выполнялась в
полном объеме.
Таким образом, в настоящее время на сети железных дорог России не
только появились современные диагностические средства, позволяющие
получать информацию о состоянии земляного полотна в объеме, достаточном
для выявления его проблем, но и созданы и уже успешно применяются
информационно-аналитические системы, способные оказать большую помощь
в своевременном выявлении проблем земляного полотна и адресном
планировании ремонтных работ необходимого уровня именно там, где это
нужно, и именно тогда, когда это нужно.