Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Анализ методов и программных комплексов, применяемых для диагностики верхнего строения пути. Цель и задачи исследований 8
1.1 Анализ современных средств диагностики верхнего строения пути 9
1.2 Краткий обзор круга выполняемых задач, оборудования и технических возможностей путеизмерительного вагона ЦНИИ-4 12
1.3 Анализ возможных методов динамического позиционирования вагона ЦНИИ-4 16
1.4 Анализ программных комплексов, применяемых для реконструкции и текущего содержания пути 33
Глава 2. Разработка методов импорта и анализа профилей железнодорожного пути в программном комплексе Robur-rail 42
2.1 Разработка программы преобразования файлов с вагона ЦНИИ-4 в открытый обменный формат для использования в программе проектирования Robur-rail 44
2.2 Разработка программы преобразования бумажных профилей и профилей из других программ в открытый обменный формат для использования в программе проектирования Robur-rail 48
2.3 Импорт исходных данных в программный комплекс Robur-rail 50
2.4 Графический анализ профилей в программе Robur-rail 59
2.5 Выводы по главе 2 60
Глава 3 Разработка системы позиционирования вагона ЦНИИ-4 для повышения точности данных, собираемых при диагностике железнодорожного пути 61
3.1 Принцип использования системы радиочастотной идентификации для определения местоположения вагона ЦНИИ-4 61
3.2 Оценка достижимой точности определения местоположения вагона ЦНИИ-4 65
3.3 Обзор существующих систем радиочастотной идентификации 69
3.4 Разработка и изготовление экспериментального образца системы позиционирования 72
3.5 Климатические испытания образца 76
3.6 Выводы по главе 3 78
Глава 4. Разработка методов обработки продольных профилей участков железнодорожной линии 80
4.1 Графическое сравнение профилей в системе конструкторского проектирования AutoCAD 80
4.2 Разработка экспресс анализа профилей 85
4.3 Внедрение новых методов сохранения и обработки продольных профилей наСКЖД 94
Общие выводы 97
Литература
- Краткий обзор круга выполняемых задач, оборудования и технических возможностей путеизмерительного вагона ЦНИИ-4
- Разработка программы преобразования бумажных профилей и профилей из других программ в открытый обменный формат для использования в программе проектирования Robur-rail
- Оценка достижимой точности определения местоположения вагона ЦНИИ-4
- Внедрение новых методов сохранения и обработки продольных профилей наСКЖД
Введение к работе
Развитие экономики любого района начинается с развития транспортной инфраструктуры. Транспортная сеть совершенствуется за счет строительства новых и реконструкции существующих железных и автомобильных дорог.
Важнейшим фактором функционирования железнодорожного транспорта является его безопасная эксплуатация [1], достигаемая своевременной диагностикой верхнего строения железнодорожного пути [2, 3,4] и земляного полотна [5,6,7, 8].
С другой стороны - в условиях все возрастающей конкуренции со стороны авиационного и автомобилыгого транспорта на первые роли выходит необходимость существенного повышения качества перевозок, включая гарантированные сроки доставки грузов, социальную комфортность пассажиров. Основным направлением реализации этих требований является повышение скоростей пассажирских и грузовых поездов при безусловном обеспечении безопасности движения [9] и снижении отказов пути, что налагает жесткие требования по надежности пути [10, 11, 12, 13] и обеспечению высоких показателей по его геометрии [14, 15,16].
Для обеспечения высоких показателей геометрии необходимо использование, как данных текущего содержания пути [17, 18, 19], так и проектных данных [20] для возвращения плана и профиля пути к проектному положению, что особенно актуально на высокоскоростных магистралях.
На сегодняшний день нет сквозной системы проектирования и текущего содержания [21] железнодорожного пути. Не существует единого стандарта представления данных профиля пути, нет программ, связывающих данные проектного профиля пути с текущим профилем [22].
Анализируя тенденции изменения профиля пути относительно проектного, можно будет судить о состоянии земляного полотна, а именно о наличии пучин или просадок и тенденции их развития [23,24,25].
Применение современных компьютерных технологий и средств диагностики позволяет подойти к решению задачи анализа и текущего содержания пути с качественно новой стороны [26,27,28, 29,30].
С целью совершенствования работы железнодорожного транспорта в новых условиях 28.02.1996 г. Коллегией МПС России было принято постановление [31], которое предусматривает широкое применение компьютерных систем и технологий в автоматизированных системах управления железнодорожным транспортом [32,33, 34,35].
В настоящее время проблема автоматизации текущего содержания пути решается в нескольких направлениях, таких как модернизация автоматизированных комплексов диагностики верхнего строения пути [36] и внедрения автоматизированных систем управления (АСУ-П), однако с помощью данных комплексов остаются не решенными ряд задач.
Для выполнения работ по диагностики главных и станционных путей [37, 38, 39] широко используется вагон путеобследовательской станции ЦНИИ-4 (путеизмерительный вагон ЦНИИ-4). Данные, полученные вагоном ЦНИИ-4, существуют также в электронном виде. Однако эти данные имеют свой внутренний формат, который не поддерживает ни одна из программ проектирования или реконструкции железных дорог.
В диссертационной работе поставлена задача повышения скорости и безопасности движения поездов путем усовершенствования методов диагностики верхнего строения железнодорожного пути при текущем содержании, ремонте и реконструкции, для решения которой необходимо выполнить комплекс исследований:
- изучить состояние и перспективы развития автоматизированного проектирования транспортных систем и определить возможность адаптации существующих программных комплексов для решения задач текущего содержания, ремонта и реконструкции железнодорожного пути;
разработать методики оценки стабильности верхнего строения пути по данным диагностирования и предложить критерий устойчивости продольного профиля при эксплуатации;
теоретически обосновать и создать методику повышения точности нанесения вагоном ЦНИИ-4 на профиль железнодорожного пути осей ИССО, стрелочных переводов и зданий. Разработать прибор, с точностью съемки осей до 0,1 м, и методику обработки и экспорта его данных в программный комплекс вагона ЦНИИ-4;
- экспериментальным анализом профилей выполнить прогноз состояния земляного полотна и верхнего строения пути с целью выявления проблемных участков на Северо-Кавказской железной дороге.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
Разработана новая методика повышения точности нанесения осей ИССО, стрелочных переводов и зданий на профиль железнодорожного пути. Создан прибор с точностью съемки осей до 0,1 м и методика экспорта его данных в программный комплекс путеобследовательского вагона ЦНИИ-4 для обработки результатов.
Создана методика позиционирования вагона ЦНИИ-4, позволяющая повысить точность собираемых диагностических данных.
Разработана методика экспорта профилей с вагона ЦНИИ-4 и бумажных профилей в открытый обменный формат, а затем и в программный комплекс Robur-rail, позволившая производить их сравнение с проектным положением пути.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика выявления нестабильных участков железнодорожных линий путем анализа профилей средствами программного комплекса Robur-rail и Excel.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Разработана методика получения и сравнения текущих и проектных профилей, позволяющая оценить динамику состояния пути относительно проектных характеристик.
Предложен способ и разработано соответствующее оборудование для всепогодного позиционирования вагона ЦНИИ-4.
Разработанное оборудование позволило автоматизировать процесс начала съемки профиля с заданной точки пути и повысить точность построения и привязки профилей к проектным отметкам.
Предложенный программный комплекс позволяет создавать базу данных для анализа продольных профилей и обеспечивает возможность автоматического выявления проблемных участков железнодорожного пути, а также ошибок при съемке.
5. Предлагаемая система позиционирования может одновременно
выполнять роль реперной системы.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
- методика получения и сравнения в электронном виде текущих и проектных профилей, позволяющая прогнозировать динамику изменения состояния железнодорожного пути относительно проектного положения;
способ и устройство реализации этой методики для позиционирования вагона ЦНИИ-4 относительно объектов железной дороги при съемке плана и профиля верхнего строения пути;
программный комплекс, реализующий разработанную методику диагностики железнодорожного пути и прогноза его устойчивости.
Краткий обзор круга выполняемых задач, оборудования и технических возможностей путеизмерительного вагона ЦНИИ-4
Скоростная путеобследовательская станция ЦНИИ-4 с бесконтактным съемом информации и автоматической ее расшифровкой контролирует состояние пути с рабочей на вагоне. Полученные данные передаются в ПЭВМ для последующей обработки.скоростью до 160 км/ч [59]. Она определяет состояние пути по следующим параметрам [60,61]: определяемым непосредственно в процессе поездки: - ширина рельсовой колеи, мм; - просадки рельсовых нитей в вертикальной плоскости, мм; - взаимное положение рельсовых нитей по высоте (уровень), мм; - стрелы изгиба в плане от несимметричной хорды (рихтовка), мм; - перекосы пути на базе тележки (короткие перекосы), мм; - перекосы пути на базе кузова вагона (длинные перекосы), мм; - уклон продольного профиля оси пути, 0,001 рад; - кривизна пути в плане, 1 /м; - боковой износ рельсов (износ), мм; - величина стыковых зазоров (зазоры), мм; - температура рельсов, град.; - смещение рельсовых плетей относительно маячных шпал (угон пути) мм; - неровности на поверхности катания рельсов (короткие неровности); - горизонтальные и вертикальные ускорения кузова, м/с2; - длина пройденного пути (местоположение ВПС ЦНИИ-4), м; - скорость движения ВПС ЦНИИ-4, км/ч; вычисляемым после поездки: - отметки продольного профиля пути, см; - неровности продольного профиля пути, мм; - параметры устройства кривых участков пути: - непогашенное ускорение, м/с ; - скорость изменения непогашенного ускорения, м/с3; - допустимые скорости движения по фактическим параметрам кривой, км/ч; - показатели расстройства кривой; - отклонения от прямолинейного положения пути в плане, см; - горизонтальные неровности в прямых участках пути, мм; - статистические характеристики неровностей ГРК; - статистический показатель СССП (условная скорость, соответствующая состоянию пути по геометрии). Съемка первичных данных осуществляется с помощью комплекта датчиков, установленных на вагоне. Полученные данные передаются в ПЭВМ для последующей обработки.
Далее в диссертационной работе будет рассмотрена только та часть работы вагона, которая необходима для достижения поставленной цели.
В процессе съемки пути вагоном ЦНИИ-4 на профиль наносятся оси ИССО, стрелочных переводов и зданий. Точность нанесения таких данных варьируется от 1 до 8 м, т.к. зависит от внимания и скорости реакции оператора.
Указанная работа затруднена в темное время суток и при плохих погодных условиях, что накладывает определенные ограничения на график работы вагона.
Результаты обработки и анализа измерительных данных вагона ЦНИИ-4 документируются в виде табличных или графических выходных форм (ФП). Выходные формы разделяются на данные, формируемые в вагоне или в ПОД - (ФП), и данные, формируемые только в ПОД - (ФПЦ, ФПО), по результатам нескольких проходов ВПС ЦНИИ-4, с привлечением дополнительной информации.
Выходными документами при съемке продольного профиля главных путей являются: - график профиля (рис. 1.1) с отметками через 100 м, приведенными уклонами на пикетных отрезках, метками точек перелома профиля, длинами и уклонами элементов профиля; - таблица 1.1, содержащая данные о координатах точек перелома профиля, длине и уклоне элементов профиля, разности уклонов на переломе профиля; - график отклонений от прямолинейного положения в профиле с величинами отклонений (рис. 1.2); - график неровностей профиля с величинами неровностей (рис. 1.3).
В условиях повышения массы составов и повышения скорости движения поездов необходимо выполнять мониторинг текущего состояния пути с увеличенной точностью собираемых данных о состоянии пути. Для диагностики текущего состояния пути широко используется вагон ЦНИИ-4. В «Положении о порядке организации работы и использования информации, получаемой вагонами-путеобследовательскими станциями ЦНИИ-4» [61], в разделе 4 «Порядок подготовки к работе и проведение рабочих поездок» введено требование, что «при съемке продольного профиля предварительно геодезическим методом должны быть определены отметки по головке рельсов с шагом по пути не более 5 км, привязанные к системе координат (опорные точки)». При этом точкой начала процесса измерения и записи параметров колеи является маркер, координата которого заранее точно известна. Старт измерений производится автоматически в момент пересечения смотровым окном ВПС ЦНИИ-4 створа маркера. При отсутствии маркера оператор производит старт измерений при пересечении створа километрового столба» [59]. В тех же технических указаниях [59] заложено требование, чтобы положение маркеров было известно с точностью до 1 м по пикетажу. Это требование практически невыполнимо при ручном старте процесса записи, особенно при большой скорости вагона ЦНИИ-4.
При построении профиля в вагоне ЦНИИ-4 используется гироскоп, предназначенный для определения углов курса, крена и тангажа кузова вагона, а также вертикальных и горизонтальных ускорений кузова [62].
Информация о пройденном пути и уклоны записываются в базу данных. Данные об уклоне профиля записываются с точностью до 0,01 %о, что соответствует погрешности построения профиля по высоте 1 см/км, т.к. высотные отметки профиля вычисляются по уклону и пройденному пути относительно высоты заданной базовой точки.
Разработка программы преобразования бумажных профилей и профилей из других программ в открытый обменный формат для использования в программе проектирования Robur-rail
Технический прогресс последних десятилетий, обусловленный развитием компьютерной индустрии и появлением мощных программных средств, предназначенных для проектирования линейных и площадных объектов, а также появление нового оборудования, позволил подойти к задачам проектирования на новом более высоком уровне.
На сегодняшний день существует несколько программных комплексов, которые максимально адаптированы для решения задач проектирования железных дорог, а именно: CREDO, MXRAIL, Robur-rail, CARD/1 [73, 74, 75, 76].
Комплекс программных продуктов CREDO разрабатывается и распространяется научно-производственным объединением "Кредо-Диалог", (г. Минск, Республика Беларусь) начиная с 1989 года [77],
Программный комплекс CREDO состоит из нескольких крупных систем и ряда дополнительных задач, объединенных в единую технологическую линию обработки информации в процессе создания различных объектов от производства изысканий и проектирования до эксплуатации объекта. Каждая из систем комплекса позволяет не только автоматизировать обработку информации в различных областях (инженерно-геодезические, инженерно-геологические изыскания, проектирование и другие.), но и дополнить своими данными единое информационное пространство, описывающее исходное состояние территории (модели рельефа, ситуации, геологического строения) и проектные решения создаваемого объекта.
Основные функции комплекса CREDO. Камеральная обработка инженерно-геодезических изысканий. Обработка геодезических данных при проведении геофизических разведочных работ. Подготовка данных для создания цифровой модели местности инженерного назначения.
Создание и корректировка цифровой модели местности инженерного назначения на основе данных изысканий и существующих картматериалов. Формирование чертежей топопланов и планшетов на основе созданной цифровой модели местности, экспорт данных по цифровой модели местности в системы автоматизированного проектирования и геоинформационные системы. Обработка лабораторных данных инженерно-геологических изысканий. Создание и корректировка цифровой модели геологического строения площадки или полосы изысканий. Формирование чертежей инженерно-геологических разрезов и колонок на основе цифровой модели геологического строения местности, экспорт геологического строения разрезов в системы автоматизированного проектирования.
Маркшейдерское обеспечение процесса добычи полезных ископаемых. Проектирование генеральных планов объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства. Подсчет объемов земляных работ. Проектирование профилей внешних инженерных коммуникаций Проектирование нового строительства и реконструкции автомобильных дорог. Проектирование транспортных развязок. Решение задач проектирования железных дорог. Решение задач проектирования реконструкции плана железных дорог [78]. Ведение дежурных планов территорий и промышленных объектов. Геодезическое обеспечение строительных работ. Такой широкий круг решаемых задач выглядит достаточно заманчивым, однако остаются не решенными ряд задач [79]: 1. Создание управленческой информационной системы железнодорожного пути. 2. Поиск оптимального продольного профиля при реконструкции. 3. Оптимизация продольного профиля для новых железных дорог. 4. Оптимизация переустройства плана железнодорожной линии при реконструкции. 5. Решение задач плана при проектировании вторых путей. 6. Элементы проектирования железнодорожных станций. 7. Выполнение тяговых расчетов с определением ряда характеристик. Программный комплекс ЕМТ и его модуль MXRAIL предназначен для проектирования, реконструкции и капитального ремонта сооружений всех видов рельсового транспорта [80, 81], включая: железнодорожные линии любых типов (скоростные, промышленные); трамвайные линии; линии метрополитена; станции любой сложности.
Оценка достижимой точности определения местоположения вагона ЦНИИ-4
Далее в этом разделе будет проведен анализ точности, достижимой рассматриваемой системы радиочастотной идентификации. Вычисленные значения должны определить возможность и границы применимости системы ее для позиционирования путеизмерительного вагона ЦНИИ-4.
Очевидно, что чем больше пачек отраженных сигналов получено от метки, тем, при прочих равных условиях, с более высокой точностью можно определить направление на метку. Число пачек сигналов от маркера будет определяться временем нахождения маркера в упомянутой выше зоне. Пусть за время облучения маркера можно получить пачку из п импульсов. Потенциальная точность определения направления задается неравенством Крамера-Рао [99]. В случае наиболее часто применяемой аппроксимации реальной диаграммы направленности антенны гауссовой диаграммой направленности, отношение среднеквадратичного отклонения (СКО) определения направления т0 к ширине диаграммы направленности считывателя на прием и передачу по уровню половинной мощности -0 может быть получено из формулы [99]: - 565г, (3.1) 0 (SIN). Л где (S/N)m - отношение сигнал/шум для наибольшего отраженного импульса в максимуме диаграммы направленности антенны.
Из формулы (3.1) следует, что для цели определения направления на маркер следует выбирать метку с наивысшей частотой ответного сигнала, чтобы получить максимальное число п, а считыватель - с наибольшей излучаемой мощностью и с самой узкой диаграммой направленности излучения.
Теперь можно оценить, при некоторых общих предположениях об используемой аппаратуре, потенциальную точность, которую можно получить при использовании считывателя, работающего в диапазоне 2,45ГГц. Предположим, что отношение сигнал/шум 14 дБ или 5, тогда а% при 6 импульсах равно 0,046. Предположим, что диаграмма направленности антенны считывателя 50. Соответственно, СКО ав будет равно 50 0,046 2,3.
Предположим, что метка расположена на расстоянии 2 м от считывателя, тогда сге = 2,3 соответствует линейное СКО aL в 7,2см.
Если предположить, что закон распределения ошибок определения направления описывается законом Гаусса, то с вероятностью 95% (±2 o t) [100] потенциальная линейная ошибка позиционирования не будет превышать ± 14см.
Необходимо отметить, что такой геометрический подход к расчетам точности определения местоположения может быть применен. Поскольку расстояние 1Ю,, с которого начинается дальняя зона (дальность, начиная с которой можно считать, что диаграмма направленности антенны сформирована), где можно применять геометрическое приближение вычисляется но формуле [71]: где Я - длина волны излучения (12,6 см в нашем случае), а 0 - ширина диаграммы считывателя в радианах. Подставляя в формулу (3.2) численные значения (0 = 50или 0,87радиана) получаем 1КР 17 см.
Здесь приведен оценочный расчет величины ошибки позиционирования вагона ЦНИИ-4 при использовании устройства радиочастотной идентификации объектов, работающего па частоте 2,45ГГц. Реальная ошибка будет зависеть от: реальной дальности расположения маркера относительно считывателя; - реального числа импульсов, излучаемых меткой, которое определяется диаграммой направленности считывателя, частотой работы метки и скоростью движения вагона; - отношения сигнал/шум, которое определяется мощностью излучения метки и чувствительностью считывателя; - алгоритмом обработки принятых сигналов от метки (алгоритм должен быть оригинальным, поскольку серийные считыватели не рассчитаны на такое применение).
Для того, чтобы проиллюстрировать выше сказанное, вычислим по формуле 3.1, в предположении, что маркер излучает пачки сигналов с периодом 30 мсек, точность позиционирования вагона как функцию скорости движения вагона и расстояния между маркером и считывателем. Результаты приведены в таблице 3.1 и графически показаны нарис. 3.4.
Внедрение новых методов сохранения и обработки продольных профилей наСКЖД
Настоящие рекомендации по внедрению методов диагностики на СКЖД разработаны на основе данных лабораторных исследований и предназначены для повышения точности диагностических данных вагона ЦНИИ-4 и перехода на новый уровень диагностики верхнего строения пути и земляного полотна.
Для построения высокоточных профилей вагоном ЦНИИ-4 необходимо создание реперной системы. Реперы, необходимо, устанавливать согласно рекомендациям из раздела 1.3 диссертационной работы, т.е. в зависимости от уклонов профиля и от перепада температур колесной пары. При создании реперной системы возможно совмещение реперов с осями ИССО и километровыми столбиками.
В качестве реперов рекомендовано использовать метки (маркеры) Heavy Duty Tag фирмы Nedap. Каждая метка имеет уникальный идентификационный код, позволяющий автоматически идентифицировать объект. Оборудование фирмы Nedap сертифицировано, серийно выпускается, широко применяется, в том числе, и на железнодорожном транспорте для контроля за движением локомотивов, вагонов и контейнеров. Метка может использоваться не только в качестве элемента реперной системы при снятии профиля, но и в качестве опорной точки при проведении геодезических работ, а также в системе контроля за движением подвижного состава.
Разработано устройство связи считывателя устройства радиочастотной идентификации с аппаратурой вагона, заменяющее два пульта ручной привязки (см. главу 3).
Данная модернизация вагона ЦНИИ-4 позволит повысить точность построения продольного профиля пути и снизить воздействие «человеческого» и природного факторов.
Профили, которые были получены до модернизации вагона ЦНИИ-4, и после модернизации, могут использоваться только после предварительной проверки.
Проверка заключается в том, чтобы сравнить отклонение профиля от других профилей на данном участке и выявить наличие ошибок при построении профиля. Данная проверка осуществляется с помощью коэффициента сходимости (см. главу 4.2).
Величина отклонения коэффициента сходимости от значения, равного 1, позволяет судить о степени изменения профиля за контролируемый период времени, т.е. быть оценкой устойчивости верхнего строения пути и земляного полотна.
Проверенные профили должны быть преобразованы в файлы для обработки в Robur-rail и последующей передачи в AutoCAD.
В результате таких преобразований будет создана база данных профилей, которая понадобится для анализа тенденции изменения профиля пути.
В связи с тем, что в процессе эксплуатации вагона ЦНИИ-4 не были созданы условия для высокоточного построения продольных профилей, а именно, не была создана реперная система с автоматическим считыванием реперов и обновлением их высотных отметок, не представляется возможным произвести обработку профилей за прошлые годы. Невозможность сравнения вновь получаемых профилей привела к тому, что отпала возможность в создании базы данных за многие годы эксплуатации, с тем, чтобы определить слабые изменения профиля.
Однако, основной упор делается на профили, получаемые модернизированным вагоном ЦНИИ-4 с использованием разработанной системы. Такие профили могут показывать отклонения в несколько сантиметров и будут служить данными для обновления базы данных профилей. Профили, снятые вагоном ЦНИИ-4 могут быть использованы для текущего содержания пути: 1. создания базы данных для анализа профилей; 2. создания базы данных отклонений текущего профиля от базового;
3. передачи данных профиля в систему AutoCAD;
Похожие диссертации на Совершенствование методов контроля продольного профиля железнодорожного пути
