Railway condition monitoring applying the continuous and discrete wavelet transforms

Abstract

Den diskrete og den kontinuerlige bølgetransformasjonen er anvendt på geometrimålinger som en metode for å overvåke sporgeometri i den danske jernbanens sporvekslinger. Geometrimålinger samles regelmessig for hele jernbanenettet av dedikerte måletog, og er mål av sporvidde, -helling, og skinnenes individuelle avvik i vertikal og horisontal retning, målt hver 25. cm. Studien tar utgangspunkt i tre sporvekslinger med kjent vedlikeholdshistorikk, hvis sporgeometri er målt ni ganger over en periode på 2-4 år. Den kontinuerlige bølgetransformasjonen (CWT) er anvendt på dataene for å visualisere eventuell forverring av sporgeometrien over tid. I tillegg vurderes effekten av maskinell sporjustering (tamping), da to av sporvekslingene gjennomgår sporjustering i løpet av perioden. Observasjonene er sammenlignet med skinnenes gjennomsnittlige standardavvik i horisontal og vertikal retning, hvilket er den nåværende metode Banedanmark (ansvarlige for jernbaneinfrastrukturen i Danmark) benytter for å evaluere sporkvalitet (dog primært for rette strekninger og i mindre grad sporvekslinger, på grunn av deres krevende utforming og varierende geometri). I tillegg er den diskrete bølgetransformasjonen (DWT) anvendt på en enkelt skinnes vertikale avvik i en sporveksel som utviser tegn på gradvis forringelse i både CWT og standardavvik, der de grovere detaljnivåene (i den diskrete transformasjonen) responderte mest på den økte slitasjen. Den kontinuerlige transformasjonen avdekket endringer i sporgeometri som forklarer sporvekslingens forringelse med et høyere detaljnivå enn den nåværende praksis tillater, hvilket er særlig nyttig for evalueringen av maskinell sporjustering. Undersøkelsene avdekket store variasjoner i justeringenes varighet; noen sporjusteringer gav forbedret geometri i kun seks måneder før sporet var tilbake til gammel oppførsel, mens andre eksempler viste forbedringer med varighet over 2 år.

In this thesis, wavelet transformations are considered as a method for condition monitoring of railway turnouts, utilizing track geometry data collected by a track inspection vehicle. The track geometry data are measurements of track width (gauge), rail height difference (cant), and vertical and horizontal variations of each rail individually, sampled every 25 cm. Three turnouts with known maintenance history are considered, each observed nine times by the track inspection vehicle for 2-4 years. The continuous wavelet transform (CWT) is applied to the data, investigating how the track geometry degrades with time (and tonnage) and evaluating the effect of track adjustments (ballast tamping, restoring the geometry). Both cases are compared to the current method for assessing track quality, typically more straightforward summary statistics. Furthermore, the discrete wavelet transform (DWT) is tested on a turnout subject to gradually increasing wear, comparing the response of the various levels of DWT coefficients to the results of the CWT, and the reference statistics. For the discrete symlet-7, the coarsest levels are found to correlate most with the measurements. The turnouts under analysis showed similar characteristics in terms of CWT frequency modes and peak positions in the geometry data. The study of track adjustments revealed large variations in how successful track corrections are, some lasting less than six months, others several years.