文摘

铁路基础设施经理运行专用检验车辆监控的几何质量跟踪(在其他方面)发现违规行为,确保铁路安全运行的条件下,按照特定的规则。不幸的是,这些检查扰乱正常的交通运行,特别是在与强烈的交通网络;通常每年只有几次进行;,因此,不提供提示识别的危急情况。考虑到最近的进展和成本降低传感功能的智能手机,作者展示了一个方法来使用这些技术来执行恒定加速度测量内部在职培训补充评估性能和几何结构退化的痕迹。得到了互相关值高于0.85个标准差之间的纵向水平和垂直加速度实验测量车载旅客列车在一个11公里铁路延伸。结果表明,该方法可以用来识别关键影响跟踪性能的情况下,关于旅客舒适度,降低利率,出轨的风险。它可能包括一个低成本和众包补充的一般现行实践轨道几何检查专用车辆和有助于早期检测跟踪故障,因此,一个更有效的维护计划和基础设施管理。

1。介绍

在有压载的铁轨,rails的位置随着时间的变化,主要是由微分定居点的发展积累的结构和铁路交通,导致穿支持的组件和塑性变形层(1- - - - - -3]。随着时间的推移,这种不必要的行为放大违规或错误在rails的位置,导致轨道的几何质量的退化。最终,这种负面影响交通系统的性能,在列车的运行行为方面,放大铁轨上的动态响应系统,促进额外的跟踪退化,噪音和振动,运行舒适感差,和出轨的风险更高4- - - - - -8]。预防和减少这些后果,铁路基础设施管理者重要的用心监督轨道几何和维护足够的轨道几何质量,符合特定要求和标准(9,10]。目的,专门检查车辆所使用的基础设施经理执行听诊的轨道几何(在其他方面)检测关键情况和计划维护干预需要重型机械。轨道几何形位的重建轨道检查车的过程,这些车辆目前制造工业基础由少数供应商(2]。不同的方法已经发展多年来,从contact-based non-contact-based(测量轴原则),从和弦惯性测量系统(绝对)系统。现代检验汽车集成惯性测量,使用已知的测量技术,测量传感器的空间位置是由双集成加速度测量。通常,这些系统的核心由惯性测量系统(IMS), 3高精度陀螺系统和加速度计组成的三个正交空间的方向。通过结合光学跟踪测量系统,利用激光距离传感器和位置系统在跟踪编码器和GNSS(距离),所需的长期建立了精度。在欧洲,这些车辆是标准化的要求根据欧洲标准EN 13848 - 2,自2006年以来,(11]。一个新版本的标准13848 - 2:2018 prEN目前正在讨论。

不幸的是,检查车辆的监测调查和维修工程是昂贵的活动,也阻碍了正常的铁路交通。鉴于铁路频繁监测的重要性,尤其是在关键的位置,并考虑成本和增加难度进行轨道几何检查整个铁路网络,还有一个需要发展的选择和迅速的方法提供及时信息的性能和状态跟踪(12),随着近年来实现世界领先的铁路网络(13]。

由于传感功能和降低成本的增加传感器的智能手机,近年来,已经有重大发展和提高微机电系统(MEMS)的应用,可用于评估运输系统的性能。众多的应用程序可以在文献中找到关于它的使用来描述交通基础设施和车辆的运动13- - - - - -18]。其他应用程序潜在的大规模调查证据评估交通网络的性能,在那他们可以用来研究移动模式(19),评估质量的运输系统(20.- - - - - -24]。

在这项研究中,作者展示了一个方法的铁路轨道监控使用传感功能的智能手机或其他当前低成本惯性系统,作为一种替代方法更昂贵的和专用的系统(13]。一段铁路作为案例研究演示这种方法的适用性。加速度测量车载旅客列车与智能手机进行分析和比较的纵向水平轨道几何形位记录及其与时间的退化。研究还进一步演示了方法的适用性评估铁路轨道的结构性能,通过评估不同波长和振幅的几何违规行为如何影响退化,运行安全,乘坐舒适,支持动态铁轨上数值模拟(25,26]。

这种方法的贡献、应用条件和性能监控的铁路轨道,可以提供有价值的信息对铁路基础设施经理跟踪故障的早期检测和输入数据资产管理工具来优化维护操作(27,28]。

2。案例研究的描述

的跟踪,为本研究选择长约11公里,位于葡萄牙的北线铁路网络。跟踪伊比利亚衡量(1.668米),包括连续焊接UIC 60 e1 rails, Vossloh紧固系统,整体混凝土枕木(间隔0.6米),和道碴层最小厚度为0.30 m枕木下,依靠0.20 subballast层。分析了拉伸,最快的客运列车,阿尔法摆动的,通常在大约220 km / h。

因为这个工作主要集中在垂直的行为,他们会分析其几何质量的纵向水平及其标准偏差。一般来说,这个参数主要是跟踪相关退化和发展更快的交通和时间。在本研究的范围,可以在三个不同的调查分析获得的轨道几何:(i) 2012年7月,(2)2013年7月,(3)2016年3月。

虽然伸展在双行,只有一个的跟踪被认为是作为提升轨道。图1显示了轨道纵向水平测量第三调查(2016年3月),即波长( )范围D1 ( )和D2 ( ),是建立在欧洲标准EN 13848 - 5 (10]。可见,没有相关跟踪缺陷和纵向水平记录保持警觉的阈值范围内D1和D2,这表明一个总体良好的几何质量的跟踪。也有趣的位置表示扰动在D1的纵向水平记录不匹配的D2,预计,鉴于这两个跟踪缺陷的波长范围通常有不同的来源2,29日- - - - - -31日]。

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图1
轨道纵向水平,将波长范围(一)D1 ( )和(b) D2 ( )和各自的报警限制10]。

3所示。智能手机的设置

演示智能手机的适用性的车载铁路轨道监测传感功能,作者评价车身内的加速度的葡萄牙语阿尔法摆动的下客运列车,旅行的跟踪分析,使用MEMS加速度计(三轴)发现在现代和传统的智能手机。之前的验证测试后使用不同的智能手机(32与Android™),测量进行智能手机,也就是说,三星Galaxy®SIII, GT-I9300,将意法半导体®的MEMS加速度计,LSM330DLC模型。根据制造商,传感器的特点是能耗0.23 mA±19.6133 m / s2(±2 g),分辨率为0.009576807 m / s2和平均采样频率为100赫兹。LSM330DLC是停止惯性模块从2012年底,由其前任的重新审视和规模版本模块LSM330DL。它有12位分辨率和可选择的线性加速度范围的±2 /±4 /±8±16 g。它还提供了完全可编程中断生成器,断电模式为低功耗操作和SPI / I2C数字接口。尤其是这个模块已经成功地应用在其他的研究展示了智能手机的感应能力描述结构和其他身体的运动(33,34]。在初始测试和经验之后,应用程序“传感器日志”(v1.04)被用来测量(目前注册https://sensor-log.en.aptoide.com/)。所选应用程序提供智能手机的加速度计和GNSS读数快采样频率比其他类似的应用程序也可用。虽然GNSS加速度测量的位置是有用的,其精度不是很重要,和典型的±5米误差(35)获得与智能手机(良好的大气和多路径条件下)是足够的提出应用程序,主要是因为数据分析使用可变长度的滑动窗口。此外,使用的方法是定期在同一轨道,每天几次;因此,重要的定位错误很容易发现和丢弃/纠正,尤其是与过去相比测量执行的检查汽车。因为轨道布局在计划视图是行之有效的,方法来验证GNSS的位置可以在确认由轨道曲率之间的关联度和横向加速度测量机上。

内的测量进行了第五次教练的车阿尔法摆动的附近的火车后转向架的垂直对齐,在地板上,座位下,在图确定的位置2和与汽车的方向传感器的轴(x,y,z)与横向、纵向和垂直对齐的教练的车,分别(见图2(c))。


图2
智能手机的位置在教练的车(a, b)和方向的示意图表示加速度计的轴x,y,z(c)。

智能手机是用来记录三个方向的加速度(x,y,z)几分钟,火车旅行沿着11公里。在每个测量,三个方向的加速度值记录,和一个时间戳被分配。作者所执行的测试,记录数据被存储在内部在智能手机内存,但是其他的替代方案是可能的,例如,通过车载无线传输记录数据或手机网络。因为智能手机的采样频率并不总是不变,测量是100 Hz重新取样。

4所示。加速度测量

加速度测量和各自的频率内容呈现在图3,很明显的曲率的影响横向加速度跟踪定位(x方向)测量与智能手机。也可见,大多数频率含量低于15赫兹,哪些证据的功能主要和次要的悬浮液的火车从滚动接触过滤高频内容(2,4- - - - - -7,31日,36]。然而,指出频率峰值约为25.4赫兹,这可能是sleeper-spacing激发的结果:考虑到铁轨上系统的激励频率, ,可以被估计为 ,在哪里 火车的速度(220公里/小时或61.1 m / s)和 轨枕间距(等于做0.6米),我们获得一个sleeper-spacing励磁频率的 。25.4赫兹的频率是一个约数的频率乘以4,因此对应于睡眠4张成的空间。

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图3
加速度测量:测量沿轨道;(b)频率的内容。

5。与轨道几何相关性

常见的做法是铁路基础设施经理计算标准差的纵向水平,评估轨道几何质量,研究其降解进化,和计划早期维护操作,阈值建立在欧洲规范(10]。证明教练汽车内部的垂直加速度测量相关的纵向水平轨道,人物4提出了三个情节,每个纵向水平的标准差比较, ,关于波长肆虐D1和D2,标准差的垂直加速度, ,考虑三个滑动窗口大小:10米,75米和200米。正常化的互相关( )和动态时间弯曲距离(DTW-norm dist)值(37,38)之间的 和 在故事情节还表示。这是可见的变量之间的相关性很好,特别是对大的窗口大小。

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图4
比较标准差之间的纵向水平( )和垂直加速度( ),考虑三个滑动窗口大小:(a) 10 m, 75 (b)和(c) 200米。

为了证明的高峰值 和 在图三块4,作者分析了跟踪的特点,寻找任何相关结构方面或突然的变化轨道结构(跟踪不连续或奇异点)。事实上,大约30相关不连续,包括过渡区、铁路关节,到场人数,桥梁、隧道、涵洞、站等。图5给出的例子,这些不连续,其位置也添加到图中4。它是可见的,一般来说,他们对应的高峰值的位置 和 。这表明,这些位置体验高等几何退化和影响旅客舒适度,这是在协议与其他研究[4- - - - - -7,36,39]。

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图5
不同类型的跟踪不连续发现沿线(图像:谷歌街景):(a)桥,(b)道路地下通道,(c)涵洞,(d)火车站,(e)投票率,钢轨接头(f), (g)未经授权的人行横道。

随后,评估实际降解率,作者分析了进化的 之间的2013年和2016年的调查, 。在图6,它是可见的,大部分的位置表示更高的降解率(更高的值 )通常也对应的位置更高的价值 观察到在图43.5和4.5之间,例如,公里,9公里和10.5之间。注意,大多数也是有趣的 峰也集中在上述跟踪不连续。


图6
进化的标准偏差的纵向水平( )在2013年至2016年之间,考虑滑动窗口的200米。

6。轨道几何数据评估的结构性能

除了监视的状况跟踪,获得的数据通过分享服务或低成本惯性系统可以分析进一步评估铁路轨道的结构性能。一个可能的应用是对早期发现关键地点在铁路运输系统的性能产生负面影响。这种方法可以由作者提出的方法(26],分析不同波长和振幅违规的纵向水平影响不同关键方面的跟踪性能,即降解(我),(2)列车运行安全,(iii)旅客乘坐舒适性。该方法已经成功地预测临界位置影响的发展基础设施的性能在前一个铁路案例研究中,因此,可以在维护一个有价值的工具和资产管理活动的铁路基础设施经理。这是通过整合有关轨道几何形位的信息记录,跟踪上层建筑和子结构的特点,并从数值铁轨上的信息交互模拟。轨道几何数据,特别是纵向水平,可以从正常检验调查或计算获得的逆分析车体加速度通过分享服务或低成本惯性系统,证明了在其他应用程序(40- - - - - -42]。追踪违规行为的影响(不同波长和振幅),由微分定居点,在动态铁轨上交互评估参数数值模拟,如(25]。因为这个礼物的跟踪和列车的特点案例研究几乎相同的方法是首先证明(26),参数数值研究的结果也可能是来识别可能的关键场合的使用,根据轨道几何分析的信息记录。

这三个标准的识别关键场景图中描述7如下:(我)“更高的列车脱轨风险”:卸载的情况下值(比卸载垂直轮轨力静态垂直轮轨力)低于阈值为0.6,考虑在其他研究43](2)“迅速增加跟踪降解率”:情况下更高的垂直加速度在睡眠和列车的轴,以及增加铁轨上力量和sleeper-ballast接触压力(25,44,45](3)“降低旅客舒适度”:在车身垂直加速度的情况下高于1 m / s的阈值2(46]


图7
识别区域的负面影响跟踪性能,分析了振幅和缺陷的长度:(i)地区出轨的风险更高(降低列车运行安全)为红色,(2)提高跟踪降解率的地区在黑色,和(3)地区旅客乘坐舒适性较低的蓝色(改编自25])。

首先,作者计算了纵向水平( ),图中所示8波长范围之和D1 ( )和D2 ( ),呈现在图1。图中还显示了过渡区域的位置和其他图中提到的不连续5。


图8
轨道纵向水平,波长范围之和D1 ( )和D2 ( ), ,和位置跟踪不连续,常与跟踪错误,低于纵向水平阴谋。

然后,纵向水平分析,缺陷的长度和相应的振幅。在实践中,对于每一个位置在跑道上,不同振幅的缺陷计算基于一系列重叠的和弦之间的长度3米,35米,在[详细解释26]。每一对(振幅和弦长),在这里表示“发生”,是绘制在图9与前面描述的三个关键区域(图7)。


图9
覆盖的区域标识图7出现的密度的散点图。

从图的分析9,大多数事件不属于上述三个关键区域(图7)。然而,有一些事件与更高的出轨和迅速增加的风险跟踪降解率,甚至其他旅客舒适度较低。识别跟踪相关位置的跟踪性能,较低的方法包括在上述地区的等高线相交出现在图的列表9。

图10 ()显示的位置跟踪不连续部分中提到2唯一的位置(mark涵约4.467公里),发现有大量的出现表示降低旅客舒适度。在这个位置,结果显示垂直加速度在教练的车阿尔法摆动的超过1 m / s2阈值,建立在46]。

(一)
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图10
位置可能导致(a)显著降低旅客舒适度和(b)的风险更高脱轨的火车。

图10 (b)显示的位置跟踪不连续部分中提到2唯一的位置(投票率约3.821公里),发现有大量的出现表示更高的火车脱轨的危险。在这个位置,结果表明卸载值(比卸载垂直轮轨力静态垂直轮轨力)阿尔法摆动的火车低于阈值为0.6,考虑其他研究的关键(43]。

图(11日)还显示的位置跟踪不连续部分中提到2和出现的位置,在该地区与提高降解率有关。由于大量的出现在这种情况下,它是决定移除不相关的点来改善可读性,即那些表示振幅小于1毫米和和弦的长度小于7.5米。一些集中的出现可能与过渡区或其他断层的存在,但仍有许多人似乎随机性质的或与之相关的其他因素,没有发现明显的理由。

(一)
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图11
跟踪退化:(a)的位置与更高的跟踪退化;(b)实际退化的年度变化的绝对值 。

评估降解率,作者也沿着轨道计算标准差的变化在两个调查(2016和2013)和比较结果的位置跟踪不连续和浓度相关的事件(图11 (b))。在这里,作者用短10 m滑动窗口,而不是200的滑动窗口,兼容的波长范围分析的方法和更敏感的影响跟踪不连续。它是可见的,大多数跟踪不连续识别部分2匹配位置出现的浓度和较高的跟踪退化。这些位置是列在表中1。

表1
跟踪不连续证明性能不佳。

另一方面,两路隧道0.73公里和3.09和3个涵洞3.1公里,4.86,和9.50跟踪性能差,没有证据表明这些结构证明足够的结构行为。

7所示。结论

提出了研究结果表明,不断的和持续的监控车辆的运动,从机组人员和乘客使用智能手机或低成本车载传感系统在在职培训,能够提供有价值的信息资产管理活动的铁路基础设施经理。

作者所呈现的案例研究表明,纵向水平和实验的标准偏差垂直加速度非常相关:互相关值在0.85和0.97之间得到了滑动窗口大小的10米至200米不等。这两个变量的研究也表明,峰值往往与突然的变化,如存在过渡区,铁路关节,到场人数,桥梁、隧道、涵洞、电台,和其他跟踪不连续。这些位置的跟踪也证明更高的降解率。进一步分析纵向水平表现的不同波长和振幅的几何违规行为如何影响性能的轨道,手术后成立于(26),将结果与前一个参数的数值铁轨上交互场景模拟研究[25]。沿着轨道的方法允许识别场景表明出轨的风险更高(我),(2)增加降解率,和(3)旅客舒适度降低,基于建立的标准。上述结果表明,许多跟踪不连续似乎降低几何质量跟踪和降解率高的。

这种方法可能由一个常数和日常监控补充的一般现行实践轨道几何检查专用车辆,每年只执行几个调查在一个给定的铁路线。用这种方法,这种方法可以有助于跟踪故障的早期检测,因此,一个更有效的维护计划和资产管理通过实现系统配置图呈现在图12。例如,在事件识别的一个关键位置重要的跟踪缺陷,即使它的位置不准确,可能会触发警报的基础设施维护团队分析情况并决定进一步行动,如网站目视检查确认发生,执行精确的轨道几何测量的专用检验车,和进度如果需要恢复足够的轨道几何纠正干预。世界领先的铁路网络近年来似乎已经实现了类似的方法(13),认为使用更昂贵的和专用的系统。此外,当前的方法有潜力被实现为一个智能手机,crowdsourced-based系统,类似于其他作者提出的(22,23),但监控轨道几何和评估其结构性能。


图12
提出了补充监测方法的示意图表示铁路。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

工作进行了框架的一部分的TC202葡萄牙岩土工程学会全国委员会(SPG)“交通土工技术,”协会与国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE-TC202)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

第一作者的博士后奖学金(SFRH /桶/ 107737/2015)是由Fundacao对位Ciencia e Tecnologia,通过POCH养和国家基金共同投资的mct,葡萄牙。