Bu tez çalışması yedi ana bölümden oluşmaktadır. Giriş bölümünde öncelikle elektrikli demiryolu sistemlerinin genel yapısından ve tarihsel gelişiminden kısaca bahsedilmiştir. Pantograf ve katener hakkında bilgi verildikten sonra tezin amacı kapsamında hedeflenen aşamalar için literatür taraması yapılmıştır. Bazı çalışmalarda kullanılan yöntemler ve blok şemaları incelenerek verilmiştir. Genel olarak ne tür yöntemler kullanıldığı ve bu yöntemlerde görülen eksiklikler bir tablo halinde özetlenmiştir.
İkinci bölümde, öncelikle pantograf ve katener sistemleri ayrı ayrı incelenmiştir. Daha sonra birleştirilerek PAK sistemi ayrıntılı olarak incelenmiş ve sistemi oluşturan bileşenler belirtilmiştir. Gerçek fotoğraflar da kullanılarak sistemin tam olarak anlaşılması hedeflenmiştir.
Üçüncü bölümde, PAK sisteminin matematiksel modelini oluşturabilmek için araştırmalar yapılmıştır. Titreşimli sistemleri açıklarken kullanılan yay-kütle sistemleri PAK sistemleri için de kullanılmaktadır. Bu nedenle öncelikle bu sistemin temelini oluşturan yay-kütle sistemleri açıklanmıştır. Daha sonra PAK sistemi tanımlanıp, parametreleri belirlenerek ayrıntılı modeli elde edilmiştir. Matematiksel model elde edildikten sonra sisteme etki eden birçok parametrenin etkisi göz önüne alınarak incelemeler yapılmıştır. PAK sisteminin akım toplama kalitesi üzerinde parametre değişimi etkileri açıklanmıştır.
26
Pantograf parametreleri tek tek değiştirilerek her birinin farklı değerleri için yeni transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Her yeni transfer fonksiyonu için simülasyon çalışması yapılmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçları birbirleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
Dördüncü bölümde, temas kuvvetinin kontrol edilebilmesi için aktif pantografların öneminden bahsedilmiştir. Aktif kontrol için geliştirilen algoritmalarda geleneksel tekniklerin yanı sıra akıllı kontrol tekniklerinden de yararlanılmıştır. Bulanık mantık ve görüntü işleme yaklaşımları kullanılarak aktif pantograf sistemleri oluşturulmuş ve temas kuvvet değişimi analiz edilmiştir. Görüntü işleme yöntemleri kullanılarak pantografın olması gereken yüksekliği hesaplanmıştır. PAK sistemlerinde oluşan problemlerin izlenebilmesi için pantograf sisteminin davranışı incelenmiştir. Lokomotifin üzerinde bulunan normal kameralar kullanılarak PAK sisteminin gerçek zamanlı görüntüsü alınmıştır. Alınan görüntü üzerinde Canny Kenar Çıkarımı ve Hough Dönüşümü uygulanarak pantograf temas bölgesi tespit edilmiştir. Tespit edilen pantograf temas bölgesinden pantograf yüksekliği hesaplanmıştır. Bu işlem gerçek zamanlı çalıştırılarak pantografın davranışı incelenmiştir.
Beşinci bölümde, yapılan çalışmalara ek olarak arıza teşhisi teknikleri kullanılarak sistemin geliştirilmesi sağlanmıştır. Pantograf yüzeyinde oluşan temas, eğer hat uygun şekilde döşenmezse hep aynı noktada oluşmakta, bu da pantografta aşınmaya neden olmaktadır. Elektrikli demiryolu sistemlerinde katenerin temas telinin pantograf yüzeyinde hep aynı noktaya sürtünmesini engellemek için katener hattı ray hattından belirli değerde kaçırılır. Böylece temas pantograf yüzeyinde belirli bir alan içinde sürekli farklı noktalara değerek gerçekleşir. Belirlenen güvenli bölge dışında olan bir temas sorunlara neden olabilmektedir. Hatta pantografın uç kısımlarına doğru ya da boynuzlarında oluşan bir temas ciddi arızalara neden olabilmektedir. Bu nedenle beşinci bölümde, PAK sistemleri için durum izleme yaklaşımına dayanan bir arıza teşhis yöntemi iki aşamalı olarak oluşturulmuştur. İlk olarak önerilen analiz yaklaşımı ile temas telinin pantograf yüzeyinde değdiği noktalar incelenmiştir. Pantograf yüzeyi bölgelere ayrılarak hangi bölgelerde temasın oluşabileceği ve hangi bölgelerde oluşamayacağı açıklanmıştır. Farklı hız değerleri için simülasyon sonuçları elde edilmiş ve pantograf yüzeyinde temasın oluştuğu noktalar analiz edilmiştir. Analiz sonucunda elde edilen veriler ile aşınmanın en fazla olduğu bölgeler ve pantografın kullanım ömrü belirlenebilmektedir.
27
Daha sonra tren üzerine yerleştirilen kameradan alınan gerçek veriler için görüntü işleme teknikleri kullanılarak, temas noktası izleme yaklaşımı gerçekleştirilmiştir. Temas teli ve pantograf temas şeridi Canny Kenar Çıkarım algoritması ve Hough Dönüşümü kullanılarak tespit edilmiştir. Önerilen yöntemde, pantograf temas şeridi ve katener temas telinin tespiti, görüntü üzerindeki doğruların açı değerleri dikkate alınarak elde edilmiştir. Tespit edilen bu doğruların keşişim noktaları hesaplanarak temas noktası elde edilmiştir. Temas noktası izleme işlemi, PAK sistemlerinde oluşan arızaların incelenmesi ve durum izleme için oldukça önemlidir. Önerilen yöntemde PAK sisteminin temas noktası izlenerek pantograf temas bölgesinde oluşan temas noktalarının konumlarına göre sistemin çalışması incelenmektedir.
Altıncı bölümde, akım bilgisi kullanılarak ark analizi yapılmıştır. PAK sistemi için sinyal işleme ve S-dönüşümü tabanlı yeni bir ark tespit yöntemi önerilmiştir. PAK sisteminden alınan akım sinyalleri kullanılarak durum izleme ve ark tespiti yapılmıştır. Öncelikle, Mayr ark modeli ile PAK sisteminin model tabanlı akım verileri elde edilmiştir. Daha sonra lokomotiften alınan veriler kullanılarak gerçek zamanlı akım verileri elde edilmiştir. Bu akım verileri kullanılarak, S-dönüşüm tabanlı bir yöntem geliştirilmiştir. Akım sinyallerinde oluşan gürültülerin yok edilmesi için alçak geçiren bir filtre kullanılarak sinyal üzerindeki gürültüler ortadan kaldırılmaktadır. Elde edilen gürültüsüz sinyallerin mutlak değeri alınarak sinyallerin belirli frekans aralığında tepe noktaları tespit edilmektedir. Tepe noktalarını oluşturulan veriler normalize edildikten sonra lineer interpolasyon yöntemi ile birleştirilerek yeni bir sinyal elde edilmektedir. Elde edilen sinyal üzerinde S-dönüşümü uygulanarak sinyalin frekans-zaman analizi yapılmıştır. S- dönüşümü sonucunda elde edilen S-matrisinden öznitelik çıkarımı yapılarak, geliştirilen bulanık mantık tabanlı sistemde kullanılmaktadır. Bulanık mantık sistem sayesinde akım sinyallerinin sağlam veya arızalı olup olmadığı belirlenmektedir. Daha sonra önerilen yöntem, bir lokomotiften alınan akım sinyallerine uygulanarak gerçek zamanlı çalışması incelenmiştir.
Yedinci bölümde yapılan tüm modelleme, analiz ve izleme işlemleri sonucunda elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Kullanılan yöntemlerin öneminden bahsedilmiş ve literatüre sağladığı faydalar açıklanmıştır.