Разработка и исследование оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане относительно реперных меток тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Пантюшин, Антон Валерьевич

• Пантюшин, Антон Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пантюшин, Антон Валерьевич

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ В ПРОФИЛЕ И ПЛАНЕ

И УСЛОВИЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1.1 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути в относительной системе координат

1.1.2 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути с внутренней базой

1.1.3 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути с вынесенной базой

1.2 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути в абсолютной системе координат

1.2.1 Системы, построенные на основе автоматизированных геодезических приборов

1.3 Системы, использующие технологию ОРЭ/ГЛОНАС

1.3.1 Системы, реализующие распределенный метод

1.4 Классификация и сравнение систем контроля положения железнодорожного пути

1.5 Характерные условия эксплуатации ОЭСКП

1.5.1 Характеристики температуры

1.5.2 Характеристики изменений пропускания воздушного тракта при работах железнодорожного транспорта

1.5.3 Фоновые помехи

1.5.4 Характеристики пространственного положения железнодорожного пути

1.6 Выводы по 1 главе

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ОЭСКП

2.1 Обобщенная модель оптико-электронной системы контроля положения железнодорожного пути в абсолютной системе координат

2.2 Математическое описание преобразований измерительной информации в ОЭСКП на базе теории машинного зрения

2.3 Подходы к принципиальному построению схем ОЭСКП и взаимодействию элементов

2.3.1 Подходы к принципиальному построению реперной метки

2.3.2 Подходы к построению фотоприемного блока

2.3.3 Внешнебазовый вариант построения ФБ с трипойдоной меткой

2.3.4 Внутрибазовый вариант построения ФБ с активной РМ

2.4 Возможности комплексирования информации в ОЭСКП

2.4.1 Оценка возможностей комплексирования информации по методу межкадровой разности

2.4.2 Исследования оценки координат изображений РМ при спектрозональных измерениях с единого матричного поля анализа

2.5 Исследование влияния движения ОЭСКП на формирование изображения на матричных фотоприемниках и точность определения положения изображений РМ

2.5.1 Особенности регистрации изображения реперной метки относительно движущейся ОЭСКП с приемниками на основе фотоприемников с глобальным затвором

2.5.2 Особенности регистрации изображения реперной метки относительно движущейся ОЭСКП с приемниками на основе фотоприемников с бегущим затвором

2.6 Выводы по главе 2

3 ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЭСКП

3.1 Методики расчета параметров в компьютерных и физических моделях ОЭСКП

3.1.1 Особенности расчета и выбора параметров блоков ОЭСКП

3.1.2 Взаимосвязь величин горизонтального и вертикального полей анализа отображения РМ на МФП с диапазоном измеряемых величин, скоростями перемещения ББ и временем экспозиции в МФП

3.1.3 Методика энергетического расчета эффективного зрачка объектива ОЭСКП

3.1.4 Подходы к выбору элементов оптических схем основанных на габаритно-энергетическом критерии

3.2 Методы повышения помехозащищенности ОЭСКП

3.3 Погрешности контроля параметров возникающие в процессе функционирования ОЭСКП

3.3.1 Первичные частичные погрешности ОЭСКП

3.3.2 Понятие потенциальной точности в ОЭСКП

3.3.3 Систематическая погрешность вычисления координат РМ

от погрешности задания заднего отрезка объектива канала ФБ

3.3.4 Систематическая погрешность вычисления координат РМ

от погрешности задания базовых отрезков каналов ФБ

3.3.5 Систематическая погрешность вычисления координат от погрешности сведения осей координат в каналах ФБ

3.3.6 Погрешности от наклона фотоприемного блока

3.3.7 Систематические погрешности от влияния защитного стекла фотоприемного устройства

3.3.8 Оценка погрешности измерений от воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта

3.3.9 Экспериментальные исследования статических погрешностей ОЭСКП

3.3.10 Исследование динамических погрешностей ОЭСКП

3.3.11 Суммарная погрешность основных составляющих

погрешностей измерений системы

3.4 Выводы по 3 главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УНИВЕРСАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ ОЭСКП НА СТАДИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ, ПРИЕМОЧНЫХ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

4.1 Разработка универсального решения оптико-электронной системы для контроля положения железнодорожного пути

4.2 Конструкция составных частей универсальной ОЭСКП

4.2.1 Базовый блок

4.2.2 Реперная метка

4.2.3 Фотоприемный модуль

4.2.4 Блок обработки

4.3 Особенности построения ОЭСКП

4.4 Описание программного обеспечения

4.4.1 Развитый алгоритм вычислений координат в ОЭСКП

4.4.2 Описание интерфейса программного обеспечения

4.5 Испытания ОЭСКП

4.5.1 Предварительные испытания

4.5.2 Приемочные испытания

4.6 Выводы по 4 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АКПП - автоматическое устройство приемки и контроля пути; АПК - автоматизированный путеизмерительный комплекс; АПТ - автоматизированная путеизмерительная тележка; ББ - базовый блок; БО - блок обработки;

БПО - блок пространственной ориентации;

ВПР - выправочно-подбивочно-рихтовочная машина;

ДУ - датчик уровня

ИМ - индикатор метки

ИСПРМ - источник системы поиска реперной метки

КРМ - крепление реперной метки

МИ - модуль интерфейса

МУ - модуль управления

МУРМ - модуля управления реперной меткой

МФП - матричный фотоприемник

ОЭСКП - оптико-электронная система контроля положения железнодорожного пути

ОС - оптическая система

ПОИ - приемник оптического излучения

ПСПББ - приемник системы поиска базового блока

РМ - реперная метка

РР - рабочий репер

УПРМ - устройство поиска реперной метки ФБ - фотоприемный блок

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане относительно реперных меток»

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывное развитие высокоскоростного железнодорожного движения в мире ужесточает требования, в том числе и к точности установки железнодорожного пути в проектное положение [ 1 , 2 ]. Определение фактического положения железнодорожного пути и оценка полученных результатов с помощью технических средств контроля являются важными аспектами совершенствования процесса установки пути в проектное положение, как при строительстве, так и ремонтах пути современными высокопроизводительными путевыми машинами.

Для современных технологий обслуживания железнодорожного пути с использованием его абсолютных координат перспективным решением является создание вдоль железнодорожных магистралей специальной реперной сети. В этом случае с помощью измерительных систем, относительно реперов, возможно получение объективной информации о фактическом положении железнодорожного пути в жестких условиях непрерывной работы путевых машин на скоростях до 10 км/ч.

При вышеупомянутом методе требуется контролировать изменения пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле (выправка) до 300 мм и в плане (рихтовка) от 2 до 7 м с погрешностью, не превышающей 1,5 мм. Особенность работы систем состоит в том, что по запросу устройства управления машиной или автоматизированной системы объективного контроля качества выправленного пути информация в цифровом виде о положении пути в плане, профиле и по уровню относительно реперных меток (РМ) должна выдаваться одновременно независимо друг от друга. При этом наряду с малым энергопотреблением и полной автономностью реперные метки должны обладать возможностью снятия с них дополнительной информации, например, о проектном положении пути.

Необходимую погрешность (2 мм) контроля положения

железнодорожного полотна обеспечивают комплексы на основе спутниковой

6

навигации и автоматизированных геодезических приборов (тахеометров). В основном, подобные комплексы выполнены на базе путеизмерительных тележек, из-за малой массы которых измерения железнодорожного пути осуществляются в ненагруженном состоянии, вследствие чего результаты измерений таких комплексов необходимо пересчитывать к условиям рабочей нагрузки. Кроме того, к существенным недостаткам таких систем можно отнести невозможность контроля параметров пути на скоростях движения более 5 км/ч, что в совокупности с низкой степенью автоматизации измерений обуславливает необходимость исследования и разработки альтернативных способов контроля указанных параметров.

Современная элементная база оптико-электронных приборов позволяет создавать адаптивные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане на основе подходов компьютерного зрения для выполнения требований, обеспечивающих необходимые диапазон и точность контроля. Оптико-электронные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути (ОЭСКП) содержат набор РМ, связанный с геодезическими или специальным реперными знаками, положение которых определяется фотоприемным блоком ОЭСКП, расположенным на путевой машине и перемещающимся вместе с ней.

Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследований универсальных и адаптивных ОЭСКП, а в качестве предмета исследования - особенности построения фотоприемных блоков (ФБ) и РМ, алгоритмов функционирования ОЭСКП, структуры составляющих погрешности контроля, включая их взаимосвязи и влияние на суммарную погрешность контроля.

Целью диссертационной работы является исследование, проектирование и реализация опытных образцов адаптивных ОЭСКП на основе современных матричных фотоприемных структур и цифровых методов обработки информации о положении РМ, позволяющих контролировать

одновременно и непрерывно положение железнодорожного пути в продольном профиле и плане и обеспечивать при этом работу современных автоматических систем управления выправкой пути и оценки качества работы путевых машин.

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач.

1. Анализ и классификация оптико-электронных систем, предназначенных для контроля положения железнодорожного пути при движении по нему, критический анализ условий их использования и определение направления исследований.

2. Создание обобщенной модели исследуемых ОЭСКП, анализ особенностей обработки измерительной информации в них и теоретические исследования характеристик их элементов.

3. Разработка и исследование компьютерных моделей оптико-электронных модулей и способов комплексирования информации в ОЭСКП.

4. Разработка алгоритмов и программ обработки информации и управления функционированием физических моделей каналов ОЭСКП.

5. Разработка методик проектирования ОЭСКП и реализация на их базе документации на типовые опытные образцы.

6. Анализ и оценка степени влияния основных источников погрешности контроля и разработка методов их уменьшения.

7. Разработка методик и автоматизированных средств экспериментального исследования элементов и опытных образцов ОЭСКП.

В теоретической области применены аналитические и численные методы геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта пространственных картин, разработаны инженерные методики по выбору соотношений, параметров и характеристик элементов обобщенной схемы ОЭСКП. В экспериментальной части при исследовании элементов системы и анализе методов обработки измерительной информации используются как детерминированные компьютерные модели функциональных элементов

ОЭСКП, реализованные на основе пакетов прикладного программного обеспечения МАТЪАВ и МаЛСАЭ, так и физические модели. Практическая проверка полученных характеристик осуществлена с использованием разработанных опытных образцов ОЭСКП.

Научная новизна работы состоит в:

- подходе к компенсации влияния условий рабочей среды на основе разработанных цифровых методов обработки смазанных изображений реперных меток в ОЭСКП, обеспечивающий требуемые характеристики контроля.

- методологии комплексирования информации о перемещающихся специальных РМ на основе межкадрового и спектрозонального методов обработки изображений для повышения устойчивости обнаружения, распознавания и координатного анализа изображений РМ на сложном фоне.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Обобщенная структурная схема универсальной ОЭСКП, позволяющая исследовать и конфигурировать на базе модульного принципа различные структуры контроля фактического пространственного положения железнодорожного пути по реперной сети.

2. Методология выбора элементов ОЭСКП с единым матричным полем анализа и алгоритмы обработки и коррекции измерительной информации по смазу изображений РМ в фотоприемных каналах с целью компенсации влияния условий рабочей среды.

3. Математическое описание модели ОЭСКП для оценки степени влияния частных систематических и случайных погрешностей и оценки факторов, отрицательно влияющих на процесс контроля и анализ путей их ослабления.

4. Методики экспериментальных исследований и испытаний на сформированном автоматизированном стенде для оценки статических и динамических погрешностей опытных образцов ОЭСКП с активными РМ.

5. Новые средства контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и в плане (патенты РФ №2424932, №2443826, №2456542, №2445572).

Практические результаты работы

1. Предложена методика определения параметров и алгоритмов обработки информации в элементах структуры ОЭСКП, позволяющая оптимизировать структуру ОЭСКП по габаритно-энергетическому критерию.

2. Сформированы методы комплексирования информации с единого матричного поля анализа и алгоритмы обработки информации на основе принципов межкадровой обработки и спектрозональной селекции для анализа динамических искажений отображений РМ.

3. Получены математические описания частных систематических и случайных факторов, отрицательно влияющих на процесс контроля, предложены методы их ослабления.

4. Реализованы опытные образцы ОЭСКП, прошедшие приемочные испытания на различных путевых машинах:

- оптико-электронная система контроля положения реперных меток (ОЭСКПРМ-0601) на путевой машине «Дуоматик 09-32» при текущем ремонте железнодорожного пути;

оптико-электронная система считывания реперных меток (ОЭССРМ-0801) на путевой машине ВПР-02м при комплексном контроле геометрических параметров железнодорожного пути после ремонта.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований, содержит 155 страниц основного текста, 98 рисунков, 6 таблиц и 7 приложений.

Во введении обосновывается актуальность работы, указываются цели и задачи, которые составляют область научных исследований и практических разработок.

В первой главе приводится аналитический обзор методов и средств контроля положения железнодорожного пути в профиле и плане, условий их применения, классификация систем, цели и задачи исследований.

Во второй главе формируется обобщенная схема построения ОЭСКП, рассматривается модульный подход к формированию возможных схем, представлен базовый математический аппарат анализа влияния свойств элементов обработки на информативные сигналы, рассмотрены методы и способы комплексирования информации при матричном поле анализе и жестких условий эксплуатации ОЭСКП.

В третьей главе исследованы варианты построения блоков ОЭСКП, разработана методика выбора параметров схем и габаритно-энергетического расчета оптической системы, предложена компенсация геометрических и физических факторов, возникших при преобразовании информативных параметров сигналов, проведен анализ погрешностей ОЭСКП.

В четвертой главе приведено описание типовых конструкций блоков ОЭСКП, а также результаты экспериментальных исследований разработанных опытных образцов при предварительных, приемочных и эксплуатационных испытаниях систем на путевых машинах типов Дуоматик 09-32 и ВПР-02М.

В Заключении делаются выводы о проделанной работе и приводятся ее результаты.

Работа выполнена на кафедре "Оптико-электронные приборы и системы" Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ В ПРОФИЛЕ И ПЛАНЕ И УСЛОВИЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Содержание железнодорожного пути в исправном состоянии предполагает проведение достаточно большого объема взаимосвязанных операций, направленных на обеспечение надёжности пути и безопасности движения поездов. Одними из основных видов путевых работ являются выправка пути (исправление его в продольном профиле с уплотнением балласта под шпалами) и рихтовка пути (перемещение по балласту, поперёк пути, одновременно всей рельсошпальной решётки) [3]. Для выполнения этих работ используются различные выправочно-подбивочно-рихтовочные (ВПР) машины [4, 5, 6].

Для контроля текущего отклонения пути в плане и профиле большинство машин оснащено различными контрольно-измерительными тросовыми системами, отслеживающими положение рельсовых нитей в обеих плоскостях хордовым методом. На основе данных этих систем ВПР могут выправлять путь двумя способами: сглаживанием неровностей и постановкой пути в заранее заданное положение [4].

Наиболее простым является способ сглаживания, который эффективно применяется на пути с локальными отклонениями, как в плане, так и профиле, длина которых не превосходит 15-20 м [4]. Применение метода сглаживания к более протяженным отклонениям приводит лишь к сглаживанию их очертаний, но не ликвидирует их. Вследствие чего, способ сглаживания применяется на участках, ранее выправленных с постановкой в заранее заданное положение.

Необходимо отметить, что те машины, у которых контрольно-измерительная система оборудована бортовым компьютером, производят выправку способом постановки пути в заданное положение, используя методы электронного сглаживания или проектных отметок [3]. В

отличие от обычного способа сглаживания электронное выполняется по результатам измерительного прохода машины с применением компьютерной программы. Измерительный проход для электронной записи фактического положения пути в плане, профиле и по уровню, как правило, осуществляется со скоростью до 10 км/ч. Используя полученные данные, оператор производит на дисплее корректировку положения пути в профиле и плане и по завершении компьютерной обработки производится выправка участка пути.

Для обеспечения работы путевых машин по рассмотренным методам все большее распространение получают оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути (ОЭСКП), работающие в относительной или абсолютной системе координат [7].

1.1.1 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути в относительной системе координат

ОЭСКП в относительной системе координат, обычно состоят из нескольких блоков способных перемещаться между собой. Блоки могут располагаться как на одной машине, снабженной следящими тележками, так и на нескольких единицах подвижного состава, способных перемещаться друг относительно друга. В процессе движения по пути определяется положение одной из единиц подвижного состава относительно другой. Полученные результаты (координаты) пересчитываются в значения параметров пути.

Традиционно ОЭСКП в относительной системе координат подразделяют на системы с внутренней базой и внешней (вынесенной) базой.

1.1.2 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути с внутренней базой

Первые ОЭСКП, работающие в относительной системе координат, были основаны на одноэлементных приемниках оптического излучения и зачастую представляли собой однокоординатные системы, но им на смену быстро пришли двухкоординатные системы. Основное предназначение таких систем - замена различных механических систем измерения профиля рельса.

Примером одной из первых ОЭСКП с внутренней базой является, например, разработанная в ЛИТМО система с оптической равносигнальной зоной - ПУЛ-14, которая предназначена для автоматического управления работой ВПР 3000 машины при выправке железнодорожного пути в продольном профиле и в плане [8]. Главной особенностью подобных систем являлось то, что в них в подавляющем большинстве был реализован нулевой метод измерения.

Примером современной ОЭСКП с внутренней базой можно считать разработку научно-производственной фирмы «Электронные системы управления и приборы» (ООО «НПФ ЭСУП») [ 9 ]. В этом устройстве используются две кинематически связанные измерительные тележки. На первой по ходу движения тележки установлен источник светового излучения, а на второй - приемник излучения. 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. Оптическая приемно-анализирующая система подключена к электронному устройству выделения координатной информации, соединенному с программно-аппаратным комплексом алгоритмической обработки информации, с которым, в свою очередь, соединены датчики уровня и пройденного пути.

Главным недостатком таких систем является то, что с их помощью, как уже было указано, можно выправлять только недлинные неровности пути.

1.1.3 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути с вынесенной базой

С развитием лазерных источников излучения широкое распространение получили системы с вынесенной базой с применением позиционно-чувствительных фотоприемников[10, 11].

Обычно на единицу подвижного состава устанавливают лазерный излучатель с узким хорошо колимированным пучком [12], излучение которого

формирует измерительную базу. Позиционно-чувствительный приемник устанавливают на вторую единицу подвижного состава. Передатчик может находиться на расстоянии до нескольких сотен метров от приемника, в зависимости от условий окружающей среды. Система измеряет положение железнодорожной пути по горизонтали и вертикали, с миллиметровой точностью (при хороших погодных условиях). При выполнении измерений одна единица подвижного состава (обычно с лазером) находится на таком расстоянии, которое необходимо измерить. После начала измерения вторая единица начинает приближаться к первой, при этом измеряется пройденный путь и ее положение в профиле и плане. Один измерительный цикл может быть, как правило, до 500м.

Примерами подобных систем являются: «Пилот JT1» фирмы «Вест-Тер» [13], «The curve laser CAL» фирмы «Plasser & Theurer» [14] и лазерная система фирмы Noptel Оу [15].

В «The curve laser CAL» используются два лазера - один для базирования, а другой для непосредственного измерения и управления, что актуально при обслуживании стрелочных переходов.

Преимуществом измерительных систем с вынесенной измерительной базой является хорошая помехозащищенность, которая достигается за счет модуляции лазерного луча, а также за счет специальной проработки оптической системы приемника и обработки сигнала с приемника.

Общим недостатком этих систем является то, что значительная длина трассы излучения приводит к появлению ошибок измерения, связанных как с турбулентностью, так и с градиентом воздушного тракта. Увеличение длины измеряемого участка за счет увеличения базы измерения позволяет в значительной мере сократить остаточные неровности после обслуживания прямых участков пути, в случае длинных криволинейных участков такого преимущества не наблюдается.

1.2 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути в абсолютной системе координат

С ростом скоростей движения железнодорожного транспорта возросли требования к качеству ремонта пути. Вследствие чего, железные дороги всего мира стали переходить к обслуживанию пути с привязкой к абсолютной системе координат. Для обеспечения необходимого перехода различными фирмами по всему миру был разработан широкий ряд измерительных систем, решающих эту задачу. На сегодняшний день известны такие основные принципы построения подобных систем, на основе автоматизированных геодезических приборов, системы с использованием технологий GPS/ГЛОНАС [16, 17]] и системы реализующие распределенный метод [18] по реперным точкам [19].

1.2.1 Системы, построенные на основе автоматизированных геодезических приборов

Автоматизированная путеизмерительная тележка (АПТ) представляет собой тележку с размещенными на ней геодезическими измерительными средствами, которую вручную толкают по контролируемому пути. На АПТ обычно устанавливают электронные тахеометры [ 20 , 21 ], например, «GRP1000» швейцарской фирмы «Leica Geosystems» [22, 23].

«Leica Geosystems» устанавливает на АПТ «GRP1000» электронные тахеометры серии «TPS1200» или роботизированный «TPS2003».

АПТ «GRP1000» содержит измеритель межрельсового расстояния 1, инклинометр, призму 2 (рис. 1.1), радиомодем для обеспечения связи с тахеометром 3, блок обработки и управления (промышленный компьютер) 4 и блок питания 5. С помощью электронного тахеометра 3 по призме 2 определяют пространственные координаты АПТ в данный момент времени и передают их посредством радиомодема в блок обработки и управления 4. В нем объединяются данные с тахеометра и результаты измерения инклинометра и определяются фактические координаты положения оси контролируемого пути и каждой рельсовой колеи, сравниваются их значения с

заранее заданными данными и вычисляются величины отклонений. При этом погрешность определения координат оси пути составляет 1-2 мм как в профиле, так и в плане.

Среди путеизмерительных комплексов широко известен «ЕМ-SAT 120» австрийской фирмы «Plasser & Theurer» [24], позволяющий контролировать взаимное положение элементов пути как в плане, так и в профиле, а также измерять пройденное расстояние и ширину колеи.

Путеизмерительный комплекс «ЕМ-SAT 120» состоит из специальной самоходной тележки и измерительного вагона [24].

Этот комплекс объединяет относительный и абсолютный методы контроля положения железнодорожного пути. Относительный метод реализуется с помощью построения измерительной хорды, образованной лазерным лучом. Источник лазерного излучения устанавливают на специальной самоходной тележке, а приемник - на измерительном вагоне. В зависимости от размеров хорды скорость движения составляет от 1,5 до 2,6 км/ч. Погрешность измерений позиционирования элементов контролируемого пути (в профиле и плане) и ширины колеи - 1 мм, длины измеренного пути - 0,1 м на 100 м.

Рисунок 1.1- Общий вид АПТ «GRP1000»

«ЕМ-SAT 120» (Фиг. 4 патент US 4691565)

Полученные данные «привязывают» к абсолютной системе координат, реализуемой с помощью реперной сети 68 (рисунок 1.2). Для этого применяют прибор «Disomat» 56, установленный на специальной алюминиевой тележке и позволяющий проводить измерения вручную. «Disomat» состоит из электронного тахеометра и высокоточного инклинометра. Для обработки и хранения результатов измерений он снабжен микроконтроллером, запоминающим и печатающим устройствами. Все результаты передаются в главный блок обработки и управления «ЕМ-SAT 120». Скорость движения «Disomat» от 1,1 до 2,6 км/ч. При этом погрешность измерений как по горизонтали (длина от 1,5 до 15 м), так и по вертикали (высота от 1,5 до 5 м) составляет 1-3 мм.

1.3 Системы, использующие технологию GPS/ГЛОНАС Сферу применения многих АПТ с тахеометрами позволяет расширить их комбинирование с технологией RTK-GPS.

В качестве примера можно рассмотреть аппаратно-программный комплекс (АПК) «Профиль», разработанный в Сибирском государственном университете путей сообщения, г. Новосибирск [25]. АПК «Профиль» имеет

18

возможность определять геодезические координаты рельсовой колеи, геометрические параметры, характеристики кривой, получать в полном объеме данные для составления продольного профиля, выполнять линейную и координатную привязку железнодорожных объектов и элементов пути.

АПК «Профиль» (рисунок 1.3) разработан на базе механической самонастраивающейся высокоточной гиросистемы (рисунок 1.3) и включает: ходовую тележку 1, GPS приемник 2, гироскопическую систему Б14 3, контроллер, датчик пути 4, компьютер 5 и аккумулятор 6. Определение пространственного положения и геометрических параметров рельсовых нитей осуществляют на программном уровне, используя измеренные с помощью GPS-приемника координаты антенны, а также данные гироскопического курсокреноу казателя.

Рисунок 1.3 - АПК «Профиль»

Однако в АПК «Профиль» в непрерывном режиме для повышения точности необходимо выполнять периодическую калибровку гироскопа, например, с помощью с реперной сети или контрольных точек.

Кроме того, стоит отметить, что в рассмотренном в предыдущем разделе измерительном комплексе «EM-SAT 120» для измерения абсолютных

координат железнодорожного пути в дальнейшем также стала применяться технология GPS-RTK и при этом точность определения координат в плане составила 6 мм, а в профиле 9-12 мм [24].

1.3.1 Системы, реализующие распределенный метод Системы, реализующие распределенный метод, образованы совокупностью функционально объединенных оптико-электронных преобразователей (ОЭП), определенным образом распределенных в пространстве, во времени, по спектральному диапазону используемого излучения, воспринимающих часть информации, содержащейся в оптическом сигнале об измеряемом объекте, преобразующих её в электрический сигнал, передаваемый по каналу передачи данных (КПД) на центральный блок обработки (ЦБО). Причем, информация о распределении ОЭП и о взаимосвязи между ними известна до начала измерения [18]. ЦБО, используя информацию о распределении ОЭП, восстанавливает общую информационную картину из частей, полученных от ОЭП, а также осуществляет управление процессом собора, хранения и отображения измерительной информации.

Примером подобной измерительной системы для контроля крупногабаритных объектов служит система структурного мониторинга Leica GeoMoS (автоматическая система контроля за деформациями) [26]. Среди многочисленных функций этой системы Leica GeoMoS можно выделить осуществление автоматизированной съемки (например, непрерывных измерений). Для точного установления причин любого обнаруженного движения (смещения) и прогнозирования дальнейшего развития событий Leica GeoMoS предлагает соединять в единую систему геодезические (электронные тахеометры и датчики GNSS) и геотехнические датчики (нивелиры датчики наклона, метеорологические датчики и многие другие).

Пример применения системы GeoMoS для контроля движений земной поверхности в районе расположения трех крупных плотин в период строительства 57-километрового основного туннеля в Готтхарде (Gotthard) Швейцарских Альпах представлен на рисунке 1.4 [27].

Рисунок 1.4 - Контроль движений земной поверхности в Швейцарских

Альпах

Подобные системы довольно совершенны и современны по своей структуре и характеристикам, но, как и все приборы, построенные на геодезическом принципе, сильно подвержены влиянию воздушного тракта.

Примером системы, реализующей распределенный метод и применяемой для контроля геометрии железнодорожного полотна, является система «ОЭСКПРМ», разработанная в НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург) и основанная на абсолютном методе измерения [28]. Эта система позволяет в процессе движения выправочной машины определять просадки рельсовой нити в вертикальной плоскости, взаимное положение рельсовых нитей по высоте (поперечный уровень), положение в плане (рихтовка) и длину пройденного пути относительно инфракрасных реперных меток, сопряженных с геодезической опорной сетью.

ОЭСКПРМ состоит из базового блока 1 (рисунок 1.5), реализующего

стереоскопическую схему измерения, блока обработки и реперных меток 2.

Базовый блок системы оборудован лазерным датчиком, необходимым для

обнаружения меток. Базовый блок, расположенный на тележке 3, которая

жестко базируется на железнодорожном пути 4, определяет свое положение

относительно реперных меток 2 в приборной системе координат О'Х'У^'

(0'2' - рихтовка, О'У - выправка). Реперная метка содержит

полупроводниковый излучающий диод, который конструктивно объединен с

отражательным элементом, необходимым для функционирования датчика

21

обнаружения меток. Причем, координаты, а также угол поворота базового блока относительно оси О'Х' (поперечный уровень), измеряются в момент прохождения выправочной машины опоры с закрепленной на ней меткой.

Сканирование всего массива реперных точек позволяет (с учетом данных от штатных систем контроля железнодорожного полотна) вычислить положение любой точки сканируемого участка в абсолютной системе координат.

Опытный образец системы «ОЭСКПРМ» был размещен на путевой машине Дуоматик 09-32 №64 (рисунок 1.6) [19] и при испытаниях были подтверждены следующие характеристики исследуемой системы: диапазон контроля расстояний по смещениям пути в плане (рихтовка) составил от 2000 до 5000 мм; диапазон контроля смещений пути в профиле - не менее 280 мм; диапазон контроля смещений по уровню - не менее ±6 градусов; средняя квадратическая погрешность контроля смещений при скоростях движения путевой машины до 10 км/час в профиле не более 0,7 мм, в плане не более 1 мм, по уровню не более 0,004°; время измерения (при периоде съема информации не более единиц секунд) не более 0,0001 с; номинальное напряжение питания 24 В; потребляемая мощность не более 40 Вт [29].

У '

1 \

Рисунок 1.5 - Схема координат в ОЭСКПРМ

Рисунок 1.6 - Схема размещения блоков опытного образца системы ОЭСКПРМ на путевой машине Дуоматик 09-32 №64 [19]

1.4 Классификация и сравнение систем контроля положения железнодорожного пути

По результатам анализа рассмотренных выше различных методов и систем, с помощью которых в настоящее время осуществляют контроль пространственного положения железнодорожного пути, была произведена их классификация по основным признакам (рисунок 1.7).

Основным признаком для классификации была выбрана рабочая система координат. В зависимости от систем координат различают два основных типа измерительных систем для контроля положения железнодорожного пути: относительные и абсолютные.

Относительными являются измерительные системы [4], результаты, измерения которых не привязаны к абсолютной системе координат, т.е. измерения осуществляются относительно одной какой-либо точки (обычно, начала измерений). Главным недостатком таких систем является то, что при ремонте пути с их помощью можно выправлять только недлинные неровности пути. Это обусловлено их относительно короткой базой и постоянно

накапливающейся погрешностью измерения, поскольку значительная длина трассы излучения приводит к появлению ошибок измерения, связанных как с турбулентностью, так и с градиентом воздушного тракта. Стоит отметить, что увеличение длины измеряемого участка за счет увеличения базы измерения позволяет в значительной мере сократить остаточные неровности после обслуживания прямых участков пути, однако в случае длинных криволинейных участков такого преимущества не наблюдается [30].

Рисунок 1.7 — Классификация оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути

Применение для контроля положения пути систем, работающих в абсолютной системе координат, свободно от этих недостатков, поскольку в этом случае результат измерений привязан к жестко детерминированной системе координат, неподвижной во времени [2].

Как абсолютные, так и относительные измерительные системы по типу используемого излучения могут быть выполнены на основе некогерентного или лазерного излучения.

По расположению базы относительные системы контроля можно разделить: с внутренней базой и внешней (вынесенной) базой. Преимуществом систем с вынесенной измерительной базой является хорошая помехозащищенность, которая достигается за счет модуляции лазерного луча, а также за счет специальной проработки оптической системы приемника и обработки сигнала с приемника [12].

По принципу построения относительные системы могут быть выполнены на основе равносигнальной зоны или на основе более современного пространственно-чувствительного приемника [12 ].

По типу измеряемых параметров относительные системы можно классифицировать на угловые и линейные. Причем последние используются чаще, поскольку основаны на прямых методах измерений.

В зависимости от количества измеряемых координат относительные системы могут быть однокоординатными или многокоординатными. С развитием элементной базы двухкоординатные практически заменили однокоординатные.

В абсолютных системах для контроля положения железнодорожного пути измерение положения может быть осуществлено как на основе измерения угловых величин и дистанции до реперной точки, так и на основе измерения двух углов, под которыми наблюдается реперная метка из разных точек. Причем процесс измерения угловых величин и дистанции уступает по быстродействию процессу измерения двух углов.

Кроме того, абсолютная измерительная система может определять положение пути в каждой его точке, т.е. непрерывно, или только в определенных точках, т.е. дискретно, а положение точек между ними может быть определено с помощью других средств. Производительность дискретных измерений выше за счет уменьшения количества точек измерения.

Возможно два варианта применяемых РМ для абсолютных измерительных систем: активные и пассивные. Использование активных РМ

порой имеет свои преимущества, например, для сбора дополнительной информации о параметрах окружающей среды.

Анализируя рассмотренные методы и системы, можно сделать вывод, что на сегодняшний день наиболее перспективным методом мониторинга железнодорожного пути является метод абсолютных измерений, который стал возможен благодаря появлению и развитию оптико-электронных многокоординатных датчиков. В рамках этого метода геометрические параметры (кривизна в плане и продольном профиле, уклон продольного профиля) вычисляются непосредственно по измеренным значениям пространственных координат точек пути, что позволит контролировать пространственное положении пути практически с миллиметровой погрешностью [12].

Примером абсолютных систем являются геодезические, спутниковые и распределенные системы. Возможны также их комбинации. Для сравнения обобщенные параметры (средняя квадратическая погрешность (СКП) измерения и максимальная производительность) этих систем были сведены в таблицу (таблица 1.1).

Из представленной таблицы 1.1 видно, что при применении геодезических систем (АПТ «GRP1000», «EM-SAT 120» + «Disomat»), снабженных электронным тахеометром СКП измерений находится в пределах допуска на создание рабочей реперной сети, но, одновременно с этим, они имеют низкую производительность измерений, большие габариты и высокую себестоимость оборудования. Стоит также отметить их низкий уровень автоматизации, поскольку тахеометр требуется вручную переносить вдоль контролируемого участка пути, каждый раз определяя его координаты. Малый вес АПТ может привести к неточностям при контроле разнородных по просадке участков пути.

Технология GPS-RTK, в свою очередь, повышает уровень автоматизации измерений, поскольку измерения можно выполнять сразу после установки АПТ на пути и ее подключения, однако при этом снижается

точность измерений. В частности из-за того, что для надежного захвата спутников приемник размещают на высоте от 1,5 до 4,5 м. Таким образом, при различных наклонах движущейся единицы появляется погрешность, обусловленная тем, что приемник выходит за пределы контролируемых элементов пути. Например, при непрерывном движении погрешность спутникового приемника достигает десятков сантиметров.

Таблица 1.1

Наименование класса и примеры измерительных систем Средняя квадратическая погрешность измерения, мм Максимальная производитель ность, км/ч

в профиле в плане

Геодезические (АПТ «GRP1000», «ЕМ-SAT 120» + «Disomat») 1-3 1-3 3

Геодезические со спутниковым приемником («EM-SAT 120» + GPS-RTK) 9-12 6 5

Спутниковые (АПК «Профиль», «Swiss Trolley») 8-14 4-16 4

Распределенные (ОЭСКПРМ) 0,7 1,5 100

Одним из вариантов повышения точности, в данном случае, является разработка комбинированных геодезических систем со спутниковыми приемниками, что является трудоемким и дорогостоящим процессом, поскольку при непрерывном движении точность измерений может быть обеспечена только за счет использования гироскопических платформ и организации постоянной опорной сети.

В свою очередь за счет рациональной высокоскоростной цифровой обработки измерительной информации, распределенные абсолютные системы достигают высокой производительности, не снижая при этом точность измерений [ 31 , 32 ]. При этом, они обеспечивают высокий уровень автоматизации и имеют возможность контролировать длинные участки неровности пути.

Для наглядности результатов сравнения точности измерений и производительности выделенных классов абсолютных измерительных систем была построена пространственная диаграмма (рисунок 1.8).

Из представленной схемы видно, что наилучшее соотношение точность измерения/производительность достигается при реализации распределенных абсолютных измерительных систем.

СКП, мм 16 -

12

г \

геодезические

со спутниковым

приемником

У

геодезические

> .к ¡,> -Л' ■^ЯЯйНМИ. «имей

рк

скорость, км/ч

250

Рисунок 1.8- Диаграммы сравнения по точности в зависимости от скорости

абсолютных ОЭСКП

1.5 Характерные условия эксплуатации ОЭСКП

Эксплуатация ОЭСКП происходит в естественных условиях, поэтому они подвержены влиянию различных факторов, таких как температура, влажность, давление. На результаты контроля, в свою очередь, будут оказывать влияние такие факторы, как ветер, вибрации и различные фоновые излучения. Поэтому параметры разрабатываемых систем должны удовлетворять естественным условиям, характерным местности, в которой проложен путь.

1.5.1 Характеристики температуры

Изменения температуры являются наиболее распространенным источником погрешности в ОЭСКП. Поскольку от температуры зависит длина тел, сопротивление проводников, объем определенного количества газа, давление насыщенного пара индивидуальных веществ, то сигналы со всех видов датчиков, где используются упомянутые физические явления, будут изменяться с изменением температуры. Кроме того, сигнал с датчика не только зависит от абсолютного значения температуры, но от градиента температуры в том месте, где расположен датчик.

Если рассматривать изменения температуры по климатическим поясам, то в умеренном поясе температура меняется в пределах ±30°С, в жарком климатическом поясе от 10°С до 40°С, а для холодной зоны характерно изменение температуры от минус 40°С до 30°С [33, 34].

Из-за изменений температуры в воздушном тракте возникает температурный градиент, который оказывает влияние на точность измерений. Оценка оптической неоднородности воздушного тракта показывает, что суточный ход градиента температуры в приземных слоях свободной атмосферы имеет характер, представленный на рисунке 1.9, и может изменять свои значения от -1,2 КУм до +1,2 КУм [35].

Вертикальный градиент, град/100 м

Рисунок 1.9- Пример изменения вертикального градиента температуры в

течение суток [35]

1.5.2 Характеристики изменений пропускания воздушного тракта при работах железнодорожного транспорта

Наиболее часто встречающиеся в атмосфере аэрозоли [36] представляют собой капли воды в жидком и твердом состояниях, объединяемые общим понятием - гидрометеоры (дождь, туман, снег и т.д.). К аэрозолям в атмосфере также относятся переносимые ветром частицы пыли и морской соли, продукты сгорания (сажа, пепел), конденсированные органические остатки и вещества, образующиеся в результате химических реакций в атмосфере.

В процессе работы выправочных машин наблюдается активное перемешивание воздушных слоев, и возникают случайные изменения величины пропускания воздушного тракта. Поэтому при разработке средств контроля железнодорожного пути необходимо учитывать статистические оценки этого явления. Сложность заключается в том, что на пропускание воздушного тракта влияют множество параметров, таких как давление, влажность, состояние пути, скорость машины и др., воздействие которых делают случайный процесс флуктуаций пропускания нестационарным [37,

Выборочные оценки корреляционных функций для различных состояний пути и внешних условий представлены в таблице 1.2 для корреляционных функций вида ^„(0 = ехр(-сгг|фсозД.£ ,( ^„(0 _ нормированная корреляционная функция пропускания), а 5г(<у) будет определяться по формуле:

1.5.3 Фоновые помехи

Солнце является наиболее мощным естественным посторонним источником оптического излучения, которое, взаимодействуя с атмосферой, приводит к появлению заметных фоновых помех. Не только прямое, прошедшее сквозь атмосферу, но и рассеянное и отраженное солнечное

38].

(1.1)

излучение во многих случаях является основным источником фоновых помех в атмосфере. Однако определяющим для уровня фонов при работе конкретных оптико-электронных систем является спектральный диапазон. В инфракрасной области спектра становится заметным вклад энергии от теплового излучения атмосферы и земной поверхности. Соотношение вкладов теплового излучения и солнечного рассеянного или отраженного излучения в уровень фоновых помех в дневное время, зависит от многих факторов (от состояния атмосферы, условий наблюдения, положения солнца и др.). Приближенно можно считать, что в области больше 4 мкм доминирует тепловое излучение атмосферы и земной поверхности с максимумом в спектре излучения области около 10 мкм. В спектральной области меньше 3 мкм преобладает роль фоновых помех, обусловленных солнечным излучением с максимумом видимой области спектра. В интервале длин волн 3-4 мкм имеет место минимум уровня помех, обусловленных двумя составляющими излучениия, одна из которых (солнечное излучение) убывает, а другая (тепловое излучение атмосферы и земной поверхности) возрастает с ростом длины волны.

Таблица!.2 Коэффициенты корреляционной связи аг /г,и Диг

флуктуаций пропускания.

№ «г Рт А т

1- путь: бесстыковой, рельсы Р50 железобетонные шпалы, балласт: 0,034 0,056 0,0058 0,72-1,0

слежавшийся щебень, погода: сухая, 14-16 °С, скорость машины: 2 км/ч;

2- путь: бесстыковой, рельсы Р50 железобетонные шпалы, балласт: 0,0699 0,157 0,01555 0,54-0,7

слежавшийся щебень, погода: сухая, 18-20 °С, скорость машины: 2 км/ч; 4

3- путь: рельсы Р50 длиной 12,5 м железобетонные шпалы, балласт: 0,0324 0,092 0,01519 0,36-0,4

рыхлый щебень, погода: сухая, 18-20 °С, скорость машины: 2 км/ч; 8

4 - путь: бесстыковой, рельсы Р50 0,0527 0,131 0,00712 0,

железобетонные шпалы, балласт: щебень слабо уплотненный, погода: сухая, 20-22 °С, скорость машины: 3 км/ч) 14-0,34

В таблице 1.3 приведены данные по максимальной яркости фона для помех различной природы. Кроме теплового равновесного излучения в атмосфере всегда присутствует неравновесное излучение, вызванное рядом физических и химических процессов, которое имеют место при взаимодействии оптической и жесткой солнечной радиации с атмосферой. Результатом этих процессов является слабая люминесценция атмосферы. Принято нетепловое оптическое излучение называть свечением атмосферы. Характерной для этого неравновесного излучения атмосферы является значительная спектральная селективность. В видимой области спектра свечение является линейчатым, в инфракрасной области эмиссионные линии имеют несколько большую спектральную ширину. При работе оптико-электронных систем в ночное время свечение атмосферы является существенной помехой.

Таблица 1.3

Природа фоновых помех Максимальная яркость фона л Вт/см 'Ср'мкм

Х=\ мкм А,=10 мкм

Отражение солнечного излучения водной поверхностью Ю"1 10~5

Рассеяние солнечного излучения атмосферой (яркость безоблачного неба) ю-2 ю-7

Рассеяние солнечного излучения облаками (яркость облачного неба) ю-3 ю-7

Тепловое излучение атмосферы ю-7 ю-3

Свечение атмосферы ю-10 10"6

Исследование влияния фоновых явлений является серьезной проблемой при исследовании и проектировании оптико-электронных систем, использующих РМ немодулированного оптического излучения [39].

1.5.4 Характеристики пространственного положения

железнодорожного пути

Поскольку пространственное положение железнодорожного пути является входным сигналом для работы исследуемых систем, можно рассмотреть следующие характеристики.

Анализ случайных геометрических неровностей железнодорожного пути выявил, что процесс отклонения рельсовых нитей является нестационарным. В то же время процесс отклонения рельсовой нити, например в прямых участках, можно считать стационарным [40, 41].

Выражение для спектральной плотности в зависимости от

коэффициентов корреляционной связи а, /? и скорости движения У] имеет вид:

х тс {со2 -У2{а2 + р2))2 + 4У2а2со2 (1 2)

где Их - дисперсия случайных, непрерывных неровностей пути, со - круговая частота.

В зависимости от различных длин реализации значения коэффициента а варьируются от 0,015 до 0,65, значения коэффициента /? варьируются от 0,015 до 0,05, значения Их от 18,9 до 145,2 мм.

На основе проведенного обзора характеристик ОЭСКП (пп. 1.1.1, 1.2, 1.5) можно сформулировать следующие требования к универсальным ОЭСКП, которые могут быть конфигурированы для применения в различных схемах управления и контроля выправкой и рихтовкой пути.

Таблица 1.4 - Обобщенные требования к основным характеристикам универсальных ОЭСКП

Характеристика системы Значение Единица измерения

1 Возможные максимальны изменения положения железнодорожного пути относительно РМ:

1.1 в профиле (выправка) ОУ (рис. 3.2) 7, -150...+50 мм

1.2 в плане 02 (рихтовка) 2 2...1 м

2 Требуемая погрешность контроля смещений

2.1 выправка пути (вертикальное ОУ, рис. 3.2 ) Ъ8У 0,8 мм

2.2 рихтовка пути ( горизонтальное ) ^82 1 мм

3 Наклоны, обусловленные отклонением пути по уровню (поперечный профиль) а, ±50 (±20/1560) угл. мин. (мм/мм)

4 Скорость движения РМ V 10 км/ч

5 Частота съема информации /и ДО 70 Гц

6 Вид выходной информации пакетный

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Пантюшин, Антон Валерьевич

4.6 Выводы по 4 главе

По материалам, представленным в настоящей главе получены следующие основные результаты:

1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований блоков и ОЭСКП в целом, разработаны универсальная структурная схема, типовые конструкции блоков, позволяющих конфигурировать систему для различных схем выправки и рихтовки железнодорожного пути.

2. Стендовые и приемочные испытания опытных образцов ОЭСКП подтвердили практически правильность полученных теоретических результатов и возможность реализации систем, имеющих погрешность контроля, не превышающую 1 мм в продольном профиле и 2 мм в плане.

3. По результатам экспериментальных исследований предложены новые технические решения, как аппаратных средств ОЭСКП (Пат. РФ № №2424932, 2443826, №2456542, №2445572), так и программных средств (Свидетельство РФ о регистрации программы для ЭВМ №2011613482).

4. Полученные в результате разработки характеристики ОЭСКП, работающих по методу контроля положения пути относительно рабочих реперов, расположенных на опорах контактной сети, подтверждены результатами приемочных испытаний систем, рекомендованных в опытную эксплуатацию на путевых машинах Дуоматик 09-32 №64 и ВПР-02М №35.

Получены следующие основные результаты исследований.

1. Анализ и классификация существующих систем для контроля положения железнодорожного пути показали, что для рабочих условий контроля положения пути оптимальным является применение адаптивных распределенных ОЭСКП с пассивными или активными РМ.

2. Сформирована обобщенная структурная схема, позволяющая исследовать и конфигурировать на базе модульного принципа различные структуры ОЭСКП для всех этапов жизненного цикла железнодорожного пути.

3. Показано, что при размере смаза, не превышающем размера изображения метки, целесообразно использовать алгоритмы детектирования, основанные на методах взвешенного суммирования.

4. Доказано, что с точки зрения распознавания изображений РМ на сложном фоне целесообразно использовать метки со сложной структурой, в частности, бидиодной и трипоидной структурой.

5. Выработаны подходы к выбору элементов оптических схем с единым и разделенными матричными полями анализа, основанных на комплексном габаритно-энергетическом критерии.

6. Доказана эффективность применения комплексирования информации на основе межкадровой обработки цифровых изображений РМ на фоне, содержащем малоаперурные паразитные источники оптического излучения.

7. Доказана возможность комплексирования информации на основе спектрозональной разности при обнаружении и обработке цифровых изображений РМ на едином матричном поле цветных видеокамер.

8. Доказана эффективность применения траекторного алгоритма при обработке информации во внутрибазовой схеме ОЭСКП при использовании несинхронизированных матричных фотоприемников с бегущим затвором.

9. По разработанным методикам исследований создан автоматизированный стенд и проведены экспериментальные исследования погрешностей блоков ОЭСКП, позволившие оптимизировать параметры алгоритмов обработки ОЭСКП для различных условий и схем применения.

10. Исследования степени влияния систематических и случайных погрешностей на основе математического описания модели ОЭСКП показали, что наибольшим влиянием на точность контроля обладает определение базы каналов, задних отрезков объективов и скорости перемещения РМ относительно ФБ.

11. Исследования физической модели, а также стендовые и эксплуатационные испытания разработанных опытных образцов ОЭСКП подтвердили правильность полученных теоретических результатов.

12. По результатам экспериментальных исследований предложены новые технические решения как аппаратных средств ОЭСКП (Пат. РФ № №2424932, 2443826, №2456542, №2445572), так и программных средств (Свидетельства РФ о регистрации программ для ЭВМ №2011613482 и №2012613939).

13. Полученные в результате разработки и исследований приемы, методы и методики расчетов систем подтверждены результатами приемочных испытаний разработанных опытных образцов ОЭСКП, рекомендованных в опытную эксплуатацию на путевых машинах Дуоматик 09-32 №64 и ВПР-02М №35.

По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 4 патента на изобретение РФ, 10 статей в изданиях из перечня ВАК (из них 4 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus).

В дальнейшем целесообразно продолжить исследования в направлении совершенствования структур реперных меток и алгоритмов обработки измерительной информации, которые позволят с большей точностью и большим быстродействием определять координаты изображений на матричных фотоприемниках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пантюшин, Антон Валерьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Правила и технология выполнения основных работ при текущем содержании пути (ЦПТ - 52). - М.: Транспорт, 1998 г.

2 Lichtberger В. Track Compendium: Formation, Permanent Way, Maintenance, Economies. Hamburg: Eurailpress Tetzlaff-Hestra, 2005. 634 pages. -ISBN 3-7771-0320-9, 2005.

3 Актуальные проблемы выправки и приемки пути после ремонта / Коган А.Я., Ершова К.Б., Петуховский В.В. и др. // Путь и путевое хозяйство № 5, 2007 с. 7 - 9.

4 Гуленко Н.Н., Фомин В. В. Механизация и автоматизация путевых работ за рубежом, М., "Транспорт", 1975, 232 с.

5 Plasser & Theurer. Каталог продукции. [Электронный ресурс] - Режим доступа к ресурсу: http://www.plassertheurer.com - свободный (дата обращения 15.02.2013).

6 ОАО «Калужский завод «Ремпутьмаш». Каталог продукции. [Электронный ресурс] - Режим доступа к ресурсу: http://www.rempm.ru/ -свободный (дата обращения 15.02.2013).

7 Корыстен Н.Т., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные измерительные преобразователи для трехточечного контроля положения железнодорожного пути. Труды ЛИТМО, Вып.76, 1974.

8 Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной: Монография / Под общ. ред. Э.Д. Панкова - СПб.: ИТМО, 1998 - 238 с.

9 Бондаренко И.В, Великотный М.А, Калюжный А.П, Конев В.П, Михайлов В.Е, Рязанов АД, Соломоник В.А Способ измерения геометрии рельсового пути и устройство для его осуществления // Патент России № 2256575. 2005.

10 Воробьев Б. Н., Корнев О.В., Федоров А.С. Лазерная система автоматического управления путерихтовочной машиной. - Электронная промышленность, 1981, №5, с. 18-21.

11 Самарин А., Позиционно-чувствительные фотодатчики // Электронные компоненты № 7, 2003 с. 103-108

12 Peiponen К., Risto М., Priezzhev A.V. Optical Measurement Techniques, New York Springer-Verlag, 2009 - 160c

13 Логинов M.A. Компания «Вест-Тер» открыта для партнерства // Евразия Вести 2005 №9 с 22

14 Theurer J. Reference system for track working machine // US Patent 5090329. 1992

15 Raimo Ahola, Matti Tervaskanto Arrangement and method for measuring and correcting the line of a track // US Patent 5613442. 1997

16 Геодезические приборы. Каталог компании. [Электронный ресурс] -Режим доступа к ресурсу: http://www.geopribori.ru - свободный (дата обращения 15.02.2013).

17 The Swiss Trolley - A Modular System for Track Surveying [Электронный ресурс] - Режим доступа к ресурсу: http://www.sgc.ethz.ch/sgc-volumes/sgk-70.pdf - свободный (дата обращения 15.02.2013).

18 Коротаев В.В., Краснящих А.В. Видеоинформационные измерительные системы / Учебное пособие. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 124 стр.

19 Коротаев В. В., Пантюшин А. В., Тимофеев А. Н. Оптико-электронные системы контроля положения реперных меток //Путь и путевое хозяйство: - М.: Трансжелдориздат, 2012. - N 11. - С. 34-37. - ISSN 0033-4715.

20 Резник Б.Е. Непрерывные геодезические измерения деформаций строительных конструкций эксплуатируемых сооружений // Геопрофи, № 4, 2008, с. 4-10.

21 Оньков И.В., Семенов C.B. Технология создания пространственной сети опорных марок для съемки фасадов зданий // Геопрофи, № 4, 2010, с. 20-22.

22 The precise and robust track measuring system Leica GRP1000 [Электронный ресурс] - Режим доступа к ресурсу: http://www.metrisys.bg/prodimg/amb/Brochure_GRP_l 000_en.pdf - свободный (дата обращения 15.02.2013).

23 Локтионов К.С. Геодезические системы Leica Geosystems для мониторинга деформаций инженерно-технических сооружений // Геопрофи, № 6, 2010, с. 25-27.

24 Theurer J. Mobile machine for measuring track parameters // US Patent 4691565. 1987

25 Способ определения пространственных параметров рельсового пути и устройство для его осуществления // Патент на изобретение RU 2261302, опубл. 27.09.2005.

26 Внедрение технологий геодезических измерений [Электронный ресурс] - Режим доступа к ресурсу: http://www.gfk-leica.ru/monit/install.htm -свободный (дата обращения 15.02.2013).

27 Промышленные измерительные системы Leica Geosystems AG [электронный ресурс] - Режим доступа к ресурсу: http://www.gfk-leica.ru/ims/industry.htm - свободный (дата обращения 15.02.2013).

28 Оптико-электронная система для контроля пространственного положения железнодорожного пути // Патент на изобретение RU 2387561, опубл. 27.04.2010.

29 Anton Pantyushin and Valéry Korotaev Control measurement system for railway track position, Proc. SPIE 8486, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering XIII, 84861B (October 11, 2012); doi:10.1117/12.930503; httpV/dx.doi.org/lO.l 117/12.930503.

30 Самратов У .Д., Сакович Л.А., Кривдин Д.Г. О точности определения геометрических параметров железнодорожного пути с помощью автоматизированных путеизмерительных комплексов // Геопрофи, №7, 2008, с 28-32

31 Анисимов А.Г., Алеев A.M., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н. Основные погрешности контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы //Оптический журнал, том.76, №1, 2009, с 3-8.

32 Алеев A.M., Горбачёв A.A., Коротаев В.В., Пантюшин A.B. Экспериментальное исследование случайной погрешности оптико-электронного докового прогибомера // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. 4 (74). - С. 7-11.

33 Физика. Большой энциклопедический словарь /Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 741. — 944 с.

34 ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

35 Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и ее применение / Учебное пособие для вузов. М.: Академический Проект, 2008. - 591 с. (Фундаментальный учебник). ISBN 978-5-8291-0997-4

36 Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. Под редакцией канд. хим. наук К. Б.Заборенко — М.: Мир, 1997, —232 с.

37 Тимофеев А.Н. О характеристиках пропускания воздушного тракта при управлении выправкой железнодорожного пути // Труды ЛИТМО Оптико-электронные приборы в контрольно-измерительной технике. Ленинград, 1983 - с. 61-67.

38 Обухов А. М. Турбулентность и динамика атмосферы «Гидрометеоиздат» 414 стр. 1988 ISBN 5-286-00059-2

156

39 Защита от фоновой помехи в оптико-электронных системах контроля состояния атмосферы / P.P. Агишев. — М.: Машиностроение, 1994. — 128 е.: ил. ISBN 5-217-02365-1

40 Шемелин Ю.Н. Измерение очертаний рельсовых нитей с помощью системы ПУЛ.-Тр.ВЗИИТ, вып.51, 1971, с.124-125.

41 Зубец Б.М. Методика спектрального анализа неровностей пути в плане. «Вестник ВНИИ железнодорожного транспорта», 1975, №1.

42 Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989.- 387 с.

43 Лебедько Е.Г. Теоретические основы передачи информации: СПб: Лань, 2011.- 352 с. Ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература). (1000 экз).

44 Фотоэлектрические преобразователи информации / Л. Н. Преснухин, В. Ф. Шаныин, С. А. Майоров, И. В. Меськин. М., «Машиностроение», 1974, 376 с.

45 Анисимов А.Г., Коротаев В.В., Краснящих А.В. Методы построения адаптивной распределенной оптико-электронной системы неразрушающего контроля деформации крупногабаритных сооружений // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 34. Современная оптика /Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - с. 219-224.

46 Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. -М: Вильяме, 2004 - 928 с.

47 Шапиро Л., Стокман Д. Компьютерное зрение. - Бином, 2006.

48 Tsai R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses // IEEE Journal of Robotics and Automation, - 1987. - T. 3. - №. 4. - C. 323-344.

49 Gutierrez J.A Armstrong B.S.R Precision Landmark Location for Machine Vision and Photogrammetry: - London Springer-Verlag, 2008 -162 с

50 Sala P. et al. Landmark selection for vision-based navigation //Robotics, IEEE Transactions on. - 2006. - T. 22. - №. 2. - C. 334-349.

157

51 Harris С., Stephens M. A combined corner and edge detector //Alvey vision conference. - 1988. - T. 15. - C. 50.

52 Rosten E., Drummond T. Machine learning for high-speed corner detection //Computer Vision-ECCV 2006. - Springer Berlin Heidelberg, 2006. - C. 430-443.

53 Kato H., Tan К. T. Pervasive 2D barcodes for camera phone applications //Pervasive Computing, IEEE. - 2007. - T. 6. - №. 4. - C. 76-85.

54 Olson, Edwin B. AprilTag: A robust and flexible visual fiducial system //Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on

55 Jidesh P., George S. A time-dependent switching anisotropic diffusion model for denoising and deblurring images //Journal of Modern Optics. - 2012. - T. 59. - №. 2.-C. 140-156.

56 Raskar R., Agrawal A., Tumblin J. Coded exposure photography: motion deblurring using fluttered shutter //ACM Transactions on Graphics. - 2006. - T. 25. -№. 3.-C. 795.

57 Тихонов A. H., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. -М. Наука, 1974.

58 Jia J. Single image motion deblurring using transparency //Computer Vision and Pattern Recognition, 2007. CVPR'07. IEEE Conference on. - IEEE, 2007. - C. 1-8.

59 Жуков Д.В., Пантюшин А.В., Усик A.A. Алгоритм определения координат изображений точечных источников в движущейся стереоскопической системе на примере оптико-электронной системы контроля положения реперных меток //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 49. Оптотехника, оптические материалы. /Гл. редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 207- 212

60 Оптико-электронная система для контроля пространственного положения железнодорожного пути [Текст]: Пат. на изобретение Рос.Федерации 2424932 заявка 2009149710/11: МПК В61К 9/08, Е01В 35/00, G01B 11/00, / Жуков Д.В., Коротаев В.В., Пантюшин А.В., Серикова М.Г.,

Тимофеев А.H., Патентообладатель ИТМО, приоретет 30.12.2009; опубл. 27.07.2011,Бюл.№ 21;.

61 Грейм И.А. Оптические дальномеры и высотомеры геометрического типа - М.: Недра , 1983. - 320 с.

62 Андреев A.JI. Автоматизированные видеоинформационные системы. Учебное пособие. - СПб: НИУ ИТМО, 2011. - 120 с. Андреев А.Л. Моделирование и расчет автоматизированных видеоинформационных систем наблюдения за объектами. Методические указания к лабораторным работам. -СПб: НИУ ИТМО, 2013.-82 стр.

63 Андреев А.Л. Моделирование и расчет автоматизированных видеоинформационных систем наблюдения за объектами. Методические указания к лабораторным работам. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 82 стр.

64 Kalevo О., Rantanen H. Sharpening methods for images captured through Bayer matrix // SPIE Proc. 2003. Vol 5017. P. 286-297

65 Goldberg A.C., Fisher T., Derzko Zl. Application of dual-band infrared focal plane arrays to tactical and strategic military problems // SPIE Proc. 2002. Vol. 4820. p. 2. P. 500-514

66 Лашманов О.Ю., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Исследование возможности применения спектрозонального метода для ослабления влияния воздушного тракта в оптико-электронных системах контроля положения // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. 3 (73).-С. 5-9

67 Мараев A.A., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Исследование метода спектрозональной селекции в оптико-электронной системе предупреждения техногенных катастроф //Приборостроение, том 54, № 12, 2011.-с. 80-81.

68 Двайт Г.Б Таблицы интегралов и другие математические формулы -М.: Наука, 1978-224 с.

69 Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы — 4-е изд. — М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2006. — 636 с

159

70 Ait-Aider О. et al. Simultaneous object pose and velocity computation using a single view from a rolling shutter camera //Computer Vision-ECCV 2006. -Springer Berlin Heidelberg, 2006. - C. 56-68.

71 Чуриловский В. H. Теория оптических приборов //Л.: Машиностроение. - 1966.

72 Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения: учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. /Ю.Г. Якушенков. - М.: Логос, 2013. - 376 е.: ил. (Новая университетская библиотека)

73 Данилов Д.В., Пашков B.C. Оценка координат изображений точечных излучателей. // Оптико-электронные приборы и системы. Сб. научных статей. Вып. 96./Под ред. Э.Д. Панкова. СПб,1996. С. 29-33.

74 Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет свеотооптических систем М.: Искусство, 1960, - 520 с.

75 Жуков Д.В., Пантюшин A.B. Робастный алгоритм распознавания би-диодной активной метки в стереоскопической оптико-электронной системе с матричным полем анализа // Сборник трудов конференции молодых ученых, Выпуск 1. Оптотехника и оптическое приборостроение / Главный редактор д.т.н., проф. В.Л. Ткалич. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. с. 324 - 328.

76 Андреев А.Л. Автоматизированные телевизионные системы наблюдения. Часть II. Арифметико-логические основы и алгоритмы. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005.-88 с.

77 Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. - М.: Техносфера, 2005. - 1072 с.

78 Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2-х книгах. Книга 1: Пер. с англ. - Мир, 1982.

79 Жуков Д.В., Коняхин И.А., Усик A.A. Итерационный алгоритм определения координат изображений точечных излучателей //Оптический журнал. 2009. Т. 86. № 1. С. 151-154

80 Жуков Д.В., Усик A.A., Коняхин И.А. Аналитический обзор способов определения координат изображений точечных источников. //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 43. Современная оптика /Главный редактор д.т.н., проф. В.Н.Васильев. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 212-216.

81 Араканцев К. Г., Жуков Д. В., Коняхин И. А. Методы обработки измерительной информации и оценки погрешностей в стереоскопической системе контроля пространственного положения объектов //Известия высших учебных заведений. - 2011. - Т. 54. - №. 12.

82 Браславский Д. А., Петров В. В. Точность измерительных устройств. М., «Машиностроение», 1976. 312 с.

83 Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов. СПб., Политехника, 2007 - 579 с.

84 Анисимов А.Г., Араканцев К.Г., Горбачев A.A. Исследование погрешности контроля дистанции в симметричном внутрибазовом канале двухкоординатной оптико-электронной системы контроля смещений. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2006. Выпуск 34. С.213-218.

85 Анисимов А.Г., Алеев A.M., Пантюшин A.B. Об основных погрешностях контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск.38 Исследование в области оптики, приборостроения и управления. Труды молодых ученых/ Главный редактор д.т.н., проф. В.Н.Васильев. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007.с.39-44

86 Пантюшин A.B., Шомрина М.А. Экспериментальные исследования погрешностей кривизны референтной линии при контроле соосности с помощью авторефлексионной оптикоэлектронной системы. //Труды пятой международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2007". Санкт-Петербург, 15-19 октября 2007, СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. с. 275-276

87 Пантюшин A.B., Шомрина М.А., Анисимов А.Г., Яковлев A.C. Исследование влияния погрешности установки отражателя на точность

161

системы контроля соосности //VII Международная конференция "Прикладная оптика -2006" 16-20 октября 2006 г, С.Пб, Россия. Сборник трудов. Том.1 "Оптическое приборостроение". - СПб, 2006, с. 64-66

88 Пантюшин А.В. , Серикова М.Г., Тимофеев А.Н. Исследование погрешностей работы оптико-электронной системы, реализованной по схеме внутрибазового дальномера /Труды оптического общества им. Д.С.Рождественского, том 1, VIII Международнвая конференция «Прикладная оптика - 2008». Санкт-Петербург, 20-24 октября, СПбГУ ИТМО, 2008. с 57 -57.

89 Гуткин J1.C. Теория оптимальных методов радиоприёма при флуктуационных помехах. М., «Сов. радио», 1972 г.

90 Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. / Неумывакин Ю.К., Перский М.И., Захарченко М.А. и др. - М.: Недра, 1984- 126 с.

91 Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения СПб.: Политехника, 2009, - 412с.

92 Konyakhin, I., Timofeev, A., Usik, A., Zhukov, D., The experimental research of the systems for measuring the angle rotations and line shifts of the large aperture radio-telescope components // Sixth International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation, edited by Jiubin Tan, Xianfang Wen, Proceedings of SPIE Vol. 7544 (SPIE, Bellingham, WA 2010) 75443P.

93 Техническое описание ПИД AL-513 [Электронный ресурс] - Режим доступа к ресурсу: http://www.a-bright.com.tw/fullclamp/AL-513RGBW-C-004.pdf - свободный (дата обращения 15.02.2013).

94 Руководство по применению спектрометра Ocean Optics модель USB4000. 2010

95 Горбачёв А.А., Горбунова Е.В., Коротаев В.В. Структура многоканальных распределенных оптико-электронных систем //Приборостроение, 2010 № 5. - С. 79.

96 Андреев А. Д., Коротаев В. В. Особенности расчета оптико-электронных систем позиционирования на основе готовых телевизионных модулей //Известия вузов Приборостроение, 2010 № 10. - С. 69-75

97 Хмелевской С.И. Тенденции в развитии цифровых аэросъемочных систем. Критерии сравнения и оценки. //Геопрофи, 2011, №1, с. 11-16.

98 Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Стенд для исследования параметров и характеристик матричных фоточувствительных приборов с зарядовой связью // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46, №8. С. 58 — 61.

99 Руководство по эксплуатации. Цветная мегапиксельная телевизионная камера высокого разрешения в корпусе внутреннего исполнения Модель VEC-545, ОАО «ЭВС», 2010. 22 с.

100 Пантюшин A.B., Серикова М.Г. Экспериментальная оценка вариации показаний при измерениях с помощью стереоскопической оптико-электронной системы контроля пространственного положения железнодорожного пути //Сборник трудов конференции молодых ученых, Выпуск 1. Оптотехника и оптическое приборостроение / Главный редактор д.т.н., проф. В.Л. Ткалич. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. с. 299 - 303.

101 Жуков Д.В., Пантюшин A.B., Серикова М.Г. Повышение точностных характеристик методом оптимизации параметров алгоритма в оптико-электронной системе контроля положения реперных меток // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2008. Выпуск 49. С. 183-188.

102 Пантюшин A.B., Серикова М.Г., Тимофеев А.Н. Оптико-электронная система для контроля смещений на основе реперных меток излучающих диодов //Оптический журнал, том.76, №8, 2009, с 74-78.

103 Пантюшин A.B. Исследование оптико-электронной системы определения положения движущегося объекта относительно неподвижной системы координат. //VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых. Сессии научных школ. 12-15 апреля 2011 года: Сборник тезисов

докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2- СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. -с. 122-123

104 Араканцев К. Г. Исследование и разработка стереоскопической оптико-электронной системы контроля пространственного положения железнодорожного пути». Дис. канд. техн. наук: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы - СПбГУ ИТМО, 2010. - 163 с.

105 Анисимов А. Г., Горбачёв А. А., Краснящих А. В., Пантюшин А. В. Оптико-электронная система контроля соосности элементов турбоагрегатов / Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т.51, №9. С. 22 - 26.

106 Выправочно-подбивочно-рихтовочная машина для выправки и контроля железнодорожного пути и оптико-электронная система выправочно-подбивочно-рихтовочной машины [Текст]: пат. Рос.Федерация № 2443826, заявка на пат. 2009148112/11 от 11.02.2010: МПКВ61К9/08 (2006.01) Е01В 35/00 (2006.01) / Араканцев KT.(RU), Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н. (RU), и др; заявитель Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (RU), опубл. патента 27.02.2012 Бюл. № 6.

107 Способ измерения линейного смещения и устройство для его осуществления [Текст]: Патент на изобретение Российской Федерации №2456542 заявка 2010119119(027144) Рос.Федерация: МПК G01B 11/02, G01S 11/12/ заявитель и патентообладатель ГОУВПО СПбГУ ИТМО Анисимов А.Г., Горбачёв A.A., Краснящих A.B., Коротаев В.В., Пантюшин A.B., Серикова М.Г., Тимофеев А.Н., заявл. 12.05.2010; опубл. 20 07. 2012, Бюл. № 20.

108 Пантюшин A.B., Серикова М.Г., Тимофеев А.Н. . Коллимационная схема оптико-электронной системы контроля смещений на основе массива излучающих диодов /Труды оптического общества им. Д.С.Рождественского, том 1, VIII Международнвая конференция «Прикладная оптика - 2008». Санкт-Петербург, 20-24 октября, СПбГУ ИТМО, 2008. с 225 - 226.

российская федерация

(15)

1 п

ПЪ)

(51) МПК

В61К9/08 (2006 01) Е01В35/00 (2006 01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(12)ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21) (22) Заявча 2009149710/11,30.12.2009

(24) Дата начала отсчета срока действия патента 30.12.2009

Приоритет(ы)

(22) Дата подачи заявки 30.12.2009

{45) Опубликовано 27.07.2011

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске- йи 2256575 С1, 20.07.2005.1Чи 2147729 С1, 20.04.2000. ЕР 1418273 А1,12.05.2004. 2152469 С1, 10.07.2000. яи 2212486 С2, 20.09.2003.

Адрес для переписки

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ГОУВПО "СПбГУ ИТМО", ОИСиНТИ

(72) Авгор(ы)

Жуков Дмитрий Валерьевич (1411), Коротаев Валерий Викторович (Яи), Пантюшин Антон Валерьевич (Яи), Серикова Мария Геннадьевна (РШ), Тимофеев Александр Николаевич (Р?и)

(73) Патентообладатель(и) Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики" (1311)

(54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

(57) Реферат

Оптико-электронная система для контроля пространственного положения железнодорожного пути относится к контрольно-измерительной технике Система содержит источник излучения (2) и расположенные на измерителоной тележке (3), устанавливаемой на железнодорожном пути (10), блок обработки сигналов (3) и фотоприемный блок (1), содержащий датчик уровня (21) и приемно-анализирующую систему (11). включающую обьектив (12) и позииионно-чувствитепоный приемник оптического излучения (15) Выход фотоприемного блока (1) соединен со входом блока обработки сигналов (3) Источник излучения установлен на не менее чем одной из опор контактной сети (4) или другой конструкции и выполнен 8 виде реперной метки, содержащей не менее двух модулированных светодиодов (5) и подключенные ко входу автономного источника питания (7) фотоприемник (6) и схему управления источником излучения (8) Фотоприемный блок содержит дополнительную приемно-анализирующую систему (12) а также модуль управления (17), включающий не менее одного светодиодного излучателя (18) фотоприемчое устройство (19) и электронную схему обработки информативных сигналов (20) выход которой соединен со вторым входом блока обработки (3) третий вход которого соединен с выходом датчика уровня ¡21). жестко скрепленного с фотоприемным блоком (1) Достигается повышение точности измерения фактического положения рельсового пути как в профиле, так и в плане относителпно его проектного положения 2 ил

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

<м О

ю см 00 со

■ч-см

э

ОН

(19)ви(11) 2 *

(51) МПК

Е01В 35/00 (2006.01) В61К 9/08 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(13)

С2

(21)(22) Заявка: 2009148112/11, 11.02.2010

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 11.02.2010

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 11.02.2010

(43) Дата публикации заявки: 20.08.2011 Бюл. № 23

(45) Опубликовано: 27.02.2012 Бюл. № 6

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: 1Ш 2212486 С2, 20.09.2003. ¡Ш 2230848 С2, 20.06.2004. Яи 2320801 С1, 27.03.2008.1Ш 2250283 С1, 20.04.2005.1Ш 2142892 С1, 20.12.1999. 1Ш 2256575 С1, 20.07.2005. и8 4691565 А, 08.09.1987.

Адрес для переписки:

107174, Москва, ул. Новая Басманная, 2, ОАО "РЖД", ЦУИС, Р.Ю. Тимофееву

(72) Автор(ы):

Ершова Кира Борисовна (ГШ), Петуховский Вячеслав Васильевич (ГШ), Петуховский Сергей Вячеславович (1Ш), Холин Алексей Евгеньевич (ГШ), Юдин Борис Александрович (1Ш), Араканцев Константин Геннадьевич (К 11). Пантюшин Антон Валерьевич (Ки), Тимофеев Александр Николаевич ((Ш)

(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (ГШ)

(54) ВЫПРАВОЧНО-ПОДБИВОЧНО-РИХТОВОЧНАЯ МАШИНА ДЛЯ ВЫПРАВКИ И КОНТРОЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ВЫПРАВОЧНО-ПОДБИВОЧНО-РИХТОВОЧНОЙ МАШИНЫ

(57) Рефсра 1.

Группа изобретений относится к области железнодорожного транспорта, а именно к выправке и контролю железнодорожного пути при его ремонте. Выправочно-подбивочно-рихтовочная машина содержит раму, опирающуюся на ходовые тележки, шналоподбивочное уегр0йС1В0 и нодьемно-рихтовочное устройство, контрольно-измерительное устройство и платформу, связанные с рамой машины, измерительно-контрольную тележку, видеокамеры для наблюдения за конструкцией верхнего строения железнодорожного пути.

Измсртелыю-контрольная гележка снабжена контроллером, датчиками геометрии пути, оборудованием для приема и обработки спутниковых сигналов глобальной

навигационной спутниковой системы ГНСС, оптико-электронной системой измерения

фактического положения пути и блоком обработки видеоинформации. Оптико-электронная система выправочно-подбивочно-рихтовочной машины включает, по меньшей мере. один источник излучения. блок обработки информации и фогоприемный блок. В качестве источника излучения используют рсиерную марку. Ренсриая марка включает модулированный свстодиод. схему управления светодиодоч, фотоприемник и автономный источник питания. Фотоприемный блок содержит две приемно-анализирующие системы, датчик утла наклона и модуль управления, включающий излучатель, схему обработки информационных сигналов и фотоприемное устройство. Один из входов блока обработки информации связан с датчиком угла наклона, второй вход - с приемно-анализирующими системами, а третий вход - со схемой обработки информационных

73 С

ГО -Сь А

СО 00 го о>

о

м

Стр. 1

Испытания «ОЭСКПРМ №0601» на территории станции Зареченская

Таблица 1

Номер репер- ной метки Измеренные значения положения смещений реперной метки (выправка), мм

1 серия 2 серия 3 серия 4 серия 5 серия Средние значения, мм ско случайно й составля ющей основной погрешно сти, мм СКО среднего значения случайно й составля ющей основной погрешно сти, мм

У1 У2 Уз У4 У5 А 5 Аа

1 11,9 12,3 9,5 12,5 13,1 11,9 1,4 0,6

2 59,2 59,9 63,1 58,9 61,3 60,5 1,7 0,8

3 97,6 97,5 97,4 95,5 96,0 96,8 1,0 0,4

4 7,8 6,6 5,5 3,3 6,6 6,0 1,7 0,8

5 18,5 14,5873 18,6 16,7 16,7 17,0 1,6 0,7

6 5,5 7,2 5,9 5,1 6,0 5,9 0,8 0,4

7 36,4 37,0 35,7 37,0 37,6 36,7 0,7 0,3

Таблица 2

Номер реперной метки Измеренные значения положения смещений (дистанция) реперной метки (рихтовка), мм

1 серия 2 серия 3 серия 4 серия 5 серия Средние значения, мм СКО случайно й составля ющей основной погрешно сти, мм СКО среднего значения случайно й составля ющей основной погрешно сти, мм

1. ь Ь ц и А 8 кн *н

1 2806 2802 2803 2805 2791 2801 6 3

2 3156 3161 3155 3161 3161 3159 3 1

3 3240 3232 3227 3228 3241 3234 7 3

4 3069 3059 3064 3064 3062 3064 4 2

5 2750 2755 2751 2752 2752 2752 2 1

6 2739 2739 2743 2739 2740 2740 2 1

7 3004 2997 3004 2997 3001 3001 4 2

Таблица 3

Номер реперной метки Измеренные значения положения по уровню, град.угл.

1 серия 2 серия 3 серия 4 серия 5 серия Средние значения, град, у гл. СКО случайно й составля ющей основной погрешно сти, град.угл. СКО среднего значения случайной составляющ ей основной погрешност и, град.угл

а. а2 а3 а4 а5 А 5 Ал ?[д]

1 1,31 1,39 1,26 1,32 1,32 1,32 0,05 0,02

2 1,18 1,19 1,25 1,17 1,21 1,20 0,03 0,01

3 0,92 0,92 0,92 0,88 0,89 0,91 0,02 0,01

4 0,37 0,35 0,33 0,29 0,35 0,34 0,03 0,01

5 -0,42 -0,50 -0,42 -0,46 -0,46 -0,45 0,03 0,01

6 -0,44 -0,40 -0,43 -0,44 -0,43 -0,43 0,02 0,01

7 -0,43 -0,43 -0,44 -0,42 -0,41 -0,43 0,01 0,01

Таблица 1 Испытания «ОЭССРМ №0801» на территории ПЧМ Тосно

Номер реперной метки Измеренные значения положения смещений реперной метки (выправка), мм

1 серия 2 серия 3 серия 4 серия 5 серия Средние значения, мм СКО случайной составляющей погрешности, мм

У1 У2 Уз У4 У5 А 5 к

1 -44,9 -45,9 -43,2 -43,6 -43,7 -44,3 1,1

2 -138,5 -135,5 -134,8 -136,9 -135,9 -136,3 1,2

3 -44,3 -42,3 -41,7 -42,6 -41,7 -42,5 1,0

4 -101,6 -101,9 -102,3 -102,4 -103,9 -102,4 0,9

5 -145,3 -143,7 -143,2 -146,0 -144,4 -144,5 1,0

6 -79,6 -77,2 -79,2 -78,4 -79,0 -78,7 0,9

7 -79,3 -81,2 -79,9 -78,4 -78,6 -79,5 1,1

Таблица 2 Испытания «ОЭССРМ №0801» на территории ПЧМ Тосно

Номер реперной метки Измеренные значения положения смещений (дистанция) реперной метки (рихтовка), мм

1 серия 2 серия 3 серия 4 серия 5 серия Средни е значения, мм СКО случайной составляющей погрешности, мм

21 гз та А 8 Д/,

1 3100,2 3098,2 3100,2 3099,8 3099,9 3099,7 0,8

2 2686,0 2687,6 2686,7 2688,5 2687,9 2687,3 1,0

3 3684,1 3683,3 3682,9 3684,2 3684,4 3683,8 0,6

4 3651,4 3654,8 3653,0 3652,5 3651,7 3652,7 1,3

5 3233,4 3233,8 3234,1 3233,9 3233,5 3233,7 0,3

6 2973,4 2974,9 2973,4 2973,2 2974,7 2973,9 0,8

7 3527,6 3528,9 3528,0 3530,6 3530,3 3529,1 1,3

Таблица 3 Испытания «ОЭССРМ №0801» на территории ПЧМ Тосно

Номер репер-ной метки Измеренные значения положения по уровню, град.угл.

1 серия 2 серия 3 серия 4 серия 5 серия Средние значения, град.угл СКО случайной составляющей погрешности, град.угл

а! а2 а3 оц а5 А £ ЛА

1 -0,66 -0,67 -0,68 -0,70 -0,72 -0,69 0,03

2 -0,81 -0,81 -0,86 -0,82 -0,82 -0,82 0,02

3 -0,71 -0,74 -0,68 -0,78 -0,74 -0,73 0,04

4 -0,69 -0,61 -0,69 -0,61 -0,69 -0,66 0,04

5 -0,68 -0,67 -0,72 -0,61 -0,68 -0,67 0,04

6 -0,70 -0,79 -0,74 -0,68 -0,71 -0,72 0,04

7 -0,74 -0,80 -0,78 -0,73 -0,82 -0,77 0,04

Таблица 4

Показатель АКПП Норма тив для У=200 км/ч

2 3 4

1. Отклонение в плане от проектного значения стрелы в кривых и на прямых участках, измеренное в середине 20-ти метровой хорды через 10 м, не более ..., мм. 0,1*±1,8 ±4

2. Отклонение в плане от проектного значения стрелы в кривых и на прямых участках, измеренное в середине 50-ти метровой хорды через 25 м, не более ..., мм. -0,64±3,6 ±22

3. Разность смежных стрел изгиба в плане в середине 20-ти метровой хорды через 10 м в кривых и на прямых участках, не более ... , мм. 0,0±1,9 ±4

4. Вертикальная стрела в продольном профиле, измеренная в середине 10-ти метровой хорды, не более ..., мм. -0,2±1,7 ±5

5. Отклонение от норм по уровню не должно превышать, ..., мм 4,8±1.6 ±2

6. Допустимые перекосы, ..., мм на один м 0,0±0,5 ±1

7. Максимальное значение погрешности измерения оптико-электронной системы считывания реперных меток (ОЭССРМ) в горизонтальной плоскости, ..., мм 0,9 ***

8. Максимальное значение погрешности измерения оптико-электронной системы считывания реперных меток (ОЭССРМ) в вертикальной плоскости, ..., мм 0,8 ***