Путь
Мониторинг инфраструктуры на железной дороге Canadian Pacific На железной дороге Canadian Pacific (CP) действует многоуровневая система мониторинга состояния инфраструктуры, построенная на использовании разнообразных технологий инспектирования. Контроль за состоянием пути играет главную роль в обеспечении высокой эксплуатационной безопасности и надежности. Железная дорога CP, занимая шестое место в Северной Америке по протяженности сети (около 25 тыс. км), лидирует по безопасности движения с минимальным среди железных дорог первого класса регистрируемым Федеральной железнодорожной администрацией (FRA) числом происшествий на 1 млн поездо-км. Более 10 лет CP вкладывала средства в многоуровневый подход к инспектированию пути, где традиционные осмотры пути специалистами дополнены автоматизированными технологиями и диагностическими системами. Это привело к стабильному снижению числа происшествий, вызванных отказами техники. В 1997 г. Джейсон Ризон предложил модель «швейцарский сыр» для описания способов управления рисками в организациях. Согласно этой теории траектория «возможной аварии» должна пронизывать ряд слоев защиты («ломтиков сыра»), каждый из которых имеет собственные слабые места («дырки»). Чем больше слоев и чем менее значимы свойственные им недостатки, тем ниже вероятность того, что некая единичная неисправность может привести к происшествию. В случае железной дороги различные уровни и системы инспектирования действуют совместно, чтобы предотвратить выстраивание отверстий в каждом из слоев на одной линии (рис. 1, таблица).
Осмотры квалифицированными обходчиками пути и искусственных сооружений предлагают широкий спектр визуальных наблюдений, но могут быть в чем‑то субъективными. Напротив, автоматизированные системы выполняют большой • Испытания под нагрузкой от проходящего грузового поезда • Зимние условия • Периодичность испытаний
объем детальных измерений, но они не могут охватить всю совокупность наблюдений, возможных при визуальном осмотре. Наглядным примером служит применение вагонов-лабораторий для ультразвуковой дефектоскопии рельсов. К катастрофе может привести излом рельса, развившийся от внутренней трещины. Хотя такой дефект нельзя обнаружить при осмотре пути, «дыру» на
• Недостаток времени для измерений • Дефекты, не обнаруживаемые визуальным осмотром
• Пропуск участков при осмотре • Некачественный осмотр • Нераспознавание дефекта
Угроза безопасности
Пешие обходы Организация надзора Снижение риска схода с рельсов
Путеизмерительные вагоны Новые технологии
Рис. 1. Интерпретация модели «швейцарский сыр» для управления рисками на железной дороге Многоуровневая система мониторинга состояния пути
Уровень
Задачи
1
Электронная система регулирует инспекционный процесс, регистрирует устранение дефектов
2
Электронная регистрация результатов измерений анализирует отклонения от норм
3
Путеизмерительные вагоны и локомотивы с системой V/TIM фиксируют нарушения геометрии пути
4
Инструментальные комплексы на основе разрезных осей позволяют производить измерения при пиковых нагрузках в любую погоду
5
Технология получения цифровых изображений и компьютерное распознавание компонентов верхнего строения пути дополняют пешие обходы
6
Непрерывные измерения без участия человека в режиме коммерческой эксплуатации позволяют контролировать тенденции проявления скрытых дефектов пути
Железные дороги мира — 2013, № 9 67
Путь
этом уровне закрывают регламентированные проверки с применением автоматической системы ультразвуковой дефектоскопии. Дефекты геометрии пути определить на глаз также непросто.
Регистрация данных в электронном виде Автоматизация и инновации применимы на любом уровне, поэтому CP работала, добиваясь улучшения результатов визуального осмотра как в отношении качества получаемых данных, так и в целях обеспечения надзора за соблюдением установленных требований. Традиционно результаты инспекций пути регистрировали на бумажных носителях. Это означало, что функции оформления конкретных заданий на осмотры и документирование полученных результатов были распределены между сотрудниками, работающими в относительной изоляции. Так возникала вероятность пропуска отдельных участков пути. CP совместно с компанией Ensco разработала электронный журнал регистрации результатов инспекций пути в виде веб-приложения для работы в режиме offline, при этом все ноутбуки синхронизируются на веб-сайте, чтобы их пользователи работали с последними обновлениями данных. В этой безбумажной системе учета работает программа-диспетчер, которая подсказывает линейным работникам, какие объекты инфраструктуры следует проинспектировать и в какие сроки провести осмотр, чтобы те могли планировать последовательность работ. Каждому объекту присвоен индивидуальный код, задана периодичность осмотров, отвечающая нормативным требованиям. Предстоящие задания обозначаются иконками зеленого, желтого или красного цвета, что означает соответственно «канун осмотра», «осмотр сегодня» и «осмотр просрочен».
При вводе итогов осмотра в систему обходчик должен указать определенный набор данных, включая дату, место и метод осмотра, а также выявленные дефекты и необходимые меры по их устранению. Многие из этих сведений заложены в бланк отчета. Дефектам присваиваются индивидуальные коды, которые пользователь выбирает в выпадающем меню, что ускоряет процесс и повышает точность. Система основана на привязке объектов к мильным знакам, что дает однозначное определение каждого участка. Статус дефекта также обозначается цветом. Зеленая иконка означает, что дефект устранен, тогда как красная отмечает то, что ремонт не проведен. После регистрации дефекта по итогам санкционированной инспекции его статус невозможно изменить до регистрации принятых мер. Для изменения статуса дефекта необходимо заполнить все обязательные поля с указанием подробностей принятых мер и даты исполнения. Менеджеры могут получать оперативные сводки, где показано число обнаруженных дефектов и число подлежащих устранению. Допустим просмотр архивных сведений по участку или типу объекта. Данная система поддерживает получение обобщенной информации на уровне региона, округа или отделения, а при необходимости ее можно детализировать для оценки состояния конкретного объекта. Это помогает оценивать объемы работ и ресурс рабочей смены, если потребуется.
Измерение ширины колеи под нагрузкой Следующий уровень защиты на CP обеспечивают два путеизмерительных поезда (рис. 2), которые в 2012 г. обследовали 77 345 км линий на собственной сети, а также по договорам — линии малых
железных дорог и операторов пригородных сообщений. Традиционно вагон для измерения геометрии рельсового пути должен создавать такую же вертикальную нагрузку на путь, что и грузовой вагон. Вагоны путеизмерительного поезда на CP нагружают свинцовым или железобетонным балластом до осевой нагрузки 24 т, что, однако, ниже допустимой в настоящее время осевой нагрузки 33 т. Обычно путеизмерительные поезда проводят измерения при тех боковых нагрузках на рельсы, которые создаются их тележками. Однако боковые нагрузки могут быть разной величины и значительно более низкими, чем создаваемые грузовыми вагонами с плохим направлением в колее или появляющиеся при прохождении кривых длинносоставными грузовыми поездами. Поэтому Canadian Pacific внедрила систему Gauge Restraint Measurement (GRMS) измерения ширины колеи под нагрузкой для оценки состояния шпал и рельсовых скреплений. В ней применена разрезная ось с гидравлическим приводом, создающая на каждом рельсе постоянную нагрузку 9000 кг в вертикальном и 6350 кг в горизонтальном направлении (что дает отношение поперечной нагрузки к вертикальной 0,7) при движении со скоростью до 80 км/ч. Эта динамичная система заменила прежнюю, внедренную в 1999 г., где разрезная ось использовалась в качестве рабочей оси тележки грузового вагона. В новой системе GRMS разрезная инструментированная ось выдвигается из рамы вагона, она оборудована лазерными устройствами для измерений ширины колеи под нагрузкой и без нее в любой выбранной точке, координаты GPS которой фиксируются. Помимо фиксации результатов измерений в реальном времени, данная программа экстраполирует смещение рельса под нагрузкой и прогнозирует изменение колеи для
68 Железные дороги мира — 2013, № 9
Путь
экстремальных условий. Это дает объективную оценку «слабых мест», которые могут угрожать безопасности, и помогает с большей надежностью, чем визуальный осмотр, выявить участки с ослабленной фиксацией ширины колеи. Аналогичным образом индекс «экстраполяции уширения колеи» дает информацию о резерве фиксации пути в поперечном направлении и определяет коэффициент жесткости, сопоставляя измерения под нагрузкой и без нее. Динамика скорости ухудшения рабочих характеристик участка пути важна при создании долгосрочных программ замены шпал или скреплений с учетом пороговых значений уширения колеи. Обычно это применяется для борьбы с уширением колеи на участках с деревянными шпалами, которые все еще используются на 99 % путевого развития Canadian Pacific, но может относиться и к участкам полигона железобетонных шпал с предельным износом подрельсовых посадочных мест. Трудно обнаружить уширение колеи визуально в зимнее время, когда рельсы заметены снегом. Система GRMS оказалась особенно полезной для обнаружения наростов льда под шпальными подкладками и для работы на участках, где рельсовые скрепления покрыты снегом. Разрезная ось укомплектована датчиком смещения, который измеряет расстояние между тыльными плоскостями колес, каждое из которых создает постоянную боковую нагрузку. Это работает при любой погоде, даже когда невозможно проводить весь комплекс измерений геометрии пути. Поскольку разрезная ось не является опорной для вагона путеизмерительного поезда, нет опасности для работы в условиях, когда не видны рельсовые стыки. Разрезная (мерная) ось автоматически убирается, когда отношение боковой нагрузки к вертикальной превышает 1,25 на любом из колес.
Рис. 2. Путеизмерительный поезд CP
Взаимодействие подвижного состава и пути Еще одной системой обнаружения в близком к реальному времени отклонений в состоянии пути, которые не укладываются в нормативные требования, является автономная система Vehicle/Track Interaction Monitor (V/TIM). Она установлена на 14 локомотивах CP, выполняющих коммерческие перевозки на всей сети, и выявляет участки, требующие внимания. Акселерометры осевых букс воспринимают вертикальные толчки с малой длиной волны, вызванные неравномерностями профиля рельса или выкрашиванием металла литых элементов; акселерометры, ориентированные в поперечном направлении, обнаруживают неровности с большой длиной волны; установленные на полу кабины акселерометры регистрируют условия, которые обусловливают галопирование, удары и рыскание. Регистрируются четыре типа отклонений: кузова вагона по вертикали и горизонтали, рамы тележки по горизонтали и оси по вертикали.
Система V/TIM вводит еще один уровень контроля, позволяющий выявлять неровности с длиной волны как меньшей, так и большей хорды длиной 20 м, которая заложена в основу стандартов геометрии пути в Северной Америке. Система автоматически вводит время и координаты GPS для каждого фиксируемого показания акселерометра. Ускорения в зоне подшипниковых букс преобразуются в усилия путем подстановки расчетной неподрессоренной массы колесной пары. В бортовых системах используются точечные значения порога фиксации отклонений от нормы; эти места затем будут осмотрены путевыми рабочими, которые определят срочность выполнения ремонта. Это помогает выявлять, исправлять и в итоге устранять нежелательные состояния пути. V/TIM выделяет записи с превышением пороговых величин и собирает со всех датчиков относящиеся к ним формы сигналов, чтобы направить в центральную систему сбора и обработки данных. Поступившие сигналы подвергают перекрестной проверке для исключения ошибок распознавания и сохраняют
Железные дороги мира — 2013, № 9 69
Путь
в базе данных. Зарегистрированное таким образом отклонение можно найти в базе данных поиском по месту, номеру локомотива, дате, времени суток и т. д. Об отклонениях, требующих безотлагательного вмешательства, уведомляют линейных работников службы пути (почти в реальном времени) автоматически сгенерированными электронными письмами с указанием координат GPS. Все датчики системы V/TIM установлены на локомотивах серии AC4400 во избежание разброса результатов измерений из‑за различий в системе подвешивания, но на точность измерений влияет скорость движения поезда. При том что принципиально возможно экстраполировать результаты измерений и привести их к единой скорости, например равной 80 км/ч, как принято в Системе регистрации ударных нагрузок от колес на рельсы (WILD), на CP решено использовать реальные результаты измерений, которые лучше отображают ударные нагрузки от поездов, идущих с принятой для данного участка скоростью. Система мониторинга взаимодействия подвижного состава и пути может также отмечать концентрацию повторяющихся незначительных отклонений от нормы, которые имеют отношение к имевшим место в прошлом сходам поездов, вызванным дефектами пути. Изучение материалов расследований показало, что накануне на местах аварий обычно в состоянии пути наблюдались отклонения невысокого уровня. Полагают, что концентрация незначительных отклонений может служить предупреждением о состояниях пути, не регистрируемых как типовое отклонение от нормы с превышением порогового значения, что открывает дополнительные возможности использования выявляемых системой V/TIM отклонений. На практике накопление отклонений невысокого уровня на
конкретном участке свидетельствует о том, что ударные воздействия колес на рельс повышают напряжения в рельсе вследствие роста динамической нагрузки и, возможно, просадки загрязненного балласта. Накопление таких событий может создать среду для усталостного износа и более серьезных повреждений, ведущих к излому рельса, стыка, излому болтового отверстия или повреждению земляного полотна. Железная дорога CP внедрила первые две системы V/TIM в 2010 г., а уже в начале 2013 г. примерно 250 таких систем работало на локомотивах, пассажирских и грузовых вагонах в условиях обычной коммерческой эксплуатации на железных дорогах первого класса в Северной Америке. За первое полугодие 2011 г. 14 систем V/TIM выявили на сети CP 792 отклонения от нормы, требующих незамедлительного вмешательства, и 2846 достаточно серьезных отклонений. В общей сложности 14 систем V/TIM за год обследуют порядка 1 млн км пути.
Инспектирование стыковых накладок Хотя на магистральных линиях CP уложены сварные рельсовые плети, стыковые накладки используются для соединения бесстыковых участков со специальными конструкциями пути или для устройства временных стыков при ремонте зимой, когда холодная погода не позволяет вварить вставку. Стыковой путь сохраняется также на многих второстепенных линиях и станционных путях. Инспектирование стыковых накладок во время пеших обходов требует больших трудозатрат, так как целостность компонентов проверяется визуально. На обход участка длиной 200 км с проверкой 6 – 8 пар накладок на 1 км требуется несколько дней. Железная дорога CP в 2007 г. первой в мире оснастила типовой
путеизмерительный вагон оптической системой инспектирования стыковых накладок JBIS компании Ensco. Двух таких вагонов достаточно для инспектирования всей сети компании. Эта система при движении со скоростью до 100 км/ч дает изображения стыковых накладок с высоким разрешением для оценки их на наличие трещин в реальном времени. Под рамой вагона смонтирована платформа, на которой для каждой рельсовой нити установлены по две цифровые камеры с однострочной разверткой и мощными фарами точечной подсветки. Рельс инспектируется с внешней и внутренней стороны. Система обработки устанавливает наличие стыковых накладок и выводит их изображения на монитор компьютера. Цветом выделяются предполагаемые трещины; оператор может детализировать изображение для более точной оценки, чтобы подтвердить или отклонить предположения о дефекте, а также отметить другие дефекты, пропущенные программой. Он может также выявить другие дефекты типа ослабленных или отсутствующих болтов как в реальном времени, так и при последующей обработке. Каждый стык привязывается к координатам GPS и соответствующей километровой отметке. Когда оператор подтверждает наличие дефекта, изображение стыковой накладки распечатывается и отсылается ответственному за участок персоналу. С 23 апреля по 15 августа 2012 г. два вагона с оптической системой инспектирования стыковых накладок обследовали более 17,5 тыс. км преимущественно бесстыкового пути и провели инвентаризацию 188 837 пар стыковых накладок; из них в 515 обнаружены трещины или изломы, а в 1153 накладках были ослаблены или отсутствовали болты. Это соответствует одной дефектной накладке на 34 км пути и одному дефектному болту на 15 км.
70 Железные дороги мира — 2013, № 9
Путь
Перспективы В дополнение к уже используемым технологиям (рис. 3) железная дорога CP активно занимается разработкой новых систем, которые позволят сократить затраты ручного труда за счет автоматизации инспектирования с высокой точностью измерений и стандартизацией процесса оценки. Проходит испытания одна из таких систем, а именно система оценки состояния шпал по объемному изображению в инфракрасном диапазоне с обнаружением трещин и сколов, вылезших костылей и врезания подкладок в деревянные шпалы. В разработке находится проект вагона для автоматизированного инспектирования стрелочных переводов с использованием сканирующего лазера для оценки зазора остряка закрытой стрелки, прилегания остряка к рамному рельсу и измерения глубины износа острия крестовины. Другая система будет измерять зазоры в стыках сварных рельсовых плетей, а также температуру воздуха и рельса, чтобы определить, находится ли зазор в допустимых пределах для измеренной температуры рельса и не вышел ли рельс за рамки приемлемых допусков относительно указанной для него нейтральной температуры. Аналогично измерение продольных напряжений в рельсах на опасных участках поможет
Рис. 3. Рабочие места в путеизмерительном вагоне CP
выявить потенциальную опасность искривления рельсов, которое является предвестником выброса пути. Мониторинг напряжений и прогибов ответственных компонентов мостов укажет на утрату целостности конструкции и несущей способности. Проводятся испытания сейсмоприемников для обнаружения камнепадов и подачи сигнала тревоги в случае оползня или лавины. Выходя за рамки установки системы V/TIM на локомотивы, CP испытывает варианты размещения элементов этой системы на крытом вагоне с балластом, который будет перемещаться по сети в составе обычных грузовых поездов. Вагон
оснащен лазерными устройствами измерения геометрических параметров пути и передает данные на центральный сервер. Получение результатов измерений таким путем в значительной степени увеличивает протяженность обследованных участков и снижает потребность в специализированных поездах. Поток данных о состоянии пути позволит выделить тенденции возникновения наиболее частых дефектов и разработать систему планово-предупредительного ремонта. Railway Gazette International, 2013, № 5, p. 39 – 42; материалы компании Ensco (www.ensco.com).
подписка
«Железные дороги мира» В любом отделении связи (каталог «Пресса России»). Подписной индекс 87096 (на весь год) или 70306 (на полугодие).
Вся информация о подписке в России и других странах на сайте журнала: www.zdmira.com
Железные дороги мира — 2013, № 9 71