Tavarajunan jarrujen toiminnan varmistus automaattisesti langattomalla mittausjärjestelmällä
Saloheimo, Sami (2021)
2021
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-01-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202101181437
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202101181437
Tiivistelmä
Tavaraliikenteen automatisointi mahdollistaa suuria hyötyjä raideliikenteen operaattoreille. Automaattinen liikenne mahdollistaa nopeammat kääntöajat, raidekapasiteetin kasvattamisen ja liikenteen luotettavuuden parantamisen. Jotta tavaraliikenne voidaan automatisoida, on tavarajunan liikuttamiseen liittyvät prosessit automatisoitava. Yksi automatisoitavista prosesseista on tavarajunan liikkeellelähtötarkastus, ja siihen liittyvä jarrujen toiminnan varmistuksen aliprosessi, joka suoritetaan normaalisti visuaalisesti kiertämällä tarkastettava juna kuljettajan toimesta.
Tämän diplomityön tavoite on luoda pohja tavarajunan liikkeellelähtötarkastuksen automatisoinnille tutkimalla mahdollisuuksia automatisoida tavarajunan jarrujen täydellinen-, ja osittainen jarrujen tarkastus. Tämän tehtävän suorittaa normaalisti tavarajunan kuljettaja, ja sen toteuttamiseen voi mennä 20–60 minuuttia riippuen vaunujen määrästä. Jarrujen tarkastuksen tavoite on todeta, että jarrut toimivat oikein, vaunujen jarrutoimilaitteiden asettimet ovat oikeissa asennoissa ja että jarrujärjestelmässä ei ole turvallisuutta vaarantavia vikoja.
Työssä tutustuttiin tavarajunan jarrujärjestelmään ja sen toimintaan, langattomiin mittausjärjestelmiin sekä tavaraliikenteen haasteisiin. Teorian pohjalta suunniteltiin mittausarkkitehtuuri jarrujen normaalin ja epänormaalin toiminnan havaitsemiseksi, jonka lisäksi mittausjärjestelmään soveltuvat langattomat tiedonsiirtomenetelmät pisteytettiin valitun kriteeristön mukaan. Syntyneelle langattomalle mittausjärjestelmälle suunniteltiin tämän jälkeen kokeet, jotka toteutettiin Pieksämäen varikolla viiden raakapuuvaunun kokoisella koerungolla. Mittausjärjestelmää arvioitiin tämän jälkeen laadullisesti tarkastelemalla kokeiden mittaustuloksia.
Työssä havaittiin, että tavaravaunun jarrujärjestelmän normaali ja epänormaali toiminta on havaittavissa riittävällä tarkkuudella, mikäli tavaravaunusta mitataan jarrujohdon paine, jarrusylinterin paine, jarrusylinterin liike, jarrulajiasettimen asento, ruuvijarrun tila, sekä akseleiden pyörintä. Lisäksi havaittiin se, että solmuverkot mahdollistavat koko junan kattavan tiedonsiirtoverkon muodostamisen, ja että kaikki kokeessa käytetyt mittauslaitteet saivat yhteyden veturissa sijaitsevaan tukiasemaan. Onnistuneista kokeista huolimatta, tarkemman analyysin jälkeen, järjestelmän tiedonsiirrossa havaittiin haittaavan suuria viiveitä. Suurimmat viiveet syntyivät kuormitustilanteissa ja olivat jopa 19 minuutin suuruisia tehden koejärjestelmästä liiketoiminnallisesti kannattamattoman.
Koska viiveet johtuivat kuormitustilanteista, luotiin järjestelmälle työn päätteeksi teoreettinen viitekehys, jossa havaitut ongelmat ratkaistiin tutkimuksen tulosten pohjalta. Teoreettisessa viitekehyksessä järjestelmän kuormitus on minimoitu hyödyntämällä kevyttä reunalaskentaa ja optimoimalla järjestelmän tietoliikennettä. Tuloksena on teoreettinen viitekehys, joka mahdollistaisi jarrujen toiminnan varmistamisen 40 vaunun kokoiselle junalle noin viidessä minuutissa.
Tutkimuksen pohjalta voidaan luotettavasti todeta, että tavarajunan jarrujentarkastus on mahdollista toteuttaa hyödyntämällä langatonta mittausjärjestelmää. Mittausjärjestelmä on silti optimoitava äärimmäisyyksiinsä, sillä olemassa olevat matalan energian tiedonsiirtoprotokollat eivät pysty siirtämään mittavia määriä tietopaketteja mittauslaitteelta pilveen ilman, että viiveet kasvavat liian suuriksi. Lisäksi jarrujen toiminnan varmistamiseen suunniteltu langaton mittausjärjestelmä tarvitsee tueksi tavarajunan ulkoisen mittausjärjestelmän, jolla voidaan havaita liikennöintiturvallisuuden kannalta muut olennaiset asiat, kuten alustan murtumat, lastin ulottuman ja jarruanturoiden kuluneisuuden.
Automation of rail freight has potential to create great benefits for rail operators. Automated traffic enables faster turnaround times, increased track capacity and improved traffic reliability. To automate freight rail traffic, all the processes that are necessary for the movement of a train must also be automated. One such process is the railway safety inspection that takes part before a train can leave a station. Within the rail safety inspection process there is a sub process that is called a brake test. During a brake test the driver verifies that the brakes are working correctly by walking around the train and by performing a visual check on each wagon and its brakes.
The aim of this paper is to create a basis for the automation of the freight train railway safety inspection process by exploring the possibilities of automating the complete and partial brake tests for a freight train. This task is normally performed by the train driver and it takes around 20–60 minutes to complete depending on the size of the train. The purpose of a brake check is to verify that the brakes are working properly, that the levers on the wagons are in correct position and that there are no significant faults that would risk the safety of the train operation.
The paper starts out with an introduction to theory considering freight wagons’ brake sys-tem, wireless sensor networks and challenges of freight rail. Based on the theory, a measurement architecture for detection of normal and abnormal behavior of brakes was designed. In addition to that, different wireless communication methods for the system were scored based on their suitability for the proposed architecture, introduced challenges and the actual business case. To test the proposed measuring system, varying experiments were then designed. These experiments were carried out at Pieksämäki depot for a test unit consisting of 5 raw timber wagons. The measurement system was then evaluated qualitatively by looking at the measurement data gathered during the tests.
From the data it was possible to determine with certainty that it is indeed possible to detect normal and abnormal operation of freight wagons’ brake components within the brake system by measuring brake pipe pressure, brake cylinder pressure, brake cylinder movement, changeover device position, hand brake position, and axle rotation. In addition, it was determined that a mesh network provides a reliable data transmission network that covers a whole freight train. During the experiments all the measuring devices used were able to connect to the gateway located in the locomotive. Despite very successful experiments, after a more detailed analysis, long delays were found within the system. The largest delays occurred in stress situations and longest delays were up to 19 minutes making the test system commercially unviable.
As the delays were due to stress situations, a theoretical framework was created for the system, in which the identified problems were handled based on the results of the study. In the framework, the system load is minimized by utilizing light edge computing and optimizing the system communication. The result is a theoretical framework that could make it possible to verify the operation of the brakes on a train of 40 carriages in about five minutes.
Nevertheless, it is possible to reliably state that it is possible to automate the brake inspection of a freight train by utilizing a wireless measuring system. The measurement system still needs to be optimized, as existing low-energy communication protocols are unable to transfer large amounts of data packets from the measurement device to the cloud without the delays growing too long. It should also be stated that a wireless measuring system designed to ensure the operation of the brakes needs to be supported by an external measuring system, which can detect other issues relevant to railway safety, such as chassis cracks, load reach and brake pad wear.
Tämän diplomityön tavoite on luoda pohja tavarajunan liikkeellelähtötarkastuksen automatisoinnille tutkimalla mahdollisuuksia automatisoida tavarajunan jarrujen täydellinen-, ja osittainen jarrujen tarkastus. Tämän tehtävän suorittaa normaalisti tavarajunan kuljettaja, ja sen toteuttamiseen voi mennä 20–60 minuuttia riippuen vaunujen määrästä. Jarrujen tarkastuksen tavoite on todeta, että jarrut toimivat oikein, vaunujen jarrutoimilaitteiden asettimet ovat oikeissa asennoissa ja että jarrujärjestelmässä ei ole turvallisuutta vaarantavia vikoja.
Työssä tutustuttiin tavarajunan jarrujärjestelmään ja sen toimintaan, langattomiin mittausjärjestelmiin sekä tavaraliikenteen haasteisiin. Teorian pohjalta suunniteltiin mittausarkkitehtuuri jarrujen normaalin ja epänormaalin toiminnan havaitsemiseksi, jonka lisäksi mittausjärjestelmään soveltuvat langattomat tiedonsiirtomenetelmät pisteytettiin valitun kriteeristön mukaan. Syntyneelle langattomalle mittausjärjestelmälle suunniteltiin tämän jälkeen kokeet, jotka toteutettiin Pieksämäen varikolla viiden raakapuuvaunun kokoisella koerungolla. Mittausjärjestelmää arvioitiin tämän jälkeen laadullisesti tarkastelemalla kokeiden mittaustuloksia.
Työssä havaittiin, että tavaravaunun jarrujärjestelmän normaali ja epänormaali toiminta on havaittavissa riittävällä tarkkuudella, mikäli tavaravaunusta mitataan jarrujohdon paine, jarrusylinterin paine, jarrusylinterin liike, jarrulajiasettimen asento, ruuvijarrun tila, sekä akseleiden pyörintä. Lisäksi havaittiin se, että solmuverkot mahdollistavat koko junan kattavan tiedonsiirtoverkon muodostamisen, ja että kaikki kokeessa käytetyt mittauslaitteet saivat yhteyden veturissa sijaitsevaan tukiasemaan. Onnistuneista kokeista huolimatta, tarkemman analyysin jälkeen, järjestelmän tiedonsiirrossa havaittiin haittaavan suuria viiveitä. Suurimmat viiveet syntyivät kuormitustilanteissa ja olivat jopa 19 minuutin suuruisia tehden koejärjestelmästä liiketoiminnallisesti kannattamattoman.
Koska viiveet johtuivat kuormitustilanteista, luotiin järjestelmälle työn päätteeksi teoreettinen viitekehys, jossa havaitut ongelmat ratkaistiin tutkimuksen tulosten pohjalta. Teoreettisessa viitekehyksessä järjestelmän kuormitus on minimoitu hyödyntämällä kevyttä reunalaskentaa ja optimoimalla järjestelmän tietoliikennettä. Tuloksena on teoreettinen viitekehys, joka mahdollistaisi jarrujen toiminnan varmistamisen 40 vaunun kokoiselle junalle noin viidessä minuutissa.
Tutkimuksen pohjalta voidaan luotettavasti todeta, että tavarajunan jarrujentarkastus on mahdollista toteuttaa hyödyntämällä langatonta mittausjärjestelmää. Mittausjärjestelmä on silti optimoitava äärimmäisyyksiinsä, sillä olemassa olevat matalan energian tiedonsiirtoprotokollat eivät pysty siirtämään mittavia määriä tietopaketteja mittauslaitteelta pilveen ilman, että viiveet kasvavat liian suuriksi. Lisäksi jarrujen toiminnan varmistamiseen suunniteltu langaton mittausjärjestelmä tarvitsee tueksi tavarajunan ulkoisen mittausjärjestelmän, jolla voidaan havaita liikennöintiturvallisuuden kannalta muut olennaiset asiat, kuten alustan murtumat, lastin ulottuman ja jarruanturoiden kuluneisuuden.
Automation of rail freight has potential to create great benefits for rail operators. Automated traffic enables faster turnaround times, increased track capacity and improved traffic reliability. To automate freight rail traffic, all the processes that are necessary for the movement of a train must also be automated. One such process is the railway safety inspection that takes part before a train can leave a station. Within the rail safety inspection process there is a sub process that is called a brake test. During a brake test the driver verifies that the brakes are working correctly by walking around the train and by performing a visual check on each wagon and its brakes.
The aim of this paper is to create a basis for the automation of the freight train railway safety inspection process by exploring the possibilities of automating the complete and partial brake tests for a freight train. This task is normally performed by the train driver and it takes around 20–60 minutes to complete depending on the size of the train. The purpose of a brake check is to verify that the brakes are working properly, that the levers on the wagons are in correct position and that there are no significant faults that would risk the safety of the train operation.
The paper starts out with an introduction to theory considering freight wagons’ brake sys-tem, wireless sensor networks and challenges of freight rail. Based on the theory, a measurement architecture for detection of normal and abnormal behavior of brakes was designed. In addition to that, different wireless communication methods for the system were scored based on their suitability for the proposed architecture, introduced challenges and the actual business case. To test the proposed measuring system, varying experiments were then designed. These experiments were carried out at Pieksämäki depot for a test unit consisting of 5 raw timber wagons. The measurement system was then evaluated qualitatively by looking at the measurement data gathered during the tests.
From the data it was possible to determine with certainty that it is indeed possible to detect normal and abnormal operation of freight wagons’ brake components within the brake system by measuring brake pipe pressure, brake cylinder pressure, brake cylinder movement, changeover device position, hand brake position, and axle rotation. In addition, it was determined that a mesh network provides a reliable data transmission network that covers a whole freight train. During the experiments all the measuring devices used were able to connect to the gateway located in the locomotive. Despite very successful experiments, after a more detailed analysis, long delays were found within the system. The largest delays occurred in stress situations and longest delays were up to 19 minutes making the test system commercially unviable.
As the delays were due to stress situations, a theoretical framework was created for the system, in which the identified problems were handled based on the results of the study. In the framework, the system load is minimized by utilizing light edge computing and optimizing the system communication. The result is a theoretical framework that could make it possible to verify the operation of the brakes on a train of 40 carriages in about five minutes.
Nevertheless, it is possible to reliably state that it is possible to automate the brake inspection of a freight train by utilizing a wireless measuring system. The measurement system still needs to be optimized, as existing low-energy communication protocols are unable to transfer large amounts of data packets from the measurement device to the cloud without the delays growing too long. It should also be stated that a wireless measuring system designed to ensure the operation of the brakes needs to be supported by an external measuring system, which can detect other issues relevant to railway safety, such as chassis cracks, load reach and brake pad wear.