Спутниковая система высокоточного позиционирования инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети АО «НК «Қазақстан темір жолы»

В статье рассматриваются вопросы создания спутниковой системы высокоточного позиционирования инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети АО «НК «Қазақстан темір жолы»

Мақалада «ҰК«Қазақстан темір жолы» АҚ магистральды желісінің инфрақұрылымдық және жылжымалы нысандарын жоғары дәлдікті жайғастырудың жерсеріктік жүйесін құру мәселелері қарастырылған.

The article considers issues of the development of infrastructure and mobile objects of network of railways for high-precision satellite positioning system of JSC «NC» Kazakhstan Temir Zholy»

 

Ключевые слова: спутниковая система высокоточного позиционирования, инфраструктура магистральной сети

Түйін сөздер: жоғары дәлдікті жайғастырудың жерсеріктік жүйе, темір жолы магистральдың желісінің инфрақұрылымдығы

Key words: high-precision satellite positioning system, network of railways

 

Ахмедов Д.Ш.

директор,

Раскалиев А.С.

старший научный сотрудник,

Институт космической техники и  технологий

 

Уразбеков А.К.

директор НИИ «Развитие путей сообщения»

 

Основным трендом развития систем измерения и дефектоскопии железнодорожных путей [1, 2] является переход на использование бортовых информационно-измерительных систем, интегрированных в конструкцию локомотивов, обеспечивающих полную автоматизацию диагностики элементов инфраструктуры с высокоточным определением координат выявленных дефектов. Как отмечают в [1, 2, 3], в ближайшее десятилетие намечен полный переход на диагностику инфраструктуры с использованием только графикового движения. Не является исключением и Казахстан. На настоящий момент готовится пилотный проект испытания бортовой автоматизированной информационно-измерительной системы, которая будет установлена на электровоз KZ4 казахстанского производства. Развитие этого тренда, связанного с полной автоматизацией диагностики объектов железнодорожной инфраструктуры, несет еще и большую социальную роль, позволяющую исключить тяжелый неквалифицированный труд, связанный с необходимостью проведение ручных измерений дефектоскопными и путеизмерительными тележками.

Одной из основных проблем внедрения систем измерения и дефектоскопии железнодорожных путей является отсутствие возможности высокоточного определения мест обнаружения дефектов на магистральных линиях железнодорожных путей.

В настоящее время на магистральных линиях железных дорог КТЖ внедряются самые современные системы мониторинга инфраструктурных объектов и элементов железнодорожного пути: дефектоскопия; лазерное сканирование железнодорожных путей, контактных линий и других элементов железнодорожной инфраструктуры; использование георадаров и др. Причем эти работы могут проводиться на самых высоких скоростях движения подвижного железнодорожного транспорта. Единственной преградой для внедрения этих современных технологий на сегодняшний день является отсутствие системы высокоточного позиционирования в виде сетей постоянно действующих базовых станций дифференциальной коррекции (БСДК), позволяющей полностью покрыть всю сеть магистральных железных дорог КТЖ. Существующие на сегодняшний день сети базовых станций различных компаний не покрывают сеть магистральных железных дорог КТЖ (рисунок 1).

Как показала практика многих стран [4, 5, 6], применение сетей постоянно действующих БСДК, антенны которых размещены на зданиях, по точности определения координат и высот отвечают требованиям выполнения высокоточных геодезических измерений. Однако в случае выявления больших невязок измеренных векторов, возникает неопределенность, за счет каких факторов проявляются смещения положения пунктов: из-за «парусности» антенны спутникового приемника, из-за недостаточно надежного закрепления геодезического знака, просадки зданий или из-за движения земной поверхности. Навигационные антенны действующих на сегодняшний день в Казахстане сетей БСДК ТОО «Leica Geosystems Kazakhstan», ТОО «Геотроникс» и АО «Национальная компания «Қазақстан Ғарыш Сапары» также размещены на зданиях и сооружениях. Поэтому задача определения причин возникновения смещения фазовых центров антенн базовых станций в этих сетях будет весьма затруднительна.

Рисунок 1 – Расположение базовых станций компаний: а) Leica Geosystems Kazakhstan; б) ТОО «Геотроникс»; в) АО «Национальная компания «Қазақстан Ғарыш Сапары»

Поэтому главная идея предлагаемого для реализации проекта создания спутниковой системы высокоточного позиционирования инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети АО «НК «Қазақстан темір жолы» состоит в том, что в первую очередь необходимо создать опорную геодезическую сеть пунктов,  закрепленных на местности грунтовыми центрами стандартного образца. При этом большое внимание должно быть уделено выбору места установки опорных геодезических пунктов. Необходимо, чтобы выбранные для опорных геодезических пунктов места были репрезентативными, а выявленные изменения их координат и высот отражали реальную картину движения земной поверхности. И только после создания опорной геодезической сети можно будет перейти к созданию сети БСДК, антенны которых необходимо “привязать” к геодезическим пунктам опорной геодезической сети КТЖ (ОГС-КТЖ). Созданная по такой технологии система высокоточного спутникового позиционирования позволит с высокой точностью определять геодезические координаты и нормальные высоты инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети КТЖ, в том числе и места выявленных дефектов и недопустимых отклонений, в режимах реального времени и постобработки и будет обладать высокой степенью надежностью выполняемых измерений, в отличии от существующих сетей БСДК, уже развернутых в Казахстане.

Анализ документов, определяющих стратегические перспективы технологического развития железнодорожного транспорта в мире, таких как «Глобальное видение развития железнодорожного транспорта» (GVRD, Международный совет по железнодорожным исследованиям (ICRR, 2014) [1], «Задачи-2050. Видение железнодорожного сектора и техническая стратегия развития железнодорожной отрасли Европы будущего» (UIC, 2014) [2], показывает, что ключевыми трендами развития железнодорожной отрасли, наряду с инновационными энерго- и ресурсоэффективными системами для подвижного состава и инфраструктуры, является создание «умной» железной дороги, или «цифровой железной дороги». Ядром формирования технологий цифровой железной дороги является полная интеграция интеллектуальных, коммуникационных, навигационных технологий между пользователем, транспортным средством, системой управления движением и инфраструктурой, то есть формирование новых сквозных цифровых технологий организации перевозочного процесса. Как отмечается в работе [3], при разработке и внедрении систем автоматизации движения поездов и автоматизированных систем определения состояния объектов железнодорожной инфраструктуры первостепенное значение имеют системы высокоточного позиционирования, т.е. первым шагом к решению задач автоматизации является создание систем высокоточного позиционирования. Базовым условием увеличения скорости и повышения качества железнодорожных перевозок является развитие технической и эксплуатационной интероперабельности железнодорожных коридоров, базирующихся на реализации цифровых технологий и реализующих следующие требования:

  • надёжная система высокоточного позиционирования грузов, вагонов, контейнеров в реальном режиме времени об их фактическом и прогнозируемом нахождении на сети железных дорог;
  • оперативная система выявления и высокоточного определения местонахождения дефектов или недопустимого отклонения от проектных положений на железнодорожных путях с целью повышения безопасности железнодорожных перевозок
  • разработка и внедрение единой интеллектуальной системы управления и автоматизации производственных процессов на железнодорожном транспорте;

Перспективным вектором инновационного развития железнодорожных технологий в рамках проекта «Цифровая железная дорога» является реализация концепции «умный локомотив» и «умный поезд», основной задачей которого является замена машиниста на автоматическую систему управления в поездах [7, 8, 9]. Подобные решения уже применяются в ряде стран, где в электропоездах (метрополитен) полностью отсутствует даже кабина машиниста. Внедрение таких технологий стало частью программ внедрения цифровых технологий на ряде железных дорог мира. Так, глава «Железных дорог Германии» (DB) доктор Р. Грубе заявил в интервью немецкой газете Frankfurter Allgemeinen Zeitung, что в период 2021–2023 годов на сети DB возможен переход к автоведению поездов без локомотивной бригады на борту. Первые пилотные проекты уже запущены. В системе реализованы высокоточная координатная сеть и цифровая модель пути, обеспечивающие высокую точность позиционирования электропоезда и других инфраструктурных объектов железнодорожного пути, режим автоведения поездов, использование цифровых систем связи, что позволит организовать движение электропоездов в режиме «Автомашинист» в соответствии с установленными требованиями безопасности движения.

Рисунок 2 – Структура системы высокоточного позиционирования инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети АО «НК «Қазақстан темір жолы»

Такие же цели по повышению скорости и повышения безопасности железнодорожных перевозок ставит и КТЖ, и как отмечено на официальном сайте компании (http://www.railways.kz/ru/node/90), “Объём транзитного грузопотока через Казахстан должен возрасти почти в 2 раза с дальнейшим доведением его как минимум до 50 миллионов тонн”. Для этого на базе КТЖ создается национальный мультимодальный оператор, который должен обеспечить решение двух основных задач: увеличение скорости перемещения грузов по магистральным сетям железных дорог; повышение безопасности эксплуатации железнодорожной инфраструктуры.

Для достижения поставленных целей, как показывает опыт зарубежных стран в области инновационного развития железнодорожного транспорта, необходимо решение задач по созданию опорной геодезической сети и сети базовых станций на железных дорогах КТЖ.

Для решения этих задач необходимо реализовать проект по созданию системы высокоточного позиционирования инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети АО «НК «Қазақстан темір жолы» (СВП-КТЖ), которая позволит решать задачи высокоточного определения геодезических координат и нормальных высот с помощью современных спутниковых навигационных технологий в режимах реального времени и постобработки.

Структура СВП-КТЖ представлена на рисунке 2.

С помощью СВП-КТЖ можно будет с высокой точностью определить пространственные геодезические и линейные координаты выявленных дефектов, мест нахождения инфраструктурных и подвижных объектов магистральных сетей железных дорог.

Для достижения  поставленной цели необходимо решение следующих задач:

  • создание опорной геодезической сети на железных дорогах КТЖ (ОГС-КТЖ);
  • разработка проектной документации на геодезические пункты и ОГС-КТЖ;
  • разработка программно-математического обеспечения по обработке данных спутниковых измерений на пунктах ОГС-КТЖ;
  • изготовление и установка геодезических пунктов;
  • создание электронных каталогов координат пунктов ОГС-КТЖ;
  • создание сети базовых станций:
  • разработка проектной документации и производство базовых станций дифференциальной коррекции (БСДК);
  • создание центра дифференциальной коррекции;
  • создание коммуникационной сети.
  • ввод СВП-КТЖ в эксплуатацию:
  • предварительные испытания СВП-КТЖ;
  • опытная эксплуатация СВП-КТЖ;
  • проведение приемочных испытаний СВП-КТЖ в промышленную эксплуатацию.

Задача создания опорной геодезической сети. Будет разработано частное техническое задание (ЧТЗ) на создание ОГС-КТЖ, на основе которого будет разработан эскизный проект, включая определение числа пунктов ОГС-КТЖ и проект их предварительного размещения. После этого будет разработан технический проект на ОГС-КТЖ, определены спецификации на создаваемые геодезические пункты ОГС-КТЖ, выполнены карты, планы, схемы, чертежи на геодезические пункты ОГС-КТЖ. разработана эксплуатационная документация на ОГС-КТЖ, разработаны программы и методики испытаний, программное и методическое обеспечение по обработке данных спутниковых измерений на пунктах ОГС-КТЖ, выполнены работы по установке геодезических пунктов и проведены работы камеральному уравниванию пунктов сети ОГС-КТЖ, присвоение значений координат, созданы электронные каталоги координат пунктов ОГС-КТЖ.

Задача создания сети базовых станций. Будет разработано ЧТЗ на сеть БСДК, включая ЧТЗ на разработку самой БСДК, разработаны эскизный, технический проекты, рабочая конструкторская документация на БСДК и сеть базовых станций, закуплены необходимые комплектующие и изготовлены БСДК, проведены опытно-промышленные испытания БСДК. После этого БСДК будут доставлены на пункты их размещения, будут проведены работы по их монтажу, наладке, запуску в работу БСДК.

Ввод СВП-КТЖ в эксплуатацию. После установки, запуска в работу ОГС-КТЖ и сети БСДК, будут проведены предварительные испытания по проверке всех характеристик и спецификаций, заявленных в технических заданиях, устранены неисправности (при их наличии) и внесены изменения в рабочую документацию на СВП-КТЖ (при необходимости). После этого будут проведены промышленные испытания. Далее система высокоточного позиционирования инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети КТЖ будет сдана в промышленную эксплуатацию.

Создание СВП-КТЖ  позволит получить следующие результаты:

— обеспечить единое координатно-временное и навигационное обеспечение  геодезических измерений на магистральной сети КТЖ;

— осуществить высокоточное определение геодезических координат, нормальных высот инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети железных дорог в режимах реального времени и постобработки;

— обеспечить безопасность и повысить скорость движения поездов на магистральной сети железных дорог;

— обеспечить работы с применением путеизмерительной техники, комплекса выправочно-подбивочно-отделочных машин, вагонов лабораторий автоматики и телемеханики, путеизмерительных тележек единой геодезической основой и цифровой моделью пути (ЦМП);

— сократить материальные затраты, время на инженерные изыскания, проектирование, строительство, ремонты и эксплуатацию инфраструктурных объектов магистральной сети железных дорог;

— создать основы для формирования системы интервального регулирования движения поездов, в которых высокоточные спутниковые навигационные данные о местоположении, скорости движения и длине состава позволят перейти к реализации безопасных методов обеспечения интервального движения поездов без путевых светофоров, далее к беспилотному вождению поездов;

— применить современные методы автоматизированной диагностики и мониторинга железнодорожного пути и управления процессами выполнения работ по текущему содержанию и ремонту компонентов железнодорожного пути;

— привести железнодорожные пути в проектное положение и увеличить скорость движения поездов на магистральных сетях КТЖ.

 

Литература:

  1. A global vision for railway development. International Union of Railways (UIC) — Paris, 2015.
  2. Rail technical strategy Europe. This Rail Technical Strategy Europe has been developed and published by the UIC on behalf of the member companies of the UIC European Regional Assembly. Copies may be freely downloaded from the UIC website www.uic.org and click on the link on the homepage. Version – Number 1 – January 2014.
  3. Durazo-Cardenas , A. Starr , A. Tsourdos , M.Bevilacqua , J. Morineau. Precise vehicle location as a fundamental parameter for intelligent selfaware rail-track maintenance systems. 3rd International Conference on Through-life Engineering Services. Procedia CIRP 22 ( 2014 ) 219– 224.
  4. Richtlinie fur den einheitlichen integrierten geodatischen Raumbezug des amtlichen Vermessungswesens in der Bundesrepublik Deutschland. Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Lander der Bundesrepublik Deutschland (AdV). Stand 25.04.2014.
  5. ГКИНП. Правила закрепления центров пунктов спутниковой геодезической сети. Центральный ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт, геодезии, аэросъемки и картографии имени Ф.Н. Красовского (ЦНИИГАиК). Москва. 2001.
  6. Андреев В.К., Новиков Е.В., Самратов У.Д., Тажединов Д.Б., Хвостов В.В., Филатов В.Н. Актуальные задачи технического регулирования государственного геодезического и картографического обеспечения Республики Казахстан // Геопространственные технологии и сферы их применения (10-я Международная научно-практическая конференция, Москва, 14–15 октября 2014 г.). Сборник материалов. — М.: Издательство «Проспект», 2014. — 132 с.
  7. Матвеев С.И., Уразбеков А.К. Концепция развития реперных систем на железных дорогах Казахстана. Вестник НИИ РПС, №3 (4), 2003, с. 50-52.
  8. Применение спутниковых радионавигационных систем Navstar GPS и ГЛОНАСС при съемке инфраструктурных объектов железнодорожного пути. Вестник НИИ РПС, №3 (4), 2005, с. 45-50.
  9. Уразбеков А.К. Технология цифрового моделирования параметров железнодорожного пути. Вестник НИИ РПС, №1 (10), 2005, с.21-27.

Статья в pdf-формате: Спутниковая система высокоточного позиционирования инфраструктурных и подвижных объектов магистральной сети АО «НК «Қазақстан темір жолы»

Добавить комментарий