Высокоточный автоматизированный аппаратно-программный комплекс для диагностики дорожных покрытий

ИННОВАЦИИ № 08 (106), 2007

Высокоточный

Исследования

И ВАЗРАБОТКИ

автоматизированный аппаратнопрограммный комплекс

для диагностики дорожных покрытий

А. И. Дохов,

к. т. н., профессор, заместитель проректора по научной работе ХНУРЭ, руководитель НИЦ ИИРЭСТХНУРЭ

В. Г. Сугак, к. ф.-м. н., зав. отделом Института радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова

А. М. Лукьянов,

заведующий ПНИЛ НИЦ ХНУРЭ

Е. В. Гринченко,

ведущий инженер НИЦ ХНУРЭ

В статье описан автоматизированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для высокоточного определения геометрической формы и строения существующих автодорог и участков местности, на которых планируется строительство новых дорог. Использование информации, предоставляемой данным комплексом, позволяет повысить эффективность и скорость проектирования, а также сократить продолжи-

тельность проведения дорожно-строительных и дорожно-ремонтныхработ. Навигационный комплекс, входящий в состав предлагаемого аппаратно-программного комплекса, дает возможность решать дополнительные задачи, базирующиеся на точных координатных определениях: картографирование дорог, формирование корпоративной геодезической сети и т. д.

Введение

Высокоточная геодезическая съемка и определение геологического строения грунта являются важнейшими задачами, решение которых необходимо для обеспечения эффективного проектирования и сопровождения дорожно-строительных и дорожно-ремонтных работ, а также для создания паспорта автомобильных дорог. От качества выполнения этих работ в конечном итоге зависят эксплуатационные характеристики автодороги и, прежде всего, обеспечение условий безопасного движения.

Проведение геодезических измерений и определение структуры грунта в строгом соответствии с действующими в дорожной отрасли стандартами требуют накопления очень большого количества наблюдений и, соответственно, больших финансовых и временных затрат. Поэтому в настоящее время в дорожной отрасли ввиду большого объема работ и ограничений в финансировании работы по определению действительных параметров существующих автодорог и участков местности, на которых планируется строительство новых

дорог, проводятся в сокращенном объеме. Вследствие этого данные, включаемые в информационно-аналитические системы, характеризуются недостаточно высоким уровнем точности и малым объемом информации. В результате разрабатываемые рабочие проекты зачастую не отвечают современным требованиям. Это делает невозможным эффективное применение дорожной техники с автоматизированным управлением рабочими органами, которая находит все более широкое применение в мире в качестве ресурсосберегающих технологий (дорожные фрезы, широкозахватные укладчики смесей и т. д.).

Кроме того, разрабатываемые рабочие проекты содержат завышенные оценки трудоемкости работ, компенсирующие неточность исходных данных, и приводят к повышенным затратам на их реализацию.

Особенности существующих технологий

На рынке диагностического оборудования, обеспечивающего определение геометрических параметров

дорожного покрытия, лидируют компании Dynatest International A/S (Дания) [1] и Roadware Group Inc. (Канада) [2], имеющие свои представительства во многих регионах мира. Значительно им уступают компании Greenwood Engineering (Дания) [3], ARRB Group Ltd (Австралия) [4], CEDEX (Испания) [5], Surface Systems & Instruments, LLC (США) [6], WDM Limited (Великобритания) [7], представленные, в основном, только в регионах их размещения. Также следует упомянуть российскую компанию ОАО «СНПЦ РОСДОРТЕХ» [8], предлагающую пока еще недостаточно автоматизированные средства диагностики, но успешно действующую на рынке России.

Оборудование перечисленных компаний решает задачу определения профиля дорожного покрытия, однако полученные решения обладают рядом следующих недостатков.

Линейки лазерных датчиков, применяющиеся большинством компаний, позволяют получать с высокой точностью данные о профиле покрытия непосредственно во время движения автомобиля, на котором эта линейка размещается. Однако ориентация самой линейки в пространстве, а следовательно, и угол наклона (как продольного, так и поперечного) дорожного полотна при этом остаются неизвестными. Таким образом, в автоматизированном режиме при движении автомобиля контролируется только неровность дорожного покрытия, прежде всего, колейность. Для устранения этого недостатка в некоторых диагностических комплексах применяются инерциальные системы, объединяющие в себе акселерометры и гироскопы. Но использование инерциальных систем требует регулярного проведения достаточно сложной калибровки и потому не отличается высокой эффективностью.

Технологическое решение по использованию спутникового навигационного оборудования, реализованное в современных диагностических комплексах, не позволяет использовать их для автоматизированного сбора данных при подготовке проектных решений строительства или ремонта дорог. Метровая или субметровая точность определения координат достаточна для привязки результатов измерений к участку дороги, но не достаточна для выполнения проектных работ, что ограничивает область применения диагностических комплексов мониторингом состояния дорожного покрытия.

Из перечисленных выше компаний только CEDEX (Испания) имеет готовые технические решения для автоматизированного определения состояния дорожной одежды.

Следует подчеркнуть, что импортные системы имеют высокую стоимость (цена, установленная производителем, составляет десятки тыс. долларов США) и высокозатратны в обслуживании. Кроме того, они не адаптированы к специфическим условиям эксплуатации в СНГ, не могут совершенствоваться и функционально дополняться в зависимости от изменяющихся требований без привлечения фирм-разработчиков. Поэтому наиболее рациональным является использование при обследовании дорог оте-

чественных разработок, по своим техническим характеристикам не уступающих зарубежным. Примером такой разработки является аппаратно программный комплекс «Профиль +», разработанный в Харьковском национальном университете радиоэлектроники.

Принцип построения и функционирования аппаратно-программного комплекса «ПРОФИЛЬ +»

Аппаратно-программный комплекс (АПК) «Профиль +» позволяет решать следующие задачи:

> определять с высокой точностью геометрические параметры дорожного покрытия — углы продольного и поперечного уклона,

> путем зондирования определять структуру дорожной одежды — количество и толщину разнородных слоев, из которых состоит дорожное полотно и грунт, находящийся под ним,

> осуществлять трехмерную координатную привязку результатов измерений с использованием сигналов спутниковых навигационных систем. АПК «Профиль +» может быть установлен на

любом (колесном или гусеничном) наземном транспортном средстве и включает в себя следующие компоненты:

> трехантенный навигационный комплекс, обеспечивающий высокоточное определение пространственных координат по сигналам спутниковых навигационных систем (при наличии дифференциальной поддержки базовой станции или сети станций) и высокоточное определение пространственной ориентации осей связанной с ним системы координат;

> линейку лазерных датчиков с цифровым выводом информации на компьютер;

> систему сканирующих георадаров с цифровым выводом информации на компьютер;

> Notebook с программным обеспечением, предназначенным для оперативного анализа и обработки информации.

Основной отличительной особенностью АПК «Профиль +» по сравнению с существующими аналогами является интеграция высокоточных измерительных средств (лазерных датчиков и сканирующих георадаров) с навигационным комплексом.

Такая интеграция позволяет сформировать связанную с АПК систему координат и все измерения проводить в привязке к этой системе. Таким образом, АПК в связанной системе координат получает данные о профиле дорожного покрытия и структуре дорожной одежды с точностью, обеспечиваемой используемыми измерительными средствами. Для выполнения проектных работ полученные измерения должны быть представлены во внешней по отношению к АПК системе координат (общегосударственной, корпоративной или любой другой). Переход от связанной системы координат к внешней заданной системе обеспечивается с использованием навигационного комплекса, который контролирует свое местоположение и ориентацию в пространстве по

ИННОВАЦИИ № 08 (106), 2007

ИННОВАЦИИ № 08 (106), 2007

результатам обработки сигналов навигационных спутников. Существующее навигационное оборудование [9] позволяет решить эту задачу с высокой точностью. При этом точность определения угловой ориентации АПК в зависимости от величины измерительного базиса (расстояния между антеннами) навигационного комплекса составляет 2-5 угловых минут, а абсолютных координат комплекса во внешней заданной системе — от нескольких сантиметров до двух дециметров (в зависимости от условий проведения работ).

Отслеживание угловой ориентации осей связанной системы координат и положения ее центра позволяет компенсировать влияние крена и колебаний транспортного средства при движении на результаты измерений комплекса и тем самым получить надежную оценку профиля дорожного покрытия и структуры дорожной одежды.

Наличие в составе АПК «Профиль +» навигационного комплекса, обеспечивающего независимую координатную привязку и определение пространственной ориентации автомобиля в каждой точке его траектории, имеет преимущество по сравнению с используемыми в настоящее время одноантенными системами, интегрированными с гироскопом. Помимо того, что последние не обеспечивают необходимой для выполнения проектных работ точности координатной привязки измерений, они требуют дополнительной калибровки с использованием внешних устройств, так как гироскоп не позволяет определить исходное положение осей системы координат, связанной с автомобилем.

Как показывают полученные авторами оценки, точность определения профиля дорожного покрытия с помощью АПК «Профиль +» составляет 0,5-1 см.

В комплексе «Профиль +» сбор данных осуществляется в автоматическом режиме в процессе движения автомобиля. Зондирование грунта с целью определения его структуры может выполняться при скорости движения 5-10 км/час в зависимости от требуемой точности измерений, а при определении геометрических параметров исследуемой поверхности скорость автомобиля может достигать 20-70 км/час и определяется качеством этой поверхности и условиями работы.

Предварительная обработка и анализ качества зарегистрированной информации проводятся в реальном времени непосредственно в ходе накопления данных. Окончательная совместная обработка всей поступившей информации осуществляется в пос-лесеансном режиме специализированным программным обеспечением. Для обработки навигационной информации в послесеансном режиме используется информация базовых станций или их сетей.

В перспективе для повышения точности и надежности координатной привязки измерений планируется использовать навигационное оборудование, интегрированное с инерциальными системами. Это позволит обеспечить точную координатную привязку в сложных для работы навигационного оборудования условиях — условиях ограниченной видимости (вблизи высотных сооружений, в тоннелях и т. д.).

Область применения АПК «ПРОФИЛЬ +»

Основным назначением АПК «Профиль +» является автоматизированное высокоточное измерение геометрических параметров поверхности, по которой движется базовое транспортное средство, и структуры грунта, расположенного под этой поверхностью, а также трехмерная координатная привязка измерений с использованием сигналов навигационных спутниковых систем и подготовка данных для проектирования дорожно-ремонтных и дорожностроительных работ. Это позволяет ускорить разработку таких проектов, а также повысить точность и надежность проектных решений, благодаря чему может быть сэкономлено до трех процентов стоимости дорожных строительных и ремонтных работ. Использование АПК «Профиль +» обеспечивает также сокращение сроков непосредственного проведения ремонтно-строительных работ и выполнение их на качественно более высоком уровне.

Благодаря тому, что АПК «Профиль +» дает возможность выделить в измерениях параметров дорожной одежды компоненты, обусловленные сложностью траектории автомобиля, область применения этого комплекса включает в себя диагностику дорог, покрытие которых находится в неудовлетворительном состоянии. Более того, АПК «Профиль +» может быть использован при исследовании характеристик взлетно-посадочных полос аэропортов и военных аэродромов, участков местности, на которых еще только планируется строительство дороги, для чего он, как уже было отмечено, может быть установлен на гусеничное транспортное средство.

Кроме своего главного назначения, АПК «Профиль +» дает возможность:

^ осуществлять контроль качества работ по строительству, реконструкции и ремонту автомобильных дорог, оценивать тенденции изменения топологии дорожного покрытия;

^ в ходе выполнения своей основной задачи периодически уточнять карту автомобильных дорог страны; ^ сформировать и поддерживать корпоративную геодезическую сеть для оперативного определения точных пространственных координат каждого участка дороги;

^ определять точное расположение существующих и устанавливаемых километровых отметок сети дорог;

^ сформировать и пополнять информационную базу данных для использования в навигационных системах автомобилей.

Заключение

Предлагаемый к реализации АПК «Профиль +» способен обеспечить высокоточные измерения формы поверхности дорожного покрытия и определение структуры дорожной одежды, а также обеспечить автоматизированную обработку информации для решения задач управления и содержания дорог.

Накопление и систематизация данных о фактических параметрах сети автомобильных дорог общего пользования может стать основой информационноаналитических систем (электронного паспорта автомобильных дорог и системы управления состоянием покрытия), в настоящее время широко внедряющихся в управлении дорожным хозяйством.

Список использованных источников

1. Dynatest International A/S web pages http://www.dynatest. com/home.htm

2. Roadware Group Inc. web pages http://www.roadware.com/

3. Greenwood Engineering web pages http: / /www.greenwood.dk/

4. ARRB Group Ltd web pages http://www.arrb.com.au/index.php

5. CEDEX web pages http://www.cedex.es/ingles/home.html

6. Surface Systems & Instruments, LLC web pages http://www. smoothroad.com/

7. WDM Limited web pages http://www.wdm.co.uk

8. ОАО «СНПЦ «РОСДОРТЕХ»» Интернет страницы http:// www.rdt.ru/

9. A. Simsky, L. V. Kuylen, F. Boon. Singleboard Attitude Determination System Based on the PolaRx2@ GPS Receiver. European Navigation Conference GNSS 2005, Munich, Germany, 1922 July 2005.