Facebook
YouTube
VKontakte
Instagram

Статьи

Спутниковая геодезия и навигация. Высокоточная съемка железнодорожных путей

Эта статья рассказывает о системе Swiss Trolley, мультисенсорной измерительной системе, включающей в себя GPS-технологию - кинематика в реальном времени (RTK) и используемой для съемки участков железнодорожных путей на территории Великобритании.

С мая 2003 был запущен крупномасштабный проект восстановления железнодорожных путей в рамках Программы Модернизации Маршрута Западного Побережья (WCRM), требующий значительных усилий от ж/д промышленности Великобритании. Компании, занимающиеся выполнением съемочных работ, играют ключевую роль в этой программе, обеспечивая пространственную информацию для проектировщиков о линейных перегонах, туннелях, платформах, дренажной системе и подвесных контактных линиях - другими словами, обо всех инфраструктурных элементах железнодорожной системы.

Рис. 1. Программа модернизации ж/д путей Западного побережья Великобритании.

Съемочные фирмы обеспечивают несколько уровней необходимых измерений в течение строительства, таких как контроль укладки щебня и путей, а также габаритов приближения строений, которые приводят новый ж/д путь и сопутствующие системы в соответствие со спецификацией проекта для данного железнодорожного пути.

Объем работ для Маршрутного Участка 12 включал в себя приблизительно 80 километров (от станции Colwich Junction до ст. Cheadle Hulme, Рис. 1) и был первый в ряде проектов восстановления железнодорожных путей, в котором участвовали различные отделы и организации.

С запуском проекта, съемочные компании уже скоро перегружены работой, используя традиционные относительные технологии съемки основных ж/д путей и измерения отклонений, просто потому что программа строительства учитывала "плавающие" дороги. Относительные методы измерения являются привычной практикой британских съемочных компаний.

Система Swiss Trolley и оптический тахеометр.

Отклонения измерялись и определялись относительно пространственных, неподвижных объектов (семафоры, путевые гвозди, постоянные земельные репера, основные ж/д пути). Эти измерения отмечались (с помощью мела или краски, добавляя или отнимая требуемое горизонтальное перемещение и требуемый подъем согласно проекта) на ж/д полотне, которое останется в течение всего времени по строительству другого ж/д пути. Это работает до тех пор, пока не затронут так называемый основной рельс (перемещен трамбовочными действиями, в результате нагрузки рельса, или, в худшем случае, вообще уничтожен).

Компания Terra International Surveys Ltd. (Цюрих, Швейцария) была приглашена компанией NetworkRail, чтобы продемонстрировать систему съемки ж/д пути с использованием метода кинематики в реальном времени (RTK), названную Swiss Trolley, которая включает использование оптических тахеометров и GPS RTK-приемников. Скоро стало очевидно, что этот абсолютный способ съемки и будет тем решением, которое обеспечит точность, плотность и многопараметровую информацию. Эта статья рассказывает нам о системе Swiss Trolley, описывает его работу и функциональные ограничения.

Характеристика системы

Университет Прикладных Наук (The University of Applied Sciences) в г. Burgdorf разработал данное устройство с сотрудничестве с компанией Terra International Surveys Ltd. (Швейцария), как часть проекта, финансируемого Комиссией по Технологиям и Инновациям Щвейцарского Министерства Профессионального Образования и Технологий (Commission for Technology and Innovation by the Swiss Office for Professional Education and Technology). Система была разработана для кинематических приложений, которые обеспечивают субсантиметровую точность.

Однако, компания Grunder Ingeniere AG (г.Burgdorf, Швейцария), еще один партнер программы, успешно применила данную систему в совокупности с высокоточными оптическими тахеометрами для выравнивания 18-км участка ж/дороги в туннеле Zurich-Thalwil Щвейцарской Федеральной Железной Дороги. Данная процедура требует измерения с миллиметровым уровнем точности. Кроме GPS/RTK-устройств и тахеометров, необходимо использовать еще некоторые датчики для полного измерения геометрии пути. Два наклономера, система измерения ширины пути и счетчик пройденного пути позволяют получить ключевые параметры полотна: возвышение наружного рельса, градиент, ширину полотна и пройденное расстояние.

Модульное исполнение устройства позволяет использовать дополнительные датчики, такие как лазерные сканеры или радары подземного зондирования (GPR). Функционирование системы в автономном режиме также может создавать графики зависимостей "путь" - "искривление" и "путь" - "ширина пути" как функцию от пройденного пути. Автономные методы съемки представляют собой быстрые методы мониторинга путей в процессе их строительства.

Использование датчиков

Возвышение наружного рельса и градиенты измеряются двумя жидкостными наклономерами. Типичная точность в статическом режиме не превышает 0.2 мрад. Систематические погрешности проверяются в начале съемки методом двойных измерений наклонов относительно базовой плоскости.

Ширина пути определяется функцией углового местоположения двух буксируемых механических сканеров. Угловые преобразователи измеряют отклонение сканеров. Калибровка системы выполняется путем сравнения показателей датчика ширины пути и данными промерной рейки. Точность системы измерения ширины пути достигает приблизительно 0.5 миллиметров.

Рис. 2. Блок-схема системы Swiss Trolley.

Проводить измерения длины параллельных рельс могут два счетчика пройденного пути, которые имеют возможность выдавать различные отсчеты при поворотах рельс для более точных вычислений. Среднее значение правого и левого датчика формирует длину осевой линии пути. Систематические ошибки данных измерений могут произрастать от неопределенного масштабного коэффициента. Данный параметр может быть откалиброван путем сопоставлением данных счетчика пройденного пути с истинной длиной пути, полученной из измерений тахеометра. Если данные этого счетчика не подвержены фактору скольжения по рельсам, то их точность может составлять до 50 мм на километр пути. Рис. 2 показывает все датчики, имеющиеся в системе Swiss Trolley.

Обработка информации

Чтобы извлекать пользу из "прошлых" и "будущих" корреляций смежных измерений, данные подвергаются постобработке. Постобработка данных кинематики построена на основе каскадного фильтра. В отличие от двойного фильтра, мы обрабатываем параметры, такие как тангенциальные ускорения, которые незначительно влияют на заключительные результаты. Это дает нам более простую и более устойчивую формулировку фильтра.

Каскадная обработка данных разделена на шаги:

  • обнаружение грубой ошибки / обработка данных I
  • синхронизация / обработка данных II
  • фильтрация / сглаживание

Рис. 3. иллюстрирует концепцию каскадной постобработки.

Обнаружение грубой ошибки / обработка данных I

Постобработка включает в себя проверку целостности и обнаружение грубой ошибки данных для каждого канала. Причины возникновения грубых ошибок разнообразны. Например, сварные швы на рельсах могут вызвать непреднамеренное ускорение системы, которое главным образом влияет на показания датчика возвышения наружного рельса. Данные с исключенной грубой ошибкой позволяют сделать первый шаг обработки информации. Как было упомянуто предварительно, тангенциальные ускорения удаляются из показаний датчика возвышения наружного рельса в течение стадии предварительной обработки.

Мы можем получить значения ускорения и скорости по данным измерения расстояний пути посредством соответствующих полиномов и соответствующих производных. Метод кубических парабол обеспечивает хорошие показатели с умеренной шумовой помехой. Центростремительное ускорение при обработке данных игнорируется, так как является приемлемым из-за низкой скорости движения системы и больших радиусов поворотов путей. Преобразованные угловые данные используются для оценки ширины пути и определения колебания системы между рельсами. Параметры колебания незначительны из-за инерциальных возможностей системы.

Синхронизация / обработка данных II

Синхронизация данных системы с данными о её местоположении выполняется только в том случае, когда GPS-приемник не имеет возможности выдавать секундные синхроимпулсы PPS. В отличии от GPS-RTK оборудования с возможностью выдачи PPS, данные тахеометра не могут быть синхронизированы с данными измерительной системы путей в процессе обработки информации.

В области GPS-оборудования, данные измерительной системы путей с частотой в 20 Гц прореживаются (децемируются) до типичных для GPS-приемников частоты в 1 Гц. Частота в 1 Гц является достаточной для точной записи всех параметров измерения ж/д путей. Формат NMEA выдается через последовательный порт приемника и содержит GPS-RTK решения, которые используют метод решения неоднозначности фазы несущей. Программное обеспечение для постобработки имеет возможность учитывать аномалии высот геоида и использовать специальные модели геоида, простирающиеся вдоль железнодорожного пути. В пределах данного проекта, мы улучшили существующую модель геоида, сравнивая данные нивелирования и GPS-измерений вдоль путей. Для сравнения измерений с номинальными данными, координаты фазового центра GPS-антенны должны быть приведены к средней линии ж/д пути. Обычно, средняя линия пути не всегда совпадает с его реальной осью, так как ширина пути может отличаться от номинального значения (например, 1435 мм). Однако, приведение к оси пути даст в результате прерывистую кривую, нарушающую шаг фильтрации. Соответственно, коррекция за отклонения от номинальной ширины пути вводится только после фильтрации.

Для проектов восстановления ж/д путей является доступной номинальная геометрия пути, описывающая путь как ряд аналитических функций - прямых линий, кругов, или замкнутых фигур. На этом этапе предфильтрации оцениваются остаточные смещения номинальной траектории.

Фильтрация / сглаживание

Одиннадцати компонентный фильтр Калмана оценивает параметры ж/д пути. Компоненты фильтра включают в себя смещения от номинального пути, возвышение наружного рельса и ширину пути. Модель подразумевает движение с постоянной скоростью, регистрирует величины горизонтальных и вертикальных смещений, данные о возвышение наружного рельса и вводит дополнительные адаптивные параметры для масштаба счетчика пройденного пути и погрешность градиента наклономера. Последние два параметра могут быть зафиксированы, если они постоянны для всей съёмки, что позволяет более надежно конфигурировать фильтр.

Для обновления фильтра используются семь наблюдений за определённый отрезок времени. Измеренные горизонтальные и вертикальные смещения от номинального пути, расстояния, ширины пути, градиента и расстояния по данным счетчика пройденного пути могут быть поданы на вход фильтра Калмана. Постобработка позволяет проводить фильтрацию в прямом и обратном направлениях, а также проводить сглаживание. Это уменьшает отклонение однонаправленного фильтрованного решения и минимизирует задержки, вызванные однонаправленным фильтрованным рядом.

Фильтрованные данные представлены на графиках, которые показывают параметры для восстановления ж/д путей, такие как: горизонтальные и вертикальные смещения, уклон, крутизна и ширина пути. Программное обеспечение для постобработки генерирует управляющие файлы для систем управления трамбовочной машиной. При использовании данных параметров, машины могут привести положение ж/д пути к желательному положению.

Если никакие номинальные данные о пути не известны, что иногда бывает в случаях со старыми железнодорожными линиями, оценивается абсолютная траектория. Компоненты фильтра в этом случае содержат такие параметры как местоположение, скорость, азимут, искривление, уклон, градиент, ширину пути, масштаб счетчика пройденного пути и погрешность градиента наклономера. Фильтрованные данные являются основанием для прокладки пути, в которых аналитические функции должны соответствовать траектории.

Типичный порядок работы включает в себя несколько замеров путей с перекрывающимися участками. Чтобы улучшить точность, путь обычно измеряют в обоих направлениях. В дальнейшем инструмент под управлением программного обеспечения постобработки совмещает данные со всех приемов и учитывает возможные остаточные невязки. Процесс совмещения данных учитывает ковариационную матрицу одиночных фильтрованных решений. Участки с плохим приемом GPS-сигналов или с их отсутствием вообще (туннели, мосты) снимаются при помощи тахеометра в комбинации с измерительной станцией путей. Данные тахеометра увязываются с данными GPS-съемки.

Пример съемочных работ

Задачей системы Swiss Trolley было измерение 250-метрового участка пути в прямом и обратном направлениях. Съемка проводилась со скоростью пешего шага (1.2 м/с) с фиксированным решением GPS-съемки для обоих приемов. Кроме оценки точности, прямые и обратные приемы позволяют определить большинство систематических ошибок датчиков, а также калибровать опорное направление. Мы обработали данные согласно предварительно описанной схеме и вычислили отклонения относительно номинальной геометрии пути.

Рис. 4 показывает влияние измерений градиента наклономера на высоты, полученные GPS-приемником.

Измерения наклономера корректируют начальные измерения GPS-съемки с последовательным улучшением фактора точности до 1.5 по сравнению с решением, полученным только от GPS-приемника. В данном примере, для высот, полученных GPS-приемником, было выбрано априорное стандартное отклонение равное 20 мм, в то время как априорное стандартное отклонение градиента было установлено равным 3 мрад. Однако, градиенты должны быть тщательно определены, так как непреднамеренное ускорение может повлиять на определение высот для локальных траекторий.

Таблица 1 суммирует разности между 2-мя приемами по параметрам: горизонтальное и вертикальное смещение, возвышение наружного рельса, ширина полотна, градиент, поворот, показывая очень маленькие средние значения в результате первого удаления существующих систематических ошибок. Для сравнения, пункты обратного приема были интерполированы к соответствующем пунктам на прямом приеме. Для оценки разностей использовалась информация о ковариации скорректированных решений.

Таблица 1

  Среднее значение Стандартное значение MIN MAX Единицы измерений
Горизонтальное смещение 0,1 3,9 -9,9 9,4 мм
Вертикальное смещение 0,6 8,1 -22,6 19,8 мм
Возвышение наружного рельса 0,0 0,3 -0,9 1,0 мм
Ширина пути -0,4 0,3 -1,1 0,6 мм
Градиент 0,0 1,8 -4,8 8,0 мрад
Крутизна 0,0 0,1 -0,5 0,4 мм/м

Рис. 5 показывает изменение параметра горизонтального смещения пути.

Стандартное отклонение лучшее, чем 4 мм, является результатом разностей.

Рис. 6, который показывает откорректированные GPS-высоты, отражает типичные циклические образцы уровня отсыпки щебня.

Большинство этих циклов может быть отнесено к предыдущей относительной правке пути. Область ниже кривой относительно поперечного сечения информирует о недостающей отсыпке. Если параметры вертикального отклонения достигают таких высоких величин, рекомендуется обратить внимание на местные характеристики номинальной геометрии пути.

Кроме графиков вертикального и горизонтального смещений, диаграммы возвышения наружного рельса и ширины пути также представляют интерес при съемке ж/д путей (Рис. 7 и 8). Критический параметр, характеризующий аспект безопасности пути - крутизна. Допустимый параметр крутизны пути главным образом зависит от предсказанной скорости поездов, движущихся по рельсам.

Крутизна пути описывается отношением возвышений наружного рельса. Данное отношение определяется системой в основном без относительных ошибок. Однако, усиление шумов может быть значительно из-за отклонений (шумных) измерений возвышения наружного рельса. Посредством постобработки получены сглаженные характеристики крутизны пути, что показано на Рис. 9. Данные, полученные из двух приемов, были сглажены отдельно.


Представленные здесь точностные характеристики с полной мере удовлетворяют требованиям при работах по выравниванию ж/д путей. Значительные периодические ошибки определения местоположения путей, которые встречаются при использовании мерных рулеток, исключаются при применении GPS-технологии. Благодаря использованию GPS-систем, для всего железнодорожного пути получены только однородные ошибки. Ограничивающим фактором точности при использовании GPS-оборудования при съемке ж/д путей является эффект многолучевости. Однако, в ближайшем будущем будут использоваться новые GPS-антенны типа "Ground plane" с технологией Stealth, что внесет существенный вклад в борьбе с многолучевостью.

Заключение

Во время завершения работ на Маршрутном Участке 12, описанных ранее, также были выполнены работы на Маршрутном Участке 2 Проекта WCRM. В отличие от Маршрутного Участка 12, на этой территории компания Terra International Surveys Ltd. создала сеть опорных пунктов первого класса с помощью GPS-технологий. Так, количество ежедневных измерений путей значительно увеличилось, поскольку теперь данные могли собираться более доступно при небольшой скорости движения системы Swiss Trolley в режиме RTK-GPS, независимо от дневных или ночных периодов работы. Используя сеть опорных пунктов второго класса (пункты на каждой второй ж/д опоре) и систему Swiss Trolley в режиме оптической тахеометрии, были выполнены съемочные работы на территориях, недоступных к приему сигнала GPS. На участке в 27 км с двойными путями, выполняя по несколько приемов наблюдений, мы получили измерения на длину путей более чем 135 км. Часто и где было возможно, измерения проводились двумя системами Swiss Trolley на двух путях одновременно, что минимизировало интерференцию с различными строениями и ж/д транспортом.

Объемная и точная информация о пути, полученная при последнем измерении, дала возможность компании Terra International Surveys Ltd. гарантировать точное описание фактического физического положения ж/д пути. Последующие прикладные методы анализа дали новое геометрическое описание этих двух линий, которые могут теперь использоваться, чтобы обозначить параметры пути и поддерживать их в соответствии с новыми решениями.

В результате причастности компании Terra International Surveys Ltd. к вышеописанным проектам в Великобритании, выяснилась значительная необходимость в получении дополнительных, очень точных пространственных данных об окружающей среде над и под ж/д путями. Значительная часть научных исследований была сосредоточена на решении, в котором комбинируются и регистрируются максимальное количество параметров одновременно, таких как данные лазерных сканеров или радары подземного зондирования, для того, чтобы получить полную трехмерную картину исследуемого ж/д полотна.

Благодарности

Авторы хотят поблагодарить Комиссию по Технологиям и Инновациям Щвейцарского Офиса Профессионального Образования и Технологий (Commission for Technology and Innovation by the Swiss Office for Professional Education and Technology) за предоставленную возможность по развитию системы Swiss Trolley. Отдельное спасибо компании Network Rail, которая дала нам возможность получить обширный опыт в оптимизации взаимодействия с технологическими процессами строительства для британского рынка.

Оборудование

В данном проекте использовалось оборудование компании Trimble. GPS RTK приемники 5700/5800, антенны Zephyr, тахеометры АТS600 и система Swiss Trolley, предоставленная компанией Terra International Surveys Ltd. (Щвейцария).

Перевод статьи опубликованной в GPS World, Май 2004

Публикуется с разрешения Advanstar Communications Inc.

859 Willamette Street, Eugene, Oregon 97401-6806, USA

Tel: +(541) 343-1200

Fax: +(541) 984-5333

E-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Перевод выполнен "Навгеоком" 2005

Авторы: Ральф Глаус (Ralph Glaus), Жерард Пилс (Gerard Peels), Урс Мюллер (Urs Muller), Алэин Гейджер (Alain Geiger).

Статья взята с сайта компании "Навгеоком"

Главная Материалы Статьи Спутниковая геодезия и навигация. Высокоточная съемка железнодорожных путей