PL247636B1 - Układ do pomiaru współrzędnych toru - Google Patents

Abstract

Układ do pomiaru współrzędnych toru, zwłaszcza kolejowego, charakteryzuje się tym, że zawiera minimum dwa odbiorniki nawigacji satelitarnej (7, 8), korzystnie systemu GNSS, które mocuje się na pojeździe szynowym, korzystnie wagonie kolejowym dwuwózkowym. Montuje się je nad czopami skrętu pojazdu w jego osiach pionowych (4, 5), w przypadku pojazdu o budowie wózkowej, lub pionowo w miejscach przecięcia wzdłużnej osi symetrii pojazdu i osi skrajnych zestawów kołowych dla pojazdu dwu lub trzyosiowego o konstrukcji sztywnej. Tak zamocowane odbiorniki nawigacji satelitarnej tworzą bazę sztywną pojazdu do wyznaczania współrzędnych toru stanowiących dwa krańce bazy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru współrzędnych toru, który umożliwia określania współrzędnych położenia osi toru, szczególnie przydatny w jego diagnostyce i monitoringu, ocenie deformacji oraz odtwarzaniu układu geometrycznego toru. Układ według wynalazku zamontowany jest w ściśle określonym miejscu na pojeździe. Wynalazek ma zastosowanie zwłaszcza w mobilnych pomiarach satelitarnych na linii kolejowej służących m.in. do: identyfikacji odcinków prostych toru oraz odcinków położonych w łuku, wyznaczania współrzędnych punktów głównych i kątów zwrotu trasy, określania krzywizny toru, szacowania wartości promienia łuku kołowego i długości krzywych przejściowych, określania kąta obrotu dla uzyskania lokalnego układu współrzędnych, w których odbywać się będzie ocena istniejącego układu geometrycznego toru w rejonie zmiany kierunku i projektowanie regulacji tego układu toru oraz wyznaczania parametrów profilu podłużnego trasy (pochyleń podłużnych i promieni łuków wyokrąglających załomy profilu).

Znane klasyczne techniki geodezyjne zawsze odgrywały kluczową rolę w kształtowaniu układu geometrycznego toru i jego późniejszym utrzymywaniu. Jednym z najpoważniejszych problemów z tym związanych była konieczność operowania w lokalnych układach odniesienia. Wiąże się to z występującymi na kolei długościami elementów infrastruktury - zarówno odcinków prostych jak i łuków kołowych. Odległości, które odcinki te zajmują, są często tak duże, że wizualna ocena kształtu toru nie jest możliwa. W tej sytuacji stosowanie znanych technik geodezji tradycyjnej wymaga podziału trasy na mniejsze sekcje, które są rozpatrywane niezależnie. Staje się to jednak źródłem dodatkowych błędów, przez co całościowa ocena danego układu jest bardzo utrudniona.

W klasycznych technikach geodezyjnych wykorzystuje się pomiar odległości i kątów za pomocą tachimetrów oraz rachunek geodezyjny do wyznaczania położenia osi toru w układzie przestrzennym w dowiązaniu do przestrzennej osnowy geodezyjnej. Systemy te polegają na przemieszczaniu względnym tachimetru oraz pryzmatu skupiającego wiązkę laserową wzdłuż mierzonych odcinków toru, z wykorzystaniem skonstruowanych do tych celów pojazdów pomiarowych bądź zaadaptowanych pojazdów w postaci wózków pchanych przez operatora. W kolejnictwie wykorzystywane są również nowoczesne metody mobilnych pomiarów z użyciem wielosensorowych urządzeń do wyznaczania położenia osi toru. Wykorzystywane są do tego celu m.in. odbiorniki satelitarne GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems), inercyjne urządzenia wspomagające pomiary satelitarne INS (ang. Inertial Navigation System ) oraz metody wizyjne, tzw. skanery laserowe TLS (ang. Terrestrial Laser Scanning), które z pewną dokładnością są w stanie wygenerować przebieg osi toru.

Z amerykańskiego opisu patentowego 5 493 499 znany jest sposób pomiaru toru, w którym dwie jezdne po torach jednostki pomiarowe ustawiane są na obydwu punktach końcowych odcinka toru, podlegającego pomiarom, a ich każdorazowe położenie definiowane jest w stosunku do stałego punktu toru. Opisano, że pomiar realizuje się za pomocą dwóch jednostek pomiarowych - pojazdów zaś na każdy z nich zamocowana jest satelita pomiarowa. Według sposobu jedna z dwóch jednostek pomiarowych podjeżdża w sposób krokowy w kierunku drugiej jednostki pomiarowej, przy czym po każdym przerwaniu jazdy, w celu przeprowadzenia cyklu pomiarowego jest dokonywane porównanie danych pomiarowych, dotyczących rzeczywistego położenia toru z danymi pomiarowymi o zadanym położeniu toru oraz obliczana jest odpowiednia wartość różnicy i wpisywana do pamięci komputera. Przez odbiór sygnału informującego o położeniu toru od satelitów pomiarowych GPS, wyznacza się wzajemne względem siebie położenie obydwu jednostek pomiarowych w układzie współrzędnym. Po każdym przerwaniu jazdy drugiej jednostki pomiarowej przy jej jeździe pomiarowej w kierunku do przeciwległej jednostki pomiarowej i po odbiorze kolejnego sygnału o położeniu toru z satelitów pomiarowych, określa się względną zmianę położenia. Rozwiązanie wymaga zastosowania dwóch jednostek pomiarowych co może powodować niedokładność pomiaru i wpływać na czas pomiaru.

W publikacji patentowej PL201967 ujawniono sposób pomiaru toru z dwoma niezależnymi od siebie, jezdnymi pojazdami pomiarowymi. W skład układu wchodzą dwa pojazdy pomiarowe - maszyna główna - ruchomy pojazd pomiarowy, który porusza się podczas pomiaru toru, względem drugiego, stacjonarnego pojazdu pomiarowego stanowiącego satelitę. Stacjonarny pojazd pomiarowy wyposażony w miejsce siedzące dla osoby obsługi, ma nadajnik, w postaci lasera diodowego, ułożyskowany na ramie z możliwością przestawy dzięki napędom. Dla odbioru danych o położeniu, w połączeniu ze znanym globalnym systemem ustawiania położenia, na stacjonarnym pojeździe pomiarowym jest umieszczony także odbiornik satelity pomiarowego, określany też jako GPS.

Rozwiązanie wymaga zastosowania dwóch niezależnych pojazdów, co wpływa na komplikację konstrukcji co może powodować niedokładność pomiaru i wpływać na czas pomiaru.

Ponadto wady znanych klasycznych systemów polegają głównie na tym, że ich budowa wpływa na czasochłonności pomiaru w stosunku do zadania, jakim jest inwentaryzacja położenia i ukształtowania osi toru - w przypadku metod quasi statycznych, tj. wykorzystujących tachimetrię. Również konieczność dowiązywania się do stosunkowo gęsto rozmieszczonej wzdłuż toru osnowy wprowadza dodatkowe problemy związane z jej stabilizacją i późniejszym utrzymaniem.

Nowe systemy GNSS, pracujące w trybie mobilnym, charakteryzują się dodatkowymi błędami wynikającymi z lokalizacji położenia odbiorników na pewnej wysokości nad płaszczyzną osi toru, przy występowaniu jej pochyleń w kierunku podłużnym i poprzecznym. Implikuje to konieczność złożonych do przeprowadzenia korekt wyników pomiaru, dla których kluczowym problemem staje się przy tym konieczność określania w każdym punkcie pomiarowym kierunków osi układu współrzędnych w płaszczyźnie poziomej. W tego typu pomiarach można stosować specjalnie skonstruowane wózki, standardowe wagony czy też drezyny bądź lokomotywy.

Celem opracowanego wynalazku było wyeliminowanie tych wad i opracowanie układu pomiarowego pozwalającego na dokonanie dokładnego pomiaru z możliwością automatyzacji obliczeń pomiarowych. Cel ten uzyskano poprzez opracowanie miejsca położenia odbiorników nawigacji satelitarnej.

Układ do pomiaru współrzędnych toru, który zawiera minimum dwa odbiorniki nawigacji satelitarnej GNSS zamocowane poprzez znany środek mocujący na spodarce, stanowiącej platformę pojazdu, do podłogi pojazdu, charakteryzuje się tym, że układ mocowany jest na wagonie kolejowym co najmniej dwuwózkowym zaś pierwszy odbiornik i drugi odbiornik usytuowane są na spodarce na tych samych wysokościach i równolegle względem poziomego i prostego toru i zamocowane do podłogi wagonu w pionowej pierwszej osi symetrii i pionowej drugiej osi symetrii czopa skrętu dla każdego wózka. W widoku z góry pierwszy odbiornik i drugi odbiornik położone są w miejscu przecięcia poziomej pierwszej osi i poziomej drugiej osi i poziomej trzeciej osi symetrii czopów skrętu, a ponadto pierwszy odbiornik i drugi odbiornik tworzą bazę sztywną do wyznaczania współrzędnych toru i ich położenie na spodarce wyznacza dwa krańce bazy sztywnej.

Korzystnie, układ zawiera dwa odbiorniki satelitarne, które zamocowane są sztywno na tych samych wysokościach do platformy czyli spodarki co umożliwia sprowadzenie wyników do wspólnego poziomu względem poziomego i prostego toru.

Wynalazek opiera się na opracowaniu sposobu pomiaru, a co za tym idzie układu montowanego na pojeździe szynowym - wagonie, do wyznaczania położenia osi toru kolejowego. Układ opiera się na co najmniej dwóch odbiornikach satelitarnych GNSS i sposobie ich umieszczenia na sztywnej konstrukcji pojazdu szynowego. Dwa odbiorniki ustawione są w ściśle ustalonym miejscu. Kolejny odbiornik może być umieszczony w innej lokalizacji w celu wyrównania obserwacji GNSS z wykorzystaniem rachunku wyrównawczego obliczania współrzędnych. Taki sposób ścisłego określenia położenia dwóch odbiorników GNSS umożliwia wyznaczenie długości tzw. bazy sztywnej. W najprostszej konfiguracji dwa odbiorniki satelitarne umieszcza się nad czopami skrętu w osiach pionowych tych czopów skrętu lub nad punktami przecięcia wspomnianych osi symetrii wagonu o konstrukcji sztywnej. Wykorzystanie współrzędnych odbiorników GNSS, tworzących tzw. wektor bazowy platformy pomiarowej, pozwala ocenić prawidłowość wyniku pomiaru lokalizacji osi toru w globalnym układzie współrzędnych, co jest istotną zaletą tego sposobu pomiaru.

Dzięki tak określonej przemieszczającej się bazie sztywnej staje się możliwa komputerowa automatyzacja obliczeń w zakresie korygowania pomierzonych współrzędnych w mobilnych pomiarach satelitarnych, identyfikacji odcinków prostych toru oraz odcinków położonych w łuku, wyznaczania współrzędnych punktów głównych i kątów zwrotu trasy, określania krzywizny toru, szacowania wartości promienia łuku kołowego i długości krzywych przejściowych, określania kąta obrotu - szczególnie Państwowego Układu Współrzędnych Geodezyjnych PL-2000 - dla uzyskania lokalnego układu współrzędnych, w którym odbywać się będzie ocena istniejącego układu geometrycznego w rejonie zmiany kierunku trasy i projektowanie regulacji tego układu oraz znaczenia parametrów profilu podłużnego trasy (pochyleń podłużnych i promieni łuków wyokrąglających).

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunku, na którym na fig. 1 uwidoczniono szkic pojazdu pomiarowego, np. kolejowego wagonu platformy z usytuowanymi odbiornikami GNSS tworzącymi bazę sztywną w widoku z boku, a na fig. 2 pokazano platformę wagonu czyli spodarkę w widoku z góry.

Spis oznaczeń:

- wagon czyli pojazd,

- pierwszy wózek,

- drugi wózek,

- pionowa pierwsza oś symetrii czopa skrętu dla wózka,

- pionowa druga oś symetrii czopa skrętu dla wózka, 6 - tor,

- pierwszy odbiornik GNSS,

- drugi odbiornik GNSS,

- pozioma pierwsza oś symetrii czopa skrętu,

- pozioma druga oś symetrii czopa skrętu,

- pozioma trzecia oś symetrii czopa skrętu,

- środek wagonu,

- spodarka, 14 - podłoga.

Przykład

Wyznaczanie współrzędnych położenia osi toru za pomocą układu montowanego na pojeździe szynowym - wagon 1 kolejowy z dwoma wózkami jezdnymi tj. pierwszym wózkiem 2 i trzecim wózkiem 3.

Jak zaprezentowano na fig. 1, w prezentowanym przykładzie realizacji, na wagonie 1 kolejowym o dwóch wózkach jezdnych dwuosiowych - pierwszy wózek 2, drugi wózek 3, znajdującym się na kolejowym torze 6 prostym i poziomym, umieszczono przy wykorzystaniu znanych metod pozycjonowania dwa odbiorniki GNSS tj.: pierwszy odbiornik GNSS 7, drugi odbiornik GNSS 8 - zamontowane sztywno na przedłużeniu pionowych osi - pionowej pierwszej osi symetrii 4 i pionowej drugiej osi symetrii 5 czopów skrętu wózków wagonu 1 - jedna oś dla jednego wózka - na spodarce 13 czyli platformie wagonu 1. Odległość między odbiornikami stanowi długość bazy sztywnej. Baza sztywna to odległość pomiędzy wyżej wymienionymi osiami pionowymi czopów skrętu dla wagonu 1 o konstrukcji dwu-wózkowej lub odległość pomiędzy punktami przecięcia wzdłużnej osi symetrii z osiami skrajnych zestawów kołowych - dla wagonów 1 o konstrukcji sztywnej (dwu lub trzyosiowych).

Na fig. 1 pokazano pionowe osie symetrii czopa skrętu dla każdego wózka, przy czym pierwszy odbiornik GNSS 7 i drugi odbiornik GNSS 8 usytuowane są za pomocą znanej mechanicznej konstrukcji mocującej spodarkę 13 z odbiornikiem, do podłogi 14 wagonu 1 w pionowej osi symetrii czopa skrętu w widoku z boku: tj. pionowej pierwszej osi 4 czopa skrętu, pionowej drugiej osi 5 czopa skrętnego. Odbiorniki GNSS tworzące bazę sztywną, są zamontowane na spodarce 13, stanowiącej platformę wagonu 1 równoległą do podłogi 14 wagonu 1, na tych samych wysokościach względem poziomego i prostego toru 6, wzdłuż pionowych osi czopów skrętu wózków jezdnych wagonu 1 w tej samej odległości od środka 12 wagonu 1.

Na fig. 2 przedstawiono poziome osie symetrii dla położenia czopów skrętu w widoku z góry na wagon na spodarkę 13 czyli platformę: pozioma pierwsza oś 9 symetrii dla położenia czopów skrętu wagonu 1, pozioma druga oś symetrii 10 przecinająca poziomą pierwszą oś symetrii 9, i pozioma trzecia oś symetrii 10 przecinająca poziomą trzecią oś symetrii 11, wyznaczające położenie czopów skrętów wagonu 1. Pierwszy odbiornik GNSS 7 i drugi odbiornik GNSS 8 usytuowane są pionowo na przecięciu wyżej wymienionych poziomych osi symetrii czopów skrętu.

Stosuje się dwa odbiorniki systemu GNSS 7, 8, które zamontowane są na wagonie 1 kolejowym we wspomnianym wyżej wymienionym umożliwiając wyznaczenie położenia wspomnianych miejsc charakterystycznych wagonu 1, tj. osi czopów skrętu i miejsc przecięcia rzutu poziomego wzdłużnej osi symetrii i osi skrajnych zestawów kołowych. Tak zamocowane odbiorniki nawigacji satelitarnej wyznaczają bazę sztywną w przedstawionej konstrukcji, co pozwala na szybsze i dokładniejsze wyznaczanie współrzędnych osi toru 6, na podstawie współrzędnych obydwu krańców wspomnianej bazy. Poprzez precyzyjne wyznaczenie odległości między odbiornikami GNSS na platformie pomiarowej - czyli na spodarce 13 umożliwiona jest ocena jakości i kontrola poprawności prowadzonych mobilnych pomiarów satelitarnych. Na podstawie porównania rzeczywistej odległości między odbiornikami, która wyznacza długość bazy sztywnej, a odległości obliczonej z wyników pomiarów satelitarnych można ocenić poprawność i jakość pomiarów satelitarnych. Dodatkowe pomiary kątów pochylenia poprzecznego i wzdłużnego względem bazy sztywnej za pomocą techniki GNSS np. inklinometrów umożliwiają, poprzez przekształcenia geometryczne, korektę wyników pomiarów uzyskanych z odbiorników GNSS do płaszczyzny toru 6.

Można zamontować kolejne odbiorniki GNSS w innej lokalizacji - nie na przedłużeniu pionowej osi czopów skrętu wózków wagonu, celem dokładniejszego obliczenia współrzędnych z wykorzystaniem rachunku wyrównawczego. Istotą jest jednak umieszczenie dwóch odbiorników jak opisano wyżej.

Baza sztywna w czasie jazdy wagonu 1 umożliwia wyznaczanie współrzędnych toru, jako współrzędnych obydwu krańców bazy wyznaczonych przez odbiorniki satelitarne GNSS, i która to przemieszczająca się baza sztywna umożliwia orientację położenia pojazdu pomiarowego w zewnętrznym układzie współrzędnych geodezyjnych, w tym w układzie PL-2000.

Jeżeli pojazd wyposażony jest w przetworniki mierzące kątowe pochylenia poprzeczne i podłużne, oraz przetworniki pozwalające na określanie przemieszczeń poprzecznych pojazdu wynikających z ruchu układu biegowego pojazdu względem toków szynowych, to możliwe jest wyznaczanie bieżących wartości korekt położenia, wynikających z relacji geometrycznych bazy i wyników uzyskanych ze wspomnianych przetworników pomiarowych, które to korekty pozwalają na sprowadzenie wyznaczonych współrzędnych satelitarnych do poziomu płaszczyzny toru w stanie projektowym i określenie osi toru.

Wyznaczana oś toru leży na płaszczyźnie łączącej górne powierzchnie toków szynowych. Na podstawie współrzędnych odbiorników GNSS stanowiących bazę sztywną, tj. wyznaczonej orientacji pojazdu pomiarowego możliwe jest identyfikowanie odcinków prostych toru i odcinków toru położonych w łuku, jak również wyznaczanie współrzędnych punktów głównych i kątów zwrotu trasy, określania krzywizny toru 6, oszacowanie wartości promienia łuku kołowego i długości krzywych przejściowych, a także określanie kąta obrotu zewnętrznego układu współrzędnych geodezyjnych, w tym PL-2000, na potrzeby uzyskania lokalnego układu współrzędnych. W lokalnym układzie współrzędnych odbywać się będzie ocena istniejącego układu geometrycznego toru w rejonie zmiany kierunku trasy i projektowanie regulacji tego układu, i która to przemieszczająca się baza sztywna umożliwia ponadto identyfikowanie położenia odcinków linii o jednostajnym pochyleniu wzdłużnym oraz określanie lokalizacji i wartości załomów profilu podłużnego, a ponadto przemieszczająca się baza sztywna umożliwia oszacowanie wartości promieni łuków zaokrąglających załomy profilu podłużnego oraz określanie lokalizacji tych łuków.

Claims (2)

1. Układ do pomiaru współrzędnych toru, który zawiera minimum dwa odbiorniki nawigacji satelitarnej zamocowane poprzez znany środek mocujący na spodarce, stanowiącej platformę pojazdu, do podłogi pojazdu, znamienny tym, że układ mocowany jest na wagonie (1) kolejowym, co najmniej dwuwózkowym, przy czym pierwszy odbiornik GNSS (7) i drugi odbiornik GNSS (8) usytuowane są na spodarce (13) na tych samych wysokościach i równolegle względem poziomego i prostego toru (6) i zamocowane do podłogi (14) wagonu (1) w pionowej pierwszej osi symetrii (4) i pionowej drugiej osi symetrii (5) czopa skrętu dla każdego wózka, a w widoku z góry pierwszy odbiornik GNSS (7) i drugi odbiornik GNSS (8) położone są w miejscu przecięcia poziomej pierwszej osi symetrii (9) i poziomej drugiej osi symetrii (10) i poziomej trzeciej osi symetrii (11) czopów skrętu, a ponadto pierwszy odbiornik GNSS (7) i drugi odbiornik GNSS (8) tworzą bazę sztywną do wyznaczanie współrzędnych toru i ich położenie na spodarce (13) wyznacza dwa krańce bazy sztywnej.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że układ zawiera dwa odbiorniki satelitarne GNSS, które zamocowane są sztywno na tych samych wysokościach.