Železniška infrastruktura in digitalizacija – diagnostika tirnih vozil
Železniški sistem na prvi pogled deluje preprosto: dve tirnici, vozila, postaje in ustaljen vozni red. V resnici pa gre za enega kompleksnejših infrastrukturnih sistemov, kjer se prepletajo tehnični, organizacijski in varnostni vidiki.
Njegova navidezna statičnost – proge se ne premikajo, osnovni princip delovanja ostaja enak – pogosto ustvarja vtis zastarelosti. V ozadju pa se odvija intenziven tehnološki razvoj, predvsem na področju vodenja prometa, nadzora nad delovanjem strukturnih podsistemov, diagnostike in upravljanja tveganj.
Posamezne komponente železniške infrastrukture so glede na svojo vlogo različno obremenjene in v različnih intervalih podvržene vzdrževanju ali zamenjavi. Sistem vzdrževanja železnic je sicer zelo dobro premišljen sistem, v katerem so z zapisanimi pravili jasno določeni merljivi parametri in pogoji za vzdrževalne posege. Sta pa tudi železniški sistem in organizacija dela na železnicah podvržena zunanjim dejavnikom, npr. pritisku novih tehnologij in težnji, po učinkovitosti. Vzdrževanje ne pomeni več zgolj periodičnega vizualnega pregleda in meritev, temveč vse pogosteje tudi stalni nadzor in diagnostiko. SCADA sistemi (Supervisory Control And Data Acquisition – sistem nadzora in upravljanja z beleženjem zgodovinskih podatkov), ki že več kot 20 let predstavljajo enega pomembnejših akterjev industrijskega razvoja, dobivajo vedno nove mlajše nadomestke, katerih cilji se prav tako posodabljajo. Iz obdobja nadzora in upravljanja sistemov prehajamo v obdobje diagnostike in analitike. V luči preprečevanja škode ni več dovolj, da se neko alarmno stanje na premični ali nepremični infrastrukturi v najkrajšem možnem času odkrije in odpravi, temveč da se s stalnim spremljanjem merjenih veličin pravočasno odkrije trend in določi robne pogoje za reakcijo, preden se zgodi neželeno stanje. Za vsak poseg na infrastrukturi je predhodno potrebno izdelati oceno tveganja in opredeliti ukrepe za zmanjšanje posledic neželenih stanj. Na tem mestu ni odveč omeniti, da zaradi stalno naraščajoče potrebe po prevoznih storitvah in vseevropske povezanosti infrastrukture, kompleksnost železniškega sistema dobiva novo vse bolj prisotno lastnost. Nepredvidljivost. Spodnji grafični prikaz kaže primerjavo stopnje kompleksnosti v povezavi s soodvisnostjo procesov znotraj nekega sistema.
Slika 1: Primerjava sistemov z vidika kompleksnosti in upravljanja (vir: SMART Seminar Series: Railway Systems Complexity and Management; Perrow, 1999).
Kakšni so torej ukrepi preventive v železniških sistemih, npr. nad spremljanjem stanja infrastrukture ali voznega parka?
Moj stari oče je ob upokojitvi na železnicah v dar prejel majhno kladivce. To je bila simbolična replika kladiva, s katerim so pregledniki vlakov pred desetletji z udarjanjem po kolesih preverjali njihovo stanje. Budno uho je namreč znalo prepoznati zven počenega kolesa, ki bi ob nadaljevanju vožnje predstavljalo precejšnje tveganje za nesrečo. Vloga preglednikov je torej bila izrednega pomena, saj so predstavljali službo preventive. Ne zgolj zaradi potencialne škode na tirnih vozilih, temveč tudi za škodo, ki bi jih poškodovana kolesa lahko povzročila fiksni infrastrukturi. Ob morebitnem iztirjenju ali drugi okvari, ki bi imela za posledico zaustavitev vlaka na progi, bi to dodatno negativno vplivalo na celotni vozni red in terjalo reorganizacijo prometa. Z napredkom so se metode preventive do današnjih dni izpilile do zelo visoke stopnje avtomatizacije, še vedno pa ostajajo odprti izzivi organizacijske narave in formalizmov v mednarodnem železniškem okolju.
Danes najbolj razširjena sistema za detekcijo napak na tirnih vozilih sta detekcija vročih osi in zavor ter tirna tehtnica z dodatno funkcionalnostjo spremljanja stanja tekalne površine koles. Prvi detektor z infrardečim merjenjem temperature ugotavlja stanje ležajev in zavor. Če sistem zasledi povišano temperaturo, je vlak potrebno na prvi možni lokaciji pregledati. V kolikor sistem izmeri alarmantno visoke vrednosti, lahko celo sledi tudi zahteva za takojšnjo zaustavitev vlaka. Drugi detektor pa je na trgu mogoče zaslediti v več različnih tehničnih izvedbah (in merilnih principih) za svoj namen, v osnovi pa se spremlja:
- obremenitev posamezne osi (ker je na x ton na os deklarirana tudi dovoljena obremenitev posamezne proge), teža celega vagona/tirnega vozila in skupna teža vlaka,
- razmerja v obremenjenosti levo/desno, spredaj/zadaj in diagonalno, zaradi pravočasne detekcije nesorazmerne razporeditve tovora,
- merjenje sil, ki jih kolo proži na tir, pri čemer povprečna vrednost sil sovpada z izmerjeno težo. Iz nabora meritev sil je najpomembnejša meritev vršne sile, ki v primeru odstopanja od referenčnih vrednosti neposredno predstavlja stopnjo deformacije kolesa (pojav ploščatih koles sodi med najpogostejše deformacije in jih pri prevozu vlaka slišijo tudi laična ušesa). Pomembna je tudi meritev dinamične sile oz. razmerja med najnižjo in najvišjo izmerjeno silo, ki jo je posamezno kolo prožilo na tir, saj iz tega sistem lahko oceni brezhibnosti oz. tip poškodbe kolesa,
- ocena stanja kolesa, ki na podlagi merjenja dinamičnih sil lahko kolo opredeli kot deformirano v obliki elipsoida, deformirano z nazobčanimi deli oboda, ali deformirano z okroglastimi izboklinami, pri čemer lahko resnost deformacije identificira v več stopnjah.
Omenjena detektorja po mednarodnih statističnih kazalcih pokrijeta veliko večino napak na tirnih vozilih in veljata ne zgolj za najstarejša samodejno delujoča detektorja, temveč tudi za detektorja, ki se najhitreje izplačata z vidika preventivnega ukrepanja pred dejanskim nastankom izrednega dogodka. Stalen napredek in nadaljnje iskanje preventivnih ukrepov, ki bi nadalje zmanjšali ali celo »iztrebili« nastanek škodnih primerov na železnicah pa je na trg plasiral še številne druge tipe detektorjev, ki jih je vredno omeniti.
Med njimi je sistem za validacijo profila, ki v naravi predstavlja mostno konstrukcijo prek proge, na kateri so nameščene svetlobne zavese. Glede na kategorijo proge so določene dovoljene zunanje mere tirnih vozil, t.i. nakladalni profil, katerega prekoračitev lahko predstavlja tveganje za poškodovanje opreme ob progi, sploh v primerih, ko prekoračitev presega t.i. deklarirani svetli profil proge. Ta profil (svetli) namreč predstavlja mejo, do katere se lahko namešča opremo na tire (mostne konstrukcije, signale, signalne znake, itd.). Svetlobne zavese so na sistemu za validacijo profila nameščene tako, da njihove meje predstavljajo točno določen dogovorjen profil. V kolikor izstopajoči del tovora ali deformiranega tirnega vozila prekine svetlobno zaveso, sistem sproži alarm, na podlagi katerega se upravljavec odloči za ukrep. Novejši sistemi so opremljeni tudi z video nadzornim sistemom, ki odločevalcem bistveno olajša ocenjevanje resnosti situacije in proces odločanja glede izbranega ukrepa naredijo zanesljivejši.
Naslednja je detekcija vlečenja opreme, ki v naravi predstavlja merilni prag s senzorjem pospeška. V kolikor s poljubnega tirnega vozila nekontrolirano visi del, ki bi bil potencialno nevaren za samo progo (poškodbe spojnih elementov med pragi in tirom) ali signalno opremo na in ob progi, ga omenjen senzor ob udarcu zazna in z izmerjeno silo udarca določi stopnjo tveganja, na podlagi katere upravljavec lahko sprejme ustrezne ukrepe. Tudi ta sistem se v novejših izvedenkah dodatno opremlja z video nadzornim sistemom. Obstajajo namreč primeri, ko viseči del v območju senzorja zaniha na način, ki ne daje popolne slike resnosti za poškodbe in je sama meritev pospeška brez realnega slikovnega posnetka dogodka lahko tudi zavajajoča.
Eden manj prisotnih sistemov je sistem detekcije iztirjenja. Gre za senzor, ki ga aktivira iztirjeno kolo s svojim nepravilnim tekom med tirnicami. Ob dejstvu, da se že s prej omenjenimi senzorji preventivno ukrepa še preden do iztirjenja sploh pride, je sistem detekcije iztirjenja aktualen zgolj na kritičnih lokacijah, kjer bi morebitno iztirjeno kolo kot rezultat nekega resnično izrednega dogodka, lahko naredilo večjo škodo na infrastrukturi. Lokacijsko je tu govora predvsem o večjih kretniških območjih in drugih območjih z vrednejšo opremo med tirnicami (npr. zavorni sistemi na ranžirnih postajah).
Med novejše tipe detekcijskih sistemov sodi detektor stanja pantografov (t.j. odjemnik toka na elektrificiranih tirnih vozilih). Gre za specifičen in izredno zmogljiv video nadzorni in merilni sistem, ki pri prehodu vlaka identificira tip pantografa in z meritvami preveri parametre glede na referenčne vrednosti. Med pomembnejšimi zaznavami so fizične poškodbe pantografa, ter stopnja obrabljenosti grafitne plasti pantografa, ki drsi po vodniku 3 kV vozne mreže in je stalno povržena obrabi. Sistem je ob tem sposoben prepoznati tudi izredne deformacije grafitne plasti, ki bi bile potencialno nevarne za vozno mrežo, kot npr. ostri robovi ali kanali v grafitu.
V zadnjih letih so nekateri detekcijski sistemi dobili že svoje naslednike. Tak primer je detektor z akustično zaznavo ležajev. Princip spremljanja stanja ležajev na podlagi merjenja vibracij ni nov, saj je že dlje časa prisoten v težki industriji. V primeru akustične zaznave ležajev na tirnih vozilih je razlika samo v tem, da se vibracije zaznavajo akustično. Če bo nov pristop uspel nadomestiti detektor vročih osi, bo povedal čas, vsekakor pa predstavlja novo generacijo merilnih sistemov, ki terjajo drugačno filozofijo pristopa. Ta je že dlje časa opazna pri proizvajalcih detekcijskih sistemov, ki te vse pogosteje imenujejo »diagnostični sistemi«. Fokus se iz detekcije preusmerja na diagnostiko, torej preventivo. Po desetletjih iskanja napak je zdaj očitno prišel čas za popolno odpravo napak.
Slika 2: Detektor z akustično zaznavo ležajev.
In kako to doseči? Med naborom detekcijskih sistemov obstaja tudi sistem, ki ne detektira, ampak identificira. Principi identifikacije so sicer raznoliki (avdio-vizualna identifikacija, NFC ali Near-field communication, ki je poznana in uporabna tehnologija iz mobilne telefonije, oz. podobni sistemi bralnikov), vsi pa imajo en cilj. Da vsako tirno vozilo v informacijskem sistemu dobi unikatni identifikator. Tega dejansko že ima, namreč UIC številko (UIC – Mednarodna železniška zveza), ki predstavlja 12–mestno registrsko številko in je odtisnjena na vsakem tirnem vozilu. Izziv, kako priti do te številke, je različen od operaterja do operaterja in njegovega informacijskega sistema. Vendar, ko operater enkrat v sistem dobi UIC številko vozila in je sposoben z usklajenim delovanjem informacijskega sistema vodenja prometa in detekcijsko – diagnostičnim sistemom dodeliti meritev s točno določene merilne točke na točno določeno vozilo, se princip preventivnega spremljanja tirnih vozil začne dogajati v realnosti. Če si predstavljamo vozilo (vagon ali lokomotivo), ki svojo pot v slovenskem železniškem omrežju začne v Sežani in je takoj po prehodu meje izmerjeno v vseh zgoraj omenjenih parametrih, potem pa ga spremljamo na poti skozi državo vse do Šentilja, kjer po poti prevozi še nekaj merilnih mest na strateških lokacijah, dobimo ob prehodu iz države več kot le »zdravstveni karton«. Dobimo trend, ki ga je moč slediti. Ko tako vozilo še večkrat prečka državo, se pod njegovo registrsko številko vsakič zapišejo nove meritve. V takem sistemu postane za dolgotrajno spremljano vozilo iskanje alarmov skoraj, da brezpredmetno. S preventivnim ukrepanjem namreč v večini primerov lahko prehitimo alarmantno stanje. Pomembno pri tem je, da razvoj opreme in organizacijske strukture usklajeno sledi zadanemu cilju – varen, zanesljiv in čim bolj odporen železniški promet.
Slika 3: Arhitektura varnostno ne-relevantnih železniških podsistemov (lastni vir).
Pripravil:
Matija Narobe, dipl.inž.el.