Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием геоинформационных систем

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием геоинформационных систем"

На правах рукописи

Конкин Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА ДОРОГ И ДОРОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

25.00.35 -«Геоинформатика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения и ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент,

Щербаков Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, \

Масленников Александр Сергеевич

кандидат технических наук, Железное Максим Максимович

Ведущая организация - ЗАО «Сибирский научно-исследовательский институт транспортного строительства» (СибЦНИИТС)

Защита состоится 22 декабря 2005 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д218.005. И при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 15, МИИТ, ауд.1235.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИИТа.

Автореферат разослан_ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Быков Ю.А.

200&-4 1 %0>7Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Согласно транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года «...Повышение качества транспортных услуг, эффективности и безопасности транспортного процесса обеспечивается применением современных информационных и телекоммуникационных технологий...».

Железные и автомобильные дороги являются важнейшей инфраструктурой любого государства. Это сложные и дорогостоящие технические сооружения, обладающие набором параметров, напрямую влияющих на их долговечность и безопасность эксплуатации. При всем богатстве методов оценки и контроля этих параметров их можно условно разделить на две группы: статические и динамические.

Для современных технологий управления дорогами, повышения безопасности движения, уменьшения транспортных издержек требуются точные и объективные данные, которые могут быть получены только в результате внедрения динамических методов оценки технического состояния линейных объектов, основанных на регулярном мониторинге объектов управления.

Однако существующие технологии мониторинга железных и автомобильных дорог и средства измерений (вагоны-путеизмерители, дорожные лаборатории) не отвечают современным требованиям по качеству, оперативности и объемам собираемой информации. Кроме того, не решены проблемы обеспечения единства измерений, эффективной обработки данных с использованием статистических методов, методологии интерпретации и применения результатов.

Поэтому разработка новых технологий сбора данных о дорогах и дорожных объектах и современных средств их обработки в режиме мониторинга являются актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка комплексной технологии мониторинга дорог и дорожных объектов, основанной на современных методах получения, обработки, анализа и представления пространственных данных, для принятия более обоснованных решений и повышения безопасности движения на железных и автомобильных дорогах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ существующих методов мониторинга дорожных объектов, тенденций развития информационных технологий и методов сбора и обработки данных о дорогах и дорожных объектах;

2) разработать:

- методику обеспечения единства измерений данных о дорогах и дорожных объектах;

- систему классификации и кодирования информации о дорожных объектах;

- структуру эффективной организации динамических пространственных данных в ГИС;

- методику автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах из различных источников:

- методику автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1пГо/АгсУ!е\у по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;

- методику и алгоритмы оценки точности цифровой модели дорог ГИС;

- методику статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС;

- форматы обмена данных ГИС с другими информационными системами;

3) реализовать разработанные алгоритмы и методики в виде программного обеспечения для сбора и обработки данных;

4) разработать средства наглядного представления результатов мониторинга и методику передачи данных в издательские системы;

5) исследовать эффективность применения технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС для принятия более обоснованных решений при эксплуатации железных и автомобильных дорог и повышения безопасности движения.

Объектом исследования являются эксплуатационные параметры железных и автомобильных дорог.

Предмет исследования - технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.

Теоретическая и методологическая база исследования. Поставленные в работе задачи решаются на базе использования теории обработки измерений, математической статистики, математических методов моделирования, геоинформационных технологий, картографических методов исследования.

Произведен анализ работ российских и зарубежных ученых в сфере геоинформатики (A.B. Кошкарева, B.C. Тикунова, A.M. Берлянта, Ю.К. Королева, С.И. Матвеева, В.Я. Цветкова, Л. Джордана, М.Н. Де Мерса и др.); в сфере геоинформационных систем на транспорте (В.М. Круглова, С.И. Матвеева, В.Я. Цветкова, Ю.К. Королева, С.А. Бокарева, В.Н. Бойкова, С.П. Крысина, A.B. Скворцова, П.И. Поспелова и др.); в сфере математической обработки измерений (В.Д. Большакова, П.А. Гайдаева, Ю.И. Маркузе, Е.Г. Бойко, В.В. Голубева, А.Н. Лобанова, E.H. Львовского и др.); в сфере геодезического обеспечения мониторинга дорог (В.В. Щербакова, С.И. Матвеева, А.П. Карлика, В.А. Коугии, М.М. Железнова и др.) библиотечных и электронных ресурсов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1) разработана методика обеспечения единства измерений при мониторинге протяженных линейных сооружений;

2) разработана система классификации и кодирования информации о дорожных объектах;

3) разработана структура организации динамических пространственных данных в ГИС;

4) разработана методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;

5) разработана методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС ArcInfo/ArcView по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;

6) разработана методика и алгоритмы оценки точности цифровой модели дорог в ГИС;

7) разработана методика статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС;

8) разработана методика оценки наиболее вероятных значений геометрических параметров рельсовой колеи на эталонных участках;

9) разработана методика создания картографических материалов в ГИС для передачи их в издательские системы;

10) разработана технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.

На защиту выносятся:

1) методика обеспечения единства измерений при мониторинге протяженных линейных сооружений;

2) методика статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС;

3) методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1п:{Ь/АгсУ1еиг по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;

4) методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;

5) технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием

ГИС.

Теоретическая значимость работы. Теоретическое значение диссертации заключается в выработке комплексного подхода к сбору, хранению и анализу данных о дорогах и дорожных объектах с целью их мониторинга, а также в предложенных алгоритмах статистической обработки данных.

Практическая значимость работы. Внедрение разработанной в диссертации технологии позволило модернизировать ГИС автомобильных дорог Новосибирской области в части обновления пространственной информации о дорогах и построении на её основе новой структуры организации данных - системы калиброванных маршрутов, автоматизировать заполнение баз данных об автомобильных дорогах Новосибирской области и Республики Алтай по результатам паспортизации.

Мониторинг геометрических параметров рельсовой колеи позволил определить наиболее вероятные значения геометрических параметров рельсовой колеи на 44 участках Западно-Сибирской и 19 участках Красноярской железной дороги, что позволяет выявлять и исключать систематические погрешности вагонов-путеизмерителей и тем самым качественно повысить уровень диагностики железнодорожного пути с минимальными затратами.

Созданное программное обеспечение может использоваться и в других прикладных науках, где есть потребность в обработке и расчете геометрических параметров линейных объектов.

Изданные атласы, настенные и раскладные карты являются информационной основой при планировании и принятии обоснованных решений.

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

1) для модернизации ГИС автомобильных дорог Новосибирской области и при решении ряда задач в ГИС в ОГУ «ТУАД Новосибирской области»;

2) для создания ГИС автомобильных дорог Республики Алтай в РУАД «Горноалтайавтодор»;

3) для обработки данных паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог Новосибирской области и Республики Алтай;

4) для мониторинга геометрических параметров рельсовой колеи на Западно-Сибирской железной дороге (ЗСЖД);

5) для оценки математических ожиданий на эталонных участках ЗападноСибирской и Красноярской железной дороги;

6) для построения продольного профиля пути станций ЗСЖД;

7) для построения продольного профиля главного пути участка «Бейнеу-Мангышлак-Узень» республики Казахстан.

Разработанное в диссертационной работе методическое, алгоритмическое и программное обеспечение используется в лаборатории диагностики дорожных одежд и земляного полотна НИДЦ СГУПС, в ОГУ «ТУАД Новосибирской облас-

ти», в РУАД «Горноалтайавтодор», в подразделениях ЗСЖД, Красноярской, Восточно-Сибирской, Свердловской железной дороги, в учебном процессе СГУПС.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены и получили одобрение: на Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» в 1994, 1996 гг. (г. Новосибирск), на научно-технических конференциях преподавателей СГТА «Современные проблемы геодезии и оптики» в 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 гг. (г. Новосибирск), на международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики» в 1998г. (г. Новосибирск), на всероссийской учебно-технологической конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации» в 1999г. (г. Москва), на международных выставках-конференциях «Сибирская Ярмарка» в 1999 и 2000 гг. (г. Новосибирск), на второй Дальневосточной региональной конференции «Геоинформационные и кадастровые технологии в управлении территориями и городами» в 1999 г. (г. Находка), на международной конференции пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS в России и странах СНГ в 1999 г. (г. Москва - г. Голицыно), на научно-технической конференции «Геомониторинг на основе современных технологий сбора и обработки информации» в 1999 г. (г. Новосибирск), на семинаре «Эффективность применения информационных технологий для управления дорожным хозяйством, автомобильными перевозками и дорожным движением» в 2000 г. (г. Москва - г. Тверь), на научно-практической конференции «ГИС-технологии в решении задач управления дорожным хозяйством территорий: пути решения, обмен опытом, перспективы» в 2000 г. (г. Красноярск), на региональной научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ» в 2002 г. (г. Новосибирск), на международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005» в 2005 г. (г. Новосибирск).

Результаты исследований по теме диссертации отмечены: большой золотой медалью Сибирской ярмарки за разработку актуальных программ по внедрению геоинформационных технологий, современных материалов и образцов дорожной техники в дорожном комплексе Новосибирской области в 1999 г. (г. Новосибирск), большой золотой медалью Сибирской ярмарки за разработку геоинформационной

системы автомобильных дорог Новосибирской области в 1999 г. (г. Новосибирск), 1-м местом в конкурсе по номинации «Лучший доклад» на 5-й международной конференции пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS в России и странах СНГ в 1999 г. (г. Москва), дипломами Сибирской ярмарки в 1999 и 2000 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ (10 - без соавторов).

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографии и приложений. Общий объем работы составляет 128 страниц печатного текста, 11 таблиц, 31 рисунок, 65 пунктов библиографии и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дана общая постановка проблемы, обоснована её актуальность, сформулированы цели и основные задачи исследований.

В первом разделе «Анализ современных методов и технологических решений накопления и обработки информации о дорогах и дорожных объектах в режиме мониторинга» рассмотрены существующие технологии обработки и накопления информации о дорогах и дорожных объектах и потребность в этих технологиях при решении транспортных задач.

Анализ мировых современных технологий определения и контроля параметров железных и автомобильных дорог показывает, что наиболее актуальны комплексные решения, позволяющие производить регулярный мониторинг объектов наблюдения. В Германии, США, Канаде, Нидерландах, Великобритании, Швейцарии, Австралии, ЮАР, Японии, Индии, Китае и прочих странах мира активно внедряются системы получения и обработки данных в режиме мониторинга. В нашей стране внедрение технологий мониторинга эксплуатационных параметров железных и автомобильных дорог ограничено следующими причинами:

1) На российских железных дорогах измерения параметров рельсовой колеи проводят в режиме мониторинга, а оценка её технического состояния в статическом режиме. Такой подход обеспечивает лишь общую оценку качества содержания рельсовой колеи, а не объективный анализ ей технического состояния. Кроме того,

нельзя спрогнозировать изменения определяемых параметров, их устойчивость, т.е. данные, полученные в таком временном срезе не обеспечивают полноту и достоверность информации о состоянии инженерного сооружения;

2) Линейная система координат и отсутствие жесткой координатной привязки определяемых параметров не позволяет внедрять статистические методы контроля пути (как, например в Японии). Технологии и точность средств получения данных также не способствуют обработке данных в режиме мониторинга.

3) Для анализа в ГИС данных, определенных в линейной системе координат , V требуются специальные подходы, методы и структуры данных.

4) Существующие методы сбора данных об объектах автомобильных дорог (паспортизация, диагностика, инвентаризация, кадастровые работы) являются независимыми друг от друга, а их результаты не могут использоваться при мониторинге по причине отсутствия единой системы измерений.

Во втором разделе «Обеспечение единства измерений при мониторинге протяженных линейных объектов» рассмотрены методика обеспечения единства измерений при мониторинге протяженных линейных сооружений и методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1пйэ/АгсУ1е\у по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог.

Одним из главных условий проведения мониторинга является обеспечение единства измерений для сравнения разнородных данных. При существующих требованиях проведении диагностики железных и автомобильных дорог (ЦГТ-515 и ВСН 6-90), сравнивать результаты измерений между собой нет необходимости по причине использования бальных оценок. Бальные оценки состояния железных и автомобильных дорог выполняются только по отношению к действующим нормативным показателям и представляют собой «допуск» и величину (степень) отклонения от допуска.

Метод бальных оценок при проведении мониторинга не может обеспечить объективной картины состояния объектов, поэтому необходимы альтернативные способы оценки технического состояния линейных объектов, например динамиче-

ские методы.

Для внедрения динамических методов необходимо обеспечить единство измерений для различных технических средств и повысить их точность.

Для обеспечения единства измерений для различных технических средств при мониторинге протяженных линейных сооружений была разработана методика включающая:

1) Расчет допустимой точности координатной привязки, вычисляемая на основании динамики изменения каждого параметра в течение цикла измерений.

2) Выбор абсолютной системы координат, к которой приводятся все измерения. Абсолютная система координат задается либо системой характерных точек, либо корреляционным методом.

3) Анализ динамики изменения параметров, который позволяет определять ошибки проектирования, прогноз и планирование работ по содержанию.

В рамках данной технологии приведение к единой системе координат происходит при помощи системы калиброванных маршрутов в ГИС Агс1пй)/АгсУ1е\у.

Калиброванным маршрутом называется особый линейный слой (тема) имеющий начало, конец, направление движения и координаты характерных точек в линейной и пространственной системах координат (рисунок 1).

Преимущества мониторинга дорог с использованием системы калиброванных маршрутов в Агс1пй>/Агс\Пеуу заключаются в следующем:

1) Возможность применять геоинформационные методы анализа к уже существующим базам данных, в том числе удаленным.

2) Выдавать информацию в любой требуемой форме: службе эксплуатации в линейной системе координат, для целей проектирования в пространственных координатах, для целей кадастра в специальной системе координат и т.д.

3) Сохранение традиционных технологии сбора данных о дорогах и дорожных объектах.

4) При построении системы калиброванных маршрутов автоматически создаются новые модели данных - маршрутные сети, что позволяет решать специальные транспортные задачи, такие как маршрутизация, аллокация и геокодирование.

Конец маршрута №2 Коней маршрут» X« I

Рисунок 1 - Система калиброванных маршрутов

Процесс построение сети калиброванных маршрутов для сети автомобильных дорог, на практике ограничен по следующим причинам:

1) Сложность обеспечения единства измерений объектов слоя автодорог в ГИС с линейной системой координат паспорта дороги, вызванная тем, что паспорт автомобильной дороги, как правило, создается независимо от модели пространственных данных (МПД) ГИС и имеет разную кодировку.

2) Необходимость наличия большого объема дополнительных данных;

3) Сложность обеспечения сетевой топологии;

4) Низкий уровень автоматизации построения калиброванных маршрутов, так как каждый этап выполняется экспертным методом.

Для решения этих проблем разработана методика автоматизированного построения системы калиброванных маршрутов по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок автодорог. Для этого были внесены изменения

в техническое задание на паспортизацию и инвентаризацию автомобильных дорог, заключающиеся в необходимости определения координат начала, кониа дороги и пикетажных точек. С учетом того, что данные точки используются также и д ля непосредственного создания паспорта дороги, дополнительные требования не вызвали увеличения стоимости работ. Кроме изменения технического задания была модернизирована методика обработки данных, полученных спутниковыми навигационными системами (СНС), и написано специальное программное обеспечение.

Ключевыми моментами разработанной методики являются:

1) Закрепление начала и конца автомобильной дороги. На каждую автомобильную дорогу составляется акт закрепления, и тем самым исключаются возможные расхождения начальной привязки для разных видов работ.

2) Кодирование узловых точек маршрутной сети, что позволяет автоматизировать процесс построения калиброванных маршрутов.

3) Назначение фактических пикетажных значений узловым точкам маршрутной сети исключает расхождение пикетных значений паспорта и МПД ГИС.

4) Создание топологических отношений между маршрутами на этапе создания паспорта дороги. Общие точки нескольких маршрутов согласуются между собой.

5) Автоматизированное построение системы калиброванных маршрутов с использованием специально разработанного программного обеспечения.

В третьем разделе «Автоматизированное заполнение и обновление баз данных о дорогах и дорожных объектах» представлена комплексная технология паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог, методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах и результаты оценки точности слоя дорог в МПД ГИС автомобильных дорог Новосибирской области (ГИС АД НСО).

Эффективный мониторинг невозможен без современных информационных технологий, автоматизирующих процессы сбора, анализа и представления данных. При этом должен соблюдаться комплексный подход в рамках единой технологии на всех этапах полевых и камеральных работ, включающий выбор технических и про-

граммных средств, обеспечение единства измерений, методику обработки данных, форму представления и передачи результатов заказчику. Разработанная совместно ОГУ ТУ АД НСО и НИДЦ СГУПС при непосредственном участии автора комплексная технология паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог зарекомендовала себя как высокотехнологичная, эффективная и малозатратная технология, обеспечивающая высокую точность и контроль информации. Основные этапы данной технологии приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Комплексная технология паспортизации и инвентаризации I

автомобильных дорог

В основе камеральных работ по данной технологии и передачи материалов заказчику в требуемом виде лежит разработанная методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах, заключающаяся в следующем:

1) Определение координат оси дороги и пикетажных точек. Пикетажные точки кодируются в соответствии с разработанным классификатором.

2) Построение линейной топологии координат оси дороги.

14

3) Вычисление геометрических параметров дороги и линейных координат контрольных точек.

4) Обеспечение единства координатных систем цифровой модели дороги и линейного графика автомобильной дороги.

5) Автоматизированное построение или обновление объектов линейного слоя «Автомобильные дороги» ГИС по координатам оси дороги и пикетажных точек.

6) Использование программы-буфера, для унификации представления семантических данных в открытом формате.

7) Автоматизированное заполнение семантических баз данных, конвертацией из открытого формата.

На всех этапах методики используется специально разработанное программное обеспечение, в частности программный комплекс «Геомастер». После обновления МПД ГИС АД НСО была оценена точность существующей МПД ГИС АД НСО.

Представление железных и автомобильных дорог в ГИС и СУБД принципиально не различается, поэтому методика применима и для железных дорог.

В четвертом разделе «Применение технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС ArcInfo/ArcView для решения практических задач» изложены результаты научно-исследовательских и прикладных работ, выполненных по разработанной технологии мониторинга и созданному программному обеспечению: мониторинг автомобильных дорог и дорожных объектов в ГИС АД НСО, мониторинг геометрических параметров рельсовой колеи и мониторинг контрольных участков железнодорожного пути.

Географическая информационная система автомобильных дорог Новосибирской области (ГИС АД НСО) начала создаваться в 1996 г. на базе цифровых карт масштаба 1:200 ООО и изначально была ориентирована на функции хранения и распечатки карт и схем. С 1999 года при непосредственном участии автора система была модернизирована для решения задач мониторинга дорожных объектов и решения аналитических задач и в настоящее время представляет собой гибридную модель из СУБД DB2 8.1 и ГИС-оболочек Arclnfo, Arc View и ArcGIS 8.

Геомониторинговые функции ГИС АД НСО обеспечиваются системой калиброванных маршрутов. Процесс формирования точечного или линейного слоя в ГИС Агс1пй>/АгсУ1е\у из таблицы СУБД или произвольной таблицы происходит методом динамической сегментации. При изменении информации в источниках данных обновление пространственной информации об объектах в МПД ГИС АД НСО происходит автоматически. Временные срезы состояния объектов позволяют проследить их динамику, выявить тенденции развития -интересующих характеристик, решение аналитических задач и планирование. На рисунке 3 представлена обобщенная схема мониторинга дорог и дорожных объектов в ГИС АД НСО.

БАЗА СЕМАНТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ГИС (СУБД)

Электронный паспорт дороги

БАЗА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ ГИС

Прочие данные о дорогах

ВНЕШНИЕ ДАННЫЕ

Модель пространственных данных ГИС (цифровая карта)

Систем» калиброванных маршрутов

Мониторинг дорог и дорожных объектов, основанный на методе динамической сегментации

Текущее состояние объектов

Планирование и прогноз

Решение аналитических задач

Решение сетевых и транспортных задач

Статистические исследования

Картографический мониторинг

Интерфейс пользователя

Просмотр Печать

Передача в другие системы

1Мепм1

Рисунок 3 - Схема мониторинга дорог и дорожных объектов в ГИС АД НСО Для целей картографического мониторинга автомобильных дорог и дорожных объектов разработана методика создания картографических материалов в ГИС для передачи их в издательские системы, что позволило издать полиграфическим

способом 4 тиража атласа автомобильных дорог Новосибирской области, серию настенных карт и буклетов о состоянии сети автодорог Новосибирской области.

Мониторинг геометрических параметров рельсовой колеи был выполнен в 2001 - 2003 тт. на экспериментальном участке (ст. Обь) протяженностью 800 метров и двух эталонных участках 600м. и 500м. с целью исследования точности определения геометрических параметров рельсовой колеи различными средствами измерений. Экспериментальный участок включал две кривые и прямую вставку. При мониторинге использованы вагоны-путеизмерители, АПК-СГУПС и традиционные (ручные) методы.

Для мониторинга параметров рельсовой колеи были разработаны:

1) методика получения значений параметров с бумажных лент в единой системе измерений, которая включает в себя следующие процессы: оцифровка бумажных лент; устранение деформаций; совмещение начал координат каждой ленты с началом выбранной системы координат; линейное и нелинейное масштабирование по осям X и У; приведение всех данных в единую систему координат; получение значений параметров в каждой дискретной точке.

2) программные модули для приведения в единую систему измерений «Мониторинг пути» и «Оцифровка», алгоритмы которых основаны на специфических функциях ГИС Агс1п(о/АгсУ1'е\у.

Далее полученные значения параметров рельсовой колеи в каждой дискретной точке обрабатывались статистическими методами для оценивания показателей.

Средние погрешности определения параметров приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Погрешности определения геометрических параметров

Параметр рельсовой Данные вагонов Данные АПК Ручная съемка

колеи (мм) (мм) (мм)

Просадка 3,0 1,5 2,5

Ширина колеи (шаблон) 3,0 3,0 2,0

План (рихтовка) 4,0 3,0 4,0

Возвышение (уровень) 4,0 1,0 3,0

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы: 1) разность значений отдельных геометрических параметров, полученных

различными вагонами-путеизмерителями, достигает 10мм;

2) ошибка определения величины параметра зачастую превышает само значение параметра;

3) исключение систематических погрешностей измерений параметров рельсовой колеи вагонами-путеизмерителями является необходимым требованием при проведении мониторинга параметров рельсовой колеи;

4) параметры рельсовой колеи при воздействии* динамических нагрузок сохраняют стабильным среднее значение на фиксированном участке.

На основании этих исследований было предложено создавать эталонные базисы, для калибровки измерительных средств, их метрологической аттестации, и определения систематических ошибок по следующей методике:

1) выбор контрольных участков, отвечающих определенным требованиям;

2) сбор информации с вагонов-путеизмерителей;

3) приведение в параметров рельсовой колеи в единую систему измерений, в соответствии с разработанной методикой:

4) оценка математического ожидания (МО) параметров для каждого (/-тового) прохода вагона-путеизмерителя по следующей формуле:

где р1 - значение параметра в каждой точке единичного приращения пути, к- количество точек, в которых определяется значение параметра, вычисляемое по формуле:

где Б - длина контрольного участка,

Ь - заданный интервал пути (отрезок единичного приращения пути); 5) определение наиболее вероятного значения (НВЗ) параметра для каждого контрольного участка по формуле:

(1)

I

(2)

где п - количество циклов измерений (число путеизмерительных лент);

6) вычисление систематической составляющей погрешности вагона-путеизмерителя по каждому параметру рельсовой колеи по формуле:

Д/(с) = Д-Д/ (4)

7) калибровка вагона-путеизмерителя;

8) метрологическая оценка состояния вагона-путеизмерителя.

По разработанной методике в 2002-2004 гг. выполнена оценка математических ожиданий параметров рельсовой колеи (шаблона и уровня) на 44 контрольных участках Западно-Сибирской железной дороги и 19 участках Красноярской железной дороги, для оценки фактического состояния пути согласно указанию МПС № С-6672 от 05.07.03. Контрольные участки расположены на расстоянии от 2 до 5 км от места отправления вагона-путеизмерителя, что позволяет в начале рабочей смены проверить достоверность записи параметров рельсовой колеи при сравнении с НВЗ на данном участке, и своевременно настроить измерительную аппаратуру. Для всех контрольных участков найдены НВЗ по шаблону и уровню и составлена база данных, позволяющая отследить динамику изменения параметров рельсовой колеи.

Отклонение фактических данных, снимаемых вагоном-путеизмерителем, от НВЗ параметра на данном контрольном участке включает:

1) систематические погрешности определения геометрических параметров вагоном-путеизмерителем;

2) изменения геометрических параметров рельсовой колеи с течением времени (расстройство пути).

Первую составляющую на дискретный момент времени можно считать величиной постоянной, поэтому если на небольшом промежутке времени присутствуют измерения на нескольких контрольных участках, то её вычисляют по формуле(4).

Вторая составляющая отклонения возникает вследствие естественных процессов при эксплуатации пути. Характер изменений пути, малопредсказуем и прогнозировать его динамику крайне сложно. Для определения взаимосвязей между НВЗ каждого параметра рельсовой колеи, вагоном-путеизмерителем, датой наблюдений (число дней с начала года), месяцем года и отклонением МО параметров от

НВЗ на контрольном участке использовался корелляционный анализ. В таблице 2 приведены корреляции параметров, а жирным выделены значимые параметры. Таблица 2 - Корреляции параметров

Параметры Вагон Дней с начала года Месяц года А/ шаблон А/ уровень А/(с) шаблон А/(с) уровень

Вагой 1

Дней с начала года -0,007 1

Месяц года -0,059 -0,134 1

А/ шаблон -0,077 -0,367 -0,13« 1

А/ уровень 0,293 0,002 -0,008 0,157 1

А ¡{с) шаблон 0,084 -0,347 -0,245 0,710 -0,001 1

А ¡(с) уровень -0,095 -0,018 -0,002 -0,002 0,448 -0,003 1

Мониторинг точек железнодорожной насыпи выполнен с целью выявления их движения и его влияния на определение НВЗ параметров рельсовой колеи. Для этого выбраны несколько точек, представляющих наиболее типичные участки железнодорожного пути: насыпь, выемку, остановочную платформу, границу насыпи и выемки, устой моста. В таблице 3 представлены максимальные значения смещения точек от первоначального положения и средние значения скорости смещения.

Таблица 3 - Максимальные значения и средние скорости смещения точек

Максимальное значение смеще-

Точки ния от первоначального положе- Средние скорости смещения, мм/месяц

ния, мм

ДХ ДУ Дв ДН ДХ/мес ДУ/мес ДБ/мес ДН/мес

Насыпь -28,0 -12,0 30,1 25,0 -4,1 -5,9 7,9 4,1

Выемка -10,0 6,0 ид 16,0 -0,8 -0,4 2,3 -0,7

Платформа -15,0 -7,0 15,0 -25,0 -3,2 -2,0 4,3 1,2

Граница насыпи -32,0 -76,0 41,2 -44,0 -2,6 -4,8 6,9 -6,5

и выемки

Среднее значение -2,7 -33 5,4 -0,5

Где ДХ, ДУ, ДН - смещение координат, ДБ - линейное смещение в плане

Анализ таблицы 3 показывает, что смещение точек насыпи железнодорожного пути может достигать значительных величин; скорость движения точек насыпи неравномерна во времени; величина и направление смещения точек на разных участках насыпи значительно отличаются между собой; характер движения точек на-

сыпи в плане и по высоте идентичен, однако количественные значения различаются.

По результатам мониторинга геометрических параметров рельсовой колеи на контрольных участках и последующего анализа сделаны выводы:

1) НВЗ геометрических параметров рельсовой колеи контрольного участка -величины непостоянные и изменяются в связи с расстройством пути;

2) изменения НВЗ параметров имеют корреляцию со временем года, значимую у шаблона и незначимую у уровня;

3) для надежного определения НВЗ геометрических параметров рельсовой колеи контрольных участков на конкретную дату необходимо производить регулярный мониторинг этих участков или выявит!» регрессионные зависимости между НВЗ параметра и временем наблюдений;

4) При определении НВЗ геометрических параметров рельсовой колеи необходимо учитывать собственное движение точек насыпи.

В заключении представлены основные результаты теоретических, методических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе:

1) разработана методика обеспечения единства измерений параметров дорог, выполненных в различных условиях и различными приборами, основанная на возможностях геоинформационной системы Агс1п(о/Агс\Ле1* и методах математической статистики;

2) разработана методика статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС;

3) модернизирована геоинформационная система автомобильных дорог Новосибирской области. Для данной ГИС создана система классификации информации, разработана структура динамических пространственных данных, оценена точность МПД, реализован интерфейс с другими информационными системами;

4) разработана методика автоматизированного наполнения и обновления базы данных ГИС, баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;

5) разработана методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1пГо/АгсУ1е\у по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог. Это позволяет производить полно-

ценный геомониторинг дорог и дорожных объектов с использованием популярного программного обеспечения, в удаленных базах данных, в относительных системах координат, с меньшими затратами по сравнению с существующими технологиями;

6) предложенные алгоритмы и методики реализованы в виде программного обеспечения, позволяющего выполнять как мониторинг дорог и дорожных объектов, так и обработку данных инструментальных съемок линейных объектов, и расчет их геометрических параметров;

7) разработаны средства наглядного представления результатов мониторинга дорог и методика передачи данных в издательские системы, что позволило создать на новом качественном уровне целый ряд производственных отчетов и подготовить к изданию серию картографических материалов; настенные карты, атласы, буклеты;

8) разработана методика оценки НВЗ геометрических параметров рельсовой колеи на эталонных участках. По данной методике оценены НВЗ на 44 эталонных участках ЗСЖД и 19 участках Красноярской железной дороги;

9) разработанная технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС позволила выполнить ряд научно-практических и производственных работ;

10) в результате проведенных исследований, разработана технология мониторинга железных и автомобильных дорог, основанная на комплексном использовании универсальных методов обеспечения единства измерений, математической статистики и геоинформационных систем.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, из них наиболее значимыми являются:

1) Конкин A.B. Анализ данных в ГИС // Современные проблемы геодезии и оптики. XLVIII научно-техническая конференция преподавателей СГГА, 13-24 апреля 1998 г. Тезисы докл. / Новосибирск: СГГА,1998.

2) Казаков А.Г., Конкин A.B., Хорев А.Г. и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Атлас автомобильных дорог. Издание 2-е / Новосибирск:

Harmens, 1998.-98 с.

3) Конкин A.B. ГИС автомобильных дорог Новосибирской области // Проблемы ввода и обновления пространственной информации. IV всероссийская учебно-технологическая конференция, 22-26 февраля 1999 г. Тезисы докл. / Москва: ГИС-Ассоциация, 1999.

4) Конкин A.B., Казаков А.Г., Жидов В.М., и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Раскладная карта / Новосибирск: 1998.

5) Конкин A.B. ГИС ТУ АД Новосибирской области // Геоинформационные и кадастровые технологии в управлении территориями и городами. Вторая Дальневосточная региональная конференция, 17-19 августа 1999 г. Тезисы докл. / Находка: ГИС-Ассоциация,1999.

6) Полещук С.Е., Конкин A.B., Казаков А.Г. и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Атлас автомобильных дорог. Издание 3-е / Новосибирск: 1999.-88 с.

7) Конкин A.B., Жидов В.М. Геомониторинг дорожных объе1стов с использованием систем глобального позиционирования и ГИС // Геомониторинг на основе современных технологий сбора и обработки информации. Научно-техническая конференция, 6-10 декабря 1999г. Тез. докл. / Новосибирск: СГТА,1999.- С. 81.

8) Казаков А.Г., Конкин A.B. Геоинформационная система автомобильных дорог Новосибирской области // ARCREVIEW, №2.2000.- С.5.

9) Конкин A.B., Жидов В.М. Применение GPS для решения задач дорожно-строительного комплекса // Современные проблемы геодезии и оптики. L научно-техническая конференция преподавателей СГГА, 24-28 апреля 2000 г. Тезисы докл. / Новосибирск: СГГА, 2000.- С. 14.

10) Казаков А.Г., Конкин A.B. Информационная система автомобильных дорог Новосибирской области // Наука и техника в дорожной отрасли, № 2,2000 г., С. 22-23.

11) Конкин A.B. К вопросу о точности данных в ГИС II Труды международной научно-практической конференции «Геоинформатика-2000» / Томск: Изд-во Томского университетата.2000 г., С. 120-121.

2006-4 щ о 1 9 8 8 18675

в!В. Паспортизация автомобиль-

12) Казаков А.Г., Конкин А В. Щербаков

ных дорог и обработка информации - новые подходы к решению задан // Труды международной научно-практической конференции «Геоинформатика-2000» / Томск: Изд-во Томского университетата,2000 г., С. 248-252.

13) Щербаков В.В., Конкин A.B., Жидов В.М., Шерстобитова И.Н. Возможности практического применения GPS-технологий для контроля геометрических параметров рельсовой колеи // «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ». Региональная научно - практическая конференция. Тезисы докл. I Новосибирск: СГУПС, 2002.

14) Полещук С.Е., Кошкин A.A., Конкин А В., и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Атлас автомобильных дорог. Издание 4-е // Новосибирск: 2003.-80 с.

15) Буланов М.Ю., Конкин A.B., Щербаков В.В., Васеха В.Н. Разработка средств и методов диагностики автомобильных дорог // Международный научный конгресс ГЕО-СИБИРЬ 2005., 25-29 апреля 2005 г. Тезисы докл. // Новосибирск: CITA, 2005.

16) Пименов И.Я., Овчаров В.Д., Щербаков В.В., Конкин A.B., Попов Д.А. Методы математической статистики - основа безопасной эксплуатации // Путь и путевое хозяйство, № 10,2005 г.

Конкин Алексей Владимирович Разработка технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием геоинформационных систем Специальность 25.00.35 -«Геоинформатика»

Подписано в печать /В. //. 05, Печать офсетная. Бумага для множит, апп.

Формат бумаги -6Qx8tyfg Объем • /fSп.л. Тираж 80 экз.

Заказ 636

Типография МИИТа, 127994, г. Москва, у л Образцова, 15 24

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Конкин, Алексей Владимирович

Введение.

1 Анализ современных методов и технологических решений накопления и обработки информации о дорогах и дорожных объектах в режиме мониторинга.

1.1 Анализ современного состояния мониторинга параметров железнодорожного пути.

1.1.1 Системы мониторинга пути на железных дорогах.

1.1.2 Критерии оценки мониторинга и источники получения информации на российских железных дорогах.

1.1.3 Источники получения информации на зарубежных железных дорогах.

1.1.4 Средства измерений для информационного обеспечения базы данных на зарубежных железных дорогах.

1.1.5 Методы оценки состояния железнодорожного пути.

1.2 Анализ ГИС - технологий в автодорожном хозяйстве.

1.2.1 Состояние геоинформационных технологий в автодорожном хозяйстве.

1.2.2 Существующие технологии мониторинга автомобильных дорог

1 1.3 Проблемы мониторинга железных и автомобильных дорог.

2 Обеспечение единства измерений при мониторинге протяженных линейных объектов.

2.1 Проблема обеспечения единства измерений.

2.2 Обеспечение единства шкалы измерения параметров.

2.2.1 Методы обеспечения единства шкалы измерения параметров.

2.2.2 Методика статистического метода калибровки на эталонных

• участках.

2.3 Обеспечение единства координатных систем.

2.3.1 Методы обеспечения единства координатных систем.

2.3.2 Точность координатной привязки при мониторинге параметров железнодорожного пути вагонами-путеизмерителями.

2.4 Создание системы калиброванных маршрутов в Агс1п£о/АгсУ1еш.

2.4.1 Калиброванные маршруты в АгсМо/АтсУхеш.

2.4.2 Создание системы калиброванных маршрутов в Агс1пГо/АгсУ1е\у.

2.4.3 Преимущества мониторинга дорог с использованием системы калиброванных маршрутов в АгсХпАо/АгсУюш.

2.4.4 Методика автоматизированного построения системы калиброванных маршрутов по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог.

3 Автоматизированное заполнение и обновление баз данных о дорогах и дорожных объектах.

3.1 Единство методологии заполнения и обновления баз данных протяженных линейных объектов.

3.2 Комплексная технология паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог.

3.2.1 Цели и задачи паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог.

3.2.2 Состав технического паспорта автомобильной дороги.

3.2.3 Состав работ и документов при инвентаризации земель.

3.2.4 Методы и приборы для проведения паспортизации и инвентаризации.

3.2.5 Комплексная технология паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог.

3.3 Методика автоматизированного заполнения баз данных о дорожных объектах в ГИС АД НСО.

3.3.1 Обработка координат, полученных СНС.

3.3.2 Вычисление геометрических параметров автомобильных дорог.

3.3.3 Обеспечение единства систем координат пространственных и семантических данных.

3.3.4 Автоматизированная передача результатов паспортизации в ГИС.

3.3.5 Программный комплекс «Геомастер».

3.4 Оценка точности МПД автомобильных дорог в ГИС АД НСО.

3.4.1 Выбор размера элементарного участка при оценке точности.

3.4.2 Источники ошибок в МПД.

3.4.3 Методика и алгоритмы оценки точности МПД ГИС АД НСО.

3.4.4 Выводы по результатам оценки точности МПД ГИС АД НСО.

4 Применение технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС Агс1пГо/АгсУ1е\у для решения практических задач.

4.1 ГИС автомобильных дорог Новосибирской области.

4.1.1 Структура и организация данных ГИС АД НСО.

4.1.2 Возможности и решаемые задачи ГИС АД НСО.

4.1.3 Мониторинг дорог и дорожных объектов в ГИС АД НСО.

4.2 Мониторинг геометрических параметров рельсовой колеи.

4.3 Мониторинг контрольных участков железнодорожного пути.

4.3.1 Определение математических ожиданий параметров рельсовой колеи.

4.3.2 Мониторинг геометрического положения точек железнодорожной насыпи.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием геоинформационных систем"

Согласно транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года [1] «.Повышение качества транспортных услуг, эффективности и безопасности транспортного процесса обеспечивается применением современных информационных и телекоммуникационных технологий.».

Железные и автомобильные дороги являются важнейшей инфраструктурой любого государства. Это сложные и дорогостоящие технические сооружения, обладающие набором параметров, напрямую влияющих на их долговечность и безопасность эксплуатации. При всем богатстве методов оценки и контроля этих параметров их можно условно разделить на две группы: статические и динамические.

В последнее время динамические методы получают все большее распространение, так как они обеспечивают большую надежность и полноту получаемых данных. Особенно актуальны за рубежом и у нас в стране технологии, позволяющие осуществлять регулярный мониторинг дорог и дорожных объектов. Однако существующие технологии мониторинга и средства измерений (вагоны-путеизмерители, дорожные лаборатории) не отвечают современным требованиям по качеству, оперативности и объемам собираемой информации. Кроме того, не решены проблемы обеспечения единства измерений, эффективной обработки данных с использованием статистических методов, методологии интерпретации и применения результатов.

Таким образом, разработка новых технологий сбора данных о дорогах и дорожных объектах и современных средств их обработки в режиме мониторинга являются актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка комплексной технологии мониторинга дорог и дорожных объектов, основанной на современных методах получения, обработки, анализа и представления пространственных данных, для принятия более обоснованных решений и повышения безопасности движения на автомобильных и железных дорогах. Особое внимание уделено методам обеспечения единства измерений и достоверности конечных результатов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ существующих методов мониторинга дорожных объектов, тенденций развития информационных технологий и методов сбора и обработки данных о дорогах и дорожных объектах;

2) разработать:

- методику обеспечения единства измерений данных о дорогах и дорожных объектах;

- систему классификации и кодирования информации о дорожных объектах;

- структуру эффективной организации динамических пространственных данных в ГИС;

- методику автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах из различных источников;

- методику автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС АгсГпАэ/АгсЛ^еуу по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;

- методику и алгоритмы оценки точности цифровой модели дорог ГИС;

- методы и методики статистической обработки пространственных данных в ГИС;

- протоколы и форматы обмена базы данных ГИС с другими информационными системами;

3) реализовать разработанные алгоритмы и методики в виде программного обеспечения для сбора и обработки данных;

4) разработать средства наглядного представления результатов мониторинга и методику передачи данных в издательские системы для высококачественной печати средствами цифровой полиграфии;

5) исследовать эффективность применения технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС для принятия более обоснованных решений при эксплуатации автомобильных и железных дорог и повышения безопасности движения.

Объектом исследования являются эксплуатационные параметры автомобильных и железных дорог.

Предмет исследования - технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.

Теоретическая и методологическая база исследования. Поставленные в работе задачи решаются на базе использования теории обработки измерений, математической статистики, математических методов моделирования, геоинформационных технологий, картографических методов исследования.

Произведен анализ работ российских и зарубежных ученых в сфере геоинформатики (A.B. Кошкарева, B.C. Тикунова, A.M. Берлянта, Ю.К. Королева, С.И. Матвеева, В.Я. Цветкова, JI. Джордана, М.Н. Де Мерса и др.); в сфере геоинформационных систем на транспорте (В.М. Круглова, С.И. Матвеева, В.Я. Цветкова, Ю.К. Королева, С.А. Бокарева, В.Н. Бойкова, С.П. Крысина, A.B. Скворцова, П.И. Поспелова и др.); в сфере математической обработки измерений (В.Д. Большакова, П.А. Гайдаева, Ю.И. Маркузе, Е.Г. Бойко, В.В. Голубе-ва, А.Н. Лобанова, E.H. Львовского и др.); в сфере геодезического обеспечения мониторинга дорог (В.В. Щербакова, С.И. Матвеева, А.П. Карпика, В.А. Ко-угии, М.М. Железнова и др.) библиотечных и электронных ресурсов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1) разработана методика обеспечения единства измерений при мониторинге протяженных линейных сооружений;

2) разработана система классификации и кодирования информации о дорожных объектах;

3) разработана структура организации динамических пространственных данных в ГИС;

4) разработана методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;

5) разработана методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1п£Ь/АгсУ1е\у по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;

6) разработана методика и алгоритмы оценки точности цифровой модели дорог в ГИС;

7) разработан метод статистической обработки данных инструментальных съемок эксплуатационных параметров автомобильных и железных дорог в среде ГИС;

8) разработана методика определения математических ожиданий геометрических параметров рельсовой колеи на эталонных участках;

9) разработана методика создания картографических материалов в ГИС для передачи их в издательские системы;

10) разработана технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.

На защиту выносятся:

1) методика обеспечения единства измерений при мониторинге протяженных линейных сооружений;

2) методика статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС;

3) методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1пСэ/АгсУ1еш по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;

4) методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;

5) технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.

Теоретическая значимость работы. Теоретическое значение диссертации заключается в выработке комплексного подхода к сбору, хранению и анализу данных о дорогах и дорожных объектах с целью их мониторинга, а также в предложенных алгоритмах статистической обработки данных.

Практическая значимость работы,. Внедрение разработанной в диссертации технологии позволило модернизировать ГИС автомобильных дорог Новосибирской области в части обновления пространственной информации о дорогах и построении на её основе новой структуры организации данных - системы калиброванных маршрутов, автоматизировать заполнение баз данных об автомобильных дорогах Новосибирской области и Республики Алтай по результатам паспортизации автомобильных дорог. Мониторинг геометрических параметров рельсовой колеи позволил определить наиболее вероятные значения геометрических параметров рельсовой колеи на 44 участках ЗападноСибирской и 19 участках Красноярской железной дороги, что позволяет выявлять и исключать систематические погрешности вагонов-путеизмерителей и тем самым качественно повысить уровень диагностики железнодорожного пути с минимальными затратами.

Созданное программное обеспечение может использоваться и в других прикладных науках, где есть потребность в обработке и расчете геометрических параметров линейных объектов.

Изданные атласы, настенные и раскладные карты являются информационной основой при планировании и принятии обоснованных решений.

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

1) для модернизации ГИС автомобильных дорог Новосибирской области и при решении ряда задач в ГИС в ОГУ «ТУАД Новосибирской области»;

2) для создания ГИС автомобильных дорог Республики Алтай в РУАД «Горноалтайавтодор»;

3) для обработки данных паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог Новосибирской области и Республики Алтай;

4) для мониторинга геометрических параметров рельсовой колеи на ЗСЖД;

5) для определения математических ожиданий на эталонных участках Западно-Сибирской и Красноярской железной дороги;

6) для построения продольного профиля пути станций ЗападноСибирской дороги;

7) для построения продольного профиля главного пути участка «Бейнеу-Мангышлак-Узень» республики Казахстан.

Разработанное в диссертационной работе методическое, алгоритмическое и программное обеспечение используется в лаборатории диагностики дорожных одежд и земляного полотна НИДЦ СГУПС, в ОГУ «Территориальное управление автомобильных дорог Новосибирской области», в РУАД «Горноалтайавтодор», в подразделениях Западно-Сибирской, Красноярской, ВосточноСибирской, Свердловской железной дороги, в учебном процессе СГУПС.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены и получили одобрение: на Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» в 1994, 1996 гг. (г. Новосибирск), на научно-технических конференциях преподавателей СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» в 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 гг. (г. Новосибирск), на международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики» в 1998г. (г. Новосибирск), на всероссийской учебно-технологической конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации» в 1999г. (г. Москва), на международных выставках-конференциях «Сибирская Ярмарка» в 1999 и 2000 гг. (г. Новосибирск), на второй Дальневосточной региональной конференции «Геоинформационные и кадастровые технологии в управлении территориями и городами» в 1999 г. (г.Находка), на международной конференции пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS в России и странах СНГ в 1999 г. (г. Москва - г. Голицино), на научно-технической конференции «Геомониторинг на основе современных технологий сбора и обработки информации» в 1999 г. (г. Новосибирск), на семинаре «Эффективность применения информационных технологий для управления дорожным хозяйством, автомобильными перевозками и дорожным движением» в 2000 г. (г. Москва - г. Тверь), на научно-практической конференции «ГИС-технологии в решении задач управления дорожным хозяйством территорий: пути решения, обмен опытом, перспективы» в 2000 г. (г. Красноярск), на региональной научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ» в 2002 г. (г. Новосибирск), на международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005» в 2005 г. (г. Новосибирск).

Результаты исследований по теме диссертации отмечены: большой золотой медалью Сибирской ярмарки за разработку актуальных программ по внедрению геоинформационных технологий, современных материалов и образцов дорожной техники в дорожном комплексе Новосибирской области в 1999 г. (г. Новосибирск), большой золотой медалью Сибирской ярмарки за разработку геоинформационной системы автомобильных дорог Новосибирской области в 1999 г. (г. Новосибирск), 1-м местом в конкурсе по номинации «Лучший доклад» на 5-й международной конференции пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS в России и странах СНГ в 1999 г. (г. Москва), дипломами Сибирской ярмарки в 1999 и 2000 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ (10 -без соавторов).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографии и приложений. Общий объем работы составляет 128 страниц печатного текста, 11 таблиц, 31 рисунок, 66 пунктов библиографии и 5 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Конкин, Алексей Владимирович

Общие выводы по результатам мониторинга параметров рельсовой колеи на контрольных участках:

1) наиболее вероятным значением МО определяемого параметра колеи контрольного участка является среднее арифметическое значение МО этого параметра для каждого прохода вагона-путеизмерителя;

2) МО параметров контрольного участка - величины непостоянные и изменяются в связи с расстройством пути;

3) изменения МО параметров имеют корреляцию с временем года, значимую у шаблона и незначимую у уровня;

4) для надежного определения МО параметров контрольных участков на конкретную дату необходимо производить регулярный мониторинг этих участков или выявить регрессионные зависимости между МО параметров и временем наблюдений.

4.3.2 Мониторинг геометрического положения точек железнодорожной насыпи

Мониторинг геометрического положения точек железнодорожной насыпи выполнялся с целью выявления движения точек железнодорожной насыпи для исследования его влияния на определение МО параметров рельсовой колеи. Необходимость данной работы обусловлена тем, что при мониторинге параметров рельсовой колеи в абсолютных системах координат не вся динамика этих параметров обусловлена их собственными изменениями, часть их приходится на колебания насыпи. Характер и сезонность этих изменений необходимо учитывать при мониторинге параметров пути и планировать наиболее благоприятное время для выполнения работ по определению параметров пути. Измерения выполнялись СНС геодезического класса Trimble 5700 с абсолютной погрешностью измерений:

- в плане - 3 мм +1.5 мм

- по высоте - 5 мм + 1.5 мм

Математическая обработка результатов измерений производилась в фирменном программном продукте Trimble Geomatic Office 1.6 (eng) позволяющим учесть систематические ошибки определения координат.

Для более обоснованного решения о динамических процессах, проходящих с течением времени в насыпи железнодорожного полотна, были выбраны несколько точек, представляющих наиболее типичные участки насыпи. Описание точек представлено в таблице 4.

Заключение

В результате проведенных теоретических, методических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе получены следующие результаты:

- проанализированы существующие технологии сбора, обработки и анализа данных о дорогах и дорожных объектах и тенденции их развития;

- разработана методика обеспечения единства измерений параметров дорог, выполненных в различных условиях и различными приборами, основанная на возможностях геоинформационной системы Агс1п1Ъ/АгсУ1е\у и методах математической статистики;

- модернизирована геоинформационная система автомобильных дорог Новосибирской области. Для данной ГИС создана система классификации информации, разработана структура динамических пространственных данных, оценена точность цифровой модели автомобильных дорог, усовершенствованы алгоритмы статистического анализа данных ГИС, реализован интерфейс с другими информационными системами;

- разработана методика автоматизированного наполнения и обновления базы данных ГИС и баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;

- разработана методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1п&>/АгсУ!е\у по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог. Это позволяет производить полноценный геомониторинг дорог и дорожных объектов с использованием популярного программного обеспечения, в удаленных базах данных, в относительных системах координат, с меньшими затратами по сравнению с существующими технологиями;

- предложенные алгоритмы и методики реализованы в виде программного обеспечения, позволяющего выполнять как мониторинг дорог и дорожных объектов, так и обработку данных инструментальных съемок линейных объектов и расчет их геометрических параметров;

- разработаны средства наглядного представления результатов мониторинга дорог и методика передачи данных в издательские системы для высококачественной печати средствами цифровой полиграфии, что позволило создать на новом качественном уровне целый ряд производственных отчетов и подготовить к изданию серию картографических материалов: настенные карты, атласы, буклеты;

- разработана методика статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС. По данной методике определены математические ожидания на 44 эталонных участках ЗСЖД и 19 участках Красноярской железной дороги;

- разработанная технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС позволила выполнить ряд научно-практических и производственных работ;

- разработана технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС, результаты которого позволят принимать более обоснованные решения при эксплуатации автомобильных и железных дорог и повысить безопасность движения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Конкин, Алексей Владимирович, Москва

1. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года. М.: Министерство транспорта Российской Федерации, 2005 - 78 с.

2. Конкин A.B. Анализ данных в ГИС. Современные проблемы геодезии и оптики. XLVIII научно-техническая конференция преподавателей СГГА, 1324 апреля 1998 г.: Тез. докл. - Новосибирск: СГГА,1998.

3. Казаков А.Г., Конкин A.B., Хорев А.Г. и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Атлас автомобильных дорог. Издание 2-е. Новосибирск: Harmens, 1998.-98 с.

4. Конкин A.B. ГИС автомобильных дорог Новосибирской области. -Проблемы ввода и обновления пространственной информации. IV всероссийская учебно-технологическая конференция, 22-26 февраля 1999 г.: Тез. докл. -Москва: ГИС-Ассоциация,1999.

5. Конкин A.B., Казаков А.Г., Жидов В.М., и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Раскладная карта. — Новосибирск: 1998.

6. Конкин A.B. ГИС ТУ АД Новосибирской области. Геоинформационные и кадастровые технологии в управлении территориями и городами. Вторая Дальневосточная региональная конференция, 17-19 августа 1999 г.: Тез. докл. -Находка: ГИС-Ассоциация,1999.

7. Полещук С.Е., Конкин A.B., Казаков А.Г. и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Атлас автомобильных дорог. Издание 3-е. Новосибирск: 1999.-88 с.

8. Полещук С.Е., Конкин A.B., Казаков А.Г. и др. Дороги и дорожники Новосибирской области. История, проблемы, перспективы. Новосибирск: 1999.-39 с.

9. Казаков А.Г., Конкин A.B. Геоинформационная система автомобильных дорог Новосибирской области. ARCREVIEW, №2, 2000 г., с.5.

10. Конкин A.B., Жидов В.М. Применение GPS для решения задач дорожно-строительного комплекса. Современные проблемы геодезии и оптики. L научно-техническая конференция преподавателей СГГА, 24-28 апреля 2000 г.: Тез. докл. - Новосибирск: СГГА,2000.- с. 14.

11. Казаков А.Г., Конкин A.B. Информационная система автомобильных дорог Новосибирской области. — Наука и техника в дорожной отрасли, № 2, 2000 г., с. 22-23.

12. Конкин A.B. К вопросу о точности данных в ГИС. Труды международной научно-практической конференции «Геоинформатика-2000». — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000 г., с. 120-121.

13. Конкин A.B. К вопросу о точности данных ГИС. - Современные проблемы геодезии и оптики. LI научно-техническая конференция преподавателей СГГА, 16-19 апреля 2001 г.: Тез. докл. - Новосибирск: СГГА,2001.- с. 231.

14. Полещук С.Е., Кошкин A.A., Конкин A.B.,. и др. Автомобильные дороги Новосибирской области. Атлас автомобильных дорог. Издание 4-е. Новосибирск: 2003.-80 с.

15. Буланов М.Ю., Конкин A.B., Щербаков В.В., Васеха В.Н. Разработка средств и методов диагностики автомобильных дорог. Международный научный конгресс ГЕО-СИБИРЬ 2005., 25-29 апреля 2005 г. : Тез. докл. - Новосибирск: СГГА, 2005.

16. Пименов И .Я., Овчаров В. Д., Щербаков В.В., Конкин A.B., Попов Д. А. Методы математической статистики — основа безопасной эксплуатации. — Путь и путевое хозяйство, № 10, 2005 г. с.

17. Конкин A.B. Раковский A.B. Развитие автоматизированной информационной системы в Территориальном управлении автомобильных дорог. Новосибирск, ТУ АД НСО, 2001 г. 36 с.

18. Концепция построения единой системы информационно телекоммуникационного обеспечения автомобильно-дорожной отрасли, Москва, 1996 г., 62 с.

19. Пуркин В.И. Основы автоматизированного проектирования автомобильных дорог. М.: МАДИ (ТУ), 2000 г. 141 с.

20. Атлас автомобильных дорог Амурской области. Ассоциированный картографический центр, Москва, 1997 г., 32 с.

21. Карачевцева И.П. Интеграция ГИС и издательских систем насущная потребность картографов. - Информационный бюллетень. ГИС - Ассоциация, №1(18), 1999 г., с. 68-69.

22. Атлас автомобильных дорог Пензенской области. «Геолоджик», Пенза, 1998 г., 95 с.

23. Атлас автомобильных дорог Костромской области. «Приз», Кострома, 1999 г., 64 с.

24. А.В. Скворцов, П.И. Поспелов, С.П. Крысин. Геоинформационные системы в дорожной отрасли. Москва, 2005 г.

25. Волошина В.Н., Говор В.И. ГИС «Автомобильные дороги Приморья»: опыт разработки и внедрения. Информационный бюллетень. ГИС-Ассоциация, №5(22), 1999 г., с. 58 - 59.

26. Цышук В.В., Александров Д.А. Автоматизированная информационная система «Паспорт дороги». ARCREVIEW, №2(13), 2000 г., с. 4.

27. Концепция системы диагностики автомобильных дорог. Москва, 1997г.

28. Мониторинг содержания автомобильной сети Новосибирской области. Научно-технический отчет. - Новосибирск: НИДЦ СГУПС, 1998, 75 с.

29. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании топографических карт и планов. М., «Недра», 1974 80 с.

30. Типовая инструкция по техническому учету и паспортизации автомобильных дорог общего пользования. М.: Транспорт, 1983, 48 с.

31. Большаков В.Д., Гайдаев П.А. Теория математической обработки геодезических измерений. М., «Недра», 1977-368 с.

32. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М., 1988-240 с.

33. Щербаков В.В. Разработка автоматизированной технологии и средств геодезического обеспечения реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог. Новосибирск, СГГА, 2000.

34. Автоматизированная информационная система управления содержанием искусственных сооружений на автомобильных дорогах (АС ИССО). Новосибирск, Сибинтех Транспорт, 2001.

35. Контроль технического состояния мостов на автодорогах ТУ АД НСО с обновлением банка данных АСИССО по дефектности по результатам весеннего осмотра. Новосибирск, НИДЦ СГУПС, Лаборатория мостовых конструкций, 2003.

36. Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи ЦП — 515.

37. Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог. ВСН 6-90. Минавтодор РСФСР, ЦБН ТИ Минавтодора РСФСР, М., 1990, 168 с.

38. ArcView GIS. The Geographic Information System for Everyone. Environmental Systems Research Institute, Inc. USA, 1996, 340 c.

39. Avenue. Customization and Application Development for ArcView. Environmental Systems Research Institute, Inc. USA, 1996, 260 c.

40. Л.В. Башкатова, A.K. Гурвич, A.B. Лохач, A.A. Марков54. «Компьютеризованные средства неразрушающего контроля и диагностики железнодорожного пути» под редакцией В.М. Бугаенко. Издательство «Радиоавионика» 1997 год.

41. М.Б. Шинкарев «Мониторинг показателей взаимодействия пути и подвижного состава в реальных эксплутационных условиях». М.2000 24 с. ВНИИ ж.-д. Транспорт.

42. Н.И. Коваленко «Мониторинг верхнего строения пути и нормирование производства планово-предупредительных ремонтов». Самара. СамИИТ, 2001.- 126 с.

43. Проблема железнодорожного транспорта. М., 1999 статья инж. М. Б. Шинкарева.

44. Mamchand, S. Bahuguna. Indian Railway Techical Bulletin, 1999, № 289290, p. 25-31.

45. Полещук И.В. «Об оценке состояния рельсовой колеи по статистическим характеристикам для использования в задачах подсистемы АСУ-ПУТЬ»

46. Путевое хозяйство: учебник для вузов ж.-д. трансп./И.Б. Лехно, С.М. Бельфер, Э.В. Воробьев и др.; Под ред. И.Б. Лехно.- М.: Транспорт, 1990.-472 с.

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

48. Статья В.А Ефремова, A.A. Тихомирова, А.Н. Андрофагина «Использование ГИС-технологий в мониторинге железнодорожного пути» (НПЦ "Ин-фотранс")

49. Кошкарев А. В., Тикунов В. С. Геоинформатика. Москва, «Карт-геоцентр» - «Геодезист», 1993-21с.

50. Королев Ю.К. Общая геоинформатика. Часть 1. Теоретическая геоинформатика. Выпуск 1., СП ООО Дата+, 1998 г., 118 с.

51. Королев Ю. К. Тенденции развития моделей данных в ГИС и их значение для ГИС-приложений по работе с инженерными сетями. ARCREVIEW, №2, 1997 г., с. 2.

52. ДеМерс М.Н. Географические информационные системы. Основы. -М., «Дата+», 1999 г., 490 с.с