METODA OCENY EFEKTYWNOŚCI MONITOROWANIA STANÓW POJAZDU SZYNOWEGO TYPU WAGON

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Transportu Zakład Podstaw Budowy Urządzeń Transportowych METODA OCENY EFEKTYWNOŚCI MONITOROWANIA STANÓW POJAZDU SZYNOWEGO TYPU WAGON prof. dr hab. inż. Andrzej Chudzikiewicz prof. dr hab. Bogdan Sowiński dr inż. Józef Droździel dr inż. Michał Opala dr inż. Jarosław Korzeb mgr inż. Kamil Michalski mgr inż. Rafał Melnik mgr inż. Mariusz Kostrzewski Współpraca: Zespół EC-Grupa pod kierunkiem: dr hab. inż. Tomasza Barszcza oraz Zespół PKP Informatyka

2 Treśd Założenia wstępne Wymagania środowiskowe i normatywne Architektura systemu Algorytmy monitorowania stanów Tryby pracy i typy danych Testy symulacyjne Prototyp jednostki akwizycji danych Prototyp części systemu związanej z serwerem Podsumowanie

3 Założenia wstępne Efektywnośd systemu monitorowania oszacowanie możliwości układu w stosunku do: obowiązujących przepisów normatywnych, warunków pracy systemu, wyników badao symulacyjnych przeprowadzonych na symulacyjnym modelu pojazdu (obiekcie monitorowanym). Zajmiemy się kolejno: warunkami środowiskowymi, w których eksploatowane są pojazdy szynowe, architekturą systemu i jego trybem pracy, doborem czujników do układu, algorytmem działania systemu.

4 Założenia wstępne c.d. Cel monitorowania stanu pojazdu szynowego typu wagon: poprawa bezpieczeostwa czynnego. Zakres monitorowania stanu: zestawy kołowe (osie, powierzchnie toczne kół), łożyska osi (kontrola temperatury łożysk), usprężynowanie pierwszego i drugiego stopnia, stan toru. Monitoring online: czujniki i jednostka realizująca procedury diagnostyczne na wagonie, monitorowanie w sposób ciągły lub określony interwałami czasowymi bądź przebiegiem, Poziomy diagnozowania.

5 Wymagania środowiskowe Spełnienie poniższych wymagao przez elementy składowe systemu jest konieczne ze względu na obowiązujące przepisy, jak i z punktu widzenia poprawności działania systemu, jego wiarygodności i bezawaryjnej eksploatacji w zmiennych warunkach środowiskowych. Podstawowymi parametrami koniecznymi do określenia są kolejno: 1. wymiary poszczególnych elementów systemu, 2. zasilanie układu, 3. minimalny zakres temperatury pracy, 4. wytrzymałośd na drgania, 5. wytrzymałośd na udary, 6. odpornośd na oddziaływania elektromagnetyczne, 7. dopuszczalna emisja elektromagnetyczna, 8. odporności urządzeo na wilgod.

6 Wymagania środowiskowe c.d. 1. Wymiary poszczególnych elementów systemu. Podstawowe kryterium ilośd możliwego do wykorzystania miejsca. Kryterium oceny będzie spełnione, gdy poszczególne elementy będą zamontowane tak, aby nie utrudniały dostępu do elementów pojazdu podlegających czynnościom naprawczym lub przeglądowym i eksploatacyjnym.

7 Wymagania środowiskowe c.d. PN-EN 50155:2007 Zastosowania kolejowe - Wyposażenie elektroniczne stosowane w taborze 2. Zasilanie układu. zasilanie podstawowe prądem przemiennym: 230V 50Hz, zasilanie awaryjne prądem stałym o napięciu: 24, 48, 72, 96, 110 V. 3. Minimalny zakres temperatury pracy. Związany jest z usytuowaniem elementów układu. elementy montowane na zewnątrz pudła wagonu: -40 do +50 ºC, - czujniki i okablowanie, dla elementów montowanych wewnątrz pudła wagonu w zakresie: -25 do +70 ºC, - jednostka akwizycji danych, GSM, GPS, PC.

8 Wymagania środowiskowe c.d. PN-EN Zastosowania kolejowe. Wyposażenie taboru kolejowego. Badania odporności na udary mechaniczne i wibracje. 4. Wytrzymałośd na drgania. 5. Wytrzymałośd na udary.

9 Wymagania środowiskowe c.d. PN-EN Zastosowania kolejowe. Kompatybilnośd elektromagnetyczna. Częśd 3-2: Tabor. Aparaty. Dla portów zasilania awaryjnego AC i DC, portów pomiarów i sterowania oraz sygnalizacji i komunikacji. 6. Odpornośd na oddziaływania elektromagnetyczne w paśmie: khz w paśmie: khz w paśmie: 500kHz - 30 MHz bez ograniczeo, 7. Dopuszczalna emisja elektromagnetyczna. 99 dbμv (wartośd quasi szczytowa), 93 dbμv (wartośd quasi szczytowa). dla częstotliwości radiowych, przy przebiegu współbieżnym: 0,15 80 MHz; 10 V (RMS) nie modulowany; 80% AM, 1 khz, dla szybkich przebiegów przejściowych: ±2 kv (wartośd szczytowa); 5/50 ns (Tr/Th); 5 khz, dla udarów: 1,2/50 μs: ±2 kv; 42Ω; 0,5 μf (badania faza-ziemia przy otwartym obwodzie); ±1 kv; 42Ω; 0,5 μf (badania faza-faza przy otwartym obwodzie).

10 Wymagania środowiskowe c.d. PN-EN Zastosowania kolejowe -- Warunki środowiskowe stawiane urządzeniom -- Częśd 1: Urządzenia taborowe 8. Odporności urządzeo na wilgod: Czas trwania Wilgotnośd średnia roczna: 75% (RH), w ciągu 30 dni: % (RH), okazjonalnie: % (RH), max wilgotnośd bezwzględna: 30 [g/m3] (w tunelach).

11 Architektura systemu JAD Jednostka Akwizycji Danych, CPU Komputer przemysłowy, GPS Global Positioning System, - łącze kablowe, łącze bezprzewodowe.

12 Architektura systemu - struktura JAD

13 Rozmieszczenie czujników - T1-T8 czujniki temperatury zamontowane na łożyskach osi, - B1-B4 czujniki drgao zamontowane na wózkach nad sprężynami I-go stopnia usprężynowania, - C1, C2 czujniki drgao zamontowane na pudle wagonu nad czopami skrętu wózków, - W1,W2 czujniki do pomiaru stanu toru

14 Algorytmy monitorowania stanu - monitorowanie badanego zjawiska Dane z czujników Czekaj Nie Prędkość jazdy V > V min? Tak Synchronizacja zegara JAD z zegarem GPS Maksymalny rozmiar pakietu osiągnięty? Tak Nie Algorytm sprawdzający możliwość zapisu Zamknij plik pakietu Dopisz dane do bloku Algorytm klasyfikacji pakietów

15 Algorytmy monitorowania stanu - typy danych Jednostka akwizycji danych Pakiet danych -dane surowe -analizy cząstkowe Pakiet kontrolny -powiadomienia -diagnostyka systemu monitorowania Serwer Nazwa pliku pakietu danych: IDwagonu_ID_JAD_rrrrmmdd_ggmmss_data.csv Nazwa pliku pakietu kontrolnego: IDwagonu_ID_JAD_rrrrmmdd_ggmmss_control.csv

16 Algorytmy monitorowania stanu - typy danych c.d. Nagłówek Typ pakietu 0 (0-pakiet danych częstotliwość spacjalna; 1-pakiet kontrolny) Wersja pakietu (oznacza zmiany struktury pakietu) Data/Czas (UTC w formacie OLE Automation date) Położenie geograficzne długość (+ dla E oraz dla W) Położenie geograficzne szerokość (+ dla N oraz dla S) Numer wagonu Numer jednostki akwizycji danych (UID) Liczba kolumn w bloku danych Liczba wierszy w bloku danych Jakość sygnału GPS HDOP Numery kanałów/czujników w poszczególnych kolumnach (indeksowanie od 0) Numer czujnika kanału 1 Numer czujnika kanału 2 Numer czujnika kanału N Droga [m] Czas [ms] Blok danych Prędkość Pojazdu [km/h] Kanał_1 Kanał_2 Kanał_N Struktura pakietu danych

17 Algorytmy monitorowania stanu - typy danych c.d. Nagłówek Typ pakietu 1 (0-pakiet danych częstotliwość spacjalna; 1-pakiet kontrolny) Wersja pakietu (oznacza zmiany struktury pakietu) Data/Czas (UTC w formacie OLE Automation date) Numer wagonu Numer jednostki akwizycji danych (UID) Numer rodzaju powiadomienia Identyfikator pakietu danych Liczba wierszy w bloku danych Struktura pakietu kontrolnego Indeks kanału drganiowego lub NA dla kanałów PV Blok danych Nazwa analizy lub indeks kanału PV Wartość limitu Wartość analizy

18 Algorytmy monitorowania stanu - typy danych c.d. Rodzaj powiadomienia Numer Pakiet kontrolny -powiadomienia -diagnostyka systemu monitorowania Brak/Informacja kontrolna 0 Ostrzeżenie 1 Ostrzeżenie krytyczne 2 Alarm 3 Alarm krytyczny 4 Rodzaj błędu Kod Brak/Działanie prawidłowe 0 Przekroczenie wartości progowej dla funkcji 1 1 Przekroczenie wartości progowej dla funkcji 2 2 Przekroczenie wartości progowej dla funkcji N Błąd hardware nr brak miejsca na dysku Błąd

19 Algorytmy monitorowania stanu - pierwszy i drugi poziom diagnozowania Dane Porównanie z normatywnymi wartościami dopuszczalnymi Obliczenie wartości statystycznych np. min., maks., śred., odchylenie standardowe, RMS, dla wartości przyśpieszeń Porównanie z wartościami dla pojazdu wzorcowego Tak Tak Warunki brzegowe przekroczone? Generuj alarm Warunki brzegowe przekroczone? Generuj ostrzeżenie

20 Algorytmy monitorowania stanu - trzeci poziom diagnozowania Pobranie z bazy danych rekordów dla wszystkich wagonów danego składu dla tego samego odcinka toru Wagon 1 Wagon 2 Wagon N Porównanie wartości wskaźników pomiędzy poszczególnymi wagonami Algorytm analizy diagnostycznej dla pojedynczego pakietu Algorytm analizy diagnostycznej dla pojedynczego pakietu Algorytm analizy diagnostycznej dla pojedynczego pakietu Nie Warunki brzegowe przekroczone? Tak Wartości wskaźników diagnostycznych Wyjście Generuj ostrzeżenie

21 Testy symulacyjne zakres badao Ustalając zakres symulacji brano pod uwagę zmienne warunki eksploatacji składów pociągów osobowych i towarowych. Na te warunki mają wpływ: zmienny stan torów, zakres prędkości jazdy, poziom zużycia różnych elementów jezdnych wagonów. Przyjęto założenie, że wyniki symulacji wagonu z wprowadzonym uszkodzeniem (anomalią) są oceniane na podstawie porównania z odpowiednimi wynikami symulacji wagonu bez uszkodzenia (wzorzec), tzn. wagonu o parametrach nominalnych. Obliczenia symulacyjne przeprowadzono dla trzech kategorii toru QN1, QN2 i QN3. Odcinki toru każdej kategorii zostały scharakteryzowane za pomocą czterech nierówności geometrycznych, nierówności te stanowiły sygnały wejściowe w modelu symulacyjnym. Kategoria toru Prędkość (km/h) QN QN QN Prędkości symulacyjne w zależności od kategorii toru Przy doborze zakresu zmian prędkości przyjmowanego w obliczeniach symulacyjnych brano pod uwagę rodzaj pojazdu (osobowy, towarowy, inny) a także rodzaj uszkodzenia. Wykonano w sumie dla wagonu osobowego i towarowego ok. 400 symulacji na odcinkach toru o długościach ok. 500m.

22 Testy symulacyjne wytypowane wskaźniki do oceny sygnałów z pojazdu badanego na podstawie symulacji Testowano następujące cechy sygnału: ocena amplitud: max - min odchylenie standardowe, RMS rozstęp kwartylny współczynnik korelacji zgodności (concordance correlation coefficient) kurtoza PSD współczynnik asymetrii współczynnik korelacji wg Pearsona ICC (intraclass correlation coefficient) klasteryzacja

23 Testy symulacyjne przykładowe wyniki V=40km/h V=60km/h V=80km/h V=100km/h W U1 W U1 W U1 W U1 Wartość średnia(+) Wartość średnia(-) Odchylenie standardowe W-U RMS Maksimum Wartość średnia(+) Wartość średnia(-) Odchylenie standardowe RMS Współczynnik korelacji Współczynnik korelacji PSD Względne odchylenie standardowe Przyspieszenie pionowe prawej strony ramy pierwszego wózka-na środku z"bp. Wagon towarowy, tor QN1

24 Testy symulacyjne przykładowe wyniki c.d. Klasteryzacja Dendrogram

25 Testy symulacyjne przykładowe wyniki c.d. Klasteryzacja według uszkodzeń na podstawie sygnału przyspieszenia poprzecznego ramy wózka Nr pomiaru Uszkodzenie Sygnał czasowy (1:250) 1 W0 2 U1 3 U2 4 U3 5 U4 6 U5 7 U6 8 U7 9 U8 Sygnał czasowy (251:500) 10 W0 11 U1 12 U2 13 U3 14 U4 15 U5 16 U6 17 U7 18 U8

26 Prototyp jednostki akwizycji danych

27 Prototyp jednostki akwizycji danych

28 Prototyp jednostki akwizycji danych - konfiguracja, interfejs użytkownika

29 Prototyp jednostki akwizycji danych - konfiguracja, interfejs użytkownika c.d.

30 Prototyp systemu serwera

31 Podsumowanie Ocena efektywności oparta jest na spełnieniu wymienionych wymagao dotyczących warunków środowiskowych, oraz minimalnych wymagao dotyczących funkcjonowania poszczególnych podsystemów Przy ocenie efektywności przyjętych miar diagnozowania posłużono się badaniami symulacyjnymi modelu układu wagon-tor Na podstawie sformułowanych wymagao, zbudowany został prototyp systemu w skład którego wchodzą: jednostka akwizycji danych oraz serwer Dalsze badania prowadzone będą z wykorzystaniem prototypów elementów składowych systemu

32 Dziękuję za uwagę