Методы и средства диагностики рельсового пути на основе инерциальных и геоинформационных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и средства диагностики рельсового пути на основе инерциальных и геоинформационных технологий

Д.Ю. Ларионов

Пути железнодорожного сообщения -- это стратегические транспортные артерии страны, за состоянием которых необходим непрерывный строгий контроль. Основным способом данного контроля является использование различных вагонов-дефектоскопов. Для измерения протяжённых рельсовых дефектов, а также для привязки найденных дефектов к путевой координате, в вагонах-дефектоскопах используются бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) среднего класса точности на дорогостоящих лазерных гироскопах. спутниковый датчик железнодорожный путь

Использование специальных вагонов-дефектоскопов требует выделения окна в расписании движения железнодорожных поездов. Поэтому наиболее перспективным направлением железнодорожной дефектоскопии сегодня считается оснащение обычных, регулярно курсирующих вагонов дешёвыми и малогабаритными дефектоскопическими системами. Это позволит непрерывно контролировать состояние рельс без необходимости приостановки обычного ж/д трафика. Примером такой перспективной системы является МИСД-РП, разработанная на каф. ЛИНС СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» [1, 2].

Препятствием на пути к массовой установке диагностических систем на обычные вагоны является дороговизна БИНС. В то же время, применяемые БИНС являются универсальными, предназначенными для использования на любых подвижных объектах: самолётах, кораблях и т.д. Они не учитывают специфики навигации на железных дорогах, которая коренным образом отличается от других видов навигации.

В докладе приведена концепция построения ИСОН с учётом специфики навигации на железнодорожных путях.

Инерциально-спутниковые технологии в задаче коррекции датчика пройденной дистанции (одометра)

Поскольку все контролируемые параметры состояния рельсовой колеи фиксируются как функция пройденного вагоном-путеизмерителем пути, требования к точности его измерения чрезвычайно высоки. Решение задачи определения пройденного вагоном на момент времени t пути от некоторой опорной точки необходимо, во-первых, для локализации (привязки) результатов контроля рельс и, во-вторых, для определения характеристик пути независимо от скорости вагона. Естественно, что все погрешности измерений пройденного пути приводят к искажению геометрических параметров рельс и неточной локализации обнаруженных дефектов.

Использование для привязки результатов измерений геометрии и дефектов пути показаний одного лишь одометра не приводит к удовлетворительному результату из-за его погрешностей.

Опытная эксплуатация инерциальной системы диагностики железнодорожного пути МИСД-РП показала, что в качестве навигационных отметчиков (НО) могут выступать конструктивные особенности рельсового полотна ? стыки, стрелочные переводы и т.п., а использование процедуры взаимной корреляции сигналов одного и того же микромеханического модуля, но в разных проездах при их предварительном сведении по показаниям одометра и сигналов СНС, в силу квазипостоянства положения пути, позволяет достичь существенного эффекта в задаче коррекции одометра. На рис. 1 приведены показания одного из ДММ в 8-ми проездах одного и того же участка пути с разными скоростями движения.

Рис.1. Показания ДММ в 8 последовательных проездах

Видно, что амплитуды сигналов меняются, но их пространственное положение, естественно, остаётся неизменным. Кроме этого, измерение времени между реакциями на стык первого и следом идущего колеса позволяет оценить текущую скорость движения (рис. 2).

Рис. 2. Коррекция скорости движения по рельсовым стыкам

Геоинформационные технологии

Все существующие варианты реализации НО, в той или иной степени, предполагают использование сигналов приёмной аппаратуры СНС. Однако штатный режим её работы характеризуется значительными погрешностями (порядка 10-15 м) в определении координат, а реализация дифференциального режима предполагает строительство референц-станций каждые 50 км, что не всегда может быть обеспечено. С другой стороны, сам по себе путь, являясь квазипостоянной структурой, несёт в себе значительный объем априорной информации о траектории движения, что, безусловно, может быть использовано для случаев многократных прохождений контролируемого участка пути.

Рассмотрим характерные особенности формы железнодорожного пути. В целом, траектория может быть представлена последовательностью прямолинейных и криволинейных участков. Последние, в свою очередь, характеризуются серией переходных (рис. 3) и круговой кривых.

Математически переходная кривая может быть описана следующим выражением:

(1)

где С_п - геометрический параметр переходной кривой (); A₁, B₁ - коэффициенты, определяемые из условий равенства производных в точках соединения кривых; R - радиус кривизны; l_пк - длина переходной кривой.

Круговая кривая ? .

Рис. 3. Возможные конфигурации железнодорожных путей в плане

На рис. 4 приведены изменения показаний ПА СНС по результатам 5-ти проездов одного из участков железнодорожного пути, что даёт основание для применения оптимальных методов совместной обработки с целью получения аппроксимирующей функции.

Следует также обратить внимание, что в некоторых случаях (см. рис. 4, фрагмент 2 и рис. 5, б) наблюдается систематическое пропадание сигналов СНС (эффекты затенения и переотражения радиосигналов), что, безусловно, является дополнительной полезной информацией при использовании БИНС, интегрированных с ПА СНС.

Рис. 4. Статистическая обработка показаний ПА СНС

Рассмотрим детально случай прямолинейного участка железнодорожного пути (рис. 6). Обработке подвергается массив данных, содержащий (j) и (j+1) показания ПА СНС 1-го проезда , отсчеты из 2-го и 3-го проездов.

Рис. 5. а) фрагмент 1 рис. 4; б) фрагмент 2 рис. 4

Рис 6. Обработка данных ПА СНС для прямолинейного участка пути

Исходя из равноточности СНС в измерениях широты и долготы, правомерным будет утверждение, что действительным изменением пройденной дистанции является значение проекции вектора, соединяющего точки и на линию, полученную в результате аппроксимации, а получаемая зависимость может выступать аналогом использования СНС в дифференциальном режиме [2].

При совместной обработке показаний СНС по нескольким проездам и оценке среднестатистического положения пути, могут быть выявлены так называемые выбросы в показаниях СНС. На рис. 7 приведены примеры оценки изменений северной (dSn) и восточной (dSe) составляющих измерений географических координат.

Рис. 7. Примеры оценки изменений северной (dSn) и восточной (dSe) составляющих измерений географических координат

Таким образом, путём согласования векторов перемещения объекта по показаниям СНС и датчика пути может быть получена относительная погрешность одометра m1 и реализована процедура коррекции номинального значения его дискрета (ДS):

(2)

Функциональная схема интегрированного комплекса ГИС на оснве априорных знаний о пути

На основании вышеизложенного предлагается ввести в алгоритм работы МИСД-РП базу данных ГИС, которая позволит компенсировать более низкую точность ВОГ по сравнению с ЛГ и, таким образом, уменьшить стоимость системы без потери точности.

Рис. 8. Функциональная схема МИСД-РП с интегрированной базой данных ГИС

Датчик пути корректируется по показаниям системы навигации на рельсовом пути. При этом используется сам сигнал с датчика угла (которым в конечном счете и является датчик пути) для анализа показаний ДММ на периоде колеса и определении дефектов его поверхности катания. Далее, по показаниям пары модулей, расположенных с одной стороны вагона определяются дефекты на поверхности рельсовых нитей. Показания СО и оптической системы позволяют определять геометрические параметры рельсового пути. Информация о геометрии рельсового пути, показания спутниковой системы и данные о моментах прохождения неровностей рельсового пути поступают в систему навигации на рельсовом пути. Данные по отклонениям от норм содержания рельсового пути формируют базы проезда и далее используются в ГИС, вместе с информацией от системы навигации, формируя своего рода электронный паспорт пути.

Заключение

Разработанный алгоритм позволяет, путём учёта специфики движения по железнодорожным путям и использования априорно известных данных о его положении, получить требуемые точности выработки параметров ориентации и навигации не от дорогостоящих лазерных, а от дешёвых, вибро- и ударопрочных волоконно-оптических гироскопов. Таким образом, удаляется главное препятствие к массовой установке малогабаритных систем диагностики на обычные, регулярно курсирующие локомотивы.

Литература

1. Боронахин, А.М. Малогабаритная интегрированная система диагностики рельсового пути // Гироскопия и навигация, №1 (64) // А.М. Боронахин, Л.Н. Олейник, Н.С. Филипеня. - С-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - С. 63 - 74.

2. Боронахин А.М. Инерциальная система мониторинга рельсового пути // А.М. Боронахин [и др.] // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. Вып. 10. С 84 - 91.

3. Ларионов Д.Ю. Интегрированная система ориентации и навигации с привлечением геоинформационных технологий для применения на ж/д транспорте // А.М. Боронахин, Д.Ю.Ларионов, Л.Н.Подгорная, Р.В. Шалымов // Гироскопия и навигация, №4 (78), 2012.

4. D. Larionov. Inertial System for Railway Track Diagnostics // D. Larionov, Y. Filatov, A. Boronachin, L. Podgornaya, E. Bokhman, R. Shalymov // Proc. on Symp. Inertial Sensors and Systems, Germany, 18-19 Sept, 2012, Karlsruhe, pp. 17.1-17.20.

Размещено на Allbest.ru