W Polsce długość linii kolejowych wynosi około 19 tys. km. Długość torów wymagających regularnej kontroli jest wielokrotnie większa. Duża część z nich to linie dwutorowe, do których trzeba dodać także: infrastrukturę stacji kolejowych z torami odstawczymi, stacje rozrządowe i bocznice. Osobnym problemem są rozjazdy, ponieważ pomiar ich geometrii jest bardziej skomplikowany i wymaga zastosowania specjalnych metod i urządzeń.
PLK S.A. w materiałach prasowych informuje, że na przykład w roku 2020 pracownicy spółki skontrolowali 52 721 km torów (w zakresie geometrii toru, stanu szyn i podkładów). Mniej więcej połowę pracy wykonał nowoczesny pociąg diagnostyczny (sprawdził 25 687 km torów). Maksymalna prędkość, przy której można wykonywać pomiary, wynosi 120 km/h. Ponad 12 tys. kilometrów szyn sprawdzono przy użyciu defektoskopu ultradźwiękowego zamontowanego w wagonie diagnostycznym. W tym przypadku największa prędkość jazdy podczas pomiarów wynosi 60 km/h.
Bezkontaktowo znaczy szybciej
Prędkość wykonywania pomiarów ma znaczenie przede wszystkim tam, gdzie pomiary nie powinny zakłócać zwykłego ruchu pociągów osiągających duże prędkości. Można to osiągnąć tylko przy pomocy metod bezkontaktowych. Gdyby pomiar wymagał kontaktu elementów przyrządu pomiarowego z badanymi elementami torów, prędkość byłaby zdecydowanie mniejsza. Ruchome części mają pewną bezwładność, więc przy pomiarach wykonywanych z dużą prędkością nie nadążałyby z rejestrowaniem zmian wymiarów toru. Pojawia się także problem zużycia elementów pomiarowych przez ścieranie. Konsekwencją jest konieczność wprowadzania coraz większych poprawek do pomiarów oraz wzrost niepewności pomiarowej.
Problem ten rozwiązują dwa rodzaje pomiarów: z użyciem czujników laserowych, będących w istocie precyzyjnymi i szybkimi dalmierzami, oraz analiza obrazu otrzymanego z kamer obserwujących szyny i torowisko przed i za lokomotywą. Rynek tych urządzeń szybko się rozwija, ponieważ rośnie zapotrzebowanie na usługi wykorzystujące modele trójwymiarowe. Dokładne pomiary geometrii przy pomocy laserów i przez analizę fotografii są dobrym punktem wyjścia do tworzenia precyzyjnych modeli 3D. Kolej jest ważnym obszarem zastosowania technologii 3D.
Nowoczesne metody pomiarowe
Nowoczesne metody pomiarowe są projektowane w taki sposób, aby umożliwić badanie trójwymiarowych obiektów bez nadmiernych uproszczeń. Oznacza to, że pomiary dokładnie oddają stosunki przestrzenne brył i ich geometrię. Umożliwia to bardziej dokładne i jednoznaczne wyszukiwanie anomalii, np. deformacji, pęknięć, uszkodzeń powierzchni itp. W praktyce przyrząd pomiarowy musi być zdolny do jednoczesnego albo sekwencyjnego, lecz bardzo szybkiego pomiaru podstawowych parametrów fizycznych (np. odległości, kątów).
Dla przykładu: wagon defektoskopowy PKP PLK po modernizacji został wyposażony w 18-kanałową, ultradźwiękową aparaturę pomiarową. Głowice defektoskopu „patrzą” jednocześnie pod kątem 70 stopni w stosunku do powierzchni jezdnej szyny, zgodnie z kierunkiem jazdy i „do tyłu”, dwie kolejne pod kątem 45 stopni, a dwie następne prostopadle do powierzchni jezdnej szyny. Częstotliwość wyzwalania każdego kanału wynosi 5 kHz. Przy maksymalnej prędkości 60 km/h (czyli 16,67 m/s) oznacza to przesunięcie czujnika względem szyny o nieco ponad 3 cm. System rejestrujący dane musi obsłużyć łącznie około 80 tys. próbek w ciągu sekundy.
Kontrolowane są jednocześnie oba toki szyn, a badanie defektoskopem jest uzupełniane obrazem z kamer o wysokiej rozdzielczości, pokazujących powierzchnię jezdną szyny oraz jej bok. Wyniki pomiaru i obraz są zsynchronizowane i dodatkowo uzupełnione informacją o przebytej drodze. Dzięki temu, opracowując wyniki pomiarów, można zweryfikować zapis defektoskopu, konfrontując go z obrazem, i precyzyjnie wskazać w terenie miejsce wykrytej albo podejrzewanej usterki.
Sztuczna inteligencja i duże zbiory danych
Skanowanie 3D i analiza obrazu to techniki, których dokładność w dużym stopniu zależy od gęstości punktów pomiarowych. Powinna być ona jak największa, co skutkuje gromadzeniem dużych ilości danych, które częściowo są przetwarzane w czasie rzeczywistym, a częściowo składowane w hurtowniach danych. Analiza online umożliwia identyfikację większych problemów (np. uszkodzeń zagrażających bezpieczeństwu ruchu), a badanie danych historycznych dostarcza informacji o procesach zachodzących w środowisku (np. osiadaniu gruntu lub nasypu czy pękaniu szyn).
Te dwa ujęcia stymulują rozwój przyrządów diagnostycznych wyposażonych w wydajne procesory i oprogramowanie wykorzystujące sztuczną inteligencję (ang. artificial intelligence, AI) do wyszukiwania odchyleń od normy, a także potężne hurtownie danych i oprogramowanie do analizy dużych zbiorów danych historycznych. W tym również może pomóc AI.
W praktyce pojawia się problem z gromadzeniem danych pomiarowych. Pociągi diagnostyczne muszą być wyposażane w wydajne serwery zapisujące surowe dane pomiarowe i obraz z kamer, ale jednocześnie dane te powinny być przekazywane do systemów IT, w których będą składowane i analizowane. Można to zrobić po zakończeniu pomiaru, kopiując pliki z danymi bezpośrednio na serwery, albo online – za pośrednictwem wydajnego łącza radiowego. Oba podejścia mają wady i zalety i w praktyce występują łącznie.
Na marginesie warto zauważyć, że będący obecnie standardem kolejowej łączności radiowej system GSM-R nie zapewnia wystarczającej prędkości danych dla obsłużenia tego typu pomiarów, a przecież technologii służących bezpieczeństwu jest coraz więcej. Niektóre z nich wspierają okresowe testy infrastruktury, inne przewidują stałe monitorowanie dróg kolejowych, stacji i pojazdów w ruchu. Zapotrzebowanie na transmisję danych będzie zatem rosło. Dlatego tak ważne są prace nad Future Railway Mobile Communication System (FRMCS).
Różne podejścia
Drezyny i pociągi pomiarowe to tylko jedno z wielu rozwiązań wykorzystywanych do diagnostyki torów i infrastruktury. Doskonale nadają się one do „badań przesiewowych”: okresowego wykrywania podejrzanych miejsc, przede wszystkim na bardzo obciążonych ruchem pociągów odcinkach linii kolejowych.
Na drugim biegunie są platformy ruchome, zaprojektowane z myślą o diagnozowaniu mniejszych systemów, np. bocznic, stacji, stacji rozrządowych czy torów wykorzystywanych w transportach lokalnym i przemysłowym. Interesujące rozwiązanie zaproponował jeden z amerykańskich producentów. Jest to drezyna pomiarowa o konstrukcji modułowej. Zaprojektowano ją tak, aby żaden z elementów składowych (włączając w to ramę, osie, koło pomiarowe, układ elektroniczny i napęd) nie miał masy większej niż 50 kg. Dzięki temu całość można przewozić lekkim samochodem ciężarowym lub pick-upem, a na miejscu pojazd może przygotować do pracy dwuosobowa załoga. Jest to wygodna alternatywa dla ręcznych wózków pomiarowych.
Krok po kroku
Prawdopodobieństwo wykrycia uszkodzeń jest tym większe, im gęstsza jest siatka pomiarów. W większości przypadków (np. przy pomiarach jakości kabli SRK i stanu innych podzespołów) nie można przebadać jednorazowo całej instalacji. W praktyce dąży się do tego, żeby w cyklu kilkuletnim (zazwyczaj pięcioletnim) zbadać elementy infrastruktury z taką dokładnością, aby można było uznać pomiary za w przybliżeniu ciągłe, odzwierciedlające stan całości badanego elementu. Dlatego tak ważne jest archiwizowanie wyników pomiarów i skrupulatne planowanie kolejnych badań.
Interesująca nisza
Jak widać, pomiary w kolejnictwie obejmują wiele metod, technik metrologicznych oraz liczne wyzwania związane z konstrukcją platform dla systemów pomiarowych, projektowaniem oprogramowania wspomagającego diagnostykę oraz adaptowaniem do wykorzystania na kolei urządzeń ogólnego przeznaczenia (np. kamer przemysłowych, czujników wibracji itp.).
Te relatywnie drogie platformy (ruchome laboratoria) znajdują ograniczoną liczbę użytkowników, których wymagania zmieniają się w czasie. W takich warunkach nie ma mowy o wielkoseryjnej produkcji kompletnych pociągów pomiarowych. Jest za to szansa na współpracę zarządców infrastruktury kolejowej i przewoźników z przedsiębiorstwami mającymi doświadczenie w implementowaniu nowych technologii.
Andrzej Domka
Więcej informacji na: https://kza.krakow.pl/
