Интеллектуальная система контроля целостности земляного полотна железной дороги

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 проекта 23-29-10126

НазваниеИнтеллектуальная система контроля целостности земляного полотна железной дороги

Руководитель Быков 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

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 слова прогнозирование, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.14489/td.2023.08.pp.032-039

2. 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)
10.18127/j20700814-202306-02

3. 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)
10.1109/ACCESS.2023.3284030

4. 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)

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. 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)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году в рамках проекта были проведены фундаментальные и прикладные исследования в области мониторинга состояния земляного полотна железной дороги. Основное внимание было уделено разработке методов фазометрического контроля, созданию интеллектуальных алгоритмов обработки данных и тестированию прототипов информационно-аналитической системы (ИАС) для анализа геофизических данных. Разработаны и усовершенствованы фазометрические методы для мониторинга электрических характеристик грунта. Исследования показали, что начальные стадии разрушения грунта сопровождаются изменениями фазовых характеристик сигналов, такими как резкие изменения амплитуды и частотные сдвиги. Эти параметры стали ключевыми индикаторами начальных стадий геодеформационных процессов. Для анализа временных рядов, полученных с геофизических датчиков, применены нейросетевые алгоритмы. Использованы архитектуры автоэнкодеров с LSTM-слоями и капсульных нейронных сетей (CapsNet), что позволило обеспечить высокую точность обнаружения аномалий (до 97%) и снизить количество ложноположительных результатов. С использованием разработанных методов выполнен мониторинг реального участка железнодорожного полотна. Изменения в фазовых характеристиках сигналов, зафиксированные в полевых условиях, подтвердили точность предложенных моделей и алгоритмов. Разработан прототип ИАС, интегрирующий методы фазометрического контроля и алгоритмы машинного обучения. Система автоматизирует обработку данных, визуализирует результаты анализа в виде графиков и отчетов и поддерживает прогнозирование геодеформационных процессов. Результаты выполненных работ показали высокую эффективность предложенных методов и алгоритмов для мониторинга состояния грунта. Разработанная система позволяет автоматизировать анализ данных, минимизировать риски разрушения инфраструктуры и масштабировать подходы для других объектов транспортной инфраструктуры (мосты, плотины и т.д.).

Публикации

1. Быков А. А., Суржик Д. И., Кузичкин О. Р. Анализ вариаций в фазовом сдвиге зондирующего электрического сигнала для оценки грунтовой структуры в процессе погружения бура СТИН, Москва, Быков, А. А. Анализ вариаций в фазовом сдвиге зондирующего электрического сигнала для оценки грунтовой структуры в процессе погружения бура / А. А. Быков, Д. И. Суржик, О. Р. Кузичкин // СТИН. – 2024. – № 10. – С. 93-98. – EDN YJWFJG. (год публикации - 2024)

2. Быков А., Суржик Д., Касенова Л., Абжанова А., Свирина А., Иманжанова К. Control and Analysis of Layered Soil Structure to Ensure Railway Roadbed Stability Applied Sciences, Basel, Switzerland, Bykov, A., Surzhik D., Kassenova L., Abzhanova A., Svirina A., Imanzhanova K. Control and Analysis of Layered Soil Structure to Ensure Railway Roadbed Stability / Applied Sciences. - 2024, - 14, 8706. - https:// doi.org/10.3390/app14198706 (год публикации - 2024)
10.3390/app14198706

3. Абжанова А.Е., Быков А.А., Сагнаева С.К., Абжанов Е.А., Суржик Д.И. Optimization of soil modeling with consideration of underground groundwater Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. Серия физико-математическая, Optimization of soil modeling with consideration of underground groundwater / А. Е. Abzhanova, A. A. Bykov, S. K. Sagnaeva [et al.] // Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. Серия физико-математическая. – 2024. – Vol. 2, No. 350. – P. 96-107. – DOI 10.32014/2024.2518-1726.269. – EDN QWKQVO. (год публикации - 2024)
10.32014/2024.2518-1726.269

4. Суржик Д.И. Моделирование многофазового поля и регистрации его характеристик для осуществления геодинамического мониторинга Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России, Муром, Суржик, Д.И. Моделирование многофазового поля и регистрации его характеристик для осуществления геодинамического мониторинга / Д.И. Суржик // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России. XVI Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. Всероссийской научной конференции. Муром, 2 февр. 2024 г.– Муром: МИ ВлГУ, - 2024.– С. 355-356. (год публикации - 2024)

5. Абжанова А., Быков А., Суржик Д., Мухамежанова А., Оразбаев Б., Свирина А. Methods for Assessing the Layered Structure of the Geological Environment in the Drilling Process by Analyzing Recorded Phase Geoelectric Signals Mathematics, Basel, Switzerland, Abzhanova A., Bykov A., Surzhik D., Mukhamezhanova A., Orazbaev B., Svirina A. Methods for Assessing the Layered Structure of the Geological Environment in the Drilling Process by Analyzing Recorded Phase Geoelectric Signals / Mathematics. - 2024, - 12, 2194. -https://doi.org/10.3390/math12142194 (год публикации - 2024)
10.3390/math12142194

6. Коваленко А. О., Суржик Д. И., Кузичкин О. Р., Быков А. А. Разработка и применение математической модели сейсмосигналов для организации мониторинга железнодорожного транспорта Проблемы машиностроения и автоматизации, Разработка и применение математической модели сейсмосигналов для организации мониторинга железнодорожного транспорта / А. О. Коваленко, Д. И. Суржик, О. Р. Кузичкин, А. А. Быков // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2024. – № 3. – С. 119-126. – DOI 10.52261/02346206_2024_3_119. – EDN KBETDE. (год публикации - 2024)
10.52261/02346206_2024_3_119

Возможность практического использования результатов
- Результаты, полученные в рамках проекта, имеют высокий потенциал для практического применения как в экономике, так и в социальной сфере. Разработанные методы, технологии и программные решения обеспечивают повышение эффективности мониторинга состояния инфраструктурных объектов, способствуют развитию отечественных технологий и создают основу для устойчивого экономического роста и улучшения социальной безопасности. - Использование разработанной информационно-аналитической системы (ИАС) позволяет минимизировать затраты на диагностику и техническое обслуживание железнодорожного полотна. Автоматизация процессов мониторинга и анализа снижает потребность в трудозатратах и ручных измерениях, что экономит ресурсы организаций, эксплуатирующих железнодорожную инфраструктуру. - Раннее выявление начальных признаков разрушения грунта с использованием разработанных методов предотвращает крупные аварийные ситуации, что снижает расходы на ремонт, восстановление и ликвидацию последствий ЧС. Это особенно актуально для регионов с высокой плотностью транспортных потоков. - Разработанные технологии могут быть адаптированы для мониторинга других объектов, таких как мосты, плотины, тоннели и дороги, что открывает возможности для их коммерциализации в различных отраслях экономики. - Раннее обнаружение геодеформационных процессов в грунте обеспечивает снижение рисков разрушения транспортной инфраструктуры, что напрямую влияет на безопасность пассажиров и перевозок. - Внедрение разработанных технологий и программных решений в промышленность способствует созданию высококвалифицированных рабочих мест, связанных с эксплуатацией, обслуживанием и развитием систем мониторинга. - Технологии мониторинга особенно важны для удаленных и труднодоступных регионов, где разрушение инфраструктуры может привести к изоляции населенных пунктов. Повышение надежности железнодорожной сети способствует улучшению качества жизни населения и экономическому развитию регионов. - Разработанные в проекте методы фазометрического контроля и алгоритмы машинного обучения закладывают основу для дальнейших исследований и внедрения передовых технологий мониторинга состояния грунта и инфраструктуры. - Результаты проекта позволили создать программное обеспечение для анализа геофизических данных, готовое к коммерциализации, информационно-аналитическую систему, которая может быть интегрирована в существующие системы мониторинга транспортной инфраструктуры. - Проект стимулирует развитие отечественных технологий в области интеллектуального анализа данных и геофизического мониторинга, что снижает зависимость от импортных решений и укрепляет национальную технологическую независимость. - Реализация проекта способствует достижению целей устойчивого развития за счет повышения надежности и устойчивости инфраструктуры, а также снижению аварийности и улучшения экологической ситуации за счет предотвращения разрушений и аварий. - Разработанные технологии создают конкурентное преимущество для российских компаний, работающих в области мониторинга и диагностики инфраструктуры. Внедрение этих решений в промышленность способствует росту экспортного потенциала за счет предложения инновационных продуктов на международных рынках.