CC BY
18
ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
УДК 621.336.6
Разработка требований к устройствам логического управления содержанием контактной сети скоростных линий
М. Ф. Мухамеджанов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Мухамеджанов М. Ф. Разработка требований к устройствам логического управления содержанием контактной сети скоростных линий // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. - Вып. 4. - С. 8-17. DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-8-17
Аннотация
Цель: Разработка требований к организации обслуживания контактной сети по фактическому состоянию на цифровой платформе диагностики и мониторинга в системе логического управления при высокоскоростном движении. Методы: Применяется обзорный анализ систем диагностики и мониторинга высокоскоростной контактной сети. Результаты: Рассмотрены системы контроля и автоматизированного управления устройствами контактной сети высокоскоростных линий. Приведены результаты анализа способов обслуживания по графику планово-предупредительных работ и по данным контроля фактического состояния. Сформулированы требования к устройствам диагностики и мониторинга контактной сети высокоскоростных линий, направленные на повышение показателей качества токосъема. Практическая значимость: Получена структурная схема диагностики и мониторинга качества токосъема высокоскоростной системы «токоприемник - контактная подвеска». Разработан принцип построения обобщенной модели логического управления жизненным циклом контактной сети.
Ключевые слова: Высокоскоростное движение, контактная сеть, диагностика и мониторинг, качество токосъема, логическое управление.
Введение
Перспективное развитие высокоскоростного движения железнодорожного электрического транспорта требует организации системы обслуживания контактной сети (КС) в режиме реального времени. Переход от технологии проведения планово-предупредительных работ (ППР) к обслуживанию устройств КС по фактическому состоянию (ФС) при высоких
скоростях движения обусловливается их соответствием мировым требованиям по надежности, готовности, ремонтопригодности и безопасности [1]. Несвоевременное обнаружение, оценка и предотвращение неисправностей на объектах железнодорожного транспорта чреваты опасными последствиями. Актуальной задачей современных научно-исследовательских разработок является создание бесконтактных методов контроля состояния объектов инфраструктуры, в том числе и КС, при интенсивном движении поездов с применением интеллектуальных систем онлайн-мониторинга на базе цифровых технологий.
Современные системы диагностики и мониторинга высокоскоростной КС
Системы диагностики и мониторинга по назначению делятся на мобильные и стационарные. Мобильные комплексы диагностики размещают на передвижных транспортных единицах (специальных вагон-лабораториях, диагностических поездах). Стационарные устройства мониторинга устанавливают на отдельных элементах КС в зоне их диагностирования.
Опыт эксплуатации зарубежных высокоскоростных магистралей (ВСМ) показывает преимущества создания комплексов диагностики и мониторинга устройств КС в режиме реального времени. Основным направлением является внедрение устройств удаленного мониторинга на борту и кры-шевом оборудовании комплексно-измерительного поезда, а также в потенциально опасных зонах возникновения неисправности и отказов элементов КС и токоприемника [2-6].
К примерам реализации комплексно-измерительных диагностических электропоездов относятся: поезд «IRIS 320» (Франция) (рис. 1), поезд «ICE V» (Германия), поезд «Archimede» (Италия), поезда «East-i» и «Doctor Yellow» (Япония), поезда «CIT» серии «CRH» (КНР).
Рис. 1. Высокоскоростной комплексно-измерительный поезд «IRIS 320»
Рис. 2. Структурная схема диагностики и мониторинга КС по ФС
На рис. 2 приведена структурная схема диагностики и мониторинга КС по ФС. В системе диагностики средствами КФС являются как стационарные датчики, так и бесконтактные устройства регистрации в составе мобильного комплекса диагностики и мониторинга [7]. Данные комплексов мониторинга передаются по каналам связи в центр обработки данных участка электроснабжения, где они обследуются с применением аппаратов искусственного интеллекта для получения прогноза о состоянии устройств токосъема [8]. После завершения этапа обработки наиболее важные данные передаются на верхний уровень КФС для формирования отчета и выдачи задания эксплуатирующим и монтажным организациям по устранению выявленных неисправностей.
Требования к системе диагностики и мониторинга высокоскоростной КС
В документах [9, 10] приводятся требования для системы диагностики и мониторинга КС ВСМ, направленные на повышение показателей качества токосъема [11] и выполнение следующих функций:
- видеонаблюдение за состоянием (целостностью и работоспособностью) элементов КС и токоприемника, а также выявление посторонних предметов;
- контроль арматуры и изоляторов КС с применением технологий тепловизионного и ультрафиолетового обследований;
- измерение габаритов опор и КП (высоты, зигзага, пространственного расположения, износа);
- измерение динамических параметров токоприемника (контактного нажатия, ускорения и т. д.);
- измерение электрического напряжения в КС;
- видеофиксация и мониторинг искрений и дугового токосъема;
- локальный мониторинг натяжения, перемещения, обрыва, температуры проводов КС, отжатия КП, состояния опор, образования гололеда и целостности токоприемников.
Устройства мониторинга в основном осуществляют контроль механических отклонений элементов системы токосъема. В свою очередь, необходимо также выполнять непрерывный мониторинг за изменением токовых нагрузок в КС. Например, установить датчики тока в местах сопряжения анкерных участков для контроля нагрузочной способности контактной подвески [12].
Основные требования к стационарным устройствам мониторинга КС (СУМ КС) приведены в таблице.
Требования к стационарным устройствам мониторинга КС
Наименование Выявление и контроль Места установки Диапазон измерения
СУМ 1. Нарушение работоспособности Анкерные опоры Не менее
натяжения компенсирующих устройств. компенсированной 72 кН
проводов КС 2. Целостность и предотказное состояние проводов КС. 3. Падение на контактную подвеску посторонних предметов. 4. Динамические удары и зацепы токоприемниками элементов КС анкеровки КС по всей длине экспериментального участка
СУМ 1. Нарушение работоспособности Анкерные опоры Не менее
перемещения компенсирующих устройств. компенсированной 10 м
проводов КС 2. Целостность и предотказное состояние проводов КС. 3. Ползучесть проводов, приводящая к разрегулировке компенсатора анкеровки КС по всей длине экспериментального участка
СУМ Превышение температуры КП до- Около подключе- От -50
температуры пустимых значений, приводящих ния питающих ли- до +200 °С
проводов КС к термическому разупрочнению материала КП ний тяговых подстанций к КС, около подключения шлейфов АТП-ПС и АТП
СУМ Отжатие КП при прохождении вы- В зоне развития От -100
отжатия КП сокоскоростного электроподвижного состава (ЭПС) максимальной скорости ЭПС (переходные опоры сопряжений анкерного участка, фиксирующие опоры 2-3-х воздушных стрелок без пересечения проводов) до 300 мм
СУМ Вибрация и наклон стоек опор В зоне развития Угол
состояния максимальной ско- отклонения
опор КС рости ЭПС (промежуточная, переходная, анкерная опоры на насыпи высотой не менее 5 м; места установки опор в пучинистых грунтах, зонах распространения слабых оснований) от вертикали не менее 0-10° с погрешностью не более ±0,05°
Наименование Выявление и контроль Места установки Диапазон измерения
СУМ метеоданных Климатические условия, предопределяющие образование гололедно-из-морозевых отложений на проводах КС Наиболее возвышенные места трассы, открытые участки без растительности (вблизи поверхности озер, водоемов, пойм крупных рек) Барометрическое давление от 600 до 1100 ГПа; температура воздуха от -50 до +60 °С; скорость ветра 0-60 м/с; направление ветра 0-360°; относительная влажность 0-100 %
СУМ целостности токоприемников Повреждение и поломка контактной вставки и других элементов и узлов токоприемника ЭПС Искусственные сооружения, пересекающие железнодорожные пути, перед въездом на участок ВСМ и через каждые 50-100 км Специализированные скоростные камеры с системой импульсного освещения проходящего токоприемника на скорости до 400 км/ч
Принцип построения обобщенной модели логического управления жизненным циклом КС
Модели объектов технической системы управления формируются на этапах проектирования сложных моделей - базисной, агрегативной, обобщенной и объектной [13]. Технологические этапы проектирования цифровой модели состоят из дешифрования, декомпозиции, предварительной коррекции, унификации входных данных, моделирования, корректировки моделей и представления информации.
Принцип построения обобщенной модели логического управления основывается на теории дискретных устройств - конечных автоматов в виде граф-схем и агрегативной модели [14].
Жизненный цикл КС включает в себя следующие этапы: формирование исходных требований; разработка нормативно-технической документации, конструктивных решений, технологии проектирования, производства и монтажа; проведение испытаний; производство и поставка изделий; строительство и монтаж; эксплуатация, демонтаж и утилизация [15].
В настоящее время наиболее распространенным и актуальным инструментом для прогнозирования состояния технической системы являются модели, созданные на базе технологии искусственного интеллекта. В качестве аппарата решения задач по оценке поведения системы выступают модели прогнозирования на основе машин опорных векторов и глубоких нейронных сетей. Данные методы контроля, построенные на принципах машинного обучения, позволяют производить КФС и оценку с учетом риска предстоящих отказов устройств системы [16].
Заключение
На основании проведенного анализа современных систем диагностики и мониторинга состояния КС ВСМ выделены основные методы контроля, позволяющие определять ФС устройств системы токосъема. Разработаны требования к системе диагностики и мониторинга КС, направленные на повышение показателей качества токосъема при интенсивном движении поездов. Сформулирован принцип построения обобщенной модели логического управления ресурсом КС на этапах жизненного цикла.
Библиографический список
1. IEC 62278. Railway applications - Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS). - Geneva: International Electrotechnical Commission, 2002. - 162 p.
2. Kiessling F. Contact lines for electrical railways: Planning, design, implementation, maintenance / F. Kiessling, R. Puschmann, A. Schmieder. - Berlin; Munich: Siemens, 2012. -994 p.
3. Gao S. Automatic detection and monitoring system of pantograph-catenary in China high-speed railways / S. Gao // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. -2020. - Vol. 70. - P. 1-12.
4. Купцов Ю. Е. Увеличение срока службы контактного провода / Ю. Е. Купцов // М.: Транспорт, 1972. - 160 с.
5. Барч Д. В. Совершенствование системы обслуживания устройств электроснабжения на основе мониторинга и диагностики / Д. В. Барч // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2012. - Вып. 3. - С. 103-110.
6. Ikeda M. Recent and development activities in maintenance technologies for electric railway power supply systems / M. Ikeda // Quarterly Report of RTRI. - 2020. - Vol. 61. -N 1. - P. 6-10.
7. Жарков Ю. И. Развитие системы диагностики и определение технического состояния контактной сети в области дугового токосъема / Ю. И. Жарков, Ю. Г. Семенов // Вестн. РГУПС. - 2015. - № 3. - С. 112-116.
8. Бурков А. Т. Совершенствование методики прогнозирования показателей системы токосъема при увеличении скоростей движения / А. Т. Бурков, Г. Р. Ермачков, А. В. Рыжков // Изв. Транссиба. - 2018. - № 3 (35). - С. 91-100.
9. Специальные технические условия «Железнодорожное электроснабжение участка Москва - Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Казань - Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству». - СПб.: ПГУПС, 2014. - 46 с.
10. Специальные технические условия «Проектирование, строительство и эксплуатация высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Санкт-Петербург (ВСЖМ-1)». - СПб.: ПГУПС, 2021. - 471 с.
11. ГОСТ 32793-2014. Токосъем токоприемником железнодорожного электроподвижного состава. Номенклатура показателей качества и методы их определения. - М.: Стандартинформ, 2015. - 19 с.
12. Киселев И. П. Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс: учеб. пособие. В 2-х т. Т. 1. 2-е изд. / И. П. Киселев. - М.: ДПО, 2020. - 428 с.
13. Цветков В. Я. Геоинформационные системы и технологии / В. Я. Цветков. -М.: Финансы и статистика, 1997. - 290 с.
14. Гончаров А. А. Функциональная агрегативная модель системы логического управления электроприводами технологического комплекса / А. А. Гончаров // Энергетика: междунар. науч.-технич. и производст. журн. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2006. - № 3. - С. 54-61.
15. Кудряшов Е. В. Информационное сопровождение жизненного цикла контактной сети на основе конечно-элементной математической модели / Е. В. Кудряшов // Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе: сб. науч. трудов ВНИИЖТ. - М.: Интекст, 2010. - С. 52-66.
16. Stimpson A. J. Assessing intervention timing in computer-based education using machine learning algorithms / A. J. Stimpson, M. L. Cummings // IEEE Access. - 2014. -Vol. 2. - P. 78-87.
Дата поступления: 08.06.2021 Решение о публикации: 01.09.2021
Контактная информация:
МУХАМЕДЖАНОВ Мохирбек Фуркатович - аспирант; [email protected]
Development of requirements for logic controls of the speed lines catenary system maintenance
M. F. Mukhamedzhanov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Mukhamedzhanov M. F. Development of requirements for logic controls of the speed lines catenary system maintenance. Bulletin of scientific research results, 2021, iss. 4, pp. 8-17. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-8-17
Summary
Objective: To develop requirements for the organization of maintenance of the catenary system based on the actual state indicated by the digital diagnostic and monitoring platform in the logic control system for high-speed traffic. Methods: An overview analysis of high-speed catenary system diagnostics and monitoring systems is applied. Results: The systems of monitoring and automated control of catenary system devices in high-speed lines have been studied. The analytical findings as regards the maintenance methods according to the preventive maintenance schedule and based on the actual state monitoring data have been presented. Requirements for diagnostic and monitoring devices
of the high-speed lines catenary system have been formulated, aimed at improving the quality attributes of current collection. Practical importance: A structural diagram of quality diagnostics and monitoring for the current collection in the high-speed Current Collector-Catenary system was obtained. The design concept of a prin-cipal model of logic control of the catenary system life cycle has been developed.
Keywords: High-speed traffic, catenary system, diagnostics and monitoring, current collection quality, logic control.
References
1. IEC 62278. Railway applications - Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS). Geneva, International Electrotechnical Commission Publ., 2002, 162 p.
2. Kiessling F., Puschmann R. & Schmieder A. Contact lines for electrical railways: Planning, design, implementation, maintenance. Berlin, Munich, Siemens Publ., 2012, 994 p.
3. Gao S. Automatic detection and monitoring system of pantograph-catenary in China high-speed railways. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2020, vol. 70, pp. 1-12.
4. Kuptsov Yu. E. Uvelicheniye sroka sluzhby kontaktnogo provoda [Increasing the service life of the contact wire]. Moscow, Transport Publ., 1972, 160 p. (In Russian)
5. Barch D. V. Sovershenstvovaniye sistemy obsluzhivaniya ustroystv elektrosnab-zheniya na osnove monitoringa i diagnostiki [Improvement of the service system based on monitoring and diagnostics of power supply equipment]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2012, iss. 3, pp. 103-110. (In Russian)
6. Ikeda M. Recent and development activities in maintenance technologies for electric railway power supply systems. Quarterly Report of RTRI, 2020, vol. 61, no. 1, pp. 6-10.
7. Zharkov Yu. I. & Semenov Yu. G. Razvitiye sistemy diagnostiki i opredeleniye tekhnicheskogo sostoyaniya kontaktnoy seti v oblasti dugovogo tokos'yema [Development of the diagnostic system and determination of the technical state of the catenary system as related to bow current collection]. Bulletin of the Rostov State Transport University, 2015, no. 3, pp. 112-116. (In Russian)
8. Burkov A. T., Ermachkov G. R. & Ryzhkov A. V. Sovershenstvovaniye metodiki prognozirovaniya pokazateley sistemy tokos'yema pri uvelichenii skorostey dvizheniya [Improvement of the methodology for predicting the current collection system performance with increasing train speeds]. Izvestia Transsiba [,Journal of Transsib Railway Studies], 2018, no. 3 (35), pp. 91-100. (In Russian)
9. Spetsial'nyye tekhnicheskiye usloviya "Zheleznodorozhnoye elektrosnabzheniye uchastka Moskva - Kazan' vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magistrali Moskva - Kazan' - Ekaterinburg. Tekhnicheskiye normy i trebovaniya k proyektirovaniyu i stroitel 'stvu" [Special technical conditions "Railway electric power supply of the Moscow - Kazan section of the Moscow - Kazan - Yekaterinburg High-Speed Railway ". Technical standards and requirements for design and construction]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2014, 46 p. (In Russian)
10. Spetsial'nyye tekhnicheskiye usloviya "Proyektirovaniye, stroitel'stvo i ekspluatat-siya vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magistrali Moskva - Sankt-Peterburg (VSZhM-1) [Special technical conditions "Design, construction, and operation of the Moscow - Saint Pe-
tersburg High-Speed Railway (VSZhM-1)]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2021, 471 p. (In Russian)
11. GOST 32793-2014. Tokos"yem tokopriyemnikom zheleznodorozhnogo elektro-podvizhnogo sostava. Nomenklatura pokazateley kachestva i metody ikh opredeleniya [State Standard 32793-2014. Current collection by electric rolling stock current collector. The nomenclature of current collection quality indicators and method of its calculation]. Moscow, Standartinform Publ., 2015, 19 p. (In Russian)
12. Kiselyov I. P. Vysokoskorostnoy zheleznodorozhnyy transport. Obshchiy kurs. Uc-hebnoe posobiye. V 2 tomah. T. 1, 2-e izd. [High-speed railway transport. General course. Textbook. In 2 vol. Vol. 1, ed. 2]. Moscow, DPO Publ., 2020, 428 p. (In Russian)
13. Tsvetkov V. Ya. Geoinformatsionnyye sistemy i tekhnologii [Geoinformation systems and technologies]. Moscow, Finansy i statistika Publ., 1997, 290 p. (In Russian)
14. Goncharov A. A. Funktsional'naya agregativnaya model' sistemy logicheskogo up-ravleniya elektroprivodami tekhnologicheskogo kompleksa [Functional aggregate model of the logical control system for electric drives of a technological complex]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Energetika Energetika [Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations], 2006, no. 3, pp. 54-61. (In Russian)
15. Kudryashov E. V. Informatsionnoye soprovozhdeniye zhiznennogo tsikla kon-taktnoy seti na osnove konechno-elementnoy matematicheskoy modeli [Information support of the catenary system life cycle based on a finite-element mathematical model]. Tokos'yem i tyagovoye elektrosnabzheniye pri vysokoskorostnom dvizhenii na postoyannom toke. Sb. nauch. trudov VNIIZhT [Current collection and traction power supply for direct-current high-speed traffic. Scientific proceedings of the Railway Research Institute]. Moscow, Intekst Publ., 2010, pp. 52-66. (In Russian)
16. Stimpson A. J. & Cummings M. L. Assessing intervention timing in computer-based education using machine learning algorithms. IEEE Access, 2014, vol. 2, pp. 78-87.
Received: June 08, 2021 Accepted: September 01, 2021
Authors' information:
Mokhirbek F. MUKHAMEDZHANOV - Postgraduate Student; [email protected]
