شماره ركورد
27450
پديد آورنده
كاوه مهرزادبزكويه
عنوان
ارائه مدل پيشبيني سرعت عبور ايمن قطار از بخش مستقيم سوزن بر مبناي اندازه گيري پارامترهاي مكانيكي و هندسي با استفاده از محاسبات نرم
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
راه آهن
سال تحصيل
1393
تاريخ دفاع
1401/7/26
استاد راهنما
شروان عطايي
دانشكده
راه آهن
چكيده
سوزن ها، علاوه بر اين كه اِلمان هاي بسيار حياتي و مهم در حمل و نقل ريلي به شمار مي روند، به دليل ناپيوستگي ريل، نواحي حادثه خيز با نيروهاي اندركنشي بالا محسوب مي شوند. امروزه با نياز روزافزون به افزايش سرعت و بار محوري و با توجه به هزينه بالاي تامين و نگهداري سوزن، توجه مداوم به سلامت سوزن ها و سير ايمن ناوگان با حداكثر سرعت مطمئنه از ضروريات صنعت ريلي كشور به شمار مي روند.
توسعه مدل هايي بر مبناي داده هاي سامانه پايش، براي پيشبيني وضعيت ارتعاش سوزن كه قابليت در نظر گرفتن مشخصات ناوگان واقعي را داشته باشد، مي تواند به شناسايي قطارهاي آسيب زا، تعيين سرعت ايمن از سوزن و در نهايت كاهش هزينه هاي نگهداري و تامين سوزن بيانجامد. مدل هاي موجود در ادبيات فني موضوع، محدوديت هاي متعددي دارد. در اين مطالعه ضمن بيان اين محدوديت ها روشي جديد، دقيق و كاربردي بر مبناي داده هاي واقعي اندازه گيري شده ارائه شده است.
هدف از رساله پيش رو، ايجاد مدلي براي پيش بيني رفتار سوزن بر اساس پارامترهاي مكانيكي و هندسي ثبت شده هنگام عبور ناوگان مختلف به واسطه داده كاوي پايگاه اطلاعات سامانه پايش دائم سوزن است. به اين منظور داده هاي سامانه پايش سوزن ايستگاه ياتري در محور تهران-مشهد مورد استفاده قرار گرفته است كه با شناسايي عبور روزانه بيش از 30 قطار، به طور متوسط حجم اطلاعاتي بسيار بالايي شامل بيش از 7 ميليون داده در شبانه روز براي حسگرهاي مختلف اعم از شتاب، كرنش، سرعت قطارها، جابجايي تيغه و نيرو در اِلمان هاي مختلف سوزن را در راستاي پايش مستمر وضعيت سوزن تحت ترافيك ريلي ثبت مي كند. در اين پايان نامه ضمن پردازش اوليه و ارزيابي خروجي تمامي حسگرهاي سامانه پايش، مدلسازي رفتار ارتعاشي سوزن حين عبور قطارهاي مسافري و پيشبيني آن در سرعت هاي بالاتر در بخش تكه مركزي انجام شده است. تعيين سرعت سير ايمن قطار در خط مستقيم سوزن يكي ديگر از اهداف اين پايان نامه مي باشد. سرعت سير ايمن قطار از سوزن به عوامل مختلفي مانند مشخصات هندسي و مكانيكي سوزن و وضعيت نگهداري ناوگان و سوزن (مانند سن سوزن و ناوگان، تاريخچه نگهداري سوزن و ناوگان و غيره) بستگي دارد و مجموعه اين عوامل روي پاسخ ديناميكي سوزن حين عبور قطار تاثير گذار هستند.
در بخش تكه مركزي، با استفاده از يك روش حذف بازگشتي از بين پارامترهاي موثر (به صورت آماري) در پاسخ ارتعاشي ريل تكه مركزي، پارامترهاي ورودي مستقل شامل سرعت، تعداد واگن ها، بار محوري لوكوموتيو و واگن ها براي عرضه به مدل پيشبيني محاسبات نرم انتخاب شدند. محاسبات نرم با الهام از هوش انسان و با استفاده از منطق فازي و يادگيري ماشين براي مدل كردن تابع هدف از داده هاي موجود آموزش مي يابند. از مدل خطي محلي LOLIMOT Local Linear Model Tree)) براي پيشبيني ارتعاشات وارده به تكه مركزي روي داده هاي مربوط به عبور 146 قطار مسافري استفاده شده است. نتايج در مقايسه با اندازه گيري ها، از دو روش اعتبارسنجي صحت سنجي شده اند و بيشينه خطاي پيشبيني مدل به ترتيب براي اعتبار سنجي متقابل و برونيابي 6 و 5 درصد به دست آمده است. نتايج مطالعه در بخش تكه مركزي به دو خروجي مشخص دسته بندي قطارهاي مسافري و تعيين سرعت ايمن عبور از خط مستقيم سوزن منتهي شد. لوليموت قطارها را در چهار دسته از لحاظ الگوي مدل پاسخ سوزن تقسيم بندي كرد كه در اين ميان دسته هاي 1 و 2 با توجه به نتايج تحليل حساسيت به عنوان دسته هاي بحراني نسبت به افزايش سرعت شناسايي شدند. با استفاده از نتايج پيشبيني مدل و تعريف شاخص ريسك افزايش سرعت، شدت ريسك براي كليه قطارها تا سرعت km/h 130 بر مبناي شناسايي تازگي تخمين زده شد. سرعت 130 كيلومتر بر ساعت براي ارزيابي ريسك قطارها با توجه به محدوديت سرعت در داده هاي برداشت شده انتخاب شده است و با افزايش سرعت قطارها تا 130 كيلومتر بر ساعت مجددا بررسي ها تا 160 كيلومتر بر ساعت قابل انجام است. مطابق نتايج تعداد 19 مورد از قطارها در دسته هاي بحراني 1 و 2 داراي ريسك شناسايي شدند كه از اين تعداد تنها 10 مورد داراي ريسك متوسط و زياد براي افزايش سرعت از 100 به km/h 130 مي باشند.
داده هاي جابجايي هاي تيغه براي پايش ميزان ارتعاش و اثر ضربات چرخ ناشي از عبور قطار به طور كاربردي قابل استفاده است. دسته بندي قطار ها بر اساس اندازهگيري جابهجاييهاي جانبي تيغه سوزن (BLD) در اثر رفتارهاي مختلف اندركنشي قطار/سوزن انجام شده است. دادههاي با فاصله از دادههاي معمولي با روش تشخيص تازگي شناسايي و به قطارهاي كلاس دوم اختصاص يافتند. تفاوت اصلي در ارتعاش تيغه هاي ناشي از قطارهاي شناسايي شده، ارتعاش آزاد در مناطق مياني و بين عبور دو جفت بوژي سيگنال هاي BLD بود كه لزوماً در قطارهايي با حداكثر ارتعاش تيغه رخ نمي دهد.
همچنين قطارها با استفاده از اندازه گيري هاي كرنش ريل دسته بندي بندي شدند. بر اساس نتايج، 80 درصد قطارهاي شناسايي شده با نتايج روش شناسايي تازگي مطابقت داشتند. همچنين تمامي قطارهاي شناسايي شده با اين روش زيرمجموعه قطارهايي بودند كه با رويكرد شناسايي تازگي شناسايي شدند. در نهايت، الگوهاي كرنش و سيگنالهاي BLD براي دو قطار نماينده مقايسه شد و تفاوتهاي ملموسي در مقادير و الگوها مشاهده شد.
اهميت اين بخش از پژوهش، در ارائه راهكار جديد براي پايش كنار خط و شناسايي الگوهاي مختلف ارتعاش ريل تيغه به روش بدون نظارت است. اين مطالعه يك تلاش اوليه براي اندازهگيري و پردازش پاسخهاي خط با استفاده از حسگر جابجايي در پانل سوزن راهآهن است. نوآوري هاي اين پايان نامه را مي توان در محورهاي اصلي شامل توسعه مدل محاسبات نرم پيشبيني ارتعاش تكه مركزي، شناسايي سرعت ايمن عبور از تكه مركزي و شناسايي وضعيت و دسته بندي قطارهاي ترنست از بخش تيغه سوزن به كمك روش شناسايي تازگي خلاصه كرد.
تاريخ ورود اطلاعات
1401/09/13
عنوان به انگليسي
Presenting a prediction model for the safe passage speed of the train through the main line of the turnout based on the measurement of mechanical and geometrical parameters using soft computing
تاريخ بهره برداري
10/18/2023 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
كاوه مهرزادبزكويه
چكيده به لاتين
Turnouts, in addition to being very vital and important elements in rail transportation, are accident-prone areas with high interaction forces due to the discontinuity of the rail. Today, with the increasing need to promote the speed and axial load, and considering the high cost of supply and maintenance of turnouts, constant attention to the health of the turnouts and the safe running of the vehicles at the maximum reliable speed is among the necessities of the railway industry.
Developing models based on monitoring system data to predict turnout vibration conditions can help to identify harmful trains, determine the safe speed of the needle, and finally reduce the cost of maintaining and supplying the needle. The models available in the technical literature have several limitations. In this study, while stating these limitations, a new, accurate and practical method based on actual measured data is presented.
The aim of the thesis is to create a model to predict the behavior of the turnout based on the mechanical and geometric parameters recorded during the passage of different rolling stocks through data mining of the database of the continuous monitoring system of the turnout.
For this purpose, the data of the needle monitoring system of the Yatri station on the Tehran-Mashhad axis has been used, which detects the daily passage of more than 30 trains, including more than 7 million data per day.
In this thesis, along with the initial processing and evaluation of the output of all the sensors of the monitoring system, the modeling of the vibration behavior of the turnout during the passage of passenger trains and its prediction at higher speeds in the crossing panel has been done. Determining the safe running speed of the train on the main line of the crossing is another goal of this thesis.
The safe running speed of the train from the turnout depends on various factors such as the geometric and mechanical characteristics of the turnout and the state of maintenance of the turnout and the vehicles (such as the age of the turnout and the vehicles, the maintenance history of the turnout and the vehicles, etc.), and the set of these factors affects the dynamic response of the turnout. In the crossing panel, using a recursive elimination method among the parameters effective in the vibration response of nose rail, independent input parameters including speed, number of wagons, axle load of the locomotive and wagons were selected to be supplied to the soft computing prediction model.
The local linear model (Lolimot) has been used to predict the vibrations of the crossing panel based on the data related to the passage of 146 passenger trains. The results have been verified by two validation methods in comparison with the measurement values, and the maximum prediction error of the model is 6% and 5% respectively for cross-validation and extrapolation.
The results of the study in the crossing panel led to two distinct outputs of passenger train classification and determining the safe speed of trains from the main line of the turnout. Lolimot divided the trains into four categories according to the pattern of the turnout response model, among which categories 1 and 2 were identified as critical categories according to the results of sensitivity analysis. Using the prediction results of the model and the definition of the speed increase risk index, the severity of the risk was estimated for all trains up to a speed of 130 km/h based on novelty detection. The speed of 130 km/h has been chosen to assess the risk of trains according to the speed limit in the collected data, and by increasing the speed of trains to 130 km/h, the tests can be done again up to 160 km/h. According to the results, 19 cases of trains in critical categories 1 and 2 were identified as having risk, of which only 10 cases have medium and high risk for increasing the speed from 100 to 130 km/h.
The data of blade movements can be used practically to monitor the amount of vibration and the effect of wheel shocks caused by the passing of a train. The classification of trains is based on the measurement of switch blade lateral displacements (BLD) due to different train/turnout interaction behaviors.
Data with distance from normal data were identified by novelty detection method and assigned to second class trains. The main difference in the blade vibration caused by the detected trains was the free vibration in the intermediate areas between two bogie pairs passing, which does not necessarily occur in trains with maximum blade vibration.
Also, trains were classified using rail strain measurements, and 80% of the identified trains matched the results of the novelty detection method.
Also, all the trains detected by this method were the subset of trains that were identified by novelty detection. Finally, strain patterns and BLD signals for two representative trains were compared and significant differences in values and patterns were observed.
The importance of this part of the research is in providing a new solution for track-side monitoring and identifying different vibration patterns of the blade rail in an unsupervised way. This study is an initial attempt to measure and process line responses using a displacement sensor in a railway switch panel.
The innovations of this thesis can be summarized in the main axes, including the development of a soft computing model for predicting the vibration of the crossing panel, identifying the safe speed of passing through the crossing panel, and identifying and classifying the status of trains from the switch blade displacements using the novelty detection method.
كليدواژه هاي فارسي
تكه مركزي سوزن , تيغه سوزن , محاسبات نرم , سرعت ايمن , مدل فازي-عصبي
كليدواژه هاي لاتين
crossing panel , switch blade , soft computing , safe speed , neuro-fuzzy model
Author
Kaveh Mehrzad Bozkoye
SuperVisor
Shervan Ataei