Tecnologie per il monitoraggio dei binari ferroviari e dei sistemi di sicurezza della circolazione ferroviaria

In recent years, railway engineers are required to support higher levels of traffic at increased speeds over the railway infrastructure; this is pushed by the demand for faster and more frequent passenger trains or for heavier freight trains. These results must be achieved together with an improvement of the safety and robustness of the railway network, at competitive costs. In this thesis, various aspects related to the introduction of new technologies in the systems guaranteeing a safe operation of the railway network are investigated. One of the main topics addressed in this work is related to the introduction of ultrasonic guided waves for the monitoring of the integrity of rails. Another topic concerns development of an instrument improving the installation and maintenance of track circuits, a fundamental equipment for safe operation of railway traffic. Rail tracks undergo massive stresses that can affect their structural integrity with the possible result of a rail breakage; this may cause derailments and, consequently, a possible loss of rolling stock material and lives. Therefore, the activities of track maintenance and inspection are of paramount importance. In recent years, the use of various technologies for the monitoring of rails and the detection of their defects has been investigated but substantial research efforts are still required to achieve more reliable results while increasing the scanning speed. It is expected that, in the near future, an important role in track maintenance and inspection will be played by the ultrasonic guided wave technology. In this manuscript, the two main technical approaches to the use of ultrasonic guided waves to monitor rail integrity available in literature are analyzed and compared. Then, the approach usually followed to analyze the propagation of ultrasonic guided waves into solid waveguides is described. This provides a baseline to the development of innovative methods and systems able to detect early-stage defects in rails, and may lead to the development of a commercial product The track circuit is used to detect the presence of a train in a given section of track. A carrier is injected at one end of the section and its presence at the other end is checked. A train is detected when its axis short-circuits the rails, thus preventing the injected current from reaching the receiver. Track circuits also allow to perform train-track communication, and to infer the presence of a rail breakage that interrupts the electrical continuity of the circuit. This system, performing safety critical operations, needs a careful and precise calibration during installation and maintenance, which should be accomplished under normal track operation. This calls for the use of a portable and low-cost albeit accurate device to quantify the real performance of the system. To carry out this task, Alstom has begun to develop a portable device, called track circuit contactless signal analyzer (TCCSA). Its signal acquisition hardware and software can also be employed to extract specific signal features; these can be fed into a machine learning software able to classify the detected signal and thus assessing the health status of the track circuit components or of the rails. In this thesis, it is shown how the development of this system has been carried out, with the implementation of new features and functionalities.

Negli ultimi anni, agli ingegneri ferroviari è stato richiesto di supportare l’aumento del traffico ferroviario e l’incremento delle velocità di percorrenza sull’infrastruttura ferroviaria, sulla spinta della domanda per treni passeggeri più frequenti e veloci, e di treni merci più pesanti. Questi risultati devono essere conseguiti insieme ad un miglioramento delle prestazioni in termini di sicurezza e robustezza della rete ferroviaria, a costi competitivi. In questa tesi sono investigati vari aspetti relativi all’introduzione di nuove tecnologie nei sistemi che garantiscono la sicurezza della gestione del traffico ferroviario. Uno dei principali argomenti affrontati è l’introduzione delle onde ultrasoniche guidate nel controllo dell’integrità delle rotaie. Un secondo punto di interesse è relativo allo sviluppo di uno strumento che migliora le procedure di installazione e manutenzione dei circuiti di binario, strumenti essenziali per assicurare la sicurezza della circolazione ferroviaria. Le rotaie sono sottoposte a forti stress, che possono influire negativamente sulla loro integrità strutturale, con il possibile risultato di una rottura della rotaia; ciò potrebbe causare il deragliamento di un treno e, quindi, la perdita di materiale rotabile e vite umane. Pertanto, le attività di manutenzione ed ispezione del binario sono di importanza capitale. Negli ultimi anni, è stato investigato l’uso di varie tecnologie per il monitoraggio dei binari e per l’individuazione dei difetti; tuttavia, sono ancora richiesti notevoli sforzi per migliorare l’affidabilità dei risultati ed incrementare la velocità con cui i controlli vengono eseguiti. Ci si aspetta che, in un prossimo futuro, un ruolo importante nella manutenzione e nell’ispezione dei binari sarà giocato dalla tecnologia delle onde ultrasoniche guidate. In questo scritto sono analizzati e confrontati i due principali approcci disponibili in letteratura sull’uso delle onde ultrasoniche guidate nel monitoraggio dell’integrità delle rotaie. Di seguito, è descritto l’approccio seguito per analizzare la propagazione delle onde ultrasoniche guidate all’interno di guide d’onda costituite da materiali solidi. Ciò fornisce una base per lo sviluppo di metodi e tecniche innovative per l’individuazione preliminare di difetti nelle rotaie, e può allo sviluppo di un prodotto commerciale. Il circuito di binario è utilizzato per determinare la presenza di un treno in una data sezione di binario. Una portante viene immessa ad una estremità della sezione e si valuta la sua presenza all’altra estremità. Quando un treno corto-circuita le rotaie interrompe il circuito ed impedisce alla corrente immessa di raggiungere il ricevitore; viene così segnalata la presenza di un treno nella sezione. I circuiti di binario consentono anche la comunicazione terra-treno e l’individuazione di rotture della rotaia che interrompano la continuità elettrica del circuito. Questi sistemi, eseguendo operazioni critiche dal punto di vista della sicurezza, richiedono una calibrazione precisa durante l’installazione e la manutenzione, che dovrebbe essere compiuta mantenendo il binario in servizio. Per fare questo, l’azienda Alstom Ferroviaria S.p.A. ha iniziato a sviluppare un dispositivo portatile, chiamato track circuit contactless signal analyzer (TCCSA). Il suo hardware ed il suo software per l’acquisizione del segnale possono anche essere utilizzati per estrarre caratteristiche specifiche del segnale; da queste caratteristiche si possono estrarre, mediante tecniche di apprendimento automatico, informazioni sullo stato di salute del binario e delle componenti del circuito di binario. In questa tesi viene descritto come è stato portato avanti lo sviluppo del sistema, con l’implementazione di nuove caratteristiche e funzionalità.