Разработка систем автоматизированного управления выправкой пути на базе ГНСС Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 528.48:625.1

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЫПРАВКОЙ ПУТИ НА БАЗЕ ГНСС

Владимир Васильевич Щербаков

Сибирский государственный университет сообщения, 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, заведующий кафедрой инженерной геодезии, профессор, тел. (383)328-04-37, e-mail:vvs@stu.ru

Иван Александрович Бунцев

Сибирский государственный университет сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории диагностики дорожных одежд и земляного полотна, тел. (383)328-04-75, e-mail:vvs@stu.ru

Иван Владимирович Щербаков

Сибирский государственный университет сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, ведущий инженер Лаборатории диагностики дорожных одежд и земляного полотна, тел. (383)328-04-75, e-mail:vvs@stu.ru

Ольга Владимировна Ковалева

Сибирский государственный университет сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной геодезии, тел. (383)328-04-37, e-mail:kov@stu.ru

Александр Иванович Пименов

Центральная дирекция по ремонту пути, 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Орджоникидзе, 37/1, ведущий инженер, тел. (383)229-51-223, e-mail: PAI-OPMS@YA.RU

Разработаны три принципиально разных способа и реализованы в системах автоматизированного управления для основных путевых машин.

Ключевые слова: путевые машины, геометрические параметры пути, геодезические методы, пространственное положение.

DEVELOPMENT OF AUTOMATED CONTROL SYSTEMS BY SETTING UP THE RAILS BASED ON GNSS

Vladimir V. Shcherbakov

Siberian State University of Railway Engineering, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 D. Kovalchouk St., professor, head of department of engineering geodesy, tel. (383)328-04-37, e-mail: vvs@stu.ru

Ivan A. Buntsev

Siberian State University of Railway Engineering, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 D. Kovalchouk St., leading researcher, department of diagnosis of roads and subgrade, tel. (383)328-04-79, e-mail: vvs@stu.ru

Ivan V. Shcherbakov

Siberian State University of Railway Engineering, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 D. Kovalchouk St., engineer, department of diagnosis of roads and subgrade, tel. (383)328-04-79, e-mail: vvs@stu.ru

Olga V. Kovalyova

Siberian State University of Railway Engineering, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 D. Kovalchouk St., associate professor, department of engineering geodesy, tel. (383)328-04-37, e-mail: kov@stu.ru

Alexandr I. Pimenov

Directorate for repair of railway track, 630049, Russia, Novosibirsk, 37/1 Ordzonikidze St., leading engineer, tel. (383)229-51-223, e-mail: PAI-OPMS@YA.RU

Developed three fundamentally different ways and implemented in automated control systems for the major rail fixing machines.

Key words: rail fixing machines, track geometry, the relative methods.

Широкое распространение при планировочных работах в строительстве, в том числе линейных сооружений получили системы автоматизированного управления (САУ) на базе ГНСС, которыми оснащаются бульдозера, автогрейдеры, экскаваторы и т.д. В отличие от САУ на базе лазерного построения плоскости, тахеометров и других систем САУ на базе ГНСС имеет более широкий функционал и автономность, при этом объем работ при подготовке к строительству и затраты на создание опорной геодезической сети с использованием ГНСС значительно сокращаются.

Специфика геодезического обеспечения железных дорог обусловлена высокой точностью взаимного положения смежных точек, например положение рельсовой нити в плане на хорде в 20 метров составляет 1 мм.

Пространственное положение оси пути регламентируется нормативными документами, включая требования к проектно-изыскательным работам при реконструкции (модернизации) железнодорожных путей. Для обеспечения нормативных требований при выполнении ремонтов и модернизации выполняется поэтапное обеспечение нормативных требований (распоряжение №75Р от 11.01.2013г.). Так, на этапе балластировки погрешность постановки пути в проектное положение допускается до 3см, на следующих этапах точность повышается и на этапе чистовой выправки взаимное положение смежных точек составляет 1-2мм.

Рассмотрим только этапы, которые обеспечивают постановку пути в проектное положение.

Постановка пути в проектное положение, осуществляется на этапе балластировки электро-балластером или машиной ВПО. На данном этапе обеспечивается постановка пути в проектное положение с использованием пространственных данных. Используются различные методы разбивочных работ с закреплением оси соседнего пути вешками, до привязки проектного положения пути к проектной оси ремонтируемого пути.

При выполнении проектно-изыскательных работ изыскатель определяет пространственное положение оси ремонтируемого пути в координатах. В дальнейшем для обеспечения возможности постановки пути в проектное положение существующими методами создают эпюры рихтовок, рассчитывают проектное

расстояние между осями ремонтируемого и соседнего пути. Переход от пространственных данных к геометрическим параметрам и относительным величинам при отсутствии системы автоматизированного управления выправкой пути, обеспечивающих работу с пространственными данными используется при ремонте пути на протяжении десятилетий и в настоящее время является основным на Российских железных дорогах.

Недостатки относительных методов очевидны и они связаны с использованием относительных величин, например стрел изгиба на хорде 20м, в результате ремонтируемый путь копирует неровности соседнего пути, не устраняются длинные неровности, появляются многорадиусные кривые и т.д.

Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС) разработал систему для управления выправкой пути [1] основанную на использовании ГНСС три принципиально разных способа ее реализации в системах автоматизированного управления (САУ) основных путеремонтных машинах (ВПО, ЭЛБ, ЯМ, ЩОМ, Доумат) [2, 3, 4].

САУ выправкой пути, в основе которой лежит сравнение пространственного положения измерительной тележки (ПРУ) с проектным пространственным положением оси пути и возвышения рельса (рис. 1). Данные САУ построены по классической схеме высокоточного позиционирования с использованием дифференциальных поправок аналогично САУ грейдера, бульдозера, экскаватора. Устройство САУ включает спутниковую аппаратуру геодезического класса точности, систему редуцирования координат на измерительную ось, систему позиционирования положения измерительной тележки относительно фазового центра антенны, промышленный компьютер, блок управления гидроприводом и электроприводом.

монитор

, л

0.00 м 0 01 и

Рис. 1. Структурная схема САУ на базе ГНСС

Следующая САУ выправкой пути основана на сравнение фактических и проектных геометрических параметров (междупутья, превышение высотных отметок или других данных) (рис. 2) Принципиальная схема САУ наиболее близка к таким САУ и технологиям, в основе которых лежит измерительная база (копир-струна). Устройство САУ включает спутниковую аппаратуру картографического (ГИС) класса точности, систему позиционирования положения оси измерительной тележки относительно измерительной опорной базы (копир струна, соседний путь), промышленный компьютер, блок управления гидроприводом и электроприводом.

Л. I гыгг

Рис. 2. Структурная схема САУ на базе ГНСС с системой лазерного сканирования

Третья из рассматриваемых нами САУ выправкой пути основана на сравнении фактических и проектных значений переднего конца хорды (штатной троссо-хордовой системы машины) и его смещение в проектное положение (рис. 3). Наиболее предпочтительными штатными системами являются «Магистраль» (Россия), '^пАЪС (Австрия). САУ включает спутниковую аппаратуру геодезического класса точности, систему редуцирования координат на измерительную ось, промышленный компьютер, блок управления троссо-хордовой системой, актуатор.

Первый вариант САУ реализован на ЭЛБ (ОПМС-19) и применяется с 2013 года. В основе проектов лежит цифровая модель пути (ЦМП). САУ работает как с референц-станциями, так и с временными спутниковыми базовыми станциями, в зависимости от системы координат проекта. Необходимо отметить сложность освоения САУ штатными работниками, что требует дополнительного привлечения геодезиста при подготовке работ. Точность постановки пути в

проектное положение, по отклонениям от проектных значений в сечениях ОКС, не превышает 3 см.

Второй вариант САУ реализован 2013 году на ЭЛБ ОПМС-19 и в ноябре 2014 года в ПМС-20. Электронный проект создаётся техническими отделами ПМС на основе традиционных проектов путем формирования базы проектных данных (БПД) привязанных к глобальной системе координат WGS-84. Для работы САУ не требуется наличие референц-станций и соответственно дифференциальных поправок. Точность пространственных данных при привязке геометрических параметров ГНСС составляют 50 см. Точность постановки пути в проектное положение, по отклонениям от проектных значений в сечениях ОКС, не превышает 1 см. В 2014 году с использованием второго варианта САУ выполнен объём 117.3 или 90% всего объёма ЭЛБ-4С (№005) ОПМС-19.

Рис. 3. Структурная схема САУ на базе ГНСС комплексированная

с троссо-хордовой системой

Третий метод САУ реализован на машине Доумат (Чулымской ДПМ) и ВПО (ОПМС-19) в ноябре 2014. Средняя квадратичная погрешность постановки пути в проектное положение, по отклонениям от проектных значений в свечении ОКС, составляет 1 см., при этом одновременно с постановкой пути в проектное положение выполняется чистовая выправка с погрешностью в смежных сечениях 1 -2мм.

При работе ЩОМ-1200 [4] спутниковый приёмник определяет фактическую геодезическую высоту, а так же продольную координату ОКС и на этой

основе управляет заглублением рабочих органов машины (подрезной балки). Точность вырезки балласта - 3 см.

Исполненное положение пути снимается тележной «Профиль» с использованием дифференциальных поправок, а так же лазерным дальномером - расстояния до ОКС и других объектов инфраструктуры [5]. Точность съёмки в плане - до 1 см, в профиле - до 1.5 см

Для оценки качества работ и соответствия результатов выправки пути выполнялось исследование на нескольких участках ремонта.

Расчет экономической эффективности при внедрении показывают, что затраты на САУ по первому варианту окупаются через 2 года, а затраты на САУ по второму и третьему вариантам окупаются за первый год.

Перспективы внедрения САУ на базе ГНСС очевидны. Все три варианта САУ реализованы и востребованы. Так, САУ по первому варианту, особенно эффективна на однопутных участках при установке на ЭЛБ, по второму варианту на двухпутных участках при установки на ЭЛБ и ВПО не оборудованной троссо-хордовой системой и третий вариант эффективен при установке САУ на машины Доумат и ВПО оборудованных троссо-хордовой системой так как позволяет выполнить одновременно постановку пути в проектное положение и сглаживание.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент 147033 Российская Федерация, МПК 51 Е01 В29/04. Система для управления выправкой пути / В.В. Щербаков, А.И. Пименов, И.В. Щербаков, А.Н. Модестов, И.А. Бунцев, В.П. Славкин. -№ 2014120965/11; заявл. 23.05.2014, опубл. 27.10.2014.

2. Патент 136048 Российская Федерация, МПК 51 Е01 В29/04. Устройство для выправки железнодорожного пути / В.В. Щербаков, И.В. Щербаков, А.Н. Модестов, И.А. Бунцев, В.П. Славкин. -№ 2013134278/11; заявл. 22.07.2013, опубл. 27.12.2013.

3. Патент 112209 Российская Федерация, МПК 51 Е01 В35/00. Путевая машина / В.В. Щербаков, А.Н. Модестов, В.Д. Верескун, А.С. Пикалов. - № 2011133389/11; заявл. 09.08.2011, опубл. 10.01.2012.

4. Патент 126011 Российская Федерация, МПК 51 Е01 В27/10. Щебнеочистительная машина / В.В. Щербаков, А.Н. Модестов, В.Д. Верескун, А.С. Пикалов. - № 2012124581/11; заявл. 14.06.2011, опубл. 10.06.2012.

5. Щербаков В. В. Выправка пути при реконструкции и ремонте железнодорожных путей с использованием ГИС-технологий и ГНСС // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Меж-дунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 3. - С. 14-20.

© В. В. Щербаков, И. А. Бунцев, И. В. Щербаков, О. В. Ковалева, А. И. Пименов, 2015