Transport szynowy - energoelektronika, automatyka, komunikacja

Nadzieje na rozwój transportu szynowego pokłada się szczególnie w energoelektronice opartej na półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej. Wynika to z ich właściwości wyróżniających je na tle dotychczas używanych materiałów, głównie krzemu. Te z kolei stanowią konsekwencję właśnie szerszej niż w Si przerwy energetycznej, czyli inaczej pasma zabronionego. Oddziela ono pasmo walencyjne, w którym elektrony są związane z atomami od pasma przewodnictwa. W tym drugim elektrony mogą się swobodnie poruszać i przewodzić prąd elektryczny. By elektron mógł przejść z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, musi uzyskać energię równą przerwie energetycznej. Materiały o szerszym paśmie zabronionym wymagają w tym celu większej energii.

Przykładowo, przerwa energetyczna w przewodnikach wynosi 0 eV, w popularnych półprzewodnikach, jak krzem – 1,12 eV, i german – 0,67 eV, a w tych o szerokiej przerwie energetycznej – jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC) – odpowiednio: 3,4 eV i 3,3 eV.

Co wyróżnia SiC?

Największą zaletą półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej jest duża wytrzymałość dielektryczna na przebicie, która wynosi w przypadku GaN 3,3 MV/cm, a SiC – 3,5 MV/cm. Dla porównania, wartość tego parametru Si to zaledwie 0,3 MV/cm. W efekcie, przy tej samej geometrii, przyrządy półprzewodnikowe z azotku galu i węglika krzemu teoretycznie mogą wytrzymać ponad dziesięciokrotnie wyższe napięcia niż te z krzemu. Inaczej mówiąc, przy danej różnicy napięć na złączu, z GaN albo SiC można wykonać tranzystor z dziesięciokrotnie cieńszą warstwą dryfu, co przekłada się na jego mniejsze wymiary. W praktyce tranzystory MOSFET z SiC typowo pracują przy napięciach rzędu 1-3 kV, podczas gdy tranzystory z krzemu – zwykle 600‒1200 V.

Z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej można wykonywać przyrządy półprzewodnikowe, które mają mniejszą rezystancję w stanie przewodzenia, przy danej wytrzymałości napięciowej, w porównaniu do tych krzemowych. W zestawieniu z krzemem, azotek galu wyróżnia się też większą ruchliwością elektronów i prędkością ich nasycania, natomiast węglik krzemu – większą prędkością nasycania elektronów oraz możliwością wykonywania struktur półprzewodnikowych o mniejszych pojemnościach pasożytniczych. Pozwala to na osiąganie częstotliwości przełączania kilkakrotnie większych niż te w tranzystorach z Si, co zmniejsza straty przełączania. Konsekwencją mniejszych strat przewodzenia i przełączania jest większa sprawność energetyczna.

Poza tym przyrządy półprzewodnikowe wykonane z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej mogą stabilnie działać w wyższych temperaturach, przekraczających +200ºC, podczas gdy typowa graniczna temperatura pracy struktur krzemowych to ok. +150ºC. Dodatkowo węglik krzemu przewyższa krzem pod względem przewodności cieplnej – w przypadku SiC wynosi ona prawie 5 W/cm·K, a Si – tylko ok. 1,5 W/cm·K. Dzięki temu w tranzystorach z węglika krzemu nadmiar ciepła jest odprowadzany efektywniej, w konsekwencji czego słabiej się nagrzewają. Właściwości termiczne SiC są kluczowe dla możliwości wykorzystania przyrządów półprzewodnikowych z tego materiału w urządzeniach dużej mocy i w warunkach podwyższonej temperatury, przykładowo w wyposażeniu pojazdów szynowych.

Materiały nanokrystaliczne

Rozwój energoelektroniki napędzany upowszechnianiem się przyrządów półprzewodnikowych z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej umożliwił znaczący postęp w zakresie częstotliwości przełączania i gęstości mocy w nowoczesnych urządzeniach. Zarazem uwidoczniło to ograniczenia tradycyjnych materiałów magnetycznie miękkich, takich jak stal krzemowa, w których występują znaczne straty w zakresie wyższych częstotliwości i problemy ze stabilnością termiczną. W związku z tym na znaczeniu zyskują nowe materiały magnetyczne: amorficzne oraz nanokrystaliczne (patrz ramka: Nowoczesne materiały magnetyczne).

Pod względem właściwości, jakimi powinny charakteryzować się materiały magnetycznie miękkie, przewyższają one te tradycyjne. Jest to głównie mała koercja, czyli natężenie pola magnetycznego, które trzeba przyłożyć w przeciwnym kierunku, aby całkowicie usunąć namagnesowanie materiału. W praktyce stanowi to miarę odporności materiału magnetycznego na rozmagnesowanie – im jest niższa, tym dany materiał łatwiej rozmagnesować (i namagnesować). W przypadku rdzeni np. cewek indukcyjnych i transformatorów jest to wysoce pożądaną właściwością. Kolejnymi są: duża przenikalność magnetyczna, wysoka gęstość strumienia magnetycznego przy nasyceniu (indukcja nasycenia), niskie straty na histerezę i prądy wirowe. Właściwości te uzyskuje się dzięki specyfice mikrostruktury i procesu produkcji tych materiałów.

Przykładowo, w tych drugich ziarna krystaliczne o rozmiarze rzędu nanometrów osadzane są w fazie amorficznej. Taka dwufazowa struktura nanokrystalicznych materiałów magnetycznych ogranicza lokalną anizotropię magnetyczną i zwiększa ruchliwość ścianek domen, co zapewnia małe straty. Z kolei ściśle kontrolowany proces produkcyjny polegający na krystalizacji przez wyżarzanie pozwala na precyzyjne formowanie nanokryształów, co poprawia indukcję nasycenia przy równoczesnym zachowaniu niskiej wartości koercji.

Postępy w energoelektronice i materiałach magnetycznych ułatwiają sprostanie wyzwaniom, jakie towarzyszą rozwojowi nowoczesnego transportu szynowego. Takim jest np. zapewnienie interoperacyjności kolei w Europie.

Zasilanie w pociągach

To trudny temat, ponieważ systemy zasilania sieci trakcyjnej różnią się w zależności od kraju, a nawet jego regionu. Wynika to stąd, że proces elektryfikacji kolei w poszczególnych państwach był prowadzony niezależnie, w związku z czym decyzje o przyjęciu konkretnych parametrów zasilania podejmowano, biorąc pod uwagę lokalne czynniki techniczne, ekonomiczne, eksploatacyjne, a nawet polityczne. Ostatecznie w Europie upowszechniły się cztery systemy zasilania trakcji:

• 1,5 kVDC, z którego wciąż korzysta część kolei we Francji i Hiszpanii, zwłaszcza na starszych liniach;
• 3 kVDC, m.in. w Polsce oraz w części kolei we Włoszech; – 15 kV 16,7 Hz w Niemczech, Szwecji, Norwegii, Austrii i Szwajcarii;
• 25 kV 50 Hz w Wielkiej Brytanii, Finlandii i w kolejach dużych prędkości m.in. we Francji, Włoszech i w Hiszpanii.

Przykład – przetwornice Bordline M35 DC firmy ABB

Przetwornica statyczna Bordline M35 DC została zaprojektowana pod kątem zasilania wyposażenia pokładowego lekkich pojazdów szynowych. Ma szeroki zakres napięć wejściowych i pracuje przy znamionowym napięciu sieciowym 600 V i 750 VDC. Zintegrowany filtr wejściowy umożliwia jej bezpośrednie podłączenie do sieci trakcyjnej. Na wyjściu zapewnia trójfazowe napięcie przemienne i napięcie stałe do ładowania akumulatora.

Główne komponenty przetwornicy Bordline M35 DC to:

• filtr wejściowy i EMC z bezpiecznikami (1);
• przekształtnik DC/DC z izolacją galwaniczną (2) dzięki transformatorowi, który zapewnia separację napięcia wyjściowego od napięcia w przewodzie napowietrznym;
• falownik trójfazowy (3) z funkcją łagodnego startu, ułatwiającą rozruch dużych obciążeń, np. sprężarek, i z filtrem sinusoidalnym (4), który wygładza napięcie wyjściowe falownika, by chronić przed przegrzaniem zasilane za jego pośrednictwem silniki;
• przekształtnik DC/DC z izolacją galwaniczną do ładowania akumulatora (5);
• moduł kontrolera AC 800PEC (6) z zasilaniem (7), sterujący niezależnie sekcjami AC i DC przetwornicy oraz monitorujący je pod kątem zwarć, przekroczenia dopuszczalnych wartości prądu, napięcia, temperatury.

Rys. 3. Przetwornice Bordline M35 DC

Dane diagnostyczne mogą być przesyłane do systemu nadrzędnego przez interfejs ethernetowy. Przetwornicę Bordline M35 DC zabezpiecza obudowa o stopniu ochrony IP65, chłodzona zintegrowanymi wentylatorami i modułowymi radiatorami. Może zostać zamontowana na dachu i pod podłogą pojazdu.

W Polsce kilkukrotnie planowano przejść na zasilanie trakcyjne 25 kV 50 Hz. Jak dotąd jednak nie zdecydowano się na taki krok, przede wszystkim z powodu olbrzymich kosztów, jakie by się z tym wiązały – w związku z koniecznością rozbudowy krajowego systemu elektroenergetycznego o nowe linie przesyłowe i podstacje, wymaganą przebudową sieci trakcyjnej i wymianą taboru kolejowego. Obecnie znowu wraca się do tego pomysłu w ramach prac nad komponentem kolejowym CPK.

Typ sieci trakcyjnej wpływa na układy zasilania pojazdów szynowych. Na rysunku 1 przedstawiono ich porównanie przy 3 kVDC (rys. 1 a) i 25 kV 50 Hz (rys. 1 b). W pierwszym przypadku napięcie DC jest doprowadzane do napędu silników trakcyjnych, przetwornicy zasilającej obwody pomocnicze w lokomotywie i przetwornic w wagonach, które również zasilają obwody pomocnicze, np. oświetlenie i wentylację. Także napięcie 25 kVAC, po obniżeniu w transformatorze wejściowym, zasila napęd silników trakcyjnych i, za pośrednictwem przetwornic, różne obwody pomocnicze w lokomotywie i wagonach.

Rys. 1. Układy zasilania pojazdów szynowych przy różnych napięciach w sieci trakcyjnej

Na rys. 2 zostały przedstawione przykładowe konfiguracje przetwornic z napięciem wejściowym DC (rys. 2 a) i AC (rys. 2 b). Ich główne bloki funkcyjne to: przekształtniki DC/ AC i AC/DC, filtry, transformatory. Dostępne są także przetwornice wielosystemowe, dostosowane do napięć wejściowych DC i AC w różnych zakresach, co zapewnia interoperacyjność z różnymi systemami zasilania sieci trakcyjnej. Dzięki postępowi w energoelektronice i materiałach magnetycznych nowoczesne przetwornice charakteryzują: wysoka niezawodność i sprawność energetyczna, szeroki zakres dopuszczalnych napięć wejściowych i temperatur pracy, odporność na przepięcia i przeciążenia.

Rys. 2. Przetwornice w pojazdach szynowych

Silniki trakcyjne

Rozwijana jest też technologia silników trakcyjnych napędzających koła pojazdów szynowych. Ten komponent pociągów, które są zazwyczaj projektowane na zamówienie, aby spełnić indywidualne specyfikacje techniczne różnych dostawców usług kolejowych, tradycyjnie również stanowi jedną z części niestandardowych. Z ich wykonaniem pod kątem potrzeb danego pojazdu wiążą się liczne komplikacje, wynikające z konieczności opracowania projektu silnika, który będzie ukierunkowany na określone wymagania, organizacji łańcucha dostaw podzespołów do jego budowy, przezbrojenia maszyn na linii produkcyjnej. Z tego wynikają dłuższy czas realizacji zamówienia oraz jego większy koszt dla zamawiającego, a zarazem mniejsza efektywność wykorzystania zasobów inżynierskich i produkcyjnych z punktu widzenia dostawcy.

Dlatego producenci silników trakcyjnych dążą do tego, aby móc spełniać potrzeby różnych klientów przez dostosowywanie do nich standaryzowanych konstrukcji. Taką uniwersalność jest w stanie zapewnić ich modułowość. Dzięki niej poszczególne bloki funkcjonalne są dostępne w różnych wersjach, z których można skompletować silnik spełniający określone wymagania.

Przykładowo, pod kątem warunków przestrzennych, wymagań eksploatacyjnych lub serwisowych można dobrać jego długość, położenie skrzynki zaciskowej, kanałów wlotowych i wylotowych powietrza chłodzącego oraz rodzaj chłodzenia, np. przechodząc z wentylacji naturalnej na wymuszoną – przez dodanie wentylatora, pierścienia wydłużającego i wydłużenie wału. Warunkiem adaptowalności jest też opcja zamontowania silnika w różnych pozycjach, co pozwala na optymalne wykorzystanie dostępnej przestrzeni w miejscu jego instalacji.

Przykład – przetwornice PSM-175-SiC firmy MEDCOM

Przetwornica statyczna PSM- 175-SiC zapewnia napięcie wyjściowe zasilające obwody pomocnicze lokomotywy: 3 × 400 V 50 Hz i jednofazowe 230 V. Jej częścią są transformatory gwarantujące izolację galwaniczną obwodu sieci trakcyjnej od obwodów odbiorników. Przetwornice w pojeździe szynowym mogą pracować w układzie redundantnym. Podczas normalnej pracy działa tylko jedna z dwóch. W przypadku awarii nadrzędny kontroler odłącza tę uszkodzoną i uruchamia sprawną, aby zapewnić ciągłość zasilania odbiorników. Diagnostyka oraz sterowanie przetwornicami odbywa się poprzez interfejs CANBus.

Moduły mocy przetwornicy PSM-175-SiC wykonane są z węglika krzemu. Dzięki temu udało się zredukować jej masę i rozmiary o 50%. Było to możliwe, gdyż wyższa częstotliwość przełączania pozwala na zmniejszenie rozmiaru elementów magnetycznych o 80%, a dzięki większej sprawności przetwornicy (94–96%) dało się zmniejszyć wydajność i w konsekwencji rozmiar układu chłodzenia. Dodatkowo, z powodu wyższej częstotliwości przełączania i mniejszego układu chłodzenia, przetwornica pracuje ciszej.

Rys. 4. Przetwornica PSM- 175-SiC

Projektowanie silników trakcyjnych

Oprócz tego projekty silników trakcyjnych optymalizuje się pod kątem jak najwyższej sprawności energetycznej i maksymalnego stosunku wydajności do masy. Ważnymi cechami konstrukcyjnymi, mającymi na to wpływ, są materiał i budowa klatki wirnika. Popularnym rozwiązaniem jest wykonanie tego elementu z aluminium, w postaci odlewu ciśnieniowego z blachy wirnika, bez lutowania. Alternatywnie silnik może być wyposażony w klatkę wirnika z miedzi, jeśli potrzeba wyższej sprawności energetycznej. Ważne jest też dopasowanie silnika trakcyjnego i przetwornicy trakcyjnej. W procesie projektowania tej ostatniej chodzi o uzyskanie jak najmniejszych tętnień momentu obrotowego, niskich poziomów hałasu oraz wibracji, wysokiej sprawności energetycznej, niskiego poboru prądu, a także efektywnego chłodzenia. Skuteczność zastosowanych rozwiązań jest analizowana w specjalnym oprogramowaniu. Symuluje się w nim pełny profil operacyjny pociągu, żeby ocenić, jak w poszczególnych fazach jego ruchu (przyspieszanie, hamowanie, jazda ze stałą prędkością) zmieniają się kluczowe parametry silnika – np. temperatura krytycznych części, takich jak uzwojenie stojana i łożyska.

Przykładowo, umożliwia to przewidywanie prawdopodobnych lokalizacji gorących punktów, m.in. w razie przeciążenia silnika, co pozwala na zidentyfikowanie obszarów, w których efektywność chłodzenia musi być wyższa. Odpowiednie narzędzia programowe pozwalają też na zweryfikowanie wydajności wentylatorów. Można w nich sprawdzić, jak zmienia się natężenie przepływu powietrza w obrębie obudowy silnika. To pozwala wykryć problemy z jego cyrkulacją i zdiagnozować ich przyczyny. Na tej podstawie można wprowadzić niezbędne ulepszenia konstrukcyjne, aby układ chłodzenia silnika zoptymalizować pod kątem ograniczenia zużycia energii, zmniejszenia poziomu hałasu, wydłużenia żywotności komponentów wentylatorów oraz przede wszystkim zwiększenia skuteczności odprowadzania nadmiaru ciepła.

Łożyska w silnikach trakcyjnych

Newralgiczny komponent silników trakcyjnych stanowią również łożyska. Są one narażone na bardzo trudne warunki pracy, które ze względu na specyfikę pracy pociągów – przede wszystkim konieczność wprawienia w ruch dużej masy, osiąganie dużych prędkości, nierówności powierzchni, po której porusza się pojazd szynowy i skrajne warunki w otoczeniu, takie jak niskie i wysokie temperatury, wilgoć, zanieczyszczenia – pozostają uciążliwsze od tych w silnikach napędzających maszyny w przemyśle.

W rezultacie łożyska są poddawane dużym obciążeniom promieniowym i osiowym, w związku z czym wymagane jest zapewnienie ich odpowiedniej nośności. Praca przy wysokich prędkościach obrotowych wymaga łożysk o małym tarciu, które w takich warunkach nie będą się nadmiernie nagrzewać. Prąd elektryczny, przepływając przez silnik, może powodować wżery na powierzchniach łożysk, dlatego konieczna jest ich izolacja. Silne wibracje z kolei wymagają specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych i materiałów służących do wykonania elementów łożysk, np. koszyka.

Najczęściej silniki trakcyjne wyposaża się w łożyska wałeczkowe (walcowe). Są one popularne w tym zastosowaniu przede wszystkim ze względu na możliwość pracy przy dużych prędkościach i przenoszenie dużych obciążeń. Jako łożyska ustalające wykorzystywane są głównie te typu NUP lub NU z pierścieniem HJ, a jako swobodne – typu NU lub N.

Marcin Panek

Zakład Maszyn Elektrycznych EMIT/Cantoni Group

W jakim stopniu Wasze rozwiązania przyczyniają się do poprawy sprawności energetycznej pojazdów szynowych?

W silnikach trakcyjnych produkowanych przez Zakład Maszyn Elektrycznych EMIT, w celu poprawy sprawności silnika, a co za tym idzie również sprawności całego układu/pojazdu szynowego, jednym ze stosowanych rozwiązań jest miedziana klatka wirnika. Takie rozwiązanie zapewnia nam wyższą sprawność, ale jednocześnie lepsze parametry rozruchowe i wytrzymałościowe, pozwalając na pracę w stanach przeciążeń charakterystycznych dla pojazdu szynowego (częste przyspieszenia czy hamowania). Podczas doboru i następnie projektowania silnika bierzemy pod uwagę wszystkie posiadane parametry, w tym charakterystykę trakcyjną silnika, a także szczegóły pojazdu, takie jak masa, prędkość maksymalna czy wartość przyspieszenia oraz parametry zasilania (przemiennik częstotliwości) – po to, aby znaleźć optymalne rozwiązanie pozwalające na długotrwałą bezawaryjną pracę silnika. Ważne jest osiągnięcie kompromisu między wymiarami i masą silnika a parametrami jego pracy. Miedziana klatka wirnika stanowi jedno z ważniejszych rozwiązań stosowanych w silnikach trakcyjnych, zapewniających wyżej wymienione cechy.

Jakie innowacje w zakresie chłodzenia, konstrukcji i diagnostyki silników trakcyjnych wdrażacie Państwo w swoich produktach?

Każdorazowo silniki są projektowane na podstawie szczegółowych wymagań/oczekiwań klientów, co pozwala nam na optymalizowanie konstrukcji w zakresie zarówno chłodzenia, jak i parametrów. Na bazie obliczeń obwodu elektromagnetycznego projektowane są poszczególne części silnika – w tym takie, jak wloty i wyloty powietrza czy wentylator, mający na celu zapewnienie prawidłowego chłodzenia. Wentylator jest projektowany na podstawie wymaganej prędkości powietrza chłodzącego, znamionowej prędkości obrotowej oraz wydatku powietrza potrzebnego do prawidłowego chłodzenia silnika. Prawidłowe dobranie wentylatora zapewnia osiągnięcie znamionowych parametrów silnika i bezawaryjną pracę silnika w długim okresie.

Światłowody na kolei

Kolej korzysta również na postępie w dziedzinie kabli światłowodowych. Ich liczne zalety – przede wszystkim brak sygnałów elektrycznych, odporność na zaburzenia elektromagnetyczne oraz lekka konstrukcja – sprawiają, że są wykorzystywane jako medium komunikacyjne w pociągach, głównie w systemach sterowania, monitorowania, diagnostyki. Światłowody zastępują kable miedziane szczególnie tam, gdzie wymagane jest zapewnienie izolacji galwanicznej między sterownikami a urządzeniami dużej mocy lub siecią trakcyjną oraz wysokiej odporności na zakłócenia mogące wpływać na jakość transmisji, których te ostatnie są źródłem. Sprawdzają się również w przesyle danych na długich dystansach, ponieważ pozwalają ograniczyć masę okablowania pokładowego.

Poza tym upowszechniają się też jako elementy pomiarowe w monitorowaniu stanu infrastruktury kolejowej, wymaganym w związku z nieuniknioną w miarę użytkowania degradacją pojazdów szynowych oraz torów, szczególnie w kolejach dużych prędkości i w zdalnej detekcji zdarzeń niebezpiecznych, do których dochodzi na szlakach kolejowych. Przykładami tych ostatnich są: osuwiska skał, ziemi lub błota, obecność ludzi lub zwierząt na torach, nieuprawniona ingerencja w szyny albo ich kradzież oraz zwarcia w sieci trakcyjnej. Wszystkim tym sytuacjom towarzyszą ruch i hałas, będące źródłem wibracji, na które czułe są czujniki światłowodowe. Zmiany w profilu drgań torów w reakcji na przejazd pociągu pozwalają też na wykrycie pogorszenia się ich stanu.

Światłowody w tym zastosowaniu mają ważną zaletę. Dzięki temu, że rozproszonym sensorem liniowym jest sam kabel, który można poprowadzić na długim odcinku, rzędu dziesiątek, a nawet setek kilometrów, np. wzdłuż torów, zapewniają bardzo dużą rozdzielczość przestrzenną bez martwych punktów. Osiągnięcie podobnej dokładności w przypadku tradycyjnych czujników jest niemożliwe, ponieważ ze względu na koszty i komplikacje z doprowadzaniem zasilania i transmisją wyników pomiarów ich liczba musi być na danym obszarze ograniczona. Ważna pozostaje także odporność światłowodów na zaburzenia elektromagnetyczne, których źródłem jest sieć trakcyjna.

W monitoringu stanu infrastruktury kolejowej wykorzystuje się przede wszystkim światłowodowe rozproszone czujniki akustyczne DAS (Distributed Acoustic Sensing). Aby wyjaśnić, na jakiej zasadzie działają, należy przypomnieć podstawy techniki światłowodowej oraz jej zastosowanie w pomiarach.

Czujniki światłowodowe

Światłowód składa się z dwóch warstw: rdzenia oraz płaszcza. Różnią się one współczynnikami załamania światła. Rdzeń ma wyższy współczynnik załamania niż płaszcz. Na tej różnicy opiera się zasada pracy światłowodów. Światło przemieszcza się w nich dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Zjawisko to zachodzi na styku ośrodka o wyższym współczynniku załamania z ośrodkiem o niższym współczynniku załamania światła. Jak pokazano na rysunku 5, kiedy kąt padania światła przekracza kąt graniczny (θ₃), następuje całkowite wewnętrzne odbicie (θ₅). W rezultacie światło jest zatrzymywane w rdzeniu. Dzięki wielokrotnemu całkowitemu wewnętrznemu odbiciu może się też ono przemieszczać z jednego końca światłowodu na drugi. Właściwość tę wykorzystuje się w transmisji danych za pośrednictwem włókien światłowodowych.

Rys. 5. Wewnętrzne całkowite odbicie w światłowodach

W dziedzinie technik pomiarowych opartych na światłowodach OFS (Optical Fiber Sensing) można wyróżnić podgrupę DOFS (Distributed OFS), obejmującą czujniki zapewniające pomiar różnych wielkości fizycznych (drgań, temperatury, odkształceń) w dowolnym miejscu wzdłuż światłowodu, równocześnie w wielu punktach, bez konieczności montażu lokalnych sensorów. Techniki DOFS dzieli się, w zależności od dominującego mechanizmu rozpraszania fal świetlnych wewnątrz włókna optycznego, na te oparte na rozpraszaniu Rayleigha, Brillouina lub Ramana. Czujniki pierwszego typu mierzą głównie drgania oraz zakłócenia akustyczne, drugie – temperaturę oraz naprężenia, a trzecie – temperaturę. Na kolei wykorzystuje się głównie techniki oparte na rozpraszaniu Rayleigha, które występuje, gdy światło, przechodząc przez przezroczysty ośrodek, na skutek występujących w nim losowych niejednorodności o rozmiarze mniejszym niż długość jego fali, ulega rozproszeniu we wszystkich kierunkach. Do takich zalicza się wspomniane sensory DAS.

W czujnikach tego typu pomiar polega na analizie zmian światła rozproszonego w światłowodzie pod wpływem zewnętrznych oddziaływań mechanicznych na włókno. Źródłem światła jest zwykle laser. Wiązka światła jest modulowana i wprowadzana do światłowodu jednomodowego. Impulsy światła, propagując wzdłuż włókna, ulegają rozproszeniu, częściowo także w kierunku przeciwnym do kierunku rozchodzenia się wiązki głównej. Światło rozproszone wstecznie jest mierzone przez fotodetektor. Czas, po jakim do niego dociera, pozwala na określenie miejsca wzdłuż światłowodu, z którego pochodzi. Jeżeli więc na skutek oddziaływań zewnętrznych zmieniły się jego parametry, można zlokalizować ich źródło.

AI w transporcie szynowym

Aby móc konkurować z innymi środkami transportu pod względem bezpieczeństwa oraz komfortu, transport szynowy musi być wciąż rozwijany. Sposobem na osiągnięcie tego celu jest transformacja cyfrowa, a technologią najbardziej perspektywiczną – oczywiście sztuczna inteligencja. AI może usprawnić podróże koleją i metrem na kilka sposobów.

Najbardziej oczywistym zastosowaniem sztucznej inteligencji w branży kolejowej są autonomiczne pociągi (patrz ramka o takim tytule). Poza tym AI odgrywa coraz większą rolę w zakresie predykcyjnego podejścia do utrzymania ruchu pojazdów szynowych oraz infrastruktury kolejowej. Polega ono na prognozowaniu, na podstawie pomiarów w czasie rzeczywistym, stanu sprzętu i ocenie konieczności jego konserwacji, co ma zapobiec awariom. Dzięki AI wczesne wykrywanie oznak przyszłych usterek (nadmiernego zużycia łożysk, niewspółosiowości wałów, niewyważenia wirników, przegrzania elementów – m.in. zestawów kół, układów zawieszenia pojazdów, silników trakcyjnych) i ich interpretacja są skuteczniejsze.

Kolejne zastosowanie AI stanowią inteligentne systemy monitoringu. Systemy telewizji przemysłowej oparte na sztucznej inteligencji mogą szybciej rozpoznawać zagrożenia niż ludzie analizujący rejestrowane obrazy pod tym kątem. Pierwsze tego typu rozwiązania są już wdrażane i testowane. Przykładem system monitoringu CCTV AI w Docklands Light Railway, jednej z najpopularniejszych linii londyńskiego metra, z której korzysta średnio prawie 400 tys. pasażerów dziennie. Nagrania z kamer bezpieczeństwa zainstalowanych na jej peronach są analizowane przez system rozpoznawania obrazu. Wykrywa on i identyfikuje obiekty, które znajdą się w zdefiniowanej strefie niebezpiecznej wzdłuż peronu lub na torach, ignorując ruch pociągów. Następnie system decyduje o tym, jak należy zakwalifikować dane zdarzenie – czy jako wtargnięcie intruza, które wymaga powiadomienia odpowiednich służb, czy jako fałszywy alarm. System CCTV oparty na AI można również wyszkolić w zakresie wykrywania określonych niepożądanych zachowań, np. agresji, kradzieży, a nawet reagowania na zgubienie przez pasażera bagażu.

Autonomiczne pociągi

Transport szynowy można zautomatyzować na kilku poziomach (Grade of Automation, GoA), które zostały zestandaryzowane w normie IEC 62267 Railway applications, Automated urban guided transport, Safety requirements. Na poziomie zerowym wg tej klasyfikacji maszynista samodzielnie prowadzi i obsługuje pojazd, m.in. otwiera i zamyka drzwi wagonów, opierając się tylko na własnej obserwacji oraz ocenie sytuacji na linii i w pociągu oraz na sygnalizacji przytorowej.

Poziom pierwszy (GoA 1) oznacza, że kierujący prowadzi i hamuje pociąg ręcznie, jego działania nadzoruje jednak system ATP (Automatic Train Protection). Zapewnia on podstawowe bezpieczeństwo, zapobiegając kolizjom i nie dopuszczając do tego, aby kierujący ignorował sygnały ostrzegawcze i przekraczał dopuszczalną prędkość – uruchamiając w razie potrzeby automatyczne hamowanie.

W stopniu GoA 2 maszynista jest wspomagany przez automatyczne systemy ATP i ATO (Automatic Train Operation), które razem tworzą system ATC (Automatic Train Control). Rola człowieka ogranicza się tu do uruchomienia pojazdu i zamknięcia jego drzwi. Za przejazd między stacjami, zatrzymanie pociągu i otwieranie drzwi odpowiada system ATO. Kierujący może ewentualnie ingerować w sytuacji awaryjnej.

Na poziomie GoA 3 (Driverless Train Operation, DTO) pociąg jest sterowany, a jego ruch nadzorowany automatycznie, bez udziału człowieka. Zautomatyzowano więc rozruch, przejazd między stacjami, hamowanie oraz otwieranie drzwi. Obsługa pociągu zamyka drzwi i interweniuje w sytuacji awaryjnej.

Na poziomie GoA 4 (Unattended Train Operation, UTO) wszystkie zadania są już zautomatyzowane, a na pokładzie nie ma maszynistów ani innej obsługi. Kierującego na pokładzie pociągu UTO zastępuje system ATO, nadzorowany przez system ATP.

Inny przykład wykorzystania technologii wideo wspomaganej sztuczną inteligencją to analizowanie zagęszczenia pasażerów w poszczególnych wagonach kolejowych. System przesyła informację o tym pasażerom czekającym na peronie, aby mogli wsiąść do mniej zatłoczonego wagonu. W tym przypadku AI przyczyniła się nie tyle do zwiększenia bezpieczeństwa, co poprawy komfortu podróżowania. Taką funkcję pełnią również wirtualni asystenci, którzy odpowiadają na pytania pasażerów na temat rozkładu jazdy, planowania tras i pomagają w zakupie biletów.

Dzięki sztucznej inteligencji sprawniej i efektywniej mogą być również planowane połączenia kolejowe i rozkłady jazdy. Obecnie często daleko im do optymalnej formy – wiele pociągów kursuje tam, gdzie korzysta z nich niewielu pasażerów, podczas gdy bardziej potrzebne połączenia wciąż nie są odpowiednio rozwinięte. Podobnie jeśli chodzi o rozkład – nie zawsze w godzinach szczytu trasy bardziej oblegane są obsługiwane przez wystarczającą liczbę składów albo odwrotnie – pociągi w określonych porach dnia jeżdżą puste. Narzędzia sztucznej inteligencji pozwalają takich sytuacji unikać, ponieważ analizują dane historyczne i bieżące dotyczące sprzedaży biletów oraz wzorców podróży. W ten sposób identyfikują trendy w przepływie pasażerów, co pozwala na optymalizację tras i rozkładów jazdy pociągów.

Monika Jaworowska