Аппаратно-программный комплекс «Профиль-М» для определения пространственных и геометрических параметров рельсовой колеи Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 528.48

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС «ПРОФИЛЬ-М» ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ

Иван Владимирович Щербаков

Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, ведущий инженер научно-исследовательской лаборатории диагностики дорожных одежд и земляного полотна, тел. (913)795-33-33, e-mail: sibdorproect@bk.ru

Инженерно-геодезическое обеспечение проектно-изыскательских работ, строительства и эксплуатации выполняется с использованием геодезических приборов и оборудования. Геодезические приборы и оборудование являются универсальными, так как используются в различных сферах производства. Линейка приборов и оборудования обеспечивает необходимую точность измерений в заданных диапазонах. При этом некоторые инженерно-геодезические задачи с использованием типового оборудования нельзя выполнять эффективно. Это задачи, как правило, специфические, например определение геометрических параметров рельсовой колеи по пространственным данным.

Предложены способ, устройство и методика определения геометрических параметров аппаратно-программным комплексом (АПК) «Профиль-М», в основе которых лежит определение пространственных данных и геометрических параметров с использованием только глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

В статье обозначены проблемы геодезического обеспечения железных дорог, особенности и специфика решения инженерных задач на железных дорогах и основные направления развития средств и методов для повышения уровня геодезического обеспечения железных дорог компании ОАО «РЖД».

Ключевые слова: ГНСС, спутниковая аппаратура позиционирования, аппаратно-программный комплекс «Профиль-М», геометрические параметры рельсовой колеи, железная дорога, ГИС-технологии, геометрические параметры пути, системы управления выправкой пути (СУВП), система автоматизированного управления (САУ).

Разработка средств измерений в геодезии - одна из задач, которая в последние годы в связи с развитием лазерной, гироскопической, компьютерной техники успешно решается и развивается. Широкое распространение получили электронные тахеометры, спутниковая аппаратура позиционирования, лазерные сканеры, ротационные, электронные нивелиры и другое оборудование и приборы.

Геодезические приборы и оборудование являются универсальными, так как используются в различных областях при решении инженерно-геодезических задач, а линейка приборов такова, что обеспечивает необходимую точность измерений в заданных диапазонах при решении инженерных задач различной сложности в различных климатических зонах. Кроме того, сохраняется высокий уровень в использовании оптических приборов (нивелир, теодолит), традиционно применяющихся при проектно-изыскательских работах, строительстве инженерных объектов и эксплуатационной работе.

При этом часть инженерных задач с использованием даже самых современных геодезических приборов решить нельзя из-за их специфики, поэтому создаются уникальные приборы с техническими характеристиками, соответствующими техническим требованиям к параметрам измерения на инженерных объектах [1].

К таким задачам можно отнести часть инженерных задач на железной дороге, в частности определение пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи. Пространственное положение включает координаты оси пути, объектов инфраструктуры, а геометрические параметры - возвышение рельса (превышение между головками рельса), ширину колеи, положение рельсовых нитей в плане на заданной хорде (20-200 м), положение рельсовых нитей в вертикальной плоскости (1-200 м). К специфике также необходимо отнести значительную разность в точности измерений пространственного положения и геометрических параметров. Так, допускается определение пространственного положения с погрешностью 1-3 см, а геометрических параметров 1-2 мм, т. е. разность может достигать 10 и более раз. При этом данные необходимо иметь через каждые 0,1-1 м, в зависимости от назначения. Традиционно на железной дороге геометрические параметры определяются с использованием вагонов-путеизмерителей, работа которых основана на сравнении положения трех точек на измерительной базе 20 м, ограниченной длиной вагона. Этот способ и в настоящее время наиболее распространен при определении положения рельсовых нитей в плане и профиле. Значения ширины колеи и возвышения рельса определяются с использованием датчиков положения. Недостатки определения геометрических параметров на измерительной базе (длина вагона) очевидны и главный из них - это ограниченный диапазон (20 м) определения положения рельсовой нити в плане и профиле. Кроме того, привязка геометрии пути выполняется в линейной системе координат к эксплуатационному пикетажу (Км + Пк + м).

Приведенные недостатки ограничивают или полностью исключают контроль длинных неровностей в плане и профиле. Приведенные недостатки решаются путем перехода на использование пространственных данных, которые обеспечивают определение геометрических параметров по координатам на выбранной базе или нескольких базах с учетом нормативных требований. Пространственное положение может определяться с использованием гироскопической техники (инерциальных систем, гирополукомпасов, систем счисления пути), радионавигационных систем различного типа, включая ГНСС [2-3].

Для комплексного решения данных задач разработано несколько принципиально отличающихся измерительных систем АПК «Профиль» на базе ГНСС и гироскопической техники (рис. 1) и АПК «Профиль-М» на базе ГНСС (рис. 2).

Рис. 1. АПК «Профиль»

Рис. 2. «Профиль-М»

Устройство и принцип работы у АПК «Профиль» (рис. 1) и АПК «Профиль-М» (рис. 2) существенно отличаются, включая определение пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи. Технические характеристики отличаются не существенно, функциональные возможно-

сти и диапазон измерений также не отличаются. Технические характеристики АПК «Профиль» и АПК «Профиль-М» приведены в таблице.

Технические характеристики

Значения параметра

Наименование АПК «Профиль» АПК «Профиль-М»

параметра Диапазон Погрешность Диапазон Погрешность

измерения измерения измерения измерения

Координаты 25 км 10 мм + 1 ммД 25 км 10 мм + 1 ммД

Расстояние 25 км ± 0,01 % 25 км ± 0,01 %

Высота 25 км 20 мм + 1 ммД 25 км 20 мм + 1 ммД

Ширина колеи 1 505-1 560 мм ± 1 мм 1 505-1 560 мм ± 2 мм

Уровень 0-300 мм ± 0,5 мм 0-300 мм ± 2 мм

Рихтовка ± 160 мм ± 2 мм ± 160 мм ± 2 мм

Просадка ± 50 1 мм ± 50 1 мм

Устройство, принцип работы АПК «Профиль» представлены в [4] и поэтому рассмотрим только недостатки и преимущества. Недостатки заключаются в сложности конструкции, включающей датчики ширины колеи, уровня, а также блок гироскопов, которые требуют периодической калибровки и настроек, в том числе в процессе измерений. Кроме того, АПК «Профиль» необходимо обеспечивать синхронизацию спутниковой аппаратуры позиционирования и блока гироскопов (инерциальной системы) и датчиков. Преимуществом данной конструкции является высокая точность (менее 1 мм) относительных измерений на базе до 100 м за счет применения гироскопов.

Устройство и принцип работы АПК «Профиль-М» (см. рис. 2) принципиально отличается от устройства и принципа работы АПК «Профиль» за счет применения спутниковой аппаратуры позиционирования с двумя антеннами, работающими в режиме синхронизированных и дифференциальных измерений пространственного и взаимного положения. Наличие двух антенн позволяет определять пространственную ориентацию осей ходовой тележки и соответственно вектора движения в двух плоскостях. Такой подход позволяет отказаться от гироскопов и акселерометров и в конечном итоге от дорогостоящих инерци-альных систем, работа с которыми требует калибровок и настроек как в процессе подготовки к измерениям, так и в процессе натурных измерений.

Устройство (рис. 3) содержит ходовую тележку 1, выполненную в виде разборной рамы 2, состоящей из подвижной части 3 и неподвижной части 4, соединенных между собой с возможностью перемещения подвижной части относительно неподвижной в зависимости от ширины колеи - направляющей 5. На подвижной части 3 установлена колесная подвижная пара 6, опирающаяся на первую рельсовую нить. На неподвижной части рамы 4 ходовой тележки 1 установлена колесная неподвижная пара 7. Рама 2, опирающаяся с помощью

колесных пар 6 и 7 на рельсы, установлена перпендикулярно (под углом преимущественно 90°) относительно направления движения по рельсовой колее. На раме 2 установлена платформа 8, на которой находится бортовой компьютер 9, соединенный со спутниковым приемником 10, связанным с модемом 11. В оконечных частях указанной опорной рамы 2 над соответствующими рельсовыми нитями установлены первая и вторая спутниковые антенны 12 и 13, фазовые центры Ф1 и Ф2 которых лежат на одной прямой в плоскости, перпендикулярной направлению движения ходовой тележки. Спутниковые антенны 12 и 13 связаны соответственно с первым и вторым входами спутникового приемника 10, вход - выход которого связан с модемом 11, принимающим сигналы базовой спутниковой станции 16. Выход указанного спутникового приемника 10 соединен с бортовым компьютером 9. Спутниковые антенны 12 и 13 установлены в оконечных частях рамы 2 на стойках 14 и 15, соответственно.

Ф1

Рис. 3. Кинематическая схема АПК «Профиль-М»

Устройство связано базовой спутниковой референцной станцией 16 ГНСС (рис. 4), включающей спутниковый приемник 17, связанный с модемом 18 и антенной 19.

Ходовую тележку 1 устанавливают на рельсовый путь, включают спутниковую аппаратуру (приемник 10, модем 11 и антенны 12 и 13), а также бортовой компьютер 9. На опорной геодезической точке (точке с известными координатами) запускается базовая станция 16 (рис. 4). С базовой станции 16

модем 18 передает дифференциальные поправки через модем 11 на приемник 10, который получает также пространственную информацию со спутниковых антенн 12 и 13.

При движении ходовой тележки по рельсовому пути колесные пары 6 и 7 жестко прижимаются к рельсам за счет действия направляющей 5, обеспечивая положение оси ходовой тележки, строго параллельное направлению движения по рельсовой колее независимо от ее изменения. Поэтому спутниковая антенна 12 с фазовым центром Ф1 и спутниковая антенна 13 с фазовым центром Ф2, установленные над рельсами на стойках 14 и 15, при изменении ширины колеи также перемещаются в пространстве в поперечной плоскости и всегда находятся соответственно над левым и правым рельсами. При этом фазовые центры Ф1 и Ф2 спутниковых антенн 12 и 13 находятся на одной прямой в плоскости, перпендикулярной к оси тележки, которая совпадает с вектором движения.

Рис. 4. Структурная схема АПК «Профиль-М»

Данные о текущих координатах фазовых центров спутниковых антенн 12 и 13, Ф1 (Хь У1, Н1) и Ф2 (Х2, У2, Н2) в каждой 1-й точке на рельсовом пути регистрируют над правой и левой рельсовой нитью с заданным интервалом, принимаются спутниковым приемником 10 и поступают в компьютер 9.

Компьютер 9 в соответствии с разработанными авторами вычислительными программами последовательно осуществляет расчет и визуализацию геометрических параметров рельсовой колеи (рис. 5).

Ё2

Записи Настройки

Ф

КвдрДимвТы: К» 000000.00

V- 000000.00 Возвышение рельса;

^ 00 ^

Пикет: КМ О ПК 0 + О

Пройдено: 0000 м.

Номео точки: О

Добавить точку:

Шаблон:

2.

1520

; ,

Прочей: еыбрагь нз списка ...

0 оке Стрелочный перевод 'километровый столб

а Светофор Мост Л ■ Путепровод

1 Иэостьк а Труба * Парковая связь

Конец пути г Предельный столбя к с Ворота

В Переезд ПЗ Шпал«

ПоЦ' СОМ1|С|Ч«11 1Ида'М|гц|лг—1 ЦЦ1ГН(|Щ,|.Ч МИ

Рис. 5. Главное окно оператора (внешний вид)

На рис. 5 показаны геометрические параметры, например возвышение рельса 00, ширина колеи 1 520, которые отображаются на экране в реальном времени, кодированные объекты инфраструктуры железной дороги (светофор, труба), текущие координаты местоположения (Км + Пк + м) и служебная информация.

Геометрические параметры рельсовой колеи (ширина колеи, возвышение рельса, просадка) с использованием координатных методов (рис. 6, 7) определяются по следующим алгоритмам.

Ширина колеи (шаблон):

I -у)ЛХ2 _12 +ЛГ2_1

2 .

-1 ;

ДХ2-1 - Х2 - Х1. Д72-1 - 7 - 71.

(1) (2)

Возвышение рельса (уровень):

ЛН - Н 2 - Н1

(3)

где I - ширина колеи;

АХ2, , АН - возвышение рельса;

Х15 Н^ X2, Н2 - координаты фазового центра первой и соответственно второй спутниковой антенн (см. рис. 4. позиции 12-13).

H

в

Рис. 6. Схема расчета неровностей рельсовой колеи в вертикальной плоскости (просадки в стандарте ЦП 515)

Положение рельсовых нитей в вертикальной плоскости (просадка):

И; _ + H; +

H

в

Ч _1 ^ J 1i+1 . 2 '

ЛИ ' = Ив _ H,

(4)

(5)

где А Н' - амплитуда рельсовой нити (просадка) в вертикальной плоскости на длине хорды (I -1) - (I +1);

Н) Н^ _1 НI+1 - высотные отметки фазового центра спутниковой антенны в I точках пути;

Нв - средняя высотная отметка на хорде (I -1) - (I +1).

Положение рельсовых нитей в горизонтальной плоскости (рихтовка):

X 1 + X

у _ "i _1 i+1 . Хв " 2 .

Y _ Yi _1 + Yi +1 . Yb _ 2 ;

(6)

ЛХ ' _ X, _ Хв ; Л7 ' _ Y _ Yb ;

_ТЛХ

'+ЛY '2,

(7)

(8)

где 8 - амплитуда рельсовой нити в плане (рихтовка) в I -й точке на хорде (I -1) - (I +1).

(Хв; Ув)

(X - 1; У - 1) 5 (Хг + 1; Уг + 1)

(X У г)

Рис. 7. Схема расчета неровностей рельсовой колеи в горизонтальной плоскости (рихтовки в стандарте ЦП 515)

Результаты расчета и визуализации геометрических параметров рельсовой колеи показаны на графиках в стандарте ЦП 515 ОАО «РЖД» (рис. 8), расчет и визуализация параметров кривой - в стандарте ОАО «РЖД» ФП-5 (рис. 9).

1 Путь Ш®

Файл §мд Настроит*,-.. Опрсн-рлние...

^-ип йаю а?сай в»% Р |.\

0 ¥ | -к»

ш 8 ° | -13»

. ^ч ___^ ^ _

*—' —

I °

------—--_--,-_-^

^ 1551 Г] ЦП

& » Я И

Щ * Я в -эо

1» ]ш [Вв [Ж |Мв |Ш |450 [13® |58в 21

Гфп»

Рис. 8. Расчет и визуализация геометрических параметров рельсовой колеи

в стандарте ЦП 515

Рис. 9. Расчет и визуализация параметров кривой в стандарте ОАО «РЖД» ФП-5

Таким образом, используя новые возможности ГНСС, методы фильтрации и сглаживания, конструкцию ходовой тележки, можно создавать приборы для определения геометрических параметров безинерциальных систем и датчиков пути, углового положения, линейных перемещений, инклинометров и т. д. Эффективность таких приборов значительно выше по отношению к устройствам, включающим инерциальные системы [5-12].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. на изобретение № 2261302 Российская Федерация, МПК 51 Е01В35/00. Способ определения пространственных параметров рельсового пути и устройство для его осуществления / В. В. Щербаков [и др.]; заявитель и патентообладатель СГУПС. -№ 2003111110/11; заявл. 17.04.2004, опубл. 27.09.2005.

2. Щербаков В. В. Выправка пути при реконструкции и ремонте железнодорожных путей с использованием ГИС-технологий и ГНСС // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Меж-дунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15_26 апреля 2013 г.). _ Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 3. _ С. 14-20.

3. Щербаков В. В., Ковалева О. В., Щербаков И. В. Цифровые модели пути - основа геодезического обеспечения проектирования строительства (ремонта) и эксплуатации железных дорог // Геодезия и картография. - 2016. - № 3. - С. 12-16.

4. Щербаков В. В., Щербаков И. В. Разработка систем автоматизированного управления выправкой пути на базе ГНСС // Транспортное строительство. - 2015. - № 9. - С. 22-25.

5. Щербаков В. В., Щербаков И. В. Анализ способов постановки железнодорожного пути в проектное положение при реконструкции (модернизации) и эксплуатационной работе // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3-х т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 87-92.

6. Пат. 116862 Российская Федерация МПК 51 Е01В 35/00 В61К 9/08. Устройство для определения пространственных параметров объектов инфраструктуры железной дороги / В. Д. Верескун, В. А. Герасимов, В. В. Щербаков и др. - № 2011150328/11; 09.12.2011; опубл. 10.06.2012.

7. Пат. на изобретение № 136048. Устройство для выправки железнодорожного пути / В. В. Щербаков, И. В. Щербаков, А. Н. Модестов, И. А. Бунцев, В. П. Славкин. - 2013.

8. Пат. на изобретение № 112209. Путевая машина / В. В. Щербаков, А. Н. Модестов, В. Д. Верескун, А. С. Пикалов. - 2012.

9. Пат. на изобретение № 126011. Щебнеочистительная машина / В. В. Щербаков, А. Н. Модестов, В. Д. Верескун, А. С. Пикалов. - 2012.

10. Кулижников А. М. Ануфриев А. А., Колесников И. П. Нормативная база для САУ 3D // САПР и ГИС автомобильных дорог. - 2014. - № 2. - С. 38-41.

11. Распоряжение ОАО «РЖД» № 3214 от 31.12.2015 г. [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

12. Скворцов А. В. Нормативно-техническое обеспечение BIM автомобильных дорог // САПР и ГИС автомобильных дорог. - 2014. - № 2. - С. 22-32.

Получено 22.06.2017

© И. В. Щербаков, 2017

PROFILE-M HARDWARE AND SOFTWARE SUITE FOR DETERMINING THE SPATIAL AND GEOMETRIC PARAMETERS OF THE TRACK GAUGE

Ivan V. Shcherbakov

Siberian Transport University, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 D. Kovalchuk St., Leading Engineer of the Research Laboratory for Diagnostic of Road Surfacing and Roadbed, phone: (913)795-33-33, e-mail: sibdorproect@bk.ru

Engineering and geodesic support of design and survey works, construction and operation is performed with the use of geodetic instruments and equipment.

Geodetic instruments and equipment are universal as they are used in various spheres of production; a line of instruments and equipment ensures the required precision of measurements within the set range. However, it is impossible to complete some engineering and geodesic tasks efficiently with the use of typical equipment. Such tasks are, as a rule, specific: for example, determining the geometric parameters of the rail based on spatial data.

A method, a device and a technique for determining geometric parameters created with the help of Profile-M hardware and software suite are proposed. The Profile-M suite is based on determining spatial data and geometric parameters of the rail by the use of only GNSS.

The paper deals with the problems of geodetic control at railways, with the specific character and peculiarities of railway engineering problems and their solutions, and with the principal guidelines for facilities and methods development of geodetic control and the standard of its improvement at railways of RZD Corporation.

Key words: GNSS, satellite positioning equipment, Profile-M hardware and software suite, geometric parameters of rail, railway, technologies based on geoinformation system, location and geometries, track alignment control system, automatic control systems.

REFERENCES

1. Shcherbakov, V. V. A method of determining spatial parameters of the rail and the device to do it. PatentRFNo. 2261302. IP Russian Federation [in Russian].

2. Shcherbakov, V. V. (2013). Track Alignment During the Reconstruction and Repair of Railway with the Use of GIS-Technologies and GNSS. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2013: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 3. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2013: International Scientific Conference: Vol. 3. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Mine Surveying] (pp. 14-20). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].

3. Shcherbakov V. V., Kovaleva O. V., & Shcherbakov I. V. (2016). Digital Tracks Models Are the Basis For Geodetic Support of Railway Construction (Repair) and Operation. Geodeziya i kartografiya [Geodesy and Cartography], 3, 12-16 [in Russian].

4. Shcherbakov V. V., & Shcherbakov I. V. (2015). Development of Systems for Computer-Assisted Management of Track Surfacing Based on GNSS. Transportnoe stroitel'stvo [Transport Construction], 9, 22-25 [in Russian].

5. Shcherbakov V. V., & Shcherbakov, I. V. (2014). Analysis of methods of placing the tracks in-situ during the reconstruction (reengineering) and operation. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2014: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2014: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Mine Surveying] (pp. 87-92). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].

6. Vereskun, V. D., Gerasimov, V. A., Shcherbakov, V. V., & et al. Device for determining spatial parameters of railway infrastructure facilities. Patent RF No. 116862. IP Russian Federation [in Russian].

7. Shcherbakov, V. V., Shcherbakov I. V., Modestov, A. N., Buntsev, I. A., & Slavkin, V. P. Device for straightening railway tracks. Patent RF No. 136048. IP Russian Federation [in Russian].

8. Shcherbakov V. V., Modestov A. N., Vereskun V. D., Pikalov A. S. Track machine. Patent RF No. 112209. IP Russian Federation [in Russian].

9. Shcherbakov V. V., Modestov A. N., Vereskun V. D., & Pikalov A .S. Patent RF No. 126011. IP Russian Federation [in Russian].

10. Kulizhnikov, A. M. Anufriev, A. A., & Kolesnikov, I. P. (2014). Normative base for automatic control systems 3D. SAPR i GIS avtomobil'nykh dorog [CAD & GIS for Roads], 2, 38-41 [in Russian].

11. The Order of JSC Russian Railways of December 31, 2015 No. 3214. Retrieved from ConsultantPlus online database [in Russian].

12. Skvortsov, A. V. (2014). Normative and technical support of BIM highways. SAPR i GIS avtomobil'nykh dorog [CAD & GIS for Roads], 2, 22-32 [in Russian].

Received 22.06.2017

© I. V. Shcherbakov, 2017