УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к устройствам для непрерывной регистрации пространственного положения рельсовой колеи при диагностике пути, проектно-изыскательских и других видов работ с использованием вагонов - путеизмерителей, выправочно-рихтовочных машин, путеизмерительных тележек и получения информации о пространственном положении объектов инфраструктуры железной дороги, включая состояние земляного полотна, а также объектов связи и сигнализации.
Известно устройство, определяющее пространственное положение рельсового пути путем непрерывной регистрации первичной информации, снимаемой с размещенных на движущейся по рельсовому пути транспортной платформе датчика курса, гироскопического датчика угла наклона по курсу (тангажа), гироскопического датчика наклона пути в поперечном профиле (датчика крена), датчика пройденного пути, датчика межрельсового расстояния и датчика погружения транспортной платформы. Информацию с указанных датчиков преобразовывают в цифровую форму, передают в вычислительный блок, преобразовывают получаемые данные в пространственные координаты рельсового пути и фиксируют их в регистрирующем блоке (патент РФ №2026448, Е01В 35/00).
При этом данное устройство не позволяет измерять геометрические параметры пути, такие как рихтовка и просадка, значения которых определяют взаимное положение отрезков пути в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Известно устройство для определения пространственных параметров рельсового пути, содержащее ходовую тележку, включающую опорное колесо и расположенные на одной оси над одной из рельсовых нитей первое и второе измерительные колеса и мерное колесо (патент РФ №2261302, Е01В 35/00, прототип). Указанное опорное колесо связано с измерительными колесами, установленной под углом 90° относительно направления движения штангой, на которой установлен датчик ширины колеи, на мерном колесе смонтирован датчик пути, а на оси, связывающей измерительные колеса, установлен курсокреноуказатель, выходы датчиков пути и ширины колеи и курсокреноуказателя связаны через контроллер с компьютером.
Известное устройство для определения пространственного положения рельсовой колеи, осуществляет регистрацию информации с датчиков межрельсового расстояния, пройденного пути, текущего курсового угла, продольного и поперечного уклона при движении транспортного средства и вычисление по этим данным текущих координат рельсовой колеи. Регистрацию курсового угла и продольного уклона с указанных датчиков и определение текущих координат осуществляется по одной из рельсовых нитей относительно любого исходного направления в горизонтальной плоскости. Однако данное устройство не позволяет определять пространственные данные инфраструктуры пути, земляного полотна, инженерных сооружений объектов связи, сигнализации и т.д., съемка которых является неотъемлемой частью работ при проведении проектно-изыскательских работ, натурных проверок плана и профиля железнодорожных путей.
Задачей полезной модели является повышение производительности и эффективности работ, расширение диапазона получаемых пространственных данных о положении и состоянии объектов инфраструктуры железной дороги.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства, за счет создания измерительной системы, позволяющей одновременно с определением пространственных координат и взаимного положения отрезков рельсового пути в вертикальной и горизонтальной плоскостях, получать информацию о пространственном положении объектов инфраструктуры железной дороги, включая состояние земляного полотна, а также объектов связи и сигнализации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для определения пространственных параметров, содержащее ходовую тележку, включающую опорное колесо и расположенные на одной оси над одной из рельсовых нитей первое и второе измерительные колеса и мерное колесо, при этом опорное колесо связано с измерительными колесами установленной перпендикулярно направлению движения штангой, на которой установлен датчик ширины колеи, на мерном колесе смонтирован датчик пути, на указанной штанге установлен блок пространственной ориентации, включающий котроллер и связанный с осью измерительных колес курсокреноуказатель, при этом вход-выход указанного курсокреноуказателя связан с первым входом-выходом контроллера, а выход датчиков пути и выход датчика ширины колеи связаны соответственно с первым и вторым входами указанного контроллера, второй вход-выход которого связан с первым входом-выходом управляющего компьютера, согласно полезной модели, снабжено спутниковой системой позиционирования, связанной с управляющим компьютером, и установленными на раме ходовой тележки лазерными сканирующими головками, входы-выходы которых связаны соответственно со вторым и третьим входами-выходами управляющего компьютера, при этом указанные лазерные сканирующие головки установлены с наклоном к вертикальной оси, а их горизонтальные оси ориентированы под углом друг к другу и относительно оси направления движения.
На фиг.1 представлен общий вид устройства согласно полезной модели; на фиг.2 - структурная схема устройства, на фиг.3 - установка лазерных сканирующих головок 13, 14 (а - общий вид устройства, вид сбоку, б - то же, вид сверху).
Устройство согласно полезной модели содержит ходовую тележку, выполненную в виде разборной рамы, снабженной усилителями жесткости и съемными платформами для установки блоков устройства. Указанная ходовая тележка включает пару измерительных колес 1 и 2, опорное колесо 3 и мерное колесо 4. Колесо 3 связано с измерительными колесами 1, 2 штангой 5, установленной перпендикулярно направлению движения. На штанге 5 установлен датчик ширины колеи 6, например, потенциометрический или магнитострикционный датчик линейного положения. На мерном колесе 4 смонтирован датчик пути 7(например, система ротор-статор с оптической системой счета импульсов (оптопара). На платформе ходовой тележки закреплен блок пространственной ориентации 8, включающий курсокреноуказатель 9, вход-выход которого связан первым входом-выходом контроллера 10. Указанный курсокреноуказатель 9 механически связан с осью, связывающей колеса 1 и 2, и представляет собой гироскопическую систему (например, типа ОПУС-500), позволяющую одновременно определять курсовой угол, продольный угол и поперечный уклон. Выход датчика ширины колеи 6 связан с первым входом контроллера 10 блока пространственной ориентации 8, а выход датчика пути 7 связан со вторым входом указанного контроллера. Второй вход-выход котроллера 10 блока пространственной ориентации 8 связан с первым входом-выходом управляющего компьютера 11 (преимущественно, ноутбука), вход которого связан с выходом приемника спутниковой (ГЛОНАСС/GPS) системы позиционирования 12, приемник и антенна последней установлены на вертикальной вехе. В состав ГЛОНАСС/GPS системы позиционирования 12 входит также приемник, установленный на базовой (или референцией) станции (не показано), которая устанавливается на репере Государственной геодезической сети или любом другом пункте, который при необходимости пересчета координат в государственную или условную систему координат может быть однозначно определен. В верхней части рамы, на закрепленных на ней платформах, установлены лазерные сканирующие головки 13, 14 (например, типа LMS200), входы-выходы которых связаны.с соответствующими входами-выходами управляющего компьютера 11.
Сканирующие головки 13, 14 установлены с наклоном к вертикальной оси, например, под углом 24±5° относительно плоскости горизонта, а их горизонтальные оси находятся под углом друг к другу и относительно оси направления движения, например, под углом 15±5°. Такое пространственное расположение сканеров 13, 14 обеспечивает взаимное перекрытие облаков точек, получаемых с них в зоне рельсовой колеи, что позволяет использовать рельсовые нити как реперные линии, общие для обоих сканеров. Последнее обеспечивает при обработке данных повышение точности определения пространственных данных, как рельсовой колеи, так и окружающего пространства в границах сканирования. Питание всех блоков устройства осуществляется от аккумуляторного блока 15. Перемещение устройства по железнодорожному пути осуществляется с помощью съемной ручки 16, установленной подвижно в середине рамы тележки.
Для получения более полной информации устройство может быть снабжено видеокамерой (не показано), а для надежного сохранения и последующей камеральной обработки информации - жестким диском памяти (не показано), связанным с компьютером 11.
Контроллер 10 может быть выполнен на базе микропроцессора и предназначен для приема и исполнения команд от управляющего компьютера 11, считывания информации с датчиков 6, 7 и блока пространственной ориентации 8.
Работа устройства основана на лазерном сканировании окружающего пространства и координатном способе привязки всей получаемой информации при движении устройства по железнодорожному пути. Указанная информация включает: - массив лазерных отражений от поверхностей объектов съемки (облако точек), - плановые координаты, высоты, расстояния, данные о ширине колеи, о текущем курсовом угле, о поперечном и продольном уклоне рельсового пути. По полученным данным в соответствии с нормативными документами вычисляются геометрические параметры пути - шаблон, рихтовки, просадки, уровень, пространственное положение точек окружающего пространства инфраструктуры.
Для проведения измерений с устройством согласно полезной модели, осуществляют монтаж всех блоков на ходовой части устройства (фиг.1) и их соединение между собой монтажными кабелями, как это показано на фиг.2. При этом сканеры 13, 14, устанавливают, как это показано на фиг.3. Затем подают питание на все блоки устройства. Производят необходимые настройки на компьютере 11 и устанавливают устройство на исходную позицию. Затем осуществляют калибровку блоков, устанавливают начальные параметры курсокреноуказателя 9, запускают спутниковую систему позиционирования 12, включают сканеры 13, 14, включают датчик пути 7, после чего начинают движение по заданному участку пути.
При движении измерительных колес 1, 2 по одной из рельсовых нитей на каждой заданной измерительной базе на исследуемом участке рельсового пути сигналы с датчиков пути и ширины колеи 7, 6 поступают на контроллер 10 блока пространственной ориентации 8, который при этом опрашивает датчик курсокреноуказателя 9. При этом сигналы датчиков 6, 7, 9, соответствующие пройденному пути, ширине колеи, курсовому углу, продольному и поперечному углу, поступают в контроллер 10, который осуществляет регистрацию информации с указанных датчиков, преобразование этих сигналов в цифровой вид, первичную обработку и передачу данных в управляющий компьютер 11. Компьютер 11 вычисляет текущие координаты рельсовой нити, на которой производились измерения. Одновременно в компьютер 11 поступают данные со сканеров 13, 14 и данные со спутниковой системы позиционирования 12, включающие данные базовой (или референцией) станции. Данные сканеров 13, 14 формируются на основании поступающих в них информации о высоте и смещении антенны ГЛОНАСС/GPS системы позиционирования 12 от оси пути, положения сканеров 13, 14 относительно указанной антенны и информации о поворотах и наклонах указанных сканеров 13, 14 в трех плоскостях.
Компьютер 11 оснащен следующими основными программами:
- программами, обеспечивающими связь между управляющим компьютером 11 и контроллером 10, считывание текущей информации, визуализацию процесса измерений сохранение полученных данных;
- программой для построения облака точек по данным сканеров 13, 14, данным спутникового приемника системы позиционирования 12 и данным, полученным с блока пространственной ориентации 8;
- программой обработки полученных данных, позволяющей также представить полученную информацию в графическом и табличном видах, распечатать результаты на принтере или сохранить для дальнейшей обработки.
Компьютер 11 принимает данные системы позиционирования 12 и с помощью, установленных в нем указанных выше специальных программ считывает всю поступающую в него информацию, визуализирует процесс измерений и сохраняет полученные данные. Окончательную обработку выполненных устройством измерений осуществляют с помощью указанного выше пакета специальных программ обработки данных. При этом осуществляется построение высокоточной цифровой модели пути (получение облаков точек по данным сканеров 13, 14, данным ГЛОНАСС/GPS - приемника и данным с блока пространственной ориентации 8), расчет и отображение фактического состояния параметров пути, расчет геометрических параметров пути (значений рихтовок, просадок, уровня, шаблона). Данные накопленные в компьютере 11 могут, в том числе сохраняться на жестком диске. В этом случае окончательные результаты получают при камеральной обработке результатов измерений по окончанию всего цикла измерений на обследуемом участке железнодорожного пути.
Таким образом, устройство, согласно полезной модели, позволяет одновременно проводить измерения плановых координат, продольного профиля, взаимного расположения одной рельсовой нити относительного другой (уровня), ширины рельсовой колеи, положение рельсовых нитей в плане (рихтовка) и положение рельсовых нитей в вертикальной плоскости (просадка), получение данных для 3D моделирования железнодорожных объектов, лазерное сканирование площадных объектов.
- В целом, устройство, согласно полезной модели, за счет расширенных функциональных возможностей, может быть эффективно использовано при диагностике железнодорожного пути и его паспортизации, при съемке натурного положения пути в плане, продольном и поперечном профиле, для выправки и проектировании капитального ремонта, при мониторинге состояния объектов инфраструктуры, для анализа допустимых скоростей движения, а также для калибровки вагонов - путеизмерителей.