Visión y desarrollo de la auscultación mecanizada de vía en ETS.

Javier Astarloa 24 de diciembre de 2021

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19 min. de lectura

Javier Astarloa, Responsable de Mantenimiento operativo e ingeniería de explotación.

ETS Euskal Trenbide Sarea (RFV RED FERROVIARIA VASCA)

1.      INTRODUCCIÓN

ETS, como gestor de infraestructuras ferroviarias de Euskadi, dispone a día de hoy de las siguientes instalaciones de vía a su cargo:

Todo el conjunto de la red se compone por lo tanto de 247,376 km ferrocarril (excluidas vías de servicio, playas de vías de talleres y apartaderos) y 24,775 km tranvías (excluidas vías de servicio, playas de vías de talleres).

Sobre la red ferroviaria diariamente circulan 772 servicios, por lo que es obvio que el correcto mantenimiento de la red y en concreto de la vía, como una de las instalaciones más importantes sobre la que se apoya todo el tránsito de trenes, es obligatorio no sólo desde la exigencia de confort de los propios viajeros del ferrocarril sino desde el prisma de la seguridad en la circulación.

Por número de elementos que lo componen y por su dispersión geográfica el mantenimiento de vía es caro y crítico a la vez. Es fácil que, aun conociendo la red, exista cierta sensación de incertidumbre en el estado de la vía. Este conocimiento del estado de la vía es vital para plantear las estrategias de mantenimiento, que en muchas ocasiones se basan en mantenimiento según estado.

Aunque cada vez hay mayores avances en disponer de elementos de vía “inteligentes” que puedan dar razón de su estado y ser monitorizados en tiempo real; a día de hoy se deben de seguir realizando labores de auscultación de vía para chequear la evolución de los parámetros geométricos.

Estas breves notas tratan de describir cómo se realizan los análisis de la vía a través del software desarrollado – en desarrollo para el tren auscultador de vía de ETS. Sobre este análisis se apoya la realización anual de la programación del mantenimiento de vía.

2. DESARROLLO Y ESTADO ACTUAL DE LAS HERRAMIENTAS DE AUSCULTACIÓN MECANIZADA DE VÍA EN ETS

ETS dispone de un tren auscultador de vía (Trenbiker) para la auscultación mecanizada. El empleo eficaz de este medio permite no solo el control del estado de la geometría de vía sino la planificación del grueso de las actividades derivadas del mantenimiento en vía durante todo el periodo anual.

A fin de comprender esta herramienta y su potencial, se va a realizar una breve historia de dicho tren auscultador.

2.1.    Etapa de Euskotren

Previo a la fundación del ente ETS – RFV, la responsabilidad del mantenimiento de vía recaía en el departamento de instalaciones fijas, sección de vía de Euskotren.

Dentro de la dirección técnica de Euskotren se desarrolló la inquietud por disponer de un tren auscultador que pudiera realizar auscultaciones mecanizadas para mejorar el conocimiento del estado de la vía que por entonces se realizaba íntegramente mediante auscultaciones manuales, paseos por la vía, viajes en cabina etc. por el personal supervisor de vía de Euskotren.

Se planteó que dicho tren auscultador debiera de realizarse transformando un automotor de la serie 3150 (3151) retirado del servicio comercial. Este tren auscultador debía de disponer equipos que realizaran la auscultación de vía sin contacto y la velocidad de auscultación debía de ser la misma que la de un tren comercial.

En el año 1996 se comienza de la mano de Air-rail junto con la empresa Mer mec a transformar el vehículo a tren auscultador en los talleres de Durango. Tras las transformaciones pertinentes completas a nivel de interiorismo y equipos, este vehículo quedó completamente funcional durante el año 1998 - 1999.

A grandes rasgos tanto su interiorismo como todos los equipos del tren se han mantenido hasta el día de hoy.

2.2.    Etapa de ETS

Al crearse ETS como ente gestor de las infraestructuras ferroviarias, el tren auscultador pasó a integrarse en los activos del ente.

Durante los años 2007 - 2008 se procedió de la mano de Air-rail junto con la empresa DMA a renovar la base tecnológica del tren auscultador. Se realizó el cambio de láseres y cámaras por un hardware de mayor precisión. Se renovó del sistema software de adquisición de datos pasando de Windows NT a Linux. En la parte hardware, se preparó el tren para la instalación de un sistema de auscultación de catenaria estando tanto el de vía como el de catenaria examinados y analizados bajo la misma base tecnológica.

Asimismo, el software de análisis en gabinete también se actualizó para ser utilizado en sistemas operativos Windows XP.

En el aspecto exterior se sustituyó la librea anterior por un esquema basado en los colores corporativos de ETS.

Aparte de la mejora en el software de análisis emprendida, se está considerando una posible actualización del hardware del tren, la cual plantea varias solucionas alternativas a los láseres y cámaras actuales.

3.      DESCRIPCIÓN DE LAS FUNCIONALIDADES DEL TREN AUSCULTADOR. PUNTOS FUERTES Y PUNTOS DÉBILES

El tren auscultador consta de una serie de equipos destinados a la medición de la vía. Estos equipos son en resumen: láseres, cámaras, plataforma inercial (giróscopos y acelerómetros) y odómetros.

Las mediciones que se obtienen son relativas a la geometría de vía, aunque el sistema dispone también de opciones para la medición de desgaste de carriles.

En lo que respecta a mediciones de geometría el sistema mide:

• Ancho de vía (sobreancho en curvas)
• Alineación en hilo izquierdo y derecho
• Nivelación en hilo izquierdo y derecho
• Peralte
• Alabeo
• Curvatura

Además, implícitamente se puede deducir:

• Conicidad equivalente de la rueda
• Desgaste carril izquierdo y derecho
• Desgaste ruedas (en relación al carril)
• Velocidad real
• Niveles de calidad de vía en: ancho, alineación, nivelación, peralte, alabeo e índice global

Además de las mediciones de geometría de vía, el sistema dispone de:

• Sistema ATP (euroloop): Posibilidad de testeo ATP mediante este equipo
• Grabación catenaria en video

Estas mediciones se obtienen a través del análisis de los datos obtenidos del vehículo a través de la instrumentación con que está dotado.

3.1.    Puntos fuertes y débiles

La disposición de un tren auscultador para la red del tamaño de la de ETS es un “lujo” al disponer de una herramienta que se convierte en la base del mantenimiento anual de la vía reduciendo, que no evitando, las auscultaciones manuales.

A grandes rasgos los puntos fuertes de este tren son:

• Herramienta capaz de detectar la geometría de vía de un modo veraz.
  • Herramienta que permite determinar otros aspectos de vía sin necesidad de recurrir a mediciones adicionales mediante software
  • Capacidad propia para realizar cuantas mediciones sean necesarias en formato de campañas
  • Capacidad para validar la geometría de vías nuevas sin recurrir a terceros

Por el contrario, una herramienta de este tipo tiene unas debilidades fruto de la tecnología con que está construido y del desempeño de las tareas que se realicen sobre él:

• Solución propietaria implementada tanto en el hardware del tren como en el software de captura de datos, así como en el software de análisis en oficina.
  • Software de análisis tipo “caja negra” sin posibilidades de modificación salvo adaptaciones a realizar por el tecnólogo. El software es poco amigable y escasamente particularizado al funcionamiento actual de ETS.
  • El análisis con el software del equipo es muy manual, demasiado “académico” y poco útil para lo que se demanda en la operativa de mantenimiento.
  • Obsolescencia tecnológica: El software y hardware se convierten en obsoletos instantes después de instalarlos. Tener el tren “al día” requiere que con una periodicidad de 10 años aprox. sea necesario realizar una inversión importante para actualizar el equipamiento
  • El automotor sobre el que va instalado es un tren con 56 años. Las reacciones dinámicas en vía difieren bastante de los trenes de pasajeros actuales por tipo de suspensión, bogie y lógicamente por carga por eje.

3.2.    Situación actual

La tendencia actual es que el tren de pasajeros sea un vehículo inteligente capaz de tomar datos de sí mismo y de la interacción con su entorno. Si a esto se le une que la tecnología de captación de datos de vía se ha convertido en asequible económica y tecnológicamente, el resultado es que las siguientes generaciones de trenes de pasajeros equiparán elementos y sensores que informen del estado de vía a su paso.

Es decir, que de realizar cuatro auscultaciones completas al año de la vía se pasará a tener cientos de auscultaciones de vía diarias. Es en este punto donde el software de análisis tomará una gran importancia y protagonismo como elemento control del estado casi en tiempo real de lo que está ocurriendo en la vía. Este manejo de datos a gran escala implica una remodelación de las actuales herramientas de análisis.

No obstante, actualmente se está en los primeros pasos de esta tendencia por lo que sigue siendo imprescindible el uso del tren auscultador en ETS para control de la vía.

Se ha indicado anteriormente que el software de análisis cobrará una importancia superior a la actual y precisamente este es el campo de mejora que se ha visto como prioritario para explotar las potencialidades del tren auscultador.

El software de análisis actual adolece de lo siguiente:

• Es un software tecnológicamente obsoleto que funciona de modo nativo en Windows XP por lo que actualmente se trabaja con él en entornos virtualizados.
• Es un software poco amigable en su diseño con una operación poco clara.
• Las posibilidades de configuración son limitadas tanto en representación como en configuración de opciones. La personalización para adaptación a normativa o la inclusión de nuevos elementos de análisis es un tanto difícil.
• El concepto de “caja negra” impide saber qué operaciones están realizándose con los datos. No es posible saber el tratamiento de datos.
• El análisis es lento y en exceso manual no introduciendo apenas “inteligencia” en dicho tratamiento.
• No está preparado para el análisis de muchas auscultaciones a la vez.

El camino emprendido trata de corregir estos defectos desarrollando el software tal y como se va a explicar en los siguientes puntos.

4.  VISIÓN DE LA AUSCULTACIÓN MECANIZADA

La visión para poder exprimir todas las posibilidades de la auscultación mecanizada parte del desarrollo de un método de trabajo junto con un software de análisis alternativo adaptado a los requerimientos del departamento de mantenimiento de ETS.

La auscultación en ETS se va basar en los siguientes pasos:

1. Mejora del software de análisis de auscultación independizándolo del software de auscultación; de tal forma que si se modificara el sistema de auscultación lo único necesario sería alimentar el sistema mediante los mismos tipos de datos en formatos libres no propietarios.
2. Investigación en el mercado de las posibilidades existentes para mejora de la precisión de vía y del equipo de auscultación
3. Mejora del hardware y actualización tecnológica

El primer objetivo es el desarrollo del software de análisis. Se desea que éste sea un desarrollo propio adaptado para ETS e independiente del producto tecnológico del tren.

4.1.    Normativa auscultación de vía para ancho métrico

La situación normativa de vía para ancho métrico es peculiar. El entorno normativo con el que se debe de tratar la geometría de vía en el ancho métrico carece de referencias a nivel de normativa europea.

La normativa de referencia que trata aspectos de geometría de vía, calidad de vía y auscultación mecanizadas (EN 13848, EN 13231, UIC 518, UIC 519) no tiene correspondencia en el ancho métrico. Por este motivo el encaje básico de parámetros en el ancho métrico es de elaboración propia.

Esta falta de normativa de referencia es una desventaja, ya que no hay valores que pueden indicar máximos o mínimos. No obstante, sí es válido el método con que se calculan los parámetros o se determinan las tolerancias; de hecho, en el caso de ETS, se utilizará el método y cálculo derivado de la normativa europea pero con parámetros de tolerancias propios. Estos parámetros son más estrictos que en administraciones de vía ancha debido a que el trazado es más extremo que en las vías de ancho mayor.

4.2.    Software modular

El nuevo software de auscultación mecanizada parte de un concepto modular. La activación de uno u otro módulo se realiza según necesidades aunque algunos son comunes para todo el análisis.

La programación de los módulos se realiza en estándares abiertos de programación de forma que sea posible modificarlos en caso de necesidad fácilmente.

El concepto de programar por módulos permite expandir hacia nuevos cálculos o análisis los datos obtenidos sin necesidad de “desmontar” la aplicación.

4.3.    Descripción módulos

Los módulos que están en desarrollo o desarrollados son los siguientes:

1. Corrección del posicionamiento del tren
2. Datos maestros
3. Cálculo auscultaciones
4. Resultados cálculo auscultaciones
5. Tendencias
6. Planificaciones
7. Presupuestos
8. Cálculo desgastes
9. Resultado cálculo desgastes
10. Representaciones

A continuación, se va a realizar un recorrido por cada uno de ellos tal y cómo están formulados.

Módulo 1: Corrección del posicionamiento del tren

El tren auscultador no dispone de ninguna referencia con el exterior que permita conocer o guiar su posicionamiento. La única referencia es el punto kilométrico y la línea donde comienza la auscultación pero esto es una referencia externa. A lo largo del recorrido del tren se pueden introducir referencias fijas (comienzo puente, comienzo túnel, estación, paso a nivel etc.) que se refieren a puntos kilométricos notables de la línea.

Esto es una desventaja que induce a muchos fallos ya que hay que tener en cuenta que la referencia unívoca al dato auscultado solamente vendrá dada por el PK que le asigna el tren a su paso. Hay que tener en cuenta que este PK es variable por:

• La odometría del tren no es todo lo perfecta que debiera de ser; el km recorrido es diferente al km real
  • Los hitos hectométricos de la traza no son exactamente 100 m. Si se toman referencias al número absoluto del hito o punto notable puede que no tengan correspondencia exacta con el PK relativo que cuenta el tren.

Estas dos circunstancias generan que los datos tomados no correspondan con los PK de los datos teóricos. Si no se corrigen al superponer ambos datos (real – teórico) saldrán diferencias notables en el tratamiento de datos.

La primera operación debe de ser la de adaptar los datos tomados a PK teórico. Esta adaptación se puede realizar de un modo manual tomando el gráfico de peraltes o de curvaturas teórico y superponiéndolo con el gráfico auscultado. En los puntos de inicio o fin de curva se ajustarán los PK desplazando la gráfica hasta hacer coincidir los puntos. Este desplazamiento de la gráfica no es lineal por lo que si así se hiciera habría que volver a ajustar de nuevo.

El proceso se puede hacer automáticamente mediante técnicas de ajuste de funciones gráficas aunque conviene repasar todo el trayecto medido y detectar si quedan incongruencias. El resultado de este módulo son unos datos saneados, ajustados y ya analizables con los teóricos.

Módulo 2: Datos maestros de la línea

Todas las auscultaciones se analizan por comparación de los datos originales con los datos auscultados.

El objeto de este módulo es introducir los datos de la línea de tal forma que por cada PK se identifiquen los parámetros geométricos de vía correctos.

La forma de identificar los datos de la línea es mediante: Línea / Vía nº / PK (positivo o negativo) según las convenciones utilizadas a la hora de designar la vía.

Los datos básicos que se recogen son: diagramas de curvaturas y peraltes, tabla de anchos de vía.

Este módulo contiene además los datos de las tolerancias y niveles para los parámetros incluyendo los valores de AL, IL, e IAL asignados.

Además de estos datos se incluyen otros valores necesarios para otros módulos como son las operaciones, precios medios etc.

Módulo 3: Cálculo de las auscultaciones

De cara a calcular se utiliza la metodología de la EN 13848 con límites y tolerancias con valores propios utilizados históricamente ajustados a las deducciones realizadas de los valores de las auscultaciones de vía.

Uno de los primeros cálculos es el de obtener defectos puntuales para aquellos puntos donde los valores máximos exceden de los límites (AL, IL o IAL) impuestos a cada parámetro. Así se obtienen listados de PK con defectos que deben de ser corroborados mediante auscultación manual.

Otro de los cálculos es la determinación de la variación de los parámetros de vía. Se discriminan los cambios bruscos de parámetros frente a los cambios menos bruscos diferenciando entre los defectos de onda corta y onda larga (límite 9 m). Se obtendrá de esta forma otro listado de tramos donde ocurren variaciones bruscas en los parámetros de vía debiendo de realizar lo mismo que lo indicado en el párrafo anterior. En este y el anterior listado, cada tramo o  PK viene representado por el parámetro o parámetros que ha traspasado los valores límite de AL,IL e IAL.

Para obtener los niveles de vía se trocea la vía en tramos donde se aplica el análisis. Normalmente se trocea en tramos homogéneos de 200 metros pero en nuestro caso se distinguen tramos que comprenden las zonas de inicio – fin de curvas de transición e inicio – fin de curvas circulares y comienzo fin de tramos con armamento de vía diferente. Estos subtramos se definen en una tabla que está definida en el módulo anterior.

Con la vía ya troceada se pueden calcular las desviaciones estándar que dan lugar a los índices da calidad de vía por cada parámetro. Este valor, al tomar tramos no estándar diferentes de 200 m, se debe de corregir para que tenga sentido en las fórmulas con las que se calcula mediante la comparación de niveles de calidad óptimos. Estos índices óptimos son los que se han calculado auscultando la vía con la vía recién bateada y son los que verdaderamente caracterizan si la vía está bien o mal con respecto a uno u otro parámetro.

Módulo 4: Resultado del cálculo de las auscultaciones

Este módulo está relacionado con el anterior ya que representa lo calculado en el módulo anterior. Se recogen dos tipos de salida de datos:

• Una tabla de PK iniciales a PK finales (o PK puntuales) por tramos líneas y vías donde se representa el defecto que se ha encontrado (con su magnitud) y si dicho defecto está en la banda de AL, IL o IAL.
  • Representación gráfica de los valores reales frente a los valores teóricos pintando las bandas de AL, IL e IAL.
    • En el caso de los niveles únicamente tiene sentido la representación tabular indicando niveles auscultados con niveles óptimos por tramo seleccionado

Este módulo permite el paso a Excel de estos datos o a otros formatos.

Módulo 5: Estudio de tendencias

Un módulo muy importante es el de estudio de tendencias. Con el estudio de tendencias se quieren lograr dos objetivos:

• Estudiar para puntos o tramos completos las diferentes variaciones en el tiempo de los parámetros.
  • Evolución de los niveles de calidad de vía y de los parámetros en el tiempo para poder depurar los mismos mejorando los valores a introducir.

Este objetivo se basa en primer lugar en estudiar el comportamiento a lo largo del tiempo de un parámetro. Por experiencias observadas, los parámetros de vía evolucionan linealmente en condiciones normales. Se entiende condiciones normales a que la malla de trenes no sufre aumentos bruscos en el número de circulaciones y que las toneladas por eje siguen siendo las mismas en el tiempo. Esta evolución lineal de los parámetros permite establecer el gráfico de los dientes de sierra, de forma que disponiendo de n auscultaciones se puede determinar la pendiente de la recta que marca el deterioro del parámetro de vía. Si se conocen los valores límite que pueden adoptar los parámetros en un punto para intervención, se podrá delimitar el punto en el que la recta de interpolación que marca el desgaste de la vía llega al valor crítico que marca intervención. Esto permite fijar un tiempo hasta intervención.

Realizando este ejercicio para todos aquellos tramos que demandan intervención conociendo un número elevado de puntos que permitan definir la recta de degradación, se pueden establecer estrategias de mantenimiento predictivo.

Otra aplicación es proponer distintos valores límites optimizados (AL, IL e IAL). El establecimiento de estos valores debe de ser un valor de compromiso entre lo que técnicamente se considera como valor inaceptable e incluso peligroso junto con aquel valor que sea aceptable desde el punto de vista de recursos con que se cuentan para el mantenimiento de vía. No sirve de nada establecer valores técnicamente muy conservadores si luego los recursos que son necesarios para mantener la vía en esas condiciones implican un número superior de bateos anuales que no pueden afrontar con los presupuestos de mantenimiento

Se disponen así para cada tramo diversos valores de los parámetros y su evolución en el tiempo. El punto “cero” de ese valor debiera de ser la vía recién construida. Como eso es imposible se puede tomar como bueno una vía recién bateada. Si se ha delimitado el valor óptimo ¿Cómo se determina en valor pésimo? El valor pésimo viene marcado siempre por la seguridad y por el valor que el tren puede soportar en vía sin descarrilar.

Módulo 6: Planificaciones

Se trata de una continuación o consecuencia del estudio de tendencias realizado anteriormente. En este estudio se infería un tiempo desde el estado actual de la vía hasta el tiempo en el que se marca el IL, o si considera así, hasta el IAL o conservadoramente hasta AL. Este periodo de tiempo será diferente (o igual) para los puntos o tramos detectados o analizados y para los defectos detectados en dichos tramos.

Con este módulo se trata de agrupar los periodos de tiempo para los tramos indicados en el estudio asignándolos a operaciones comunes. De esta forma, el resultado de dicho módulo es una programación teórica de operaciones a realizar por tramos para restituir los parámetros geométricos de la vía. Junto con esta planificación se incluirían las derivadas de los defectos observados en la auscultación realizada cuyos datos se están estudiando.

Lógicamente deberán de definirse previamente las operaciones a realizar por los defectos encontrados (módulo 2). Este aspecto es difícil de estandarizar ya que es posible que con una operación de mantenimiento se resuelvan varios defectos simultáneamente o que varias operaciones de mantenimiento sirvan para resolver un solo parámetro descontrolado. Todo esto dependerá de las zonas donde se produzcan las incidencias en vía. No obstante, este módulo sirve para dimensionar la carga de trabajo de los equipos de mantenimiento y para calcular el coste teórico de los trabajos a ejecutar.

Módulo 7: Presupuestos

Este módulo es el resumen o la consecuencia del módulo anterior junto con los resultados de la auscultación o auscultaciones consideradas. Una vez conocidos los tramos y las operaciones de mantenimiento a realizar para corregir los defectos y si además se conoce la periodicidad de los trabajos a realizar o cuando realizarlos, es posible obtener un presupuesto aproximado de los trabajos anuales de conservación.

De esta forma, las auscultaciones anuales generan un presupuesto junto con una planificación. Estas actuaciones comienzan con la primera auscultación y se van corroborando en las restantes auscultaciones que se van dando a lo largo del año.

Módulo 8: Cálculo desgastes

Los anteriores módulos basaban todo el cálculo en la aplicación de las normas que aplican a la geometría de vía. En esta ocasión lo que se va a ensayar es el cálculo de los desgastes en el carril.

Para poder aplicar este módulo es necesario extraer la información del tren auscultador de los perfiles de carril captados por las cámaras y barridos por el láser.

Se trata de superponer el perfil de un carril completo normal y, en aquellos puntos de control, proceder a ver la diferencia entre el perfil real y el teórico.

Este módulo debe asimismo de corregir automáticamente los elementos de distorsión del perfil como pueden ser los peraltes y las alineaciones obviándolos, así como los espurios detectados.

Módulo 9: Resultado cálculo desgastes

El objeto de este pequeño módulo es la representación gráfica y tabular de los resultados del módulo anterior. Hay que tener en cuenta que está ligado al módulo anterior por lo que no tiene otras dependencias.

Módulo 10: Representaciones

Este módulo es la recopilación del resto de aquellos módulos software que generan listados, gráficos o en definitiva informes. Mediante este módulo se obtienen informes preconfigurados (en el caso de que se configuren así) o de datos enviados en formatos exportables a otros programas (excel, texto plano por ejemplo).

La definición del número de informes dependerá de una herramienta configurable de tal forma que esta herramienta permita obtener los datos precisos según necesidades.

4.4.    Desarrollo actual módulos

Todos los módulos anteriores que han sido descritos con mayor o menos profundidad responden en parte a un desarrollo conjunto llevado a cabo entre la escuela de ingeniería de Bilbao (UPV) junto con ETS.

No todos los módulos están en funcionamiento ni actúan de manera conjunta todavía; si bien el poder agruparlos es una simple cuestión de programación y de diseño de una interfaz común.

De todos los módulos, están desarrollados los módulos nº 1, 3, 4, 5. Los módulos 2, 6 y 7 no están operativos, pero si codificados en pruebas. Finalmente, los módulos 8, 9 y 10 solamente están formulados en papel.

5.  CONCLUSIONES

Un tren auscultador es una herramienta muy útil para el estudio del estado de la vía. Las aplicaciones de esta herramienta en ETS se restringen a mantenimiento como la herramienta donde se programan los mantenimientos de vía anuales. Sin embargo, su aprovechamiento permite su estudio de otras muchas vertientes interesantes del problema mecánico de la vía.

Se ha apostado por realizar una renovación del software ambiciosa para llegar a una aplicación funcional para los requerimientos de mantenimiento. Esta aplicación estará preparada para ser utilizada no solo para el tren auscultador sino para cualquier sistema que obtenga datos de vía, lógicamente con las restricciones en la captura de datos que se prevean.