ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И НАВИГАЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И НАВИГАЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Рощин Дмитрий Александрович

науч. сотр., Научно-исследовательский испытательный центр Железнодорожных войск,

РФ, г. Москва

CONSTRUCTION OF INFORMATION-MEASURING AND CONTROL SYSTEMS BASED ON POSITIONING AND NAVIGATION TECHNOLOGIES TO CONTROL THE SPATIAL PARAMETERS OF THE RAILWAY

Dmitry Roshchin

Researcher, Research and Testing Center of Railway Troops,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты исследования возможностей и путей совершенствования информационно-измерительных и управляющих систем, предназначенных для контроля пространственных параметров железнодорожного пути, посредством применения технологий компьютерного зрения, лазерного сканирования и координатных измерений по сигналам спутниковых навигационных систем. Данные технологии обеспечивают высокий уровень адаптивности измерительной системы к свойствам железной дороги, а также улучшение технических и метрологических характеристик измерительной системы, проявляющихся в повышении точности, расширении функциональных возможностей и диапазона измерений. Достижение поставленной цели, выполнялось путем применения новых, более совершенных методов цифровой обработки изображений, а также новых высокоэффективных технических решений по применению современных технологий получения и обработки пространственных данных, обеспечивающих улучшение технических и метрологических характеристик измерительных систем, проявляющихся в повышении точности и расширении диапазона измерений.

ABSTRACT

The results of the study of the possibilities and ways of improving information-measuring and control systems designed to control the spatial parameters of the railway track through the use of computer vision technologies, laser scanning and coordinate measurements based on satellite navigation system signals are presented. These technologies provide a high level of adaptability of the measuring system to the properties of the railway, as well as improvement of the technical and metrological characteristics of the measuring system, manifested in increasing accuracy, expanding functionality and measuring range. The achievement of this goal was accomplished by applying new, more advanced methods of digital image processing, as well as new highly efficient technical solutions for the use of modern technologies for obtaining and processing spatial data, providing improved technical and metrological characteristics of measuring systems, manifested in increasing accuracy and expanding the measurement range.

Ключевые слова: информационно-измерительная и управляющая системы, железная дорога, компьютерное зрение, спутниковая навигация, лазерное сканирование.

Keywords: information-measuring and control systems, railway, computer vision, satellite navigation, laser scanning.

Повышение экономической эффективности промышленности требует развитие транспортной инфраструктуры. В масштабах территории Российской Федерации для связи промышленных центров и обеспечения бесперебойных поставок ресурсов необходима развитая транспортная сеть протяженных участков железнодорожных путей. Важным преимуществом железных дорог является относительно низкая себестоимость грузовых перевозок [1]. Средняя себестоимость перевозки грузов по железным дорогам на порядок ниже средней себестоимости перевозки грузов автомобильным транспортом [2] [3]. Это обусловлено высокой удельной грузоподъёмностью железнодорожного состава и высокой средней дальностью перевозки грузов.  По данным Росстата [4] железнодорожным транспортом в России, за год перевозится, в среднем, 1350 млн. т. груза, а грузооборот составляет 2500 млрд. т-км, в то время как совокупный грузооборот автомобильным транспортом составляет всего 250 млрд. т-км.

Масштабное развитие транспортной инфраструктуры предполагает увеличение темпов строительства железных дорог, которых невозможно достичь без автоматизации технологических процессов на всех этапах строительства, начиная от проектирования и заканчивая вводом в эксплуатацию. Сокращение трудозатрат и сроков строительства железных дорог представляется возможным только за счет перехода к машинному контролю технологических процессов строительства с применением более сложных информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), построенных на базе современных контрольно-измерительных технологий, адаптивных моделей и интеллектуальных алгоритмов контроля пространственных параметров железнодорожного пути.

Железнодорожный путь (рис. 1) характеризуется конструктивно связанными между собой инженерными объектами, образующих дорогу с рельсовой колеей, земляным полотном и искусственными сооружениями. Требования к качеству железных дорог неуклонно возрастают, что вызвано стремлением к повышению скорости и безопасности грузопассажирских перевозок. Этим объясняется необходимость в обеспечении контроля пространственных параметров всех элементов железнодорожного пути, для чего задействуют различные средства измерений (СИ) и путеизмерительную технику. Виды, порядок, сроки осмотров и проверок железнодорожного пути, а также сооружений на перегонах или станциях установлены правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [5] и инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути [6].

Рисунок 1. Схема железнодорожного пути:

b – ширина основной площадки земляного полотна; 1:m − крутизна откосов; h_ЗП – толщина земляного полотна; 1 – рельсовая колея; 2 − балластная призма; 3 − земляное полотно; 4 − песчаная подушка

Контроль параметров железнодорожного пути позволяет своевременно выявить изменения в значениях контролируемых параметров, скомпенсировать или устранить их влияние посредством своевременной замены несоответствующих требованиям элементов. Основной задачей контроля является обеспечение стабильности значений геометрических размеров, пространственного положения и формы рельсовой колеи, а также соответствие этих параметров проектным значениям. Контроль выполняется, как визуальным осмотром железнодорожного пути с использованием инструментов, так и с применением специальной путеизмерительной аппаратуры.

Контроль геометрии рельсовой колеи является неотъемлемым этапом строительства железной дороги, параметры которой характеризуют пространственное положение рельсовых нитей в плане и профиле [7]. В настоящее время зачастую применяется послеоперационный контроль качества укладки рельсошпальной решетки, по результатам которого оценивается соответствие пространственного положения верхнего строения пути проектному заданию [8]. При выходе значений пространственных параметров рельсовой колеи за допустимые отклонения, требуется выправка пути. Все это приводит к перерасходу ресурсов и снижению темпов строительства [9]. В свою очередь операционный контроль позволяет своевременно выявить отклонения контролируемых параметров от проектных значений в процессе выполнения технологической операции по укладке рельсошпальной решетки, и предотвращает выход этих параметров за пределы допуска.

Кроме этого, в настоящее время наметилась тенденция увеличения пропускной способности железнодорожных участков за счет повышения скорости движения поездов, что обуславливает планомерное повышение требований к качеству железных дорог, достигаемых путем уменьшения допустимых отклонений геометрических параметров рельсовой колеи от проектных значений. Нормы содержания пути в период его сооружения и эксплуатации установлены СНиП 32-01-95 и зависят от допускаемых скоростей движения поездов. Для скоростных участков дорог предъявляются повышенные требования, как на этапе строительства железных дорог, так и в процессе их эксплуатации [10] [11] [12]. В связи с этим возникает необходимость в повышении точности контрольно-измерительных устройств, диагностических комплексов и систем, применяющихся для определения и контроля пространственных параметров железнодорожного пути.

В процессе эксплуатации железнодорожного пути также немаловажным является поддержание его технических и эксплуатационных характеристик. Пропускная способность железнодорожного пути, в первую очередь определяется состоянием основной площадки и балластной призмы железнодорожного земляного полотна, которые оказывают большое влияние на стабильность геометрии рельсовой колеи [13]. Анализ изменений геометрии пути и причин, их вызывающих, показывает, что в зависимости от конкретных условий эксплуатации участка пути (топографии, климата, гидрологии) балластная призма в той или иной степени подвержена влиянию геологических эрозионных процессов, протекающих в грунте [14].

Под влиянием различных природных и техногенных факторов, в процессе эксплуатации железной дороги, происходит естественный износ строения железнодорожного полотна [15], приводящий к деформациям формы, изменению геометрических размеров и взаимного положения отдельных элементов конструкции [16], что в целом негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках железной дороги [17]. Для выявления таких деформаций применяются контрольно-диагностические комплексы [18] [19], которые передвигаются по железной дороге. Однако в случае стихийных бедствий и техногенных аварий, приводящих к повреждению железных дорог, применение таких комплексов на поврежденных участках пути становится невозможным. Соответственно возникает необходимость в применении бесконтактных методов проведения оперативного контроля поврежденных участков для оценки степени их повреждения и требуемых объемов ремонтно-восстановительных работ.

Решение подобных задач связано с усложнением структуры используемых средств измерений и созданием комплексов взаимосвязанных измерительных и технических средств, необходимых для их функционирования, что, по сути, предполагает применение измерительных контролирующих систем.  Такие системы позволяют решать задачи, недоступные традиционным средствам измерений. Зачастую они представляют собой совокупность распределенных средств измерительной техники, связанных с исследуемым объектом измерительными каналами, которые в реальном времени обеспечивают измерения контролируемых параметров [20]. Сами значения параметров получают расчетным путем на основе известных функциональных зависимостей между ними и измеряемыми физическими величинами.

Современные ИИУС приобретают дополнительные свойства благодаря внедрению в них технологий искусственного интеллекта, что приводит к усложнению структуры этих систем, а также необходимости использования комплексов взаимосвязанных средств измерений, вычислительных устройств и технических средств, обеспечивающих их функционирование. Построение ИИУС на базе прецизионных оптоэлектронных устройств, реализующих методы цифровой обработки изображений, позволяет получать результаты измерений, отличающиеся высокой точностью и достоверностью. Главное преимущество применения таких систем заключается в том, что измерения проводятся бесконтактно. Это имеет особое значение в условиях, когда пребывание в зоне работ не безопасно для человека. Именно этими преимуществами обусловлено широкое распространение технологии компьютерного (технического) зрения, которая на современном этапе развития цифровых технологий компьютерной области считается одной из самых перспективных и востребованных. Применение данной технологии позволяет повысить скорость измерений за счет того, что исходная информация об исследуемом объекте передается с помощью электромагнитного излучения, а все измерения проводятся в реальном времени на изображениях этого объекта.

Научным изучением способов определения форм, размеров и пространственного положения объектов съемки по измерениям на их фотографических изображениях занимается фотограмметрия. Эта научная дисциплина выделяет ряд основных фотограмметрических методов получения пространственной информации об объектах с применением различных оптоэлектронных устройств или систем. Однако дальность проводимых измерений фотограмметрическими средствами сильно ограничена, а точность результатов снижается пропорционально удаленности объекта измерений.

В настоящее время наиболее высокоточными бесконтактными средствами измерений пространственных параметров являются геодезические приборы, такие как теодолит и электронный тахеометр. В тахеометре применяются технологии лазерной съёмки и координатных измерений по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Фотограмметрические устройства не могут конкурировать по точности с геодезическими приборами. Тем не менее, геодезические приборы в отличие от фотограмметрических систем, использующих технологию компьютерного зрения, не способны за короткий промежуток времени выполнить комплексные измерения, направленные на определение формы или ориентации объекта в пространстве. Также, геодезические приборы лишены способности самостоятельно осуществлять поиск требуемого объекта и отслеживать его перемещение в пространстве. Это обуславливает необходимость интеграции представленных технологий в ИИУС, что позволит реализовать их преимущества и устранить недостатки, а также значительно расширит диапазон и область совместного применения.

Таким образом, сейчас, перед наукой стоит актуальная и значимая проблема приведения точности ИИУС к требованиям различных отраслей экономики страны, а также расширение области ее применения для решения сложных научно-технических задач. Данную проблему можно устранить путем совершенствования теоретических и методологических основ совместного применения существующих технологий компьютерного зрения, лазерной съемки, координатных измерений по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Развитие ИИУС на базе данных технологий в первую очередь направлено на решение координатно-измерительных задач с высокой точностью измерений, свойственной геодезическим приборам, при обеспечении многофункциональности и производительности, характерной для фотограмметрических систем.

Также необходимо расширить область применения ИИУС для охвата как можно большего множества объектов измерений, включая объекты с низким коэффициентом отражения, имеющих зеркальные поверхности или изготовленных из прозрачных материалов, тонких объектов, такие как провода, антенны, прутья решетки, а также движущихся объектов, до которых невозможно или очень сложно проводить измерения с помощью методов лазерной съемки. Особенно потребность в таких ИИУС имеет значение при проведении измерений на значительных территориях в местах крушений, техногенных аварий и т.д., когда зафиксировать местоположение всего множества объектов невозможно или для этого требуются значительные затраты времени.

Кроме того, в последнее время возникла потребность в разработке интеллектуальных систем автоматизированного управления, способных ориентироваться в пространстве и определять собственное положение относительно других объектов в режиме реального времени. Такие ИИУС очень востребованы в целях решения задач навигации и управления транспортом, строительной и специальной техникой. Это обстоятельство указывает на необходимость разработки новых более совершенных алгоритмов, а также принципов обработки и интерпретации получаемых ИИУС пространственных данных от окружающих объектов.

Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:

• проведение анализа существующего научно-технического задела для осуществления бесконтактного контроля пространственных параметров железнодорожных путей;
• теоретическое обоснование требований к ИИУС для повышения точности бесконтактного контроля пространственных параметров железнодорожного пути;
• формирование структуры, состава элементной базы и программных компонентов ИИУС;
• разработка физической модели ИИУС, достижение согласованного взаимодействия между техническим, методическим, математическим и программным обеспечениями системы;
• корректировка и настройка физической модели ИИУС посредством проведения калибровки средств измерений и оптоэлектронных устройств в составе ИИУС;
• определение технических и метрологических характеристик физической модели ИИУС при измерении линейных и угловых величин;
• разработка способов и методик применения ИИУС для определения и контроля пространственных параметров железнодорожного пути;
• оценка влияния визуальных признаков объекта измерения на вероятность его обнаружения с помощью оптико-электронного устройства;
• выявление источников шума в светочувствительной матрице оптоэлектронных приборов и оценка их влияние на погрешность определения ИИУС геометрических параметров объекта измерения;
• проведение метрологического анализа бесконтактных методов определения пространственных параметров железнодорожного пути;
• разработка методов на основе технологий позиционирования и навигации, направленных на повышение точности ИИУС при определении пространственных параметров железнодорожного пути;
• оценка методической погрешности ИИУС при решении прикладных задач по определению пространственных параметров железнодорожного пути.

Достижение поставленной цели по совершенствованию распределённых (в том числе территориально) ИИУС для бесконтактного контроля пространственных параметров железнодорожного пути, выполнялось путем применения новых, более совершенных методов цифровой обработки изображений, а также новых высокоэффективных технических решений по практическому применению современных технологий получения и обработки пространственных данных, обеспечивающих улучшение технических и метрологических характеристик ИИУС, проявляющихся в повышении точности, расширении функциональных возможностей и диапазона измерений.

В ходе проведенного анализа было установлено, что путеизмерительные вагоны позволяют осуществлять контроль геометрии рельсовой колеи с наивысшей скоростью, составляющей более 100 км/ч. Их принцип измерения основан на сравнении положения трех точек на измерительной базе (≈ 20 м), что ограничивает или полностью исключают контроль длинных неровностей в плане и профиле. Информация, получаемая механическими измерительными системами в виде стрел изгиба, не описывает реальной кривизны, а отображает формы неравенств пути в искривленном виде. Вследствие этого снижается эффективность ее обработки и дальнейшего использования. Выявленные недостатки могут быть устранены путем перехода на использование пространственных данных, которые обеспечивают определение геометрических параметров по координатам на выбранной базе или нескольких базах с учетом нормативных требований. Недостатки путеизмерительной тележки заключаются в сложности конструкции, включающей датчики ширины колеи, уровня, а также блок гироскопов, которые требуют периодической калибровки и настроек, в том числе в процессе измерений. Кроме того, необходимо обеспечивать синхронизацию ГНСС аппаратуры позиционирования и блока гироскопов (инерциальной системы) и датчиков. Визирные оптические приборы обладают высокой точностью контроля и за счет привязки к реперной или геодезической сети дают результаты измерений в абсолютных координатах. Однако, данные средства измерения имеют низкую производительность и не обеспечивают измерение параметров ГРК под нагрузкой.

Проведенный анализ существующей компонентной базы СИ позволил сформировать следующие основные требования, предъявляемые к ИИУС в целом и к ее функциональным возможностям, в частности система должна: решать координатно-измерительные задачи с точностью измерений, не уступающей спутниковым системам позицио­ниро­вания и геодезическим приборам, при этом обладать производительностью и функциональностью фотограмметрических систем; обеспечивать автоматический поиск и обнаружение требуемых объектов в зоне прямой видимости, отслеживать их перемещение в пространстве, определять координаты и пространственное положение этих объектов в режиме реального времени; иметь модульную конструкцию, технические и метрологические характеристики которой определяются характеристиками входящих в ее состав компонентов; обладать гибкой структурой, многозадачностью и многофункциональностью, обеспечивая выполнение следующих функций: измерительные, информационные, вычислительные, логические (обнаружение и распознавание объектов по их изображениям); быть адаптивной к изменениям условий эксплуатации.

Для покрытия всех диапазонов измерений в состав ИИУС целесообразно включить следующие средства измерений: оптический триангуляционный датчик в диапазоне измерений [0 – 10³] мм, светодальномер в диапазоне [10³ – 10^6,5] мм и ГНСС-приемник в диапазоне [10⁶ – 10^7,5] мм. Для измерения угловых величин в состав ИИУС необходимо включить угломерное устройство – кодовый теодолит с электронным сканированием горизонтальных и вертикальных кругов. На графике погрешностей рассмотренных типов СИ (рис. 2) дана усредненная оценка, характеризующая погрешность измерения перспективной ИИУС.

Рисунок 2. Диапазон измерений разных типов средств измерения дальности

Дальнейшее развитие ИИУС для контроля параметров железнодорожного пути целесообразно рассматривать в двух аспектах: структурном и функциональном. Первый отражает интегрирование различных подсистем, широкое использование средств вычислительной техники, что позволит создать систему с гибкой структурой. Второй характеризует резкое возрастание числа функций, в основном информационных.

Список литературы:

1. Гизатуллина В.Г., Бойкачева Е.В. Себестоимость железнодорожных перевозок и тарифы: учебное пособие. Министерство транспорта и коммуникаций Республики Беларусь. Гомель: БелГУТ, 2015.
2. Лапидус Б.М. Техническая политика как инструмент реализации экономической стратегии на железнодорожном транспорте. Подходы к методологии: Монография - М.: Маршрут, 2004.
3. Экономика железнодорожного транспорта: учеб. для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. Н.П. Терёшиной, Б.М. Лапидуса, М.Ф. Трихункова - М.: УМК МПС России, 2001.
4. Транспорт в России. 2020: Стат.сб./Росстат. – Т65 М., 2020. – 108 с.
5. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации: утверждена приказом Минтранса России № 286 от 21.12 декабря 2010 года.
6. Инструкция по текущему содержания железнодорожного пути: утверждена распоряжением ОАО "РЖД" № 2288р от 14 ноября 2016 года.
7. Положения о порядке контроля состояния главных и станционных путей путеизмерительными средствами, утверждённое распоряжением ОАО "РЖД" №678р от 07.04.2017
8. Типовая технологическая карта (ТТК). Организация железнодорожного строительства. Укладка рельсошпальной решетки. URL:https://docs.cntd.ru/document/677019788
9. СП 238.1326000.2015 Железнодорожный путь. Свод правил. Министерство транспорта Российской Федерации от 06.07.2015
10. Вербило В. А. Проектирование новых и реконструкция существующих железных и автомобильных дорог: учеб. – метод. пособие по курсовому и дипломному проектированию/ В. А. Вербило, Н. В. Довгелюк. – Гомель: БелГУТ, 2012. – 23с.
11. Волков Б. А. Экономические изыскания и основы проектирования железных дорог: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Б. А. Волков, И. В. Турбин, Е. С. Свинцов, Н. С. Лобанова; Под ред. Б. А. Волкова. – М.: Маршрут, 2005. – 408 с.
12. Обеспечение безопасности скоростного движения. Евразия. Вести XII. 2008. URL: http://eav.ru/publ1.php?publid=2008-13a12
13. Васюкевич Е. Б. На путейской секции научно-технического совета // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 3. С. 22–28.
14. Попов С. Н. Балластный слой железнодорожного пути. М.: Транспорт, 1965. 183 с.
15. Макушкина Е.А. Природопользование при проектировании железных дорог: Учебное пособие. -М.: МИИТ, 2008.- 108 с.
16. Современные методы усиления земляного полотна. Евразия Вести VIII 2015. URL: http://eav.ru/publ1.php?publid=2015-08a07
17. Худяков А. С., Малыхин А. А. К вопросу волнового износа рельс // Материалы IX Международной студенческой научной конференции Студенческий научный форум» URL: https://scienceforum.ru/2017/article/2017039813
18. РАСПОРЯЖЕНИЕ 27 апреля 2016 года № 777р. Об утверждении Концепции развития систем диагностики и мониторинга объектов путевого хозяйства на период до 2025 года. ОАО "РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ" Экономика железных дорог. 2016. № 7.
19. Диагностика и мониторинг объектов инфраструктуры. Евразия Вести VII 2015. http://eav.ru/publ1.php?publid=2015-07a04
20. РМГ 29-99. Метрология. Основные термины и определения. ИПК Издательство стандартов, 2000. 46 c.