.png&w=384&q=75)
Введение
Железнодорожные эстакады и путепроводы выступают ключевыми элементами транспортной инфраструктуры крупных городов и узловых станций: именно они обеспечивают бесконфликтное пересечение путей общего пользования с улично‑дорожной сетью и высокую пропускную способность узлов. Для Республики Казахстан, обладающей протяжённой сетью железных дорог и интенсивными грузовыми и пассажирскими потоками, вопрос их технического состояния имеет стратегический характер. Нарушение работоспособности даже одного крупного перехода чревато не только транспортными задержками, но и значимыми социально‑экономическими последствиями.
Эксплуатация эстакад протекает в условиях сочетания тяжёлых многоцикловых нагрузок от подвижного состава, климатических воздействий резко континентального климата и естественного старения материалов. Это ведёт к накоплению усталостных повреждений металлоконструкций, развитию трещин в железобетоне, коррозии, износу деформационных устройств и опорных частей [2; 8, с. 984-1027; 12, с. 1360]. В таких условиях традиционная практика периодических визуальных обследований оказывается недостаточной для раннего выявления опасных дефектов, а переход к автоматизированному мониторингу технического состояния рассматривается как необходимый элемент современной политики управления ресурсом сооружений [1; 3; 9, с. 1056-1074].
В мировой литературе накоплен значительный опыт применения методов структурного мониторинга (Structural Health Monitoring, SHM) к мостам и эстакадам, включая использование волоконно‑оптических систем, беспроводных сенсорных сетей и технологий компьютерного зрения [4; 5, с. 345-372; 6; 7, с. 19-33; 10; 11; 12, с. 1360]. В то же время для казахстанских объектов характерен ряд специфических факторов: большие амплитуды сезонных температур, морозное пучение грунтов, применение противогололёдных реагентов, а также особенности национальной нормативной базы [13, 14, 15, 16, 20]. Это требует адаптации типовых SHM‑решений и разработки собственной архитектуры автоматизированных систем мониторинга (АСМ), интегрированных в систему эксплуатации железнодорожных сооружений.
Цель обзорной статьи – на основе материалов магистерской диссертации обобщить теоретические и прикладные результаты, полученные при разработке и пилотном внедрении АСМ технического состояния железнодорожной эстакады в г. Астане, и показать, каким образом комбинация расчётного моделирования и натурного мониторинга позволяет сформировать требования к системе и обеспечить её эффективность. Статья последовательно рассматривает:
- Теоретические основы структурного мониторинга эстакад;
- Методику построения цифрового двойника сооружения и сопоставление прогнозируемых и фактических откликов;
- Архитектуру и алгоритмы разработанной АСМ;
- Результаты пилотной реализации и рекомендации по масштабированию подхода.
Железнодорожная эстакада представляет собой протяжённое мостовое сооружение, как правило, многопролётной схемы, предназначенное для пропуска путей над улично‑дорожной сетью или другими инженерными объектами. Конструктивно эстакады включают пролётные строения (балочные, неразрезные, рамные, реже арочные и вантовые), систему опор, деформационные устройства, балластное корыто и вспомогательные элементы (шумозащитные экраны, водоотвод, инженерные сети). Уязвимыми зонами выступают опорные части, температурные швы и сопряжения пролётов, где концентрируются напряжения и чаще всего фиксируются усталостные трещины, коррозионные повреждения и просадки [12, с. 1360; 14].
Для условий Казахстана дополнительно значимы климатические воздействия: диапазон температур в районе Астаны достигает примерно 90°С в течение года, глубина сезонного промерзания грунтов – до 2–2,5 м, характерны сильные ветровые нагрузки и использование солевых реагентов [15]. Это усиливает риск термомеханической усталости металла, морозного разрушения бетона и неравномерных осадок опор. Соответственно, при выборе параметров мониторинга необходимо учитывать температурные деформации, влияние морозного пучения и ветровых эффектов.
Концепция SHM предполагает многоуровневую систему наблюдений, объединяющую периодические обследования и непрерывный автоматизированный контроль [1, 2]. В отношении эстакад наибольший интерес представляет стационарная АСМ, работающая в режиме 24/7 и предназначенная для регистрации ключевых диагностических параметров, раннего выявления аномалий и поддержания принятия решений о ремонте и эксплуатации сооружения [9, с. 1056-1074; 12, с. 1360]. Нормативные документы (СП РК EN 1991‑2 [13], СН РК 3.03‑12‑2013 [14], СП РК 2.04‑01‑2017 [15], СП РК EN 1990 [16], UIC 776‑1 [17], ISO 13822 [18], ГОСТ 31937–2024 [19], СНиП РК 3.02‑05‑2010 [20]) задают расчётные значения воздействий, категории технического состояния и общие требования к мониторингу, но не регламентируют детально состав и архитектуру АСМ; этот пробел восполняется в рассматриваемой диссертации.
На основе обзора литературы и анализа действующих норм в работе выделен минимальный набор контролируемых параметров для железнодорожных эстакад: относительные деформации и напряжения в основных несущих элементах; вертикальные прогибы и перемещения пролётных строений; углы наклона и осадки опор; виброускорения и собственные частоты колебаний; температура конструкций и окружающего воздуха; при необходимости – влажность и уровень грунтовых вод [3; 5, с. 345-372; 7, с. 19-33; 12, с. 1360]. Эти параметры позволяют косвенно характеризовать напряжённо‑деформированное состояние (НДС) сооружения и отслеживать его изменение во времени.
Для регистрации указанных величин используются различные типы сенсоров: тензорезистивные и волоконно‑оптические датчики деформаций, акселерометры, инклинометры, линейные датчики перемещений, GNSS‑приёмники, температурные и метеодатчики [4; 5, с. 345-372; 6; 7, с. 19-33; 10; 11; 12, с. 1360]. Суммарный обзор показывает, что распределённые волоконно‑оптические системы (DFOS) и современные MEMS‑акселерометры обеспечивают высокую чувствительность и устойчивость к электромагнитным помехам, что особенно важно вблизи железнодорожной инфраструктуры [10, 11]. В диссертации предлагается комбинированная схема, включающая волоконно‑оптические датчики для ключевых сечений, акселерометры для контроля динамики пролётов и инклинометры на опорах. Пример соответствия диагностических параметров и типов датчиков приведён в таблице.
Таблица
Примеры контролируемых параметров и применяемых датчиков в АСМ железнодорожной эстакады
Тип датчика | Измеряемые параметры | Примеры и особенности |
Тензометрический датчик (электрический тензодатчик сопротивления) | Относительные деформации (растяжения/сжатия) конструкции; косвенно – механические напряжения. | Представляет собой чувствительную решётку (фольгу), наклеиваемую на поверхность элемента. При его деформации изменяется электрическое сопротивление датчика. Позволяет измерять микродеформации (единицы микрострейн, 10–6). Требует калибровки и термокомпенсации; обычно подключается кабелем к модулю сбора данных. |
Волоконно-оптический датчик (Fiber Bragg Grating, интерферометрический и др.) | Деформации, температура, вибрация (в зависимости от конструкции датчика). | Использует оптоволокно с сеткой Брэгга или другим преобразователем. Отличается высокой чувствительностью и устойчивостью к внешним электромагнитным помехам. Возможно создание распределённых сенсоров – один оптический кабель контролирует деформации на большой длине конструкций. Применение ограничено относительно высокой стоимостью оборудования и необходимостью специализированных приёмников сигнала. |
Акселерометр (сейсмодатчик) | Ускорения конструкций (обычно в трёх взаимно перпендикулярных осях); косвенно – частоты и формы собственных колебаний, сейсмические воздействия. | В АСМ используются высокочувствительные акселерометры (типа MEMS или пьезоэлектрические), устанавливаемые на пролётах и опорах. Они записывают вибрации от проходящих поездов, ветра, землетрясений. Анализ сигнала позволяет определить динамические характеристики конструкции. Чувствительность обычно выражается в м/с²; важна синхронизация датчиков на разных опорах для корректного сравнения фаз колебаний. |
Инклинометр (датчик наклона) | Угол наклона конструктивного элемента (опоры, пролёта) относительно вертикали. | Измеряет малые угловые изменения (порядка секунд дуги). Бывают механические маятниковые, электролитические и MEMS-инклинометры. Устанавливаются на вершинах опор или в узлах пролётов. Позволяют фиксировать крены опор при неравномерной осадке либо прогибы балок. Например, на эстакаде могут контролироваться углы наклона промежуточных опор под нагрузкой поезда. |
Датчик перемещения (линейный) | Линейные перемещения, смещения и раскрытие трещин. | В эту категорию входят: LVDT – линейные дифференциальные трансформаторные датчики перемещения с сердечником; тросовые датчики (стринг-потенциометры) – измеряют перемещение через вытягивание стального троса, намотанного на катушку с потенциометром; лазерные дальномеры – бесконтактно измеряют расстояние до отражателя. Такие датчики применяются для мониторинга прогибов пролётов (например, тросовый датчик между пролётом и землёй) либо для контроля ширины раскрытия деформационных швов и трещин. Точность – от долей миллиметра до миллиметров, диапазон – до десятков сантиметров (для тросовых) и больше для лазерных. |
GNSS/GPS приемник | Координаты характерных точек конструкции (X, Y, Z); горизонтальные и вертикальные перемещения большой амплитуды (миллиметры и выше). | Спутниковая система позиционирования позволяет отслеживать медленные смещения эстакады в глобальной системе координат. Например, прогиб пролёта под нагрузкой ~5–10 мм можно теоретически уловить высокоточным GPS, однако погрешность сопоставима. Более применимо для мониторинга осадки устоев или дрейфа конструкции со временем. Преимущество – отсутствие проводов (беспроводной мониторинг), недостаток – зависимость от качества сигнала и атмосферы. |
Температурный датчик | Температура воздуха, конструкций (стали, бетона), опорных частей. | Обычно используются термометры сопротивления (термомосты), термопары или полупроводниковые датчики. Они устанавливаются на контрольных сечениях балок, внутри бетона опор (для отслеживания температурных градиентов) и снаружи. Температурные данные необходимы для учёта температурных деформаций: корректировки показаний тензодатчиков, оценки тепловых напряжений, а также для сигнализации о морозных режимах (при температуре ниже проекта необходимо усилить контроль, возможно, ограничить движение). |
Датчики среды (влажности, осадков, давления) | Влажность воздуха (%), наличие осадков (дождя), уровень грунтовых вод, давление ветра. | Метеодатчики в составе АСМ фиксируют условия окружающей среды. Датчик влажности, например, поможет оценить риск коррозии и степень насыщения бетона водой (при 100% влажности воздуха и минусовых температурах риск обледенения максимален). Осадкомеры и анемометры могут быть установлены для предупреждения: сильный ветер и гололёд – критические условия для эстакады. Пьезометры в грунте у оснований опор покажут подъем грунтовых вод, что важно для устойчивости фундаментов. |
Отдельное внимание уделено вопросу формирования пороговых значений показателей: на основе требований EN 1990 [16], ISO 13822 [18] и ГОСТ 31937–2024 [19] вводятся уровни «нормы», «предупреждения» и «аварии», привязанные к предельным состояниям конструкций. Для каждого контролируемого параметра (прогиб, напряжение, частота и др.) задаются допустимые диапазоны, при выходе за которые АСМ должна генерировать предупредительные или аварийные сигналы. Такой подход позволяет интегрировать результаты мониторинга в существующую систему оценки надёжности сооружений.
Материалы и методы
Ключевым методологическим элементом диссертации является построение расчётной модели эстакады и её интеграция с данными мониторинга в формате «цифрового двойника» [9, с. 1056-1074; 10; 11; 12, с. 1360; 21]. Рассматриваемый объект – трёхниточная железнодорожная эстакада длиной порядка 2,55 км в г. Астане, выполненная в виде неразрезных металлических пролётных строений с ортотропной плитой и железобетонными опорами. На основе норм СП РК EN 1991‑2 [13], СН РК 3.03‑12‑2013 [14] и UIC 776‑1 [17] сформированы расчётные сценарии нагружения: постоянные нагрузки от собственного веса, подвижные нагрузки типа С‑14 с учётом динамических коэффициентов, тормозные усилия, ветровые воздействия, снеговая нагрузка и температурные воздействия включая градиенты по сечению.
Расчётная схема реализована в программном комплексе методом конечных элементов; моделируются неразрезные балки, пространственная работа пролётных строений и податливость опорных частей. Для каждого сценария определены прогибы пролётов, эпюры изгибающих моментов и поперечных сил, реакции в опорах, а также собственные частоты и формы колебаний. Особое внимание уделено сочетаниям нагрузок, отвечающим предельным состояниям первой и второй групп, – полному грузовому поезду на эстакаде при неблагоприятной температуре и ветре, а также особым ситуациям торможения и локальных перегрузок [8, с. 984-1027; 13; 14].
Натурные данные получены в процессе опытной эксплуатации эстакады, оснащённой АСМ: при проходе реальных поездов фиксировались деформации в характерных сечениях, прогибы, ускорения пролётных строений и углы наклона опор, одновременно регистрировались метеопараметры [8, с. 984-1027; 12, с. 1360; 22]. Сопоставление показало, что фактические прогибы и напряжения в среднем на 10–15% ниже расчётных значений, собственные частоты колебаний отличаются не более чем на 5–7%, а демпфирование близко к ожидаемым значениям для стальных мостов с балластом.
Такое соответствие свидетельствует, с одной стороны, о корректности исходной расчётной модели, а с другой – позволяет использовать её в качестве цифрового эталона для интерпретации данных АСМ. Выявленные различия объясняются консервативностью принятых нормативных сценариев, расхождениями в жёсткости отдельных узлов и фактическим распределением нагрузок по путям. На основе результатов сопоставления выполнена калибровка модели (уточнение жёсткостей, граничных условий, распределения масс), что повысило точность прогноза и позволило сформировать количественные требования к чувствительности и диапазону измерений датчиков: АСМ должна регистрировать изменения НДС на уровне нескольких процентов от нормальных значений, чтобы надёжно фиксировать деградацию жёсткости или локальные повреждения.
Кроме того, анализ сочетаний нагрузок и фактических откликов позволил выделить наиболее критичные элементы и узлы конструкции, которые необходимо контролировать в первую очередь: средние части пролётов с максимальными изгибающими моментами, участки над опорами в неразрезных балках, деформационные швы, опорные части и высокие опоры, чувствительные к неравномерным осадкам. Именно в этих точках концентрируется сеть сенсоров разработанной АСМ, что отражено в дальнейшей части работы.
Архитектура и алгоритмы автоматизированной системы мониторинга
Исходя из сформированных требований, в диссертации предложена и реализована многоуровневая архитектура АСМ железнодорожной эстакады, включающая сеть сенсоров на сооружении, локальные узлы сбора и предварительной обработки данных, центральный сервер и автоматизированное рабочее место оператора [10; 11; 12, с. 1360; 21; 22]. На уровне первичных измерений система использует волоконно‑оптические датчики деформаций на главных балках пролётов, инклинометры на опорах, акселерометры на характерных пролётах и метеостанцию. Локальные контроллеры, размещённые в распределительных шкафах, осуществляют оцифровку сигналов, их временную синхронизацию и передачу по оптоволоконной и медной сетям на сервер. Обобщённая схема АСМ показана на рисунке.
Рис. Обобщённая архитектура автоматизированной системы мониторинга железнодорожной эстакады
При проектировании учтены требования климатической устойчивости и надёжности: датчики и коммутационное оборудование рассчитаны на диапазон температур от –40 до +50°С, имеют степень защиты не ниже IP65, предусматривается резервирование питания через источники бесперебойного питания и, при необходимости, альтернативные каналы связи. Частота опроса датчиков деформаций и наклона выбирается с учётом характерных динамических процессов, а акселерометры регистрируют вибрации с дискретизацией порядка сотен герц, что достаточно для модального анализа и оценки комфорта движения [2; 8, с. 984-1027; 15].
Программно‑алгоритмическая часть АСМ реализует непрерывный сигнальный мониторинг и режим периодического углублённого анализа. В первом случае в реальном времени вычисляются интегральные показатели состояния (максимальные деформации и прогибы при проходе каждого поезда, текущие собственные частоты, углы наклона опор), которые сравниваются с пороговыми значениями, сформированными по результатам расчётного моделирования и требований нормативов [18, 19, 20]. При превышении порога «предупреждения» система формирует сообщение об инциденте, при достижении уровня, соответствующего предельному состоянию, – аварийный сигнал, инициирующий регламент действий эксплуатационных служб.
Во втором режиме – периодического мониторинга – выполняется долговременный анализ трендов и сопоставление с цифровым двойником сооружения. На основе накопленных записей вибраций определяется эволюция модальных параметров (частот, форм колебаний, коэффициентов демпфирования); вычисляются индикаторы повреждений в духе современных методов SHM [1; 4; 7, с. 19-33]. При существенных расхождениях между расчётными и измеренными величинами выполняется идентификация возможных изменений жёсткости отдельных элементов и уточнение модели, что позволяет локализовать зоны потенциальных дефектов и оценить остаточный ресурс конструкции [9, с. 1056-1074; 10; 11; 12, с. 1360; 21].
Интерфейс автоматизированного рабочего места обеспечивает наглядное представление информации: на схеме эстакады отображаются текущие значения ключевых параметров и состояние датчиков, реализованы графики изменения показателей во времени, журнал событий и подсказки по реагированию на сигналы. Тем самым АСМ выполняет не только функцию «датчик – сигнал», но и роль подсистемы поддержки принятия решений для инженерно‑технического персонала, что соответствует современным представлениям о цифровых платформах мониторинга инфраструктурных объектов [2; 12, с. 1360; 21].
Заключение
Обзор результатов магистерской диссертации показывает, что интеграция методов структурного мониторинга, расчётного моделирования и цифровых технологий создаёт эффективный инструмент обеспечения безопасности и долговечности железнодорожных эстакад. Теоретическая часть работы уточняет перечень диагностических параметров и требований к АСМ в условиях резко континентального климата и насыщенной железнодорожной инфраструктуры Казахстана; аналитическое моделирование и сопоставление с натурными данными подтверждают корректность принятых расчётных предпосылок и позволяют сформировать количественные критерии для настройки системы мониторинга.
Разработанная архитектура АСМ и её пилотное внедрение на эстакаде в Астане демонстрируют практическую реализуемость подхода и его потенциал для масштабирования. Система обеспечивает непрерывный контроль НДС пролётных строений и опор, оперативную сигнализацию об отклонениях и возможность интеграции с цифровым двойником сооружения. По моему мнению, дальнейшее развитие подобных решений – с расширением сенсорных технологий, применением методов машинного обучения и созданием единого отраслевого центра обработки данных – является логичным шагом на пути к «умной» железнодорожной инфраструктуре, ориентированной на управление рисками и жизненным циклом объектов.
Сформулированные в диссертации подходы и рекомендации могут быть использованы при разработке типовых проектов АСМ для других железнодорожных и автодорожных мостов, а также при совершенствовании национальной нормативно‑методической базы в части мониторинга технического состояния ответственных инженерных сооружений.
.png&w=640&q=75)
