Возможности применения технологии DAS на железных дорогах Северной Америки

Летом 2018 г. Федеральная железнодорожная администрация США (FRA) опубликовала результаты исследований и анализа возможности применения технологии распределенного акустического зондирования (DAS) на железных дорогах Северной Америки. В рамках этого проекта были идентифицированы приоритетные приложения, основанные на использовании технологии DAS: выявление изломов рельсов, слежение за движением поездов, мониторинг технического состояния подвижного состава, функции охраны железнодорожной инфраструктуры и обнаружения опасностей со стороны окружающей среды. Кроме того, был подтвержден высокий потенциал новой технологии с точки зрения экономии расходов, особенно при реализации на ее основе сразу нескольких приложений и при наличии уже уложенного вдоль пути волоконно-оптического кабеля.

Содержание

1. Цели исследования
2. Испытания на полигоне TTCI
3. Волоконно-оптические линии связи на железных дорогах Северной Америки
4. Влияние параметров ВОЛС на работу систем FOAD
5. Потенциальные приложения для железных дорог на основе технологии FOAD
6. Сравнение затрат на FOAD и традиционные системы
7. Сравнение функциональных возможностей
8. Заключение

В журнале «ЖДМ» уже неоднократно публиковались статьи о технологии распределенного акустического зондирования (см. «ЖДМ», 2016, № 12, с. 57 – 65; 2017, № 11, с. 67 – 74; 2017, № 12, с. 58 – 63; 2017, № 12, с. 64 – 68), в том числе об ее испытаниях на полигоне TTCI в Пуэбло (штат Колорадо) и первых исследованиях в этой области на железных дорогах Северной Америки (см. «ЖДМ», 2016, № 12, с. 66 – 69). В этих статьях приведено подробное описание технологии DAS и потенциала ее использования на железнодорожном транспорте.

Цели исследования

Изломы рельсов являются одной из основных причин сходов подвижного состава на железных дорогах Северной Америки, поэтому отрасль уделяет большое внимание технологиям, способным предупредить такие дефекты пути и быстро их обнаружить. Исследование технологии DAS (на железных дорогах Северной Америки ее также обозначают как волоконно-оптическое акустическое зондирование — Fiber Optic Acoustic Detection, FOAD, далее в статье будет использоваться эта аббревиатура) не ограничивалось ее возможностями в отношении обнаружения изломов рельсов, а охватывало также другие приложения.

Основными целями исследования являлись:

• идентификация приложений на основе технологии волоконно-оптического акустического зондирования FOAD;
• оценка возможности применения уже уложенных вдоль железнодорожных линий волоконно-оптических кабелей разных владельцев, определение долей кабелей с одномодовыми и многомодовыми световодами;
• оценка расходов на внедрение и обслуживание типичных систем FOAD, а также их сравнение по аналогичным показателям с существующими традиционными системами, обладающими схожей функциональностью. При этом учитывались различия в функциях разных систем.

Испытания на полигоне TTCI

Растущий интерес к применению технологии FOAD на железных дорогах привел к тому, что в 2011 г. было решено провести испытания на двух площадках полигона Центра транспортных технологий (TTCI), к которым были привлечены разработчики технических решений в этой области. Испытания проводились при поддержке FRA и железных дорог.

Для испытаний был выбран участок HTL овальной формы, где проводят испытания компонентов пути и подвижного состава при высоких осевых нагрузках с пропуском от 100 до 145 млн т ежегодно. На этом участке длиной 4,3 км со скоростью 64 км/ч курсирует поезд массой примерно 16 тыс. т, ведомый тремя мощными тепловозами.

На участке HTL был уложен кабель W7001KU101 компании Supe­rior Essex с 12 одномодовыми световодами. При укладке кабеля орентировались на практику железных дорог, чтобы наилучшим образом воспроизвести реальные условия. Кабель проходит в основном параллельно пути на расстоянии в среднем 4,5 м от его оси на глубине 0,9 м. В некоторых местах глубина его заложения варьируется от 0,45 до 1,05 м. Для укладки кабеля использовали траншеи или применяли направленное бурение. На небольшом участке кабель проложен в трубопроводе, а при проходе двух мостов из трех его укладывали в стальных трубах, закрепленных на мостовых конструкциях. Места сварки волоконно-оптического кабеля расположены в легкодоступных колодцах, чтобы упростить выполнение работ с кабелем во время испытаний.

Кабель длиной примерно 4,8 км начинается и заканчивается в здании с коммуникационным оборудованием и аппаратурой системы FOAD (рис. 1).

 Рис. 1. Трасса волоконно-оптического кабеля (линия красного цвета) вдоль кольцевого участка HTL на полигоне TTCI в Пуэбло (источник: TTCI)

На протяжении примерно четверти длины участок HTL проходит параллельно пути испытательного участка RTT полигона TTCI. Расстояние между осями путей составляет примерно 6 м, что позволяет тестировать способность систем FOAD идентифицировать путь, по которому проходит поезд.

Для тестирования технологии FOAD был также использован испытательный участок RTT длиной 22 км, рассчитанный на движение со скоростью до 260 км/ч и электрифицированный на переменном токе напряжением 25 кВ. Выбор этого участка продиктован стремлением испытать системы FOAD при движении пассажирских и грузовых тяжеловесных поездов с электрической и тепловозной тягой. На участке созданы условия для проверки возможности технологии FOAD по контролю состояния изолирующих стыков (здесь имеется 12 блок-участков) и по мониторингу двух переездов, включая инициализацию срабатывания переездной сигнализации.

На протяжении 4,3 км путь RTT проходит параллельно транзитному испытательному участку TTT, что также позволяет изучить возможности FOAD по определению занятости конкретного пути и местоположения поезда.

Такой же волоконно-оптический кабель, что и на участке HTL, проложен на участке RTT, однако пока не на всем его протяжении — на 11 из 22 км. В основном кабель уложен под землей на глубине 0,9 м, но на протяжении 2 км он размещен в пластиковых лотках на поверхности земли.

После 2011 г. TTCI выполнил несколько проектов исследований и разработок, направленных на применение технологии FOAD в железнодорожных приложениях.

С 2012 по 2014 г. на участках HTL и RTT при спонсорской поддержке FRA были смонтированы испытательные волоконно-оптические системы, накапливались и администрировались данные для последующей обработки и анализа, выполнялось слежение за движением поездов на полигоне и документировались изломы рельсов на участке HTL (в среднем от двух до трех изломов еженедельно), обрабатывались и анализировались данные об изломах рельсов. Эти данные передавались заинтересованным компаниям — изготовителям систем FOAD для совершенствования алгоритмов выявления изломов рельсов. Кроме того, в голове и хвосте поездов установили приемники GPS для определения их местоположения и сравнения полученных показаний с данными систем FOAD, использовавшихся для определения местоположения и скорости поездов. Документировались также все случаи сходов с рельсов, чтобы проверить возможности FOAD по фиксации этих событий. Наконец, данные от систем FOAD сравнивали с показаниями устройств контроля свободности пути, чтобы протестировать способность этой технологии к идентификации пути, по которому движется поезд, на многопутных и стрелочных участках.

Выполненные при поддержке FRA проекты позволили получить большой объем информации о возможностях технологии FOAD и потенциале ее применения на железнодорожном транспорте. Позднее испытательные волоконно-оптические системы на полигоне TTCI были использованы для дальнейших исследований и совершенствования технологии.

В 2016 г. FRA приступила к выполнению на участке HTL пилотного проекта с участием компаний Fotech и OptaSense — поставщиков систем FOAD, цель которого состояла в оценке достигнутого уровня развития технологии в отношении обнаружения изломов рельсов.

Оборудование компании Fotech впервые тестировали на полигоне TTCI в 2011 г. при спонсорской поддержке железной дороги CSX. После укладки на участках HTL и RTT волоконно-оптических кабелей с участием Fotech в 2014 г. началась реализация проекта по разработке специализированной системы FOAD для железных дорог. В ходе испытаний была подтверждена способность системы FOAD отслеживать движение поезда по участку (без передачи такой системе функций обеспечения безо­пасности). В дальнейшем была подтверждена возможность обнаруживать излом рельсов и повышенные ударные нагрузки от колес датчиком, расположенным на расстоянии до 40 км от места события. Соответствующие алгоритмы были проверены TTCI и интегрированы в систему компании Fotech. По заказу CSX компания Fotech разработала систему FOAD для мониторинга участка протяженностью 80 км. Этот проект был завершен в 2016 г. В настоящее время CSX приступила к выполнению пилотной программы на своей сети с целью сравнения возможностей FOAD и других уже эксплуатируемых систем мониторинга.

Компания OptaSens приступила к разработке специализированной системы FOAD для железнодорожного транспорта в 2015 г. Эта система тестировалась на участке HTL полигона TTCI, а результаты испытаний были использованы для совершенствования функций слежения за поездами и обнаружения изломов рельсов.

Кроме того, железная дорога BNSF привлекла компанию OptaSens к разработке системы FOAD для обнаружения камнепадов  вблизи путей. Ранее, в 2010 г., падение на путь обломка скалы массой 30 т привело к сходу с рельсов локомотива и трех вагонов. Сотрудничество BNSF и OptaSens позволило создать в 2012 г. систему FOAD для мониторинга участка в ущелье Уинд Ривер (штат Вайоминг) с целью выявления падения горной породы на путь. Компания Opta­Sens внедрила свои системы FOAD с функциями охраны железнодорожной инфраструктуры, обнаружения камнепадов и слежения за поездами на линиях общей протяженностью примерно 1700 км в разных странах, включая Германию, Австрию, Австралию, Японию, Саудовскую Аравию и др., а также подземные участки метрополитенов в Европе. Системы компании OptaSens развиваются с целью охвата таких функций, как мониторинг состояния искусственных сооружений и пути, обнаружение изломов рельсов и ползунов на колесах.

В марте 2016 г. на испытательном полигоне TTCI состоялась также презентация технологии FOAD, созданной компанией Frauscher. Разработки этой компании охватывают широкий спектр приложений в сферах слежения за поездами, мониторинга состояния подвижного состава, а также охраны железнодорожной инфраструктуры.

Волоконно-оптические линии связи на железных дорогах Северной Америки

Протяженность шести железных дорог первого класса в США составляет более 150 тыс. км (данные AAR за 2015 г.), причем наиболее плотная часть сети расположена на западе страны (рис. 2). Полоса отвода железнодорожных линий может использоваться (и используется) телекоммуникационными компаниями для прокладки магистральных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), которые потенциально пригодны для применения в системах FOAD.

 Рис. 2. Сеть железных дорог первого класса в США

FRA провела собственное исследование с целью оценить наличие волоконно-оптических кабелей вдоль железнодорожных линий в США, а также запросила соответствующую информацию у шести железных дорог первого класса, входящих в рабочую группу по FOAD. Ответы были получены от пяти железных дорог. Доля железнодорожных линий, вдоль которых проходят магистральные ВОЛС, от общей их протяженности приведена на рис. 3. В целях сохранения анонимности результатов опроса в отчете FRA железные дороги обозначены номерами.

 Рис. 3. Доля участков, вдоль которых проложены магистральные ВОЛС, от общей протяженности каждой из пяти железных дорог первого класса

На трех из этих пяти железных дорог вдоль значительной доли участков, оборудованных системами сигнализации, уложены волоконно-оптические кабели. В целом  доля протяженности участков, вдоль которых проходит волоконно-оптический кабель, варьируется от менее 1 до 85 %. Сбор данных системами FOAD на участках, оборудованных рельсовыми цепями, будет способствовать развитию новой технологии. Две железные дороги из пяти сообщили, что располагают ВОЛС вдоль участков, не оборудованных устройствами сигнализации (доля от их общей протяженности — соответственно 17 и 60 %); здесь также возможно эффективное применение систем FOAD. Примером может служить внедренная компанией OptaSens система FOAD на участке в ущелье Уинд Ривер.

Волоконно-оптические кабели уложены вдоль участков железных дорог Северной Америки на глубине от 0,9 до 1,4 м, на расстоянии от оси пути от 2,4 до 11,2 м (рис. 4). Применяются разные технологии укладки: в трубах, напрямую в грунте, под водой и т. п. Ретрансляторы оптических сигналов в магистральных волоконно-оптических кабелях располагают в среднем через каждые 40 км.

 Рис. 4. Распределение средних значений глубины укладки волоконно-оптических кабелей и расстояния до оси пути на разных железных дорогах первого класса (отмечены цветными кругами)

Влияние параметров ВОЛС на работу систем FOAD

В волоконно-оптических системах акустического зондирования желательно использовать кабели, обладающие хорошей чувствительностью к акустическим воздействиям. 

Поставщики систем FOAD рекомендуют укладывать кабели, которые отличаются использованием заполненной желеобразным материалом трубки со свободной укладкой волокон, простыми внешней и защитной оболочками, а также наличием одного неиспользуемого волокна. Предпочтительны кабели с одномодовыми волокнами. Такие кабели применяются в магистральных ВОЛС и способны транслировать оптический сигнал на расстояние более 50 км.

Технология FOAD использует эффект рэлеевского обратного рассеяния и потому очень чувствительна к отраженному свету в оптическом волокне. В связи с этим желательно использовать волоконно-оптические соединители с наклонным физическим контактом (APC), при котором практически весь отраженный сигнал покидает пределы волокна.

Что касается технологий укладки кабелей (включая воздушные линии), то каждая из них имеет свои достоинства и ограничения, но в целом конструкция кабеля оказывает большее влияние на эффективность волоконно-оптических систем акустического зондирования. В системах FOAD, внедренных компанией OptaSense к 2015 г., применялись кабели, уложенные в грунт напрямую или размещенные в трубах (в грунте или с заделкой в бетон). Все эти кабели были признаны компанией пригодными для всех железнодорожных приложений — от уже реализованных (охранные функции, обнаружение камнепадов, слежение за поездами) до разрабатывавшихся в то время (распознавание изломов рельсов и ползунов на колесах).

Потенциальные приложения для железных дорог на основе технологии FOAD

Приложения на основе технологии FOAD способны заменить или по крайней мере дополнить ряд уже эксплуатируемых систем. Одна из задач рабочей группы по FOAD состояла в идентификации потенциальных способов применения этой технологии и выделении среди них приоритетных приложений, разработка и развитие которых дадут наибольший эффект для отрасли. Рабочая группа выделила следующие наиболее важные для отрасли приложения: выявление изломов рельсов, слежение за поездами, мониторинг состояния подвижного состава и пути, охранные функции и обнаружение угроз со стороны окружающей среды.

Выявление изломов рельсов

По данным FRA, суммарный ущерб отрасли вследствие сходов подвижного состава с рельсов из‑за их изломов составил с 2006 по 2015 г. почти 520 млн долл. США. Хотя железные дороги и располагают технологиями выявления изломов рельсов, системы FOAD потенциально способны расширить имеющиеся возможности.

При проходе колес по месту излома рельса генерируются акустические сигналы, которые детектирует система FOAD. Таким образом, эта технология позволяет выявлять изломы рельсов под движущимся поездом.

В настоящее время для контроля целостности рельсовой нити на железных дорогах Северной Америки используются рельсовые цепи, которые обнаруживают излом вследствие потери электрического контакта. У этой технологии есть целый ряд ограничений, включая невозможность распознавать излом рельса под поездом и в том случае, когда излом не приводит к разрыву электрической цепи (это касается в том числе изломов в зоне стрелочных переводов). Кроме того, рельсовые цепи требуют значительных затрат на техническое обслуживание.

Еще одним недостатком рельсовой цепи является невозможность достаточно точного определения места излома рельса. Локализовать излом можно только в пределах рельсовой цепи, длина которой в Северной Америке составляет обычно 1600 м. Система FOAD способна намного точнее идентифицировать место излома: в настоящее время разрешающая способность при детектировании такого события составляет от 2 до 20 м. Ожидается, что дальнейшее развитие алгоритмов FOAD приведет к снижению числа ложных срабатываний до приемлемого уровня. Способность технологии FOAD точно локализовать место излома представляет интерес с точки зрения перехода в будущем к регулированию движения поездов при помощи подвижных блок-участков.

Излом рельса возможен не только при взаимодействии с колесом, но и вследствие температурного сжатия или расширения металла. При этом происходит выброс энергии в виде акустической волны. Распознавание сигналов, возникающих при изломах такого вида, требует значительных усилий, поэтому пока неясно, способна ли технология FOAD обнаруживать подобные события. Пока исследования и разработки сконцентрированы на выявлении изломов рельсов под движущимися поездами.

У технологии FOAD есть свои ограничения в детектировании изломов рельсов. Так, излом не будет обнаружен, если он не сопровождался излучением характерного акустического сигнала. Кроме того, при проследовании поездом переездов или стрелочных переводов имеют место ударные нагрузки от колес, которые могут замаскировать другие сигналы, излучаемые элементами рельсового пути.

Важное значение имеет также то, что технология FOAD регистрирует события (изломы рельсов), а рельсовые цепи контролируют состояния рельсовой линии.

Наконец, рельсовые цепи не только обнаруживают изломы рельсов, но и служат также для безо­пасного контроля свободности участков пути. В настоящее время исследуется возможность применения для этой цели технологии FOAD.

Слежение за поездами

Получая точную информацию о местоположении и скорости движения поездов, диспетчерские службы могут значительно эффективнее управлять движением поездов.

Регистрация акустических сигналов, излучаемых при качении колес по рельсам, позволяет идентифицировать практически в реальном времени текущее местоположение головы и хвоста поезда с точностью от 2 до 20 м. Рельсовые цепи не могут обеспечить такую точность определения местоположения поезда.

При этом у технологии FOAD есть определенные ограничения. Остановившийся поезд не генерирует акустические сигналы, однако, располагая хронологией его перемещений, это ограничение можно снять. Определенные трудности возникают с идентификацией первой и последней оси колесной пары поезда. Но наиболее существенным ограничением этой технологии является ее неспособность надежно определить путь, по которому движется поезд на многопутном участке. Именно поэтому саму по себе технологию FOAD нельзя отнести к безопасным средствам контроля свободности пути. Возможно, с развитием волоконно-оптической технологии акустического зондирования это ограничение будет снято.

Мониторинг состояния подвижного состава

Технология FOAD потенциально может использоваться для мониторинга состояния подвижного состава и выявления его различных дефектов. При этом наиболее критичными компонентами являются колеса, дефекты которых способны приводить к повреждению ходовой части и перевозимого груза, сходам подвижного состава, а также повреждению пути.

Ползуны и некруглость колес влекут за собой периодические ударные нагрузки от колес на рельсы. Если их своевременно не обнаружить, возможно полное разрушение колеса с последующим сходом подвижного состава с рельсов. При ударных нагрузках излучаются акустические импульсы, которые могут обнаруживаться системой FOAD.

В настоящее время на железных дорогах Северной Америки применяются системы детектирования дефектных колес WILD. Их начали внедрять в 1980‑е годы, причем разработаны системы WILD с датчиками нескольких типов, выполняющими 16 измерений при проходе каждого колеса. Системы WILD способны надежно выявлять дефектные колеса и идентифицировать соответствующую колесную пару поезда, но являются устройствами точечного типа, а потому контролируют состояние колес только при проследовании поездом пункта мониторинга. В настоящее время в США внедрено примерно 177 таких систем, контролирующих большую часть вагонного парка в стране (1,5 млн из 1,8 млн вагонов). Тем не менее расстояния между пунктами мониторинга велики, и вагон может проследовать между ними тысячи километров без какого-либо контроля состояния колес.

Комплект системы FOAD может контролировать участок длиной до 40 км, и сеть таких систем потенциально может покрыть железные дороги всей страны. Вместе с тем на современном уровне развития этой технологии имеются определенные проблемы с обнаружением первой и последней колесной пары поезда, а также с идентификацией пути, по которому он движется.

В настоящее время нельзя ожидать экономических выгод для железных дорог в случае замены имеющихся систем WILD системами FOAD. Однако после окончания срока службы существующих систем WILD волоконно-оптические системы акустического зондирования могут прийти им на смену либо внедряться уже сейчас для мониторинга регионов железнодорожной сети, которые не контролируются аппаратурой WILD.

Системы FOAD могут также применяться для выявления волочащихся компонентов подвижного состава или груза, которые при определенных условиях способны повлечь за собой значительные повреждения пути и сход с рельсов. В настоящее время для обнаружения таких дефектов применяют точечные системы мониторинга; технология FOAD позволяет выявлять их непрерывно, если волочащиеся части излучают акустические сигналы.

Еще одной областью применения систем FOAD может стать мониторинг состояния буксовых подшипников, однако для этого необходима особая технология укладки волоконно-оптического кабеля вблизи пути. Акустические сигналы от дефектных подшипников являются сравнительно слабыми, и при укладке кабеля в грунт аппаратура FOAD может не обнаружить такие сигналы.

Мониторинг целостности пути

Высокая чувствительность приемопередатчика FOAD позволяет реализовать уникальные функции дистанционного контроля за состоянием путевой инфраструктуры. Дефекты пути генерируют разнообразные акустические сигналы при проходе поезда, которые фиксируются и идентифицируются аппаратурой FOAD. К числу дефектов пути, которые можно выявлять подобным образом, в частности, относятся:

• поврежденные или отсутствующие шпалы;
• деградация балласта, сопровождающаяся просадкой или подвисанием шпал;
• поврежденные или отсутствующие рельсовые подкладки и стыковые накладки;
• различные дефекты головки рельсов и сварных стыков;
• термический сдвиг пути.

Часть акустических сигналов, генерируемых этими дефектами, имеет уникальный характер, другие очень похожи друг на друга. Системы FOAD могут анализировать историю измерений акустических сигналов, контролируя динамику развития дефектов пути.

Охранные задачи

Системы FOAD могут контролировать перемещения посторонних лиц вблизи объектов железнодорожной инфраструктуры и распознавать их определенные действия, что позволяет, например, фиксировать попытки кражи кабеля.

Выявление угроз со стороны окружающей среды

В горной местности камнепады, оползни, подтопления пути опасны для движения поездов и способны вывести из строя протяженные участки пути. Для их обнаружения применяют датчики в виде ограждений с натянутой проволокой, образующей электрическую цепь. Такие цепи интегрируют в системы сигнализации, чтобы включить запрещающее показание на светофоре, когда цепь размыкается.

Ремонт подобных ограждений очень сложен, поэтому железная дорога BNSF в качестве альтернативы решила рассмотреть систему FOAD. Тестирование такой системы началось в 2012 г. совместно с компанией OptaSense, причем алгоритм распознавания был настроен на то, чтобы минимизировать число ложных срабатываний. В январе 2013 г. система уже распознавала 95 % камнепадов, при этом случалось в среднем одно ложное срабатывание в сутки — в 5 раз меньше, чем было установлено техническим заданием.

Система FOAD может также реагировать на другие угрозы со стороны окружающей среды, например на появление животных на пути.

Сравнение затрат на FOAD и традиционные системы

Основными компонентами системы FOAD являются приемопередающее устройство и волоконно-оптический кабель. Расходы на содержание такой системы включают затраты на обновление программного обеспечения, техническую поддержку, периодическую верификацию и настройку оборудования. По мере развития технологии и расширения масштабов ее внедрения на железных дорогах эти расходы могут уменьшаться.

Стоимость прокладки волоконно-оптического кабеля в траншеях составляет примерно от 22,5 до 28 тыс. долл. США. Она увеличивается на 20 % при прокладке кабеля в болотистой или горной местности. Затраты возрастают также при прокладке кабеля в искусственных сооружениях. При выполнении сравнительных экономических расчетов в рамках исследования FRA исходили из дальности действия системы FOAD, равной 40 км. FRA также получила данные о стоимости приемопередающего оборудования от двух поставщиков. Эта информация не обнародуется, но используется в сравнении инвестиционных затрат на системы FOAD и традиционные технологии — рельсовые цепи и системы WILD.

FOAD и рельсовые цепи

Сравнение расходов на системы FOAD и рельсовые цепи для участка длиной 40 км, основанное на данных опроса железных дорог первого класса, приведено в табл. 1. Согласно этой информации разница в стоимости системы FOAD при необходимости прокладки волоконно-оптического кабеля вдоль участка варьируется от сокращения расходов на 4 % до их превышения на 74 % по сравнению с затратами на оборудование участка рельсовыми цепями.

 

Если волоконно-оптический кабель вдоль участка уже проложен, то система FOAD обходится дешевле рельсовых цепей на величину от 71 до 84 %, а с учетом затрат на обслуживание в течение 15 лет — дешевле на величину от 26 до 51 %. Столь большой разброс значений возможной экономии может свидетельствовать о большом потенциале технологии FOAD в отношении ее использования вместо существующих рельсовых цепей после завершения срока их службы и внедрения на участках, не оборудованных рельсовыми цепями.

Указанные в табл. 1 затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание рельсовых цепей — это преимущественно расходы на персонал, причем они невелики по сравнению с капитальными затратами на внедрение РЦ. Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание системы FOAD более существенны, что нашло отражение в уменьшении экономического эффекта от ее внедрения при учете затрат на обслуживание в течение 15 лет.

Важно также отметить, что данные о затратах на эксплуатацию и техническое обслуживание рельсовых цепей не включают стоимость ежеквартальной настройки параметров РЦ, содержания и ремонта изолированных стыков и кабельной сети.

FOAD и системы WILD

Применяемые в Северной Америке системы детектирования дефектных колес WILD могут иметь разную комплектацию, что значительно влияет на их стоимость. Например, установка датчиков виляния тележек приводит к росту системы WILD. Расходы на внедрение аппаратуры WILD определяются также условиями в месте установки, такими как доступ к телекоммуникационным системам. Экономические показатели систем FOAD и WILD трудно сопоставлять напрямую, поскольку расстояния между соседними системами WILD могут достигать нескольких сотен километров. Тем не менее в исследовании FRA выполнено сравнение расходов на один комплект системы WILD в простейшей конфигурации и типовую систему FOAD, контролирующую участок длиной 40 км.

Ответы на запрос FRA о затратах на системы WILD и FOAD были получены от пяти железных дорог первого класса, информация об еще одной железой дороге была взята из отчета об экономической эффективности систем WILD, выпущенного в 2009 г. Из табл. 2 видно, что разброс показателей стоимости внедрения, эксплуатации и технического обслуживания системы FOAD по сравнению с системой WILD может быть очень значительным. Так, одна из железных дорог считает, что система FOAD обойдется ей значительно дешевле системы WILD, даже если вдоль участка еще не проложен волоконно-оптический кабель; по мнению трех других железных дорог, капитальные затраты на FOAD при условии укладки кабеля окажутся примерно вдвое выше, чем при внедрении WILD. Можно ожидать, что системы FOAD будут внедрять вместо систем WILD на участках, где уже уложен волоконно-оптический кабель, или там, где существующая аппаратура WILD исчерпала срок службы и нуждается в замене.

FOAD и рельсовые цепи в сочетании с системами WILD

Одним из достоинств технологии распределенного акустического зондирования является возможность ее использования сразу в нескольких железнодорожных приложениях. В табл. 3 сравниваются затраты на систему FOAD, с одной стороны, и рельсовые цепи в сочетании с системой WILD — с другой. Внедрение FOAD с прокладкой волоконно-оптического кабеля на участке длиной 40 км обойдется дешевле оборудования этого участка рельсовыми цепями и установки на нем комплекта системы WILD на величину от 4 до 46 %. Еще более значительная экономия (от 84 до 91 %) будет достигнута, если вдоль участка уже проложен волоконно-оптический кабель. Система FOAD экономически эффективнее оборудования WILD и при учете затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание в течение 15 лет.

 

Необходимо все же учитывать, что функциональность системы FOAD нельзя напрямую сравнивать с традиционными технологиями — рельсовыми цепями и системой WILD. Для принятия решения в пользу той или иной технологии необходимы дополнительные исследования и разработки. Можно рассчитывать на то, что технология FOAD способна заменить или дополнить традиционные системы и имеет потенциал для дальнейшего расширения функциональности в будущем.

График, демонстрирующий динамику расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание системы FOAD по сравнению с рельсовыми цепями в сочетании с системой WILD, приведен на рис. 5. FRA не дает на этом графике конкретных данных о расходах, чтобы не разглашать финансовую информацию железных дорог. Из графика видно, что если число приложений на основе технологии FOAD будет расти, то сокращение расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание будет еще более значительным.

Рис. 5. Сопоставление расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание системы FOAD и рельсовых цепей в сочетании с системой WILD

Сравнение функциональных возможностей

При анализе экономических показателей технологии FOAD и традиционных систем, таких как рельсовые цепи и системы WILD, важно учитывать функциональные возможности каждой из них. Обоб­щенно они представлены в табл. 4 и 5.

 

 

Изломы рельсов могут быть разных видов — с размыканием рельсовой цепи или с сохранением электрического контакта в рельсовой линии. Рельсовые цепи способны регистрировать изломы только первого вида. В то же время системы FOAD пока не могут выявлять изломы рельсов вследствие термических напряжений, не совместимы с существующими системами сигнализации и не являются безо­пасными. Возможно, будущие исследования и разработки приведут к преодолению этих ограничений.

Так же как система WILD, технология FOAD способна выявлять и классифицировать колеса, вызывающие повышенные ударные нагрузки на рельсы. При этом система WILD относится к устройствам точечного действия, а система FOAD охватывает протяженные участки пути, что расширяет ее возможности с точки зрения своевременного предотвращения повреждений дефектными колесами пути и подвижного состава. Вместе с тем технология FOAD еще не готова к внедрению, а ее неспособность на современном уровне развития идентифицировать проход каждой оси подвижного состава требует внедрения дополнительных счетчиков осей.

Заключение

FOAD — новая технология для железнодорожной отрасли, хотя охранные системы на ее основе эксплуатируются уже много лет. Разработчики железнодорожной техники и систем FOAD продемонстрировали потенциальные преимущества новой технологии для отрасли, после чего железные дороги Северной Америки подключились к исследованиям и разработкам с целью создания железнодорожных приложений на ее основе. Рабочая группа, сформированная из представителей железных дорог первого класса, определила ряд приложений на основе технологии FOAD, наиболее важных для отрасли. В их числе выявление изломов рельсов и дефектных колес, слежение за поездами, обнаружение волочащихся частей подвижного состава и груза, контроль полносоставности поезда, охранные функции и детектирование угроз со стороны окружающей среды.

Опрос железных дорог показал, что доля их протяженности, охваченной волоконно-оптическими линиями связи, составляет от 1 до 90 %. Наличие таких кабелей, уложенных вдоль путей, значительно снижает стоимость внедрения систем FOAD.

Анализ показал, что разработка систем FOAD как основы сразу для нескольких железнодорожных приложений позволяет добиться значительного экономического эффекта по сравнению с существующими традиционными технологиями контроля и мониторинга, повысив при этом уровень безопасности железных дорог. Кроме того, возможность точного определения местоположения поездов позволяет использовать системы FOAD в перспективных системах управления движением.

В последние 10 лет работы по тестированию, разработке и внедрению систем FOAD ведутся не только в США, но и на железных дорогах некоторых других стран. Для перехода к более массовому внедрению на железных дорогах Северной Америки необходимо дальнейшее развитие и совершенствование средств регистрации сигналов из волоконно-оптического кабеля и алгоритмов обработки этих сигналов с целью создания приложений, отвечающих требованиям в отношении функциональной безопасности.

А. Ефремов

Статья подготовлена на основе отчета Федеральной железнодорожной администрации США «Fiber Optic Availability and Opportunity Analysis for North American Railroads» (www.fra.dot.gov/Elib/Document/18051).

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2019, № 1.