Система бокового нивелирования для контроля геометрических параметров
ЩЕРБАКОВ В.В., Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС), докт. техн, наук, КОМЯГИН С.А., СГУПС, ведущий инженер, ТИМОФЕЕВ Е.Н., СГУПС, аспирант
Аннотация. В статье рассмотрено боковое нивелирование с использованием инновационных технологических решений, в частности, лазерного сканирования. Описана методика вычисления данных для приведения соседнего пути в проектное положение. Представленный подход позволяет своевременно выявлять отступления от проекта с высокой точностью и обеспечивает безопасность в зоне сканирования за счет исключения попадания в негабаритное пространство.
Ключевые слова: геодезическое сопровождение, боковое нивелирование, железнодорожный путь, лазерное сканирование, определение междупутья.
Способ бокового нивелирования для постановки пути в проектное положение детально рассмотрен в [1]. Он основан на натурном измерении междупутья нивелирной рейкой, сравнении проектных значения эпюры рихтовок с фактическими данными визуального контроля отклонения отчетов по рейке и расчете величины сдвижки. Практическая реализация способа имеет ряд существенных недостатков. Они обусловлены спецификой опорной плоскости, т. е. пространственным положением соседнего пути, которое с течением времени изменяется в плане и профиле. Актуализация проектных данных повышает точность результатов. Для более качественной постановки пути в проектное положение способом бокового нивелирования используется копировочная струна, которая широко применяется при новом строительстве и ремонтах пути.
Автоматизация постановки пути в проектное положение способом бокового нивелирования от соседнего пути позволяет избежать влияния человеческого фактора и повысить точность, особенно с учетом координирования соседнего пути [1]. В 2012 г. на Западно-Сибирской и Забайкальской дорогах разработана система автоматизированного управления по технологии бокового нивелирования (САУ ТБН) [1, 2]. При этом применяют промышленные лазерные дальномеры, инклинометры, которые обеспечивают получение исходной информации для расчетов сдвижки и подъемки [2, 3].
Управляющий сигнал по рихтовке на подъемно-рихтовочном устройстве (ПРУ) формируется из разности А/ фактической /ф и проектной /пр величин междупутий с привязкой в пространственной геоцентрической системе координат WGS-84:
Д/=/пр-/ф- О)
Управляющий сигнал по подъемке на ПРУ равен разности высотных отметок АН проектной Нпр и фактической ремонтного пути Нпр(ф):
ДН= Нпр - Нпр(ф). (2)
Частота измерений в поперечных сечениях составляет от 1 до 10 Гц, что соответствует приращению пути 0,03—0,3 м, избыточная информация применяется при обработке данных, фильтрации и сглаживании. В САУ ТБН также предусмотрена коррекция измерений междупутья с учетом угла наклона, автоматизированное тестирование датчиков во время работы, визуализация текущих проектных и фактических данных.
Достоинством САУ ТБН является возможность использования цифрового проекта, созданного по параметрическим проектным данным (традиционные проекты на участок ремонта) и дополнительной съемкой координат приемниками ГНСС в створах опорной контактной сети (ОКС). Стоимость такого проекта в десятки раз ниже оцифровки пути лазерными сканерами и электронными тахеометрами. Как показал опыт создания цифровых проектов на Западно-Сибирской и Забайкальской дорогах, по структуре и форматам они полностью соответствуют требованиям САУ ТБН и обеспечивают проектные решения, заложенные в традиционных проектах на ремонт пути или новое строительство. При этом направляющая консоль на соседний путь для ориентирования на головку рельса лазерного дальномера [2] ограничивает возможности способа из-за остановки работы во время пропуска поезда по соседнему пути, особенно при интенсивном движении.
Для исключения ограничений разработана измерительная система для бокового нивелирования на базе лазерного портативного сканера (лидара), в основе которой лежит техническое зрение и компьютерное обучение. Система селективно измеряет координаты только тех объектов, которые заданы оператором (цифровым проектом) и внесены в базу данных, например, таких как головка рельса, железнодорожная платформа, ОКС. Технические решения позволяют отказаться от использования облака точек и постобработки данных лазерного сканирования. Компьютерное обучение дает возможность создавать математическую модель объекта и при измерениях распознавать его в режиме реального времени, определять его координаты и рассчитывать геометрические параметры, например, междупутье и превышение между соседними путями (рельсами). На рис. 1 представлена общая картина лазерного сканирования соседнего пути портативным лазерным сканером. Из десятков различных объектов и нескольких тысяч координат с использованием математической модели выделяется только головка рельса и соответственно для этого объекта в обработке данных используются плоские прямоугольные координаты. Измерения выполняют в системе координат лидара, при этом, каждое i-e сечение лазерной сканирующей системы привязано к геоцентрической системе координат ГНСС — WGS-84, как и проектные значения в заданных сечениях.
Сканирующая система бокового нивелирования включает портативный лазерный сканер, установленный соосно с демпфирующим устройством, и портативный компьютер (рис. 2).
Портативный лазерный сканер (лидар) использует цилиндрическую развертку. Длина волны лазера составляет 940 нм, луч является невидимым и соответствует стандарту класса IEC 60825-1, частота сканирования от 10 до 30 Гц, угловой диапазон видимости от 45° до 135°. Встроенный веб-сервер лидара позволяет настраивать подключение и параметры системы. Демпфирующее устройство обеспечивает устойчивую и надежную работу в условиях вибрации и повышенных динамических нагрузок при установке оборудования на путевые машины.
Сканирующую систему, установленную на ходовую тележку (рис. 3), исследовали на экспериментальных участках на предмет захвата объекта при сканировании и удержания его при наличии вибрации, внешних помех, кратковременных (0,1—0,3 с) ограничений прямой оптической видимости и наличия других факторов.
Фактическую высотную отметку головки рельса ремонтируемого пути Нрп(ф) в любой i-ой точке находят по формуле
Нрп(ф) = Нсп + Л|Г (3)
где Нсп — высотная отметка соседнего пути;
Для получения объективных данных с минимальными затратами исследования проводили в два этапа. Первый — с использованием ходовой тележки на экспериментальном участке пути длиной 3,2 км. Результаты показали высокую степень устойчивости системы к внешним факторам, стабильность работы после захвата объекта и обеспечение приемлемой для выправочных работ точности при постановке пути в проектное положение. Погрешность измерения междупутья составила около 2 мм, погрешность определения превышения соседних путей составила 4 мм, что соответствует теоретическим (расчетным) значениям (5 мм), полученным по формуле (5). Следовательно сканирующая лазерная система обеспечивает требования постановки пути в проектное положение с использованием технологии бокового нивелирования при установке системы на выправочные машины, определении габаритов приближения строений в реальном времени.
На втором этапе испытание системы проходило на выправочных машинах, оборудованных САУ ТБН, с направляющей консолью и без нее. В начале одновременно с САУ ТБН выполняли измерения системой лазерного сканирования, а затем лазерную сканирующую систему подключали к системе управления ПРУ, которая показала высокую эффективность работы при движении поездов по соседнему пути в условиях повышенных динамических нагрузок. В отличие от САУ ТБН [2] новая версия не требует остановки выправочных машин при движении поездов по соседнему пути, кратковременные помехи также не влияют на результаты измерений, при этом используется цифровой проект (структура, форматы) и оборудование САУ ТБН.
Выполненное исследование представляет собой инновационное решение в области постановки пути в проектное положение, основанное на известной методологии способа бокового нивелирования от соседнего пути, возможностях компьютерного обучения и методах измерений, в основе которых лежит техническое зрение. Благодаря реализованным решениям, разработанному программному обеспечению, системе лазерного сканирования повышается качество постановки пути в проектное положение с более высокой производительностью и точностью, обеспечивая при этом безопасность за счет работы оборудования в пределах габарита без физического контакта (сопряжения) с другими объектами инфраструктуры.
[топ]Список источников
1. Постановка пути в проектное положение с использованием бокового нивелирования / В.В. Щербаков, А.А. Быков, А.А. Земерова, С.А. Комягин, И.В. Щербаков // Путь и путевое хозяйство. 2020. № 8. С. 31—35.
2. Патент 136048 РФ, Е01 В29/04. Устройство для выправки железнодорожного пути / авторы и патентообладатели: В.В. Щербаков, И.В. Щербаков, А.Н. Модестов, И.А. Бунцев, В.П. Славкин. № 2013134278/11; заявл. 22.07.2013, опубл. 27.12.2013; Бюл. № 36.
3. Патент 2628541 РФ, В61К 9/08; Е01В 35/00. Способ определения пространственных координат и геометрических параметров рельсового пути и устройство для его осуществления / В.В. Щербаков, И.А. Бунцев, И.В. Щербаков; заявитель и патентообладатель В.В. Щербаков. № 2016106560; заявл. 24.02.2016; опубл. 18.08.2017; Бюл. № 23. 7 с.
