Программно-аппаратный комплекс волоконно-оптической сенсорики для систем мониторинга на железнодорожном транспорте
Ключевые слова:
волоконно-оптический кабель, мониторинг, железные дороги, программно-аппаратный комплекс, рефлектометр
Обеспечение безопасности перевозочного процесса и эксплуатации объектов железнодорожного транспорта являются приоритетными задачами компании ОАО «РЖД», решение которых в условиях возрастающих нагрузок на ось и развития высокоскоростного движения становится крайне важным.
Вместе с тем большая часть российских железных дорог расположена в малонаселенных регионах, а также в районах со сложными инженерно-геологическими условиями (вечная мерзлота, слабые грунты, карстовые явления и др.). Учитывая эти особенности функционирования железных дорог, актуальность разработки и внедрения экономически и технологически эффективных инновационных технических решений для обеспечения бесперебойного и безопасного перевозочного процесса не вызывает сомнений.
Одним из перспективных направлений исследования в этой области является разработка распределенных высокотехнологичных систем мониторинга объектов путевой инфраструктуры для участков железнодорожного пути на основе волоконно-оптических технологий для повышения уровня безопасности движения и увеличения пропускной способности на сети железных дорог. В рамках указанного направления исследования рассматривается широкий круг задач, в том числе:
- • распределенный мониторинг деградации (растепления) мерзлых грунтов для проведения в режиме близком к реальному времени наблюдения за границей таяния и просадкой грунтов земляного полотна, а также оценки эффективности применяемых мер по стабилизации мерзлотных грунтов;
- • распределенный мониторинг деформации земляного полотна, возникающей в результате оползневых процессов и оценка эффективности принятых противооползневых мероприятий;
- • распределенный мониторинг состояния рельсовых плетей для выявления критических состояний пути с целью обеспечения безопасной круглогодичной эксплуатации.
- • мониторинг железнодорожных мостовых сооружений, включая контроль деформации и температуры пролетных элементов конструкций, динамических вибрационных нагрузок, величину нагрузки и наклон опор, деформацию грунта переходных участков железнодорожных путей;
- • мониторинг несанкционированного проникновения в канализационно-кабельные сооружения железнодорожной инфраструктуры;
- • обоснование предельных характеристик волоконно-оптических распределенных акустических сенсоров с целью оптимизации параметров виброакустических распределенных волоконно-оптических систем мониторинга для установки на объектах железнодорожной инфраструктуры.
Можно отметить, что за формулировками перечисленных задач скрывается целый пласт многочисленных проблем технического, информационного и научного характера, разрешение которых требуется не столько в отношении каждой отдельной ситуации, сколько в приложении к совокупному множеству возможных их проявлений, что определяет уникальность проводимого исследования в отношении именно российских железных дорог. В связи с этим наиболее целесообразным является разработка и внедрение унифицированных решений, масштабируемых для конкретных ситуаций.
В качестве такого унифицированного решения рассматривается программно-аппаратный комплекс волоконно-оптической сенсорики (ПАК ВОС), который может быть использован в качестве информационно-технологического ядра в различных системах мониторинга.
Высокая степень унификации и обеспечение масштабируемости ПАК ВОС достигаются за счет реализации трехуровневого функционального деления (рис. 1):
- - на первом уровне функциональности обеспечивается аппаратное сопряжение с различными приборными реализациями рефлектометров, отличающихся техническими характеристиками, что позволяет подбирать требуемую модель в зависимости от особенностей контролируемого объекта;
- - второй функциональный уровень обеспечивает реализацию различных алгоритмов обработки и анализа данных, поступающих с выхода рефлектометра, что открывает широкие возможности в применении тех или иных технологических последовательностей обработки и анализа данных в зависимости от условий функционирования объекта контроля и решаемых задач по его контролю [1];
- - третий функциональный уровень обеспечивает интерфейсное взаимодействие ПАК ВОС с привлекаемыми дежурными силами, а также информационное взаимодействие с внешними автоматизированными системами.
Рефлектометр совместно с оптоволоконным кабелем выполняет роль распределенного оптоволоконного сенсора, преобразующего различные внешние виброакустические воздействия на оптоволоконный кабель в цифровой код. С одной стороны, организация такого распределенного сенсора обеспечивает определенные преимущества, в частности, возможность контроля протяженных участков, а с другой, неизбежно приводит к возрастанию неопределенности в интерпретации получаемых сигналов. Причинами возрастания такой неопределенности являются особенности организации высокочувствительной составной части датчика (сенсора) на основе волоконнооптического кабеля, проявляющиеся в том, что:
- • распределенный сенсор не позволяет локализовать точечное воздействие;
- • точечный сенсор не позволяет локализовать распределенное воздействие;
- • распределенный сенсор не позволяет локализовать распределенное воздействие.
- Иллюстрации некоторых исходных сигналов с выхода рефлектометра и результатов их обработки представлены на рис. 2-4.
Исходя из названных причин, область практического применения ПАК ВОС должна определяться условиями решаемых задач, связанных с контролем различного рода внешних виброакустических воздействий на волоконно-оптический кабель. Это еще раз приводит к выводу о том, что построение универсального ПАК ВОС не является целесообразным, в первую очередь, в связи с его функциональной перегруженностью и, как следствие, повышенной стоимостью. Напротив, реализация унифицированных ПАК ВОС, масштабируемых под конкретные задачи мониторинга, представляется обоснованной с позиции технико-экономической эффективности.
В таких унифицированных ПАК ВОС вычислительный модуль может быть реализован на различных платформах-операционных системах и средствах вычислений от универсальных компьютеров до высокопроизводительных RISC-процессоров [2]. Важной особенностью вычислительного модуля ПАК ВОС является возможность его гибкого функционального наполнения необходимыми модулями обработки данных и анализа результатов, что обеспечивает наиболее полное соответствие условиям решаемых задач, а также позволяет выполнять наращивание функциональности за счет подключения дополнительных модулей обработки данных и анализа получаемых результатов.
Следующим важным элементом ПАК ВОС являются автоматизированные рабочие места, оснащаемые теми пользовательскими интерфейсами, которые в наибольшей степени соответствуют решаемым задачам.
В качестве заключения можно отметить, что разработка и внедрение ПАК ВОС в различные системы мониторинга позволит повысить эффективность их функционирования, в том числе повысить сигнализационную надежность — комплексный показатель, включающий вероятность правильного принятия решения и время наработки на ложное срабатывание, а также оперативность принятия решений, что является наиболее важным при мониторинге и контроле состояния объектов железнодорожной инфраструктуры в малонаселенных регионах, а также в сложных инженерно-геологических условиях.
Список литературы
1. Кузнецов В. И. Введение в статистический анализ измерительных данных. М.: АО. «ФЦНИВТ «СНПО «Элерон», 2020 г. 524 с.
2. RISC-архитектура процессора.
3. https://fb.ru/article/350271/risc-arhitektura-protsessora
