Фундаментальні принципи проактивного моніторингу рейок за допомогою волоконнооптичних сенсорів

Abstract

UA: Дослідження присвячене розробленню і теоретичному обґрунтуванню фундаментальних принципів створення проактивної системи моніторингу цілісності залізничних рейок на основі технології розподіленого акустичного зондування (DAS). Проаналізовано критичні недоліки існуючих методів інспектування, що функціонують у реактивній парадигмі і створюють «сліпі зони» між перевірками. Обґрунтовано, що DAS є оптимальним технологічним рішенням завдяки нечутливості до електромагнітних завад, можливості контролю ділянок до 100 км та економічності за рахунок використання сучасних волоконно-оптичних кабелів. Досліджено фізику поширення пружних хвиль у рейці, що дало змогу встановити компроміс між дальністю (низькі частоти) і деталізацією (високі частоти) моніторингу. Сформульовано головний науковий внесок — теоретичну основу для проактивного виявлення дефектів «з випередженням» через аналіз вібрацій, що поширюються рейкою попереду поїзда.

EN: This research is dedicated to the development and theoretical substantiation of the fundamental principles for creating a proactive system for monitoring the integrity of railway rails based on Distributed Acoustic Sensing (DAS) technology. The study addresses the critical shortcomings of existing inspection methods, which are predominantly reactive or periodic, leading to dangerous «blind spots» in time during which critical defects can emerge and develop unnoticed. A key issue highlighted is the systemic «safety gap» arising from the modernization of signaling systems, where the replacement of traditional track circuits with more reliable axle counters inadvertently eliminates a secondary, albeit imperfect, mechanism for detecting complete rail breaks. The paper substantiates that DAS is the optimal technological solution to fill this gap. Its key advantages are analyzed in detail: complete immunity to electromagnetic interference (EMI) from power lines and traction motors, the ability to monitor vast track sections (up to 100 km) from a single interrogator unit, and significant economic efficiency achieved by leveraging existing telecommunication fiber-optic cables already laid along most railway lines. This approach signifies a paradigm shift from «deploying sensors» to «activating infrastructure». The physics of the generation and propagation of elastic waves in the «rail-sleeper-ballast» system under the influence of rolling stock is thoroughly investigated. It is established that the rail acts as an effective waveguide for longitudinal, transverse, and flexural waves. A crucial finding is the strong frequency dependence of the attenuation coefficient, which defines a fundamental trade-off between the range and detail of monitoring. Low-frequency components propagate over long distances (> 9 km), enabling early train detection, while high-frequency components, which carry detailed diagnostic information about localized defects, attenuate rapidly (< 2.3 km). The main scientific contribution of this work is the formulation of a theoretical basis for proactive, «look-ahead» defect detection. The central hypothesis is that a moving train can be considered a mobile source of acoustic energy, and by analyzing the vibrational waves propagating ahead of it, it is possible to diagnose the condition of the track several kilometers in advance, providing critical time to respond to threats. This moves the state of the art from reactive analysis of past events to the pre-emptive identification of hazards. Future research directions are outlined, emphasizing the need for advanced machine learning algorithms for realtime data analysis and extensive field trials to validate the theoretical model.