В ЛЭТИ создали модель для автоматического распознавания дефектов на железнодорожных рельсах
Разработанный алгоритм для классификации типов неровностей рельсовых путей позволяет улучшить точность выявления дефектов на поверхностях катания конструкции.
В настоящее время железнодорожные перевозки играют исключительно важную роль для России. Постоянно увеличивающийся пассажиропоток в разных регионах и рост перевозок различных грузов приводят к появлению новых единиц железнодорожных составов. Из-за высокой нагрузки на железнодорожное полотно, в рельсах появляются различные дефекты (небольшие трещины, изломы, смятия), которые под ударным воздействием колес вагонов могут становиться все больше. По этой причине требуется регулярное совершенствование мер обеспечения безопасности железнодорожных перевозок.
Разработкой новых средств и методов диагностики рельсового пути занимается научная группа из ЛЭТИ. В частности, недавно ими был предложен ряд методов и средств, предназначенных для обнаружения различных дефектов рельсовых путей в любое время года. В то же время они улучшили уже имеющиеся методы по обнаружению внешних и внутренних повреждений, а также разработали модели для выявления поврежденных участков и алгоритм для прогноза развития поломок с помощью инерциальных датчиков (средство диагностики состояния поверхностей рельсов и измерения их параметров по анализу движения колес). Эти устройства предназначены для установки вблизи точек контакта колес вагона с рельсами.
По словам доцента кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Романа Вадимовича Шалымова, многие из предложенных ими решений были реализованы совместно с ООО «Инертех» вначале в виде опытных, а затем и серийных образцов. Разработанные диагностические комплексы прошли широкую апробацию и последующее внедрение в состав ряда вагонов-лабораторий. В результате накоплены значительные массивы данных, позволяющие проводить новые исследования и развивать существующие методы диагностики.
«Последние работы нашего коллектива в этом направлении были сосредоточены на повышение достоверности результатов диагностики. В ходе исследований активно использовались методы, которые помогают анализировать сигналы во временной и частотной областях, включая Фурье-анализ и вейвлет-преобразование. Одним из значимых итогов проекта стал новый алгоритм классификации неровностей рельсового пути, позволяющий повысить достоверность выявления дефектов на поверхностях катания рельсов», – рассказал доцент кафедры «информационные системы» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Михайлович Клионский.
В рамках исследования ученые изучили систему коротких и импульсных неровностей с целью выявления дефектов поверхности рельсов и измерения их параметров.
На железнодорожных путях имеются места соединения концов рельсов в рельсовую нить, которые называются стыками. Они делятся на два основных типа: болтовые и сварные. Стоит отметить, что прохождение колесом по болтовому стыку не расценивается как дефект, в то время как сварной стык может сигнализировать о наличии проблемы. Поэтому в данной работе исследователи сосредоточились на классификации особенностей неровностей рельсового пути, в частности, смятия в сварном стыке.
С этой целью в пакете прикладных программ MATLAB для решения задач технических вычислений был разработан классификатор с использованием частотного анализа на основе преобразования Фурье и непрерывного вейвлет-преобразования, способного адаптироваться под характеристики данных. Далее классификатор протестировали на выборке из 150 сигналов, выработанных микромеханическими модулями при прохождении болтовых и сварных стыков вагоном-лабораторией АО «Радиоавионика», на колесах которого эти модули были установлены. Результаты показали 85% верных определений типа стыка и 15% неровностей, требующих дополнительного исследования.
В основе алгоритма лежат результаты анализа вибрационных сигналов, которые получены при том же прохождении железнодорожным составом по неровностям пути. На основе этих характеристик исследователи изучили, какие особенности имеют болтовой и сварной стыки. Анализ вибрационных сигналов показал, что сварной стык характеризуется низкочастотными колебаниями (140-200 Гц), а болтовой – высокочастотными (1400-2400 Гц).
Таким образом, система позволяет не только осуществлять измерения, но и классифицировать неровности (периодическая неровность, импульсная неровность, дефектный сварной стык, не дефектный сварной стык, болтовой стык, ровный рельс), основываясь на наборе признаков и диапазонах значений. Результаты исследований представлены в журнале Gyroscopy and Navigation (квартиль Q2 по Scopus).
«Применительно к обработке данных и сигналов от объектов железнодорожного транспорта уже получены очень качественные результаты с возможностью реального применения. Важно отметить, что неверных определений дефектов не было. Таким образом, алгоритм может быть использован в других системах вагонов-дефектоскопов и при установке системы измерения коротких и импульсных неровностей на регулярно курсирующие поезда», – отметил Дмитрий Михайлович.
Исследователи ставят перед собой несколько ключевых задач. Во-первых, они планируют протестировать различные адаптивные методы цифровой обработки сигналов, чтобы лучше понять поведение классифицируемых событий в сигналах и, таким образом, улучшить качество классификации неровностей рельсового пути. Во-вторых, будет проведен анализ вибрационных сигналов, возникающих при прохождении железнодорожного состава по различным неровностям. В-третьих, команда намерена на основе этого анализа повысить точность оценки параметров неровностей рельсового пути и учесть большее количество проездов для повышения достоверности полученных результатов.
В коллектив проекта, выполняемого под руководством профессора, декана факультета информационно-измерительных и биотехнических систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александра Михайловича Боронахина также входят доценты кафедры ЛИНС СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Людмила Николаевна Подгорная, Даниил Юрьевич Ларионов, Анна Николаевна Ткаченко и старший преподаватель кафедры ЛИНС СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александра Васильевна Большакова.