Введение к работе
Актуальность работы
Непрерывное развитие высокоскоростного железнодорожного движения в мире ужесточает требования, в том числе и к точности установки железнодорожного пути в проектное положение. Определение фактического положения железнодорожного пути и оценка полученных результатов с помощью технических средств контроля являются важными аспектами совершенствования процесса установки пути в проектное положение как при строительстве, так и ремонтах пути современными высокопроизводительными путевыми машинами.
Для современных технологий обслуживания железнодорожного пути с использованием его абсолютных координат перспективным решением является создание вдоль железнодорожных магистралей специальной реперной сети. В этом случае с помощью измерительных систем, относительно реперов, возможно получение объективной информации о фактическом положении железнодорожного пути в жестких условиях непрерывной работы путевых машин на скоростях до 10 км/ч.
При вышеупомянутом методе требуется контролировать изменения пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле (выправка) до 300 мм и в плане (рихтовка) от 2 до 7 м с погрешностью, не превышающей 1,5 мм. Особенность работы систем состоит в том, что по запросу устройства управления машиной или автоматизированной системы объективного контроля качества выправленного пути информация в цифровом виде о положении пути в плане, профиле и по уровню относительно реперных меток (РМ) должна выдаваться одновременно независимо друг от друга. При этом наряду с малым энергопотреблением и полной автономностью реперные метки должны обладать возможностью снятия с них дополнительной информации, например, о проектном положении пути.
Необходимую погрешность (2 мм) контроля положения
железнодорожного полотна обеспечивают комплексы на основе спутниковой
навигации и автоматизированных геодезических приборов (тахеометров). В основном, подобные комплексы выполнены на базе путеизмерительных тележек, из-за малой массы которых измерения железнодорожного пути осуществляются в ненагруженном состоянии, вследствие чего результаты измерений таких комплексов необходимо пересчитывать к условиям рабочей нагрузки. Кроме того, к существенным недостаткам таких систем можно отнести невозможность контроля параметров пути на скоростях движения более 5 км/ч, что в совокупности с низкой степенью автоматизации измерений обуславливает необходимость исследования и разработки альтернативных способов контроля указанных параметров.
Современная элементная база оптико-электронных приборов позволяет создавать адаптивные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане на основе подходов компьютерного зрения для выполнения требований, обеспечивающих необходимые диапазон и точность контроля. Оптико-электронные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути (ОЭСКП) содержат набор РМ, связанный с геодезическими или специальным реперными знаками, положение которых определяется фотоприемным блоком ОЭСКП, расположенным на путевой машине и перемещающимся вместе с ней.
Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследований универсальных и адаптивных ОЭСКП, а в качестве предмета исследования - особенности построения фотоприемных блоков (ФБ) и РМ, алгоритмов функционирования ОЭСКП, структуры составляющих погрешности контроля, включая их взаимосвязи и влияние на суммарную погрешность контроля.
Цель работы
Целью диссертационной работы является исследование, проектирование и реализация опытных образцов адаптивных ОЭСКП на основе современных матричных фотоприемных структур и цифровых методов обработки информации о положении РМ, позволяющих контролировать одновременно и непрерывно положение железнодорожного пути в продольном профиле и плане и обеспечивать при этом работу современных автоматических систем управления выправкой пути и оценки качества работы путевых машин.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач.
-
Анализ и классификация оптико-электронных систем, предназначенных для контроля положения железнодорожного пути при движении по нему, критический анализ условий их использования и определение направления исследований.
-
Создание обобщенной модели исследуемых ОЭСКП, анализ особенностей обработки измерительной информации в них и теоретические исследования характеристик их элементов.
-
Разработка и исследование компьютерных моделей оптико-электронных модулей и способов комплексирования информации в ОЭСКП.
-
Разработка алгоритмов и программ обработки информации и управления функционированием физических моделей каналов ОЭСКП.
-
Разработка методик проектирования ОЭСКП и реализация на их базе документации на типовые опытные образцы.
-
Анализ и оценка степени влияния основных источников погрешности контроля и разработка методов их уменьшения.
-
Разработка методик и автоматизированных средств экспериментального исследования элементов и опытных образцов ОЭСКП.
Методы исследования
В теоретической области применены аналитические и численные методы геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта пространственных картин, разработаны инженерные методики по выбору соотношений, параметров и характеристик элементов обобщенной схемы ОЭСКП. В экспериментальной части при исследовании элементов системы и анализе методов обработки измерительной информации используются как детерминированные компьютерные модели функциональных элементов ОЭСКП, реализованные на основе пакетов прикладного программного обеспечения MATLAB и MathCAD, так и физические модели. Практическая проверка полученных характеристик осуществлена с использованием разработанных опытных образцов ОЭСКП.
Научная новизна работы
Подход к компенсации влияния условий рабочей среды на основе разработанных цифровых методов обработки смазанных изображений реперных меток в ОЭСКП, обеспечивающий требуемые характеристики контроля.
Методология комплексирования информации о перемещающихся специальных РМ на основе межкадрового и спектрозонального методов обработки изображений для повышения устойчивости обнаружения, распознавания и координатного анализа изображений РМ на сложном фоне.
Основные результаты, выносимые на защиту
-
-
Обобщенная структурная схема универсальной ОЭСКП, позволяющая исследовать и конфигурировать на базе модульного принципа различные структуры контроля фактического пространственного положения железнодорожного пути по реперной сети.
-
Методология выбора элементов ОЭСКП с единым матричным полем анализа и алгоритмы обработки и коррекции измерительной информации по смазу изображений РМ в фотоприемных каналах с целью компенсации влияния условий рабочей среды.
-
Математическое описание модели ОЭСКП для оценки степени влияния частных систематических и случайных погрешностей и оценки факторов, отрицательно влияющих на процесс контроля и анализ путей их ослабления.
-
Методики экспериментальных исследований и испытаний на сформированном автоматизированном стенде для оценки статических и динамических погрешностей опытных образцов ОЭСКП с активными РМ.
5. Новые средства контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и в плане (патенты РФ .№2424932, №22443826, №2456542, №2445572).
Практические результаты работы
-
-
-
Предложена методика определения параметров и алгоритмов обработки информации в элементах структуры ОЭСКП, позволяющая оптимизировать структуру ОЭСКП по габаритно-энергетическому критерию.
-
Сформированы методы комплексирования информации с единого матричного поля анализа и алгоритмы обработки информации на основе принципов межкадровой обработки и спектрозональной селекции для анализа динамических искажений отображений РМ.
-
Получены математические описания частных систематических и случайных факторов, отрицательно влияющих на процесс контроля, предложены методы их ослабления.
-
Реализованы опытные образцы ОЭСКП, прошедшие приемочные испытания на различных путевых машинах:
оптико-электронная система контроля положения реперных меток (ОЭСКПРМ-0601) на путевой машине «Дуоматик 09-32» при текущем ремонте железнодорожного пути;
оптико-электронная система считывания реперных меток (ОЭССРМ-0801) на путевой машине ВПР-02м при комплексном контроле геометрических параметров железнодорожного пути после ремонта.
Реализация результатов работы подтверждена тремя актами использования методик расчета параметров оптико-электронных измерительных систем в Научно-образовательном центре оптико-электронного приборостроения кафедры Оптико-электронных приборов и систем НИУ ИТМО, 4 патентами РФ на изобретения (1 патент совместно с ОАО "РЖД"), а также в учебном процессе НИУ ИТМО.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на 21 конференциях и семинарах, 8 из которых международные: XXXIV, ..., XLII научные конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2005, ..., 2013 г.); IV, ..., VII Всероссийские межвузовские конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, Россия, 2006, ..., 2010 г.); IV. V Международные конференции молодых ученых и специалистов «Оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2005, 2007 г.); VIII Международная конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); 5 международный симпозиум по точным измерительным технологиям и приборостроению (Ханчжоу, Китай, 2008 г.); Международная конференция SPIE Optical Engineering + Applications (США, Сан-Диего, 2012 г.).
В 2011 и 2012 годах исследования по тематике диссертации получили поддержку в рамках конкурса грантов Правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 4 патента на изобретение РФ, 10 статей в изданиях из перечня ВАК (из них 4 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований, содержит 155 страниц основного текста, 98 рисунков, 6 таблиц и 7 приложений.
Похожие диссертации на Разработка и исследование оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане относительно реперных меток
-
-
-
