Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
РЯБИЧЕНКО РОМАН БОРИСОВИЧ
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ МЕТРОПОЛИТЕНА
Специальность: 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (технические наук
и) (промышленность)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный университет путей сообщения (МГУПС (МИИТ)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Воронин Николай Николаевич Научный консультант: доктор технических наук, с.н.с.
Сас Анатолий Васильевич
Официальные оппоненты:
Моисеенко Анатолий Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры Информационно-измерительные системы Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина Коваленко Николай Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры Путь и путевое хозяйство Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный университет путей сообщения (МГУПС (МИИТ)
Ведущая организация: Открытое акционерное общество Научноисследовательский институт транспортного строительства (ОАО ЦНИИС)
Защита состоится л20 декабря 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.200.09 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждения высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина По адресу: 119991, г. Москва, Ленинский пр., 65, корпус 1, ауд. № 2
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина Автореферат разослан л20 ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Д.Н. Великанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы Московский метрополитен - один из самых загруженных в мире. Длина путей - более 300 км, объем перевозок - более 9 млн. чел в день, интервал движения между поездами в часы-пик - менее 1 мин. Одним из важнейших параметров, влияющих на движение поездов, является состояние рельсовой колеи, которое в значительной степени определяет как безопасность движения, так и максимальную скорость поездов.
Анализ характеристик измерительных средств, используемых на метрополитене, показал что:
скорость движения путеизмерителя существенно ниже скорости движения поездов, что снижает пропускную способность метрополитена;
точность измерений путеизмерительной станции не удовлетворяет требованиям для обеспечения безопасности при современной интенсивности движения;
путеизмерительная станция не производит измерения вертикального и бокового износа рельсов, а также положения контактного рельса;
обработка информации в реальном масштабе времени не производится, что не позволяет в режиме реального времени принимать решения, влияющие на безопасность движения поездов.
Одним из путей устранения вышеуказанных недостатков является разработка путеизмерительных станций на основе оптоэлектронных информационноизмерительных систем, опытные образцы которых эксплуатируются на магистральных железных дорогах в США. Данные о разработке таких систем для метрополитенов отсутствуют. К сожалению, информационно-измерительные системы, разработанные для магистрального железнодорожного транспорта требуют значительной адаптации. Кроме того существуют инженерно-технические ограничения для метрополитена: габариты вагонов, объем подвагонного пространства и другие ограничения.
Автор с 1998 года, с учётом проблемы безопасности движения на высоких скоростях, занимается разработкой оптоэлектронной информационноизмерительной системы, измеряющей все необходимые параметры рельсовой колеи:
боковой и вертикальный износы рельсов, просадки, ширину колеи, уровень, скорость и пройденное расстояние, положение контактного рельса.
Таким образом, настоящая работа по разработке информационноизмерительной системы контроля параметров рельсовой колеи с использованием оптоэлектронных измерительных средств, позволяющих проводить контроль в любое время, в условиях возрастающих пассажиропотоков и скоростей движения поездов, без нарушения графика их графика следования, является актуальной задачей.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается серией научноисследовательских работ, выполненных c участием автора по заказу ОАО Московский комитет по науке и технологиям и Московского метрополитена.
В связи с этим настоящая работа посвящена разработке информационноизмерительной системы контроля параметров рельсовой колеи метрополитена.
Цель работы Цель работы заключается в разработке оптоэлектронной информационноизмерительной системы контроля основных параметров рельсовой колеи метрополитена: ширины колеи, просадок, бокового и вертикального износов рельсов, обеспечивающей:
1. автоматизированную обработку результатов измерений в реальном масштабе времени;
2. анализ результатов и принятие решений о техническом состоянии перегона, а именно установки ограничений скорости движения поездов, сроках ремонта и необходимости его закрытия.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:
1. Разработать структурную и функциональную схему информационноизмерительной системы, включающей подсистемы контроля бокового и вертикального износов, просадки и ширины рельсовой колеи.
2. Разработать математическую модель восстановления изображения профиля рельса, искаженного вследствие малого объема подвагонного пространства.
3. Разработать техническое устройство, позволяющее реализовать математическую модель восстановления искаженного профиля рельса с заданной точностью.
4. Разработать автоматизированную систему принятия решений о техническом состоянии перегона, а именно установки ограничений скорости движения поездов, сроках ремонта или необходимости его закрытия.
Научная новизна 1. Разработана оптоэлектронная информационно-измерительная система контроля параметров рельсовой колеи (просадок, ширины, бокового и вертикального износа), учитывающая линейные и нелинейные искажения оптоэлектронных устройств в условиях малого объема подвагонного пространства.
2. Разработаны математическая модель пересчета координат искаженного изображения профиля рельса в его реальное (ортогональное) изображение с использованием многомерных аппроксимационных полиномов.
3. Для обеспечения требуемой точности и идентификации параметров математической модели аппроксимации координат изображения создан калибровочный стенд, позволяющий осуществлять работы по настройке и юстировке оптоэлектронной информационно-измерительной аппаратуры в лабораторных условиях.
4. Создана автоматизированная система принятия решений о техническом состоянии перегона, а именно установки ограничений скорости движения поездов, необходимости его закрытия и сроках ремонта.
Практическая значимость и внедрение результатов работы 1. Проведенные исследования позволили разработать и создать основу для внедрения оптоэлектронной информационно-измерительной системы контроля параметров рельсовой колеи, обеспечивающую повышение точности получаемых значений в 3-раз, позволяющую проводить измерения на скоростях до 90 км/ч и обеспечивающую автоматизацию процесса обработки данных в реальном масштабе времени.
2. Опытный образец информационно-измерительной системы контроля параметров рельсовой колеи (ширины, просадок, вертикального и бокового износа рельсов) с применением оптоэлектронных измерительных средств, обеспечивающий заданную точность измерений был разработан при непосредственном участии автора и опробован на Московском метрополитене.
3. Разработанные автором математические модели, алгоритмы и программы могут явиться основой для проектирования информационно-измерительных систем контроля протяженных объектов, в том числе рельсовой колеи.
Апробация работы Содержание отдельных разделов и всей диссертации в целом было доложено и одобрено на следующих конференциях, семинарах и выставках: Лазеры в науке, технике, медицине, г. Сочи, 1998 г.; Неделя науки 1998, г. Москва, МИИТ, 19г.; I и II международные конференции Photonics for transportation, г. Прага, Чешская республика, 1999 г., г. Сочи, 2001 г.; IX международной конференции международная конференция Распознавание 99, г. Курск, 1999 г.; международные конференции Молодежь и наука, г. Москва, МИФИ, 1999 г. и 2000 г.; выставкиярмарки ЭКСПОЖД, г. Москва, 2000 и 2001 г.; конференция Ресурсосберегающие технологи на железнодорожном транспорте, г. Москва, МИИТ, 2000 г.; конференция Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении, г. Ростов-на-Дону, 2001 г, 1-я международная конференция Smart imagers and their applications, 2004 г. (Софрино, Россия); 26-я международная конференция High-Speed Photography and Photonics, г. Александрия, штат Вирджиния, США, 2004; международная конференция Optics and Photonics, Сан-Диего, штат Калифорния, США, 2004, 2005, 2006, 2007.
Защищаемые положения 1. Оптоэлектронная информационно-измерительная система контроля параметров рельсовой колеи метрополитена: структура и подсистемы.
2. Информационные модели оптоэлектронного метода измерений, учитывающие пространственные линейные и нелинейные искажения оптической системы.
3. Методы оптической калибровки оптоэлектронной системы.
4. Алгоритмическое и программное обеспечение для определения параметров рельсовой колеи.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 cтатьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК России, 6 статей в зарубежных изданиях.
Объем и структура работы Диссертация содержит 152 страниц печатного текста (включая приложения), 59 рисунков, 19 таблиц, библиографию, включающую 98 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Сформулирована цель и задачи исследования, дана оценка научной новизны и практической ценности работы. Приведены сведения об ее апробации.
Первая глава посвящена вопросам анализа технических средств измерения состояния рельсовой колеи метрополитена. Оценка состояния рельсовой колеи метрополитена осуществляется по совокупности состояния следующих характеристик:
ширина колеи, просадка, вертикальный и боковой износы рельса, уровень, положение контактного рельса.
Для контроля состояния пути Московского метрополитена используется путеизмерительная станция, которая производит измерения при помощи контактных механических датчиков с точностью 3-5 мм. Данные о проезде расшифровываются в течение нескольких часов. Рекомендации по ограничению скорости движения рассчитываются вручную на основе результатов проезда, т.е. применяемая в настоящее время путеизмерительная станция Московского метрополитена не является в полной мере информационно-измерительной системой.
Как показал анализ, указанные недостатки устраняются с помощью применения оптоэлектронных информационно-измерительных систем.
Анализ измерительных датчиков на существующей путеизмерительной станции показал, что необходимо разработать новые, позволяющие вести обработку поступающих данных в цифровом виде и работающие на иных принципах. Существующие контактные механические датчики, не позволяющие получить цифровой сигнал, которые применяются для определения ширины колеи, просадок, скорости и уровня не обладают достаточной точностью. Также, необходимо разработать и ввести в систему новые датчики для определения износа рельса и положения контактного рельса.
Использование прецизионных контактных датчиков позволяет определять параметры рельсовой колеи с достаточной точностью, но на недостаточных скоростях и, кроме того, для измерения каждого параметра рельсовой колеи необходимо разрабатывать отдельный датчик. Обойти данные ограничения позволяет бесконтактный оптоэлектронный способ, который предоставляет информацию, дающую возможность определить сразу все параметры состояния рельсовой колеи.
Информационно-измерительные системы контроля параметров рельсовой колеи с использованием оптоэлектронных информационно-измерительных средств разрабатываются для магистрального железнодорожного транспорта. Опытные образцы созданы в таких странах, как США, Канаде, Австрии и России.
Перенос подобных систем напрямую на метрополитен невозможен, так как на магистральном железнодорожном транспорте отсутствует контактный рельс и для измерения его параметров следует разработать отдельную систему контроля. К сожалению в публикациях, сведений о технических решениях для систем на магистральном транспорте нет, кроме того существуют инженерно-технические ограничения для метрополитена: габариты вагонов, объем подвагонного пространства и другие.
Значительный научный вклад в развитие систем контроля пути на магистральном железнодорожном транспорте внесли отечественные и зарубежные ученые:
С.В. Архангельский, Е.С. Ашпиз, В.М. Бугаенко, Э.В. Воробьев, Б.Н. Зензинов, В.С.
ысюк, В.Ф. Тарабрин, Ж. Айзенман, Е. Виклер и др.
Большой вклад в развитие теоретических основ проектирования информационно-измерительных систем внесли отечественные и зарубежные ученые:
М.П. Цапенко, А.М. Мелик-Шахназаров, Е.Н. Браго, В.А. Шилин, Г.Х. Зарезанков, Г.П. Катыс, М.М. Мирошников, Л.Ф. Порфильев, Е.П. Чубаров, Ю.Г. Якушенков, В.С. Бойль, М. Борн, Е. Вольф, Г.Е. Смит, Г. Холст и другие.
Автор с 1998 года выполняет разработку оптоэлектронной информационноизмерительной системы для Московского метрополитена.
Анализ вышеизложенного позволил сформировать цели и задачи работы.
Во второй главе рассмотрены способы минимизации искажений изображений контролируемых объектов, получаемых в подвижных оптоэлектронных информационно-измерительных системах при контроле геометрических параметров протяжённых объектов, таких как железнодорожный путь, полотно автодороги, поверхность земли для уменьшения погрешности измерений. На основе анализа контролируемых параметров рельсовой колеи была разработана функциональная, а затем обобщенная структурная схема, приведенная на рис. 1.
Параметрами, подлежащими измерениями, для информационно-измерительной системы контроля параметров рельсовой колеи на московском метрополитене (рис.1) являются: боковой и вертикальный износы рельса и ширины колеи (датчики 1.1.1 - 1.1.4), просадка рельса (датчики 1.2.1 - 1.2.4), положение контактного рельса (датчик 1.3), скорость движения и пройденное расстояние (датчики 1.4.1 - 1.4.2), уровень рельсовой колеи (датчики 1.5.1 - 1.5.2). Сигналы после датчиков 1.1.1 - 1.1.4, 1.2.1 - 1.2.4, 1.3 анализируются на соответствующих цифровых компараторах 2.1.1 - 2.1.4, 2.2.1 - 2.2.4, 2.3 для отбрасывания незначащих сигналов. Далее сигналы объединяются посредством цифровых мультиплексоров 3.1 - 3.4 и обрабатываются блоками предварительной обработки 4.1 - 4.5. Через линии связи 5.1 - 5.5 данные передаются в бортовую ЭВМ 6.1. Конечными выходными параметрами являются указания по ограничению скорости движения, отображаемыми на дисплее 7.1 и сохраняемыми на жестком магнитном диске 7.2.
В информационно-измерительной системе параметры рельсовой колеи определялись в соответствии с действующей инструкцией.
Для определения геометрических параметров рельсовой колеи: бокового и вертикального износов, ширины колеи и положения контактного рельса хорошо применим оптоэлектронный метод лазерного профилирования, позволяющий комплексно с минимальным количеством датчиков и с достаточной точностью проводить измерения большого количества параметров.
В методе лазерного профилирования (рис. 2) на объекте измерения 1 при помощи щелевых лазеров 2 формируется световая линия 3, очерчивающая его поперечный профиль. Изображение профиля объекта воспринимается измерительными камерами 4, построенными на матричных приборах с зарядовой связью (ПЗС), и передаётся в устройство обработки изображения 5.
Для определения геометрических параметров рельса: износов и ширины рельсовой колеи требовалось получить ортогональное изображение поперечного сечения рельса. Однако для протяженного объекта, в частности, для рельса, камеры, невозможно расположить ортогонально к объекту. Так как камеры расположены к объекту под углом к оси рельса, получается фиксация ими неортогональной проекции (рис. 3), которую необходимо преобразовать в ортогональную (рис. 4).
Для пересчёта между системами координат возможно использование формул Эйлера для поворота плоскостей, однако, в них не учитываются нелинейные искажения, возникающие из-за малого расстояния от камер до объекта измерений (рис.
5).
Для минимизации возможных искажений, выбирался угол наклона матричной ПЗС к оптической оси объектива. Каждая из точек профиля измеряемого объекта - находится на разном расстоянии от оптического центра объектива - 4, что приводит к искривлению фокальной плоскости - 2 (рис. 5) и возникновению нелинейных искажений изображения. Для уменьшения таких искажений необходимо установить матричную ПЗС - 5 под определенным углом к оптической оси объектива - 3 в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема оптоэлектронной информационноизмерительной системы метрополитена Д ЖМД 7.7.CPU 6.ЛС ЛС ЛС ЛС ЛС 5.5.5.5.5.CP CP CP CP CP 4.4.4.4.4.MUX MUX MUX MUX n n n n 3.3.3.3....
...
2.2.2.M 2.1.2.2.2.1.M M M M...
...
1.1.2.1.5.1.5.1.2.1.4.1.4.1.1.1.1.Из рис.5 видно, что минимизировать искажения можно, расположив плоскость матричной ПЗС 5 таким образом, чтобы её отклонение от искривлённой фокальной плоскости 2 было мини2 мально. Данная задача была решена при помощи метода наименьших квадратов.
Точки искривленной фокальной плоскости 2 с координатами (хi, yi) фокусируются на различном расстоянии от заднего фокуса F. Координаты данных точек были определены по следующим Рис. 2 Схема оптоэлектронной инфор- формулам:
мационно-измерительной системы с использованием метода лазерного профилирования y'i F y'i x'i F yi ; xi , y'i F y'i x'i y'i F y'i x'i (1) где (x'i, y'i)- координаты реального профиля.
К полученному массиву координат была применена линейная аппроксимация методом наименьших квадратов. В результате получено уравнение:
n xi b yi )2 min, (2) (a k где a, b - коэффициенты аппроксимирующей прямой с по которым рассчитывается угол наклона матричной ПЗС к оптической оси.
Y ,мм X, мм Рис. 4 Ортогональное изображение Рис. 3 Образец видеосигнала с ПЗС-камеры очертания рельса (x'1,y'1) (xi,yi) F' F (x'i,y'i) с (x1,y1) Рис. 5 Искривление фокальной плоскости при близком расположении объекта к оптическому центру Таким образом, была решена задача минимизации погрешности измерений с помощью оптимизации параметров оптоэлектронной системы в условиях малого подвагонного пространства.
Для нахождения просадки рельсовой колеи необходимо найти расстояние от рамы вагона-путеизмерителя до рамы тележки, коЛазер Dторое определяется при помощи метода лаКамера Cзерной триангуляции (рис. 6).
O В методе лазерной триангуляции лазер формирует точку на объекте измерения, камеЛинейное ра, построенная на линейном ПЗС, восприниC фотоприёмное мает отраженный от поверхности луч. Миниустройство мальное расстояние до объекта - L принимаОбъектив ется за нулевое. Объект перемещается на расD Объект измерения стояние Z от точки C до точки D. Для метода лазерной триангуляции найдена зависимость Рис. 6 Схема оптоэлектронной инZ от X, позволяющая определять расстояформационно-измерительной систение до объекта:
мы с использованием метода лазерной триангуляции sin( )XOC Z .
sin( )X (3) OD1 sin()cos(arcsin cos()sin( )X OD1 где OD1 X2 OC1 2 X OC1 cos.
В результате исследований для оптоэлектронной информационноизмерительной системы, работающей по методу лазерного профилирования, дано определение точности , которую определяют разрешающая способность оптоэлектронной системы и линейные и нелинейные искажения, вносимые оптической системой, фотоприёмными и электронными блоками.
Несмотря на регулировку угла наклона матричной ПЗС, полностью избавиться от нелинейных искажений не удалось. Поэтому была разработана система пересчёта L Z X из системы координат камер в систему координат изображения фронтального профиля рельса (ортогональную систему координат).
Третья глава посвящена обеспечению точности определения параметров рельсовой колеи, для чего были решены следующие задачи:
Ц введена система опорных координат, которая позволяет однозначно идентифицировать местоположение в обеих системах координат;
Ц разработан калибровочный стенд позволяющий моделировать работу информационно-измерительной системы (ИИС) в лабораторных условиях;
Ц выполнена калибровка системы с помощью устройства для задания системы опорных координат (шаблона);
Ц разработана математическая модель, позволяющая выполнять пересчет между системами координат в любой точке изображения.
С помощью шаблона с опорными отверстиями, на лабораторном калибровочном стенде выполнялась привязка ортогональных координат (рис.7) и координат камер (рис.8).
Установка устройства для задания системы опорных координат невозможна в условиях депо. Для калибровки оптоэлектронной информационно-измерительной системы в лабораторных условиях был разработан лабораторный калибровочный стенд (рис. 9). Он позволяет регулировать углы камер и их расстояние до рельса. С помощью стенда была промоделирована работа информационно-измерительной системы в лабораторных условиях.
Y X Рис. 8 Изображение калибровочного Рис. 7 Калибровочный шаблон шаблона, получаемое на ПЗС-камере В качестве устройства для задания координат (шаблона) автором использовалась рентгеновская пленка с отверстиями диаметром 2 мм, которые располагались на взаимно параллельных линиях. Расстояние между центрами соседних отверстий равно - 10 мм. Экспериментальные исследования показали, что размер шаблона 270280 мм при количестве точек 2627 покрывает всё поле зрения камеры.
Шаблон помещался в плоскость зрения камер вместо рельса на лабораторном калибровочном стенде (рис. 9). Размещение шаблона полностью совпадало с плоскостью рельса.
При этом в камерах получалось искажённое изображение шаблона (рис.8), вместо искаженного профиля рельса (рис.3).
Отверстия шаблона использовались в качестве координатной сетки в системе координат (X, Y). Левое нижнее отверстие принималось за начало координат (0, 0). Нижняя горизонтальная линия - это ось X, крайняя левая вертикальная линия - ось Y. Таким образом, однозначно определялась координата любого отверстия на шаблоне (рис. 7).
Автором были разработаны алгоритмы и написано программное обеспечение, выполняющее пересчёт между точками шаблона в системе координат камер (рис.8) и ортогональной системой координат (рис.7).
Для определения координат в любой точке изображения, на основе полученных данных пеРис. 9 Лабораторный ресчёта (два массива с координатами точек шабкалибровочный стенд лона в системах (, ) и (X, Y), разработана аппроксимационная модель для перевода любой координаты из системы (, ) в систему (X, Y).
Аппроксимация производилась полиномом f(, )=fk(, ) степени g, где k - число линейно-независимых функций, входящих в полином данного порядка. Для g=3, k=0...9, т.е. аппроксимирующий полином записывается в виде:
f(, )=A01+A1+A2+A32+A4+A52+ +A63+A72+A82+A93, (4) где А0...А9 коэффициенты при членах полинома.
Отклонение (погрешность) функции f(, ) от аппроксимирующей поверхности координат X составляет:
nx (A fk (i,i ) xi ) xk (5) i k Аналогично для аппроксимирующей поверхности координат Y:
ny fk (i,i ) yi ) (Ayk. (6) i k В итоге автором получены две системы из n уравнений:
n1 m1 mAxk fk (i,i ) fl (i,i ) fl (i,i )) ; (7) (xi k0 i0 in1 m1 mAyk fk (i,i ) fl (i,i ) (y fl (i,i )). (8) i k0 i0 iРешая линейные системы уравнений (7, 8), нами были найдены вектора коэффициентов аппроксимации Ax и Ay.
Искомые координаты x и y найдены по формулам:
X (,) Y(,) A f (,,k) ; A f (,,k) (9) xk yk k k Полученные автором зависимости легли в основу разработки алгоритмов и программного обеспечения для перевода изображения рельса из искаженной системы координат камеры (, ) в ортогональную систему координат рельса(X, Y).
Боковой и вертикальный износы, а также ширина колеи определялись на основании изображения фронтального профиля рельса. Использование математической модели (9) позволяет получить две половины восстановленных изображений для каждой рельсовой нити, которые затем объединялись в целое (рис.10). Переход между шейкой и основанием рельса не изнашивается и является по форме описанной дугой - rл, rп. Для соединения половин ортогональных изображений рельса в единое изображение фронтального профиля рельса, была разработана методика, позволяющая определить центры описанных дуг между шейкой и подошвой рельса Ол и Оп для правой и левой его половины (рис. 11), определить координаты центра шейки рельса Оц и координаты верхней точки уровня головки рельса Ог.р..
Это позволило восстановить очертание поперечного сечения рельса в месте измерения и определить параметры рельсовой колеи. Вертикальный износ определяется как разность высоты рельса по паспорту пути и высоты рельса в месте измерения (рис. 11). Ранее данный параметр при помощи автоматизированных измерительных средств не определялся.
Ширина колеи (Lш.к.) - это расстояние между точками на поверхности качения Ол и Оп, образованными пересечением с горизонтальными линиями, отложенными на расстоянии r=13 мм от уровня головки рельса (рис. 12). Данный параметр геометрии рельсовой колеи также определяется из восстановленного изображения поперечного сечения рельса.
Боковой износ (hб) - это расстояние от крайней точки поверхности качения колеса (О4) до точки на поверхности качения (О3), образуемой пересечением с горизонтальной линией (точка О2), отложенной на расстоянии r=13 мм от уровня головки рельса (точка О1). Данный параметр геометрии рельсовой колеи определялся из восстановленного изображения поперечного сечения рельса (рис. 13).
Таким образом, впервые решена задача определения износов с помощью информационно-измерительной системы.
Для измерения просадок рельсовой колеи применялась отдельная подсистема, работающая на принципе лазерной триангуляции. Просадкой рельсовой колеи является полуразность расстояний между рамой путеизмерительного вагона и рамой ходовой тележки на принятой измерительной базе L=2100 мм для каждой рельсовой нити отдельно.
Задача определения расстояния решалась с помощью оптоэлектронного метода лазерной триангуляции, с использованием исследований, проведенных в главе 2.
В зависимости от номера засвеченного фоточувствительного элемента определялось расстояние от излучателя до отражающей пластины. Экспериментально определить данную зависимость позволила калибровка системы. По полученным данным определяется значение просадки рельсовой колеи. Проведено сравнение расчетов по формуле (3) и результатов калибровки. Проведённая верификация показала соответствие расчётных и экспериментальных данных, что говорит о возможности использования данной методики при разработке аппаратуры и использовании полученных результатов для определения просадок рельсовой колеи с необходимой точностью.
Yл, мм Yп, мм Oл Oп rл rп 0 Xл, мм Xп, мм Рис. 10 Соединение восстановленных ортогональных изображений левой и правой половин восстановленного рельса в единое целое Y, мм Oг.р.
Oл Oп Oц X, мм Рис. 11 Определение вертикального износа рельса Yп, мм Yл, мм Lш.к.
Oп Oл Xл, мм 0 Xп, мм Рис. 12 Определение ширины рельсовой колеи ООООhб Рис. 13 Определение бокового износа рельса Четвертая глава посвящена реализации теоретических и технических результатов исследований при построении оптоэлектронной информационноизмерительной системы контроля параметров рельсовой колеи.
Макетные испытания отдельных функциональных блоков и элементов позволили создать опытный образец оптоэлектронной информационно-измерительной системы контроля параметров рельсовой колеи (ОЭИИСКПРК) для Московского метрополитена. Система состоит (рис.14) из подсистемы измерения ширины, бокового и вертикального износа рельсовой колеи (ПИШИРК); подсистемы измерения просадок (ПИП); подсистемы измерения пройденного расстояния, уровня и скорости (ПИРУС); подсистемы контроля положения контактного рельса (ПКПКР). Автор принимал участие в технической реализации подсистемы измерения ширины, бокового и вертикального износа рельсовой колеи (ПИШИРК) и подсистемы измерения просадок (ПИП).
r r r ОЭИИСКПРК ПИШИРК ПИП ПИРУС ПКПКР Рис. 14 Состав ОЭИИСКПРК Подсистема измерения вертикального, бокового износа и ширины колеи (ПИШИРК), состоит из двух оптоэлектронных измерительных блоков (ОИБ) и блока предварительной обработки (БПО). Данные блоки разработаны на основе теоретических исследований по минимизации искажений оптической системы с использованием формул (2), (3), (4), приведенных в главе 2. Каждый ОИБ состоит из двух камер и двух лазерных излучателей. Бортовая ЭВМ и БПО устанавливаются в салоне путеизмерителя на рабочем месте оператора. ОИБы помещаются под вагоном и крепятся на специально разработанную поперечную металлическую балку, установленную на продольную балку рамы тележки вагона.
Подсистема измерения просадок рельсовой колеи (ПИП) состоит из четырёх оптоэлектронных измерительных блоков определения просадок (ОИБОП), четырёх металлических отражателей и блока коммутации (БК). БК подключается к бортовой ЭВМ. Бортовая ЭВМ и БК помещаются в салоне путеизмерителя на рабочем месте оператора. ОИБОП устанавливаются на раму тележки путеизмерительного вагона (рис. 15).
Рис. 15. Размещение оптоэлектронных изПутеизмерительный вагон мерительных блоков определения просадок на путеизмерительном вагоне:
1. блок 1 (блок 3 - для второй рельсовой нити); 2. блок 2 (блок 4 - для второй рельсовой нити); 3. отражатели; 4. колеса; 5.
L рельс; H1- расстояние от блока 1 или блока HH3 до отражателя; H2- расстояние от блока или блока 4 до отражателя Для нахождения значения просадок для каждой рельсовой нити используются два блока ОИБОП, каждый из которых вычисляет значение расстояния до отражающей пластины. Полуразность полученных расстояний - это и есть значение просадки рельсовой колеи. Поэтому, фактически, нахождение значения просадки сводится к определению расстояния от излучателя до отражающей пластины на каждом блоке ОИБОП.
При помощи программного обеспечения для ОЭИИСКПРК, разработанного автором, осуществляется обработка данных с подсистем ПИШИРК и ПИП, их протоколирование и вывод на экран дисплея в графическом (привычном для работников службы пути) и цифровом виде (рис. 16). Данные о пройденном расстоянии и скорости берутся из систем, установленных в путеизмерителе. В соответствии с инструкцией, обрабатывались и выводились на дисплей следующие данные: графики скорости, уровня, пикетоотметчиков, ширины колеи, высоты правого и левого рельсов, износа головок правого и левого рельсов.
Посредством программного обеспечения в ходе проезда принимаются решения о штрафных баллах, начисляемых за состояние каждого пройденного километра пути. В соответствии с бальностью пути, информационно-измерительная система выдаёт оператору рекомендации по ограничению скорости движения поездов на измеряемом участке.
Вертикальный Боковой Ширина Просадка Скорость Расстояние износ износ Левый Правый Левый Правый Левый Правый км 5.5.5.5.5.5.5 км 65.1 км/ч 652 м 1527.7 147.7 145.1.2 мм 1.4 мм 7.2 мм 1.1 мм 30 см мм мм мм Рис. 16 Результаты работы программы обработки результатов вычислений ОЭИИСКПРК Принятие данных решений в процессе движения путеизмерительной станции существенно снижает возможность сходов поездов и возможность возникновения аварийных ситуаций, приводящих к перерывам движения.
Для проведения испытаний ОЭИИСКПРК была разработана и утверждена программа испытаний, которая включала в себя: испытания при условии воздействия электромагнитных помех в условиях электродепо, на парковых путях и главных путах при естественном и дополнительном освещении пути; контроль работоспособности при питании от стационарной сети и аккумуляторной батареи путеизмерительной станции; контроль работоспособности при движении путеизмерительной станции на скоростях, определяемых комиссией по испытаниям; проверка работоспособности программного обеспечения по вводу изображения в бортовую ЭВМ, его последующей обработке и вычислению результатов.
Для системы ОЭИИСКПРК были проведены испытания: опытные с выходом состава на парковые пути в электродепо "Новогиреево"; натурные испытания на путеизмерительной станции при рабочей поездке поезда-путеизмерителя по маршруту депо "Новогиреево" - ст. Третьяковская - оборот - ст. Третьяковская - депо "Новогиреево", в которых автор принимал участие.
Сравнение результатов испытаний с результатами, полученными с помощью контактных систем путеизмерителей показало соответствии точности измерений техническому заданию Службы пути Московского метрополитена. Дополнительно были определены высота и боковой износ головок для левого и правого рельсов.
Проведённые испытания показали, что изготовленный опытный образец и программное обеспечение соответствуют техническому заданию, комплексная система измерений параметров рельсовой колеи сможет работать в реальных условиях эксплуатации Московского метрополитена.
Основные результаты и выводы по работе На основании выполненных исследований получены следующие результаты и выводы.
1. Проведенный анализ технических средств измерения параметров рельсовой колеи показал, что обеспечение заданной точности контроля на максимальных скоростях движения поездов метрополитена возможно только с помощью оптоэлектронных информационно-измерительных систем, которые позволяют определять ширину, боковой и вертикальный износы рельсовой колеи с помощью метода лазерного профилирования, а просадку рельсовой колеи с помощью метода лазерной триангуляции.
2. Разработан метод восстановления профиля рельса, искаженного вследствие малого объема подвагонного пространства, с помощью математических моделей, использующих многомерные аппроксимационные полиномы.
3. Для реализации метода восстановления искаженного изображения профиля рельса разработаны опорный шаблон, помещаемый в плоскость профиля рельса, и калибровочный стенд, позволяющий регулировать настройки системы в лабораторных условиях.
4. Разработана оптоэлектронная информационно-измерительная система контроля параметров рельсовой колеи, включающая подсистемы: определения ширины колеи, вертикального и бокового износов; определения просадок рельсовой колеи; определения положения контактного рельса; определения скорости, уровня рельсовой колеи и пройденного расстояния. Данная система позволяет контролировать параметры рельсовой колеи с требуемой точностью и выявлять дефектные участки пути для оперативного и обоснованного решения о дальнейшей эксплуатации данного участка или о сроках его ремонта.
5. Проведенные в реальных условиях эксплуатации Московского метрополитена натурные испытания разработанной оптоэлектронной информационноизмерительной системы подтвердили то, что система обеспечивает требуемую точность измерений и формирует рекомендации по ограничению скорости движения на дефектных участках пути и может работать практически без нарушений графика движения поездов.
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах.
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК России:
1. Рябиченко, Р.Б. Оптоэлектронные измерения геометрических параметров нефтегазотранспортных систем [Текст] / Р.Б. Рябиченко, А.В. Сас, Н.Н. Воронин // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. - №1/266. - С.86Ц94. - (0,47 п.л.).
2. Рябиченко, Р.Б., Контроль параметров рельсовой колеи метрополитена с использованием фотонных измерительных средств [Текст] / Р.Б. Рябиченко, Н.Н. Воронин // Контроль и диагностика. - М.: Машиностроение, 2007. - №9. - С.71Ц73. - (0,п.л.).
3. Рябиченко, Р.Б. Калибровка фотонной измерительной аппаратуры контроля рельсовой колеи [Текст] / Рябиченко Р.Б., Федосов В.Д., Попов Д.В. // Мир транспорта.Ц М.: МИИТ, 2003. - №3. - (0,12 п.л.).
Научные статьи и доклады на научных конференциях:
1. Ryabichenko, Roman. Evaluation techniques of accuracy characteristics for noncontact photonic track inspection system [Текст] / Roman Ryabichenko, Elena Krivosheina, Dmitry Popov // Smart imagers and their applications. - Sofrino.: SPIE, 2005. - Vol. 5944. - P.138Ц146. - (0,47 п.л.).
2. Raybichenko, Roman. The outlook of innovative optical-electronic technologies implementation in transportation [Текст] / Roman Raybichenko, Elena Shilina // Smart imagers and their applications. - Sofrino.: SPIE, 2005. - Vol. 5944. - P.124Ц130. - (0,п.л.).
3. Ryabichenko, Roman. Calibration of the CCD photonic measuring system for railway inspection [Текст] / Roman Ryabichenko, Elena Krivosheina, Dmitry Popov // Optics and Photonics 2005. - San Diego, CA, USA.: SPIE, 2005. - Vol. 5920. - P.65-73. - (0,47 п.л.).
4. Ryabichenko, Roman. High-speed imaging and processing for rail track inspection [Текст] / Roman Ryabichenko, Dmitry Popov // 26th International Congress on HighSpeed Photography and Photonics. - Alexandria, VA, USA.: SPIE, 2004. - Vol.
5580. - P.54Ц62. - (0,47 п.л.).
5. Ryabichenko, Roman. Photonic subsystem for rail track hollows measurement [Текст] / Roman Ryabichenko, Igor Kashlakov, Alexei Yakushev // Photonics for transportation II.
Ц Sochi.: SPIE, 2001. - Vol. 4761 - P.45-54. - P.54Ц62. - (0,52 п.л.).
6. Оптико-электронная система измерения просадок рельсовой колеи [Текст] / Р.Б Рябиченко, С.Ф. Кабов, И.Д. Кашлаков, С.В. Попов // Конференция Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. - М.: МИИТ, 2001. - С. V23-V-25. - (0,12 п.л.).
7. Рябиченко, Р.Б. Применение бесконтактных фотонных систем для комплексного измерения параметров рельсовой колеи [Текст] / Р.Б. Рябиченко // Конференция Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении. - Ростов-на-Дону: Изд-во РГУПС, 2000. - С.17-22. - (0,п.л.).
8. Рябиченко, Р.Б. Программно-алгоритмическое обеспечение для распознавания эталонных точек на калибровочном шаблоне фотонных измерительных систем [Текст] / Р.Б. Рябиченко // Научная сессия МИФИ-2000, конференция Молодежь и наука. - М.: МИФИ, 2000. - Том. 13. - С.72-75. - (0,17 п.л.).
9. Рябиченко, Р.Б. Распознавание узловых точек эталона для калибровки изображений рельса в фотонной системе [Текст] / Р.Б. Рябиченко // IX Международная научно-техническая конференция Лазеры в науке, технике, медицине. - Сочи, 1999. - С.173-177. - (0,23 п.л.).
10. Ryabichenko, Roman. CCD photonic system for rail width measurement [Текст] / Roman Ryabichenko, Sergey Popov, Olga Smoleva // Photonics for Transportation. - Prague.: SPIE, 1999. - Vol. 3901. - P.37-43. - (0,35 п.л.).
11. Математические модели определения параметров рельса [Текст] / Р.Б.
Рябиченко, В.А. Шилин, Д.В. Попов, О.С. Смолева // Сборник докладов конференции Неделя науки. - М.: МИИТ, 1998. - С. V-20ЦV-21. - (0,1 п.л.).
12. Рябиченко, Р.Б. Фотонная система контроля рельсовой ширины [Текст] / Р.Б. Рябиченко // IX Международная научно-техническая конференция Лазеры в науке, технике, медицине. - Сочи, 1998. - С.132-134. - (0,15 п.л.).
РЯБИЧЕНКО РОМАН БОРИСОВИЧ РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ МЕТРОПОЛИТЕНА Специальность: 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Сдано в набор Подписано к печати.
Формат бумаги 60x80 1/16.Объем 1 п.л. Заказ Тираж 100.
Типография РАПС, Москва, Октябрьский пер., д. 7.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям