[01-2025] Система бокового нивелирования для контроля геометрических параметров
 

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.

[топ]Заключение

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.