En el sector ferroviario es fundamental llevar a cabo tareas de auscultación y mantenimiento de la infraestructura con el fin de garantizar una operación ferroviaria segura y eficiente. Por lo general, es el administrador de la infraestructura (ente propietario o gestor directo de la vía) quien debe realizar estas tareas de cara a garantizar un estándar acordado mediante contrato, mientras que al operador ferroviario (ente que explota comercialmente la vía) le corresponde pagar una tasa o canon por el uso de dicha infraestructura, el cual sirve para financiar las tareas anteriores.

Cuando el administrador ferroviario articula su gestión en base a una estrategia de mantenimiento correctivo, los resultados y conclusiones derivadas de las labores de auscultación de la vía permiten determinar los valores de cada uno de sus parámetros geométricos (nivelación, alineación, alabeo, ancho de vía y peralte), determinando si existen defectos o desviaciones significativas sobre las que hay que actuar, es decir, sobre los que hay que llevar a cabo trabajos de mantenimiento de la infraestructura ferroviaria. Por este motivo, las operaciones de auscultación para la detección de defectos en la vía son imprescindibles de forma periódica en líneas en operación.

Sin embargo, tal y como se ampliará en la siguiente sección, debido a las limitaciones de las tecnologías actuales para la auscultación, estas tareas suelen ser muy costosas, sobre todo si quieren conseguirse altos rendimientos, e implican interrumpir o modificar el tráfico en la línea o trabajar en periodos en los que la infraestructura no está en servicio (como pueden ser periodos nocturnos).

Adicionalmente, tal y como se plantea la auscultación y mantenimiento de vía en la actualidad, las limitaciones de los sistemas de auscultación no son el único problema, ya que es necesario también un cambio de paradigma que permita pasar de un planteamiento correctivo (actuar cuando el daño está en un estado avanzado) a una estrategia de mantenimiento predictivo, a través de la implantación de soluciones tecnológicas que proporcionen información relativa a la predicción de la aparición de defectos que permita actuar en etapas tempranas de evolución de los deterioros.

Este avance tecnológico es vital, ya que frente a una infraestructura cada vez más envejecida, el objeto de los administradores ferroviarios debe centrarse en conseguir reducir notablemente los costes de mantenimiento sin afectar a la seguridad. De hecho, la implantación de estas nuevas filosofías de mantenimiento predictivo en el sector industrial ha conllevado ahorros de hasta 70% de los costes respecto a los planteamientos correctivos tradicionales.

Por tanto, con el objeto de optimizar las labores de auscultación y mantenimiento, y reducir los elevados costes que estas conllevan, el equipo de COREAL ha desarrollado un innovador sistema auscultador de vía ideado para ser instalado de manera rápida y económica en cualquier vehículo ferroviario, de manera que éste durante su circulación en servicio se convierta en un registrador continuo y a tiempo real del estado de la vía, datos que a través de su procesamiento avanzado permiten desarrollar planes de mantenimiento predictivos, específicos y particularizados a la infraestructura ferroviaria sobre la que está operando.

Nuestra solución al problema: sistema para auscultación geométrica de la vía ferroviaria basado en equipamiento de trenes convencionales y empleo de métodos inerciales y procesamiento matemático

Los métodos habituales de inspección de vías pueden agruparse en dos categorías principales:

• Dispositivos de medición de vías operados manualmente
• Trenes dedicados a la inspección de vías

Los dispositivos de medición de vías operados manualmente son herramientas económicas de accionamiento manual que se utilizan para inspeccionar las infraestructuras ferroviarias. La tecnología más relevante de esta categoría es el carro de medición de la geometría de la vía.

• El carro de vía es un sistema que consta de un carro dotado de sensores de precisión capaz de medir todos los parámetros significativos del trazado de la vía. La posición se obtiene mediante puntos de control con posición conocida y midiendo las distancias con un odómetro incorporado.

  

  Como se puede observar en la imagen superior, se trata de un sistema que se opera manualmente (bajas velocidades, necesidad de un operario especializado), que dispone comúnmente de una pantalla en la que se seleccionan las distintas variables para la realización correcta de la medición. Además, los carros pueden combinarse con un GPS o una estación robotizada para almacenar los datos recogidos y determinar la ubicación exacta de los datos medidos.

  Derivadas de su propia naturaleza, las principales limitaciones de este sistema es su bajo rendimiento (el equipo circula a velocidad humana) y la necesidad de que las labores de auscultación sean nocturnas o sea necesario parar el servicio ferroviario.

Por otro lado, en lo que respecta a los vehículos auscultadores de vía, se puede afirmar que es una metodología cada vez más extendida. Dichos vehículos han sido concebidos con el fin de auscultar la vía bajo carga circulante, es decir, el sistema de medición de vía se compone de un eje de medición que se monta debajo del vehículo. Estos vehículos auscultadores permiten numerosos análisis y pueden emplear:

• Técnicas de contacto. Existen elementos que van en contacto con los carriles con la finalidad de detectar los defectos en la geometría de la vía. Los equipos más habituales empleados en la actualidad para la realización de estas tareas son vehículos que incorporan palpadores, máquinas bateadoras-auscultadoras de vía y dresinas-auscultadoras de vía.Así, los vehículos que incorporan palpadores se basan, como ya se ha adelantado, en métodos físicos de contacto ya que los palpadores son elementos dispuestos en los bogies de los trenes auscultadores de modo que van en contacto con los carriles con la finalidad de detectar los defectos en la geometría de la vía. Estos palpadores pueden ser de dos tipos: palpadores horizontales (cuya función es medir la cara interna de los carriles para caracterizar la vía en planta y, para ello, miden la alineación y el ancho de vía) y verticales (cuyo objetivo es medir la superficie de rodadura para caracterizan el alzado tomando medidas de nivelación longitudinal, peralte y alabeo).

  Las máquinas bateadoras-auscultadoras de vía tienen como cometido principal compactar el balasto bajo los extremos de los durmientes. Sin embargo, algunas de ellas pueden ser, a su vez, también bateadoras niveladoras-alineadoras. Estas máquinas, además de batear, miden los defectos del trazado de la vía y los corrigen, colocándola en su posición exacta en planta y alzado, agrupando estas tres operaciones en una única máquina. La metodología de inspección se basa en dispositivos de medida de geometría de la vía como pueden ser los palpadores.

  Por su parte, una dresina es un vehículo automotor acondicionado con los equipos necesarios para realizar trabajos de mantenimiento de vía o catenaria, diseñado para realizar el transporte de operarios que ejecutan las tareas de mantenimiento, y sus mercancías correspondientes. Además, permite la inspección de todos los parámetros geométricos a su paso

  

  Entre las limitaciones principales de estos sistemas encontramos que las velocidades de circulación de estos equipos es menor a las de los trenes en operación, lo que obliga a asignar periodos de tiempo específicos para llevar a  cabo los trabajos, interrumpiendo la normal operación de la misma.

  Adicionalmente, por su propia naturaleza, los palpadores están en contacto continuo con el carril a una presión determinada para que no se despegue, lo que provoca un desgaste continuo en los palpadores y en el carril, lo cual por un lado afecta a la calidad de las mediciones y por otro al deterioro del carril.
• Técnicas basadas en métodos sin contacto. En un intento de superar las limitaciones de los sistemas de inspección por contacto, en los años 90 se desarrollaron vehículos de inspección sin contacto. Los vehículos de laboratorio, que integran diferentes tecnologías, son conducidos por una locomotora o acoplados a trenes que prestan servicios comerciales.

  También pueden ser vehículos específicos autopropulsados.Las tecnologías que incorporan pueden ser de ultrasonidos, sensores térmicos o de corrientes de Foucault, pero destacaríamos las basadas en mediciones ópticas. De manera simplificada, para calcular distancias y medir parámetros geométricos, el sistema de medición óptica sin contacto basado en el láser emite un haz de luz hacia el objeto deseado y mide el tiempo que tarda el pulso en reflejarse en el objetivo y volver al dispositivo.

  Estos vehículos especializados son muy sofisticados y caros, por lo que su número es limitado y sólo se encuentran en países con grandes redes ferroviarias. Este es el caso de España donde se encuentra el tren laboratorio SENECA de Adif para la auscultación de la infraestructura de las líneas de alta velocidad, o el VAI (Vehículo Auscultador de Instalaciones) de Metro Madrid.

  

  Por tanto, destacaríamos que su principal limitación reside en que se trata de vehículos sofisticados que son escasos en número y muy caros, lo que hace su empleo muy complicado debido al gran recorrido que tienen que realizar para desplazarse de un lugar a otro de auscultación.
  Otro inconveniente, al igual que para las máquinas bateadoras, es que ocupan la vía no siendo vehículos comerciales, lo cual disminuye la capacidad de la infraestructura, con el consiguiente coste añadido.

Dada la situación descrita, desde COREAL se detectó la necesidad de desarrollar una solución innovadora que fuera capaz de dar solución a todos los problemas anteriormente descritos, proporcionando unos resultados, en cuanto a la auscultación de la vía se refiere, de calidad igual o superior a los que presentan los sistemas actuales.
Nuestro equipo técnico centró su estrategia en desarrollar una solución basada en el concepto de los sistemas de vehículos auscultadores de vía sin contacto, pero sin tener que emplear vehículos especiales de elevado coste para la auscultación de la vía.

Así se llevó a cabo el desarrollo y validación de un innovador sistema de auscultación basado en métodos inerciales y procesamiento matemático que, con el uso de sensores localizados en los vehículos comerciales, sea capaz de aportar datos en tiempo real del estado de la vía, a partir de los cuales podrá implantarse un mantenimiento predictivo.

Nuestra metodología para desarrollar la solución

Implementada nuestra metodología, tras el análisis del reto tecnológico y objetivos del cliente potencial, llevamos a cabo una investigación que nos permitió definir el mejor enfoque para solucionar el problema, concretando prestaciones y evaluando su idoneidad desde un punto de vista costo-beneficio.
Así, planteamos desarrollar un sistema de auscultación avanzado que, si bien consta de un subsistema para la captación y transmisión de registros en vía, entre ellos las vibraciones ocasionadas por los diferentes defectos de vía a medir, su principal valor reside en el proceso matemático capaz de convertir la señal captada al parámetro de interés (geometría de vía).

Esto es así ya que la captación de los defectos se realiza de una forma indirecta, por lo que el reto tecnológico más relevante durante la creación de la solución fue el desarrollo y validación de una algoritmia matemática avanzada para el procesado de datos, ya que únicamente a través de un proceso de transformación de la señal digital que registran los sensores inerciales en función del tiempo es posible conseguir los resultados y precisión que caracteriza a nuestro sistema.

Respecto al subsistema de captación y registro en vía, la función de los sensores inerciales es captar las vibraciones producidas por la interacción de la rueda del vehículo con la vía para su posterior análisis. En lo que respecta a la ubicación del sensor, se debe tener especial cuidado con las interferencias en la señal provocadas por la posible aparición de fenómenos de resonancia del sistema, es por esto que los acelerómetros deben instalarse en las partes del vehículo que cuenten con frecuencias propias más altas, como las masas no suspendidas.

Además, estos sensores deben conectarse al sistema de adquisición de datos mediante cableado, por lo que su ubicación deberá ser aquella que permita que los cables se dispongan por el interior del vehículo sin excesiva dificultad, de tal modo que se evite el daño debido al movimiento relativo que se da entre las diferentes masas del vehículo. Por todo ello, se determina que el lugar idóneo para instalar los acelerómetros es la caja grasera del vehículo. A continuación, se muestra la ubicación de estos sobre la caja grasera de un tren:

Como se observa en la figura superior, el sensor se instala sobre el cuerpo metálico mediante una unión imantada reforzada con un adhesivo industrial. Esto permite ubicar el sensor sin necesidad de modificar los elementos del vehículo o realizar operaciones mecánicas sobre este, además de permitir un montaje/desmontaje rápido y sencillo.

En cuanto a la conexión del sensor con la unidad de registro, ésta se realiza mediante cables que son anclados a través de bridas a los elementos del vehículo, asegurando de esta manera que no puedan entrar en contacto con partes móviles. Además, se provee al cable de una barrera aislante de protección para evitar el desgaste o rotura por la proyección de piedras u otras partículas.

Por otro lado, se dispone de un sistema de geolocalización GPS que, a medida que se realizan los registros de aceleraciones, asocia coordenadas globales del lugar exacto donde se han producido dichos registros. El módulo GPS junto con su antena se instalará en la cabina del vehículo. La instalación de la antena se puede realizar por unión magnética con el cuerpo del vehículo o mediante sujeción por bridas en algún elemento de este.

Una vez recopilados los datos en forma de ficheros a través del sistema hardware, se procede a realizar su análisis mediante el algoritmo de tratamiento de la señal. El objetivo de dicho tratamiento consiste en caracterizar los parámetros de la vía y sus elementos a partir de la señal vibratoria registrada por el sistema de auscultación colocado en el vehículo, y poder relacionar esta información mediante la asociación de dichos registros con las coordenadas GPS.

El algoritmo procesará los datos de aceleración (vibración) que se obtienen en el dominio del tiempo. Mediante la aceleración se puede obtener, vía integración, los desplazamientos que la han producido y, filtrándolos y transformándolos al dominio de la frecuencia, se puede correlacionar dicha señal con la causa que lo provoca mediante un análisis a partir de un modelo matemático de la interacción del eje del vehículo con la vía.
Una vez terminado dicho proceso se puede volver al dominio del tiempo para finalmente obtener en el dominio del espacio la correlación de los defectos y características de la vía con las coordenadas de los puntos donde se han registrado.

Los resultados de este análisis se presentan al cliente a través una plataforma web, donde se muestran todos los parámetros geométricos de vía para los tramos y sus elementos, indicando el estado de calidad de la vía. De esta forma será capaz de cuantificar y predecir el momento en el que se va a originar una degradación, es decir, permitirá anticiparse en la medida de lo posible evitando que las tareas de mantenimiento se realicen en estados avanzados de avance.

Conclusiones

Nuestro equipo ha desarrollado un sistema con la capacidad de caracterizar el estado de la vía que puede ser integrando en cualquier vehículo ferroviario, de manera que es capaz de auscultar todos los parámetros geométricos a medida que el vehículo avanza durante su operación normal.

Nuestra solución innovadora, permite llevar a cabo un control del estado de la red e implantar técnicas de mantenimiento predictivo sin afectar al servicio de la vía, de modo que los administradores ferroviarios posean una herramienta que posibilita la optimización de las operaciones de mantenimiento, a la vez que se mejora la seguridad, calidad y el nivel servicio de sus infraestructuras.

Para obtener más información sobre esta solución innovadora, no dude en descargar nuestro brochure específico.

Adicionalmente, si busca mejorar la productividad de su sector industrial, no dude en consultar otras soluciones desarrolladas por nuestro equipo o contactarnos para desarrollar de manera conjunta una solución tecnológica a medida que responda a su problemática concreta.

 Referencias

Falamarzi, A., Moridpour, S., & Nazem, M. (2019). A review on existing sensors and devices for inspecting railway infrastructure. Jurnal Kejuruteraan, 31(1), 1-10.
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Real Herráiz, J. I., Montalbán Domingo, M. L., Real, T., & Puig, V. (2012). Development of a system to obtain vertical track geometry measuring axle-box accelerations from in-service trains. Journal of Vibroengineering, 14(2), 813-826.
Real, T., Montrós Monje, J., Montalbán Domingo, M. L., Zamorano, C., & Real Herráiz, J. I. (2014). Design and validation of a railway inspection system to detect lateral track geometry defects based on axle-box accelerations registered from in-service trains. Journal of Vibroengineering, 16(1), 234-248.