КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-10126

НазваниеИнтеллектуальная система контроля целостности земляного полотна железной дороги

РуководительБыков Артем Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых", Владимирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-605 - Комплексирование и обработка информации в технических системах

Ключевые словапрогнозирование, анализ данных, геотехнические системы, железнодорожный путь, сейсмоэлектрический метод, дефекты и деформации

Код ГРНТИ50.09.45

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель проекта – разработка научно-технических основ комплексирования методов геодинамического мониторинга для решения задач контроля и прогнозирования развития дефектов и деформаций земляного полотна железнодорожного пути для повышения эффективности геодинамического мониторинга и принятия управленческих решений для обеспечения безопасности и надежности функционирования железнодорожного транспорта в современных условиях его эксплуатации. Задачи: разработка лабораторного макета системы геоэлектрического контроля, подготовка данных, полученных в результате лабораторных геофизических исследований грунта во время моделирования возникновения провалов, полостей, трещин; разработка алгоритма обнаружения характерных изменений в зафиксированных данных, сигнализирующих о начале и протекании геодеформационных процессов в грунте с применения интеллектуальных алгоритмов обработки данных, основанных на рекуррентных нейронных сетях; разработка прототипа программного продукта, осуществляющего анализ данных геоэлектрического контроля; тестирование прототипа с использованием данных геоэлектрического контроля грунта, полученных в результате натурных и полевых исследований и его доработка, разработка аппаратно-программного комплекса, предназначенного для контроля состояния земляного полотна железных дорог на основе данных геоэлектрического контроля и прогнозирования развития деструктивных геодеформационных процессов. Одним из важнейших компонентов железнодорожного транспортного комплекса является железнодорожный путь и основание его строения (земляное полотно), которое состоит из комплекса инженерных сооружений, рассчитанных на длительный срок службы. В процессе эксплуатации земляного полотна в нем могут возникать и накапливаться различные дефекты и деформации, несвоевременное устранение которых на ранней стадии приводит к переходу системы «железнодорожный путь - земляное полотно» в неустойчивое состояние, угрожающие нарушению безопасности движения железнодорожного транспорта вследствие возможного возникновения аварийных ситуаций, а также приводящие к ограничению скоростей движения поездов или к полному его прерыванию. В связи с этим проблема своевременного выявления нарушений устойчивости земляного полотна остается одной из наиболее острых в путевом железнодорожном хозяйстве. Так в соответствии с принятой в 2008 году «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» основной задачей в развитии железнодорожной инфраструктуры является повышение надежности и безопасности её технических средств, и в первую очередь железнодорожного пути. Существующая в настоящее время на железнодорожном транспорте система надзора за земляным полотном основана главным образом на визуальных методах периодической диагностики, что недостаточно эффективно с точки зрения достоверности и оперативности полученных данных. В большинстве случаев при визуальном проявлении признаков нарушения целостности земляного полотна, степень нарушения целостности грунта уже достаточно велика и критична. Инженерно-геологические базы и путеобследовательские инженерно-геодезические станции по земляному полотну также очень неоднородны как по составу, так и по оснащению: только отдельные из них имеют современное оборудование для диагностики земляного полотна, а в штате – квалифицированных специалистов-геофизиков. Необходимо, таким образом, разработать методики раннего обнаружения признаков разрушения земляного полотна железных дорог. Система геодинамического контроля адресовано железнодорожным службам технического контроля. Применение разработанного комплекса повысит безопасность эксплуатации железнодорожного транспорта и снизит затраты на ремонт железнодорожного полотна.

Ожидаемые результаты
1. Будет разработана обобщенная математическая модель контролируемого объекта на основе ее представления в виде эквивалентной параметрической комплексной передаточной функции исследуемого участка геологической среды земляного полотна и прилегающей территории на основе геоэлектрической модели последовательно соединенных комплексных сопротивлений, полученных на основе модели многослойного несовершенного диэлектрика. 2. Будут разработаны математические модели двухмерных и трехмерных геоэлектрических разрезов контролируемого объекта на основе его обобщенной математической модели и метода сеток как комплекса «железнодорожный путь – земляное полотно - внешние воздействия», функционирующего в условиях техногенных вибрационных возмущений циклического характера, обладающие универсальностью, наглядностью и простотой реализации. 3. Будет осуществлено развитие теории фазометрического метода геодинамического контроля и его адаптация применительно к задачам раннего обнаружения, локализации и прогнозирования дефектов и деформаций земляного полотна железнодорожного пути. 4. Будет обоснована эффективность применения многополюсных источников и приемников электрического поля при использовании фазометрического метода геодинамического контроля, а также распределенной обработки геодинамической информации для повышения точности и чувствительности решения задач обнаружения, локализации и прогнозирования динамики утечек нефтепродуктов на основе фазометрического метода геодинамического мониторинга. 5. Будут разработаны и исследованы алгоритмы прогнозирования временных рядов применительно к задачам геодинамического контроля грунта с целью получения информации о темпах и особенностях развития геодеформационных процессов. 6. Будет осуществлена разработка, исследование, программная и техническая реализация алгоритмов раннего обнаружения дефектов и деформаций земляного полотна железнодорожного пути на основе фазометрического метода геодинамического контроля и распределенной обработки геоэлектрических сигналов. 7. Будет осуществлена практическая реализация аппаратно-программного комплекса, предназначенный для служб технического надзора, осуществляющих наблюдение за состоянием эксплуатируемых железных дорог, с помощью которого регистрируются изменения в грунте с последующей трактовкой результатов о деструктивных изменениях, несущих опасность разрушения земляного полотна железных дорог, и прогнозированием развития геодеформационных процессов с помощью интеллектуальных алгоритмов обработки данных. 8. Будут проведены натурные испытания разрабатываемой системы геодинамического мониторинга дефектов и деформаций земляного полотна железнодорожного пути на макете-модели контролируемого в виде системы «железнодорожный путь - земляное полотно», а также на реальном объекте при существенном воздействии внешних помех. Достижение ожидаемых результатов реализации проекта позволит повысить эффективность геодинамического мониторинга и принятия управленческих решений для обеспечения безопасности и надежности функционирования железнодорожного транспорта в современных условиях его эксплуатации.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Выявлено, что в процессе эксплуатации железнодорожного пути в земляном полотне и его грунтовом основании могут возникать и накапливаться различные дефекты и деформации, что приводит к нарушению их несущей способности. Предложен геоэлектрический фазометрический метод контроля фазы регистрируемых сигналов при изменениях нагрузки на грунт в основании железнодорожного пути. Контроль фазовых характеристик позволяет обеспечить большую чувствительность, точность и помехозащищенность по сравнению с контролем амплитуды геоэлектрических сигналов. Разработанная лабораторная установка позволяет имитировать различные природные процессы и оценивать их влияние на железнодорожный транспортный комплекс. Установка содержит модель контролируемого объекта (емкость с грунтом), генераторы зондирующих сигналов, подсистему регистрации сигналов в среде, подсистему обработки данных. Предложенный подход дает возможность обнаруживать ранние геодинамические индикаторы деформаций земляного полотна железнодорожного пути. 2. В ходе анализа сигналов и их спектров, полученных в результате наблюдений, выявлено, что наличие геодинамических процессов в геологической среде приводит к изменению параметров фазового сигнала. Эти изменения отражаются в образовании продуктов паразитной амплитудно-фазовой модуляции в спектре сигнала. Эти модуляции являются показателями начальных стадий дефектов и деформаций земляного полотна железнодорожного пути. На основе результатов проведенных исследований было установлено, что геоэлектрический фазометрический контроль наиболее эффективен в оптимальном диапазоне частот от 30 до 80 Гц. Допустимые фазовые изменения сигналов находятся в пределах от -0,1 до 0,1 градуса. В качестве критерия для выявления дефектов железнодорожного полотна предлагается использовать пороговые значения фазовых изменений, начиная с 0,3 градуса. Представленный метод контроля является эффективным инструментом для анализа состояния системы, включающей грунтовое основание, земельное полотно и железнодорожный путь. Он обладает высокой чувствительностью, точностью и устойчивостью к воздействию естественных и искусственных помех. Это позволяет выявлять геодинамические индикаторы начальной стадии дефектов и деформаций земляного полотна железнодорожного пути. 3. Представлена структурная схема алгоритма виброакустического метода контроля параметров транспортных потоков на основе контроля скоростных и весовых показателей транспортных средств, включающая регистрацию, фильтрацию, обнаружение транспортного средства и обработку виброакустических сигналов с выделением информативных составляющих. Кроме этого, особое внимание в статье уделяется описанию методики групповой обработки виброакустических сигналов, решающей задачу определения параметров движения транспортного потока путем фильтрации координат подвижного объекта по наблюдениям сигналов от нескольких синхронных виброакустических источников. Представлены выводы и результаты проведенного моделирования работы системы идентификации параметров транспортного потока при обработке виброакустических сигналов проезда легковых автомобилей. На сигналах с акселерометра четко выявлены два максимума, соответствующие моменту прохождения точки контроля колесами автомобиля. При этом точность определения веса автомобиля находится в диапазоне от 95% до 98.3% и снижается с увеличением скорости движения транспорта. Ошибка определения скорости, наоборот, снижается с увеличением скорости и не превосходит 5% для рассмотренных примеров. Таким образом, показано, что для повышения точности идентификации при практическом использовании рассмотренных алгоритмов обработки виброакустических сигналов в системе контроля транспортных потоков необходимо применять дополнительные процедуры нормирования сигналов с независимой обработкой по каждому пункту регистрации. 4. Исследованы вопросы организации системы геодинамического контроля, позволяющей регистрировать и прогнозировать развитие геодеформационных процессов в земляном полотне железной дороги в условиях высокой карстоопасности. Предложенные методы позволят повысить достоверность оценок при геодинамическом контроле. Получена зависимость относительного изменения передаточной функции от контрастности электрических параметров двух контактирующих сред. Показано, что расположение карстовой границы двух сред хорошо определяется даже при незначительных различиях электрических параметров сред. Полученные данные показали, что электрические параметры среды изменяют свои характеристики в ходе возникающих в грунте разрушений. Дальнейшая обработка сигналов позволяет выявить наличие неоднородностей, их глубины и характеристики деформации. При этом возникает задача разработки и исследования методов прогнозирования развития геодеформационных процессов во времени [5]. Одним из методов прогнозирования является применение сверточных нейронных сетей, устойчивых к зашумленным входных данных, что дает возможность использовать их в сложных условиях при наличии неопределенности и нестационарности входных данных. Также нейросети могут выявлять оптимальные индикаторы и стратегию предсказания для конкретного случая. Адаптивность этих стратегий позволяет учесть изменение физических характеристик зондируемого грунта. 5. Исследована проблема организации автоматизированного геодинамического мониторинга компонентов железнодорожного транспортного комплекса на основе геоэлектрических методов контроля. Для определения динамических изменений объекта контроля предложено использовать анализ передаточной функции геоэлектрического разреза исследуемого участка грунтового основания земляного полотна железнодорожного пути, представленной совокупностью элементов, обладающих собственными передаточными функциями на основе модели многослойного несовершенного диэлектрика и соединяемых параллельно-последовательных связями. Полученная передаточная функция может быть использована для эффективного моделирования характеристик контролируемого участка геологической среды с желаемой точностью получаемых результатов, задаваемой числом дискретных элементов для выбранного масштаба среды. 6. Предложен метод, который в режиме малой временной задержки обнаруживает состояния буровой системы, вызывающие ее повышенный износ или даже поломку. Метод работает с двумя классификаторами, основанными на капсульной сверточной нейронной сети (CapsNet), каждый из которых предназначен для идентификации конкретной причины сбоя. Первый классификатор 1D-CapsNet определяет переходы бурового раствора между слоями грунта с различной плотностью с точностью до 99%, а второй 2D-CapsNet однозначно определяет случайные вибрации в буровой установке. Кроме того, второй классификатор также позволил нам однозначно идентифицировать работающее или поврежденное сверло, используемое при бурении скважины. Получены экспериментальные графики фазовых характеристик геоэлектрических сигналов для глубины погружения бура до 250 м.

 

Публикации

1. Быков А.А., Суржик Д.И., Васильев Г.С., Кузичкин О.Р. Геоэлектрический фазометрический контроль земляного полотна железнодорожного пути Контроль. Диагностика, №8 (302), Том: 26, 2023, стр.32-39 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.14489/td.2023.08.pp.032-039

2. Быков А.А., Суржик Д.И., Васильев Г.С., Кузичкин О.Р. Прогнозирование развития геодеформационных процессов в земляном полотне железной дороги Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2023) Сборник трудов IX Международной научно-технической конференции, Белгород, 2023. С. 196-198. (год публикации - 2023)

3. Г.Васильев, О.Кузичкин, Д.Суржик Method of Formation of an Artificial Multiphase Field of a Specified Structure During Phase-Metric Technological Control Lecture Notes in Electrical Engineering, - (год публикации - 2024)

4. Осипов А., Плешакова Е., Быков А., Кузичкин О., Суржик Д., Суворов С., Гатаулин С. Machine Learning Methods Based on Geophysical Monitoring Data in Low Time Delay Mode For Drilling Optimization IEEE ACCESS, IEEE Access. 2023. С. 1-11 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3284030

5. Суржик Д.И., Быков А.А., Васильев Г.С., Кузичкин О.Р. Эквивалентная передаточная функция системы «грунтовое основание - земляное полотно - железнодорожный путь» Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2023) Сборник трудов IX Международной научно-технической конференции, 2023, С. 269-271 (год публикации - 2023)

6. Суржик Д.И., Коваленко А.О., Быков А.А., Кузичкин О.Р., Коськин А.В. Исследование метода идентификации параметров потока транспортных средств на основе виброакустического метода контроля Информационно-измерительные и управляющие системы, 2023. Т. 21. № 6. С. 7-15 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18127/j20700814-202306-02

7. - Четыре научных коллектива МИВлГУ победили в конкурсе проектов отдельных научных групп Российского научного фонда Сайт Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета. Новости, март, 2023 (год публикации - )