Система для контроля геометрии рельсового пути
SYSTEM FOR MONITORING THE GEOMETRY OF THE RAIL TRACK

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, обеспечивающей измерение геометрии железнодорожного пути, и может быть использовано при его текущем содержании.
Тенденция развития современной измерительной техники для регистрации геометрических параметров объектов, их позиционирования, оценки взаимного положения и т.п. направлена на использование оптико-электронных, в частности, лазерных и оптико-телевизионных методов измерений.
В настоящее время для решения поставленных задач по контролю геометрии железнодорожного пути применяют системы, использующие лазерные оптико-электронные тахеометры. Эти системы прочно вошли в различные технологические процессы как достаточно надёжные и точные их компоненты. Тем не менее, существует ряд принципиальных ограничений, связанных с их эффективным использованием в условиях неблагоприятных эксплуатационных и климатических факторов, в частности, состояния атмосферного тракта, в котором распространяется информативное лазерное излучение.
Такие системы представляют собой две путеизмерительные тележки, перемещаемые по рельсам вручную и содержащие измерительное оборудование. Тележки ориентируются относительно базового рельса с помощью поджима реборд соответствующих колёс или специальных опорных роликов, выполняющих ту же функцию, что и реборды. Устанавливаемое на тележках оборудование включает тахеометр с регистрирующим устройством, расположенным на одной из тележек, и призму-отражатель, расположенную на другой тележке [например, Amberg Technologies, Геопрофиль, № 6 (15), 2010, стр. 23; Trimble GEDO Systems].
Недостатком систем с использованием тахеометра является сильная зависимость результатов измерений от вибраций из-за наличия большого количества оптико-механических элементов, влияющих на точность измерений, которые подвержены влиянию внешних условий, в частности, вибрационным и температурным деформациям. Данный недостаток является существенным при проведении оптико-электронных измерений на железных дорогах.
Среди оптико-телевизионных методов измерений известно устройство для измерения геометрии рельсового пути [RU 2256575, опубл. 20.07.2005г.], содержащее две измерительные тележки, на первой из которых (по ходу движения) установлен источник оптического излучения, а на второй - приемник излучения, при этом приемник излучения представляет собой оптико-электронную приемно-анализирующую систему, визирная ось которой в номинальном положении устройства (на прямолинейном и горизонтальном участке рельсового пути) расположена параллельно базовому рельсу и на ней размещен источник излучения, причем обе тележки кинематически связаны между собой и транспортирующим средством, и на обеих тележках установлены датчики уровня, а на одной из них расположен датчик пройденного пути, при этом оптическая приемно-анализирующая система подключена к электронному устройству выделения координатной информации, соединенному с программно-аппаратным комплексом алгоритмической обработки совокупной информации, с которым, в свою очередь, соединены датчики уровня и пройденного пути.
Недостатком известного устройства является то, что расстояние между маркой и анализирующим устройством должно быть большим и неизменным, это требует создания системы в значительных габаритах в виде некой железнодорожной платформы. Кроме того, наличие жесткой связи между измерительными тележками и необходимость получения значительного расстояния между приемником излучения и маркой (7-10 м) приводит к тому, что система имеет значительные габариты и требуется время на установку и удаление системы с пути, в то время, как на практике необходимо иметь возможность проводить измерения в предоставляемые короткие сроки («железнодорожные окна»), что усложняет работу с системой.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение погрешности измерений, повышение устойчивости к внешним воздействиям и, как результат, повышение точностной надежности.
Под точностной надежностью понимается свойство системы сохранять показатели точности в течение необходимого промежутка времени или при переменных внешних условиях.
Указанный технический результат достигается за счет того, что система для контроля геометрии рельсового пути содержит две измерительные тележки, выполненные с возможностью перемещения по рельсам и ориентированные с помощью поджима реборд или опорных роликов (см. Gedo) относительно базового рельса, на первой тележке установлено оптико-электронное приемно-анализирующее устройство, на второй тележке установлена по меньшей мере одна излучающая марка, оптически сопряженная с оптико-электронным приемно-анализирующим устройством, при этом согласно настоящему изобретению, оптико-электронное приемно-анализирующее устройство выполнено в виде телевизионной камеры, марка выполнена в виде по меньшей мере одного излучающего диода, изображение которого формируется в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника (например, фотоприёмной КМОП или ПЗС матрицы) телевизионной камеры, узловая точка объектива камеры и марка расположены на одинаковой высоте относительно опорной плоскости колёс соответствующих тележек и равноудалены от боковой поверхности головки базового рельса, на каждой тележке установлен блок управления, снабженный модулем беспроводной связи для управления работой излучающего диода и фотоприемника телевизионной камеры.
Возможны варианты развития основного технического решения:
- марка выполнена в виде комбинации излучающих диодов, расположенных линейно или в матрице;
- телевизионная камера содержит инфракрасный фильтр, согласованный с длиной волны излучения диода и спектральной чувствительностью матрицы и обеспечивающий спектральную селекцию излучения диода на фоне оптических помех;
- при обработке изображений в телевизионной камере применяется метод межкадровой разности;
- каждая тележка снабжена датчиком угла наклона;
- каждая тележка снабжена устройством поджима реборд колёс или опорных роликов тележки, обеспечивающим её ориентацию относительно базового рельса.
Указанный технический результат достигается за счет совокупности существенных признаков, благодаря применению телевизионной камеры, марки в виде по меньшей мере одного излучающего диода и блока управления, который обеспечивает управление взаимодействием излучающих диодов и фотоприемника телевизионной камеры для компенсации изменения освещенности, создаваемой излучающим диодом на входном зрачке объектива телевизионной камеры, и, соответственно, уровня видеосигнала, содержащего информацию о координате изображения излучающего диода, при изменении дистанции до входного зрачка объектива телевизионной камеры, поскольку освещенность изображения обратно пропорциональна квадрату расстояния между излучающим диодом и входным зрачком объектива телевизионной камеры. Также блок управления осуществляет идентификацию диодов, составляющих марку, для формирования необходимой координатной информации о взаимном положении тележек.
Сущность заявляемого изобретения поясняется с помощью нижеследующих фигур и описания.
На Фиг. 1 представлена схема системы для контроля геометрии рельсового пути с привязкой к пикетажу.
Система для контроля геометрии рельсового пути (Фиг. 1) содержит две измерительные тележки 1, 2, выполненные с возможностью перемещения по рельсам (на фигуре не показано) и ориентированные с помощью поджима реборд или опорных роликов (на фигуре не показано) относительно боковой поверхности головки базового рельса (на фигуре не показано).
На первой тележке 1 установлено оптико-электронное приемно-анализирующее устройство, выполненное в виде телевизионной камеры 3.
На тележке 1 дополнительно может быть установлена контрольная марка 4 таким образом, что ее изображение располагается в поле зрения телевизионной камеры 3. Координаты этой марки 4 в плоскости фотоприемника телевизионной камеры 3 задают начало текущей измерительной системы координат, которая не зависит от положения телевизионной камеры 3.
На второй тележке 2 установлена по меньшей мере одна марка 5, оптически сопряженная с телевизионной камерой 3.
Под оптическим сопряжением понимается как то, что в плоскости приемника телевизионной камеры 3 строится изображение марки 5, так и то, что параметры излучения марки 5 управляются по видеосигналу от телевизионной камеры 3, при этом и сама телевизионная камера 3 может изменять свой режим работы (экспозицию) в зависимости от уровня информативного видеосигнала.
Марка 5 выполнена в виде по меньшей мере одного излучающего диода, изображение которого формируется в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника телевизионной камеры 3.
Марки 5 могут быть установлены в одной плоскости или в разных.
В случае наличия одной марки 5.1, жестко связанной с тележкой 2, определяются ее пространственные координаты в системе координат телевизионной камеры 3 и, соответственно, координаты тележки 2.
В случае наличия еще двух марок 5.2 и 5.3, также жестко связанных с тележкой 2, появляется возможность определения дистанции до места установки тележки 2, заранее зная базу (расстояние между ними), и угла ее наклона.
Марка 5 может быть выполнена в виде комбинации излучающих диодов, расположенных линейно или в виде матрицы.
Таким образом, добавление каждой новой марки 5 (координата которой однозначно определена) позволяет расширять функциональные возможности системы и при необходимости обеспечивать резервирование в процессе измерений.
Узловая точка объектива телевизионной камеры 3 и марка 5 расположены на одинаковой высоте по отношению к опорной плоскости колёс и равноудалены от боковой поверхности головки базового рельса.
Телевизионная камера 3 может содержать инфракрасный фильтр (на фигуре не показано), согласованный с длиной волны излучения марки 5 (диода) и спектральной чувствительностью матрицы и обеспечивающий спектральную селекцию излучения марки 5 (излучающего диода) на фоне оптических помех.
При обработке изображений в телевизионной камере 3 применяется метод межкадровой разности, под которым подразумевается определение разности видеосигналов, несущих изображения объектов в поле зрения камеры при наличии и отсутствии излучения марок, соответственно. Это позволяет сформировать разностный информативный видеосигнал, свободный от влияния фоновой засветки.
На тележке 1 установлен блок 6 управления, снабженный модулем беспроводной связи для управления работой фотоприемника телевизионной камеры 3 и режимом работы светодиодных марок 5 второй тележки 2.
На тележке 2 установлен блок 7 управления, снабженный модулем беспроводной связи для управления работой каждой марки 5 (излучающего диода) по сигналу, полученному от блока 6 управления.
В составе первой тележки 1 имеется устройство 8 обработки измерительной информации верхнего уровня (ПК), направленное, в частности, на формирование информации о геометрии железнодорожного пути, которая в дальнейшем может быть использована, например, для оценки состояния пути или для управления работой путевой машины. Устройство 8 соединено с телевизионной камерой 3 и блоком управления 6. С его помощью могут быть выполнены предварительная настройка, первоначальная установка марок 4, 5 в поле зрения, предварительное наведение на марки 4, 5, слежение за процессом измерения, интерактивная связь с оператором.
Каждая тележка 1, 2 может быть снабжена датчиком угла наклона тележки, в качестве которого может быть применен инклинометр 9, 10.
Каждая тележка 1, 2 снабжена поджимом (на фигуре не показано). Одно из колес тележки 1 может выполнять функцию мерного колеса, оно связано с ПК. Для коррекции увеличения диаметра этого колеса каждая тележка 1, 2 может быть снабжена датчиком температуры 11, 12.
Тележка 2 может быть снабжена гироскопом 13 для учета разворота тележки 2 в кривой железнодорожного пути при измерении дистанции.
Инклинометры 9, 10, датчики температуры 11, 12, гироскоп 13 связаны с блоком 7 управления, который передает информацию в блок 6 управления посредством беспроводной связи (Bluetooth).
Тележка 1 оснащена дальномером 14. Тележка 2 оснащена дальномером 15.
Тележки 1, 2 могут быть оснащены датчиками (на фигуре не показано) ширины колеи, например, в виде линейных потенциометров, связанных с блоками 7, 6 управления, которые выполняют функцию преобразователей информации для последующего их использования в устройстве 8 обработки измерительной информации верхнего уровня. Информация о ширине колеи является составляющей частью параметров «геометрии» пути.
Система для контроля геометрии рельсового пути работает следующим образом.
На контролируемом участке пути устанавливают тележку 1 и тележку 2. Далее при необходимости осуществляют калибровку системы.
При необходимости тележку 1 координируют относительно отражателя 16, установленного на столбе 17, с помощью лазерного дальномера 14, фиксируют координаты, затем перемещают эту тележку 1 ко второму столбу (на фигуре не показано), фиксируя при этом величину пройденного тележкой 1 пути.
Тележку 2 координируют относительно отражателя 16 , установленного на столбе 17, с помощью лазерного дальномера 15, фиксируют координаты, затем перемещают эту тележку 2 ко второму столбу (на фигуре не показано) и в этом положении тележки 2 координатам изображений марок 5 на фотоприемнике телевизионной камеры 3 присваивается нулевое значение.
Затем тележку 2 перемещают в направлении тележки 1. При этом непрерывно в процессе перемещения тележки 2 ведётся запись ее текущего положения вдоль пути в плане и по уровню, которое определяется координатами марок 5. В результате анализа полученных координат определяют положение базового рельса (в геодезических координатах). Также осуществляется запись уровня пути (разновысотности рельсов) в сопоставлении с данными текущего положения тележки 2. Таким образом, получаемая информация позволяет описать геометрию рельсового пути в плане, продольном профиле и по уровню в «привязке» к геодезическим координатам его положения.
При этом между блоком 6 управления и блоком 7 управления. ведется постоянная передача данных посредством беспроводной связи (Bluetooth), в том числе об угловом положении, наклоне.
Заявляемая система строится по модульному принципу и является универсальной, что позволит использовать ее в различных задачах анализа состояния железнодорожного полотна. При этом она может входить в состав различных путевых машин в качестве измерительно-управляющей системы, а также может работать автономно, на основе системы мобильных измерительных тележек, в частности, в сочетании с системой ГЛОНАСС/GPS.