автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Совершенствование способов съемки плана железнодорожного пути

На правах рукописи Й'

Лагерев Сергей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ СЪЕМКИ ПЛАНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 :.!•!.? 2012

Иркутск-2012

005012837

005012837

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Филатов Евгений Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гончарук Сергей Миронович;

кандидат технических наук, доцент Благоразумов Игорь Викторович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится 11 апреля 2012 года в 13 часов 00 мин на заседании диссертационного совета ДМ 218.003.06 при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, д. 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения». Автореферат разослан 11 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Ю.М. Кулипич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Эффективность работы железнодорожного транспорта, повышение его конкурентоспособности определяется безопасностью и скоростью доставки грузов и пассажиров, что подтверждается стратегической программой развития инфраструктуры железных дорог ОАО «РЖД» в период 2008-2030 гг., где обозначены основные приоритетные направления развития железнодорожного транспорта. В этой связи, проектирование и содержание геометрии плана железнодорожных путей относят к числу наиболее сложных и актуальных задач, обеспечивающих повышение качества обслуживания населения в железнодорожных перевозках. При выполнении работ по проектированию геометрии плана железнодорожного пути требуется информация о существующем его состоянии. Получение такой информации достигается посредством выполнения съемочных работ.

Различным аспектам выполнения съемки и содержания железнодорожных путей посвящены исследования: O.A. Андрианова, A.B. Балакрисмана, X. Барлета, В.Б. Бредюка, В.А. Бучкина, И.В. Гоникберга, М. Гофера, Д.А. Деманова, А.К. Дюни-на, О.П. Ершкова, И.М. Зубова, О.В. Калинцева, Б.Н. Козийчука, И.П. Корженевича, В.А. Коугия, Г. Кюи, М.А. Макурова, И.П. Марунича, СМ. Матвеева, Э.П. Мойсцра-пишвили, М.Д. Поликарпова, А.И. Проценко, А.Ж. Сейкетова, И.Я. .Туровского, М. Шапле, Г. Шрамма, A.M. Шутова, К. Эсвельда и др. Продолжительный опыт исследовательских и проектных работ позволяет утверждать, что съемка железнодорожных путей, по-прежнему остается одним из самых важных вопросов содержания и проектирования железнодорожных путей, которому в настоящее время уделяется недостаточно внимания.

Целью настоящей работы является совершенствование способов съемки плана железнодорожного пути на основе разработки новых вспомогательных средств и применения геоинформационных систем.

Задачи исследования:

- выполнить анализ существующих способов съемки плана железнодорожного пути;

- обосновать необходимость разработки и разработать рекомендации для повышения точности съемки плана железнодорожного пути;

- совершенствовать существующие способы съемки плана железнодорожного пути;

- разработать технологию измерения плана железнодорожного пути с применением координатных систем для неэлектрифицированных линий.

Методы исследования. Методы исследования базируются на построении планов геодезических сетей, геодезической съемке, математической статистике при обработке данных экспериментов и измерений, экономической оценке эффективности разработанных способов.

Научная новизна:

1. Разработана технология съемки плана железнодорожного пути, основанная на применении реперной системы с конструкцией в виде винтовых свай, что позволяет выполнять съемку плана железнодорожного пути с помощью различного технологического оборудования (лазерной рулетки, электронного тахеометра, глобальных навигационных спутниковых систем).

2. Разработан «стрело-угловой» способ измерения плана железнодорожного пути.

3. Разработаны технологические оснастки, позволяющие повысить точность съемки плана железнодорожного пути.

4. На основе разработанной технологии предложено оборудовать эталонные участки для мониторинга изменения геометрии железнодорожного пути при движении тяжеловесных поездов.

Практическая ценность диссертации:

1. Предложенная технология измерения плана железнодорожного пути позволяет:

- выполнять координатную съемку плана железнодорожного пути;

- укладывать и содержать железнодорожный путь по координатам в соответствии с проектными данными на неэлектрифицированных участках.

2. Разработанный «стрело-угловой» способ позволяет совершенствовать существующий способ Гоникберга, повышать безопасность и скорость съемки железнодорожного пути на грузонапряженных участках, выполнять съемку пути с необходимым шагом и последующим угловым уравниванием стрел.

3. Разработанные технологические оснастки позволяют повысить точность съемки плана железнодорожного пути.

4. Предлагаемые экспериментальные участки позволяют оценить влияние интенсивности движения тяжеловесных поездов на геометрию железнодорожного пути.

На защиту выносятся:

- технология измерения плана пути с применением геодезических пунктов в виде винтовых свай;

- «стрело-угловой» способ измерения плана железнодорожного пути;

- технологические оснастки, повышающие точность измерения плана железнодорожного пути.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением адекватного математического аппарата, обработкой большого объема статистических данных по съемке плана железнодорожного пути;

- хорошей сходимостью полученных результатов с известными опытными данными исследований специалистов области изыскания и проектирования железнодорожного пути.

Личный вклад автора:

- проведены экспериментальные исследования и в результате обработки статистических данных получена эмпирическая зависимость нарастания погрешности при съемке плана пути способом стрел;

- даны рекомендации и разработаны технологические оснастки, позволяющие повысить точность съемки плана железнодорожного пути;

- разработан «стрело-угловой» способ съемки плана пути, позволяющий повысить качество измерительных работ по сравнению со способом Гоникберга;

- разработана технология измерения плана железнодорожного пути с применением геодезических пунктов в виде винтовых свай, позволяющая выполнять съемку плана железнодорожного пути в координатной системе на неэлектрифицированных участках.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в Восточно-Сибирском институте проектирования транспортных систем (ВСИПТС ИрГУПС) и используются отделом изысканий при съемке плана железнодорожного пути.

Апробация работы. Содержание работы, ее теоретические положения и результаты докладывались: на научно-практической конференции «УнИКС-2008», проходившей в г. Иркутске в 2008 г.; всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог», проходивших в г. Иркутске 20-24 апреля 2009 г. и 19-23 апреля 2010 г.; межвузовских научно-практических конференциях «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», проходивших в г. Иркутске 12-15 октября 2009 г. и 16-18 октября 2011 г.; заседаниях кафедры «Путь и путевое хозяйство» ИрГУПС 2008-2011 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 209 страницах основного текста, содержит 14 таблиц, 84 рисунков и библиографический список из 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, отмечена новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе «Анализ существующих способов съемки плана железнодорожного пути» рассмотрены современные способы измерения плана железнодорожного пути, выполнен анализ исследований, посвященных совершенствованию способов съемки.

Традиционно существующие способы съемки плана железнодорожного пути можно подразделить натри группы (рис. 1).

Рис. 1.0сновные способы съемки плана пути

Разнообразие подходов к съемке пути приводит к идеям использования различных инструментов и способов измерения плана пути.

Так, первая группа способов, основанная на измерении кривизны кривой: способ стрел; способ Гофера; модифицированный способ стрел, позволяет довольно просто оценить кривизну пути без применения специального высокоточного оборудования.

Вторая группа, основанная на измерении угла поворота кривой: способ Гоник-берга; способ Зубина - Гартенштейна, позволяет повысить точность способов, принадлежащих первой группе, путем добавления избыточного измерения для выполнения уравнивания съемки.

Третья группа, основанная на координатном получении данных: способ линейной засечки; способ створов; способ прямоугольных координат; способ полярных координат, позволяет получать пространственное положение пути в определенной системе координат.

Анализ специальной и научно-технической литературы позволяет утверждать, что наиболее точные результаты измерения плана пути обеспечиваются комбинацией модифицированного способа стрел и координатных измерений (рис. 2).

Рис. 2. Пример выполнения комбинированной съемки

Например, определение координат отдельных точек сплошной стреловой съемки (тахеометрической съемкой, ОРв/ГЛОНАСС съемкой, засечками от реперов) через 100-150 м позволяет устранить один из недостатков съемки стрел, связанный с нарастанием погрешности измерений. Вместе с этим, координаты отдельных точек, уравненные стреловыми измерениями, обеспечивают более высокое качество замеров, устраняя недостатки координатных способов.

Вторая глава «Разработка способов повышения качества выполнения работ по съемке плана железнодорожного пути» посвящена вопросам повышения качества съемки железнодорожных путей.

Качество расчета проектного положения пути в плане в первую очередь определяется качеством исходных данных, полученных в результате проведенных замеров. Необходимо отметить, что качеству исходных данных, получаемых в результате выполнения съемки плана железнодорожного пути, и возникающим при этом ошибкам не уделяется особого внимания. Очень часто качественно запроектированный план пути содержит грубые ошибки из-за погрешностей, допущенных во время проведения изыскательских работ. Снижение вероятности образования ошибок достигается за счет применения высокоточного оборудования и специальных устройств для выполнения измерений пути.

При рассмотрении способов, основанных на измерении кривизны пути, для выполнения измерений на расстоянии 13 мм ниже поверхности катания, а также для выявления отрицательных стрел предложены держатели для хорды (рис. 3).

Держатель

ХОРДЫ

Рельс

Рис. 3. Общий вид и принцип действия держателя хорды для измерений стрел изгиба 7

Применив формулу зависимости между радиусом круговой кривой Л, стрелой

изгиба Б и хордой а, ^ = д да , определена кратность изменения стрелы изгиба относительно длины.

При длине хорды равной =20 м (что соответствует шагу разметки 10 м) стрела изгиба определена по формуле:

г 1000-202 50000

= = ~ (1) При величине хорды равной =10 м (что соответствует шагу разметки 5 м) стрела изгиба определена как

с 1000-Ю2 12500

- = — (2) Выразив радиус И из формул (1) и (2), получили зависимость вида:

р20 = 4 ■ К10. (3)

Их выражения (3) видно, что при уменьшении шага съемки в два раза абсолютное значение стрелы уменьшается в четыре раза.

При замере стрел изгиба, как правило, применяется линейка с миллиметровой точностью. Согласно теории погрешности, относительную погрешность можно определить по формуле:

£ = ? (4)

где т - точность измерения каждой стрелы; / - истинное значение стрелы изгиба. Из (3) и (4) следует, что при уменьшении шага съемки в два раза относительная погрешность измерений увеличивается в четыре раза (рис. 4). Таким образом, при увеличении длины хорды ожидается уменьшение относительной погрешности.'

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Длина хорды "а", м

относительная погрешность

Рис. 4. Влияние длины хорды на относительную погрешность

Для выбора оптимального значения величины шага произведен сравнительный анализ ошибок (таблица 1). Для анализа был задан участок длиной 500 м с точностью измерения инструмента 1 мм.

№ варианта Длина хорды, м Кол-во точек, N Толщина лески, мм Абсолютная погрешность измерения стрел, мм Ошибка полного угла кривой, град. СКП измерения стрел, мм СКП эвольвенты конца кривой, мм

1 5 200 0,2 1,4 12,84 6,60 21635,09

2 10 100 0,3 1,5 3,44 5,00 5816,64

3 15 67 0,3 1,5 1,53 4,08 2594,71

4 20 50 0,5 1,7 0,97 4,01 1660,18

5 25 40 0,5 1,7 0,62 3,58 1066,38

6 30 33 0,7 1,9 0,48 3,66 830,65

7 35 29 0,7 | 1,9 0,36 3,39 612,46

8 40 25 1 2,2 0,32 3,67 544,88

Анализ позволил установить, что уменьшение шага съемки приводит к увеличению погрешности полученных результатов, однако задавать шаг точек меньше 10 метров нецелесообразно с точки зрения рихтовки пути и невозможности определения коротких неровностей, следовательно, оптимальное значение шага измерения плана пути способом стрел может быть принятым 10 метрам (значение длины хорды около 20 м).

Проведен анализ, доказывающий, что при использовании штангенциркуля вместо линейки точность измерения увеличивается в 3 раза (таблица 2).

Таблица 2

Сравнительный анализ точности измерения стрел изгиба линейкой и штангенциркулем

Наименование сравниваемых характеристик 1 вариант 2 вариант

Длина хорды, м. 20 20

Количество точек, шт. 50 50

Применяемый измерительный инструмент ■■»••■■■■ линейка-- ■ штангенц.

Точность измерительного инструмента, мм 1 0,2

Абсолютная погрешность измерения стрел, мм 1,5 0,5

Ошибка полного угла кривой, град 0,86 0,29

СКП измерения стрел, мм 3,54 1,18

СКП эвольвенты конца кривой, мм 1464,87 488,29

Таким образом, рекомендовано выполнять замеры участков пути способом стрел с разбивкой 10 м (длина хорды = 20 м), с использованием специальных держателей для хорды, с применением лески толщиной не более 0,5 мм. Измерение стрел изгиба должно выполняться штангенциркулем с последующей фиксацией значений до десятых миллиметра. Для выявления грубых ошибок в измерениях промер участка пути лучше всего выполнять дважды.

Учитывая высокую погрешность, возникающую при съемке длинных участков пути способами стрел, рекомендуется уравнивать стрелы путем выполнения условия равенства суммы стрел и угла поворота кривой. Предложено дополнительно к способу стрел вычислять угол поворота кривой с помощью геодезических приборов (рис. 5), что обеспечивает избыточность измерений и дает возможность уравнять съемку. Алгоритм выполнения съемки плана пути предлагаемым «стрело-угловым» способом

Рис. 6. Основные этапы предложенного «стрело-углового» способа

10

При прокладке теодолитного/тахеометрического хода, в зависимости от местности в диссертационной работе определялись точки стоянки инструмента, количество которых для снижения возникающих ошибок сводилось к минимуму.

После определения углов теодолитного хода уравнивалась съемка через расчет угловой невязки:

fp — Г Pi изм — Е Pi теор.. (5)

где £ Pi изм - сумма измеренных углов.

Теоретическая сумма для замкнутого и разомкнутого ходов:

1Атеор.замкн. = 180 • (П - 2), (6)

£ Pi теор.разомкн. = - Ок + П • 180, (7)

где п - число углов хода; ан - дирекционный угол начальной стороны хода; ак - ди-рекционный угол конечной стороны хода.

Поскольку величина полученной невязки характеризует качество угловых измерений (чем меньше невязка, тем выше качество выполнения съемки), значение fp не должно превышать значение установленной (допустимой) угловой невязки для станций и перегонов:

//?(доп.) = ±1 Vn. (8)

При допустимой величине угловой невязки, т..е. когда fp < //¡(доп.). ее значение распределялось между всеми углами поровну с обратным знаком. Таким образом, каждому углу назначалась соответствующая поправка Д/?, определяемая как

п

Исправленные горизонтальные углы определялись по формуле:

Pi испр. = Дизм + Д/?. (9)

Уравненный угол самой кривой ¡3 П0ЛН.ИСПр. получен суммированием исправленных углов теодолитного хода, /?2, /?3, /?4 (см. рис. 5).

Для уравнивания стрел в работе использовалась известная зависимость /3™, =

180 0,004 .

—----— (в градусах), исходя из чего после определения угла кривой через сумму

стрел с помощью геодезического инструмента вычислялась общая невязка стрел изгиба:

f _ п(.Р полн.испр.~/?сгрл.)'а .. л.

b- W • <10>

Величины распределения невязки Aff = — суммировалась с измеренными зна-

п

чениями стрел.

В настоящее время расчеты по выправке пути в плане основаны на разности эвольвент, что подтверждает необходимость сравнения способов с использованием значения среднеквадратической погрешности эвольвенты конца кривой.

Среднеквадратическая погрешность эвольвенты конца кривой предлагаемого автором «стрело-углового» способа, с условием, что ошибками в определении стрел изгиба можно пренебречь, определялась по формуле:

т^ 1пЧпЧхК^ (И)

3 3438 V 6 4 '

где п' - число точек стоянки теодолита;

т'ф - величина ошибки в определении угла.

В качестве примера рассмотрен участок железнодорожного пути длиной 500 м с использованием инструмента, обеспечивающего точность измерения углов 30 секунд при условии его установки через каждые 100 м, срсднеквадратическая погрешность эвольвенты конца кривой составила:

тэ =

= (~ )

43438/

5-6--^ = 108 мм,

что обеспечивает повышение точности съемки предлагаемым способом в 4 раза по сравнению со способом стрел.

Вместе с этим отмеченная точность не позволяет определить точное положение железнодорожного пути в плане из-за ошибок, вносимых расчетами, основанными на эвольвентной модели. В такой ситуации для обеспечения требуемой точности необходимо применять координатные способы съемки и методы расчета, при использовании в качестве исходных данных координаты отдельных точек кривой, получаемые полярным способом.

Применение электронного тахеометра для оценки точного положения пути в плане требует строго вертикального размещения отражательной призмы над точкой на рабочей грани рельса на уровне 13 мм ниже поверхности катания колеса. Для выполнения этих условий предложено разработанное автором устройство-держатель для

установки отдельной призмы на рельс (рис. 7).

Рис. 7. Устройство для точной установки отражательной призмы на точку

Рис. 8. Установка антенны на точку с магнитной фиксацией

Для определения координат отдельных точек комбинированной съемкой плана пути с помощью спутниковой геодезической системы предложено устанавливать антенну непосредственно на точку, при этом крепление антенны выполнялось с помощью магнита (рис. 8).

Установлено, что наивысшей точности съемки двух соседних точек, распложенных на расстоянии 10-20 метров друг от друга, можно добиться способами, основанными на измерении кривизны пути (хордо-стреловые способы). При измерении длинных участков хордо-стреловые способы порождают большую погрешность, что не позволяет использовать их без дополнительного уравнивания.

Непосредственное измерение углов (первой суммы стрел) реализовано в съемке способом Гоникберга. Однако из-за большого шага съемки и длительного расположения на одной точке (стоянке) измерительного инструмента этот способ показал себя

неэффективным. Более высокую точность для уравнивания хордо-стреловой съемки по углу обеспечивает предложенный автором «стрело-угловой» способ, использование которого позволяет снизить ошибки и затраты времени на выполнение измерительных работ.

Поскольку тестирование методов показало незначительное повышение точности, и невозможность точного определения пространственного положения пути в плане из-за погрешностей, вносимых расчетами, и накопления ошибок при интегрировании угла, представлялось интересным оценить возможность уравнивания хордо-стреловых способов с применением координатных методик.

В третьей главе «Экспериментальные исследования по выбору эффективного способа съемки плана железнодорожного пути» разработана методика оценки качества исходных данных, проведено экспериментальное исследование по выбору оптимального способа съемки плана пути.

В качестве объекта исследования выбран действующий железнодорожный участок бесстыкового пути, расположенный на перегоне Иркутск - Пассажирский - Кая, 1-й главный путь. Верхнее строение пути выбранного участка состоит из рельсов Р65^ железобетонных шпал с промежуточными скреплениями типаЖБР-65Ш. На рассматриваемом перегоне организовано движение поездов исключительно пассажирского типа, что значительно снижает вероятность сдвига рельсошпальной решетки на момент проведения экспериментов.

Рассматриваемый в диссертационной работе экспериментальный участок пути представлен с двумя кривыми малого и большого радиуса, расположенными на 51865189 км. Проектные параметры кривых 2010 года представлены в таблице 3. В качестве оценочных критериев в работе принимались следующие характеристики: точность измерений в отельных точках; точность измерения по длине участка; скорость выполнения измерений; трудоемкость и технологичность проведения измерительных работ.

Таблица 3

Проектные параметры кривых 201_0_года_

Наименование^параметров кривых

_1-я_|<ризая

Ед. изм.

Значение

Радиус кривой, К

2^кривая

Длина переходных кривых, И, 12

Дшна^уговой]фивой, К Угол кривой, а

Возвышение наружного рельса, И

мм

400

90, 90

817,19

10£Ш8" 105

Целью проведения эксперимента явилась оценка значений координат одних и тех же точек пути, размеченных с интервалом 5 метров, различными способами с по-

следующей их обработкой в программных продуктах: РВПлан; Credo_Dat; RoburRail; AutoCad, MatLab и др.

Первый этап тестирования направлен на установление математической зависимости, показывающей расхождение координат, определенных способом стрел, от координат, полученных GPS/ГЛОНАСС съемкой при возрастании длины рассматриваемого участка (рис. 9).

|15000

юоо

5 зпп

Ь

S 200

о

о F 100

X

ч: о 0

х

о -100

ю -700

V

Н

О -300

-ч

П

^Т \

Jr^ \ о

if \

j_ I % ?

о 500 1000 1500

Расстояние от базовой точки, м

Рис. 9. Изменение величины расхождения от расстояния (снизу ошибки аппроксимации)

С помощью полиномиальной аппроксимации значений, получена зависимость: /Х*) = 0,007183-л-2-0,3512 117,9. (12)

Коэффициент множественной детерминации достигает значения Я2 = 0,999, что свидетельствует о высоком качестве аппроксимации значений расхождений. Поскольку значения расхождений в каждой координате съемки пути, полученные по модели, отличаются от значений по результатам замеров (см. рис. 8), в диссертации предложена процедура выявления грубых расхождений.

Ошибка моделирования рассматривается как разница между экспериментальными и теоретическими расхождениями (см. рис. 9), сравниваются две выборки, одна из которых состоит из значений расхождений, полученных с помощью модели другая - полученных по результатам натурных замеров 5^,-, и проверяется гипотеза, что связанные выборки и принадлежат к одной генеральной совокупности. Для этого используются: критерий Стьюдента для разностей пар, коэффициент корреляции между и Кроме проверки близости выборок и ^¡точность обследований оценивалась: средней ошибкой с1ср = Н»^,- - Я(м.,)!п и средней абсолютной ■ЗД/я (таблица 4).

Анализ ошибок моделирования_

Показатель 1 Расхождение теоретическое Расхождение экспериментальное S/H)I

Число пар: 158 158

Максимальное: 16919,27 17153,99

Минимальное: 0 -4,15

_Среднее: 5417,73 5644,90

Медиана: 3917,46 4150,83

Размах: 16919,27 17158,14

Стандартное отклонение 5109,93 5175,86

Средняя ошибка с1ср -117,88

Средняя абсолютная ошибка с/св0 109,75

Коэффициент множественной детерминации 0,999

По результатам анализа средняя ошибка с/ср не дает объективной информации о точности моделирования, значительно информативнее статистики с!сао. В соответствии с имевшимися данными максимальные абсолютные значения ошибок достигают 250-370 мм (см. рис. 9).

Средняя абсолютная ошибка составила 109,75 мм, что в среднем соответствует 1,99 % от среднего значения координат. Все рассмотренные в работе выборки эмпирических и экспериментальных расхождений оценены как относящиеся к одним и тем же генеральным совокупностям (табл. 5). Отмечается, что одной из предпосылок использования регрессионного анализа является однородность результативных признаков, условие подчинения нормальному закону распределения необъясняемых ошибок (см. рис. 10).

Частость

Рис. 10. Аппроксимация ошибок моделирования нормальным распределением

В целом ошибки моделирования близки к нормальному закону распределения, что позволяет вполне обоснованно применять Шест для проверки однородности полученных выборок (таблица 5).

Таблица 5

Статистическая оценка принадлежности значений расхождений к одной генеральной

Ьтест1 (н0 - совокупность нормально распределена со средним равным 0) (используется 95%-й доверительный интервал)

Проверка Но Ст. надежн. 95%-й дов. интервал £ Число степ.своб.

1 0 (-138,43;-97,34) -11,33 157

Иест2 (н0- выборки имеют одинаковую среднюю) (используется 95% доверительный интервал)

Проверка Н) Ст. надежн. 95% дов. интервал £ Число степ.своб.

0 0,84 (-1263,8:1028,06) 0,23 314

Проверка нуль-гипотезы о равенстве нулевых средних выборок не подтвердилась. Вместе с этим парный Шест с высокой степенью достоверности (0,84) позволяет утверждать, что расхождения имеют одинаковую среднюю. Проведенный статистический анализ материалов позволяет утверждать, что сведение значений расхождений в единую выборку является корректным с позиции статистики.

Для проверки качества полученной модели, основанной на использовании статистических критериев, предложена процедура предварительного выявления резких расхождений (т. е. грубых ошибок). Одной из часто используемых процедур является проверка по нормированному отклонению:

где с1- ошибка аппроксимации; ¿ср- средняя ошибка аппроксимации; - стандартное отклонение.

Использование критериев нормированного отклонения предполагает нормальное распределение ошибок. Анализ оценок расхождений координат с последующей попыткой аппроксимации нормальным распределением позволяет сделать вывод, что значения ошибок моделирования близки к нормальному распределению (см. рис. 10). ........СогласШ этому критерию;1 стафШЩийГгрубьгё 011ШбкиШрайИ'считшЬтся''теГу

которых расчетное 2 превосходит некоторое заранее заданное значение . Установлено, что при тестировании рассматриваемой процедуры для отбраковки используется уровень значимости а = 0,05 и соответствующее ему га„ = 1,960. Надо отметить,

что принятие уровня значимости 5 % не позволило выявить грубые ошибки в моделировании.

Следующий этап в диссертационной работе - проведение анализа проектного положения пути каждым способом съемки в программном комплексе РВПлан (таблица 6).

Анализ вариантов съемки плана пути установил наличие расхождений углов поворота в конце участка пути при использовании стреловых способов, величина которых составила 0°59'02", что свидетельствует о наличии большой погрешности рассматриваемых способов измерения по длине пути. При этом расхождение углов поворота^ в^ конце участка пути при съемке плана координатными способами ло 0°05'1,51", что намного меньше, чем при съемке способами стрел. Вместе с этим, анализ графиков кривизны (рис. 11) указывает на более высокую точность определения одной точки относительно соседней с использованием способа стрел по сравнению с ОРБ/ГЛОНАСС-съемкой.

-»-Съемка способом стрел СРБ/ГЛОНАСС съемка Рис 11. График кривизны первой кривой

Номер точки

Доказано, что для постановки пути в проектное положение, полученное на основании данных стреловых измерений, необходимая максимальная рихтовка в среднем составляет + 106 мм, что на 50 % ниже, чем при расчете, основанном на координатной съемке.

Установлено, что по точности стреловые и координатные способы противоположны друг другу и должны применяться в разных условиях. При измерении коротких участков более точными являются стреловые способы, однако на длинных участках они обеспечивают большую погрешность. Координатные способы имеют равные ошибки в отдельных точках, не зависящие от длины участка, при этом на коротких расстояниях точность координатных способов сильно снижается, уступая при этом стреловым способам.

С учетом вышеизложенного, комбинированная съемка является наиболее подходящим решением с позиции повышения качества измерения пути в плане, что особенно актуально при его текущем содержании.

В четвертой главе «Разработка способов съемки плана железнодорожного пути» рассмотрены следующие вопросы: особенности измерения плана пути от существующей рабочей реперной сети; рекомендации по ее улучшению; методика координатной съемки плана пути для неэлектрифицированных участков.

Предложен способ измерения плана пути от рабочей реперной сети с применением лазерной рулетки и держателя с закрепленной в нем лазерной рулеткой, ввинчивающейся в опору контактной сети (рис. 12). Для восстановления линии визирования на противоположный рабочий репер устанавливается отражательная призма с

ътшштжя г- V■ • » е

Рис. 12. Устройство для измерения пути Рис. 13. Схема устройства для крепления

от рабочих реперных пунктов в рабочем реперном пункте

с применением лазерной рулетки отражательной призмы

Практический опыт применения инструментов в процессе выполнения экспериментов позволил выявить следующие недостатки:

- анкера для установки специализированного геодезического оборудования не защищены и подвержены коррозии, что со временем затрудняет их использование по назначению;

- большинство существующих рабочих реперных пунктов находятся в состоянии, не позволяющем устанавливать геодезические приборы в необходимое для выполнения замеров положение.

Отмеченные особенности потребовали усиления конструкции путем замены анкера с внутренней резьбой М8 на резьбу М12 с установкой специальных заглушек (рис. 14). Для временной рабочей сети закладка анкеров экономически нецелесообразна, в связи с чем автором было предложено изменить конструкцию пунктов путем замены существующих анкеров на пленочные отражатели (рис. 15).

18

Рис. 14. Новая конструкция _ „

рабочих реперных пунктов 15'Замена анкеРн0Г0 пУнкта на пленочный отражатель

в виде заглушки

Для неэлектрифицированных участков пути предложена технология съемки плана пути с применением геодезических пунктов в виде винтовых свай. Установка винтовых свай осуществляется с помощью машинки для завинчивания типа KR20 (мощностью 1400 Вт) или типа KR15 (мощностью 1600 Вт) (рис. 16). В качестве альтернативного инструмента предложено использовать ручной ключ.

Рис. 16. Устройство для завинчивания винтовых свай

Поскольку комбинированная съемка является наиболее пригодной для повышения качества измерения пути в плане, автором предложены новые способы съемки пуги от винтовых реперных пунктов.

С этой целью на первом этапе разработана конструкция, позволяющая выполнять монтаж геодезического оборудования на винтовые реперные пункты (см. рис. 15). Конструкция представляет собой пустотелую цилиндрическую втулку с закрытым верхом, устанавливаемую во внутреннюю часть сваи с последующим ее закреплением болтами М16. В центре втулки имеется отверстие под становый винт для крепления триггера (рис. 17).

Винтовые геодезические реперные пункты рекомендовано устанавливать по четыре единицы через заданное расстояние S (рис. 18).

ВРП ВРП

ВРП ВРП

ВРП А ВРП,/? | ^20-50 ч

ШИУ° ВРП А

Рис. 17. Предлагаемая конструкция, закрепляющаяся в верхней части винтовой сваи

Рис. 18. Схема установки винтовых реперных пунктов

Шаг установки ВРП (5) определен на основании расчета допускаемой погрешности планового положения точек криволинейного участка:

Ах г » 1,35 ■ 4п. (14)

С помощью выражения (14) для определения допускаемой погрешности съемки и зависимости, показывающей нарастание ошибки от длины участка пути, при его измерении способом стрел (12), установлено, что через 100 метров точность измерения выходит за рамки допускаемого доверительного интервала, на основании чего при съемке пути комбинированным способом предложено выполнять координирование точек не более чем через 150 метров.

Вместе с этим, необходимое значение расстояния 51 было подтверждено соотношением, установленным И.П. Корженевичем:

&Уп = Д/ • п ■ (1 + п), (15)

где Д Уп - погрешность определения координаты У; Д/ - погрешность измерения одной стрелы; п - количество точек.

При использовании указанных рекомендаций по измерению плана пути, изложенных в главе 2, измерение координат выполнено с точностью ДУ„ = 25 мм, а точность измерения стрел изгиба Д/ = 0,1 мм. Указанные значения используются в уравнении (15),-в результате чего определен шаг координатной съемки п = 16. Исходя из этого подтверждается оптимальное, рекомендуемое автором, значение расстояния 5 = 150 м между пунктами, определенное ранее.

На втором этапе разработана технология уравнивания полученных данных путем определения стреловых поправок по формуле:

Л/ = А/и, (16)

где п - количество точек; А - невязка суммы стрел изгиба:

^ £ коорЫ /(ши '

(17)

где - сумма стрел изгиба, полученная в результате промера; У/коард1- сумма

стрел изгиба, определяемая с помощью известных координат по формулам:

I/. XX

а ■ агссоэ(—5——-—)

._а_.

0.004

а агсвтС—1-!±!-—)

_ а

(1В)

(19)

коорд' 0.004

Разработанная технология уравнивания проверена на основе данных, полученных в результате проведения экспериментального исследования, описанного в главе 3. В итоге, после уравнивания получены результаты в виде исправленных стрел, максимальное расхождение которых с измеренными стрелами составило 4 мм, среднее отклонение составило 1,15 мм (рис. 19).

8 , . • ......................

Мчи / ; ? .......Ч..........................- .....- ■;:!

¡ПН фугтI -гптт| .....!......*.....Т.....Г'.........--............-..... I ;

1 V

X ,

I икНгт

Длина участка, м

Истинные измеренные стрелы Уравненные стрелы

Рис. 19. Сравнение измеренных и исправленных стрел

При сравнении исправленной съемки пути с координатной, планового отклонения положения пути выявлено не было. Это обусловлено уравниванием стрел путем привязки точек, через определенное расстояние, к координатам.

Па третьем этапе предложены способы измерения плана пути от винтовых ре-перных пунктов, начиная от простых, с использованием лазерной рулетки, и заканчивая сложными, с использованием электронного тахеометра или ОРЭ/ГЛОНАСС- оборудования.

Предлагаемые способы направлены на определение координат точек линейной засечкой (рис. 20), выполняются посредством установки лазерной рулетки на свайные реперные пункты либо на головку рельса, с применением разработанного автором устройства (рис. 21).

Рис. 20. Координирование отдельных точек от винтовой реперной сети с применением лазерной рулетки

Более высокотехнологичные способы достигаются при установке на свайные ре-перные пункты GPS/ГЛОНАСС-оборудования, что позволяет производить измерения плана пути любыми спутниковыми инструментами.

Предлагаемая в диссертационной работе технология позволяет выполнять съемку плана в координатной системе на неэлектрифицированных участках пути, применяя при этом всевозможные существующие способы. Применение винтовой реперной сети совместно со спутниковым оборудованием позволяет приблизить Российские геодезические сети к системе постоянно действующих базовых станций (CORS), повысить качество изыскательских работ и значительно увеличить скорости движения поездов при соблюдении безопасности их движения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, дают основания для следующих выводов и предложений:

1. Доказана необходимость разработки новых способов съемки плана железнодорожного пути, повышающих точность выполнения измерительных работ, установлено, что наиболее точная съемка достигается комбинацией полярного и традиционного способов - комбинированный способ.

2. Предложен и теоретически обоснован «стрело-угловой» способ измерения плана железнодорожного пути, обеспечивающий повышение точности съемки пути в 4 раза по сравнению со способом стрел. Предлагаемый способ обеспечивает более высокую точность и безопасность выполнения измерительных работ по сравнению со способом Гоникберга.

3. Разработана винтовая рабочая реперная сеть и технология измерения плана железнодорожного пути, для неэлектрифицированных линий, основанная на определении математических зависимостей по данным замеров пути. 1

4. Для повышения качества измерения плана пути разработаны технологические ■ оснастки: держатели для хорды; устройства для установки лазерной рулетки в пункты рабочей реперной сети; устройство для точной установки геодезического измери-

22

Рис. 21. Оборудования для измерения расстояний от головки рельса до реперного пункта

тельного оборудования (отражательная призма, GPS/ГЛОНАСС-приемник) на рельсовую нить; устройство для установки отражательной призмы в пункты рабочей ре-перной сети. Разработаны рекомендации для повышения точности измерения плана пути стреловыми и координатными способами.

5. Годовой экономический эффект от применения разработанной технологии съемки плана железнодорожного пути составляет 98534,67 руб./км.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лагерев С.Ю., Карпов И.Г., Чураков О.Ю. Методика съемки планово-высотного положения железнодорожного пути от рабочей реперной сети // УнИКС-2008 : сборник студенческих докладов по результатам конференции. - Иркутск : Ир-ГУПС, 2008.-Ч. 1,- С. 213-216.

2. Лагерев С.Ю., Суслов О.А., Филатов Е.В., Карпов И.Г. Применение рабочих реперных сетей для координирования точек плана линии // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 2024 апреля 2009 г., Иркутск. - Иркутск : ИрГУПС, 2009. - Т. 2. - С. 172-175.

3. Корженевич И.П., Суслов О.А., Лагерев С.Ю. Влияние плана железнодорожного пути на повышение эффективности работы инфраструктуры железнодорожного транспорта // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы межвузовской научно-практической конференции. 12-15 октября 2009 г., Иркутск. В 2 т. - Иркутск : ИрГУПС, 2009. - Т. 1. - С. 386-388.

4. Лагерев С.Ю., Суслов О.А., Филатов Е.В., Карпов И.Г., Дюндик Л.С. Методика съемки плана железнодорожного пути с применением новой конструкции реперной сети // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы межвузовской научно-практической конференции. 12-15 октября 2009 г., Иркутск. В 2 т. -Иркутск : ИрГУПС, 2009. - Т. 1. - С. 389-392.

5. Lagerev S.U., Suslov О.А., Karpov I.G., Dundik L.S. Coordination of the railway from the reference network as the main tool of technology production path in a design position with overhauls // Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Exploiting of Northeast Asia Transport Systems : students' and post-graduate students' works presented at the Second International Scientific-Applied Conference (Irkutsk State Transports University (IrGUPS), Irkutsk, May 14, 2010). - Irkutsk : IrGUPS, 2010. - C. 89-94.

6. Лагерев С.Ю., Суслов O.A., Филатов E.B., Дюндик Л.С. Комбинированная съемка железнодорожного пути медом «засечки» с использованием отражательных реперных пунктов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : труды IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 19-23 апреля 2010 г., Иркутск. В 2 т. - Иркутск : ИрГУПС, 2010. - Т. 1. - С. 293-295.

7. Лагерев С.Ю., Филатов Е.В., Карпов И.Г. Совершенствование съемки плана пути // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы Второй межвузовской научно-практической конференции. Иркутск, 16-18 октября 2011 г. В 6 т. - Иркутск : ИрГУПС, 2011. - Т. 1. - С. 460-462.

8. Lagerev S.U., Filatov E.V., Karpov I.G. Sagging and angular method of making a railway plan survey // Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Maintenance of Northeast Asia Transport Systems : Proceedings of the 3rd International Student

and Postgraduate Research and Practice Conference. May 30, 2011 Irkutsk - Irkutsk • Irkutsk State Transport University, 2011. - P. 86-88 '

9. Лагерев С.Ю., Филатов E.A., Суслов O.A., Карпов И.Г. Сопротивление лви-жению поездов и расходы „а его преодоление // Вестник транспорта ПоГжья Серия «Научно-технический журнал». - Самара : СамГУПС, 20П. Вьш 4 (28)

па ПЛ° пЛаГереВ С Ю" Филатов ЕВ> КаРПОв И.Г. Экспериментальные исследования по выбору оптимального способа съемки плана пути // Проблемы проектироГияи строительства железных дорог : сборник научных трудов / под ред B.C. Шварцфельда. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2011. - С. 161-165

11. Лагерев С.Ю. Рабочая реперная сеть на'неэлектаифицированных участках

ЛАГЕРЕВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ СЪЕМКИ ПЛАНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Специальность 05.22.06 Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 07.03.2012 ' ---=-—-

. Тираж 100 экз.

Формат бумаги 60x84/16 Объем 1,5 п.л. Заказ №1752

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15, Типография ИрГУПС-

О f ;