BR102015030366A2 - sistema para monitorar as condições de operação de um trem - Google Patents

Abstract

sistema para monitorar as condições de operação de um trem. o sistema (1) inclui um dispositivo a bordo (10), incorporando um dispositivo de geolocalização, uma série de sensores e ao menos um módulo de formatação para os sinais de medição brutos entregues por um ou mais de tais sensores para gerar ao menos um sinal formatado, e um dispositivo em solo (20), incorporando um computador capaz de analisar tal ao menos um sinal de formatação, gerar ao menos um indicador relativo à pista e/ou ao material circulante, tal indicador tornando possível detectar danos e monitorar suas variações de modo a otimizar a manutenção da pista e/ou do material circulante. o computador é um módulo de danos capaz de computar tal indicador de danos a partir de tal ao menos um sinal formatado e o modelo do tipo de dano monitorado.

Description

“SISTEMA PARA MONITORAR AS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DE UM TREM” [0001] A presente invenção se refere a um sistema para a monitoração de condições de operação de um trem.

[0002] O dimensionamento de um trem é baseado em hipóteses relativas às condições para as quais o trem foi projetado para ser operado. Por exemplo, o perfil de missão considerado para o trem, a qualidade da estrada de ferro na qual o trem irá viajar, a massa de passageiros transportados, as distâncias viajadas, o efeito de explosão ao passar através de túneis ou passar por outros trens, etc., serão levados em conta.

[0003] Essas hipóteses são definidas muito antes da fase de operação do trem, de modo que as condições de operação efetivas possam diferir dessas hipóteses iniciais.

[0004] Ainda, o desejo europeu de estender os perfis das missões, a deterioração gradual dos trilhos, a abertura de novas linhas nas quais o trem viaja, a alta taxa de ocupação, etc., fazem com que a operação efetiva de um trem seja tremendamente diferente das hipóteses inicialmente formuladas.

[0005] Esses desvios têm um impacto direto no envelhecimento do trem e, consequentemente, em sua manutenção e garantia, tanto em termos de segurança quanto de obrigações contratuais.

[0006] É necessário, portanto, criar uma base de conhecimento que torne possível monitorar as condições de operação efetivas do trem, ou, mais genericamente, de uma frota de trens, para garantir a vida útil do equipamento e permitir o projeto confiável de novos trens.

[0007] O artigo de H. Tsunashima et al, “Japanese Railway Condition Monitoring Of Tracks Using In-Service Vehicle”, CBM conference 2011, exibe um sistema para monitorar as condições de uma estrada de ferro. O trem é equipado com diferentes sensores que, por exemplo, torne possível detectar uma irregularidade no trilho a partir da aceleração vertical e da aceleração lateral no corpo do trem (o ângulo de rolagem do corpo sendo medido pelo uso de um giroscópio para distinguir entre uma irregularidade no trilho e uma irregularidade no terreno) ou, também, por exemplo, para detectar a corrugação dos trilhos a partir do ruído medido na cabine a computação do pico espectral. O trem também é equipado com um sistema que inclui um dispositivo de posicionamento por satélite, do tipo GPS, capaz de implantar um algoritmo de localização do trem em um mapa geográfico para identificar a localização precisa do trem e, consequentemente, aquela de uma falha detectada pelos sensores a bordo.

[0008] O documento US 8,504,225 B2 exibe um método para determinar uma vida útil restante para um componente de um veículo de trilhos operado em uma pista conhecida. O trem é equipado com diferentes sensores que tornam possível a obtenção de medições durante a operação normal do trem. Em particular, o trem é equipado com um dispositivo de localização por satélite torna possível marcar geograficamente as medições obtidas pelos sensores a bordo. Essas medições são enviadas, em seguida, a uma unidade de processamento remoto, em solo, capaz de agregar as medições recebidas no tempo e consequentemente atualizar o valor de uma vida útil restante de um componente do trem.

[0009] A presente invenção se destina a propor um sistema de monitoramento melhorado.

[0010] Para isto, a invenção se refere a um sistema para monitoramento das condições operacionais de um veículo de trilhos, incluindo um dispositivo a bordo, incorporando um dispositivo de geolocalização, uma série de sensores e ao menos um módulo de formatação para os sinais de medição brutos entregues por um ou mais de tais sensores para gerar ao menos um sinal formatado, e um componente no solo, incorporando um computador capaz de analisar tal ao menos um sinal formatado, gerar ao menos um indicador relativo à pista e/ou ao material circulante, tal indicador tornando possível detectar danos e monitorar suas variações de modo a otimizar a manutenção da pista e/ou ao material circulante, caracterizado pelo fato de que o computador é um módulo de danos capaz, a partir de tal ao menos um sinal formatado e um modelo do tipo de dano monitorado, de computar tal indicador de danos.

[0011] De acordo com outros aspectos vantajosos da invenção, o método inclui um ou mais das características, consideradas isoladamente ou de acordo com todas as combinações tecnicamente possíveis: [0012] - o dispositivo em solo inclui um módulo de variação de danos capaz, a partir de vários valores do indicador gerado na saída do módulo de danos, de computar a variação de tal indicador.

[0013] - o dispositivo em solo inclui um módulo de redução que usa uma matriz de ocorrência que toma ao menos um sinal formatado como entrada, o módulo de danos utilizando tal matriz como entrada.

[0014] - um módulo de supervisão capaz de comparar, a qualquer momento, o valor do indicador computado pelo módulo de danos e/ou o valor da variação de tal indicador computado pelo módulo de variação de danos, relativo a um limiar de alerta e, se tal limiar de alerta for excedido, o módulo de supervisão é capaz de gerar um alerta.

[0015] - o sistema inclui uma base de dados que armazena indicadores e/ou variações de indicador, preferencialmente marcadas com base no tempo e/ou localização.

[0016] A invenção será melhor entendida utilizando a descrição a seguir, provida apenas como exemplo não limitante e feita em referência aos desenhos em anexo, nos quais: [0017] - a figura 1 é uma vista diagramática da arquitetura de hardware do sistema de acordo com a invenção;

[0018] - a figura 2 é uma ilustração diagramática do dispositivo a bordo do sistema da figura 1; e [0019] - a figura 3 é um diagrama do processamento feito pelo sistema da figura 1.

[0020] Em geral, o sistema de monitoramento 1 de acordo com a invenção inclui um dispositivo a bordo 10 e um dispositivo em solo 20, os dados coletados pelo dispositivo a bordo 10 sendo comunicados ao dispositivo em solo 20 por meio de uma infraestrutura de comunicações por rádio 6.

[0021] De forma conhecida, a infraestrutura de comunicações 6 inclui, a bordo de cada trem na frota, um módulo de transmissão 11 capaz de estabelecer uma comunicação sem fio com uma estação base 7, que, por sua vez, é conectado a uma rede com fio 8. O dispositivo em solo 20 também é conectado à rede 8.

[0022] O dispositivo a bordo 10 inclui um dispositivo de geolocalização e uma série de dispositivos de mediação acoplados a uma série de sensores de modo a tomar medições contínuas e em tempo real de diversas propriedades físicas relevantes. Essas propriedades físicas são geolocalizadas e enviadas para o dispositivo em solo.

[0023] O dispositivo em solo 20 permite processamento em tempo real das medições dessas propriedades físicas que são relevantes para monitoramento em médio e longo prazo para avaliar indicadores de danos e de variação de danos e para monitoramento de curto prazo para detectar eventos excepcionais.

[0024] Como exibido na figura 2, para cada trem 2 de uma frota de trens, o dispositivo a bordo 10 inclui uma série de sensores 12. Os sensores podem ser redundantes. Eles são escolhidos por sua relevância na medição da condição de operação instantânea de um componente particular do trem 2, da estrada de ferro 3, ou da catenária (não exibido nas figura), etc. Essa escolha pode resultar da primeira campanha de teste, tornando possível a seleção de um grupo de sensores entre um amplo escopo de sensores possíveis.

[0025] Como exibido na figura 2, um sensor pode ser um acelerômetro 12.1, um meio de monitoramento ótico para a pista 12.2, um sensor de medição atual 12.3, um acelerômetro 12.4, meios de criação de imagens para a superfície de um trilho 12.5, um acelerômetro 12.6, meios de criação de imagens para soldas entre trilhos 12.7, uma câmera 12.8, um sistema a laser 12.9, etc.

[0026] O dispositivo a bordo 10 inclui vários módulos 14 para formatação de sinais brutos entregues pelos diferentes sensores 12. Um módulo 14 torna possível associar vários sinais brutos usando uma função matemática adequada para gerar um sinal formatado como saída, capaz de ser explorado diretamente pelos módulos do dispositivo em solo 20, como será descrito abaixo.

[0027] Na figura 2, por exemplo, o módulo 14.1 torna possível gerar um sinal formatado correspondente à condição instantânea da estrada de ferro. Esse sinal é desenvolvido a partir de sinais brutos entregues pelos sensores 12.1 e 12.2.

[0028] Também por exemplo, o módulo 14.2 torna possível gerar um sinal formatado correspondente à condição instantânea da superfície de um trilho. Esse sinal é desenvolvido a partir de sinais brutos entregues pelos sensores 12.3 e 12.5.

[0029] Também por exemplo, o módulo 14.3 torna possível gerar um sinal formatado correspondente à condição instantânea das soldas entre dois trilhos sucessivos. Esse sinal é desenvolvido a partir de sinais brutos entregues pelos sensores 12.6 e 12.7.

[0030] Também por exemplo, o módulo 14.4 torna possível gerar um sinal formatado correspondente à condição instantânea de expansão das soldas entre dois trilhos sucessivos. Esse sinal é desenvolvido a partir de sinais brutos entregues pelos sensores 12.6 e 12.7.

[0031] Também por exemplo, cada módulo 14 torna possível gerar um sinal formatado correspondente à condição instantânea da catenária. Esse sinal é desenvolvido a partir de sinais brutos entregues pelos sensores 12.8 e 12.9.

[0032] Esses sinais formatados são enviados ao dispositivo em solo 20 por meio da interface de comunicação de rádio 6.

[0033] Vantajosamente, cada módulo 14 inclui uma memória de buffer que toma possível registrar sinais de entrada em uma janela de tempo configurável. Essa janela, por exemplo, possui uma duração de várias horas de modo a permitir um recomeço do processamento de sinais brutos, por exemplo, no caso de interrupção da comunicação a bordo/em solo.

[0034] O dispositivo a bordo 10 também inclui um módulo de localização por satélite 13 do tipo GPS, de modo a poder marcar geograficamente os sinais formatados entregues a cada momento pelos diferentes módulos 14.

[0035] O dispositivo em solo 20 é, por exemplo, composto por um computador central 22, como exibido na figura 1.

[0036] Esse computador central 22 é capaz de executar módulos de software 24 diferentes, para implantar o método exibido na figura 3.

[0037] Portanto, o computador central 22 inclui um módulo 24.1 para redução em tempo real no fluxo de dados, o que torna possível reduzir consideravelmente a quantidade de dados correspondente aos sinais formatados que vêm do dispositivo a bordo 10 de um trem 2 em particular.

[0038] Para isso, o módulo 24.1 é capaz de se ocupar de um sinal formatado com base na amplitude. Mais especificamente, o módulo 24.1 utiliza uma matriz de ocorrência M, que é uma matriz quadrada com N colunas Ci. Por exemplo, a matriz M é uma matriz 64 x 64. Uma coluna Ci corresponde a um sinal formatado em particular, cada elemento mi,j da coluna Ci sendo associada a um intervalo com amplitude dj máxima do sinal formatado correspondente. O valor do elemento mi,j é igual ao número de ocorrências do sinal formatado associado à coluna Ci cuja amplitude máxima é situada no intervalo dj. A matriz M de ocorrência torna possível dar conta das diferentes formas do sinal formatado para cada tipo de sinal formatado. A matriz M será usada para monitoramento de médio e longo prazo de um componente por um computador 70 capaz de computar os danos D que afetem o trem monitorado.

[0039] O computador central 22 inclui um módulo 24.2 para detectar eventos excepcionais E para monitoramento de curto prazo. Um evento E excepcional é definido quando um determinado sinal formatado excede um limiar de amplitude. O limiar é, então, definido anteriormente por um operador durante a configuração do sistema de monitoramento, por meio de uma interface de usuário. Vantajosamente, esse limiar depende da posição no trem ao longo da pista relativo a uma origem pré-definida. Ao definir um alto limiar para um intervalo de posição ao longo da pista em que sabe-se que há uma falha, e um limiar baixo em outro lugar, é possível detectar a ocorrência de novas falhas na pista.

[0040] O computador central inclui um módulo 24.3 que reconhece a pista na qual o trem 2 está viajando no momento atual, a partir da posição P instantânea entregue pelo módulo de localização por satélite 13 do trem 2 e um conjunto de mapas da rede de estradas de ferro na qual o trem é alocado para viajar.

[0041] O computador central 22 inclui um módulo de danos 24.4 capaz de computar, a partir do valor atual da matriz de ocorrência M, mantida atualizada pelo módulo 24.1, e de informações de posicionamento geográfico do trem e de reconhecimento da pista mantidas atualizadas pelo módulo 24.3, uma propriedade D relativa a um dano mecânico que pode afetar um componente monitorado. Para isso, o módulo 24.4 usa um modelo de fadiga do componente monitorado. Esse modelo é escolhido de um catálogo de modelos possíveis, com base no tipo de dano sendo monitorado: danos por conta de passagens através de túneis, danos por conta de cruzamentos ao ar livre, etc.

[0042] O computador central 22 inclui um módulo de variação de danos 24.5 capaz de computar, em relação ao tempo ou distância viajados pelo trem, ou para uma pista ou perfil de pista determinado, uma variação em um dano D de uma série de valores da propriedade de dano D na saída do módulo 24.4.

[0043] O computador central 22 inclui uma interface homem/máquina que permite ao operador interagir com o sistema, por exemplo, para definir os valores de limiar de alerta para o dano ou suas variações e limiares para definir eventos excepcionais, ou para inicializar a matriz de ocorrência M.

[0044] O computador central 22 inclui um módulo de supervisão 26 capaz de comparar, a cada momento, o valor de um dano D ou o valor de uma variação de dano AD relativos a um limiar de alerta. Se esse limiar de alerta for excedido, o módulo 26 é capaz de gerar um alerta de manutenção.

[0045] Por fim, o dispositivo em solo inclui uma base de dados 23 que registra: [0046] - os vários danos D computados pelo módulo de computação de danos 24.4 e pelo módulo de computação de variação: dano absoluto, dano relativo, dano por pista, etc.

[0047] - a primeira e qualquer segunda variações do dano, relativas à distância viajada ou ao tempo ou a outros parâmetros. Isso torna possível caracterizar a velocidade de deterioração, e, assim, proporcionar a próxima fase de manutenção do material circulante ou da pista em questão, e opcionalmente detectar uma aceleração da deterioração que requer que a fase de manutenção seja movida para executar uma intervenção rápida para garantir segurança.

[0048] Os indicadores computados pelo sistema são mais relevantes do que apenas a milhagem viajada pelo trem.

[0049] O sistema possibilita a análise de ambos os eventos de curta duração (defeitos locais de aparatos de pista que criam estresses anormais, passar ao lado de outro trem em altas velocidades, movimentos de pista, etc.) e os eventos de longa duração (envelhecimento dos trilhos e equipamento).

[0050] Utilizando esses indicadores, a vida útil e/ou o intervalo de manutenção do trem podem ser otimizados, em particular para adaptar o perfil de missão relativo a um indicador correspondente a um indicador de estresse de pista.

[0051] Ainda, dados factuais sobre a qualidade de pista da rede são obtidos de modo a realizar manutenção dos trilhos.

[0052] Portanto, esse monitoramento torna possível otimizar a manutenção de uma frota de trens e detectar qualquer aparição de falhas na pista que deteriorem anormalmente o conforto dos passageiros e a vida útil do trem.

[0053] Ainda, o construtor pode ter informações objetivas relacionadas a uma garantia do equipamento. Garantias contratuais podem, portanto, estar sujeitas a cláusulas de operação que possam ser monitoradas pelo sistema de acordo com a invenção.

[0054] Conforme a base de dados for enriquecida, torna-se possível, com o passar do tempo, definir cenários de operação mais realísticos para o dimensionamento de produtos futuros.

Claims (6)

1. Sistema (1) para monitorar as condições de operação de um veículo de trilhos (2), incluindo um dispositivo a bordo (10), a bordo de tal veículo de trilhos, incorporando um dispositivo de geolocalização (13), uma série de sensores (12) escolhidos por sua relevância para medir uma condição de operação instantânea de um componente monitorado de tal veículo de trilhos, e ao menos um módulo (14) que formata os sinais de medição brutos entregues por um ou mais de tais sensores para gerar ao menos um sinal formatado, e um dispositivo em solo (20), incorporando um computador capaz de analisar tal ao menos um sinal formatado, gerar ao menos um indicador relativo ao componente monitorado, tal indicador tornando possível detectar danos e monitorar suas variações de modo a otimizar a manutenção de tal componente monitorado, caracterizado pelo fato de que o computador é um módulo de danos (24.4) capaz, a partir do dito pelo menos um sinal formatado e um modelo de fadiga do componente monitorado, de computar tal indicador.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo em solo (20) inclui um módulo de variação de danos (24.5) capaz, a partir de vários valores do indicador gerado na saída do módulo de danos (24.4), de computar a variação de tal indicador.

3. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que o dispositivo em solo (20) inclui um módulo de redução (24.1) que usa uma matriz de ocorrência (M) que toma ao menos um sinal formatado como entrada, o módulo de danos (24.4) utilizando tal matriz como entrada.

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que inclui um módulo de supervisão (26) capaz de comparar, a qualquer momento, o valor do indicador computado pelo módulo de danos (24.4) e/ou o valor da variação de tal indicador computado pelo módulo de variação de danos (24.5), relativo a um limiar de alerta e, se tal limiar de alerta for excedido, o módulo de supervisão (26) é capaz de gerar um alerta.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que inclui uma base de dados (23) que armazena indicadores e/ou variações de indicador.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que indicadores e/ou variações de indicador têm registro de tempo e/ou localização.