Способ определения состояния земляного полотна, контрольно-оповестительная система для его осуществления и устройство для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна для контрольно-оповестительной системы

Изобретение относится к измерительной технике. Контрольно-оповестительная система определения состояния земляного полотна содержит кабельную трассу, состоящую из оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, расположенного в глубине грунта основания земляного полотна, и контролирующую аппаратуру. Вдоль кабельной трассы размещен участок тестирования состояния земляного полотна, состоящий из уложенных в глубине грунта отрезков оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, с возможностью доступа к кабельной трассе и возможностью его подключения посредством оптического кабеля связи к устройству для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна. Это устройство состоит из контролирующей аппаратуры и источника оптических излучений, соединенного с оптическим кабелем связи. Контролирующая аппаратура выполнена в виде последовательно соединенных интерфейса связи, измерителя распределения характеристик отраженного оптического излучения обратного рассеяния, блока сравнения. Также имеется блок оповещения. Повышается надежность контроля. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Группа изобретений относится к технике измерений и может использоваться в контрольно-оповестительных системах состояния земляного полотна, представляющего собой грунтовое основание, на котором расположена дорога для транспортного средства.

В уровне техники известно устройство (RU 2485448 С2, 20.06.2013), предназначенное для измерения распределения деформации грунта, которое содержит чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель, измерительный блок, связанный с кабелем. В данном устройстве обеспечивается защита сенсорного кабеля от напряжения посредством введения предохранителей, но не обеспечивается постоянный контроль состояния грунта, в котором проложен сенсорный кабель.

Известны также способ определения состояния многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием для сооружений, и устройство для его осуществления (RU 2743547 С1, 19.02.2021), предназначенные для прогнозирования критических осадок оснований под сооружения на многолетнемерзлых грунтах. К недостаткам известных технических решений следует отнести невозможность обеспечения постоянного контроля за состоянием грунта.

Наиболее близкими аналогами заявленного технического решения являются способ дистанционного контроля состояния безбаластного железнодорожного пути и система для его осуществления (RU 2613126 С1, 15.03.2017), содержащая расположенные под каждым рельсом в два слоя сенсорно-оптический кабель фиксации перемещения и сенсорно-оптический кабель фиксации температуры, выполненные с возможностью их подключения к контролирующей аппаратуре, причем первый слой сенсорно-оптического кабеля фиксации перемещения и сенсорно-оптического кабеля фиксации температуры расположен под укрепленным слоем земляного полотна, второй слой - в нижней части щебеночно-песчано-гравийной смеси, а каждый слой сенсорно-оптического кабеля фиксации перемещения механически связан с грунтом посредством фиксаторов. Сенсорные кабели указанной системы подключаются к оборудованию опроса с использованием кросс-муфты, что необходимо для возможности проведения измерений. Известная система выполняет функции контроля земляного полотна, использует в своем составе сенсорные кабели, но не выполняет требований периодической проверки работоспособности системы в целом в процессе эксплуатации и выдачи извещений об опасных изменениях параметров земляного полотна, при этом не содержит соответствующего оборудования оповещения в своем составе, которое могло бы повысить надежность работы системы и безопасность движения по участку дороги.

Технические проблемы, решение которых должна обеспечить предложенная группа изобретений, заключаются в необходимости:

- контроля деформаций основной площадки земляного полотна, вызванных развитием карстово-суффозионных и других процессов в основании земляного полотна;

- своевременного оповещения о возникновении угрозы безопасности движения поездов из-за этих деформаций;

- автоматической передачи на станции, примыкающие к контролируемому участку, извещения об опасных изменениях параметров земляного полотна с последующей выдачей на локомотивы и дистанции пути, обслуживающие участок;

- непрерывного круглосуточного функционирования с учетом внешних климатических и механических воздействий;

- формирования сигнала тревоги при достижении контролируемыми параметрами вертикальной деформации (осадки или подъема грунта) пороговых значений;

- автоматической передачи извещения об опасном состоянии контролируемого участка дороги;

- контроля исправности напольной аппаратуры, источников электропитания напольного оборудования и сигнализации о неисправности напольной аппаратуры и источников электропитания;

- обеспечения защищенности конструкции системы от ложного срабатывания оповестительной сигнализации, в том числе из-за вандализма.

Технический результат, обеспечиваемый изобретениями предложенной группы изобретений, заключается в повышении надежности контроля состояния земляного полотна за счет непрерывного круглосуточного контроля земляного полотна, находящегося под внешними климатическими и механическими воздействиями, и своевременного оповещения обслуживающего персонала о возникновении угрозы безопасности движения транспорта из-за деформаций земляного грунта под основанием дороги.

Указанный технический результат достигается тем, что контрольно-оповестительная система определения состояния земляного полотна, представляющего собой грунтовое основание, на котором расположена дорога для транспортного средства, содержит кабельную трассу, состоящую из оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, расположенного в глубине грунта основания земляного полотна, и контролирующую аппаратуру, при этом вдоль кабельной трассы уложенного оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна размещен по меньшей мере один участок тестирования состояния земляного полотна, состоящий из уложенных в глубине грунта отрезков оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, выполненный с возможностью доступа к кабельной трассе и возможностью его подключения посредством оптического кабеля связи к устройству для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна, содержащему контролирующую аппаратуру и источник оптических излучений, который соединен со входом оптического кабеля связи, выход которого соединен с контролирующей аппаратурой, выполненной в виде последовательно соединенных интерфейса связи, измерителя распределения характеристик отраженного оптического излучения обратного рассеяния, блока сравнения, второй вход которого соединен с блоком памяти первоначальной информации о состоянии, полученной при монтаже системы, блока определения порогового значения параметров отраженных сигналов обратного рассеяния и формирователя управляющего сигнала оповещения, выход которого соединен со входом блока оповещения.

Кроме того, для проверки работоспособности упомянутая система снабжена устройством для имитации карстового провала, которое позволяет прикладывать имитационное воздействие на сенсорные кабели участка тестирования, при этом сенсорный кабель мониторинга земляного полотна выполнен в виде сенсорного кабеля мониторинга деформации либо в виде сенсорного кабеля мониторинга температуры.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна для контрольно-оповестительной системы определения состояния земляного полотна, содержащее источник оптических излучений и контролирующую аппаратуру, снабжено микроконтроллером, соединенным через интерфейс связи с коннектором "вход/выход" для оптического кабеля связи с источником оптического излучения и с программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС), выход которой соединен через формирователь управляющих сигналов оповещения со входом блока оповещения, при этом микроконтроллер и ПЛИС выполнены с возможностью, взаимодействуя между собой, передачи в оптический кабель связи оптических импульсов и приема отраженных от оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга оптических импульсов, с возможностью аналитической обработки полученных данных, резервного копирования результатов и с возможностью, в случае, если в результате аналитической обработки программным обеспечением выявлены отклонения контролируемых параметров земляного полотна выше установленных пороговых значений, выдачи управляющего сигнала оповещения блоку оповещения.

Указанный технический результат достигается также способом определения состояния земляного полотна, представляющего собой грунтовое основание, на котором расположена дорога для транспортного средства, характеризующимся тем, что в процессе монтажа грунтового основания укладывают кабельную трассу, состоящую из оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, причем в процессе монтажа определяют первоначальную информацию о состоянии земляного полотна, для чего в оптические волокна сенсорного кабеля вводят импульсы лазерного излучения, определяют спектральную характеристику излучения, рассеянного в обратном направлении, и как функцию времени регистрируют распределение спектральной характеристики обратного рассеянного излучения в зависимости от расстояния, принимая указанное распределение за первоначальную информацию о состоянии, и осуществляют периодическую проверку состояния земляного полотна в процессе эксплуатации дороги для транспортного средства, для чего вдоль трассы уложенного оптического волокна сенсорного кабеля мониторинга размещают по меньшей мере один участок тестирования состояния земляного полотна, который выполняют с возможностью доступа к основной трассе и подключения посредством оптических кабелей связи, включенными в общую измерительную сеть, к устройству для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна, с помощью которого осуществляют опрос путем передачи на по меньшей мере один участок тестирования оптических импульсов и обработку отраженных импульсов обратного рассеяния путем сравнения полученной в процессе эксплуатации информации с первоначальной информацией о состоянии, при этом при выявлении в процессе упомянутой обработки отклонения контролируемых параметров состояния земляного полотна выше установленных пороговых значений осуществляют выдачу управляющего сигнала блоку оповещения.

Кроме того, при проведении периодических испытаний на участке тестирования дополнительно прикладывают имитационное воздействие на сенсорные кабели с помощью устройства для имитации карстового провала, причем в случае превышения пороговых значений контролируемых параметров формируют управляющий сигнал оповещения, представляющий собой сигнал тревоги, поступающий на блок оповещения.

Сущность предложенной группы изобретений поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 представлена структурная схема станционной части контрольно -оповестительной системы;

- на фиг. 2 представлена структурная схема контрольно-оповестительной системы;

- на фиг. 3-6 представлены варианты выполнения участка мониторинга и тестирования контрольно-оповестительной системы;

- на фиг. 7 представлена функциональная схема контрольно-оповестительной системы;

- на фиг. 8 представлена функциональная схема устройства для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна для контрольно-оповестительной системы.

На фиг. 1-8 следующими позициями обозначены:

1. Участок тестирования.

2. Основная трасса участка мониторинга.

3. Сенсорный кабель мониторинга земляного полотна.

4. Оптические кабели связи.

5. Контролирующая аппаратура.

6. Блок оповещения.

7. Источник оптического излучения (лазер).

8. Интерфейс связи.

9. Измеритель распределения характеристик отраженного оптического излучения.

10. Блок сравнения.

11. Блок определения порогового значения параметров отраженных сигналов.

12. Формирователь сигнала оповещения.

13. Блок памяти первоначальной информации состояния.

14. Устройство для имитации карстового провала.

15. Контроллер.

16. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС).

Земляное полотно представляет собой грунтовое основание и служит для устройства на нем верхнего строения железной дороги или дорожной одежды автомобильной дороги, а также комплекса водоотводных сооружений.

При условии выполнения установленных требований по содержанию и ремонту земляное полотно в процессе эксплуатации остается стабильным. Согласно современной классификации деформации земляного полотна, вызванные развитием карста, относятся к деформациям, повреждениям и загромождениям, которые обусловлены возникновением природных чрезвычайных ситуаций, и могут быть напрямую не связаны с техническим состоянием и содержанием. Карстово-суффозионные процессы относятся к наиболее опасным природным процессам и явлениям. Опасность развития карстового процесса обусловлена возможностью скоротечного образования различных проявлений карста в виде провалов, воронок, оседаний, которые, в свою очередь, могут являться причинами образования деформаций земляного полотна и, как следствие, приводить к резкому искажению геометрии верхнего строения железной дороги или дорожной одежды автодороги. Кроме того, возможно формирование в основании и зонах расположения инженерных сооружений подземных проявлений карста в виде полостей, обводненных сильно трещиноватых и разуплотненных зон грунтов.

Для решения задачи содержания земляного полотна стабильным с целью безопасности движения транспорта необходимо обеспечение исправности состояния всех его элементов, своевременное предупреждение появления неисправностей и устранение последствий неисправностей земляного полотна, что обеспечивается в предложенном способе определения состояния земляного полотна за счет повышения надежности контроля состояния земляного полотна с использованием предложенных контрольно-оповестительной системы и устройства для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна.

Для этого сенсорные кабели 3 предлагаемой системы размещаются в теле земляного основания, и используются в качестве чувствительных элементов, дающих первичную информацию о состоянии земляного полотна.

Подключение сенсорных кабелей 3 к контролирующей аппаратуре 5 осуществляется непосредственно или, в случае удаленности участка мониторинга от места установки контролирующей аппаратуры 5, с использованием оптических кабелей связи 4, включенными в общую измерительную линию.

Устройство для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна, показанное на фиг. 7 и 8, имеет в своем составе устройство опроса сенсорного кабеля, выполненное в виде источника оптического излучения 7 и контролирующей аппаратуры 5.

В процессе монтажа для определения первоначальной информации о состоянии земляного полотна в оптическое волокно сенсорного кабеля 3 вводят импульсы источника оптического излучения 7, определяют спектральную характеристику излучения, рассеянного в обратном направлении посредством измерителя распределения характеристик отраженного оптического излучения 9, и как функцию времени регистрируют распределение спектральной характеристики обратно рассеянного излучения в зависимости от расстояния, принимая указанное распределение за первоначальное состояние, которое хранят в блоке памяти 13, для периодической проверки состояния земляного полотна в процессе эксплуатации дороги для транспортного средства вдоль трассы уложенного оптического волокна сенсорного кабеля 3 размещают участки тестирования 1 состояния земляного полотна, выполненные с возможностью доступа к основной трассе 2 участка мониторинга и возможностью его подключения посредством оптических кабелей связи 4 к устройству, осуществляющему опрос посредством передачи на участок тестирования 1 оптических (лазерных) импульсов. В блоке сравнения 10 сравнивают полученную информацию в процессе эксплуатации с первоначальной информацией, полученной в процессе монтажа и хранящейся в блоке памяти 13, в случае выявления в процессе обработки отклонения контролируемых параметров земляного полотна выше установленных пороговых значений, выдают сформированный в формирователе 12 управляющий сигнал оповещения для блока оповещения 6.

Устройство для опроса и сбора информации может быть выполнено (фиг. 8) в виде логического модуля с элементами: контроллером 15, источником оптических излучений 7 и схемой ПЛИС 16 с установленным программным обеспечением системы. Устройство опроса, выполненное на источнике оптических излучений 7 и контролирующей аппаратуре 5, ведет сбор первичной информации от измерительной линии с сенсорными кабелями 3, по оптическим каналам связи 4 первичная информация передается на контролирующую аппаратуру 5. В интерфейсе связи 8 осуществляется начальная обработка полученной информации путем измерения распределения характеристик отраженного оптического излучения и хранение результатов первичной обработки в виде файлов в блоке памяти контроллера 15. Программное обеспечение контролирующей аппаратуры 5 в рамках действующего алгоритма программы, выполняет прием файлов с результатами обработки информации от сенсорных кабелей 3 измерительной линии, аналитическую обработку полученных данных, резервное копирование результатов. В случае, если в результате аналитической обработки программным обеспечением посредством контроллера 15 и схемы ПЛИС 16 будет выявлено отклонение контролируемых параметров земляного полотна выше установленных пороговых значений, то выдается сформированный в блоке 12 управляющий сигнал оповещения блоку оповещения 6.

Блок оповещения 6 включает в себя контроллеры преобразования управляющих сигналов в дискретные выходные интерфейсы типа "сухой контакт", выполненные в виде устройств, в которых соединение либо разъединение соприкасающихся поверхностей токопроводящих материалов замыкает или разрывает электрическую цепь, в которую они установлены.

Интерфейсы связи 8 микроконтроллерных систем или беспроводные интерфейсы связи могут служить в том числе для управления выдачей речевых сообщений машинистов поездов, двигающихся по пути, расположенном на участке мониторинга. Интерфейсы могут иметь два уровня физический - среда, по которой передаются сигналы, и логический - набор правил, по которым производится обмен информацией.

Выдача речевого сообщения установленного формата может производиться с использованием речевого информатора РИ-1М, предназначенного для формирования сигналов оповещения в виде речевых или тональных сигналов и последующей передачи через средства радиосвязи или средства громкоговорящей связи, число входных каналов управления которого может быть расширено за счет использования контроллера событий КС-1, и оборудования станционной радиосвязи или же другого оборудования, выполняющего те же функции.

Размещение сенсорных кабелей 3 выполняется в пределах основной трассы 2 участка мониторинга в теле земляного полотна. При проведении нового строительства, капитального ремонта или другого вида работ, который обеспечивает доступ к внутреннему строению земляного полотна, сенсорные кабели 3 размещаются вдоль оси земляного полотна, под осями путей, рельс, проезжих частей или полос движения (фиг. 1-6). При такой схеме монтажа для организации участка тестирования 1 трасса прокладки сенсорных кабелей 3 выполняется с выводом из основной трассы 2 участка мониторинга из-за отсутствия доступа к сенсорным кабелям 3 после выполнения работ по монтажу.

Монтаж сенсорных кабелей 3 на уже существующих участках пути оставляет доступ к ним после монтажа, поэтому участки тестирования 1 могут быть организованы на трассе прокладки непосредственно в пределах основной трассы 2 участка мониторинга или же с выполнением вывода из основной трассы 2 участка мониторинга.

При любой схеме монтажа (фиг. 1-6), с отводом трассы прокладки сенсорного кабеля 3 из участка мониторинга или без, минимально достаточно одного участка тестирования 1 для проверки работоспособности системы, так как сенсорные кабели 3, входящие в измерительную линию вместе с кабелями связи 4, последовательно объединены для подключения к контролирующей аппаратуре 5.

При проведении периодических испытаний на участке тестирования 1 к сенсорным кабелям 3 мониторинга прикладывается имитационное воздействие, например, механическое, которое будет зарегистрировано системой. Например, на участке тестирования может быть отрыт шурф для установки устройства для имитации карстового провала 14, которое оказывает на сенсорные кабели 3 механическое воздействие, идентичное воздействию от карстового провала (см. Технические требования к контрольно-оповестительной системе для карстоопасных участков, утверждены распоряжением ОАО "РЖД" от 30.11.2011 №2574р. (https://jd-doc.ru/2011/noyabr-2011/novabr2011-2/3510-ot-30-novabrya-2011-g-n-2574r-str1: патент RU 2732784 C1, 24.09.2020).

Устройство для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна (фиг. 8) проводит опрос и анализ состояния сенсорных кабелей 3 по измерительным каналам, включающим в себя кабели связи 4 от места установки аппаратуры до основной трассы 2 участка мониторинга, и, в случае превышения контролируемыми параметрами пороговых значений, формирует управляющий сигнал оповещения, в частности сигнал тревоги. Сигнал тревоги через оборудование оповещения и каналы связи передается причастным службам.

В процессе эксплуатации предложенной контрольно-оповестительной системы состояния земляного полотна с устройством для опроса и сбора информации о его состоянии проводится проверка работоспособности всех элементов системы, в том числе целостность сенсорных кабелей, оборудования и каналов связи, что позволяет повысить надежность контроля состояния земляного полотна при долгосрочном функционировании контрольно-оповестительной системы за счет проведения периодических испытаний системы в непрерывном режиме работы на участках тестирования.

1. Контрольно-оповестительная система определения состояния земляного полотна, представляющего собой грунтовое основание, на котором расположена дорога для транспортного средства, содержащая кабельную трассу, состоящую из оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, расположенного в глубине грунта основания земляного полотна, и контролирующую аппаратуру, отличающаяся тем, что вдоль кабельной трассы уложенного оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна размещен по меньшей мере один участок тестирования состояния земляного полотна, состоящий из уложенных в глубине грунта отрезков оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, выполненный с возможностью доступа к кабельной трассе и возможностью его подключения посредством оптического кабеля связи к устройству для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна, состоящему из контролирующей аппаратуры и источника оптических излучений, который соединен с входом оптического кабеля связи, выход которого соединен с контролирующей аппаратурой, выполненной в виде последовательно соединенных интерфейса связи, измерителя распределения характеристик отраженного оптического излучения обратного рассеяния, блока сравнения, второй вход которого соединен с блоком памяти первоначальной информации о состоянии, блока определения порогового значения параметров отраженных сигналов обратного рассеяния и формирователя управляющего сигнала оповещения, выход которого соединен с входом блока оповещения.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена устройством имитации карстового провала, выполненным с возможностью приложения имитационного воздействия на оптические сенсорные кабели участка тестирования.

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что сенсорный кабель мониторинга земляного полотна выполнен в виде сенсорного кабеля мониторинга деформации.

4. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что сенсорный кабель мониторинга земляного полотна выполнен в виде сенсорного кабеля мониторинга температуры.

5. Устройство для опроса и сбора информации о состоянии земляного полотна для контрольно-оповестительной системы определения состояния земляного полотна, характеризующееся тем, что оно состоит из источника оптических излучений и контролирующей аппаратуры, содержащей микроконтроллер, соединенный через интерфейс связи с коннектором "вход/выход" для оптического кабеля связи с источником оптического излучения и с программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС), выход которой соединен через формирователь управляющих сигналов оповещения с входом блока оповещения, при этом микроконтроллер и ПЛИС выполнены с возможностью передачи, взаимодействуя между собой, посредством программного обеспечения в оптический кабель связи оптических импульсов и приема отраженных от оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга оптических импульсов с возможностью аналитической обработки полученных данных и резервного копирования результатов обработки, при этом микроконтроллер и ПЛИС выполнены с возможностью, в случае если в результате аналитической обработки с программным обеспечением выявляются отклонения контролируемых параметров земляного полотна выше установленных пороговых значений, выдачи сформированного управляющего сигнала оповещения блоку оповещения.

6. Способ определения состояния земляного полотна, представляющего собой грунтовое основание, на котором расположена дорога для транспортного средства, характеризующийся тем, что в процессе монтажа грунтового основания укладывают трассу, состоящую из оптоволоконного сенсорного кабеля мониторинга земляного полотна, при этом в процессе монтажа определяют первоначальную информацию о состоянии земляного полотна, для чего в оптические волокна сенсорного кабеля вводят импульсы лазерного излучения, определяют спектральную характеристику излучения, рассеянного в обратном направлении, и как функцию времени регистрируют распределение спектральной характеристики обратнорассеянного излучения в зависимости от расстояния, принимая указанное распределение за первоначальное состояние земляного полотна, и осуществляют периодическую проверку состояния земляного полотна в процессе эксплуатации дороги для транспортного средства, для чего вдоль трассы уложенных оптических волокон размещают по меньшей мере один участок тестирования состояния земляного полотна, выполненный с возможностью доступа к основной трассе и возможностью его подключения посредством оптических кабелей связи, включенных в общую измерительную сеть, к контролирующей аппаратуре, осуществляющей опрос путем передачи на участок тестирования лазерных импульсов и обработку отраженных импульсов обратного рассеяния путем сравнения полученной информации в процессе эксплуатации с информацией о первоначальном состоянии, причем в случае выявления в процессе обработки отклонения контролируемых параметров земляного полотна выше установленных пороговых значений выдают управляющий сигнал оповещения блоку оповещения.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при проведении периодических испытаний на участке тестирования дополнительно прикладывают имитационное воздействие на сенсорные кабели с помощью устройства для имитации карстового провала и в случае превышения контролируемыми параметрами пороговых значений формируют управляющий сигнал оповещения, представляющий собой сигнал тревоги, поступающий в блок оповещения.