CC BY
159
28
Проблематика транспортных систем
Разработана методика определения экономически эффективных сфер применения новых конструкций скреплений и шпал, что весьма актуально в условиях их массового внедрения на железных дорогах России. Выполненная по этой методике технико-экономическая оценка убедительно показывает экономическую целесообразность применения на Российских железных дорогах широко используемой на железных дорогах мира конструкции пути с железобетонными шпалами «Swetrak» и скреплениями «Pandrol-Fastklip», а также необходимость расширения ее опытной эксплуатации на Октябрьской дороге для накопления требуемого опыта и определения сфер наиболее рационального применения на отечественных железных дорогах в дальнейшем.
Библиографический список
1. Косов В. В., Лившиц В. Н., Шахназаров А. Г. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (вторая редакция). Официальное издание - М.: Экономика, 2000. - 421 с.
2. Волков Б. А. Экономическая эффективность инвестиций на железнодорожном транспорте в условиях рынка. - М.: Транспорт, 1996. - 191 с.
3. Ефанов А. Н., Коваленок Т. П., Зайцев А. А. Оценка экономической эффективности инвестиций и инноваций на железнодорожном транспорте: Учебное пособие. - СПб.: ПГУПС, 2001. - 149 с.
4. Основы устройства и расчетов железнодорожного пути /
Т. Г. Яковлева, В. Я. Шульга, С. В. Амелин и др. - М.: Транспорт, 1990. -367 с.
5. Бесстыковой путь / В. Г.Альбрехт, Н. П. Виногоров, Н. Б. Зверев и др. - М.: Транспорт, 2000. - 408 с.
6. Технические условия на работы по ремонту и плановопредупредительной выправке пути / ОАО РЖД. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 182 с.
7. Карпущенко Н. И., Антонов Н. И. Совершенствование рельсовых скреплений. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2003. - 300 с.
8. Коробкова И. В., Шульга В. Я. Об утяжеленных шпалах // Путь и путевое хозяйство. - 2004. - № 5. - С. 11.
УДК 519.2.24 Д. Г. Бетенёв
МЕТОД КОНТРОЛЯ КООРДИНАТНОЙ ПРИВЯЗКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕРКИ СОСТОЯНИЯ ПУТИ
При проведении путеизмерительными вагонами проверок состояния пути по ряду причин могут возникать существенные ошибки координатной привязки результатов
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
29
контроля. Для устранения таких ошибок разработан метод, контролирующий правильность координатной идентификации данных текущей проверки с привязкой результатов предыдущей проверки одного и того же участка пути.
Разработанный метод применялся при обработке данных о состоянии пути, получаемых по диаграммам путеизмерителя, для нахождения их координатных смещений.
путеизмеритель, одометр, координатная привязка, коэффициент корреляции, координатное смещение, координатная корректировка.
Введение
Для современных систем измерения геометрических параметров пути важным свойством является точная географическая локализация обнаруженных неисправностей железнодорожной колеи. Для этого обычно используют метод, при котором текущее местоположение путеизмерителя определяется за счет измерения пройденного им расстояния от некоторой начальной (нулевой) точки, координаты которой известны.
Основным прибором, определяющим длину пройденного пути, является одометр, установленный на одну из колесных пар. Как правило, это фотооптический датчик, вырабатывающий импульс при повороте колеса на некоторый угол. При этом одометр обладает погрешностью измерений пройденной дистанции, что, в свою очередь, приводит к неточной локализации обнаруженных неисправностей. В такой ситуации сопоставление зафиксированных параметров геометрии пути по результатам разных проверок на одном и том же участке может привести к неверным выводам об ухудшении состояния рельсовой колеи.
Если произошла ошибка координатной привязки результатов контроля к координатам пути и по этим результатам были приняты меры по восстановлению “больного” места, то возможен случай, что будет отремонтирован участок пути, не требующий ремонта, а дефектное место останется неисправленным. Такая ситуация в ведении путевого хозяйства недопустима. Чтобы не возникало подобных ошибок, необходимо в процессе проверки пути постоянно проводить коррекцию одометра. Возможны различные способы решения этой задачи.
1 Коррекция одометра в путеизмерительных системах
Основными способами такой коррекции является интегрирование показаний одометра с инерциальной навигационной системой (ИНС), спутниковой навигационной системой (СНС) и различными ориентирами, местоположение которых на рельсовом пути достаточно хорошо известно (километровые указатели, переезды, стрелочные переводы и другие характерные точки). Рассмотрим, как проводится коррекция одометра в различных путеизмерительных системах.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
30
Проблематика транспортных систем
1.1 Географическая локализация путеизмерителя модели КВЛ-П1МП
В настоящее время путеизмерители указанной модели являются основными, которые используются в России для проверки состояния железнодорожной колеи. Для таких систем характерны существенные ошибки координатной привязки результатов контроля к координатам пути. Их появление обусловливают следующие причины:
инструментальная погрешность одометра при определении длины пройденного пути, которая накапливается в процессе проведения проверки;
неточная начальная координатная привязка, которая осуществляется при старте путеизмерителя на ближайшем километровом столбе в момент, когда вагон с ним поравняется;
ошибки при осуществлении ручной коррекции местоположения путеизмерителя в ходе проведения проверки.
При фиксации полученных в ходе проверки значений контролируемых параметров на путеизмерительные диаграммы совокупное влияние перечисленных причин может привести к смещению координат обнаруженных нарушений состояния пути свыше 100 м относительно их фактического местоположения. Такая точность является недостаточной, поэтому в новых путеизмерительных системах ручную коррекцию одометра заменяют автоматической.
1.2 Автоматическое распознавание путеизмерительных ориентиров
Ярким примером системы, в которой используется автоматическое определение координат нулевых точек, является путеизмерительная система «Ecotrack» [1]. Она включает базу данных, которая содержит информацию о местоположении всех элементов инфраструктуры пути. В процессе проверки пути эти данные сравниваются с результатами измерений.
Первичный ввод таких данных в систему «Ecotrack» осуществляется программным обеспечением FLI-MAP (Fast Laser Imaging & Mapping Airborne Platform), выпускаемым компанией «Fugro Impark».
FLI-MAP локализует точки на поверхности земли с помощью лазерной системы, установленной на вертолете. Расстояние до конкретных объектов определяется в системе глобального позиционирования двумя лазерами с частотой до 22 тыс. измерений в секунду. Вертолет при этом совершает полет на высоте от 50 до 150 м со скоростью 50-70 км/ч. Плотность измерений можно варьировать от 5 до 25 точек/м .
С учетом пространственного расположения этих точек можно распознавать и автоматически идентифицировать такие объекты, как элементы и опоры контактной сети, рельсы, километровые отметки, сигналы и стрелочные переводы. Точность определения их местонахождения достаточно высока и находится в пределах 5 см по вертикали и 10 см по горизонтали в национальной сетке координат и от 3 до 5 см для данной местности. Одна-
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем 31
ко данный способ коррекции одометра имеет несколько недостатков, которыми являются:
высокая стоимость сбора первичной информации о расположении объектов инфраструктуры путевого хозяйства;
необходимость наличия на путеизмерителе приборов распознавания и автоматической идентификации таких объектов;
объекты, используемые в качестве ориентиров, могут быть легко повреждены или смещены с правильной позиции в процессе их ремонта;
недостаточная частота коррекции одометра из-за удаленного расположения ориентиров друг от друга.
Для устранения перечисленных недостатков необходимо при определении координат нулевых точек не привязываться к железнодорожной инфраструктуре. С этой целью в путеизмерительных системах стали применять космические технологии глобального позиционирования.
1.3 Интеграция одометра с СНС
В основе данного способа определения местоположения путеизмерителя лежит использование как избыточной и априорной информации о характере движения вагона, так и данных, поступающих от СНС. Источником данных о положении путеизмерителя служит одометр, который в качестве начальных установок использует географические координаты, получаемые с помощью спутниковой навигационной системы, в качестве которой чаще всего используют GPS. Такая координатная идентификация результатов проверок используется на отечественном путеизмерителе нового поколения ЦНИИ-4 и в британской путеизмерительной системе «TrackMon» [2]. Указанный способ коррекции одометра также не лишен недостатков:
СНС имеет погрешность определения местоположения;
необходимо предварительное преобразование выходных параметров СНС к виду, который имеет входные параметры одометра;
сигнал, поступающий от GPS, может прерываться.
Следующим шагом в развитии систем географической локализации путеизмерительных вагонов стало совместное использование рассмотренных выше способов коррекции одометра, что позволило нейтрализовать их недостатки. Такое инженерное решение реализовано в системе POS/TG [3].
1.4 Определение местоположения в системе POS/TG
Данная система объединяет навигационные данные технологии позиционирования и ориентации (POS) с результатами оптических измерений, чтобы точно измерять геометрические параметры пути и локализовывать их по географическому местоположению.
Координатная идентификация данных проверок осуществляется с помощью приемника GPS, через который получают информацию о коорди-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
32
Проблематика транспортных систем
натах точек, в которых проводятся измерения геометрических параметров пути. Период измерений определяется одометром, который еще используется для уточнения данных спутниковой навигации.
Общая синхронизация местоположения осуществляется специальным прибором (LS), который определяет точное географическое местоположение вагона даже во время прерывания сигнала GPS. В ходе работы прибор LS также уточняет полученные СНС данные, минимизируя расстояние между фактическим местом нахождения путеизмерителя и ориентирами, информация о которых содержится в базе данных географической информационной системы (GIS).
Основным недостатком этой системы является ее высокая стоимость.
1.5 Выводы по результатам анализа
Требования по точности географической локализации результатов проверок состояния пути приводят к созданию интегрированных систем определения местоположения путеизмерителя. Из-за сложного построения таких систем возможны сбои в их работе. Высокая их стоимость также не позволяет за короткий период времени создать необходимое количество путеизмерителей, оснащенных этими системами.
Поэтому для быстрого решения задачи точной координатной идентификации измерений путеизмерителя необходим подход, который не связан с внедрением новых технических систем, а учитывает особенности свойств железнодорожного пути. Для этого предлагается метод, основанный на использовании корреляционной зависимости результатов текущей проверки относительно результатов предыдущей проверки на этом же участке пути.
2 Метод контроля координатной привязки результатов измерений (МККПРИ)
2.1 Теоретическая основа метода
Разработанный метод основан на том факте, что рельсовая колея обладает высокой жесткостью. Поэтому за короткий период времени даже под воздействием больших эксплутационных нагрузок резкое изменение геометрии пути не произойдет. Может увеличиться только ширина и амплитуда неровностей рельсовых нитей, при этом общая тенденция ухудшения состояния пути останется прежней. Учитывая такую особенность железнодорожного полотна, можно утверждать, что взаимосвязь результатов соседних по времени проверок будет высокой, а их коэффициент корреляции будет равен почти единице.
Предлагаемый метод заключается в нахождении максимального взаимного коэффициента корреляции между двумя последними проверками по каждому параметру проверки на каждом проверенном километре пути.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
33
2.2 Определение максимальных коэффициентов корреляции между результатами двух последних проверок
Эти коэффициенты должны вычисляться на максимально маленьком участке, который позволяет однозначно идентифицировать геометрию пути. Длина такого участка будет равна максимальной ширине неровности пути по определенному параметру контроля. Ширина определяется опытным путем по результатам проверок пути. Обозначим ее М.
Пусть 8 - погрешность определения пройденного расстояния при проверке 1 км пути, получаемая опытным путем, но не меньше инструментальной погрешности одометра; l - интервал, через который одометром делается измерение координаты местоположения. Тогда максимальное отклонение вычисленного местонахождения от координаты пути в отчетах одометра на 1 км можно найти по формуле:
m = e/1.
Пусть fx) - функция текущего состояния пути по одному из параметров проверки, fo(x) - функция состояния пути, полученная по результатам предыдущей проверки, по тому же параметру и на том же участке. Тогда математические ожидания этих функций на интервале длиной M находятся по формуле:
где n
M ( x )
f (x + i • l )= M0( x)
количество измерений,
n = M /1.
Найдем все коэффициенты корреляции между состоянием пути, полученным по результатам предпоследней проверки, на интервале длиной M и серединой в точке с координатой x0 и текущим состоянием пути на интервалах такой же длины и серединами в точках с координатами [x0 — e; x0 + е]. Пусть j е [—m;m], тогда
X(f(xo +l •(j +i)) — M(xo + j •l)) • (fo(xo +i •l) — Mo(xo))
R
J+m
1
X (f( xo +l •(j +i)) — M(xo + j •l))2
1
(1)
X(fo(x0 + i •l) — M0(x0))2
n
n
2
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
34
Проблематика транспортных систем
Из массива Rj+m выбираем наибольший коэффициент корреляции.
Для правильного суждения об ошибке в определении местоположения путеизмерителя естественно найти среднее арифметическое порядковых номеров максимальных коэффициентов корреляции кср, вычисленных для каждого контролируемого параметра.
2.3 Проведение координатной корректировки результатов измерений
После определения смещения координат последней точки проверенного километра, равного кср • l, можно скорректировать координаты каждой из точек этого километра. Так как неизвестна природа инструментальной погрешности одометра, для простоты корректировки считаем, что она распределена равномерно по количеству измерений, сделанных при проверке каждого километра пути. Одометр делает 1000/1 измерений на 1 км. Введем i е [1;1000/1]. Тогда величина корректировки для каждой i-й точки проверенного километра вычисляется по формуле:
i • к • l2
K. =—^---
г 1000
(2)
На полученные значения надо скорректировать координаты всех точек проверенного километра, в которых проводились измерения, и ввести новую начальную координатную привязку.
2.4 Алгоритм работы МККПРИ
Корректировку координат надо осуществлять в автоматическом режиме на каждом километре пути. Для этого был разработан алгоритм ее проведения (рис. 1).
Предполагается, что при контроле состояния пути разработанный метод должен быть составной частью общего алгоритма работы бортовой автоматизированной системы (БАС) путеизмерителя. Поэтому МККПРИ не реализован в качестве отдельного программного продукта.
Начало
1
2006/3
2
Для каждого параметра найти Rj+m по формуле (1)
3
Определить кср и значения K по формуле (2) Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
35
Рис. 1. Блок-схема алгоритма МККПРИ
2.5 Практическое применение разработанного метода
Экспериментальная проверка метода корректировки данных проводилась в программной среде MathCad. При этом результаты контроля состояния пути представлялись в цифровом виде с периодом квантования l = 0,34 м.
На рисунке 2 приведен пример использования разработанного метода, с помощью которого определили координатное смещение результатов измерений, равное 8,6 м, и провели необходимую корректировку координат точек измерений 9-го км 3-го пути Октябрьской железной дороги.
Как показали исследования, при применении разработанного метода на каждом проверяемом километре пути можно осуществлять локализацию данных с погрешностью до одного интервала измерений, что позволит значительно повысить точность координатной привязки результатов контроля.
а) До корректировки
36
Проблематика транспортных систем
Рис. 2. Корректировка координатной привязки результатов измерений:
1 - ширина колеи по состоянию на 4 октября 2001 г.;
2 - ширина колеи по состоянию на 6 июля 2001 г.
Заключение
Разработан метод контроля координатной привязки результатов проверки состояния пути, который основан на особенностях изменения железнодорожного полотна, поэтому точность его применения не зависит от точности измерительной системы, что позволяет использовать его на путеизмерителях разных моделей.
Кроме того, преимуществами данного метода являются: во-первых, высокая точность корректировки координат пути; во-вторых, низкая стоимость внедрения в виде дополнительной процедуры к основному программному обеспечению бортовой автоматизированной системы путеизмерителя; в-третьих, простой математический аппарат, что обеспечивает высокую скорость вычислений.
Библиографический список
1. Jovanovic S. Railway Gazette International. - 2003. - № 5. - P. 277-282.
2. Boocock C. Modern Railways. - 2001. - № 636. - P. 34-36.
3. Zywiel J., Oberlechner G. International Railway Journal. - 2001. - № 9. - P. 31-35.
УДК 629.4.067.4
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
