Введение к работе
Актуальность. Увеличение пропускной способности железных дорог, предусмотренное Стратегической программой развития ОАО «РЖД» на период до 2015 года, связано с повышением скорости движения пассажирских поездов до 250 км/час и грузовых поездов – до 120 км/час при увеличении осевых нагрузок до 30 тонн на ось. Вместе с этим, на сети железных дорог существует большое количество объектов с дефектами и деформациями балластного слоя и земляного полотна, ограничивающими скорость движения подвижного состава и представляющими собой постоянную угрозу безопасности перевозочному процессу.
Использующиеся в настоящее время методы диагностики таких объектов, базирующиеся в основном на визуальных осмотрах и точечном бурении скважин, не обеспечивают в полной мере оперативность получения полной и достоверной информации об их состоянии. Вместе с этим, проведение таких мероприятий в объемах, диктуемых протяженностью сети железных дорог, не рационально в связи с требуемыми материальными затратами. Учитывая, что такая информация необходима для уточнения заданий на проектирование ремонтов и реконструкции железнодорожного пути, а также для проверки качества выполненных работ, вопрос разработки скоростного метода георадиолокационной диагностики балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени и программно-аппаратного комплекса для его реализации является актуальным.
Работа выполнена в рамках реализации плана НТР ОАО «РЖД» по теме «Разработка алгоритмов, регламента и технологий для скоростной георадиолокационной диагностики железнодорожного пути» при поддержке гранта РФФИ № 11-08-13140-офи-м-2011-РЖД и государственного контракта №16.513.11.3125 Министерства Образования и Науки Российской Федерации.
Цель исследований. Разработка методик и программно-аппаратного комплекса (ПАК) для диагностики состояния балластного слоя в системе мониторинга железнодорожного пути с использованием скоростного метода георадиолокации в режиме реального времени.
Задачи исследований.
-
Теоретически обосновать возможность количественной обработки радарограмм и создать программно-аппаратный комплекс (ПАК) для диагностики балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени.
-
Определить оптимальную высоту подвеса и положение антенных блоков относительно рельсошпальной решетки при решении задач вычисления загрязненности, деформативности и толщины балластного слоя. Составить рекомендации по использованию антенных блоков для диагностики балластного и разделительного слоев, а также подбалластного основания.
-
Разработать алгоритмы и методики обработки георадиолокационной информации, позволяющие определять загрязненность, влажность, толщину и структуру балластного слоя, а также геометрические параметры балластных углублений в режиме реального времени.
-
Разработать алгоритмы позиционирования георадиолокационной информации в принятой на железных дорогах пикетной системе координат с использованием спутниковых технологий.
-
Провести натурную проверку качества информации, получаемой с использованием ПАК в различных природно-климатических условиях в составе диагностических комплексов «Интеграл» и «Декарт».
Методы исследований. Для решения поставленных задач выполнены теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных условиях и на натурных объектах.
Теоретические исследования базируются на классической волновой теории распространения электромагнитного излучения.
Лабораторные исследования выполнены на стенде, моделирующем балластный слой и верхнюю часть земляного полотна железнодорожного пути.
Натурные исследования выполнены на объектах Северо-Кавказской, Горьковской и Московской железных дорог – филиалов ОАО «РЖД».
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны методики определения загрязненности, влажности и толщины балластного слоя, а также геометрических размеров балластных углублений по результатам количественной обработки георадиолокационных данных в режиме реального времени.
-
Для определения электрофизических характеристик балластного материала разработаны методики расчета:
диэлектрической проницаемости и удельной проводимости среды по видимым границам на радарограмме и величине сигналов, отраженных от них;
коэффициентов затухания электромагнитного излучения при разной влажности среды.
-
Создан программно-аппаратный комплекс для проведения скоростной георадиолокационной диагностики состояния балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени с учетом влияния климатических факторов на результаты его работы.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Программно-аппаратный комплекс для проведения скоростной георадиолокационной диагностики балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени и формирования данных о его толщине, загрязненности, степени увлажнения и деформативности.
-
Методики определения влажности и толщины балластного слоя железнодорожного пути по диэлектрической проницаемости и коэффициенту затухания электромагнитного излучения.
-
Методика проведения георадиолокационной диагностики железнодорожного пути в составе мобильных средств и диагностических комплексов («Интеграл», «Декарт»), предусматривающая автоматическое заполнение утвержденных форм документов для передачи результатов георадиолокационной диагностики в систему комплексного анализа «КАСКАД».
Достоверность полученных результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений классической волновой теории распространения электромагнитного излучения. Полученные теоретические результаты, методики обработки георадиолокационных данных и программы для электронных вычислительных систем проверены и подтверждены лабораторными и натурными измерениями.
Практическая значимость работы. Результаты исследований использованы при разработке противодеформационных мероприятий и планировании капитальных ремонтов и реконструкции железнодорожного пути, а также его текущем содержании на объектах Северо-Кавказской, Московской и Горьковской железных дорогах. Разработанный ПАК находится в опытной эксплуатации на Северо-Кавказской железной дороге и используется в диагностических комплексах «Интеграл» и «Декарт».
Разработана технология автоматического формирования утвержденных выходных форм документов, необходимых для передачи результатов георадиолокационной диагностики в систему комплексного анализа «КАСКАД».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2010); 7-й научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог» (Москва, МИИТ, 2010); на третьей, четвертой, пятой и шестой международных научно-практических конференциях «Инженерная и рудная геофизика-2007, 2008, 2009, 2010» (Геленджик, ГНЦ «Южморгеология», 2007-2009, Москва , 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК, получено 2 патента и 2 свидетельства о государственной регистрации программы на ЭВМ РФ.
