автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация контроля геометрических параметров реконструируемых автомобильных дорог

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ^/г^ЩИ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Суворова Елена Петровна

Автоматизация контроля геометрических параметров реконструируемых автомобильных дорог

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Воробьев В.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Васьковскнй A.M.

кандидат технических наук, ст. научн. сотрудник Ван A.B.

Ведущая организация - АО ЦНИИОМТП

Зашита состоится « /0» г. в часов на

аседании диссертационного совета Д 053.30.07 при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829, ГПС А-47, Москва, Ленинградский пр., д. 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ТУ).

Автореферат разослан « ^ » д^^М7 1998 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Недооценка роли автомобильных дорог в прошлом, финансирование дорожного хозяйства по остаточному принципу привели к недостаточной дорожной сети России и ее запущенности. В результате более 70% протяженности дорог обшего пользования не отвечают современным требованиям.

Федеральная целевая программа совершенствования и развития автомобильных дорог "Дороги России" определила главные направления инвестирования дорожного хозяйства на период 19952000 гг. В основу этих направлений положена стратегия удовлетворения первоочередного спроса пользователей автомобильных дорог. В ней можно выделить два главных блока: » Развитие сети дорог; • Улучшение существующей сети.

В качестве приоритетного выступает второй блок. Так по результатам диагностики федеральной сети в 1996 г. установлено, что больше половины (52%) протяженности дорог имеют недостаточную прочность дорожной одежды, более трети (39%) не обладают удовлетворительным сцеплением, 23% не имеют требуемой ровности покрытия и 10% практически исчерпали свою пропускную способность. В итоге почти 28 тыс. км дорог нуждаются в ремонте и более 4 тыс. км - в реконструкции. Расчеты показывают, что для приведения этой сети дорог в состояние, отвечающее нормативным требованиям потребуется более 10 лет.

Для эффективного использования имеющихся ресурсов необходимо создать систему объективного оперативного количественного оценивания текущего состояния дорог на базе их цифровой модели, выявления участков наиболее нуждающихся в ремонте и реконструкции.

Поэтому создание автоматизированной системы сбора данных о геометрических характеристиках автомобильных дорог является актуальной народнохозяйственной задачей.

Цель работы.

Целью работы является создание эффективной автоматизированной системы оперативного измерения и анализа геометрических характеристик существующей сети автомобильных дорог, создание цифровой модели дороги для определения критических участков и наиболее эффективного использования имеющихся материальных ресурсов для их реконструкции и ремонта.

Для достижения поставленной цели необходимо:

• провести анализ геометрических характеристик автомобильных дорог, как объекта контроля, и существующих методов и систем сбора данных;

• разработать методы геометрического представления и математического описания полученной в результате измерений цифровой модели поверхности автомобильных дорог;

• разработать автоматизированную измерительную систему для идентификации положения подвижной платформы в пространстве при построения цифровой модели дороги и исследовать ее основные метрологические характеристики;

• синтезировать структуру и алгоритмы автоматизированной системы сбора и обработки данных о геометрических характеристиках автодорог.

Методы исследования

В работе использованы методы математической статистики и теории случайных процессов для описания процессов контроля геометрических характеристик автодорог.

При описании геометрических характеристик автомобильных дорог использованы методы описания сложных поверхностей, теория сплайнов, методы обработки изображений.

При исследовании разработанной автоматизированной системы контроля и отдельных ее элементов использовались методы имитационного моделирования.

- 5 -

При синтезе аппаратных средств и программного обеспечения автоматизированной системы использованы методы синтеза дискретных устройств, теория алгоритмов, теория автоматического управления.

К защите представляются

1. Автоматизированная измерительная система для определения положения подвижной платформы относительно системы координат привязанной к неподвижной базовой отметке. Структура и программный комплекс обработки собранных экспериментальных данных для построения цифровой модели дороги.

2. Концепция оперативного сбора и обработки данных о геометрических характеристиках автодорог с использованием распределенной автоматизированной системы контроля.

3. Пространственный датчик и его аналитическая модель, позволяющие идентифицировать положение подвижной платформы в пространстве.

4. Математические модели описания геометрических характеристик поверхности автодорог.

Научная новизна работы

В диссертации проведены теоретические и экспериментальные исследования в области использования современных автоматизированных информационных и геодезических технологий для решения задач оперативного контроля геометрических характеристиках автодорог, что позволило создать автоматизированную систему контроля. Научную новизну работы определяют:

1. Результаты исследований амплитудно-частотных характеристик основных геометрических параметров автомобильных дорог и методов их контроля.

2. Методика идентификации геометрических параметров автомобильной дороги на базе цифровой модели дороги и разработанные математические модели описания

- 6 -

поверхности покрытий автомобильных дорог на макро и микро уровнях.

3. Математическая модель динамики геометрических параметров автомобильной дороги и результаты ее идентификации. Результаты спектрального анализа геометрических параметров автомобильных дорог. Методика автоматизированного формирования запроса на выборку данных.

4. Метрологические исследования пространственного датчика положения подвижной платформы.

Практическая значимость работы

На основе теоретических, экспериментальных и прикладных исследований решена актуальная народнохозяйственная задача -создания автоматизированной системы сбора и обработки данных о геометрических характеристиках автодорог для наиболее эффективного использования имеющихся материальных ресурсов.

Разработанная концепция, принцип измерения положения подвижной платформы, методы и алгоритмы обработки данных принята для практического применения в ОАО Коршуновский ГОК, а так же используются в учебном процессе МАДИ (ТУ).

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш-й международной конференции "РАСПОЗНАВАНИЕ-97" ("Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации"), (Курск, 1997); 55, 56-ой научно-методической конференциях МАДИ (ТУ) (1997,1998 гг.).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи и 3 научно-технических отчета.

- 7 -

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, списка использованной литературы, приложений и содержит 153 страницы машинописного текста, 92 рисунка, 93 наименований библиографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель работы, определены задачи исследований, изложены научные и практические результаты выносимые на защиту.

Глава 1

Геометрические характеристики автодорог оказывают значительное влияние на уровень их безопасности. В первой главе проведен анализ основных геометрических параметров автомобильных дорог: продольный и поперечный профиль дороги, уклоны виражей,

< |

с

100000 10000 1090 100 10

од 0,01

-1-

л

од

Радиус кривых в вертикальной плоскости

Радиус кривых в плане

/

Расстояние видимости

Продольный профиль

Уклоны виражей

Поперечный профиль

11

I ■ ..-." .

I -(• -.. ■

Розность

1,0

10

100

1000 10000

ЧАСТОТА, км'

Рисунок 1. Области в пространстве {АМПЛИТУДА, ЧАСТОТА} геометрических параметров автомобильных дорог

радиусы кривых в плане и профиле, неровности. Рассматривались амплитуда и частота этих параметров, а так же требуемая точность контроля. Эти исследования позволили выделить области в пространстве амплитуда-частота геометрических параметров автодорог (Рисунок 1).

Анализ существующих методов и автоматизированных систем определения геометрических параметров с точки зрения амплитудно-частотных характеристик и точности контроля позволил выявить наиболее перспективное направление - использование пространственного детектора во взаимодействии с развернутым в плоскость лучом лазера. Перспективным является использование методов спутниковой навигации (GPS - системы), которые при высокой точности контроля обладают высокой производительностью и автономностью. Их серьезным недостатком является крайне высокая стоимость при требуемой точности.

Недостатком существующих систем является ограниченность контролируемых одновременно координат, что не позволяет опре-

- 9 -

делить положение подвижной платформы в пространстве.

Глава 2

Вторая глава посвящена геометрическим параметрам автомобильной дороги, как объекту автоматического контроля.

При выборе методов измерений геометрических параметров автомобильных дорог рассмотрены два варианта реализации измерительной системы: на базе лазерной плоскости и на базе космической навигационной системы с оптическим гироскопом. Из соображений практической реализуемости был выбран вариант с измерениями относительно системы координат, задаваемой разверткой лазерного луча в плоскость (Рисунок 2).

Анализ представленных данных (Рисунок 1) показал, что в пространстве амплитуда-частота геометрические параметры автомобильных дорог можно разделить на 2 группы:

Макронеровности. Частота параметра от 0,01 до 20 ООО мамплитуда от 0,02 до 70000 м. К ним относятся: продольный и поперечный профили дороги; уклоны виражей; радиусы кривых в плане и в вертикальной плоскости; расстояние видимости.

Рисунок 3. Фрагмент цифровой модели дороги Микронеровности. Перекрывают диапазон по частоте от 20*10? м"1 до 6*10б км1; по амплитуде от 0,01 до 0,2 м. К ним отно-

- 10 -

сятся только показатели ровности дороги.

Для обоснования структуры измерительной системы, набора контролируемых параметров, точности и частоты измерений исследованы методы описания геометрических параметров автомобильных дорог на основе полученной цифровой модели дороги (ЦМД). Среди них рассмотрены: модели описания макронеровностей (графические, аналитические, каркасные, кинематические и сплайн модели) и модели описания микронеровностей (параметрические модели случайных процессов, модели авторегрессии АР(1) и АР(2), методы спектрального анализа).

В качестве характерной модели описания макронеровностей рассмотрим математическую модель осевой линии трассы измерений. Базовой функции для аппроксимации выбран параметрический кубический сплайн, который представляет собой пространственную кривую самой низкой степени, допускающую точку изгиба. В качестве параметра естественным образом используется путь S по длине кривой.

Тогда модель осевой линии будут кубические сплайны вида:

(1)

где 5" е [0, jS1 J - отрезок пути для которого строится сплайн модель. Пусть s - точка /- го измерения по оси трассы. Определим кубический сплайн следующим образом:

P(s)=P.(s)=p. + q.s+и.s2 + v.s\ (2)

на отрезке ie[i.,î ].

Из условий непрерывности первой и второй производных для любого значения параметра 5е[0,5], а также равенств вида Р(5\)=/г., (i=0,l,...N-l), где h.- высота оси дороги в ¡- ой точке

пути. Доопределим систему уравнений условиями покоя измерительной платформы в начальной и конечной точке:

- и -

П0) = />о(0) = 0, 0. (3)

Что дает 12И линейных уравнений с 12И неизвестными, которые легко решаются методом Гаусса.

Аналогично может быть описано любое (продольное или поперечное) сечение дороги на имеющейся цифровой модели.

При идентификации микронеровностей автомобильной дороги естественен выбор статистического описания формы поверхности. Анализ экспериментальных данных показал, что ряд значений профиля дороги с минимальным интервалом измерений может быть эффективно представлен моделью авторегрессии первого порядка АР(1). В качестве модели процесса авторегресии применяется формирующий фильтр.

Для центрированного процесса модель ровности дороги в виде динамической модели авторегрессии порядка р - АР(р) будет иметь вид:

Р

ф?]=- ^а[к)4п-к] + и[п]. (4)

к=1

где значение процесса в координате П; а\к], -коэффи-

циенты модели; гф?] - входная возбуждающая последовательность - белый шум с нулевым математическим ожиданием и дисперсией И ;р - порядок модели авторегрессии АР(р).

Значения коэффициентов а[к] могут быть найдены из решения уравнения Юла-Уолкера:

1 ГххО) • • ^(р-1) а[1] Гхх(1)

ГххО) 1 • Гхх(Р-2) • X а[2] = гхх(2)

Гхх(Р~1) Гхх(р-2) • 1 а[р] Гхх(Р)

где г ,{т)~ значение автокорреляционной функции для сдвига т.

- 12 -

Проведенные исследования экспериментальных данных показали, что для ровности дороги порядок модели авторегрессии не превышает 2-го - АР(1) и АР(2).

Глава 3

Исследования амплитудно-частотных характеристик геометрических параметров автомобильных дорог позволили определить в соответствии с критерием Найквиста частоту дискретизации непрерывной функции X(t) таким образом, чтобы длина реализации Т, интервал квантования At, число отсчетов N и требуемая ширина спектра В были связаны соотношением:

л, Т 1

Ñ = 2Ъ' (6)

Таким образом, при проведении измерений на сетке с шагом 0,1 м мы сможем в дальнейшем исследовать все свойства поверхности дороги в диапазоне частот от 0 до 5*106 м'1. Объем данных, характеризующих поверхность дороги на сетке 0,1 х 0,1 м, составляет около 8 Мбайт/км.

Разработанный оригинальный датчик (Рисунок 4) состоит из шести оптических преобразователей А1А', BIB', С1С', В1А', В1С', CIA'. Каждый оптический преобразователь представляет собой световод, на торце которого установлен фотодиод. При пересечении лучом лазера световода часть светового потока распространяется по нему и вызывает срабатывание соответствующего фотодиода. Преобразователь время-код обеспечивает преобразование временного интервала между срабатываниями отдельных светодиодов в цифровой код. По соотношениям времен, Т— (t.), i = 1,...,6 соответствующих отрезкам АСЗ, СЗВ, ВАЗ, АЗС, СВЗ, ВЗА, мы определяем пространственные координаты подвижной платформы, на которой установлен данный датчик. Координаты определяются относительно неподвижной системы координат XYZ, связанной с точкой установки лазерного излучателя, луч которого развернут в горизонтальной плоскости (Рисунок 2).

А'

- 13 -

Впереди автомобиля А (Рисунок 2), горизонтально (нормально к оси движения), установлена рама длиной 3 м, на которой с шагом 0,1 м устанавливаются ультразвуковые эхолокаторы (31 шт.), обеспечивающие измерение расстояния от рамы до поверхности дороги. В результате го измерения получаем массив вида:

Н=(Ь-), 1=1...31, где Ь..- показания 1- го ультра-

звукового локатора, N -число отсчетов по оси трассы измерений.

Пространственный преобразователь (Рисунок 4) обеспечивает определение координат автомобиля А относительно базовой плоскости. Координаты всех ультразвуковых датчиков в подвижной системе координат (автомобиля А) известны, это позволяет определить их текущие координаты и относительно неподвижной системы координат

хуг.

Мы имеем Ьц — пока-

зания 1-го датчика во время _)-

\ вз

М/2 /

сз\ - . /

Г \ У ^

V АЗ

В /\

С1

Рисунок 4. Пространственный датчик положения подвижной платформы

го испытания; (х^"; у}"; г[") — координаты этого датчика в подвижной системе, где 1 = 0...30,]=0...И; - интервалы между моментами пересечения лучом лазера призматической конструкции (к=1...6).

Выходной массив данных: Б у — координат точек дороги в неподвижной системе координат — получается следующим образом:

- 14 -

8ц = (хц;уц;2у) = 0,,+хГ'е1+у1"е2+(21"-Ьц)еЗ, (7)

где

(8)

е!= 1/а(хс-хв+(ЬгЬз)^ ус-ув+(\-Ъ)ц + (\\)0; (9) е2 = У(зЩ(хА+хс-2х^Ъ+Ь}-2Ъ^;уА+ус-2ув-

еЗ = (^л,С). О1)

Параметры Хд, уд, хв, ув, хс, ус, г|, И, Ь2, Ц рассчитываются через измеренные значения А/к, (к=1...6) и известные параметры конструкции пространственного датчика1.

Глава 4

Четвертая глава посвящена разработке автоматизированной системы и алгоритмов ее работы. Определена структура задач системы контроля. Распределенная система сбора и обработки информации состоит из микропроцессорной измерительной системы, системы предварительной обработки данных (на базе бортового компьютера) и стационарной базовой системы. Проведена декомпозиция задач автоматизированной системы и разработана аппаратная реализация измерительной системы на базе микропроцессора К1821, стандартных периферийных схем и разработанного нестандартного оборудования. Спроектирована база данных для хранения экспериментальных данных. Разработаны основные алгоритмы обработки данных.

Для эффективной обработки данных, в данном случае построения экономной модели для того или иного геометрического параметра автомобильной дороги, следует найти на регулярной

Подробный вывод соотношений между показаниями измерительной системы и пространственным положением подвижной платформы в пространстве приведен в тексте диссертации.

сетке с данными цифровой модели дороги (шаг Лх0 = Ау0 = 0.1 м)

тот шаг, который с одной стороны позволит адекватно описать

соответствующий параметр, а с другой стороны не будет содержать

избыточной информации. Значения Лх. = к ,Дх0 и Ау.=к .Ду

I XI I ^у/

где к ., к - целые масштабные коэффициенты по осям X и У; XI уч

для I- ого геометрического параметра автомобильной дороги определяются из их частотных характеристик. На этой основе разработаны соответствующие запросы в базе данных.

Полученные результаты могут быть использованы при построении точных цифровых моделей дороги.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ амплитудно-частотных характеристик геометрических параметров автомобильных дорог и методов их контроля показал, что в настоящее время не существует методов и автоматизированных систем, позволяющих комплексно, с требуемой точностью,оперативно их контролировать.

2. Проведенный анализ позволил выявить перспективное направление измерительных систем геометрических параметров автодорог - использование пространственного детектора во взаимодействии с развернутым в плоскость лучом лазера. При этом поперечное сечение дороги контролируется методом ультразвуковой локации.

3. Разработан распределенный автоматизированный измерительный комплекс. Микропроцессорная измерительная система нижнего уровня обеспечивает измерения. Подсистема среднего уровня обеспечивает предварительную обработку данных и их хранение. Подсистема старшего уровня обеспечивает хранение данных и эффективный доступ к ним на основе вычисляемых запросов. Измерительная система позволяет с точностью не ниже ±3 мм строить цифровую модель полосы дороги шириной 3 м (с шагом

сетки 0,1x0,1 м) на расстоянии до 1200 м от неподвижного источника лазерного излучения. Максимально допустимый перепад высот в полосе контроля (без переналадки) составляет 1,8 м. Суммарный объем данных цифровой модели дороги на участке длинной 1 км превышает 8 Мбайт.

4. Разработана конструкция оригинального пространственного датчика положения подвижной платформы в неподвижной системе координат, привязанной к базовой плоскости. Разработана математическая модель связи результатов измерений с пространственными координатами датчика. Проведены его метрологические исследования.

5. Разработана методика идентификации геометрических параметров автомобильной дороги на основе измеренной цифровой модели дороги. Разработаны принципы формирования набора данных для идентификации геометрических параметров на основе вычисляемого запроса к базе данных.

6. Разработана математическая модель динамики геометрических параметров автомобильных дорог. Идентификация неровностей автомобильной дороги показала, что ровность может быть эффективно описана процессом авторегрессии АР(р), причем порядок модели авторегрессии не превышает 2-го.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Суворова Е.П. Структура микропроцессорной системы контроля положения подвижного объекта в пространстве// Автоматический контроль и управление технологическими процессами в строительном производстве. Сб. научн.тр./ М., МАДИ, 1998. -С 78-82.

2. Воробьев В.А., Суворова Е.П. Использование оптических преобразователей при контроле положения крупногабаритных изделий: Сб. научн. тр./Ш-й международной конференции "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации", Курск, 1997, - с.192-194.

3. Отчет по НИР. Разработка информационно-поисковой системы (ИПС) по автогрейдерам. N гос. регистрации 74029368, М.: МАДИ, 1975. - 82 с.

4. Отчет по НИР. Развитие систем автоматизированного проектирования автомобильных дорог и сооружений на них (САПР АД). Разработка комплекса программ для автоматизированного черчения продольного профиля автомобильных дорог. N гос. регистрации 0183.0006611, М.: МАДИ, 1983. - с.

5. Отчет по НИР. Геометрическое моделирование и программно-математическое обеспечение задач САПР и АСНИ методами и средствами машинной графики. N гос. регистрации 0184.0024306, М.: МАДИ, 1986. - с. 37-53,130-134