Особенности представления пространственных данных, используемых для обеспечения безопасности движения

[Admin]

Особенности представления пространственных данных, используемых для обеспечения безопасности движения

Духин С.В.
Пятаев С.И.
Зубков С.А.
Седых М.А.

Ключевые слова:
пространственные данные,Единая геоинформационная система, электронные карты, путевые объекты

Для повышения безопасности движения и/или автоведения поездов по российским железным дорогам на основе повышения полноты, достоверности и точности картографической и атрибутивной информации, используемой в электронных картах полигонов обращения и кассетах регистрации локомотивных устройств безопасности, а также в процессе расшифровки/расследования выявленных нарушений, создана Единая геоинформационная система тягового подвижного состава (ЕГИС ТПС).
Целью ее создания является:
• контроль полноты, достоверности и непротиворечивости разнородной информации, полученной из различных отраслевых источников информации, и представляющей пространственную, атрибутивную, текстовую и графическую информацию о железнодорожных путях и объектах путевой инфраструктуры, определяющих безопасность движения и/или автоведения на Российских железных дорогах;
• создание электронных карт (ЭК) полигонов обслуживания (ЭКПО) для различных бортовых устройств и формирование данных, необходимых для предварительной записи на кассету регистрации (КР) и/или в процессе расшифровки/расследования выявленных нарушений;
• использование для актуализации ЕГИС ТПС и, соответственно, ЭКПО современных методов и средств спутниковой навигации, а также цифровых методов обработки видеоизображений путевых объектов российских железных дорог;
• полномасштабная автоматизированная поддержка процессов создания, обновления, хранения и учета ЭК конкретных участков железнодорожных путей для всех используемых бортовых устройств;
• автоматизированная поддержка процессов формирования и предоставления оперативной информации о временных предупреждениях по ограничениям скорости, необходимой для включения в ЭК и записи на кассеты регистрации приборов безопасности, а также при последующей расшифровке результатов рабочих поездок и анализе выявленных нарушений;
• совершенствование регламента взаимодействия и повышение ответственности должностных лиц, причастных к формированию, обновлению, согласованию и утверждению изменений в ЕГИС ТПС и ЭКПО, путем внедрения функциональности электронной цифровой подписи и регистрации/протоколирования действий пользователей в системе.
Комплексное локомотивное устройство безопасности различных модификаций КЛУБ-У, КЛУБ-УП (далее - КЛУБ) функционально сочетает в себе автоматическую локомотивную сигнализацию и электронный локомотивный скоростемер. КЛУБ служит основным бортовым средством обеспечения безопасности движения поездов на сети железных дорог РФ и стран СНГ.
Работа КЛУБ основана на использовании электронной карты полигона обращения. В состав изделия входит также стационарное устройство дешифрации (СУД) информации, записанной на электронную кассету регистрации КЛУБ.
ЕГИС ТПС обеспечивает единство подходов к хранению, обработке и передаче пространственной информации, архитектуре, номенклатуре технических средств и средств общесистемного программного обеспечения.
Данные в ЕГИС ТПС делятся на условно статическую информацию и динамическую.

Условно статическая информация - это пространственные и атрибутивные данные об объектах и параметрах железнодорожной инфраструктуры, влияющих на безопасность движения ТПС. Внесение изменений об их местоположении и свойствах производится только при изменении самого физического объекта, что происходит довольно редко, поэтому информация и называется условно статической или просто статической. Статическая информация содержит сведения о главных и станционных путях; станциях; стрелках и тупиках, включая их принадлежность станции, обозначение и железнодорожные координаты; длинах отрезков путей между узловыми объектами (стрелками, тупиками и точками смены пути); о возможности проезда с одного отрезка на другой для отрезков, подходящих к одной стрелке; сведения о положении на пути и железнодорожных координатах километровых и пикетных столбов; светофоров и изолированных стыков; границ и осей станций; границ платформ; железнодорожных переездов; мостов; туннелей; устройств ПОНАБ (прибор обнаружения нагретых аварийно букс); ДИСК (дистанционная информационная система контроля); КТСМ (комплекс технических средств многофункциональный), УКСПС (устройство контроля схода и волочения деталей подвижного состава); ограничений скорости по приказу (допустимые скорости); мест проверки тормозов; уклонах; кривых; путевых генераторах САУТ. Для всех указанных объектов обеспечена возможность хранения их географических координат.
Дополнительно обеспечено хранение данных: для станций - название, код по ЦНСИ, код ЕСР; для стрелок - обозначение, принадлежность станции, тип стрелки; для километровых столбов - номер километра, заканчивающегося этим столбом, длина в метрах, количество пикетов; для пикетных столбов - номер пикета, заканчивающегося этим столбом, длина в метрах; для светофоров - обозначение, тип светофора (проходной, входной, маршрутный и т.п.), направление действия светофора, период кодирования в рельсовой цепи перед светофором; для платформ - название, возможная принадлежность станции; для переездов - охраняемый или нет; для ограничений скорости - величина ограничения, условия действия ограничения (для каких поездов, для каких локомотивов), признак необходимости выполнять ограничение только головой, направление действия ограничения (в одну сторону или в обе); для мест проверки тормозов - вид проверки, направление действия, начальные скорости и соответствующие им нормы путей для снижения скорости, условия действия проверки (для каких поездов, для каких локомотивов); для уклонов - величина и направление уклона; для кривых - радиус кривизны и направление, для путевых генераторов САУТ - номер путевого генератора САУТ, тип путевого генератора САУТ, номер перегона САУТ, тип автоблокировки, маршруты путевого генератора САУТ.
Статическая картографическая информация содержит пространственные координаты точек на пути, характеризующих путевой объект, в 3-х системах координат:
• железнодорожной (километры, пикеты, метры - в том числе километры и пикеты нестандартной длины),
• линейной (расстояние в метрах от начала отрезка вдоль пути),
• географической (широта, долгота: в градусах с десятичными знаками).
Статическая информация используется в ЕГИС ТПС с целью формирования ЭКПО, а также для формирования номограмм, используемых в процессе расшифровки результатов поездок.
Динамическая информация - это информация о временных ограничениях скорости (по предупреждению) на отдельных путевых участках из-за проведения ремонтных работ, природных стихийных бедствий, неисправностей тех или иных объектов путевой инфраструктуры и т.п., а также ежедневное расписание движения поездов.
В целях оперативного предупреждения локомотивных бригад, ЕГИС ТПС хранит и предоставляет указанную информацию по запросу электронных терминалов самообслуживания (ЭТСО) эксплуатационных депо для оперативной предпоездной записи на кассеты регистрации бортовых приборов.
Особенностью ЕГИС ТПС является необходимость соблюдения жесткой топологической структуры, определяющей и задающей граф сети. Для бортовых устройств тягового подвижного состава двумерная модель ЕГИС ТПС интерпретируется как одномерная модель в линейной железнодорожной системе координат. Для формирования ЭКПО или просмотра параметров поездки необходимо прежде всего корректно описать эту поездку в виде последовательности отрезков пути. Поэтому в топологической модели ЕГИС ТПС критической ошибкой является прежде всего несоблюдение топологических свойств входящих в нее объектов. Свойства объектов топологической модели ЕГИС ТПС в общем случае достаточно простые. Проблемы реализации топологии могут вызывать различные аномалии представления объектов. Рассмотрим далее примеры топологических свойств некоторых объектов и причины аномалий реализации этих свойств.

Пути, отрезки путей и их соединения

Каждый путь представляется уникальной записью в таблице путей, имеет первичный ключ и значимые свойства: тип пути - главный, приемо-отправочный, съезд и прочие; номер пути, название пути, позиция пути в ЭК КЛУБ.
Отрезок пути - это минимальная часть пути между узловыми объектами, внутри которой нет никаких разветвлений. Отрезок пути является ребром графа сети железных дорог. Железнодорожная стрелка задает естественные ограничения на структуру модели, определяя места примыкания нескольких путей или отрезков путей, и является таким образом вершиной графа. Путь может быть представлен n отрезками, где n > 1. Отрезок принадлежит одному пути. Отрезок также представляется уникальной записью, имеет первичный ключ и значимые свойства: название, длина в метрах, ссылка на путь, которому отрезок принадлежит, признаки возможности проезда в сторону возрастания и в сторону убывания железнодорожных координат, а также ссылка на станцию, если отрезок целиком лежит на станции.
Сведения о возможности проезда с одного отрезка на другой для отрезков, подходящих к одной стрелке, представляются в таблице примыкания отрезков. Для каждой пары отрезков O1 и O2, подходящих к стрелке CP, для которых возможен проезд по этой стрелке, имеется 2 записи. Одна запись содержит ссылку на отрезок O1, ссылку на отрезок O2 и ссылку на стрелку CP, к которой они подходят, а также признак «примыкает головой» для каждого из отрезков. Вторая запись содержит ссылку на отрезок O2, ссылку на отрезок O1 и ссылку на стрелку CP, к которой они подходят, а также признак «примыкает головой» для каждого из отрезков. Ссылка на стрелку - это ссылка на таблицу узлов.

Путевые объекты, свойства путевых объектов и точки на пути

Каждый путевой объект представляется уникальной записью в таблице путевых объектов и имеет первичный ключ, название и тип объекта. Типы объектов представлены в справочнике типов объектов. В БД выделены следующие типы путевых объектов: станция, платформа, стрелка, тупик, километровый столб, светофор, железнодорожный переезд, мост, туннель, устройство ПОНАБ , устройство ДИСК , устройство КТСМ , устройство УКСПС, ограничение скорости, место проверки тормозов, уклон, кривая, глухое пересечение, семафор, отверстие в железнодорожном полотне (для прохода рек, ручьев, талых и дождевых вод, дорог и т.д.) и др..

Каждый тип объекта характеризуется своим набором свойств. Допустимы типы объектов, для которых свойств нет.
Положение любого объекта или его части на пути характеризуется точкой на пути и представляется уникальной записью таблицы точек на пути.
Точка на пути - это проекция точечного объекта или границы протяженного (линейного) объекта на ось пути. Каждый путевой объект имеет свой набор (структуру) путевых точек. Например, для станции должны храниться точки границ станции по разным путям и точки ее оси по разным путям; для светофора имеются точка светофора и его изолированного стыка и т.д.
Существует особенность представления точек на пути - для узловых объектов хранится по одной точке (острие остряка, точка смены пути или тупик) на каждом из отрезков, к ним примыкающих.
Вне зависимости от направления движения по пути, началом отрезка пути в ЕГИС ТПС принимается тот его конец, который имеет меньшую железнодорожную координату. Соответственно, концом отрезка пути будет тот, который имеет большую железнодорожную координату.
Для протяженных объектов должна использоваться точка типа «граница путевого объекта». Например: «граница станции», «граница постоянного ограничения скорости». Начало от конца отличается для границ путевого объекта направлением действия (использования): начало имеет направление +1, а конец имеет направление -1.
Каждая точка на пути имеет тип точки, ссылку на путевой объект, ссылку на отрезок пути, координату на отрезке, железнодорожную координату точку (километр, пикет, метр), географические координаты точки и направление действия, признак реперной точки.
Примеры описаний различных объектов путевой инфраструктуры с использованием характеризующих их точек на пути.
Структура точек станции: по каждому из путей, входящих на станцию с перегона, имеется точка типа «граница станции»; по каждому из путей, выходящих со станции на перегон, имеется точка типа «граница станции»; по каждому из путей, проходящих через ось станции, имеется точка типа «ось станции».
Тройные стрелки имеют три точки: по одной точке на границе каждого из отрезков путей, сходящихся по стрелке.
Таким образом, аналитическим описанием географических параметров объектов в виде координат определяющих точек задается топологическая модель графа, целостность которого может быть проверена и восстановлена путем установления координатной смежности точек принадлежащих смежным объектам модели. Например, точки стрелок должны соответствовать точкам примыкающих отрезков путей и т.д. Поддержание целостности графа, удовлетворяющего описанным требованиям, на первый взгляд не является сложной задачей. На практике же - это задача, не имеющая точного решения, поскольку измерения координат точек, характеризующих объект, имеют разную точность, зависящую от способа и средства измерения, а также от времени измерения одним и тем же средством. При этом, использование универсального допуска или одинаковой для всех точек величины погрешности координатного представления может привести к аномалиям, когда один и тот же объект будет интерпретирован как несколько различных или, наоборот, несколько объектов приняты за один. Описанная проблема обуславливает высокую степень участия человека-оператора в решении вопросов идентификации точек смежных объектов и может быть решена с использованием алгоритмов контроля целостности, в том числе, основанных на методах искусственного интеллекта.
Исходные данные для формирования модели графа сети могут быть получены из разных источников. Это могут быть электронные хранилища информации и базы данных, бумажные документы, а также результаты натурных обследований и осмотров. Недостатками электронных (цифровых) источников информации является их неполнота, а также, что более существенно, несогласованность, то есть использование различными автоматизированными системами различных справочников и классификаторов. Поэтому для создания ЕГИС ТПС в качестве исходных данных используются результаты видеопаспортизации участков пути, которые в дальнейшем дополняются данными из других источников.

Видеопаспортизация - это технология, основанная на видеосъемке участков железнодорожного пути видеокамерой с одновременной (точно синхронизированной по времени) фиксацией местоположения видеокамеры в пространстве с помощью спутникового приемника. Для выполнения видеопаспортизации видеокамера и спутниковый приемник устанавливаются на подвижном средстве (локомотиве или вагоне-путеизмерителе) и подключаются к управляющему компьютеру, который осуществляет синхронизацию потока данных. Совокупность точек, определяющих местоположение спутникового приемника во время поездки, называется «треком». К точкам трека привязываются кадры видеосъемки, которые называются «видеорядом». Во время предварительной обработки координаты точек трека уравниваются с помощью применения алгоритмов фильтрации таким образом, чтобы образованная ими траектория имела минимальные отклонения от продольной оси; из видеоряда удаляются лишние кадры, полученные во время стоянки и движения с малой скоростью. После этого производится последовательный просмотр видеоряда и с помощью программы видеопаспортизации в базу данных ЕГИС ТПС заносятся объекты инфраструктуры, видимые в кадре, с автоматическим занесением координат этих объектов. Таким образом формируется информация обо всех видимых объектах, включая километровые и пикетные столбы и узловые объекты, являющиеся реперными точками для перевода географической системы координат в линейную и железнодорожную. После этого, база данных ЕГИС ТПС дополняется информацией о виртуальных или невидимых объектах: границах рельсовых цепей, нейтральных вставках, ограничениях скорости и т.п. Из-за погрешности интерпретации спутниковых данных при съемке, синхронизации и пересчете в линейную координату, погрешность метода видеосъемки достигает 10 метров, лучшие результаты имеют точность не более 1 метра. Вследствие погрешности, в некоторых случаях появляются сложно идентифицируемые критические ошибки неоднозначного определения объектов, о которых говорилось выше.
Описанная геоинформационная система ЕГИС ТПС относится к классу ГИС, в функциональности которых операции отображения пространственной информации не являются определяющими и не используются в процессе эксплуатации. Основными операциями являются различного рода уравнивания координатных данных, алгоритмы верификации графа сети, алгоритмы установления соответствия между объектами в модели, формирование допустимых маршрутов, а также формирование на основе графа модели подграфа, составляющего основу электронной карты полигона обслуживания тягового подвижного состава.