Badania wstępne obrazów sygnałów wibroakustycznych w kontekście identyfikacji przejeżdżającego pojazdu szynowego Preliminary studies of vibroacoustic signal images in the context of identification of a passing rail vehicle

Rafał Burdzik, Paweł Słowiński, Łukasz Konieczny

BADANIA WSTĘPNE OBRAZÓW SYGNAŁÓW

WIBROAKUSTYCZNYCH W KONTEKŚCIE

IDENTYFIKACJI PRZEJEŻDŻAJĄCEGO POJAZDU

SZYNOWEGO

Rękopis dostarczono: kwiecień 2018

Streszczenie: Przejeżdżające pojazdy szynowe generują drgania i hałas. W większości opracowań

zjawiska te analizowane są w ujęciu oddziaływania na człowieka, otoczenie i infrastrukturę kolejową. Korzystając jednak z metodyki badań wibroakustycznych generowane sygnały drgań i hałasu można traktować jako nośniki informacji. W zdecydowanej większości publikacji z zakresu wibroakustyki analizuje się użyteczność sygnałów do określenia stanu technicznego maszyn i systemów. Profesor Rafał Burdzik od wielu lat prowadzi badania w obszarze analizy propagacji drgań i hałasu w środkach transportu. W wyniku tych prac opracowano nową hipotezę badawczą jako możliwość identyfikacji pojazdu lub składu kolejowego na podstawie rejestrowanych obrazów sygnałów wibroakustycznych. W artykule przedstawiono wyniki badań wstępnych, podczas których rejestrowano drgania szyny w trzech ortogonalnych osiach oraz sygnały ciśnienia akustycznego w osi prostopadłej do szlaku kolejowego.

Słowa kluczowe: transport kolejowy, obrazy wibroakustyczne, identyfikacja pojazdu

1. WPROWADZENIE

Rozpoznanie i identyfikacja poruszających się składów kolejowych w sieci transportowej są istotnym celem systemów monitorowania transportu. Większość aktualnie oferowanych systemów lokalizacji pojazdów bazuje na systemach GPS, z założeniem posiadania odpowiednich urządzeń nadających sygnał w pojeździe. Prowadzi to do wniosku, że lokalizowane w tym systemie mogą być jedynie pojazdy, których operatorzy tego chcą. Co zatem z użytkownikami systemów transportowych, którzy nie chcą być lokalizowani lub którzy świadomie podają nieprawdziwe informacje na temat pojazdu? Temat autonomicznej, niezależnej od systemów stosowanych na kolei identyfikacji przejeżdżających pojazdów szynowych jest tematem aktualnym ze względu na znaczenie dla transportu kolejowego, w tym bezpieczeństwa na kolei. Dodatkowym aspektem jest rozwinięcie metody monitorowania, rozszerzenia możliwości sterowania i ewentualnie zarzadzania transportem szynowym. Ponadto coraz ważniejsza stała się internacjonalizacja kosztów zewnętrznych transportu oraz ocena oddziaływania

zewnętrznego transportu. Spośród efektów negatywnego oddziaływania transportu kolejowego, które stanowią podstawę estymacji kosztów zewnętrznych, najczęściej wymienia się drgania i hałas [1-4,20,26]. Dlatego dodatkową możliwością rozwinięcie prezentowanej metody może być pomiar emisji drgań i hałasu w transporcie kolejowym.

W artykule przedstawiono wyniki badań wstępnych, których celem było oszacowanie poziomów emisji fal drganiowych i akustycznych generowanych na skutek przejeżdżającego pojazdu szynowego. Dodatkowym celem było porównanie sygnałów wibroakustycznych zarejestrowanych podczas przejazdu różnych rodzajów składów kolejowych.

2. INFRASTRUKTURA I POJAZDY SZYNOWE

Analizę infrastruktury kolejowej w Polsce należy rozpocząć od podziału na linie kolejowe i infrastrukturę kolejową, z uwzględnieniem klasy technicznej torów kolejowych [10,14,23-25]. W tabelach 1 i 2 przedstawiono podział linii kolejowych oraz klasy techniczne torów.

Najbardziej ogólny podział zespołów trakcyjnych rozróżnia pociągi pasażerskie, towarowe, służbowe i technologiczne. Zespół trakcyjny natomiast składa się z pojazdu trakcyjnego i doczepowego. W Polsce najczęściej można wyróżnić następujące rodzaje pociągów towarowych [25]:

x Pociągi towarowe do przewozów ładunków niemasowych(TN) x Pociągi towarowe do przewozów ładunków masowych (TM) x Pociągi towarowe bezpośrednie(TOB)

x Pociągi towarowe grupowe(pośrednie) (TOP) x Pociągi zbiorowe (TZ)

x Pociągi zdawcze w obrębie węzła(TKW) i na linii (TKL) x Pociągi towarowe bocznicowe (TB)

x Pociągi towarowe kopalniane (TK)

x Pociągi towarowe do przewozów intermodalnych

Tablica 1 Podział linii kolejowej na kategorie [19]

Lp. Kategoria linii

Parametry techniczno- eksploatacyjne Natężenie przewozów T [Tg/rok] [teragramy/rok] Prędkość maksymalna vmax [km/h] Prędkość maksymalna pociągów towarowych vmax [km/h] Dopuszczalne naciski osi Q [kN/oś]

1 Magistralna (0) T>>25 120<vmax<<200 80<vmax<<129 P>>221 2 Pierwszorzędna (1) 10<<T<25 80<vmax<<120 60<vmax<<80 210<<P<221 3 Drugorzędna (2) 3<<T<25 60<vmax<<80 50<vmax<<60 200<<P<210 4 Znaczenia

miejscowego (3)

Tablica 2 Podział torów kolejowych na klasy techniczne [20]

Klasy torów

Parametry eksploatacyjne Dopuszczalna prędkość

pociągów vmax [km/h]

Dopuszczalny nacisk osi Q [kN/oś] Maksymalne natężenie przewozów qs [Tg/rok] Lokomotywy Wagonu 0 200 205 140 Do 25 1 100 120 140 160 221 210 210 205 221 205 190 140 Nienormowane 2 80 100 120 221 210 205 221 205 190 16-25 16-25 16-25 3 70 80 221 210 221 205 9-15 9-15 4 60 70 221 210 221 205 4-8 4-8 5 30 40 221 210 221 205 0-3 0-3

Każdy z przedstawionych rodzajów posiada własną klasyfikację oraz różnice z nich wynikające. Zasadnicze różnice, w zależności od rodzaju przewożonego ładunku, występują w konstrukcjach pojazdów doczepowych. Budowa wagonów powinna uwzględniać zakres czynności ładunkowych oraz rodzaj technologii, a także podatność transportową ładunków. Jednym z najbardziej popularnych rodzajów wagonów są wagony platformy, które umożliwiają zabudowanie różnych skrzyń ładunkowych. Na rysunku 1 przedstawiono rozkład statystyczny udziału pracy przewozowej poszczególnych grup towarowych w 2017 roku w największej polskiej spółki kolejowej.

Rozróżnia się następujące rodzaje wagonów towarowych: x wagon węglarka typu normalnego (oznaczenie literowe E) x wagon węglarka typu specjalnego (oznaczenie literowe F) x wagon kryty typu normalnego (oznaczenie literowe G) x wagon kryty typu specjalnego (oznaczenie literowe H) x wagon chłodnia (oznaczenie literowe I)

x wagon platforma typu normalnego 2- i 4-osiowe (oznaczenie literowe K i L, słownie sgs i spls)

x wagon platforma typu specjalnego 2- i 4-osiowe (oznaczenie literowe odpowiednio R i S)

x wagon z przesuwanym dachem (oznaczenie literowe T) x wagon cysterna (oznaczenie literowe Z)

x wagon specjalny (oznaczenie literowe U)

Jednym z najbardziej popularnych rodzajów wagonów są wagony platformy, które umożliwiają zabudowanie różnych skrzyń ładunkowych (rys. 2).

Rys. 2. Wagon platforma dwuosiowa budowy normalnej Ks (vmax=100 km/h) [27]

Pociągi pasażerskie dzielą się na: x EuroCity (EC)

x InterCity (ICC) x ekspresowe (EX)

x pospieszne (D)- dawniej (P i M) x osobowe (O)

Podział ten wynika przede wszystkim z dwóch czynników: prędkości i ilości stacji kolejowych na których się zatrzymują. Pociągi typu EC są pociągami o najwyższym wskaźniku średniej prędkości pokonywanej na szlaku i najmniejszej liczbie postojowych stacji pośrednich. Dodatkowo są to pociągi, których zasięg jest międzynarodowy. Następnie składy IC i EX mają zasięg krajowy. Pociągi Regioexpres i interRegio można zaliczyć do pociągów pospiesznych. Coraz bardziej popularne stają się także Elektryczne zespoły trakcyjne (EZT), czyli pociąg składający się zazwyczaj z dwóch skrajnych członów sterowniczych oraz pasażerskich członów pośrednich.

Z uwagi na charakter kursowania, pociągi pasażerskie dzielą się na:

x pociągi niestałe, do których należą pociągi dodatkowe (przewidziane w rozkładzie jazdy, uruchamiane w razie konieczności) oraz nadzwyczajne (nie przewidziane w rozkładzie jazdy, uruchamiane wg specjalnego rozkładu).

3. MONITOROWANIE I ZARZĄDZANIE TABOREM

KOLEJOWYM

Monitorowanie i zarządzanie taborem kolejowym są bezpośrednio związane z ekonomiką i logistyką transportu [11-19]. Obecnie stosowane są różne systemy monitorowania i zarządzania taborem kolejowym na szlakach kolejowych. Oprócz metod monitoringu wizyjnego, w celu identyfikacji składów kolejowych, istnieją również systemy oparte na systemach telemetrycznych [6,7,9,21,22]. Przykładem starszego rozwiązania jest system opatentowany w 1966 roku w Stanach Zjednoczonych Ameryki, jako prosty system automatycznej identyfikacji przejeżdżających składów kolejowych (rys. 3).

Rys. 3. Patent US3253126A- 1966r. przedstawiający automatyczną identyfikację pociągu

Większość nowoczesnych systemów telemetrycznych służących do monitorowania taboru kolejowego bazuje na GPS. Przykładem może być Elektroniczna Księga Logistyki stosowana u przewoźnika P.K.P Cargo, która posiada funkcję dającą możliwość otrzymania informacji o pociągu i jego obsłudze, w tym dane o pozycji lokomotywy, relacji pociągu, czasie pracy maszynisty, miejscu planowej podmiany, masie brutto oraz informacji serwisowych. Ma więc charakter narzędzia służącego do zarządzania flotą pojazdów. Przykładowa struktura systemów telemetrycznych została przedstawiono na rysunku 4.

Na podstawie analizy innych systemów, które są stosowane w transporcie kolejowych można wskazać także na pewno rozwiązania, które po modyfikacji także mogą realizować określone funkcje w systemach monitorowania taboru kolejowego. Jednym z nich jest system DSAT, który zasadniczo służy do detekcji stanów awaryjnych taboru kolejowego.

Choć poprzez pomiar sił i temperatury nie uzyskuje się istotnych informacji do identyfikacji pojazdu szynowego jednak może on służyć do zliczania pociągów na szlaku. Innym typem rozwiązania dającego możliwość identyfikacji przejeżdżającego pojazdu szynowego jest opracowana przez firmę Adaptronica przenośna waga kolejowa, która umożliwia ważenie pojazdów w ruchu. System pomiarowy rozpoznaje strukturę nacisków osiowych i liniowych, wywieranych przez poszczególne osie składu na szyny (rys. 5). Dzięki temu umożliwia określenie masy wagonów i ich liczby, jak również prędkości poruszającego się składu. Taki zbiór informacji jest już znacznie bardziej przydatny w systemach monitorowania taboru kolejowego.

Rys. 4. Struktura funkcjonalna systemu do monitorowania środków transportu opracowanego przez firmę CallFreedom oraz Instytut Logistyki i Magazynowania.

Rys. 5. Przykład alternatywnego rozwiązania z zakresu identyfikacji przejeżdżającego pojazdy szynowego w kontekście analizy wagi składu kolejowego

4. BADANIA WIBROAKUSTYCZNE PRZEJEŻDŻAJĄCEGO

POJAZDU SZYNOWEGO

Zgodnie z metodyką badań wibroakustycznych generowane sygnały drgań i hałasu można traktować jako nośniki informacji. Założeniem prowadzonych badań jest możliwość identyfikacji pojazdu lub składu kolejowego na podstawie rejestrowanych obrazów sygnałów wibroakustycznych. Zgodnie z definicją obrazu sygnału wibroakustycznego, na podstawie analizy sygnału w dziedzinie czasu można jakościowo ocenić proces wibroakustyczny ze względu na stopień determinizmu, okresowości, wystąpienia bądź niewystąpienia pewnych fragmentów procesu oraz ich związku z innymi zdarzeniami występującymi w obiekcie [5].

Celem badań jest analiza synchronizowanych obrazów wibroakustycznych w aspekcie oceny pojemności informacyjnej rejestrowanych sygnałów. Opracowano metodę badań, której założeniem była synchroniczna rejestracja sygnałów akustycznych w bezpośrednim otoczeniu torowiska oraz drgań w trzech kierunkach rejestrowanych bezpośrednio na szynie. Każdorazowo rejestrowano sygnały analogowe, dzięki czemu możliwa jest analiza przebiegów ciągłych sygnałów drgań i ciśnienia akustycznego.

Wyniki badań składają się z zestawów 4 synchronicznych sygnałów, w tym przebiegów zmian ciśnienia akustycznego i przebiegów drgań w trzech ortogonalnych osiach: jako fala wzdłużna, poprzeczna i pionowa.

Na rysunku 6 przedstawiono sposoby mocowania czujników drgań podczas pomiarów.

Rys. 6. Sposób montażu czujników do szyjki szyny- na magnes ( z lewej) oraz na wosk (z prawej)

Przykładowe wyniki zarejestrowanych sygnałów przyśpieszeń drgań i ciśnienia akustycznego przedstawiono na rysunkach poniżej.

Rys. 7. Przebieg zmian ciśnienia akustycznego, przejazd 2-członowy zespół trakcyjny V=120(5)km/h

Rys 8. Przebieg przyśpieszeń drgań w trzech ortogonalnych osiach dla 2- członowego zespołu trakcyjnego V=120(5)km/h. Kolejno X, Y,Z.

Na podstawie analizy zarejestrowanych podczas badań wstępnych sygnałów ciśnienia akustycznego (rys. 7) widać dynamikę przyrostu amplitud podczas zbliżania się pojazdu szynowego do punktu pomiarowego. Podobne zjawisko wyraźnie widoczne jest na podstawie rejestrowanych sygnałów przyśpieszeń drgań (rys. 8). Na podstawie analizy tych sygnałów należy zwrócić jeszcze uwagę na charakterystyczną okresowość sygnału drgań rejestrowanego dokładnie podczas mijania przez pojazd szynowy punktu pomiarowego. Wstępne analizy wskazały korelację tych zmian z konstrukcją pojazdu (odległościami i liczbą wózków). Na podstawie tych analiz wstępnie pozytywnie oceniono więc pojemności informacyjne rejestrowanych sygnałów. W zakresie oceny emisji wyliczane będą miary ekspozycyjne dotyczące drgań i hałasu [28,29].

5. PODSUMOWANIE

W artykule przedstawiono propozycję innowacyjnej metody identyfikacji przejeżdżającego pojazdu szynowego na podstawie rejestrowanych sygnałów drgań i hałasu. Metoda ta może stanowić interesujące uzupełnienie aktualnie stosowanych systemów służących do monitorowania pojazdów szynowych na szlakach kolejowych. Zaletami tej metody są mobilność systemu pomiarowego, identyfikacja przejazdu niezależnie od aktualnie stosowanych systemów, możliwość rejestracji przejazdu nawet jeżeli użytkownik nie jest wyposażony w urządzenia GPS oraz możliwości rozwinięcia tych metod do celu rejestracji źródeł kosztów zewnętrznych transportu w kategoriach hałas i drgania. Na podstawie zarejestrowanych sygnałów podczas badań wstępnych można stwierdzić, że obrazy sygnałów wibroakustycznych jako przebiegi zmian przyśpieszeń drgań rejestrowanych na szynie oraz ciśnienia akustycznego w osi prostopadłej to kierunku ruchu pojazdu szynowego różnią się w zależności od rodzaju przejeżdżającego składu. Ponadto uzyskane wyniki jednoznacznie potwierdzają możliwość detekcji przejazdu, ponieważ rejestrowane amplitudy sygnałów bardzo znacząco przewyższają poziomy w stanach nie przejazdowych. Dalsze prace zorientowane będą na przeprowadzenie rozszerzonych badań w warunkach rzeczywistych i walidacje opracowanej metody.

Bibliografia

1. Jacyna M., Wasiak M., Lewczuk K., Karoń G.: Noise and environmental pollution from transport: decisive problems in developing ecologically efficient transport systems. Journal of Vibroengineering, 19(7), 2017.

2. Burdzik R., Nowak B., Słowiński P.:Wpływ rodzaju i prędkości poruszającego się pojazdu szynowego na drgania generowane na szynie. W: WibroTech 2017. XIX Konferencja Naukowa Wibroakustyki i Wibrotechniki, Warszawa - Pruszków, 2017.

3. Burdzik R., Słowiński P., Nowak B.: Analiza hałasu generowanego przez wybrane pojazdy szynowe. W: Diagnostyka maszyn. XLV Ogólnopolskie sympozjum, Wisła, 2018.

4. Burdzik R., Nowak B., Rozmus J., Słowiński P. :Analiza obrazów wibroakustycznych generowanych przejazdem pociągu przy dużej prędkości. W: Niezawodność systemów technicznych. Materiały XLVI Zimowej Szkoły Niezawodności, Szczyrk, 2018.

6. Englehard J., Wardecki W., Zalewski P.: Transport kolejowy- organizacja, gospodarowanie, zarządzanie, Kolejowa Oficyna Wydawnicza 1995.

7. Frątczak D.: Wrocławskie zdawki, Czasopismo byłego wrocławskiego Klubu Miłośników Komunikacji Zbiorowej „Kasownik” nr 4/2006.

8. Górski W., Mendyk E.: Prawo transportu lądowego, Warszawa 2005.

9. Herzyk G., Mikulski J.: Problem funkcjonalności systemów ITS wspomagających kolejowe procesy transportowe w zakresie zamawiania trasy pociągu – wyniki badań ankietowych, 2013.

10. Kearney A.T.: Prognoza rozwoju polskiego rynku kolejowych przewozów towarowych na lata 2012-2020, 2013.

11. Kozłowski R., Sikorski A.: Nowoczesne rozwiązania w logistyce. Kraków 2009. 12. Koźlak A.: Ekonomika transportu. Teoria i praktyka gospodarcza. Gdańsk 2007. 13. Marszałek S.: Ekonomika, organizacja i zarządzanie w transporcie. Katowice 2001. 14. Master Plan Dla Transportu Kolejowego w Polsce do 2030r. Warszawa 2008. 15. Mężyk A.: Uwarunkowania i efekty reform kolei, Radom 2011.

16. Miecznikowski S. (red.): Gospodarowanie w transporcie kolejowym Unii Europejskiej. Gdańsk 2007. 17. Moroń D. K., Krzyżaniak S.: Logistyka. Poznań 2009.

18. Kempny D.: Logistyczna obsługa klienta. Warszawa 2001.

19. Jacyna M.: System Logistyczny Polski – Uwarunkowania techniczno-technologiczne komodalności transportu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2012.

20. Gołda I. J., Gołębiowski P., Izdebski M., Kłodawski M., Jachimowski R., Szczepański E.: The evaluation of the sustainable transport system development with the scenario analyses procedure. Journal of Vibroengineering, 19(7). 2017.

21. Siergiejczyk M., Rosiński A.: The concept of monitoring a teletransmission track of the highway emergency response system. Diagnostyka, 16, 2015.

22. Siergiejczyk M., Paś J., Rosiński A.: Issue of reliability–exploitation evaluation of electronic transport systems used in the railway environment with consideration of electromagnetic interference. IET Intelligent Transport Systems, 2016.

23. Stasikowski R.: Transport Kolejowy- analiza administracyjno-prawna, Warszawa 2013. 24. Trotche G.: High Speed Rail Freight, Center for Railway Technology, Stockholm 2005.

25. Zalewski P.; Siedlecki P.; A. Drewnowski: Technologia Transportu kolejowego; Warszawa 2013. 26. Zając G.: Badania hałasu i drgań w tramwajach. TTS Technika Transportu Szynowego, 18, 53-58.

2011.

27. Katalog wagonów. Materiały PKP CARGO S.A.; Warszawa 2013.

28. Tomaszewski F.; Wojciechowska E.: Transport kolejowy a ochrona środowiska; Czasopismo Techniczne. Mechanika 108, 115-122, 2011.

29. Tomaszewski F.; Wojciechowska E.: Pomiary hałasu kolejowego wybranego odcinka linii kolejowej E20; XIX Konferencja Naukowa „Pojazdy Szynowe, 2010.

PRELIMINARY STUDIES OF VIBROACOUSTIC SIGNAL IMAGES IN THE CONTEXT OF IDENTIFICATION OF A PASSING RAIL VEHICLE

Summary: Passing rail vehicles generate vibrations and noise. In most studies, these phenomena are analyzed in

terms of impact on people, the environment and railway infrastructure. However, using the vibroacoustic methodology, generated vibration and noise signals can be treated as information carriers. The vast majority of publications in the field of vibroacoustics analyze the usability of signals to determine the technical condition of machines and systems. For many years Professor Rafał Burdzik has been conducting research in the area of vibration and noise propagation analysis in means of transport. As a result of this work, a new research hypothesis was developed as the ability to identify a vehicle or trainset based on recorded images of vibroacoustic signals. The article presents the results of preliminary tests, during which rail vibrations were recorded in three orthogonal axes and acoustic pressure signals in the axis perpendicular to the railway route.