Medzi najmodernejšie snímacie systémy, ktoré umožňujú v železničnej doprave detegovať rôzne parametre, patria optické systémy založené na využívaní vlastností optických vláken. Nový typ optického vláknového snímača vyvinuli na Katedre fyziky Fakulty elektrotechniky a informačných technológií Žilinskej univerzity. Aké sú jeho výhody?
Súčasné globálne problémy týkajúce sa klimatickej zmeny a závislosti niektorých krajín od dovozu fosílnych palív upriamujú pozornosť aj na udržateľné spôsoby dopravy, ktoré umožňujú prepravovať osoby, tovar a suroviny.
Čo sa týka emisií oxidu uhličitého, v motorizovanej doprave majú najnižšie emisie CO2 na tonu a kilometer prepraveného nákladu železničná a lodná doprava. Železničná doprava sa preto považuje za environmentálne prijateľný dopravný systém, ktorý môže prepraviť veľké množstvá tovaru na stredné a dlhé vzdialenosti rýchlo, relatívne lacno, bezpečne a ekologicky. Aj preto sa očakáva, že jej význam v budúcnosti bude rásť.
Monitoring vozidiel
Služby, ktoré poskytuje železničná doprava, závisia okrem iného od kvality dopravnej cesty a od kvality a spôsobu používania vozového parku koľajových vozidie. Tie pritom priamo ovplyvňujú kvalitu dopravnej cesty, lebo nekvalitné a nesprávne využívané koľajové vozidlá môžu poškodzovať železničnú trať. Prevádzkovatelia železničných tratí preto majú záujem monitorovať stav koľajových vozidiel pohybujúcich sa po železničných koľajach.
Za účelom monitorovania pohybu a stavu koľajových vozidiel sa vyvíjajú rôzne snímacie systémy, ktoré sa často integrujú so železničnou koľajou. Tieto snímacie systémy fungujúce na mechanickom, elektrickom alebo optickom princípe umožňujú určovať rôzne parametre vlakových súprav, od detekcie ich pohybu až po detegovanie poškodení na kolesách jednotlivých vozidiel súprav.
Predchádzanie škodám
Všetky poskytnuté informácie sú dôležité pre prevádzkovateľov železničných tratí pri samotnej prevádzke trate, ale aj pri identifikácii nesprávne prevádzkovaných alebo poškodených koľajových vozidiel, ktoré pri ich používaní môžu poškodzovať železničnú trať. Takáto identifikácia sa dá prevádzkovateľom tratí využiť na zvýšené spoplatnenie, obmedzenie alebo zakázanie používania identifikovaných nekvalitných koľajových vozidiel. Informácie zo spomínaných snímacích systémov však môžu byť užitočné aj pre prevádzkovateľov dopravy na trati a to včasnou identifikáciou chýb na vozidlách, ktoré môžu byť v počiatočných štádiách jednoduchšie a lacnejšie opraviteľné, čo môže šetriť náklady potrebné na údržbu vozidiel.
Na Katedre fyziky Fakulty elektrotechniky a informačných technológií Žilinskej univerzity v Žiline majú dlhoročné skúsenosti s využívaním optických vláken na snímacie účely a v tejto súvislosti sa pracovníkom tejto katedry podarilo vyvinúť a v spolupráci so spoločnosťou Betamont s.r.o. otestovať nový typ optického vláknového snímača, ktorý umožňuje monitorovať niektoré parametre železničnej dopravy.
Princíp a konštrukcia senzora
Princíp tohto snímača je založený na Fabryho-Pérotovom interferometri. Máloodrazový optický rezonátor je pripravený z jednomódového optického vlákna, ktoré slúži ako snímacie vlákno. Zrkadlá rezonátora tvoria jednotlivé čelá snímacieho vlákna, ktoré sú obklopené vzduchom. Monochromatické svetlo vstupujúce do snímacieho optického vlákna z napájacieho optického vlákna sa čiastočne odráža od vstupného aj výstupného čela snímacieho optického vlákna. Odrazené svetlo následne zachytáva napájacie optické vlákno, v ktorom je možné pozorovať interferenciu svetla medzi odrazenými lúčmi zo snímacieho vlákna. Detegovaná hodnota interferenčného signálu pritom závisí od dĺžky snímacieho vlákna. Ak sa zmení jeho dĺžka, prejaví sa to zmenou úrovne interferenčného signálu.
Z fyzikálneho hľadiska ide o rovnaký princíp merania, aký využíva experiment LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) pri detekcii gravitačných vĺn. Kým pri meraní gravitačných vĺn sa mení dĺžka ramena interferometra v dôsledku zmeny dĺžky priestoru pod vplyvom gravitačnej vlny, pri optickom vláknovom interferometri sa mení dĺžka ramena interferometra (optického vlákna) napríklad jeho ohybom.
Keďže snímač sa má dlhodobo používať pri monitorovaní železničnej dopravy a je vyrobený zo sklených optických vláken, ktoré sú krehké, pozostáva nielen zo snímacieho optického vlákna, ale aj podpornej kovovej konštrukcie vhodne doplnenej polymérnymi živicami. Takáto konštrukcia zabezpečuje mechanickú odolnosť snímača umiestneného na spodok koľajnice medzi dva podvaly.
Detekcia signálu
Ako sa blíži koleso železničného vozidla k miestu umiestnenia snímača, dochádza k postupnému ohybu koľajnice, ktorý spôsobuje zmenu dĺžky snímacieho optického vlákna. Zmena dĺžky vytvorí zmenu fázového rozdielu medzi interferujúcimi lúčmi v napájacom optickom vlákne, čo sa na detektore snímača prejaví zmenou úrovne elektrického signálu.
Spracovaním nameraného signálu sa dá s použitím jedného alebo viacerých nainštalovaných snímačov určiť prítomnosť pohybujúceho sa vlaku v danom úseku trate, počet náprav vlakovej súpravy, rýchlosť a zrýchlenie vlaku a hmotnostné zaťaženie jednotlivých kolies železničných vozidiel, čím možno odhaliť nerovnomerné rozmiestnenie nákladu na vozidle.
Keďže detekčná jednotka snímača dokáže zaznamenávať zmeny dĺžky snímacieho vlákna na úrovni desiatok nanometrov, snímač dokáže detegovať aj mechanické vibrácie. Tie sa v koľajniciach vytvárajú v dôsledku plochých kolies a hluku valenia, ktorý vytvárajú nedostatočne udržiavané železničné vozidlá. Snímač je preto možné použiť tak na monitorovanie dynamiky železničnej prevádzky, ako aj na monitorovanie kvalitatívneho stavu vozidiel pohybujúcich sa po železničnej dráhe.
Výnimočné vlastnosti
Výhody vyvinutého snímača v porovnaní s inými typmi snímačov na monitorovanie železničnej dopravy sú dané jeho jednoduchosťou, rýchlou inštaláciou bez obmedzovania vlakovej prevádzky, multifunkčnosťou a v porovnaní s elektrickými snímačmi aj odolnosťou proti elektromagnetickej interferencii, keďže snímač pracuje iba so svetlom. Nezanedbateľnou výhodou sú aj relatívne jednoduché a finančne nenáročné zariadenia, ktoré sú potrebné na jeho prevádzku.
Veľká citlivosť vyvinutého snímača dokáže zabezpečiť detekciu najrozmanitejších vibrácií, ktoré sú generované železničnými vozidlami. Prebiehajúci výskum týchto vibrácií meraných priamo na železničnej trati môže pomôcť pri skorej diagnostike poškodení železničných vozidiel, čo môže prispieť k ochrane kvality železničnej trate, ako aj zníženiu hlučnosti železničnej premávky.
Správne využívanie údajov poskytovaných železničnými snímacími systémami môže v konečnom dôsledku prispievať ku skvalitneniu a zatraktívneniu železničnej dopravy.
Ivan Martinček, Daniel Káčik
Katedra fyziky FEIT
Žilinská univerzita v Žiline
Juraj Maciak
BETAMONT s.r.o.
Tento článok vznikol vďaka podpore Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-19-0602 a v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Národná infraštruktúra pre podporu transferu technológií na Slovensku – NITT SK II (kód ITMS:313011T438), podporený zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
