Состояние и перспективы применения высокоточных координатных систем в производственных процессах железнодорожного транспорта

[Admin]

Состояние и перспективы применения высокоточных координатных систем в производственных процессах железнодорожного транспорта

Духин С.В.
Нуйкин А.В.
Павловский А.А.
Пронкин А.В.

Ключевые слова:
высокоточные координатные системы, спутниковая навигация, лазерное сканирование, референцные станции, опорная реперная геодезическая сеть

Развитие спутниковой геодезии, средств лазерного сканирования, осуществление государственной политики цифровизации и внедрения геоинформационных систем явилось основой для развития и внедрения технологий, основанных на использовании высокоточных координатных методов, в производственной деятельности ОАО «РЖД». Железнодорожный транспорт традиционно использует передовые технологии, новейшие достижения инженерной мысли, прикладные разработки различных областей современной науки. Необходимость динамичного технологического развития диктуют современные требования: повышение скоростей движения и массы подвижного состава, оптимизации ресурсов при росте эксплуатационных расходов на содержание инфраструктуры, повышение уровня услуг по перевозке пассажиров и доставке грузов.
Начало процесса перехода к методам использования высокоточных координатных систем в производственных процессах железнодорожного транспорта было положено около 10 лет назад посредством создания трех относительно независимых компонентов:
• высокоточной координатной системы (ВКС);
• программного обеспечения (ПО), предназначенного для реализации различных функций, связанных с загрузкой, обработкой и использованием пространственных данных;
• инновационной технологии использования координатных методов проектирования, строительства, ремонта, реконструкции и текущей эксплуатации объектов инфраструктуры.
Рассмотрим их состояние на текущий момент, а также перспективы развития и использования, основываясь на опыте применения.
Высокоточная координатная система состоит из следующих частей:
• сеть референцных станций, включающая каналы передачи данных от станций к сетевому центру и сетевой центр в составе сервера и программного обеспечения;
• опорная реперная геодезическая сеть;
• рабочая или разбивочная геодезическая сеть.
Сеть референцных станций в составе ВКС ОАО «РЖД» в полном объеме создана только на участке Москва - Санкт-Петербург - Бус-ловская в 2011 году, включает в себя 34 референцных станции, подключенные к СПД ОАО «РЖД», сетевой центр находится в Санкт-Петербургском ИВЦ. Использование собственной сети референцных станций показало себя неэффективным из-за невысокой востребованности, высокой стоимости оборудования и программного обеспечения, необходимости технического обслуживания и обновления программного обеспечения. К тому же, в настоящее время государственные и частные предприятия предоставляют информацию, аналогичную получаемой с собственной сети, которая после незначительной адаптации может использоваться в составе ВКС ОАО «РЖД».

Дальнейшее развертывание сети референцных станций нецелесообразно. Необходимо разработать и апробировать технологию использования данных сторонних поставщиков, доработать программное обеспечение.
Опорная реперная геодезическая сеть является наиболее используемой частью ВКС и представляет собой долговременные геодезические знаки (реперы), расположенные в непосредственной близости от объектов инфраструктуры ОАО «РЖД». При использовании опорной реперной сети снижаются затраты на создание рабочих или разбивочных сетей, которые используются уже непосредственно для измерений параметров объектов. Фактически опорная сеть является основой ВКС, используется многократно в течение длительного периода, практически не требует обслуживания в течение жизненного цикла.
Дальнейшее развертывание опорной геодезической сети экономически выгодно. Необходимо разработать технические условия на создание сети, инструкцию по приемке, нормативную документацию об обязательности включения работ по созданию сети в состав работ по проектированию, а также обосновать необходимость этого в государственных органах (Главгосэкспертиза).
Рабочая или разбивочная геодезическая сеть создается заранее и используется во время проведения ремонта. Как правило, представляет собой реперные знаки, встраиваемые в фундаментные объекты в непосредственной близости от железнодорожного пути (чаще и эффективнее всего - в опоры контактной сети, реже - в подпорные стенки, платформы, эстакады). Срок эксплуатации репера короткий - 2-3 года. За это время он может выйти из строя физически или утратить координатную точность вследствие смещения объекта, в который встроен. При использовании координатных методов проектирования требования к точности рабочих реперов и их количеству в районе проектирования гораздо выше, чем при традиционных методах ремонта, поэтому стоимость рабочей реперной сети в этом случае больше. Однако затраты окупаются в дальнейшем при выполнении работ.
Развертывание рабочих или разбивочных геодезических (реперных) сетей необходимо выполнять на время проведения ремонта (срок эксплуатации 2-3 года) силами проектной организации, выполняющей геодезические изыскания. Необходимо нормативно утвердить требования к реперным сетям (в зависимости от требований к техническим параметрам объекта инфраструктуры, для которого они создаются: реперная сеть для участка пути со скоростями 120/80 должна быть проще и дешевле, чем для высокоскоростного участка пути) и обосновать необходимость их создания в государственных органах (Главгосэкспертиза) для обеспечения возможности включения работ в сметы.
Программное обеспечение (ПО) по функциональности можно разбить на следующие части, практически не связанные между собой:
- системное ПО для обеспечения работы сети референцных станций и использования накапливаемой с их помощью информации;
- ПО ведения и использования каталогов координат опорных и рабочих реперных сетей ОАО «РЖД»;
- ПО ведения, учета и использования проектной документации на строительство, ремонт и реконструкцию объектов инфраструктуры;
- ПО для ввода, обработки и хранения результатов мобильного лазерного сканирования;
- ПО, реализующее функциональность использования результатов мобильного лазерного сканирования для решения прикладных задач: проектирования ремонтов, поиск негабаритных мест, определение видимости объектов в полосе отвода, определение возможности пропуска негабаритных грузов и.т.п.
Системное ПО для обеспечения работы сети референцных станций и использования накапливаемой с их помощью информации.
Целесообразным и экономически выгодным развитием данного направления является разработка технологии использования коммерческих сетей референцных станций для создания геодезической основы при проведении изысканий. Для функционирования такой технологии необходимо будет разработка и ПО, обеспечивающего, во-первых, получение, накопление и использование необходимой информации при необходимости, а во-вторых, обработку полученной информации для перевода координат из государственных, не предназначенных для открытого использования, в открытые местные системы координат. Системное ПО для обеспечения работы сети референцных станций, используемое на участке Москва - Санкт-Петербург - Бусловская, может при необходимости быть расширено на большее количество станций. В то же время, на его сопровождение, обновление версий и эксплуатацию необходимо предусмотреть затраты, поэтому после перехода на технологию использования внешних сетей целесообразно вывести-его из эксплуатации.
Для обеспечения возможности использования дифференциального режима спутниковой геодезической аппаратуры необходимо разработать и внедрить технологию использования данных сторонних поставщиков, включающую соответствующее ПО.
ПО ведения и использования каталогов координат опорных и рабочих реперных сетей ОАО «РЖД».
Использование этого ПО в производственной деятельности ОАО «РЖД» целесообразно, поскольку позволит учитывать опорные и рабочие реперные сети как материальные объекты. Данное ПО может быть создано как развитие ЕК АСУИ, поскольку созданные реперные сети находятся на балансе подразделений дирекций инфраструктуры. При этом необходимо определение в структуре ОАО «РЖД» подразделения-оператора, ответственного за сопровождение соответствующей базы данных, в обязанности которого должны входить ведение и предоставление каталогов координат опорных и рабочих реперных сетей, приемку результатов работ по созданию новых сетей, а также контроль сохранности и качества существующих сетей. Эксплуатация ПО и ведение соответствующих баз данных может осуществляться по существующим регламентам текущей эксплуатации объектов инфраструктуры.
ПО ведения, учета и использования проектной документации на строительство, ремонт и реконструкцию объектов инфраструктуры.
На текущий момент в функции ПО входит загрузка проекта в специальном формате и предоставление его для работы. Для эффективного использования системы необходимо расширение функций. Необходима разработка системы контроля и мониторинга проектирования: от утверждения задания на изыскания до сдачи объекта в постоянную эксплуатацию. Данная система должны предоставлять сервисы для отслеживания своевременности и качества выполнения этапов проектных и ремонтно - строительных работ. Проверку проектной документации, включая параметры геодезической сети, а также исполненной съемки, на соответствие техническим требованиям и проектным решениям необходимо выполнять силами подразделения дирекции инфраструктуры как стороны, заинтересованной в качестве ремонта и строительства. При этом возможно привлечение для оценки качества работ независимых экспертов.
ПО ведения, учета и использования проектной документации на строительство, ремонт и реконструкцию объектов инфраструктуры необходимо функционально расширить с целью контроля процесса разработки и использования проектной документации.

ПО для ввода, обработки и хранения результатов мобильного лазерного сканирования

Оборудование для проведения мобильного лазерного сканирования (МЛС) дорогостоящее, стоимость лазерного сканера хорошего разрешения около миллиона долларов. В то же время, обеспечиваемой точности даже самого лучшего лазерного сканера недостаточно для замены трудоемких операций геодезических изысканий. Проведение съемки также требует затрат (установка на подвижной единице, обустройство реперной сети и специальной сети опознаков на ее основе, нитка графика движения по перегону). Обработка результатов МЛС трудоемка и не автоматизирована (то есть производится вручную, что предполагает наличие «человеческого фактора» и, как следствие, - зависимости результата от квалификации и добросовестности человека-оператора). Материалы, получаемые в результате обработки, не решают никаких важных, трудоемких или оперативных производственных задач. Результаты МЛС, относящиеся к геодезическим изысканиям для проектирования, например, могут быть получены с более высокой точностью более дешевыми и менее трудоемкими методами спутниковой и классической геодезии. Все перечисленные факторы обусловливают нецелесообразность использования данного вида ПО, как и самого метода МЛС, на современном уровне его развития. В случае необходимости, целесообразно выполнять такие работы с использованием услуг сторонних организаций по сформулированным техническим требованиям.
Инновационная технология использования координатных методов проектирования, строительства, ремонта, реконструкции и текущей эксплуатации объектов инфраструктуры развивалась по следующим направлениям:
• разработка и апробация инновационной технологии выполнения ремонта и реконструкции железнодорожного пути на основе использования координатных методов, включающей описание технологических процессов выполнения отдельных операций;
• оснащение бортовых аппаратно-программных комплексов путе-выправочной техники средствами управления с возможностью интерпретации проектов, представленных в цифровой координатной форме;
• оснащение мобильных средств диагностики и мониторинга железнодорожного пути (вагонов-путеизмерителей, вагонов-дефектоскопов) аппаратно-программными комплексами определения местоположения в координатном пространстве, поддерживаемом ВКС.
Разработка и апробация инновационной технологии выполнения ремонта и реконструкции железнодорожного пути на основе использования координатных методов, включающей описание технологических процессов выполнения отдельных операций.
Разработка инновационной технологии (ИТ) и одновременно ее апробация началась в 2010 году. Для внедрения новой технологии в производственную деятельность ОАО «РЖД» необходимым условием является наличие ВКС.
Работа в единой системе координат всего технологического процесса ремонта (реконструкции) пути обладает очевидными преимуществами:
• проектные решения имеют однозначную интерпретацию, нет необходимости проводить предварительные проезды для съемки и расчета параметров пути, все уже разработано и представлено в электронном виде в необходимых форматах;
• так как работы производятся в едином координатном пространстве, то выполняется требование к пространственному положению пути (габариты, междупутье, расположение стрелочных переводов, ремонты на ИССО и т.д.);
• на каждом этапе работ в любой момент времени существует возможность определения текущего отклонения положение пути в плане и профиле от проектного, что позволяет оперативно решать вопросы планирования;
• проектные решения, для участков ремонтов на которых работы выполнены по новой технологии могут быть использованы в дальнейшей эксплуатации для решения различных задач, при условии сохранности реперной сети.
Эффективность применения координатных методов уже доказана на скоростном ходу Москва - Санкт-Петербург - Бусловская, где требования к параметрам пути настолько высокие, что погрешности и недостатки традиционной технологии становятся очевидными. На нескоростных участках эти погрешности менее очевидны, однако несоответствие пути проектным параметрам приводит к повышенному расстройству самого пути и ускоренному износу подвижного состава, то есть повышению эксплуатационных затрат. Развитие такой технологии является перспективным направлением именно в работах, где задействовано много различной путевой техники таких как капитальный ремонт или реконструкция пути. Следует отметить, что в работах, связанных с выправкой пути, где не происходит снятие путевой решетки или вырезки балласта ощутимого эффекта применения чистых координатных технологий достичь технически затруднительно либо финансово затратно, для таких работ стоит рассмотреть возможность применения комбинированных видов получения данных о текущем положении пути основанных на т.н. координатно - стреловых методах, разработки которых идут в настоящее время.
Оснащение бортовых аппаратно-программных комплексов пу-тевыправочной техники средствами управления интерпретации проектов, представленных в цифровой координатной форме.
Внедрение инновационной технологии невозможно без оснащения путевой техники средствами ее реализации. Бортовые программно-аппаратные комплексы почти всех существующих машин имеют возможность интегрироваться с системами, реализующими программные задания, представленные в координатной форме, то есть реализовывать координатные методы, поэтому доработка их не является слишком затратной. В то же время, существуют особенности работы разного типа машин, от которых зависят и применяемые алгоритмы отработки программного задания.

Целесообразно продолжать разработку и оснащение машин средствами реализации координатных методов с одновременной их апробацией в процессе выполнения ремонта и реконструкции пути, а также обучением персонала. Программа оснащения машин должна учитывать этапность внедрения самой инновационной технологии, так, чтобы на участках ремонта присутствовала оснащенная техника.
Оснащение мобильных средств диагностики и мониторинга железнодорожного пути (вагонов-путеизмерителей, вагонов-дефектоскопов) аппаратно-программными комплексами определения местоположения в координатном пространстве, поддерживаемом ВКС.
В настоящее время не существует бортовых программно - технических комплексов, основанных на применении координатных методов и ВКС в частности для путеизмерительной техники с подтвержденными характеристиками, улучшающих результаты работы путеизмерительной техники.
Необходимо определить цели и сформировать технические требования к бортовым аппаратно-программным комплексам определения местоположения.
Оснащение мобильных средств диагностики и мониторинга железнодорожного пути аппаратно-программными комплексами определения местоположения в координатном пространстве требует проведения дополнительных исследовательских работ.

Список литературы

1. Духин С.В., Нуйкин А.В., Куприянов А.О., Бекчанова Е.С. Разработка высокоточной координатной системы высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Санкт-Петербург - Бус-ловская //Известия высших учебных заведений. Раздел «Геодезия и аэрофотосъемка», №2, М.:МИИГАИК - 2013, с.49-52.
2. Приказ Министра транспорта РФ М.Ю.Соколова №191 от 17 июня 2015 года Об утверждении Свода правил «Инфраструктура железнодорожного транспорта. Высокоточная координатная система»
3. Духин С.В., Нуйкин А.В. Технология применения координатных методов при проведении ремонтно-путевых работ на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта// Сетевое издание «Наука и технологии железных дорог» Ежеквартальное сетевое научно-методическое издание: www.vniias.ru, 2017, №3
4. Распоряжение от 15 июля 2009 г. №1493р «О внедрении в ОАО «РЖД» инновационных методов инженерных изысканий и мониторинга инфраструктуры железнодорожного транспорта».
5. Комплексная система пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта. Концепция. Утверждена Старшим вице-президентом ОАО «РЖД» В.А.Гапановичем 25.04.2011 г.
6. Комплексная система пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта. Системно-технический проект. В 2-х томах. Утвержден Старшим вице-президентом ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем 01.06.2011 г.
7. Постановление Правительства Российской Федерации №861 от 27 августа 2014 года «О внесении изменений в Правила установления местных систем координат»
8. Распоряжение «О постановлении Правительства Российской Федерации от 27 августа 2014 г. №861», подписано В.И. Якуниным 5 сентября 2014 года №2089р
9. Распоряжение №3216р от 31.12.2015 «Об утверждении методических указаний по применению высокоточной координатной системы ОАО «РЖД»
10. Распоряжение №3234р от 31.12.2015 «Об утверждении Технологической инструкции применения КСПД ИЖТ при проведении ремонтно-путевых работ на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта»
11. Свод правил СП 233.1326000.2015 «Инфраструктура железнодорожного транспорта. Высокоточная координатная система»