Разработка и исследование системы геодезического контроля пространственного положения железнодорожных путей

Актуальность темы

Железные дороги являются важнейшей инфраструктурой любого государства. Это сложные и дорогостоящие инженерно-технические сооружения, обладающие набором параметров, в том числе геометрических, напрямую влияющих на их долговечность и безопасность эксплуатации. Геометрические параметры на железных дорогах определяются путеизмерителями и геодезическими методами. При этом пространственные данные при определении геометрических параметров не используются. Расчеты выполняются по относительным величинам, например, по стрелам изгиба в вертикальной и горизонтальной плоскостях на фиксированной длине хорды.

Применение спутниковых технологий, позволяющих определять пространственное положение в автоматическом режиме (съемка в движении), является приоритетным направлением для решения задач повышения безопасности и эффективности работы железнодорожного транспорта в полном соответствии со стратегическим направлением научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 года [59].

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС/ОРБ используются на железных дорогах РФ с начала 90-х годов прошлого столетия. Первым регламентирующим документом, определяющим применение приёмников радионавигационных сигналов (ПРНС) ГНСС на железнодорожном транспорте, является ВСН 208−89 «Инженерно-геодезические изыскания железных и автомобильных дорог», Минтрансстрой СССР, М.: 1990 [6].

Посредством ПРНС железнодорожные проектно-изыскательские институты и организации осуществляют производство инженерно-геодезических работ:

— для составления и обновления топографических планов станций и участков;

— наблюдения за оползневыми склоновыми процессами;

— построения геодезических систем контроля за состоянием искусственных сооружений;

— привязки точек съемки фотограмметрических систем при видео и фото паспортизации железнодорожных путей и сооружений;

— определения геометрических параметров железнодорожных путей, включая станционные;

— при создании и развитии специальных реперных систем.

Одной из важнейших задач на железнодорожном транспорте является безопасность. В настоящее время принимаются решения по увеличению скоростных режимов, а это, в свою очередь, накладывает высокие требования к пространственному положению железнодорожного пути. Качество пространственного положения определяется соответствием геометрических параметров нормативным требованиям и, в конечном итоге, совпадением фактического положения железнодорожного пути с его проектом. Под геометрическими параметрами понимают следующие характеристики пути:

— уровень — возвышение одного рельса над другим;

— рихтовка — отклонение рельсовой нити от прямой линии в горизонтальной плоскости на фиксированной длине (хорде);

— просадка — отклонение рельсовой нити от прямой линии в вертикальной плоскости на фиксированной длине;

— шаблон — расстояние между рельсовыми нитями одного пути;

— профиль — положение пути в вертикальной плоскости;

— план — положение пути в горизонтальной плоскости;

— габариты приближения — расстояние от оси пути до соседнего пути, опор контактной сети и прилегающих строений;

— кривые — характеристики сложной кривой, включая радиус, переходные кривые, тангенс, биссектриса и т. д.

На станционных путях дополнительно необходима информация о продольных уклонах и полезных длинах станционных путей, расстоянии между объектами инфраструктуры, габаритах приближения строений и т. д. При этом все параметры должны иметь актуальные значения. Геометрические параметры железнодорожных путей определяются при проведении диагностики, паспортизации и плановых натурных проверках.

Геодезическая съемка железнодорожных станций и перегонов выполняется в соответствии с методическими указаниями по составлению масштабных планов железнодорожных станций № ЦПТ-54/26 и1 методическими указаниями по составлению продольных профилей станционных путей и перегонов № ЦПТ-54/27 от 17 декабря 2008 года [41, 40]. При этом под масштабным планом станции понимается графическое отображение станционных объектов на плоскости в соответствии с условными знаками. Допускается как единый масштаб, так и различный по вертикали и горизонтали. Проверка плана и профиля станционных путей’выполняется один раз в десять лет, а для отдельных категорий путей один раз в три года. При этом геодезическая съемка выполняется традиционными инструментальными методами с разбивкой пикетажа и т. д. За последние десять лет возросли требования, как к объему информации, так и к ее качеству, что привело к значительному удорожанию работ. В настоящее время стоимость создания масштабных планов станций и продольных профилей железнодорожных путей составляет 40 — 70 тысяч рублей за 1 км (в зависимости от категории станции). За один год в России необходимо выполнить, геодезическую съемку более 600 станций средней протяженностью путей 20 км, затраты на этот вид работ составляют ориентировочно 825 миллионов рублей ежегодно.

Кроме того, в связи развитием ГНСС ГЛОНАССЛЗРЗ появились новые задачи, связанные с контролем перемещений подвижного состава, для которых необходимо создавать электронные навигационные карты. Поэтому разработка и исследование систем геодезического контроля пространственного положения железнодорожного пути является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы определения пространственного положения железнодорожного пути и его геометрических характеристик с использованием ГНСС. Для достижения этого необходимо решить следующие задачи:

— выполнить обзор существующих нормативных документов, регламентирующих выполнение геодезических работ на железной дороге;

— проанализировать современные средства и методы определения геометрических параметров железнодорожных путей, включая геодезические методы;

— обосновать совместное использование спутниковых и инерциальных измерений для съемки железнодорожного пути;

— определить теоретическое решение обработки данных;

— разработать методику создания масштабных планов станций и продольных профилей путей;

— разработать программное обеспечение для создания масштабных планов станций и продольных профилей станционных путей.

Объект исследования. Геодезические методы съемки железных дорог.

Предмет исследования. Разработка технического и программного решения автоматизированного сбора данных о пространственном положении железнодорожного пути.

Теоретическая и методологическая база исследования. Поставленные в работе задачи решаются на базе использования спутниковых геодезических и инерциальных систем измерений.

Произведен анализ работ российских и зарубежных ученых в сфере выполнения спутниковых измерений, заполнения геоинформационных систем и автоматизированной геодезической съемки железных дорог (Антоновича К.М., Карпика А. П., Матвеева С. И., Коугии В. А., Янкуша А. Ю., Круглова В. М., Духина C.B., Щербакова В. В., Самратова У. Д. и др.) библиотечных и электронных ресурсов.

Научная новизна диссертационной работы:

— разработаны технические решения для автоматизации сбора данных о пространственном положении железнодорожного пути;

— обосновано совместное использование спутниковых и инерциальных измерений для съемки железнодорожного пути;

— выполнено теоретическое решение обработки данных;

— предложена методика составления масштабных планов станций и продольных профилей железнодорожных путей;

— разработано программное обеспечение для составления масштабных планов станций и продольных профилей станционных путей.

На защиту выносится:

1) технологическая реализация системы геодезического контроля железнодорожного пути на базе спутниковой и инерциальной аппаратуры;

2) теоретическое решение совместного использования спутниковых и инерциальных измерений для съемки железнодорожного пути;

3) методика автоматизированного сбора данных о пространственном положении пути.

Теоретическая значимость работы. Разработка комплексного автоматизированного решения задачи по сбору, хранению и анализу пространственных данных о железнодорожных станциях и объектах геодезическими методами.

Практическая значимость работы. Выполнено обновление информационной базы ОАО «РЖД» в части пространственной информации о железнодорожных станциях и объектах с целью их актуализации. С участием автора выполнены съемки более 60 железнодорожных станций ЗападноСибирской железной дороги и всей сети Норильской железной дороги. По данной методике ведется съемка станций и перегонов Октябрьской, Уральской, Западно-Сибирской, Красноярской железных дорог.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при выполнении следующих научно-исследовательских и производственных работ:

— составлении масштабных планов станций;

— составлении продольных профилей железнодорожных путей;

— создании цифровой карты Западно-Сибирской железной дороги;

— подготовки данных при реконструкции пути;

— разработки системы контроля геометрических параметров.

Разработанное в диссертационной работе методическое, теоретическое и программное обеспечение используется в лаборатории диагностики дорожных одежд и земляного полотна научно-инженерного дорожного центра Сибирского государственного университета путей сообщения, Московского государственного университета путей сообщения, Уральского государственного университета путей сообщения, в подразделениях ЗападноСибирской, Красноярской и Свердловской железных дорогах.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены и получили одобрение на межвузовских научных конференциях, проводимых в СГГА (Новосибирск, 1999, 2000, 2002, 2006), на научно-технической конференции, проводимое в СГУПСе (Новосибирск, 2002), на международных выставках-конференциях «Сибирская Ярмарка» (Новосибирск, 2005, 2006).

Результаты исследований по теме диссертации отмечены: большой золотой медалью «Сибирской Ярмарки» за реализацию оригинальных решений при создании аппаратно-программных комплексов, предназначенных для диагностики и исполнительной съемки профиля железных дорог (Новосибирск, 2007) — малой золотой медалью за создание универсального высокоточного комплекса для определения геометрических параметров рельсовой колеи, позволяющего существенно повысить качество работ и снизить их стоимость (Новосибирск, 2010).

Заключение

.

В диссертационной работе были рассмотрены вопросы создания и исследования системы геодезического контроля пространственного положения железнодорожных путей с использованием спутниковой, инерциальной аппаратуры и одометра. На основе проведенных исследований, проведенных автором диссертации, получены следующие результаты:

— выполнен анализ современных средств и методов определения пространственного положения пути и его геометрических характеристик. Показана необходимость в создании такого измерительного комплекса, который мог бы определять все геометрические параметры и характеристики за один проход путеизмерительного средства;

— доказана нецелесообразность использования спутниковых и инерциальных систем в отдельности, для определения пространственного положения и геометрических характеристик железнодорожного пути, ввиду их недостаточной точности;

— разработаны обоснованные технические решения совместного использования спутниковых и инерциальных измерений для съемки железнодорожного пути. Показано, что использование результатов измерений этих систем в комплексе позволяет получать необходимую точность при контроле пространственного положения пути;

— разработано теоретическое решение для совместного использования спутниковых и инерциальных измерений при съемке железнодорожных путей. В предлагаемом решении учитываются все преимущества как спутниковых, так и инерциальных измерений. Совместная обработка данных позволяет получать высокую детализацию пространственного положения и геометрических характеристик железнодорожного пути;

— разработаны технические решения, позволяющие автоматизировать процесс полевых работ при контроле пространственного положения и геометрических характеристик пути. Это позволило повысить производительность работ, уменьшить количество ошибок, вносимых исполнителями;

— на основе ГИС-систем разработаны программы для создания цифровой модели пути, а также создания масштабных планов станций и продольных профилей станционных путей;

— опыт использования АПК «Профиль» при натурной съемке железнодорожных станций Западно-Сибирской и Норильской железных дорог показал высокую эффективность его применения при контроле пространственного положения и геометрических характеристик пути.