Транспортная газета Евразия Вести

Разделы:

 Свежий номер
 Подшивка
 Материалы
 Новости
 О газете
 Редакция
 Подписка

 Консалтинг
 Лицензирование
 Сертификация
 Юридические
 услуги

 Партнеры
 Ресурсы сети
 Реклама на сайте

Поиск:


 

ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ


Версия для печати
Обсудить в форуме

Интеллектуальная система мониторинга и управления состоянием искусственных сооружений железнодорожной отрасли России

На сегодняшний день в распоряжении компании «Российские железные дороги» находится более 80 тысяч искусственных сооружений (ИС). Это мосты, эстакады, тоннели и пр. Требуется значительный объем средств на поддержание в эффективном состоянии и своевременный ремонт всей инфраструктуры, обеспечивающей ритмичную работу транспортного конвейера страны. Это актуализирует разработку нового подхода и методов мониторинга и обеспечения безопасности искусственных сооружений на железнодорожном транспорте. Этим вопросам посвящена статья заместителя директора по науке и инновациям Ростовского филиала ОАО «НИИАС» Н.Н. Лябаха и руководителя сектора Ростовского филиала ОАО «НИИАС» В.Н. Шабельникова.

Интеллектуальная система мониторинга и управления состоянием искусственных сооружений железнодорожной отрасли России
Основными принципами современной концепции обеспечения эффективности и безопасности следует считать: постоянство мониторинга состояния искусственных сооружений; оперативность; доступность; достоверность; малозатратность; прогнозируемость состояния искусственного сооружения; управляемая безопасность (не пассивно наблюдать и фиксировать, а своевременно реагировать); автоматический режим осуществления; интеллектуальность.

Синтезируемая система мониторинга должна сохранять статистику наблюдений за объектом, мнения экспертов (нужны встроенные базы данных) и осуществлять интеллектуальный анализ данных (нужны встроенные базы знаний). Это позволит прогнозировать состояние объекта, собственно системы мониторинга и осуществлять упреждающее управление, не допуская сбоев и больших потерь от нарушения безопасности технологического процесса на объекте.

Остановимся еще на разъяснении двух последних требований концепции обеспечения эффективности и безопасности искусственных сооружений: автоматический режим и интеллектуальность, акцентировав их особенности. Вот характерный пример из сферы освоения космоса. Из информационных сообщений известно, что почти половина стыковок космических кораблей и их модулей не удается осуществить в автоматическом режиме. То есть система автоматического управления есть, а интеллектуальности ее функционирования – нет. Включение человека в процесс стыковки кораблей завершает, как правило, его с положительным результатом.

В наших системах мы должны обеспечить и автоматический режим, и интеллектуальность функционирования. Это исключит зависимость успешности работы системы от субъекта управления, его психо-эмоциональных качеств (человек устает, отвлекается), его ограниченных возможностей по горизонту управления (одновременно человек может анализировать в среднем только семь факторов), объему памяти и скорости анализа. Интеллектуальность разрабатываемых систем предполагается развивать в двух направлениях: заимствование интеллекта у человека (опытное лицо, принимающее решение, обучает машину) и генерация собственного интеллекта (машина содержит механизмы самообучения, которое происходит в процессе работы).

В компании ОАО «РЖД» осуществляется переход от политики регламентного обеспечения безопасности (анализ состояния искусственных сооружений в заданные сроки) и устранения сбоев по мере их возникновения в системе к управлению по сложившемуся состоянию объектов инфраструктуры с учетом его прогноза на будущее. Эта технология недопущения сбоев является, кроме того, и менее затратной.

Становится ясно, что на сегодняшний день возникает потребность в разработке современных систем долгосрочного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры. Для решения этой задачи существует несколько технико-технологических альтернатив.

Одним из наиболее перспективных путей решения выше обозначенной проблемы является развитие средств и методов дистанционного зондирования Земли и геоинформационных систем. С недавнего времени это направление получило широкую поддержку компании. С помощью спутниковых технологий можно идентифицировать местоположение подвижных единиц на транспорте, изменение состояния искусственных сооружений (например, подвижки грунта).

Однако возможности спутников не безграничны. По данным некоторых авторитетных изданий, такие параметры, как надежность и разрешающая способность таких систем, являются недостаточными для множества приложений, где эффективнее применять другие методы.

В последнее время для целей мониторинга все чаще применяют технологию беспроводных сенсорных сетей (БСС). Основным элементом таких систем является беспроводной сенсорный узел. В его состав входят пять основных элементов: приемо-передающее устройство, микроконтроллер и модуль памяти, программное обеспечение, автономный источник питания и система сенсоров.

Вот лишь немногие потенциальные возможности технологии БСС: измерение вибраций и ударных нагрузок искусственных сооружений; анализ загазованности объекта исследования (например, тоннелей), в том числе идентификация просачивания на объект грунтовых вод и газов; оценка напряженно-деформированного состояния конструкций; измерение влажности и температуры среды, влияющих на скорость износа элементов сооружений; анализ акустического состояния объекта (обеспечение безопасных уровней шумов оборудования); определение скоростей движения подвижных единиц и многих иных параметров функционирования объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.

Аналогичные системы для контроля напряженно-деформированных состояний мостов как одна из альтернатив мониторинга уже созданы. Например, на основании данных такого мониторинга в Университете Центральной Флориды была создана имитационная модель беспроводной сенсорной сети пролетного строения моста. Статистические данные представляют собой системные матрицы жесткости, массы и демпфирования при различных воздействиях и сценариях повреждений. Модель позволяет имитировать статические и несколько типов динамических нагрузок, а также на координатной сетке поверхности пролетного строения расставлять виртуальные сенсорные узлы трех видов.

В настоящее время существует устойчивая тенденция уменьшения размеров и потребляемой мощности, удешевления устройств, работа которых основана на использовании БСС.

В ходе разработки Научно-исследовательского института информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО «НИИАС»), в его ростовском филиале, проекта по созданию интеллектуальной системы контроля вибрационной нагрузки искусственных сооружений (ИСКВНИС) железнодорожной отрасли России были составлены принципиальные схемы узлов беспроводной сенсорной сети и заключен договор по выпуску партии таких устройств. Спроектированную БСС планируется заложить в основу ИСКВНИС. Размещенная на узлах контроля объекта (железнодорожного моста) система сенсоров выбиралась именно из этого расчета.

При проектировании системы возникла проблема выбора частотного диапазона работы системы. В России существует несколько открытых ISM-диапазонов: 433 и 868 МГц, 2,4 и 5 ГГц. Наиболее подходящей в нашем случае является частота 2,4 ГГц. Этот диапазон обеспечивает сравнительно высокую скорость передачи информации, на его основе созданы стандартные протоколы связи и защиты информации, осуществляется поддержка сложных топологий, обеспечена высокая помехоустойчивость и сравнительно низкая загруженность. Все это позволяет значительно повысить надежность функционирования системы.

При выборе протокола передачи данных от объекта целесообразно использовать стандарты IEEE 802.15.4/ZigBee. Они обеспечивают минимальное энергопотребление и скорость, вполне достаточную для приложений мониторинга вибрационной нагрузки искусственных сооружений. В частности, создаваемое устройство в активном режиме потребляет порядка 20–25 мА, а в спящем – около 6 мкА. Скорость передачи данных для выбранного протокола составляет 250 Кбит/с.

На беспроводных модулях от компании Atmel на предприятии было реализовано программное обеспечение, позволяющее наладить сбор информации от системы датчиков и управлять ее состояниями. Также в среде MATLAB были созданы имитационная модель объекта мониторинга и графический интерфейс визуализации данных и управления сетью.

Вся сеть датчиков ИСКВНИС разбивается на несколько субсетей, каждая из которых работает на своем частотном канале. На сенсорном узле производится предобработка первичных данных датчиков. Затем информация передается на координатор сети, который через дуплексный спутниковый канал передает данные мониторинга в центр удаленного обслуживания.

На основании входных данных графического интерфейса программа моделирует конкретные ситуации и выходные данные записывает в специальный файл. Это позволяет разрабатывать алгоритмы агрегации данных на сенсорных узлах.

В Ростовском филиале ОАО «НИИАС» разработан графический интерфейс визуализации получаемых данных и управления состояниями сети. Здесь осуществляется побайтовый прием данных, поиск начала и окончания посылки, проверка контрольной суммы, визуализация характеристик сети и данных вибрации узла, а также приводится их спектрограмма и производится параллельная запись данных в log-файл.

В основу интеллектуальной части системы мониторинга мы планируем заложить базы знаний агентов БСС, включая распределенную базу знаний (БЗ) агентов нижнего уровня и центральную БЗ агентов верхних уровней. Распределенная БЗ включает модели локальных динамических процессов, протекающих в контролируемых объектах, а центральная БЗ – модель глобального деформационного процесса и алгоритмы выработки диагностических решений. В основу экспертной системы планируется заложить модели нечеткого вывода. Их логика формируется экспертами (разработчиками, строителями и обслуживающим персоналом). Она остается открытой для совершенствования на протяжении всего периода эксплуатации ИС.

На вход модели нижнего уровня подается информация с датчиков. Эти данные обрабатываются алгоритмом быстрого преобразования Фурье и на основании базы знаний локальных деформационных процессов производится нечеткое вычисление локальных параметров, которые передаются на координатор сети. При помощи специальных технологий, размещенная на удаленном узле информация, может быть перепрошита в любой момент, когда это станет необходимо. Имеются в виду ситуации сезонных изменений погодных условий, когда параметры вибрации могут меняться.

В БЗ агента верхнего уровня в виде нечетких правил продукции будет заложена логика экспертов и соответствующие схемы вывода диагностических сообщений. Аргументами правил являются параметры локальных деформаций, полученные от агентов нижнего уровня, а также некоторые параметры внешних динамических единиц (скорость проходящего состава, его масса и т.д.). Нечеткие правила устанавливают причинно-временную связь между текущими и последующими состояниями процесса. Таким образом СППР на основании произведенных расчетов будет генерировать сообщения, поступающие на АРМ ЛПР. Обслуживающий персонал сможет удаленно управлять работой БСС.

Мониторинг предполагается внедрять двух видов: индикативный и репрезентативный. Репрезентативность означает, что искусственное сооружение обследуется полностью во взаимодействии всех факторов внутренней и внешней среды с учетом особенностей технологического процесса, в который включен объект исследования. Репрезентативный мониторинг дорог трудозатратен, требует много времени на его осуществление. В этой связи важно выделить параметры экспресс-контроля (индикаторы), доступные для измерения и коррелированные с установленными показателями безопасности, измеряемые легко и быстро. Измерение и оценка индикаторов и составляет суть индикативного мониторинга.

Таким образом общая методика мониторинга будет состоять из двух этапов. На первом этапе осуществляется индикативный мониторинг, определяющий общую динамику параметров искусственного сооружения, и при необходимости (если эта динамика отрицательная по системе заданных критериев) включается второй этап – репрезентативного мониторинга. Это позволит осуществить оперативность, достоверность, снижение затрат на процесс идентификации уровня безопасности искусственного сооружения.

© Евразия Вести IX 2010







IX 2010

Евразия Вести IX 2010

Инженерные сооружения - основа эффективной работы железнодорожной инфраструктуры

Современные требования к искусственным сооружениям: надежность, безопасность, долговечность

Оценка рисков в мостовом хозяйстве железных дорог

Перспективные направления развития мониторинга и диагностики земляного полотна ОАО «РЖД»

Новые конструкции железнодорожных мостов

Мониторинг качества изготовления стальных мостов - гарант безопасности движения железнодорожного транспорта

Трасса уходит в горы

Повышая надежность берегоукрепительных сооружений

Инновационные технологии для бестраншейного устройства водопропускных труб

Ради эффективности транспортной инфраструктуры Олимпиады-2014

Стратегия и тактика защиты от коррозии

Адлер - Красная Поляна - трасса олимпийская

ОАО «Мостостройиндустрия» - постоянный партнер ОАО «РЖД»

Тенденции развития конструкции металлических пролетных строений железнодорожных мостов

ООО «Фирма «Теплокор»: взаимовыгодное сотрудничество

Инновационные технологии при строительстве земляного полотна

Уберечь бетон от коррозионно-механических разрушений

Применение полимочевинных покрытий «Колфлекс» для гидроизоляции инженерных сооружений ОАО «РЖД»

Комплексная защита мостовых конструкций от коррозии

PDF-формат



 

Copyright © 2003-2016 "Евразия Вести"
Разработка: интернет-студия "ОРИЕНС"

Евразия Вести