Геодезические методы диагностики дорог Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 625.7

В.В. Щербаков, В.Н. Васёха, Д.А. Неверов СГУПС, Новосибирск М.Ю. Буланов

ОГУ ТУАД Новосибирской области, Новосибирск ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ДОРОГ

Дороги представляют собой сложные инженерные сооружения, находящиеся под воздействием динамических нагрузок и климатических факторов. При проектировании и строительстве дорог закладываются определенные требования, обеспечивающие функциональные возможности и безопасность движения. К таким требованиям относятся эксплуатационные характеристики и геометрические параметры. У автомобильных и железных дорог имеется специфика к требованиям по геометрическим параметрам и эксплуатационным характеристикам. При этом имеются и общие требования характеризующие дорогу, например радиус кривой, вираж, ровность, и многое другое. Название характеристики или дефекта дороги могут отличаться, при этом сущность остается одинаковой, например на автомобильных дорогах одной из характеристик определяющих качество покрытия проезжей части является «ровность», а на железных дорогах аналогичные диагностические показатели называются просадками или волнообразным износом рельсов. Для обеспечения безопасного движения по дорогам, а также обеспечения их функционирования существуют нормативные документы, регламентирующие отклонение параметров от проектных значений или показателей заложенных в ГОСТ или СНиП. Контроль отклонения параметров дорог от регламентируемых нормативными документами выполняется регулярно в соответствии со стандартами существующими на автомобильных и железных дорогах России. Для оценки состояния дорог применяется техническая диагностика. Методы и средства диагностики дорог разнообразны и применяются в зависимости от вида и назначения диагностики. На железных дорогах России существует регламент проведения диагностики основанный на безопасности движения поездов. Диагностика рельсовой колеи по геометрическим параметрам выполняется в соответствии с требованиями инструкции ЦП 515. Периодически один раз в месяц на всей сети железных дорог России определяются ширина колеи (шаблон), возвышение рельса (уровень), положение рельса в плане (рихтовка), положение рельса в вертикальной плоскости (просадка). Все геометрические параметры определяются с погрешностью не превышающей 2 мм. Ширина колеи и возвышение рельса являются абсолютными величинами, а рихтовка и просадка являются относительными величинами, т.е. пространственное положение рельсовой колеи определяется в относительных величинах. Для этого выбирается определенная длинна хорды, как в плане, так и в вертикальной плоскости и измеряется величина стрел изгиба в середине этой хорды с шагом смещения хорды по линейной координате через 0.3-1 метр. Сложившаяся практика диагностики по

приведенным параметрам в соответствии с инструкцией ЦП515 устраивает железнодорожников. Это наиболее простые методы диагностики и самое главное, относительные методы достаточно просто реализовать аппаратно, поэтому начиная с 1960 годов на базе хордового метода разрабатываются различные типы диагностической аппаратуры, измерительные системы выправки пути и другая аппаратура.

Диагностические средства измерений разрабатывают, как правило сами дорожники. На железных дорогах разработкой диагностической аппаратуры занимаются несколько крупных организаций. Современная диагностическая аппаратура по определению геометрических параметров рельсовой колеи, например ЦНИИ-4, представляет собой комплекс содержащий инерциальную систему, лазерные измерители линейных перемещений, вычислительную технику и другую современную комплектацию. Несмотря на применение самых современных измерительных средств, идеология создания диагностических приборов остается неизменной и базируется на хордовом методе. Аналогичная ситуация на автомобильных дорогах, так как часть очень важных диагностических параметров определяется косвенными или относительными методами. Эффективность этих методов является низкой, как при оценки достоверности состояния дорог, так и производительности в зависимости от методов и средств измерения, например толчкомер позволяет на скорости 60 км/час определять параметр ровности, при этом погрешность может достигать 10%, с использованием рейки дорожной универсальной можно выполнить оценку покрытия достоверно, при этом производительность составляет не более 1км в день. Для этих целей может быть использован профилограф, позволяющий с относительно высокой производительностью и точностью определить состояние покрытия проезжей части автомобильной дороги по параметру, например «ровность». При этом стрела изгиба определяется на базе измерительного средства, например 3 метра, т. е. аналогично диагностическим средствам применяющимся на железных дорогах. При этом наиболее прогрессивные компании и организации стремятся получить не только фактические отклонения от нормативных требований, но и динамику изменения этих параметров, что с применением относительных методов невозможно или требует больших затрат на реперную сеть для обеспечения единства измерений.

Относительные методы определения пространственного положения и геометрических параметров дороги при их разнообразии и широком применении в настоящее время очевидно ограничены. Они исчерпали свои возможности и не позволяют расширить диапазон исследований и функциональные возможности диагностической аппаратуры, в частности определять динамику изменения параметров. Рассмотрим определение геометрических параметров рельсовой колеи с использованием вагонов-путеизмерителей. На рис. 1 показана схема измерения взаимного положения рельсовых нитей по высоте (уровень), на рис. 2 показана схема измерения ширины колеи (шаблон). На рис. 3 показана каноническая схема измерения стрел изгиба, определяющих положение рельсовой нити в плане. На

представленной схеме видно, что длина хорды определяется длиной вагона на котором установлена аппаратура и не может быть изменена, точно также как и длина хорды в вертикальной плоскости.

Рис. 1. Схема измерения взаимного положения рельсовых нитей по высоте

(уровень)

Рис. 2. Схема измерения ширины колеи (шаблон)

Длинная база измерення хорды (21,5 м)

Рис. 3. Каноническая схема измерения стрел изгибарельсовых нитей путеизмерительными вагонами в РФ

Это принципиально не позволяет определять пространственное положение пути на участке более длины вагона, например на отрезке 50 или 100 метров. В связи с этим на железных дорогах России не определяются и не устраняются длинные неровности рельсовой нити в плане (заводины). При скоростях движения в пределах 100 км/ч плавность хода поездов не нарушается. При увеличении скоростей по отношению к существующим, длинные неровности оказывают негативное влияние как на плавность хода поезда, так и повышенный износ рельсов и в целом на безопасность движения. Решить эту проблему существующей диагностической аппаратурой, построенной на базе метода хорд нельзя, применяя самые современные гироскопические, инерциальные и лазерные измерительные средства. Второй пример это определение ровности на автомобильных дорогах или волнообразный износ рельсов на железных дорогах. Задача решается в настоящее время следующим

путем: создается плоскость на какой либо базе (расстояние между осями колес, и т.д.) и относительно этой плоскости в середине определяется величина неровности. Также как и в первом случае нет возможности исследовать неровности на базе различной длины в широком диапазоне. Такой подход характерен и для вагонов-путеизмерителей и для автодорожных лабораторий.

Пространственное положение элементов дороги и геометрических параметров, включая определение неровностей в вертикальной и горизонтальной плоскости, может быть определено геодезическими методами по координатам. Учитывая, что координаты определяют пространственное положение объекта и могут преобразовываться из одной системы координат в другие, могут быть использованы для любых расчетов определяющих взаимное положение элементов дороги и их положение относительно пространственной системы координат, перспективы координатных методов оценки состояния дорог положительные. Еще более важное значение использования геодезических методов диагностики заключается в возможности мониторинга автомобильных и железных дорог. Применение геодезических координат позволяет с использованием программных комплексов ГИС получать динамику изменения параметров с течением времени.

Методы получения пространственного положения элементов дороги, (геодезических координат), различны. В соответствии с методами используются и различные средства определения пространственного положения объектов в выбранной системе координат. Наиболее распространенными средствами определения пространственного положения являются спутниковые системы координат (GPS и ГЛОНАСС), тахеометры различных типов, лазерные сканеры и инерциальные системы, системы счисления пути (интеграторы), фотограмметрические и другие средства. Выбор средств и методов определения пространственного положения объекта определяется требованиями к точности определения координат, элементов взаимного положения (углов, линий), детализации съемки, производительности или скорости съемки для автоматизированных систем.

Специфика требований к геометрическим параметрам дорог в целом заключается в высокой точности (1-2 мм), в относительных значениях от 1/1000 до 1/20000 определения взаимного положения элементов дороги, а пространственное положение точки относительно, например условной системы координат может составлять 10-50 мм и более. Таким образом, требования к взаимному положение элементов дороги по геометрическим параметрам, практически на порядок выше к пространственному положению дороги (оси дороги) в какой либо системе пространственных координат. Кроме того, эксплуатационная работа на дороге привязана к линейной координате, поэтому должен быть обеспечен пересчет местоположения из трехмерной системы координат в одномерную.

Не выполняя детальный анализ всех средств и методов определения взаимного положения элементов дороги и их пространственного положения приведем схему комплексирования и алгоритм определения координат и геометрических параметров диагностической аппаратуры, предназначенной

для автомобильных и железных дорог. На рис. 4 приведена структурная схема аппаратуры для определения пространственного положения объектов и геометрических параметров дорог.

Аппаратура включает GPS, блок гироскопов, контроллер, датчик пути и компьютер. GPS и блок гироскопов синхронизированы, что позволяет выполнять совместную обработку координат.

Дискрет съема информации с гироскопов составляет 1 см, с GPS - 1 секунда. Диагностическая аппаратура для автомобильных и железных дорог отличается только конструктивно в большей степени ходовой тележкой или транспортным средствам на которое устанавливается аппаратура. На рис. 5 (а, б, в) показан способ определения неровности дороги геодезическими методами (по высотным отметкам) реализованным в АПК «Профиль», ПТ «Волна», АПК «Волна», универсальном дорожном курвиметре УДК «Ровность» и дорожной передвижной лаборатории ДПЛ СГУПС. Все эти разнообразные приборы созданы в соответствии со структурной схемой приведенной на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема аппаратуры для определения пространственного положения объектов и геометрических параметров дорог

в)

H0uзм

Huзм(i)

Huзм

Hcpвыч(i)

Рис. 5. Принцип определения стрел изгиба в горизонтальной и вертикальной

плоскости

АПК «Профиль» предназначен для диагностики железных дорог по геометрическим параметрам, натурной съемки плана и продольного профиля железнодорожных путей, ПТ «Волна» предназначена для натурной съемки волнообразного износа рельсов, АПК «Волна» предназначена для натурной съемки волнообразного износа рельсов и определения геометрических дефектов рельсов. УДК «Ровность» предназначен для диагностики автомобильных дорог по параметру ровность и поперечные уклоны. ДПЛ СГУПС предназначена для диагностики автомобильных дорог по геометрическим параметрам и проектно-изыскательских работ для капитального ремонта. Внешний вид приборов показан на рис. 6 (а, б, в, г, д, е).

0

Рис. 6а. АПК «Профиль» Рис. 6б. ПТ «Волна»

Рис. 6в. АПК «Волна»

Рис. 6г. УДК «Ровность»

Рис. 6д. ДПЛ СГУПС Рис. 6е. Рабочее место

оператораДПЛ СГУПС

Для каждого типа диагностической аппаратуры в зависимости от назначения отличаются отчетные формы. На рис. 7 в качестве примера приведены графики ровности автомобильной дороги, полученные УДК «Ровность», а на рис. 8 - графики волнообразного износа рельсов, полученные с помощью АПК «Волна».

График неровности по значениям амплитуд

-При шаге нивелирования 5 м - - -амплитуда 5 м

Рис. 7. Графики ровности автомобильной дороги, полученные УДК

«Ровность»

Рис. 8. Графики волнообразного износа рельсов, полученные АПК «Волна»(верхний график - исходные данные, нижний график - обработанные

данные)

Таким образом, представленные приборы созданные на базе координатного метода получения геометрических параметров, представляют собой современные измерительные средства для диагностики дорог. Каждый из приведенных приборов имеет функциональные возможности в несколько раз шире по сравнению с аналогами в основе работы которых лежат другие принципы. Геометрические параметры жестко связаны с геодезическими координатами, линейными координатами дороги, поэтому могут использоваться как эксплуатационными организациями так и структурами управления работающими с ГИС различного уровня. Широкое внедрение геодезических методов диагностики обеспечит единство измерений, что позволит не только выполнять диагностику в режиме мониторинга, но и обрабатывать данные диагностики в режиме мониторинга, определяя динамику изменения геометрических параметров. Решение этой проблемы позволит перейти на новый уровень диагностики дорог с выдачей эксплуатационным организациям и управленческим структурам прогноза по техническому состоянию и срокам предупредительно-восстановительных работ, что позволит многократно снизить затраты на эксплуатацию дорог.

© В.В. Щербаков, В.Н. Васёха, Д.А. Неверов, М.Ю. Буланов, 2007