Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Автоматизированный координатный способ определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Автоматизированный координатный способ определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи"

УДК 528 48 625 14

На правах рукописи

Ковалева Ольга Владимировна

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КООРДИНАТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ

25 00 32 — «Геодезия»

иоз1В1534

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск-2007

003161534

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения и Сибирской государственной геодезической академии.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Щербаков Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор Уставич Георгий Афанасьевич, кандидат технических наук, доцент Лапко Александр Петрович

ОАО «Сибирский научно-исследовательский институт транспортного строительства» (г Новосибирск).

Защита состоится 12 ноября 2007 г в 11 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 251 02 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу 630108, г Новосибирск, ул Плахотного, 10, ГОУ ВПО «СГГА», ауд 403

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА Автореферат разослан «ЭД »октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Середович А В

Изд лиц ЛР № 020461 от 04 03 1997 г Подписано в печать 10.10 2007 Формат 60 х 84 1/16 Уел печ л 1,40 Уч.-изд. л 0,86 Тираж 100 экз Заказ /-у о

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Транспортная стратегия Российской Федерации предусматривает на период до 2020 г в качестве главных приоритетов повышение качества транспортных услуг, эффективности и безопасности на железных дорогах при постоянном увеличении скоростей движения. Это влечет за собой необходимость постоянного и надежного контроля параметров рельсовой колеи и всей инфраструктуры железных дорог

Существующая система контроля геометрических параметров рельсовой колеи в Российской Федерации базируется на использовании вагонов-путеизмерителей различного типа и применении портативных средств контроля Основным недостатком путеизмерителей типа КВЛП, ЦНИИ и портативных средств типа ПТ-7МК, принцип работы которых основан на методе хорд, являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие выполнять оценку параметров на хордах различной длины.

Современный контроль геометрических параметров верхнего строения пути возможен при внедрении новых геодезических методов измерений Использование геодезических координат позволит выявлять длинные неровности, превышающие стандартную длину базы измерения, и определять характерные параметры рельсовой колеи взаимное положение рельсовых нитей в плане, по уровню, просадки и ширину колеи, использовать ГИС при проведении мониторинга для определения динамики изменения параметров Переход от относительных измерений на базе хорды, равной длине вагона, к измерениям геодезических координат позволит расширить функциональные возможности измерительных средств, повысить точность и достоверность результатов

Таким образом, разработка новых способов измерения геометрических параметров рельсовой колеи с использованием геодезических методов, позволяющих значительно расширить функциональные возможности измерительных средств, является актуальной задачей

Цель диссертационной работы разработка средств и методов диагностики рельсовой колеи, повышающих полноту, достоверность и точность определения геометрических параметров, основанных на определении геодезических координат

Задачи исследования:

1 Провести анализ существующих методов и средств диагностики рельсовой колеи по геометрическим параметрам и разработать

- алгоритм определения геодезических координат и расчета по ним геометрических параметров в соответствии с существующими стандартами,

- измерительную систему для определения координат и геометрических параметров рельсовой колеи;

- методику автоматизированного определения пространственного положения, геометрических параметров и оценки параметров кривых

2 Реализовать разработанные алгоритмы и методики

3 Исследовать эффективность применения средств и методов определения геометрических параметров

Объект исследования геометрические параметры рельсовой колеи

Предмет исследования железнодорожный путь

Теоретическая и методологическая база исследований: поставленные в работе задачи решаются на базе использования математических методов моделирования, математической статистики, сравнительного анализа, теории обработки измерений

Выполнен анализ работ российских и зарубежных ученых в области разработки измерительных средств диагностики, оценки состояния и расчета геометрических параметров рельсовой колеи (Коугия В А , Матвеев С И , Круглов В М, Цветков В Я, Железнов М М., Дюнин А К, Шахунянц Г И, Карпущенко Н И, Щербаков В В , Яковлева Т Г, Кантор И И , Бредюк В Б и др), в области спутниковых радионавигационных систем (Н А. Телеганов, Антонович К М, Коугия В А , Матвеев С И , Карпик А П и др), в сфере геоинформационных систем на транспорте (Матвеев СИ, Коугия В А, Левин Б А, Круглов В М, Цветков В Я, Бокарев С А. и др), в области геодезических наук на железнодорожном транспорте (Коугия В А., Матвеев С И, Новак ВЕ, Левчук ГП, Закатов ПС и др), в сфере математической обработки измерений (Большаков В Д, Гайдаев П А, Визгин А А и др), библиотечных и электронных ресурсов.

Научная новизна диссертационной работы- разработана методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам,

- разработан алгоритм определения геометрических параметров по геодезическим координатам,

- разработан измерительный комплекс для определения пространственного положения и геоме трических параметров

На защиту выносятся:

- методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам,

- алгоритм определения геометрических параметров по геодезическим координатам,

- измерительный комплекс для определения пространственного положения и геометрических параметров

Теоретическая значимость работы: разработка принципиально нового подхода к определению геометрических параметров по геодезическим координатам рельсовой колеи

Практическая значимость работы. Внедрение разработанных средств и методов определения геометрических параметров на ЗСЖД, ВСЖД, ЗабЖД, Норильской железной дороге, в Уральском университете путей сообщения, ОАО «Беловопогрузтранс» и других организациях позволило повысить качество сверки вагонов-путеизмерителей, оценки состояния рельсовой колеи, характеристик кривых и производительность работ дри создании продольных профилей. Внедрение разработок на всех этапах позволило автоматизировать процесс получения отчетных материалов

Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований использованы при проведении следующих научно-исследовательских и производственных работ

- натурной проверки плана и продольного профиля на 22 железнодорожных станциях ЗСЖД филиала ОАО «РЖД»,

- натурной проверки плана и продольного профиля на 2 железнодорожных станциях Норильской железной дороги филиала ОАО «РЖД»;

- создании паспорта железнодрожных путей необщего пользования ОАО «Беловопогрузтранс»

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях

- межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири», г Новосибирск, 2002 г ;

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», г. Новосибирск, 2002 г;

- региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу», г. Новосибирск, 2002 г.;

- международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики», г Новосибирск, 2003 г,

- всероссийской научной конференции «Наука Технологии Инновации», г Новосибирск, 2003 г.,

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», г Новосибирск, 2005 г,

- Международном геодезическом конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006», г Новосибирск, 2006 г;

- Международном геодезическом конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007», г. Новосибирск, 2007 г.

Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертации изложены в 19 работах

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка, включающего 94 наименования Общий объем работы составляет 120 страниц, содержит 32 рисунка, 21 таблицу и 5 приложений

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая постановка проблемы, обоснована ее актуальность, поставлены цели и сформулированы задачи исследований

В первом разделе «Анализ средств и методов диагностики рельсовой колеи по геометрическим параметрам» рассмотрены существующие методы и средства измерения при производстве контроля параметров пути и потребность в этих средствах для диагностики состояния пути

Анализ мировых современных технологий определения и контроля параметров железнодорожного пути показывает, что наиболее актуальны комплексные решения, позволяющие производить регулярную диагностику состояния рельсовой колеи В Германии, США, Канаде, Великобритании, Швейцарии, Японии и Китае основным направлением развития путеизмерительных средств является расширение функций путеизмерителей и увеличение числа измеряемых параметров В настоящее время на российских железных дорогах для определения геометрических параметров рельсовой колеи применяют теодолиты и нивелиры, обеспечивающие инструментальную съемку пути, а также специальные шаблоны по измерению ширины колеи и возвышению наружного рельса, путеизмерительные вагоны ЦНИИ-2, KBJI-П, путеобследовательские станции ЦНИИ-4 (ЦП-794) и путеизмерительные тележки с разнообразными функциями.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование и разработка алгоритма определения геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам» рассмотрены методы измерения геометрических параметров рельсовой колеи хордовый, динамический, координатный, комплексный (комбинированный), включающий хордовый и динамический.

Большинство путеизмерителей создано на базе хордового метода Такой подход обеспечивает общую оценку качества содержания. При контроле рельсовой колеи метрополитенов за рубежом применяют динамический метод Комбинированный метод применяется на опытных образцах путеизмерителей Проанализировав выше указанные методы по функциональным возможностям, точности измерений и сложности исполнения, выявлено, что при оценке геометрических параметров геодезические методы наиболее перспективны Особенно актуальной задачей является создание автоматизированных систем на базе координатного метода

На базе координатного способа, предложенного Щербаковым В В , автором разработана методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам, принципиальные схемы определения координат и стрел изгиба показаны на рисунках 1 и 2

«ад

0

|Л»

X,, У;, х2, г2 ,хе, те- приращения координат Рисунок 1 - Принцип определения координат

УУ

X уг^ Л ^^^

ч х,у 1 (.выч) ср к

б)

Низмфср

Рисунок 2 — Принцип определения стрел изгиба

Исходными данными являются курсовой угол и пройденное расстояние По текущим координатам определяют пространственное положение по одной из рельсовых нитей относительно любого исходного направления в горизонтальной плоскости с шагом измерения I

(1)

где Ьй - допустимая погрешность стрелы изгиба,

<4шх~ максимальное значение стрелы изгиба Для каждого участка пути по измеренным координатам его крайних точек вычисляется точка, соответствующая середине прямолинейного отрезка (хорды), соединяющей эти точки, как среднее значение этих координат

Хг0(ызл») + Хгй(иаи)

X1ср(еыч') --,

2

Y,0(иэм) + Y,n(mM)

^¡ср(выч) - -, (2)

2

Hífl(a3w) + Н 1п(изм)

"!Ср(вЫЧ)= -,

где X¡fU3M), Yl(u3M), И,(изм) - текущие координаты рельсовой нити в крайних точках г0 и i„,

п - количество единичных приращений пути на измерительной базе

я-Р,//, (3)

п

y~¡(u'm) - Х0 + Z cosa I, 1 п

Yt(u3M) = Y0 + Z Sino. I; (4)

1 n

HjfuiMj = H0 + S 5Шф /, 1

где Xo, Yo, H0 - начальные (исходные) координаты, а-азимут,

<р - продольный уклон По разности между вычисленной и измеренной координатой указанной точки определяют значение стрелы изгиба-

5 = Jfx , -X Y + (y -y t\ (5)

гг у^ юрКвыч) 1ср(изм)) ^ гср(выч) icp(um))

= H 1ср(выч) <¡he — Hicp(u3M), (6)

где 81г и S,e — стрелы изгиба в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Координаты второй рельсовой нити X'¡(U3M), Y't(U3M), W¡(mM) равны

X'lfwM)- х,(изм) + lLcos(a + 90) , 1

я

Y'i(u?M) - У1{иш) + Е Sin(a + 90) 1Ш , (7)

Н\(ъвм) - Нг(гсш) + X эту ■ 1Ш , 1

где Хуия,;, Ч'^щм), - текущие координаты первой рельсовой нити,

1Ш - ширина колеи Значения 8',г и 8',е вычисляются аналогично первой рельсовой нити*

8

ie

1

Х' г , г , ч! ' (8)

1ср(еыч) гсруизм) J \ 1ср(выч) 1ср(изм)

Sie ~ И'кр(выч) 8ie — H'lcpfum), (9)

где X'1ср(вычj =

X'/Q(iiJM) 4- X'iп(изм)

2

t Y/fl (изм) + Y'in(um)

' ¡ср(выч) «- --, (10)

2

H'!0 (иЗм) + Н'!и (ИЗМ)

Н 1ср(выч) =-,

2

В данном случае использована условная система координат, которая позволяет определять одновременно координаты пути и положение рельсовых нитей по уровню, в плане, просадки и ширину колеи. Все параметры могут быть представлены в соответствии с инструкцией ЦП-515 или любом другом, без ограничений длины измерительной базы и масштаба Данный способ реализован на ПТ «Волна», АПК «Волна», универсальном дорожном курвиметре УДК «Ровность» и дорожной передвижной лаборатории ДПЛ СГУПС, в том числе и на АПК «Профиль»

В третьем разделе «Разработка измерительного комплекса для определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи» на базе координатного способа представлена разработка аппаратно-программного комплекса (АПК) «Профиль», включающего комплект GPS геодезического класса, блок пространственной ориентации, ходовую тележку, оборудованную датчиком пройденного пути, ширины рельсовой колеи и

уровня; портативный компьютер ПК; пакет программ сбора и обработки информация «Profil». Структурная схема и внешний вид ЛПК «Профиль» приведены на рисунках 3 и 4 соответственно.

Принцип работы АПК заключается в следующем: при движения путеизмерительной тележки намеряются курсовой й продольный углы относительного вектора движения, продольный и поперечный угол, пройденное расстояние, и выполняется ¡^¡числение текущих координат и геометрических параметров. АПК «Профиль» предназначен для определения координат путем решения прямой геодезической задачи в схеме гирополукомпаса. Функциональные возможности позволяют по координатам определять продольный профиль, расстояние, взаимное расположение рельсовых нитей по уровню, в плане,

Рисунок 3 - Аппаратно-программный ПРосаяки и ШИРИК> риьсвдой комплекс «Профиль» колеи- ОбласМ применения АПК

«Профиль»; паспортизация, диагностика; съемка натурного положения пути в плане, продольном и поперечном профиле для выправки пути и проектирования капитального ремонта; мониторинг; анализ Допустимых скоростей движения; калибровка вагояов-пу те измерителе й.

Рисунок 4 - Структурная схема АПК «Профиль»

Техническая характеристика, диапазоны измерений и пределы относительных погрешностей при измерении параметров пущ указаны в таблице 1

Таблица 1

Наименование параметра Значение параметра

Диапазон измерения Погрешность измерения

Координаты 100 км 10 мм/км

Расстояние 100 км ±0,01 %

Высота 10 км ±20 мм/км

Ширина колеи 1 505-1 560 мм ±1 мм

Положение по уровню 0-300 мм ± 0,5 мм

Положение в плане ±160 мм ± 2 мм

Просадка ±50 мм 1 мм

Программный комплекс по обработке «Profile», показанный на рисунке 5, обеспечивает связь между КПК и контроллером, считывает информацию, визуализирует процесс измерений, сохраняет полученные данные

На первом этапе испытаний исследовались точностные характеристики АПК «Профиль» Приведенные данные позволяют судить о том, что математическое ожидание на протяжении всего срока исследований является стабильным по всем параметрам за исключением шаблона При МО = 2,61 и о = 1,56 с диапазоном значений от 0,95 до 4,42 величина шаблона в летний период отличается от значения в зимний период приблизительно на 4 мм, в связи с чем можно сделать вывод о изменении фактической ширины колеи, связанной с сезонным характером, при этом погрешность измерений этого параметра составляет менее 1 мм По приведенным данным сезонные различия рихтовки по правой и левой нитке не превышают величину 1 мм, по шаблону - 4 мм, а просадка - 2 мм

Рисунок 5 - Программное обеспечение

Для детальной оценки наличия систематической составляющей в определяемых параметрах использован критерий Аббе Результаты исследований приведены в таблице 2 Полученные результаты показывают, что в измерени-

ях по ширине колеи и стреле изгиба присутствует систематическая составляющая, т < тпр

Таблица 2

Параметр Эмпирическая квантиль т Предельное значение квантили тп„

Просадка правой нити 0,763 0,3544

Просадка левой нити 0,842

Ширина колеи (-1 520 мм) 0,309

Левая стрела изгиба в плане 0,310

Правая стрела изгиба в плане 0,530

Взаимное положение рельсовых нитей по уровню 0,516

Также на точность определения параметров рельсовой колеи влияют их взаимные связи Судить о наличии связей между параметрами без установления силы связи позволяют методы порядковой статистики В диссертационной работе была использована формула Спирмена Поскольку при определении параметров рельсовой колеи возникают повторяющиеся отклонения, для нахождения рангового коэффициента корреляции необходимо воспользоваться следующей формулой

п , \2

Р = 1---, (11)

где Тг =— I \ti-u , 121=1 V >

тг, Щц - число групп неразличимых рангов у переменных X и У, /г> ^ - число рангов, входящих в группу неразличимых рангов переменных X и У

При проверке значимости коэффициента корреляции р необходимо найти статистику /, имеющую распределение Стьюдента, при увеличении числа испытаний до бесконечности оно перетекает в нормальное распределение Гаусса:

р4п-1

Т <12>

1

1 ~Р

Исследования проводились на участке ЗСЖД ст. Петрушенко, путь 4В длиной 2 км, анализу подвергались участки длиной 1,00 м В таблицах 3 и 4 представлен путь в кривой (ПКЗ-ПК4) и на прямом участке (ПК14-ПК15)

Таблица 3

Параметры Уровень Стрела правая Стрела левая Ширина колеи Просадка правая Просадка левая

Уровень 1.0

Стрела правая 0,45 1,0

Стрела левая 0,42 0,96 1,0

Ширина колеи 0,85 0,30 0,999 1,0

Просадка правая 0,96 0,25 0,78 0,94 1,0

Просадка левая 0,99 0,00 0,55 0,85 0,999 1,0

Таблица 4

Параметры Уровень Стрела правая Стрела левая Ширина колеи Просадка правая Просадка левая

Уровень 1,0

Стрела правая 0,00 1,0

С грела левая 0,00 0,999 1,0

Ширина колеи 0,25 0,999 0,999 1,0

Просадка правая 0,79 0,11 0,00 0,00 1,0

Просадка левая 0,77 0,00 0,12 0,11 0,999 1,0

После анализа полученных результатов можно сделать вывод, что

- устойчивая связь на прямых участках пути наблюдается между положением рельсовых нитей по уровню и просадкам, а также между шириной колеи и стрелами изгиба в плане, сила связи будет более 80 %,

- на кривых участках пути и участках пути с отступлениями от норм содержания сила связей между всеми параметрами увеличивается, в том числе между положением рельсовых нитей по уровню и шириной колеи достигает 85 % Результаты выполненных исследований показали высокую надежность измерений

На следующем этапе исследований проводилась сравнительная оценка АПК «Профиль» с другими портативными средствами В период с 30 11 2006 по 11.12 2006 на одном из участков Октябрьской железной дороги были произведены полевые испытания путеизмерительных систем В испытаниях участвовали 4 путеизмерительные системы

- АПК «Профиль» (Россия, г Новосибирск, СГУПС),

- Tachy Rail фирмы «Geo-Metnk AG» (Германия),

- Swiss trolleys фирмы «Terra Vermessungen ag» (Швейцария);

- GRP System FX фирмы «Amberg Technologies» (Швейцария).

В результате проведенных испытаний специалистами ОАО «РЖД» сделаны следующие выводы

1 Измерительные системы различаются функциональными возможностями и адаптацией к условиям России по отчетным формам и стандартам

2 Все системы имеют средства интеграции с GPS. Точность измерений сопоставима, зависит от типа GPS-аппаратуры и может быть повышена специальными алгоритмами для систем АПК и Swiss trolleys

3 Дополнительные возможности, расширяющие сферу применения в системах АПК и Swiss trolleys используются алгоритмы уравнивания получаемых координат с собственными средствами измерений, что повышает точность и надежность измерений, в системах АПК и Geo-Metrik дополнительно определяются отклонения в продольной оси (просадки), в системе АПК данные выдаются в стандарте ЦП-515, что позволяет использовать систему на локальных участках вместо вагона-путеизмерителя, обеспечивается возможность построения карточки кривой по форме ФП-5, с повышенной точностью определяются стрелы изгиба на произвольной базе, что позволяет использовать АПК «Профиль» для контроля состояния пути на высокоскоростных магистралях.

Наиболее высокая точность измерения достигается измерительной аппаратурой системы АПК «Профиль» Наилучшая точность определения возвышения рельса достигается измерительной аппаратурой систем АПК и Swiss trolleys.

Для определения геометрических параметров в РФ используют вагоны-путеизмерители ЦНИИ-2, КВЛП

С целью сравнения возможностей АПК «Профиль» с вагонами-путеизмерителями (КВЛП и ЦНИИ-2) для проведения диагностики были выполнены специальные исследования точности измерения геометрических параметров вагонами-путеизмерителями и АПК на экспериментальном участке (ст Обь) Результаты исследований приведены в таблице 5 В испытаниях участвовали вагоны-путеизмерители, АПК «Профиль», контроль осуществлялся инструментальным методом.

Таблица 5

Параметр СКОапк, мм СКОцнИИ-2) ММ СКОквл-тмп,мм

Просадка 1,0 4,0 3,0

Ширина колеи (-1 520 мм) 1,0 1,5 1,5

Положение в плане 2,0 6,0 4,0

Положение по уровню 0,5 6,0 4,0

Предварительно был проведен анализ нормативных документов Анализ показал, что диапазон изменения допусков в зависимости от установленной скорости составляет по отступлениям, в плане - от 10 до 100 мм, уровню - от 6 до 50 мм, перекосам — от 8 до 50 мм, просадкам - от 10 до 45 мм, ширине

колеи - от 4 до 20 мм по сужению и от 8 до 28 мм по уширению Таким образом, минимальное значение измеряемых параметров по ширине составляет 4 мм, уровню - 6 мм, перекосу - 8 мм, просадкам - 10 мм С учетом критерия ничтожного влияния ('/4о) требования к точности измерения параметров будут в диапазоне от 1 до 2,5 мм в зависимости от измеряемого параметра согласно нормативным документам. Из таблицы 5 видно, что погрешность измерения всех параметров путеизмерителями ЦНИИ-2 с учетом критерия ничтожного влияния не соответствует требованиям инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути. Погрешность измерения равноценна допускам для установленных скоростей Правильная оценка параметров может быть выполнена только для отступлений III степени

В среднем погрешность определения геометрических параметров ваго-нами-путеизмерителями составляет от 3 до 6 мм.

АПК «Профиль» по результатам проведенных исследований полностью соответствует требованиям инструкции ЦП515 по контролю геометрических параметров рельсовой колеи

По функциональным возможностям, точности и обеспечению единства измерений АПК «Профиль» является универсальным средством для проведения мониторинга.

При определении координат оси пути, построения плана и профиля путей наибольшие погрешности в измерения вносит блок пространственной ориентации (БПО). Точность определения координат точек БПО, построенного по схеме счисления пути, зависит от ухода оси курсового гироскопа Для исключения влияния ошибок применяют аналитический метод обработки результатов измерений. Этот метод предполагает, что скорость ухода оси гироскопа постоянна, ход прямолинеен и скорость его проложения равномерна. При выполнении работ данные условия не соблюдаются. Проведенные эксперименты подтвердили, что скорость ухода а курсовых гироскопов может существенно изменяться. На рисунке 6 показаны характерные графики ухода оси гироскопа

На изменение скорости ухода оси гироскопа Да влияют коэффициент излома трассы, изменение скорости и направления движения БПО вследствие сложения угловых скоростей вращения Земли и АПК, изменение широты места, а также колебания температуры в гироузле, линейные ускорения и т. д Компенсировать влияние этих факторов расчетным путем невозможно. Для повышения точности полученных координат необходима совместная обработка измерений, полученных с помощью гироскопа и спутниковой аппаратуры, установленных на путеизмерительной тележке.

Рисунок 6 - График ухода оси гироскопа

Первичной обработке (фильтрации) подвергаются спутниковые измерения, производится совместная обработка данных, полученных гироскопом и GPS. В результате уравнивания СКО равна 2-5 см, что не удовлетворяет требуемой точности К другому способу повышения точности результатов измерений можно отнести применение реперной сети или контрольных точек для обработки данных, полученных гироскопом

Д ля исследования повышения точности выполнено нивелирование III класса точности на участке железной дороги протяженностью 500 м через 20 м Отметки, полученные с помощью АПК «Профиль», сравнивались с результатами нивелирования. График сравнения отметок по данным нивелирования и АПК «Профиль» показан на рисунке 7

158750

^ 158500

яГ 158 250

5 158 000

j! 157750

° 157500

157250

О 157 000 о

3 156.750 СО

156 500

158 318 1i 8'

158 200 158 212 158 215 158 20 158 229 7 168 286

168 200 -- — — . — -___1S7 999 —188 ЗТ

158100 168.067 157 895 157 809

157.692""" 157 517

S

167 .24

.X

4"

Ж-Л .А

— - нивелирование ---АПК

Рисунок 7 - График высотных отметок АПК «Профиль» и нивелирования III класса

Учитывая нелинейность ухода оси гироскопа (см рисунок 6), необходимо периодически во время движения определять величину ухода. Методика определения ухода оси гироскопа в процессе движения по трассе заключается в измерении в г-х точках железнодорожного пути продольного уклона по реперным данным, либо с использованием эталонных средств Наиболее приемлемым является определение ухода оси гироскопа с использованием GPS путем создания контрольных точек или выполнения измерений в кинематическом режиме «Stop-and-Go»

В четвертом разделе «Методика применения АПК «Профиль» при эксплуатационной работе на железных дорогах» изложены результаты научно-исследовательских и прикладных работ

Высокие технические характеристики АПК получены за счет комплекси-рования гироскопической системы определения координат и GPS Поскольку одной из составляющих и наиболее трудоемких работ по содержанию пути является натурная проверка продольного профиля, уровень автоматизации играет важную роль в процессе получения исходных данных для построения продольного профиля железнодорожного пути, поскольку именно от технологии сбора данных зависит и способ их обработки

Согласно инструкции по текущему содержанию пути, план и профиль главных и станционных путей, а также станционных путей, принадлежащих железной дороге, должны подвергаться периодической инструментальной проверке

Автором разработана технологическая схема для съемки железнодорожных станций, приведенная на рисунке В.

Подготовка технической документации Получение исходных сведений

^ Ознакомление с ТЗ . Проверка приборов \-р Сбор имеющейся информации А -^ . Схематический план станции ^т/ ^ Данные предыдущей съемки ■Ц Сведения о реперах и марках

Выполнение геодезических измерений >- Определение параметров элементов пути

^ Базовые станции л. Оси путей ^ Пикетажные точки Предварительная обработка Заполнение пикетажного журнала т-у V Обследование ИССО I ^ Характеристики элементов пути

Обработка полевых измерений Вычисление геометрических параметров

^ Уравнивание сети базовых станций ^ Анализ и корректировка данных Построение осей пути л-^ Спрямление уклонов Создание продольного профиля Построение плана станции Получение данных в формате ЦП-515 ^ Составление карточек кривых - -К Формирование данных по уровню, шаблону, рихтовке, просадке

"1

Составлеаие пояснительной записки Сдача материалов заказчику

^ Общая характеристика ^ Продольные профили ^ План станции И ^ Приложения Размножение материалов _к Передача в бумажном виде т~г ^ Передача в электронном виде I Исправление замечаний

Рисунок 8 — Технологическая схема съемки железнодорожных станций с использованием АПК «Профиль»

Процесс съемки, расчета и составления профилей, отрисовки планов станций, а также получения карточки кривой автоматизирован АПК «Профиль» обеспечивает максимальную автоматизацию сбора данных за счет использования двухчастотной спутниковой аппаратуры геодезического класса

точности, работающей синхронно с гироскопом, что позволяет определять координаты пути с миллиметровой точностью, обрабатывать полученную информацию в ряде программ, таких, как Trimble Geomatic Office, ArcView и «Профиль-2»

Во время выполнения съемки важным является качественный прием спутниковых сигналов, что может быть обеспечено четкой установкой базовой станции на точке с известными координатами, а также выбором оптимального времени стояния на характерных точках Основным критерием для подбора количества измерений на характерных точках может служить уход оси гироскопа Съемка оси пути производится в кинематическом режиме «Stop-and-Go», для повышения точности определения местоположения Кодификация характерных точек ускоряет съемку и повышает ее качество.

Данные сохраняются в электронном виде В дальнейшем идет обработка GPS-измерений в Trimble Geomatic Office Текстовые файлы, содержащие координаты оси пути, передаются в программный комплекс Arc View для формирования плана пути и построения упрощенного продольного профиля, в местах переломов которого в дальнейшем расставляются узловые точки После составления плана станции данные передаются в приложение «Профиль-2» Отрисовку продольных профилей железнодорожных путей в Autocad выполняют через приложение «Профиль-2», использующее действующую нормативную документацию Это приложение применяется в целях паспортизации железнодорожных путей, натурных проверок и капитальных ремонтов пути В зависимости от типа железнодорожного пути и вида работ поддерживается тот или иной набор данных, эффективная работа с данными обеспечивается группировкой путей по проектам Для всех выше перечисленных путей сохранены традиционные масштабы чертежей Пример продольного профиля станционного пути показан на рисунке 9

При составлении продольного профиля натурной проверки пути необходимо выполнять оценку спрямленных уклонов в соответствии с действующими нормативными документами, отметки спрямленного пути не должны отличаться от существующих более, чем на ±5 см (в отдельных случаях ±15 см).

Основными преимуществами натурной съемки путей с применением АПК являются

- отсутствие разбивочных работ,

- получение всех геометрических параметров (рихтовка, просадка, уровень, шаблон), продольного профиля и характеристик кривых за один проход,

- повышение детализации съемки;

- повышение точности и достоверности результатов измерений.

Отчетные материалы могут быть представлены в электронном и бумажном вариантах С использованием аналогичных комплексов возможно создание локальных реперных сетей Реализацию координатного метода СГУПС можно осуществить на вагоне При этом сбор данных будет вестись по всем возможным параметрам

Масштаб! Гоо 1110000 Вест Ы000

3 5

оч & СГЧЗ} <7. а» (7,

Рисунок 9 - Продольный профиль станционного пути

АПК «Профиль» производит съемку кривых по алгоритму, аналогичному методу стрел изгиба При этом в обработке используются данные гироскопа, уравненные с использованием ОР8-приемника и обработанные в программе «Карточка кривой» В отличие от измерений вручную, предварительная разбивка линии на отрезки не требуется, нет необходимости в нахождении начала и конца кривой, так как гироскоп ведет съемку на всем протяжении пути Детализация съемки в 100 раз выше традиционного метода хорд

Сущность метода состоит в следующем кривая линия (дорога) разбивается на элементарные участки одинаковой длины массивом точек, из каждой точки откладывается хорда фиксированной длины до пересечения с кривой, из середины хорды восстанавливается перпендикуляр к кривой

При расчете кривой необходимо задать шаг разбиения кривой, длину хорды для вычисления стрел изгиба, длину отрезка усреднения кривизны и возвышения, базу отвода кривизны и возвышения, базу скорости изменения непогашенного ускорения

В результате расчетов имеем- графики стрел изгиба, график плана кривой, график непогашенного ускорения и скорости изменения непогашенного ускорения

Отчетными формами являются ведомость характеристик устройства кривых участков пути и карточка кривой

Программа при обработке дает возможность сделать предварительный подбор радиуса кривой и определить длины полной и переходных кривых по графику кривизны Общая длина кривой и длина переходной кривой, а также пикетные значения начала и конца кривых определяются с точностью до 1 м Программа позволяет получать карточку кривой в формате ФП-5, показанную на рисунке 10

Карточка-кривой'ФП-5а

Рисунок 10 — Карточка кривой

При эксплуатации железных дорог АПК «Профиль» используется и для калибровки вагонов-путеизмерителей В соответствии с существующим регламентом, периодически, 1 раз в квартал вагоны-путеизмерители проходят сверку Сверку проходят, как правило, 5-7 вагонов в сцепке Для повышения эффективности необходимо использовать либо дополнительные данные инструментальной съемки, либо данные АПК «Профидь»

Основными этапами проведения калибровки являются.

- приведение АПК «Профиль» в рабочее положение, его настройка и проход в прямом и обратном направлениях с фиксацией пикетных и километровых столбов и записью геометрических параметров рельсовой колеи,

- подготовка вагонов-путеизмерителей, проход в сцепке,

- обработка данных АПК в стандарте ЦП-515,

- получение лент путеизмерителей, приведение в единую систему координат и сравнение лент с эталонной лентой, созданной АПК

При приведении лент вагонов-путеизмерителей в единую систему координат можно использовать как абсолютную шкалу измерений, которая позволяет сравнивать и анализировать данные, полученные различными инструментальными средствами (например, вагонами-путеизмерителями разного типа), так и относительную систему координат

Традиционно железные дороги используют одномерную линейную систему, координаты которой заданы соотношением

X, (13)

где Х[ - координата в линейной системе координат,

5, - координаты известных точек линейной системы координат (пикетажные значения)

Главный недостаток такой системы состоит в невозможности сравнения полученных результатов с данными других средств измерений.

Абсолютные системы координат задаются началом системы координат, направлением осей и масштабом вдоль каждой оси и не зависят от характера и типа объекта, а также средства измерений параметров, которые определены в этой системе Из систем такого типа наиболее распространена геодезическая система координат Еще один метод обеспечения единства координатных систем состоит в преобразовании псевдолинейных координат, получаемых измерительными средствами? в абсолютную систему координат Это может быть выполнено только для оцифрованных путей

На рисунке 11 показан пример калибровки вагонов-путеизмерителей Применение АПК позволяет исключить грубые ошибки и повысить точность определения поправочных коэффициентов и систематических ошибок Опыт применения АПК на ЗСЖД показал положительный результат

_ АПК СГУПС --

—...... Пупкасфжпхжаь ак*«я

- Ручша<нх

Рисунок 11 - Сверка вагонов-путеизмерителей ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Разработана методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам

2 Разработан алгоритм определения геодезических координат и расчета по ним геометрических параметров рельсовой колеи, а также опробован на нескольких контрольных участках железнодорожного пути ст Обь и ст Пет-рушенко

3 Разработан измерительный комплекс для определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи

4 Разработана методика оценки параметров кривых, построения плана и продольного профиля железнодорожного пути

5 Реализованы разработанные алгоритмы и методики.

6 Выполнены экспериментальные исследования АПК «Профиль», данные исследований показали высокую точность, быстроту и эффективность комплекса

7 Опыт использования комплекса при натурной съемке железнодорожных станций ЗСЖД и Норильской железной дороги, а также паспортизация путей необщего пользования ОАО «Беловопогрузтранс» показал более высокую эффективность по сравнению с традиционными технологиями Аппаратно-программный комплекс «Профиль» является наиболее надежным измерительным средством, обеспечивающим широкии спектр контролируемых параметров в стандартах, установленных ОАО «РЖД»

Список опубликованных работ, отражающих основное содержание диссертации

1 Ковалева, О В Контроль качества измерений при определении деформаций сооружения / О.В Ковалева // Материалы научно-техн конф «Наука и молодежь XXI века» — Новосибирск, 2002 - С 49-50

2 Ускоренные способы определения деформаций сооружений / А А. Виз-гин, О В. Ковалева, Ю А Марин, В Г Чижиков // Материалы докл регион научно-практ конф «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» - Новосибирск, 2002. - С. 374

3 Визгин, А А, Ковалева О В Информационные оценки различных способов уравнивания геодезических измерений / А А Визгин, О В Ковалева // Материалы докл регион научно-практ конф «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» - Новосибирск, 2002 - С 112-113

4 Ковалева, О.В Геодезические измерения во всех комбинациях / О В. Ковалева // Сб материалов LUI междунар. научно-техн конф «Современные проблемы геодезии и оптики», посвященной 70-летию СГГА. - Новосибирск,

2003 -Ч 2 - С 253-256

5 Анализ способов определения осадок геометрическим нивелированием / А А Визгин и др // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе сб. науч тр /СГУПС - Новосибирск, 2004 -С 10—14.

6 Визгин А А , Ковалева О В К вопросу измерений углов и длин линий во всех комбинациях при строительстве и эксплуатации транспортных сооружений / A.A. Визгин, О В Ковалева // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе сб науч тр / СГУПС — Новосибирск,

2004 -С.7-10

7 Визгин, А А К вопросу уравнивания спутниковых геодезических сетей / А А Визгин, О В. Ковалева // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе сб науч тр / СГУПС - Новосибирск, 2004 - С 53-55

8 Ковалева, О В., Использование GPS для ознакомления с методами спутниковых измерений в инженерной геодезии / О В Ковалева, А В Андреев // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе-сб науч тр / СГУПС - Новосибирск, 2004 - С 41-44

9 Ковалева, О В К вопросу технологии геодезических изысканий железнодорожной трассы с применением современных геодезических приборов / О В. Ковалева, А А Визгин, В С. Редьков // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе сб. науч тр / СГУПС - Новосибирск, 2004 - С 14-17

10 Ковалева, О В Использование GPS геодезической точности для определения деформаций основания / О В Ковалева // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе сб науч тр / СГУПС - Новосибирск, 2004 -С 36-41

11 Визгин, А.А О допустимых расхождениях местных геодезических сетей на путях сообщения / А А Визгин, О В Ковалева // ГЕО-Сибирь-2005 сб материалов междунар научн конгр , 25-29 апр 2005 г / СГГА - Новосибирск, 2005 -С. 135-136

12 Ковалева, О В. Измерительные автоматизированные средства проектирования ремонта железнодорожного пути / О В Ковалева // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири сб науч тр / СГУПС - Новосибирск, 2006. - С 130-134

13 Ковалева, О В Приложение «Профиль-2» как средство создания продольных профилей железных дорог по данным АПК «Профиль» / О В Ковалева // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири сб науч тр / СГУПС - Новосибирск, 2006 - С 127-130

14 Ковалева, О В Применение АПК «Профиль» для натурных проверок продольных профилей железнодорожных путей / OB Ковалева // Вестн СГУПС -2006 -Вып 14-С 218-222

15 Ковалева, О В Разработка специальной геодезической аппаратуры для контроля геометрических параметров рельсовой колеи / OB Ковалева // ГЕО-Сибирь-2007 сб материалов междунар науч конгр, 25-29 апр / СГГА - Новосибирск, 2007 - С 26-30

16 Щербаков, В В Развитие локальных реперных сетей для целей текущего содержания и ремонтов пути / В В Щербаков, О.В Ковалева // ГЕО-Сибирь-2006 сб материалов междунар науч конгр, 25-29 апр / СГГА -Новосибирск, 2006, - С. 75-78

17 Щербаков, В В Разработка координатного способа диагностики рельсовой колеи по геометрическим параметрам / В В Щербаков, О В Ковалева //Вестн СГУПС -2006 -Вып. 14.-С 215-218

18 Щербаков, В В Спутниковые технологии на съемке рельсовой колеи / В В. Щербаков, О В Ковалева // Транспортное строительство - 2006 — № 10 -С 16-18

19 Щербаков, В В Координатный способ определения геометрических параметров железных дорог / В В Щербаков, О В Ковалева // Геодезия и картография.-2007 -№9 - С. 16-18

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ковалева, Ольга Владимировна

Введение.

1. Анализ средств и методов диагностики рельсовой колеи по геометрическим параметрам.

1.1. Назначение диагностики.

1.2. Нормативные требования к контролируемым параметрам.

1.3. Средства и методы определения геометрических параметров рельсовой колеи.

1.3.1. Геодезические методы.

1.3.2. Вагоны-путеизмерители.

1.3.3. Портативные средства.

1.4. Зарубежные средства и методы определения геометрических параметров рельсовой колеи.

1.4.1. Геодезические методы.

1.4.2. Вагоны-путеизмерители.

1.4.3. Портативные средства.

1.5. Анализ средств и методов определения геометрических параметров рельсовой колеи.

2. Теоретическое обоснование и разработка алгоритма определения геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам.

2.1. Хордовые методы определения геометрических параметров.

2.2. Динамические методы.

2.3. Комбинированные методы.

2.4. Координатные методы.

2.5. Координатный метод СГУПС.

3. Разработка измерительного комплекса для определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи.

3.1. Принципиальная схема комплекса.

3.2. Устройство аппаратно-программного комплекса «Профиль».

3.3. Результаты исследований аппаратно-программного комплекса «Профиль».

3.3.1. Исследования точностных характеристик

АПК «Профиль».

3.3.2. Определение наличия связей между геометрическими параметрами рельсовой колеи.

3.3.3. Сравнительные исследования АПК «Профиль» и других портативных средств контроля состояния рельсовой колеи.

3.3.4. Сравнение АПК «Профиль» с типовыми вагонами-путеизмерителями.

3.4. Разработка методики повышения точности измерений за счет коррекции гироскопов.

4. Методика применения АПК «Профиль» при эксплуатационной работе на железных дорогах.

4.1. Методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи.

4.2. Методика определения параметров кривых.

4.3. Методика калибровки вагонов-путеизмерителей.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Автоматизированный координатный способ определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи"

Железные дороги - одна из важнейших государственных инфраструктур путей сообщения. Передвижением по железным дорогам пассажирских и грузовых экипажей осуществляется оборот материальных и финансовых ресурсов. На период до 2020 года Транспортная стратегия Российской Федерации [79] в качестве главных приоритетов предусматривает повышение качества транспортных услуг, эффективности и безопасности на железных дорогах.

С увеличением скорости движения и повышением эффективности железнодорожного транспорта для полной гарантии безопасности движения поездов и сохранении плавности хода, необходимо обеспечить прочность и устойчивость всех элементов железнодорожного пути, в том числе верхнего строения пути. Обеспечение безопасности на железных дорогах - комплексная задача, включающая широкий спектр мероприятий, одним из которых является совершенствование средств и методов измерения геометрических параметров [82]. Существующая система контроля параметров устройства железнодорожного пути в Российской Федерации базируется на использовании вагонов-путеизмерителей различного типа и применении/портативных средств контроля. В основе такой системы лежит контроль состояния железных дорог с высокой периодичностью и строгой регламентацией на всех уровнях управления принятия необходимых мер по предотвращению аварийных ситуаций. Качество и объективность оценки зависит от точности измерений геометрических параметров, привязки данных к линейной координате пути и возможности определения параметров в широком диапазоне частот. Наиболее достоверные данные о состоянии железных дорог можно получать при оценке динамики изменения параметров. Последние модели пу-теизмерителей типа КВЛ-П2.1 [71] позволяют получать погрешности по всем контролируемым параметрам не более 1 мм при рабочей скорости до 120км/ч, что соответствует требованиям нормативных документов. Основным недостатком путеизмерителей КВЛ-П, ЦНИИ, портативных приборов типа ПТ-7МК и других, принцип работы которых основан на методе хорд, являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие выполнять оценку параметров на хордах различной длины. Также к одному из существенных недостатков можно отнести отсутствие единства измерений. Нужно учесть и то, что полученные в процессе измерений данные не могут обрабатываться с использованием современных программных комплексов ГИС, позволяющих в режиме мониторинга выполнять оценку содержания железнодорожного пути с высокой точностью и оперативностью. Основной причиной приведенных недостатков являются относительные измерения на заданной базе (хорде).

Контроль параметров устройства железнодорожного пути на современном уровне возможен при совершенствовании средств и методов измерения геометрических параметров и внедрении в производство работ многофункциональных путеизмерительных устройств, оборудованных новейшими измерительными приборами. Реализация передовых способов измерений и комплексов на их основе позволит получить принципиально новые возможности. Такие комплексы должны устранить недостатки имеющихся устройств, обеспечить определение координат пути в геодезической системе координат, что позволит обеспечить единство измерений. В свою очередь, это дает возможность проведения мониторинга для определения динамики изменения состояния железных дорог. Использование геодезических координат пути позволит выявлять длинные неровности, превышающие стандартную длину базы измерения, определять взаимное положение рельсовых нитей по уровню, в плане, просадки рельсовых нитей и ширину колеи - характерные параметры рельсовой колеи, а также пространственное положение линии.

В последнее время абсолютные измерения координат железнодорожного пути необходимы при производстве кадастровых съемок [51], паспортизации пути и использовании ГИС на железных дорогах [40]. Сейчас определение координат пути и других сооружений на железных дорогах осуществляется, в основном, традиционными методами, а именно: теодолитами и нивелирами, что очень трудоемко и экономически нецелесообразно. Но возможности и точностные характеристики современных измерительных датчиков и вычислительной техники позволяют создавать новые, полностью автоматизированные средства и методы измерений геометрических параметров.

Переход от относительных измерений на базе хорды, равной длине вагона, к измерениям геодезических координат позволит расширить функциональные возможности измерительных средств, повысить точность и использовать ГИС.

Таким образом, разработка новых способов определения пространственного положения и геометрических параметров с использованием геодезических методов, позволяющих значительно расширить функциональные возможности измерительных средств, является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы: разработка и внедрение нового измерительного комплекса, повышающего полноту, достоверность и точность определения пространственного положения и расчета геометрических параметров железнодорожного пути за счет использования автоматизированного координатного метода.

Задачи исследования:

1. Провести анализ существующих методов и средств определения пространственного положения и геометрических параметров и разработать:

- алгоритм определения геодезических координат и расчет по ним геометрических параметров в соответствии с существующими стандартами;

- измерительную систему для определения координат и геометрических параметров рельсовой колеи;

- методику автоматизированного определения пространственного положения, геометрических параметров и оценки параметров кривых.

2. Реализовать разработанные алгоритмы и методики.

3. Исследовать эффективность применения средств и методов определения геометрических параметров и создания продольных профилей по геодезическим координатам.

Объект исследования: железнодорожный путь.

Предмет исследования: геометрические параметры железной дороги.

Теоретическая и методологическая база исследований: поставленные в работе задачи решаются на базе использования математических методов моделирования, математической статистики, сравнительного анализа, теории обработки измерений.

Выполнен анализ работ российских и зарубежных ученых в области разработки измерительных средств диагностики, оценки состояния рельсовой колеи и расчета ее геометрических параметров (В.А. Коугия, С.И. Матвеев,

B.М. Круглов, В .Я. Цветков, М.М. Железнов, А.К. Дюнин, Г.И. Шахунянц, Н.И. Карпущенко, В.В. Щербаков, Т.Г. Яковлева, И.И. Кантор, В.Б. Бредюк и др.), в области спутниковых радионавигационных систем ( Н.А. Телеганов, К.М. Антанович, В.А. Коугия, С.И. Матвеев, А.П. Карпик и др.), в сфере геоинформационных систем на транспорте (С.И. Матвеев, В.А. Коугия, Б.А. Левин, В.М. Круглов, В.Я. Цветков, С.А. Бокарев и др.), в области геодезических наук на железнодорожном транспорте (Г.С. Бронштейн, В.А. Коугия,

C.И. Матвеев, В.Е. Новак, Г.П. Левчук, П.С. Закатов, А.А. Визгин и др.), в сфере математической обработки измерений (В.Д. Большаков, П.А. Гайдаев, А.А. Визгин, Ю.В. Линник, А.Н. Лобанов и др.), библиотечных и электронных ресурсов.

Научная новизиа диссертационной работы:

- разработана методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам;

- разработан алгоритм определения геометрических параметров по геодезическим координатам;

- разработан измерительный комплекс для определения пространственного положения и геометрических параметров.

На защиту выносятся:

- методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам;

- алгоритм определения геометрических параметров по геодезическим координатам;

- измерительный комплекс для определения пространственного положения и геометрических параметров.

Теоретическая значимость работы: разработка принципиально нового подхода к определению геометрических параметров косвенными методами по геодезическим координатам рельсовой колеи.

Практическая значимость работы: внедрение разработанных средств и методов определения геометрических параметров на Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской, Забайкальской железных дорогах филиалах ОАО «РЖД» и Норильской железной дороге, Уральском государственном университете путей сообщения, ОАО «Беловопогрузтранс» и других организациях позволило повысить качество сверки вагонов-путеизмерителей, оценки состояния рельсовой колеи, характеристик кривых и производительность работ при создании продольных профилей. Внедрение разработок на всех этапах позволило автоматизировать процесс сбора, обработки, калибровки данных и получения отчетных материалов.

Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований использованы при проведении следующих научно-исследовательских и производственных работ:

- натурной проверки плана и продольного профиля на 30 железнодорожных станциях Западно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД»;

- натурной проверки плана и продольного профиля на 5 железнодорожных станциях Норильской железной дороги - филиала ОАО «РЖД»;

- паспортизации железнодрожных путей необщего пользования ОАО «Беловопогрузтранс».

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири», Новосибирск, 2002;

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», Новосибирск, 2002;

- региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу», Новосибирск, 2002;

- международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики», Новосибирск, 2003;

- всероссийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации.», Новосибирск, 2003;

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», Новосибирск, 2005;

- международном геодезическом конгрессе «ГЕО-СИБИРЬ - 2006», Новосибирск, 2006;

- международном геодезическом конгрессе «ГЕО-СИБИРЬ - 2007», Новосибирск, 2007.

Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертации изложены в 19 работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка, включающего 94 наименования. Общий объем работы составляет 120 страниц, содержит 32 рисунка, 21 таблицу, 5 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Ковалева, Ольга Владимировна

ЗАКЛЮЧННИЕ.

Разработка новых методик определения пространственного положения и геометрических параметров с использованием геодезических способов, позволяющих значительно расширить функциональные возможности измерительных средств используемых при эксплуатации железных дорог, является актуальной задачей.

Координатное определение положения пути позволяет регламентировать максимальные руководящие уклоны и минимальные радиусы, получать продольный профиль железнодорожной линии, координаты ИССО и зданий, проводить предпроектные обследования, обеспечивать точность отвода земель под полосу отчуждения.

Перед автором диссертации была поставлена цель: разработать средство и методы, повышающие полноту, достоверность и точность определения пространственного положения и расчета геометрических параметров железнодорожного пути за счет использования автоматизированного координатного способа. Для достижения поставленной цели было выполнено следующее:

1. Проведен анализ существующих методов и средств определения пространственного положения и геометрических параметров и разработаны:

- методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам,

- алгоритм определения геодезических координат и расчет по ним геометрических параметров рельсовой колеи в соответствии с существующими стандартами;

- измерительная система для определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи.

2. Реализованы разработанные алгоритмы и методики.

3. Исследована эффективность применения средств и методов определения пространственного положения и геометрических параметров по геодезическим координатам.

Основные научные выводы, которые можно сделать на основе материала, изложенного в диссертационной работе:

1. Разработана методика автоматизированного определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи по геодезическим координатам.

2. Разработан алгоритм определения геодезических координат и расчета по ним геометрических параметров в соответствии с существующими стандартами и опробован на нескольких контрольных участках железнодорожного пути.

3. Разработан измерительный комплекс для определения пространственного положения и геометрических параметров рельсовой колеи.

4. Разработана методика оценки параметров кривых, построения плана и продольного профиля железнодорожного пути.

5. Реализованы разработанные алгоритмы и методики.

6. Выполнены экспериментальные исследования АПК «Профиль», данные исследований показали высокую точность, быстроту и эффективность комплекса при паспортизаии пути и проверке геометрических параметров железных дорог.

7. Опыт использования комплекса при натурной съемке железнодорожных станций, а также паспортизации путей показал более высокую эффективность по сравнению с традиционными технологиями. Себестоимость работ снижается в 2,2 раза, за счет полной автоматизации полевых работ и обработки данных повышается качество и оперативность получения отчетных материалов. АПК «Профиль» является наиболее надежным измерительным средством, обеспечивающим широкий спектр контролируемых параметров в стандартах установленных лезными дорогами

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ковалева, Ольга Владимировна, Новосибирск

1. Анализ способов определения осадок геометрическим нивелированием Текст. / А.А. Визгин и др.// Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе: сб. науч. тр. / СГУПС. Новосибирск, 2004. -С.10-14.

2. Беллманн, Ч. Измерение параметров пути Электронный ресурс. / Ч. Беллманн // Железные дороги мира. 2001. - №5. - Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/zdm/arc.htm.

3. Болгов, И.Ф. О точности инженерно-геодезических работ в строительстве Текст. / И.Ф. Болгов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1971. № 7. - С.130-134.

4. Боронахин, A.M. К вопросу о синтезе путеизмерительных комплексов нового поколения Текст. / A.M. Боронахин, В.И. Гупалов, Н.С. Фи-липеня // Железные дороги мира. 2004. - №8. - С.68-75.

5. Бруннер, Ф.К. Измерение вертикальных перемещений рельсов в пути Электронный ресурс. / Ф.К. Бруннер, Г. Вошиц // Железные дороги мира. 2002. - №3. - Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/zdm/arc.htm.

6. Бусок, К. Бортовая система мониторинга пути Электронный ресурс. / К. Бусок // Железные дороги мира. 2003. - №5. - Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/zdm/arc.htm.

7. Вериго, М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава Текст. / М.Ф. Вериго, А.Я. Коган; под ред. М.Ф. Вериго. М.: Транспорт, 1986. -558с.

8. Визгин, А.А. К вопросу измерений углов и длин линий во всех комбинациях при строительстве и эксплуатации транспортных сооружений

9. Текст. / А.А. Визгин, О.В. Ковалева // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе: сб. науч. тр. / СГУПС. Новосибирск, 2004. - С.7-10.

10. Визгин, А.А. К вопросу уравнивания спутниковых геодезических сетей Текст. / А.А. Визгин, О.В. Ковалева // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе: сб. науч. тр. / СГУПС. Новосибирск, 2004. - С.53-55.

11. Визгин, А.А. О допустимых расхождениях местных геодезических сетей на путях сообщения Текст. / А.А. Визгин, О.В. Ковалева; Сиб. гос. геодез. акад. // ГЕО-Сибирь-2005: сб. материалов науч. конгр., 25-29 апр.2005 г.-Новосибирск,2005.-С. 135-136.

12. Гольдман, В.И. Специальная реперная система Текст. / В.И. Гольдман, JI.A. Сакович, И.Н. Ефремов // Путь и путевое хозяйство. -2001. -№6.-С.12-16.

13. Гупалов,В. И., Мочалов.А. В., Боронахин,А. М. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути Текст. / В.И. Гупалов, А.В. Мочалов, A.M. Боронахин. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. - С.144.

14. Динамический метод мониторинга состояния верхнего строения пути по геометрическим параметрам Текст. / В.В. Щербаков и др.; Сиб. гос. геодез. акад. // ГЕО-Сибирь-2006: сб. материалов науч. конгр., 24-28 апр.2006 г. Новосибирск, 2006. - С. 122-125.

15. Дружинин, М.Ю. Технологические решения Leica Geosystems для строительства и эксплуатации железных дорог Текст. / М.Ю. Дружинин // ГЕОПРОФИ. 2006. - №7. - С.26-30.

16. Ершков, О.П. Вопросы подготовки железнодорожного пути к высоким скоростям движения Текст. /О.П. Ершков // Труды ВНИИ МПС.1959.-Вып. 176.-С. 130.

17. Ершков, О.П. Расчеты железнодорожного пути в кривых и нормы его устройства Текст.: сб. статей / О.П. Ершков. М.: Трансжелдориздат1960. -206с.

18. Железные дороги колеи 1520 мм. Система нормативных документов в строительстве Текст.: строительные нормы и правила Российской Федерации: СНиП 32-01-95 / Минстрой России. М., 1995. - 20с.

19. Железные дороги колеи 1520 мм. Система нормативных документов Министерства путей сообщения Российской Федерации Текст.: строительно-технические нормы Министерства путей сообщения Российской Федерации: СТН Ц-01-95 / МПС РФ. М., 1995. - 86с.

20. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. Система нормативных документов в строительстве Текст.: свод правил по инженерным изысканиям для строительства: СП 11-104-97 / Госстрой Росии. М., 1997.-77с.

21. Инженерно-геодезические изыскания железных и автомобильных дорог Текст.: ведомственные строительные нормы: ВСН 208-89: утв. Мин-трансстроем СССР 26.02.90 / М., 2003. 111с.

22. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Система нормативных документов в строительстве Текст.: строительные нормы и правила Российской Федерации: СНиП 11-02-96 / Минстрой Росии. -М., 1997.-44с.

23. Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов: ЦП-515 Текст. М.: Транспорт, 1999.-46с.

24. Инструкция по текущему содержанию пути: ЦП-774 Текст. / МПС России. М.: Транспорт, 2001. - 223с.

25. Кардаев, МЛ. Геодезия в дорожном строительстве Текст. / М.А. Кардаев, В.А. Величко, Г.Е. Мепуришвили. М.: Недра, 1972. - 143с.

26. Ковалева, О.В. Геодезические измерения во всех комбинациях Текст. / О.В. Ковалева // Сб. материалов LIII междунар. научно-техн. конф. «Современные проблемы геодезии и оптики, посвященной 70-летию СГГА». Новосибирск, 2003. - Ч. 2. - С.253-256.

27. Ковалева, О.В. Измерительные автоматизированные средства проектирования ремонта железнодорожного пути Текст. / О.В. Ковалева // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири: сб. науч. тр. / СГУПС. -Новосибирск, 2006. С.130-134.

28. Ковалева, О.В. Использование GPS геодезической точности для определения деформаций основания Текст. / О.В. Ковалева // Инженерная геодезия и межпредметная интеграция в техническом вузе: сб. науч. тр. / СГУПС. Новосибирск, 2004. - С.36-41.

29. Ковалева, О.В. Координатный способ определения геометрических параметров железных дорог Текст. / О.В. Ковалева, В.В. Щербаков // Геодезия и картография. 2007. - №9. - С.31-33.

30. Ковалева, О.В. Приложение «Профиль-2» как средство создания продольных профилей железных дорог по данным АПК «Профиль» Текст. / О.В. Ковалева // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири: сб. науч. тр. / СГУПС. Новосибирск, 2006. - С.127-130.

31. Ковалева, О.В. Применение АПК «Профиль» для натурных проверок продольных профилей железнодорожных путей Текст. / О.В. Ковалева // Вестн. СГУПС 2006. - Вып. 14 - С.218-222.

32. Комплекс для определения параметров пути Текст. / В.М. Круг-лов и др.// Путь и путевое хозяйство. 2002. - №2. - С.5-7.

33. Коугия, В.А. Геодезические измерения с помощью искусственных спутников Земли Текст. / В.А. Коугия. СПб.: ПГУПС, 1997. - 32с."

34. Коугия, В.А. Геоинформационные системы и технологии на железных дорогах Текст. / В.А. Коугия, С.И. Матвеев, В.Я. Цветков. М.: УМК МПС России, 2002. - 287с.

35. Коугия, В.А. Применение спутниковых методов для создания геодезических сетей мостов Текст. / В.А. Коугия // Вестн. ПГУПС. 2003. -Вып. 1 -С.31-34.

36. Левин, Б.А. Геоинформационная система на железной дороге Текст. / Б.А. Левин, В.А. Коугия, С.И. Матвеев // Геодезистъ. 2002. - №1. -С.8-11.

37. Лукьянов, В.Ф. Расчеты точности инженерно-геодезических работ Текст. / В.Ф. Лукьянов. М.: Недра, 1990. - 251с.

38. Лютц, А.Ф. Геодезия в железнодорожном деле Текст. / А.Ф. Лютц, В.П. Сорокин, Т.С. Финковская. М.: Трансжелдориздат, 1959. - 184с.

39. Лютц, А.Ф. Геодезические работы в путевом хозяйстве Текст. / А.Ф. Лютц, В.П. Сорокин. М.: Геодезиздат, 1962. - 344с.

40. Макс, Л. Измерение параметров пути с привязкой к системе глобального позиционирования Текст. / Л. Макс, Б. Личтбег //Железные дороги мира. 2002. - №7. - С. 63-69.

41. Методика определения возвышения наружного рельса в кривых участках пути Текст. // Путь и путевое хозяйство. 1997. - № 6. - С. 16-19.

42. Методические указания по аттестации специальных участков пути (контрольных тупиков) для настройки и проверки вагонов-путеизмерителей: ЦПО-51/293, утв. 20.12.2001 г. Текст. / ЦП МПС. М., 2001.-46с.

43. Методы и приборы высокоточных геодезических измерений в строительстве Текст. / под ред. В.Д. Большакова. М.: Недра, 1976. - 335с.

44. Методы математической статистики основа безопасной эксплуатации Текст. / В.В. Щербаков и др. // Путь и путевое хозяйство. - 2005. - № 10.-С.6-9.

45. Мишин, В.В. Комплексный показатель состояния геометрии пути Текст. / В.В. Мишин, В.О. Певзнер, Б.Н. Зензинов // Ж.-д. транспорт. Путь и путевое хозяйство: ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. 1999. - Вып. 3. - С. 1 -15.

46. Новак, В.Е., Левчук, Г.П., Лебедев; Н.Н. Прикладная геодезия Текст. / В.Е. Новак, Г.П. Левчук, Н.Н. Лебедев. М.:Недра, 1983. - 400с.'

47. Нормы и правила проектирования отвода земель для железных дорог. Система нормативно-технических документов Министерства путей сообщения Российской Федерации: отраслевые строительные нормы: ОСН 3.02.01-97 Текст. / МПС России. М„ 1997. - 30с.

48. Пат. № 2261302 Российская Федерация RU, МПК7 Е01В35/00. Способ определения пространственных параметров рельсового пути и устройство для его осуществления Текст. /В.В. Щербаков и др.; СГУПС; заявка 2003111110/11; опубл. 27.09.2005.

49. Положение о порядке организации работы и использования информации, получаемой вагонами-путеобследовательскими станциями ЦНИИ-4: ЦПТ-55/17 / ОАО «РЖД» Текст. М.: Академкнига, 2004. - 23с.

50. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации: ЦРБ-756 / МПС РФ Текст. М.: Транспорт, 2002. - 189с.

51. Правила тяговых расчетов для поездной работы: утв. 15.08.80 / МПС/ Текст. М.: Транспорт, 1985. - 287с.

52. Путь на участках скоростного движения поездов. (Опыт работы путейцев Октябрьской железной дороги) Текст. М.: Трансжелдориздат, 1962.-73с.

53. Прихода, А.Г. Автоматизированный способ определения координат геофизических пунктов Текст. / А.Г. Прихода, В.В. Щербаков, Р.А. Бай-калова. Новосибирск, 1981.- 96с.

54. Резницкий, Ф.Е. О создании реперной системы на железных доро-гахТекст. / Ф.Е. Резницкий, Е.Ю. Ерохина, Р.Г. Абраров // Транспортное строительство. -2001. №12. -С.22-24.

55. Руководство по проведению полевых, обследовательских работ и проектированию капитального ремонта железнодорожного пути: утв. 18.01.1990г. МПС СССР. Зцпроект-0-З Текст. М., 1990. - 89с.

56. Руководство по производству геодезических работ в промышленном строительстве Текст. М.: Стройиздат, 1977. - 81с.

57. Руководство по расчету точности геодезических работ в промышленном строительстве Текст. М.: Недра, 1979. - 55с.

58. Руководство по топографической съемке железнодорожных станций и узлов: ГКИНП-02-147-81 Текст. М.: ЦНИИС, 1982. - 88с.

59. Руководство по эксплуатации вагона-путеобследовательской станции ЦНИИ-4МД Текст. М.: ПИК ПРОГРЕСС, 2002. - 53с.

60. Специальная реперная система контроля состояния железнодорожного пути в профиле и плане: технические требования Текст. М.: ВНИИЖТ, 1998.-32с.

61. Справочник геодезиста Текст. / под ред. В.Д. Большакова, Г.П. Левчука. М.: Недра, 1985. - 443с.

62. Справочник по железнодорожному строительству Текст. / под ред. Б.И. Левина. М.:Трансжелдориздат, 1958. - 736с.

63. Справочное руководство по инженерно-геодезическим работам Текст. / под ред. В.Д. Большакова, Г.П. Левчука. М.: Недра, 1980. - 782с.

64. Стадников, В.В., Воронин А.В., Шпилевой,А.А. Геоинформационные технологии на железной дороге Текст. / В.В. Стадников, А.В., Воронин, А.А. Шпилевой // ARCREVIEW. Современные геоинформационные технологии. 2003 -№ 1 [24] - С.8.

65. Строительно-путейское дело в России XX века Текст. / под ред. И.И. Кантора. М.: УМК МПС России, 2001. - 275с.

66. Сытник, B.C. Определение точности геодезических разбивок при строительстве промышленных зданий и сооружений Текст. / B.C. Сытник // Промышленное строительство. 1969. - №9. - С.45-46.

67. ТВЕМА Текст.-М., 2001.-30с.

68. Технические указания по определению и использованию характеристик устройства и состояния пути, получаемых вагонами-путеизмерителями системы ЦНИИ-4 Текст. / Департамент пути и сооружений МПС РФ М., 1998. - 41с.

69. Технические указания по определению и использованию характеристик устройства и состояния пути, получаемых вагонами-путеобследовательскими станциями ЦНИИ-4: ЦПТ-55/15 Текст. / ОАО «РЖД». М.: Академкнига, 2004. - 112с.

70. Технические указания по проверке плана и продольного профиля железнодорожного пути: утв. МПС СССР в 1978 г. Текст. / МПС СССР. -М.: Транспорт, 1978. 16с.

71. Технические указания по проектированию профиля, плана и размещению раздельных пунктов Текст. / ВНИИ Транспорт, стр-ва. М., 1959. - 154с.

72. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути Текст. / МПС России. М.: Транспорт, 2000. -96с.

73. Технические условия на работы по ремонту и планово-предупредительной выправке пути: ЦПТ 53: утв. 30.09.2003 г. Текст. / ОАО «РЖД». - М.: Академкнига, 2004. - 182с.

74. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года Текст. / Министерство транспорта Российской Федерации. М., 2005. -78с.

75. Узава, Е., Такеши?К. Измерение неровностей пути инерциальным методом смещения в середине хорды Электронный ресурс. / Е. Узава, К. Та-кеши // Железные дороги мира. 2004. - №8. - Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/zdm/arc.htm

76. Ускоренные способы определения деформаций сооружений Текст. / Визгин А.А. и др. // Материалы докл. регионал. научно-практ. конф. «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу». Новосибирск, 2002. - С. 374-376.

77. Устройство железнодорожного пути Текст. / под ред. Г.Н. Веде-нисова; сост. Г.М. Шахунянц. Т. III. М.: Трансжелдориздат, 1944. - 484с.

78. Ханиг, В. Путеизмерительный вагон ЕМ250 Электронный ресурс. / В. Ханиг // Железные дороги мира. 2005. - №8. - Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/zdm/arc.htm.

79. Щербаков, В.В. Разработка координатного способа диагностики рельсовой колеи по геометрическим параметрам Текст. /В.В. Щербаков, О.В. Ковалева // Вестн. СГУПС. 2006. - Вып. 14. - С.215-218.

80. Щербаков, В.В. Спутниковые технологии на съемке рельсовой колеи Текст. / В.В. Щербаков, О.В. Ковалева // Транспортное строительство. -2006. №10. - С.16-18.

81. Щербаков, В.В. О точности определения координат точек местности топопривязчиком Текст. / В.В. Щербаков // Геодезия и картография. -1987. -№4.-С.15-18.

82. Щибел, Г. Измерительный подвижной состав нового поколения Электронный ресурс. / Г. Щибел // Железные дороги мира. 2002. - №3. -Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/zdm/arc.htm.

83. GPS World Receiver Survey // GPS World. 2003a. - V14. - №1. -P.34-51.

84. GPS World Antenna Survey // GPS World. 2003b. - V14.№2. -P.36-43.

85. GPS World Receiver Survey // GPS World. 2004. - V15. - №1. -P.32-51.

86. Hofmann-Wellenhof, B. Global Positioning System. Theory and practice. Fifth, revised edition / New York: Springer. 2001. - 384p.

87. Rizos, C. Principles and practice of GPS Surveying электронный ресурс. / С. Rizos. Version 1.1, September 1999. - Режим доступа: http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps survey/.

88. Leick, A. GPS Satellite Surveying / A. Leick. New York: A Willey-Interescience Publication. - 1995. - 560p.