Il trasporto ferroviario in questo ultimo decennio, è divenuto protagonista di un periodo di grande espansione ed evoluzione tecnologica; il successo è dovuto all' elevata capacità di carico con la potenzialità di soppiantare ogni altro sistema nelle zone metropolitane, non solo nel trasporto passeggeri su brevi e medie distanze, ma anche nel trasporto merci. Tale sistema di trasporto, inoltre, garantisce un basso impatto ambientale in un periodo storico in cui le fonti energetiche stanno diventando sempre più carenti e il livello di inquinamento delle zone industrializzate raggiunge livelli di gran lunga superiori ai livelli massimi dettati dall'Unione Europea. Per queste motivazioni l'Unione Europea ha dato una grande spinta, in termini di finanziamenti, per la costruzione di nuove linee ferroviarie ad alta velocità per il trasporto passeggeri e ad alta capacità per il trasporto merci. La disponibilità di consistenti fondi europei ha permesso la realizzazione di nuove linee per il traffico inter-europeo, rendendo, così, competitivo il trasporto su rotaia competitivo sulle medie distanze a discapito del trasporto aereo. Nonostante alcuni paesi europei abbiano investito in tale ambito ottenendo sviluppi ed esiti positivi, la situazione non è omogenea in tutta Europa: il sistema ferroviario rimane in una situazione stagnante in molti Paesi membri dell'UE, in particolar modo soprattutto nel settore delle linee ad alta velocità. A riprova di tale affermazione si hanno i dati statistici: dal 2000 ad oggi il trasporto ferroviario passeggeri è rimasto mediamente costante con una quota del 6%, mentre il trasporto merci su rotaia è diminuito, passando dall'11.5% al 10.2%. L’incapacità di far fronte alle necessità di un trasporto capillare disperso su vaste aree con volumi di trasporto limitati è, principalmente, il limite del trasporto ferroviario. L'Unione Europea, per far fronte a tale situazione, ha nuovamente stanziato ingenti fondi, con il duplice obiettivo da un lato di permettere la futura riduzione dei costi dei servizi ferroviari, dall'altro di aumentare nel contempo capacità, frequenza e affidabilità della rete ferroviaria Europea. Nell'ottica di migliorare l'affidabilità del trasporto ferroviario un importante contributo è dato dai sistemi di monitoraggio a bordo veicolo, che attualmente si trovano esclusivamente installati su veicoli ad alta velocità, dove l'investimento per questi sistemi è giustificato dall'elevato costo di tale tipologia di rotabili. In realtà anche veicoli passeggeri con prestazioni inferiori e veicoli merci potrebbero trarre grandi benefici da questi dispositivi. Per venire incontro a tale esigenza, risulta necessario sviluppare nuovi sistemi di monitoraggio a basso costo, che non solo permettano di controllare le condizioni di marcia del veicolo, ma che possano anche essere utilizzati per sviluppare un piano di manutenzione preventiva. Un sicuro beneficio che, infatti, si potrebbe trarre da questi sistemi è la riduzione dei costi associati ai guasti, al fine di migliorare le procedure di manutenzione. Senza dubbio le potenzialità di un sistema di monitoraggio sono fortemente condizionate dalla qualità degli algoritmi utilizzati per elaborare i segnali acquisiti, con lo scopo di rilevare eventuali anomalie o di marcia o a livello di componente del veicolo. Lo sviluppo di tali algoritmi predittivi e diagnostici richiede lunghe attività di ricerca, che non possono essere effettuate in linea a causa degli elevati costi dovuti alla messa a punto di un apposito veicolo di prova e dell'occupazione della linea. Per questa ragione, lo sviluppo e la calibrazione di questi algoritmi devono essere effettuati su appositi banchi prova che consentono di testare gli algoritmi in laboratorio, garantendo una buona ripetibilità dei risultati e allo stesso tempo riducendo notevolmente i costi. La tesi di dottorato tratta lo studio di problematiche correlate alla dinamica ferroviaria, al fine di sviluppare un sistema di monitoraggio che possa essere installato su diverse tipologie di veicolo. Il sistema di monitoraggio deve essere in grado di rilevare in tempo reale condizioni di marcia pericolose e eventuali anomalie di alcuni dei suoi componenti più importanti: boccole, freni, sospensione primaria e secondaria. Il sistema di monitoraggio include algoritmi ad hoc che sono stati sviluppati mediante l'utilizzo di appositi banchi prova ferroviari, che ne permettono la validazione in laboratorio senza dover ricorrere a prove in linea. La tesi tratta, inoltre, lo sviluppo di un algoritmo di contatto in tempo reale che può essere incluso nel sistema di monitoraggio, finalizzato alla valutazione in tempo reale delle forze scambiate tra ruota e rotaia, che sono di fondamentale importanza per valutare la dinamica del veicolo. L'algoritmo di contatto è stato impiegato per effettuare studi di adesione e di usura su banco prova Roller-Rig. Il risultato finale dell'attività di ricerca è un primo prototipo di sistema di monitoraggio, testato su un veicolo reale. Gli algoritmi, che eseguono le diverse funzioni di monitoraggio, sono in grado di rilevare sia problemi legati alla stabilità del veicolo (deragliamento, instabilità), sia eventuali anomalie di alcuni componenti del veicolo.

Sviluppo di Algoritmi in Tempo Reale per la Simulazione, il Monitoraggio e la Diagnostica di Sistemi Ferroviari / Zampieri, Nicolo'. - (2014). [10.6092/polito/porto/2534692]

Sviluppo di Algoritmi in Tempo Reale per la Simulazione, il Monitoraggio e la Diagnostica di Sistemi Ferroviari

ZAMPIERI, NICOLO'
2014

Abstract

Il trasporto ferroviario in questo ultimo decennio, è divenuto protagonista di un periodo di grande espansione ed evoluzione tecnologica; il successo è dovuto all' elevata capacità di carico con la potenzialità di soppiantare ogni altro sistema nelle zone metropolitane, non solo nel trasporto passeggeri su brevi e medie distanze, ma anche nel trasporto merci. Tale sistema di trasporto, inoltre, garantisce un basso impatto ambientale in un periodo storico in cui le fonti energetiche stanno diventando sempre più carenti e il livello di inquinamento delle zone industrializzate raggiunge livelli di gran lunga superiori ai livelli massimi dettati dall'Unione Europea. Per queste motivazioni l'Unione Europea ha dato una grande spinta, in termini di finanziamenti, per la costruzione di nuove linee ferroviarie ad alta velocità per il trasporto passeggeri e ad alta capacità per il trasporto merci. La disponibilità di consistenti fondi europei ha permesso la realizzazione di nuove linee per il traffico inter-europeo, rendendo, così, competitivo il trasporto su rotaia competitivo sulle medie distanze a discapito del trasporto aereo. Nonostante alcuni paesi europei abbiano investito in tale ambito ottenendo sviluppi ed esiti positivi, la situazione non è omogenea in tutta Europa: il sistema ferroviario rimane in una situazione stagnante in molti Paesi membri dell'UE, in particolar modo soprattutto nel settore delle linee ad alta velocità. A riprova di tale affermazione si hanno i dati statistici: dal 2000 ad oggi il trasporto ferroviario passeggeri è rimasto mediamente costante con una quota del 6%, mentre il trasporto merci su rotaia è diminuito, passando dall'11.5% al 10.2%. L’incapacità di far fronte alle necessità di un trasporto capillare disperso su vaste aree con volumi di trasporto limitati è, principalmente, il limite del trasporto ferroviario. L'Unione Europea, per far fronte a tale situazione, ha nuovamente stanziato ingenti fondi, con il duplice obiettivo da un lato di permettere la futura riduzione dei costi dei servizi ferroviari, dall'altro di aumentare nel contempo capacità, frequenza e affidabilità della rete ferroviaria Europea. Nell'ottica di migliorare l'affidabilità del trasporto ferroviario un importante contributo è dato dai sistemi di monitoraggio a bordo veicolo, che attualmente si trovano esclusivamente installati su veicoli ad alta velocità, dove l'investimento per questi sistemi è giustificato dall'elevato costo di tale tipologia di rotabili. In realtà anche veicoli passeggeri con prestazioni inferiori e veicoli merci potrebbero trarre grandi benefici da questi dispositivi. Per venire incontro a tale esigenza, risulta necessario sviluppare nuovi sistemi di monitoraggio a basso costo, che non solo permettano di controllare le condizioni di marcia del veicolo, ma che possano anche essere utilizzati per sviluppare un piano di manutenzione preventiva. Un sicuro beneficio che, infatti, si potrebbe trarre da questi sistemi è la riduzione dei costi associati ai guasti, al fine di migliorare le procedure di manutenzione. Senza dubbio le potenzialità di un sistema di monitoraggio sono fortemente condizionate dalla qualità degli algoritmi utilizzati per elaborare i segnali acquisiti, con lo scopo di rilevare eventuali anomalie o di marcia o a livello di componente del veicolo. Lo sviluppo di tali algoritmi predittivi e diagnostici richiede lunghe attività di ricerca, che non possono essere effettuate in linea a causa degli elevati costi dovuti alla messa a punto di un apposito veicolo di prova e dell'occupazione della linea. Per questa ragione, lo sviluppo e la calibrazione di questi algoritmi devono essere effettuati su appositi banchi prova che consentono di testare gli algoritmi in laboratorio, garantendo una buona ripetibilità dei risultati e allo stesso tempo riducendo notevolmente i costi. La tesi di dottorato tratta lo studio di problematiche correlate alla dinamica ferroviaria, al fine di sviluppare un sistema di monitoraggio che possa essere installato su diverse tipologie di veicolo. Il sistema di monitoraggio deve essere in grado di rilevare in tempo reale condizioni di marcia pericolose e eventuali anomalie di alcuni dei suoi componenti più importanti: boccole, freni, sospensione primaria e secondaria. Il sistema di monitoraggio include algoritmi ad hoc che sono stati sviluppati mediante l'utilizzo di appositi banchi prova ferroviari, che ne permettono la validazione in laboratorio senza dover ricorrere a prove in linea. La tesi tratta, inoltre, lo sviluppo di un algoritmo di contatto in tempo reale che può essere incluso nel sistema di monitoraggio, finalizzato alla valutazione in tempo reale delle forze scambiate tra ruota e rotaia, che sono di fondamentale importanza per valutare la dinamica del veicolo. L'algoritmo di contatto è stato impiegato per effettuare studi di adesione e di usura su banco prova Roller-Rig. Il risultato finale dell'attività di ricerca è un primo prototipo di sistema di monitoraggio, testato su un veicolo reale. Gli algoritmi, che eseguono le diverse funzioni di monitoraggio, sono in grado di rilevare sia problemi legati alla stabilità del veicolo (deragliamento, instabilità), sia eventuali anomalie di alcuni componenti del veicolo.
2014
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Tipologia: Tesi di dottorato
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