CC BY
114
УДК 528.48
ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ ПУТИ - ОСНОВА ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА (РЕМОНТА) И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Сергей Анатольевич Комягин
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, аспирант, тел. (923)777-35-44, e-mail: [email protected]
Владимир Васильевич Щербаков
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой инженерной геодезии, тел. (913)912-86-91, e-mail: [email protected]
Иван Владимирович Щербаков
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, ведущий инженер, тел. (913)795-33-33, e-mail: [email protected]
Приведены проблемы геодезического обеспечения железных дорог, особенности и специфика решения инженерных задач на железных дорогах и основные направления развития средств и методов для повышения уровня геодезического обеспечения железных дорог компании ОАО «РЖД».
Ключевые слова: ГИС-технологии, геометрические параметры пути, системы управления выправкой пути (СУВП), ^стема автоматизированного управления (САУ).
MODERN GEODETIC CONTROL OF DESIGNING, CONCTRUCTION (REPAIRS) AND MAINTENANCE OF RAILWAYS
Sergey A. Komyagin
Siberian Transport University, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 Dusi Kovalchukst., Ph. D. student, tel. (923)777-35-44, e-mail: [email protected]
Vladimir V. Shcherbakov
Siberian Transport University, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 Dusi Kovalchukst., Ph. D. in Engineering sciences, Professor, head of the Department of engineering geodesy, tel. (913)912-86-91, e-mail: [email protected]
Ivan V. Shcherbakov
Siberian Transport University, 630049, Russia, Novosibirsk, 191 Dusi Kovalchukst, lading engineer, tel. (913)795-33-33, e-mail: [email protected]
The paper deals with the problems of geodetic control at railways, with the specific character and peculiarities of railway engineering problems and their solutions, and with the principal guidelines for facilities and methods development of geodetic control and the standard of its improvement at railways of RZD Corporation.
Key words: technologies based on geoinformation system, locationand geometrics, track alignment control system, automatic control systems.
Развитие геодезических средств измерений и методов представления данных позволило распространить сферу их применения на различные отрасли, в том числе внедрять их на железнодорожном транспорте. Цифровая модель пути (ЦМП) предназначена для цифрового описания пространственного положения железнодорожного пути, отдельных объектов инфраструктуры и обеспечения единой координатной среды для всех измерительных средств и мониторинга инфраструктуры, включая рельсовую колею.
Область применения: определение пространственного положения оси пути, габаритов приближения строений; создание продольных и поперечных профилей, карточки (паспорта) кривой, электронных проектов для электробалластера и ЩОМ; привязка к линейной координате пути результатов дефектоскопии, съемка мобильным сканером натурного положения железнодорожного пути, а также решения других задач.
Цифровые модели - универсальное средство цифрового представления объектов инфраструктуры, что позволяет использовать их при проектировании, строительстве и мониторинге инженерных сооружений. Именно цифровая модель пути лежит в основе современного геодезического сопровождения железных дорог
Особенности геодезического сопровождения железных дорог были всегда связаны со спецификой и структурой линейных объектов железнодорожного транспорта, находящихся под действием динамических нагрузок, и их влиянием на параметры геометрии пути. При росте скоростей увеличивают требования к точности определения геометрических параметров и динамики их изменения. При этом требования к взаимному положению объектов и элементов инфраструктуры в десятки раз выше по отношению к пространственному положению и средства измерений должны соответствовать предъявляемой точности как взаимного, так и пространственного положения точек инфраструктуры.
Набор средств и методов геодезического сопровождения железных дорог разнообразен, однако традиционные средства измерений должны уступить место современным, таким как лазерные сканеры, тахеометры, спутниковые приборы, т.к. только они позволяют без дополнительных конвертаций создавать ЦМП и вести измерения в абсолютных величинах, координатах государственных или местных, чего не могут относительные методы измерения.
Основным фактором, определяющим методы геодезического сопровождения, является использование относительных методов проектирования, технологии ремонтов и реконструкции пути, а также контроля состояния верхнего строения пути и рельсовой колеи. Таким образом, инструментальная съемка пути при натурных проверках выполняется относительным методом Гоникбер-га, контроль параметров рельсовой колеи осуществляется методом хорд по стрелам изгиба на хорде 20 м. При этом одним из главных критериев оценки является плавность хода. Отклонения пространственного положения пути от проектного не контролируются.
Отсутствие методов и средств постановки пути в проектное положений по геодезическим координатам с использованием цифровой модели пути вынуждает выдавать проектно-изыскательские работы в традиционных форматах, с использованием эпюр рихтовок от соседнего пути и т.д.
Если даже инструментальная съемка выполнялась тахеометрами в пространственной системе координат, то этот набор пространственных данных не используется. Причина в том, что сейчас в России на железных дорогах пока широко не внедрены системы управления выправкой пути (СУВП). Принцип работы данных систем основан именно на применении пространственных данных. Во время строительства основной способ постановки пути в проект - это сдвижка пути в плане на величину разницы между проектным расстоянием (по эпюре рихтовок) до соседнего пути и фактически измеренным. Такой подход минимизирует затраты и время постановки пути в проектное положение, но при этом имеет недостатки принципиального характера.
Главный недостаток - использование соседнего пути в качестве реперного. При этом промежуток времени от момента изысканий до ремонта может составлять более одного года. За это время пространственное положение пути в силу различных причин (сдвижка) при текущем ремонте, под действием динамических нагрузок (соседнего пути) и других факторов, изменяется. Длинные неровности в плане и профиле, а также многорадиусные кривые при использовании относительных методов остаются.
Применение методов и средств разработанных на основе геодезических координат требует разработки ЦМП. Одним из сдерживающих факторов развития ГИС на железных дорогах России является нормативно-правовая база регламентирующая использование пространственных данных и соответственно применение ГИС-технологий при создании проектов ремонта, строительстве (ремонте) и эксплуатационных работах. Распоряжение президента компании ОАО «РЖД» В.И. Якунина №2511 от 03.12.2010 г. « О создании комплексной системы пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта» позволило принципиально улучшить порядок геодезического сопровождения железных дорог.
Сотрудничество Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС) и Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД) позволило разработать средства и методы диагностики рельсовой колеи, создать электронные карты, ЦМП, системы управления выправкой пути на базе ГНСС [15]. В настоящее время разработаны системы автоматизированного управления (САУ) на базе глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), использующих ЦМП, созданные с помощью АПК «ПРОФИЛЬ» [2, 3].
Кроме того, впервые в России на базе этого способа разработан СУВП для путевых машин типа балластер и выправочная отделочная машина (ВПО) [4, 5].
Основной задачей при переходе на цифровые технологии при проектировании, строительстве (ремонте), эксплуатации железных дорог является внедрение новых цифровых методов проектирования, системы автоматизированного управления инфраструктурой с использованием ГИС-технологий, мониторинга состояний рельсовой колеи, железнодорожного пути, искусственных сооружений, хранения и корректировки информации в БД. Для решения данных задач необходимо обеспечить единую координатную среду, универсальные формулы и структуры данных для цифрового описания пространственного положения объектов, возможность трансформирования данных в новые или спе-
циальные форматы данных, например для создания электронных проектов ремонта. Наиболее универсальным и функциональным способом для решения инженерных и управленческих задач при переходе на цифровые технологии является создание цифровых моделей пути (ЦМП).
Цифровые модели пути обеспечивают:
1) Цифровое представление пространственного положения железнодорожного пути;
2) Жесткую связь пространственного положения пути в глобальных координатах, например WGS-84 с государственными, локальными или ведомственными системами, включая линейные системы координат (Км + ПК + М);
3) Создание единой координатной среды для всех потребителей информации;
4) Обеспечение единства измерений;
5) Создание БД с широкими информационными возможностями по трансформации данных, их преобразований и формирований заданий (проектов), контроля их исполнения, включая режим реального времени в удобной системе координат;
6) Представление и пересчет данных в новые системы координат с использованием ключей перехода (преобразований);
7) Внесение изменений в БД инфраструктуры после завершения ремонтов, паспортизации, инвентаризации, изменений системы координат и т.д.;
8) Решения инженерных задач (продольный профиль, габариты приближения строений, тяговые нагрузки, непогашенное ускорение и т.д.).
Практическое значение ЦМП:
1) ЦМП является основой высокоточной привязки инфраструктуры железных дорог и одной из необходимых составляющих ГИС;
2) ЦМП обеспечивает единство координатной среды, что позволяет различным структурам, потребляемым информации, в не зависимости от используемой системы координат обеспечивать единство измерений. Например, специалисты, работающие с ГИС, используют глобальную систему координат WGS-84 при решении конкретных инженерных задач, проектировщики используют плоскую прямоугольную систему координат Гаусса - Крюгера, а дорожные мастера - линейную систему координат (Км + ПК + М).
При этом любая точка инфраструктуры железной дороги однозначно определяется в трех системах координат, при необходимости - одновременно. Это одно из наиболее важных преимуществ ЦМП, т. к. дорожному мастеру задание выдается в привязке к удобной и понятной для него линейной системе координат (Км + ПК + М), если задание выдавать в глобальной системе координат WGS-84 (широта и долгота), то это приведет к непониманию, точно так же как и проектировщики, работающие в плоской прямоугольной системе координат (X, Y, Н): с использованием расстояний и дирекционных углов не пользоваться широтой и долготой при непосредственных измерениях в полевых условиях.
3) ЦМП является основой мониторинга, обеспечивая однозначное определение местоположения любой точкой инфраструктуры не зависимо от изме-
рительных средств (вагон-дефектоскоп, тележка-дефектоскоп, вагон-путеизмеритель), отрезка времени и количества циклов измерения.
4) ЦМП обеспечивает геодезическую привязку и позиционирование в любой точке железной дороги при измерении ьй точки в глобальных координатах (X, ф) и их преобразование в другие системы координат, например прямоугольные системы МСК (X, Y, Н) или линейные системы (Км + ПК + М).
Эта универсальная функция ЦМП является одной из важнейших, т.к. позволяет выполнять измерения спутниковой аппаратурой в системе координат WGS-84 и трансформировать точку позиционирования в системе координат, например проекта на ремонт, что обеспечивает возможность использовать ГНСС при создании систем автоматизированного управления (САУ) выправкой пути, вырезкой балласта, железнодорожных навигаторов дорожного мастера и т.д.
5) ЦМП является основой электронных проектов, которая выполняется путем корректировки ЦМП с использованием проектных данных (рихтовки и подъемки). Преимуществом ЦМП является возможность использовать электронные проекты в течение длительного периода (от капитального ремонта до дополнительного), что позволяет сохранять пространственное положение оси пути в проектном положении в течение межремонтного срока.
Технический и экономический эффект складывается из повышения производительности при использовании цифровых технологий при проектировании, принятии управленческих решений, решений инженерных задач, включая выправку пути, расширении функциональных возможностей существующих БД, измерительных систем, систем управления и прогнозирования по результатам мониторинга. Повышение качества содержания инфраструктуры за счет высокой степени информационного обеспечения при принятии управленческих решений, качества ремонта и оценки состояния инфраструктуры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Щербаков В. В., Щербаков И. В., Модестов А. Н., Бунцев И. А., Славкин В. П. / Патент на изобретение № 136048.«Устройство для выправки железнодорожного пути», 2013.
2. Щербаков В.В., Модестов А.Н., Верескун В.Д., Пикалов А.С. / Патент на изобретение 112209. «Путевая машина», 2012.
3. Щербаков В.В., Модестов А.Н., Верескун В.Д., Пикалов А.С. / Патент на изобретение 126011. «Щебнеочистительная машина», 2012.
4. Щербаков В. В., Пименов А. И., Щербаков И. В., Модестов А. Н., Бунцев И. А., Славкин В. П. Патент № 147033. Российская Федерация, МПК 51 Е01 В 29/04. Система для управления выправкой пути, 2014
5. Способ определения пространственных параметров рельсового пути и устройство для его осуществления: пат. на изобретение 2261302 Российская Федерация, МПК 51 Е01В35/00/В.В. Щербаков [и др.]; заявитель и патентообладатель СГУПС. -№ 2003111110/11; заявл. 17.04.2004, опубл.27.09.2005.
© С. А. Комягин, В. В. Щербаков, И. В. Щербаков, 2017
