2. Оптический способ идентификации железнодорожных вагонов по осевым профилям баз тележек

Заявленный способ является альтернативой дорогостоящим оптическим системам распознавания с использованием видеокамер и искусственного интеллекта.

Единственное условие, ограничивающее применение способа заключается в том, что система должна заранее знать информация о каждом железнодорожном составе, который поступит на территорию промышленного производства. Должны быть известны все номера вагонов и последовательность расположения в железнодорожном составе.

Это условие для крупного промышленного производства в настоящее время выполняется. Информация о каждом железнодорожном составе, поступающим на территории промышленного производства, представлена в виде телеграммы натурного листа поезда (ТГНЛ), с указанием всех вагонов входящих в его состав и их последовательности номеров.

Предлагается за идентификационный параметр для каждого грузового вагона брать колёсные базы его двух тележек. Каждый Ж/Д вагон в своей серии конструктивного исполнения, в том числе и тележек – индивидуален. Невозможно изготовить две строго идентичные тележки. К тому же база каждой тележки в течении относительно небольшого периода будет зависеть только от температурных условий окружающей среды, которые можно легко учесть программным способом.

Таким образом, идентификационная характеристика каждого вагона носи вероятностный характер.

Рассмотрим пример использования способа идентификации применительно к самому распространённому типу колёсных тележек с базой в 1850 мм.

Рис. № 2. Вагонная тележка, размеры.

Где:

B – колёсная база, мм.

L – идентификатор, мм.

H – высота идентификатора над Ж/Д полотном, мм.

Для других типов тележек способ идентификации идентичен и будет зависеть только от места статического расположения оптических датчиков.

Согласно ГОСТ колёсная база классической тележки равна 1850 мм с погрешностью от 1800 до 1890 мм.

Измерение расстояния колёсной базы будем проводить с помощью лазерных импульсно-оптических датчиков с чувствительностью на переключение – 0,01 мм.

В диапазоне выше указанных отклонений базы согласно ГОСТ в 90 мм для одной тележки в идеальных условиях (без влияния температуры окружающей среды и степени износа вагона) вероятность распознавания в идеальных условиях составит 1:90 000. Вероятность распознавания системой одного вагона с двумя тележками будет составлять 1:180 000.

В реальных условиях с учётом степени износа вагона и температурных условий окружающей среды – вероятностные значения идентификации будут в разы меньше, но достаточны для заявляемых целей учёта времени нахождения на территории промышленного производства.

Техническая реализация способа в упрощённом виде представлена на рис. № 3 только для одной стороны Ж/Д пути. Для другой стороны Ж/Д пути принцип идентичен.

Рис. № 3. Способ идентификации по колёсной базе.

Четыре оптические пары датчиков (в дальнейшем – датчики) стационарно размещены вдоль Ж/Д полотна на высоте h в пункте входа/выхода Ж/Д составов на/из территории промышленного производства.

Датчики располагаются таким способом, чтобы с учётом возможного максимального расстояния колёсной базы из стандарта ГОСТ– два крайних датчика (1,4) перекрывались колёсами, а два внутренних (2,3) – были открытыми. В случае выше указанного расстоянием размещения крайних датчиков будет 890 мм плюс расстояние однозначного распознавания перекрытия. Расстояние между 1 и 2, а также между 3 и 4 датчиками выбирается также исходя из однозначного распознавания переключения их по отдельности.

Направление переключения между 1 и 2, а также между 3 и 4 датчиками определяет направление движения вагона и его мгновенную скорость.

Разница во времени переключения между 1,2 и 3,4 для двух тележек вагона будет являться идентификатором самого вагона с учётом температурной коррекции воздействия окружающей среды.

При этом информация из телеграммы натурного листа поезда (ТГНЛ) от РЖД привяжет этот идентификатор к конкретному номеру вагона для заявленных целей учёта времени нахождения на территории промышленного производства.

Конструктивное исполнение способа достаточно просто. В упрощённом виде минимум – 8 лазерных датчиков (по 4 на каждую сторону Ж/Д полотна), плата сопряжения и компьютер.

Программное обеспечение способа также относительно просто по сравнению с искусственным интеллектом систем оптического распознавания номеров.

Таким образом с учётом Выше изложенного каждому прибывающему грузовому Ж/Д вагону по его номеру система присваивает свой идентификатор по измеренным расстояниям между колёсными базами двух тележек. По этому идентификатору система определяет время нахождения вагона на территории промышленного производства. Как уже было сказано выше – идентификатор имеет вероятностную характеристику и в идеальных условиях равен 1:180 000.

В реальных условиях с учётом степени износа вагона и температурных условий окружающей среды – вероятностные значения идентификации системой будут в разы меньше, но достаточны для заявляемых целей.

Таким образом:

Преимущества метода:

1. Экономичность:

– Лазерные датчики существенно дешевле комплексных систем видеонаблюдения с системами распознавания ГОСТ-номеров и нейросетевой обработки.

2. Надёжность:

– Отсутствие зависимости от погодных условий, загрязнения вагонов, повреждений маркировки и помех в виде граффити.

3. Высокая относительная уникальность сигнатур:

– Несмотря на то что ГОСТ допускает только 90 мм отклонений колёсной базы (1800–1890 мм), в сочетании со вторичной базой тележки и температурной коррекцией достигается высокая вероятностная уникальность идентификации 1:180 000 (в идеальных условиях) и 1:10 000–1:30 000 в реальных условиях, что достаточно в задачах «учёт-пребывание-выход».

4. Объективность данных:

– Колёсная база – это физическая характеристика, не подверженная визуальному искажениям и фальсификации, в отличие от табличек или радиометок.

5. Простота интеграции:

– Система может быть интегрирована в существующие IT-структуры

(АСУ ТП, ERP, MES) предприятия для ведения автоматизированного учёта железнодорожного трафика.

Алгоритм работы системы

– Оптические датчики, установленные по обе стороны рельсов (или с одной стороны при подтверждённой точности), фиксируют моменты прохождения каждой оси;

– По времени переключений фиксируются метки входа/выхода передней и задней пары колёс;

– Измеряется база тележек, направление движения, мгновенная скорость;

– Рассчитанные значения обрабатываются с учётом температуры и подаются в модуль идентификации;

– Происходит привязка к вагону согласно ТГНЛ (натурному листу), интеграция с системой учёта времени пребывания на территории;

– При выходе из промплощадки система автоматически фиксирует момент покидания вагона и рассчитывает общее время пребывания.

Прогнозируемая точность и надёжность:

– Даже с учётом допустимых погрешностей (+-0,01 мм лазерный датчик, +-2–3 мм температурная компенсация) система показывает высокую стабильность метки;

– Вероятность перекрёстной ошибки ниже допустимого для задач оперативного учёта (менее 1/1000 при соблюдении термокоррекции и высокой частоте дискретизации);

– Уникальность базов зависит от возраста, модели, условий эксплуатации тележек, что усиливает различимость.

Технические особенности реализации:

– Независимое питание/резервируемость датчиков – при установке вблизи ж/д рампы или ворот;

– Климатическая защита IP65+; возможна установка в теплоизолированных кожухах;

– Интерфейс связи с АСУ предприятия – OPC UA / Modbus / MQTT / REST API;

– Возможность модернизации до контроля геометрии всего состава или интеграции в систему контроля технического состояния вагонов.

Ограничения метода:

– Не подходит для ситуаций, в которых запрещена или невозможна предварительная загрузка информации о составе (ТГНЛ);

– Не заменяет классическую систему идентификации (для служб безопасности, например), но дополняет её в производственном учёте;

– Требует точной установки датчиков и периодической повторной метрологической поверки измерительной системы.

Представленный способ является надёжной, масштабируемой и малозатратной альтернативой дорогим системам видеоанализа и радиометок в задачах учёта времени нахождения железнодорожных вагонов на территории промышленного предприятия. Используя физически воспроизводимую характеристику – колёсную базу тележек, измеряемую с высокой точностью с помощью лазерных датчиков, он обеспечивает достаточную степень уникальности для оперативного контроля, автоматизации логистики и оптимизации работы служб снабжения и отгрузки.

Заключение

Предложенный способ представляет собой эффективную, экономически оправданную и инженерно реализуемую альтернативу классическим системам идентификации железнодорожных вагонов на базе видеоаналитики, компьютерного зрения и распознавания символов (OCR). Он ориентирован на промышленное применение в условиях, когда заранее известна структура состава, а режим времени пребывания вагонов на территории или в производственном цикле критичен для управления логистикой и планирования.

3. Система оптического контроля частоты вращения роликов конвейера

Предлагается бесконтактная, модульная система контроля вращающихся роликов рольганга, реализуемая с использованием оптических датчиков и светоотражающих маркеров, установленных на поверхности каждого ролика. Система обеспечивает полный контроль за состоянием, скоростью и синхронностью вращения роликов без вмешательства в механическую часть рольганга. Технология позволяет быстро модернизировать существующие производственные линии, в том числе на больших высотах. С учётом бюджета до 2000 евро допустимая длина контролируемого рольганга, размещенного на высоте 10 метров, составляет ориентировочно до 96 метров при установке 192 роликов.

Известно, что основными причинами проблем с роликовыми конвейерами являются заедание ролика из-за повреждения подшипника ролика, перекос подшипника и т.п. К сожалению, полностью предотвратить заедание роликов невозможно, поэтому задача постоянного мониторинга актуальна.

Эта задача успешно решается в настоящее время различными вибродиагностическими или токовыми методами. Из экстравагантных есть метод термосканирования (визуализация нагрева ролика, или корпуса подшипника). Но все они имеют существенные недостатки, связанные со стоимостью и сложностями в обслуживании.

Исходя из выше изложенного идея предлагаемого способа заключается в последовательном бесконтактном измерении скорости вращения всех ролик рольганга одним лазерным тахометром согласно схемы:

Рис. № 4. Система реализации оптического (бесконтактного) контроля частоты вращения всех роликов конвейера.

Известно, что в лазерном тахометре реализован бесконтактный дистанционный принцип измерения частоты вращения – излучение и прием светового луча, отраженного от светоотражающей метки, прикрепленной к видимой части вращающегося механизма. При этом сам тахометр должен быть установлен на стационарно размещённой поворотной платформе посредине на определённой высоте над конвейером. Дополнительно для этих целей необходимо нанести на торец бочки каждого ролика светоотражающую метку с размерами, не ниже указанных ниже и с учётом технических характеристик на сам лазерный тахометр.

Привод поворотной платформы управляется программным способом. Программным способом одновременно привязываются значения измеренных частот вращения с углами поворота платформы на определённый ролик.

Тахометр на управляемой приводной поворотной платформе размещён сверху конвейера на определённой высоте. Совершает полу вращения в разные стороны, тем самым направляется последовательно на каждый ролик рольганга. Таким образом последовательно измеряется частота вращения каждого ролика рольганга и передаётся для обработки в компьютер.

Базовое программное обеспечение управления поворотной платформой широко представлено в разделе самодельных 3D принтеров / фрезеров.

Необходимо программно связать периодически меняющуюся информацию о измеренной частоте вращения с углом поворота поворотной платформы на определённый ролик. В случае изменения частоты вращения какого-либо ролика в любую сторону от заданной предельно допустимой – сигнализировать для принятия решения.

Для примера рассмотрим “бюджетный” вариант аппаратного исполнения системы. Для этого необходимо следующее оборудование, которое широко представлено различными производителями в интернете:

Поворотная моторизированная платформа с шагом 0.005 градусов с возможностью управления от компьютера. (ориентировочная цена – 1000 евро).

Лазерный тахометр с максимальным измерительным расстоянием до 50 метров и с возможностью вывода информации в компьютер (ориентировочная цена – 1000 евро).

Стоимость разработки программного обеспечения не учитывается, т.к. на примере с самодельными 3D принтерами или фрезерами базовые бесплатные программы управления любыми шаговыми двигателями широко представлены в интернете. Такие программы успешно дорабатываются “любителями” в “домашних” условиях без соответствующего образования.

Предположим был взят тахометр с пределом измерения по длине не более 55 метров до измерительного объекта и светоотражающим маркером на вращающемся изделии не менее 20*20 мм. Поворотная платформа размещена на высоте 10 метров над конвейером. Общий угол поворота платформы (тахометра) 156 градусов. Чувствительность поворотной платформы 0,005 градусов. Такой чувствительности достаточно, чтобы в центральной вертикальной части рольганга на высоте в 10 метров “сфокусировать” на ролике измерительное пятно тахометра с погрешностью в +– 1 мм. С учётом максимального наклона тахометра на крайний ролик в 78 градусов погрешность такого измерительного пятна будет в 10 раз больше, но не превысит размер самого светоотражающего маркера.

Таким образом исходя из выше изложенного с учётом затрат на систему ориентировочно в 2000 евро максимально допустимая длинна контролируемого рольганга с высоты в 10 метров – 96 метров. Если ролики размещены через каждые полметра, то общее количество контролируемых роликов – 192 шт. Бесконтактный способ измерения позволяет проводить любые работы на рольганге не оказывая влияние на саму измерительную систему.

Структура системы:

1. Оптические датчики расстояния/отражённого сигнала (линейка сканеров).

2. Светоотражающие маркеры на каждом ролике.

3. Модуль мультиплексного опроса и обработки сигналов (например, Arduino/STM32 + мультиплексоры).

4. АЦП + USB или Ethernet интерфейс.

5. Программное обеспечение для регистрации событий, отображения текущего статуса, визуального анализа.

6. Сервер/ПК для визуализации и хранения данных.

Преимущества метода:

Полная бесконтактность измерения.

Подходит для модернизации существующих линий.

Не мешает производственному процессу и обслуживанию.

Модульность – можно реализовать систему на любое количество роликов.