И.Н. Розенберг, Н.В. Сазонов,Б.Ш. Альтшулер, У.Д. Самратов Инфраструктура пространственных данных ОАО «Российские железные дороги»
(на примере высокоскоростной магистрали Москва Санкт-Петербург)
Инфраструктура пространственных данных ОАО «Российские железные дороги» станет составной частью Российской инфраструктуры пространственных данных
И.Н. Розенберг (ВНИИАС МПС России) В 1987 г. окончил Таганрогский государственный радиотехнический институт (ТРТИ) по специальности «автоматика и телемеханика». Руководил научно-исследовательскими подразделениями ТРТИ и Института проблем информатики РАН. Автор и научный руководитель ряда крупных работ в области создания математических моделей и построения программно-аппаратных средств информационно-управляющих систем. С 2000 г. заместитель директора ВНИИАС МПС России. Главный конструктор геоинформационных систем и систем управления инфраструктурой железнодорожного транспорта, кандидат технических наук. Область интересов системы моделирования, принятия решений и обработки картографической информации, создание автоматизированных систем на базе ГИС-технологий.
Н.В. Сазонов (ВНИИАС МПС России) В 1969 г. окончил Московский физико-технический институт по специальности «динамика полета и управление». Работал в НПО «Энергия», Госцентре «Природа» ГУГК СССР, на руководящих должностях во ВНИЦ «АИУС-агроресурсы» МСХ СССР и Федеральном кадастровом центре «Земля» Росземкадастра. Один из ведущих разработчиков первой в СССР системы аэрокосмического мониторинга в интересах сельского хозяйства страны «АИУС-агроресурсы» и автоматизированной системы ведения государственного земельного кадастра. С мая 2005 г. заместитель заведующего Отделением автоматизированных систем управления инфраструктурой и геоинформационных технологий на железнодорожном транспорте ВНИИАС МПС России. Лауреат Государственной премии СССР в области науки и техники, кандидат технических наук. Область интересов дистанционное зондирование Земли, создание автоматизированных систем на основе ГИС-технологий.
Б.Ш. Альтшулер (ВНИИАС МПС России) В 1963 г. окончил Московский институт инженеров землеустройства по специальности «инженерная геодезия». Работал на руководящих должностях во Всесоюзном институте сельскохозяйственных аэрофотогеодезических изысканий МСХ СССР, с 1998 г. генеральный директор Федерального кадастрового центра «Земля» Росземкадастра. Один из ведущих разработчиков автоматизированной системы ведения государственного земельного кадастра. С декабря 2004 г. ведущий научный сотрудник ВНИИАС МПС России. Лауреат премии им. Ф.Н. Красовского, кандидат технических наук. Область интересов методы и технологии ведения государственного земельного кадастра и мониторинга земель.
У.Д. Самратов (ВНИИАС МПС России) В 1962 г. окончил Омский сельскохозяйственный институт по специальности «инженерная геодезия». Работал на руководящих должностях в системе МСХ СССР, ГУГК СССР, с 1990 г. в системе Госкомзема России Росземкадастра: начальник управления, генеральный конструктор Системы спутникового межевания и мониторинга земель России, главный редактор Атласа земель России. С марта 2005 г. ведущий научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института информатизации, автоматизации и связи (ВНИИАС) МПС России. Член МОК EUPOSў. Лауреат премии им. Ф.Н. Красовского, лауреат Губернской премии Самарской области, кандидат технических наук. Область интересов методы и технологии спутникового межевания и аэрокосмического мониторинга земель.
Как известно, руководством страны принято решение о развитии высокоскоростного движения между крупными городами. Приоритетным является создание высокоскоростных магистралей (ВСМ) на направлениях, входящих в международные транспортные коридоры № 2 (Берлин Варшава Минск Москва Нижний Новгород) и № 9 (Хельсинки Санкт-Петербург Москва Киев Кишинев Бухарест Александруполис). Начаты подготовительные работы по созданию ВСМ Москва Санкт-Петербург. В 1996 2000 гг. проведена реконструкция указанной магистрали: фактически построена новая железная дорога, отвечающая требованиям, предъявляемым к ВСМ. В апреле 2005 г. выполнены первые испытания контактной сети, адаптированной для высокоскоростного движения. 11 апреля 2005 г. ОАО «Российские железные дороги» (РЖД) и компания Siemens AG (Германия) подписали соглашение о совместном производстве в России высокоскоростных поездов. Планируется, что первый рейс высокоскоростного поезда из Москвы в Санкт-Петербург состоится в начале 2008 г. Прогнозируемая чистая прибыль от эксплуатации ВСМ в течение 30 лет ожидается около 100 млрд руб. Срок окупаемости проекта девять лет.
Повышение скорости движения поездов является приоритетной задачей развития железнодорожного транспорта в индустриально развитых странах мира. В Германии, Франции, Швейцарии, ряде других стран Западной Европы, а также в Японии высокоскоростные поезда составляют реальную конкуренцию авиатранспорту. При этом в мировой практике повышение скорости движения поездов реализуется в два этапа:
на первом этапе под скоростное движение реконструируются действующие железные дороги для обеспечения движения пассажирских поездов со скоростью до 200 км/ч;
на втором создаются специализированные ВСМ для обеспечения движения пассажирских поездов со скоростью до 350 км/ч.
В Западной Европе эксплуатируется около 3 тыс. км высокоскоростных магистралей. Европейский опыт свидетельствует о значительных преимуществах ВСМ:
существенно увеличивается пропускная способность железнодорожных магистралей;
повышаются надежность и безопасность эксплуатации железных дорог;
уменьшается время простоя подвижного состава;
увеличивается экономическая эффективность пассажирских перевозок.
Разумеется, высокоскоростное движение предъявляет более высокие требования к инфраструктуре железных дорог, организации непрерывного мониторинга за состоянием пути и принятию оперативных мер по предупреждению и устранению возможных дефектов и деформаций.
Пространственные данные
Под пространственными данными понимают данные о пространственных объектах, представляющие собой формализованные цифровые модели материальных или абстрактных объектов реального или виртуального мира. Полное цифровое описание пространственного объекта складывается из идентификатора объекта, набора его атрибутов (свойств, характеристик) и параметров локализации (позиционирования) объекта в некоторой системе пространственно-временных координат. В общем случае под пространственным объектом понимают стационарный (неподвижный) или мобильный (движущийся) объект, процесс, явление, относящиеся к земной поверхности, подземному или околоземному пространству.
Позиционирование пространственных объектов осуществляется в общеземных (геоцентрических) или референцных (государственных или региональных) системах координат с указанием времени (эпохи) их установления. К геоцентрическим системам относятся ПЗ 90 (геоцентрическая система координат «Параметры Земли» на эпоху 1990 г.) и WGS 84 (World Geodetic System Всемирная геодезическая система координат на эпоху 1984 г.), к референцным СК 42 и СК 95 (государственные геодезические системы координат на эпохи 1942 г. и 1995 г.), ЕTRS 89, ETRF 89 (European Terrestrial Reference System, European Terrestrial Reference Frame Европейская наземная референцная система координат и ее реализация на эпоху 1989 г.) и др. На практике также применяют местные системы координат, связь которых с геоцентрическими и референцными системами координат осуществляется с помощью уравнений связи (ключей перехода).
В условиях стремительного развития геоинформационных технологий, телекоммуникаций, большого объема и распределенного хранения пространственных данных в России и за рубежом начали формироваться инфраструктуры пространственных данных (ИПД), представляющие собой информационно-телекоммуникационные системы, обеспечивающие доступ пользователей к ресурсам пространственных данных в режиме реального времени.
Формирование национальных ИПД начато в США, Канаде и в других развитых странах мира. По заданию Минэкономразвития России ГИС-Ассоциация разработала проект Концепции формирования Российской инфраструктуры пространственных данных (РИПД), который предусматривает создание ИПД как по стране, так и по отдельным регионам и отраслям экономики.
ИПД ОАО «Российские железные дороги» информационно-телекоммуникационная система, обеспечивающая доступ пользователей к распределенным базам пространственных данных, их распределение и обмен как в режиме реального времени, так и в режиме постобработки. ИПД РЖД станет составной частью Российской инфраструктуры пространственных данных.
Концептуально ИПД РЖД можно представить состоящей из следующих компонентов:
система координатно-временного обеспечения (КВО);
система мониторинга ИПД система регулярного наблюдения за состоянием пространственных объектов ЖД, выявления изменений, произошедших за определенный промежуток времени, оценки этих изменений с целью принятия решений по предупреждению и устранению последствий негативных процессов и явлений;
ГИС система накопления, обработки, хранения и доставки пространственных данных до потребителя с использованием современных программно-технических средств и средств телекоммуникаций;
система технического регулирования, стандартизации и сертификации продукции и услуг, производимых (оказываемых) для ИПД РЖД;
система экономического анализа и менеджмента ИПД.
Система координатно-временного обеспечения
На современном этапе научно-технического прогресса наиболее перспективным методом создания системы КВО является метод спутникового позиционирования, основанный на использовании глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС): ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, Россия) и GPS (Global Positioning System, США). В 2007 г. Европейский Союз намерен ввести в эксплуатацию собственную ГНСС, получившую название Galileo.
При использовании ГНСС точность позиционирования в абсолютном режиме составляет 4 15 м. Однако для ряда применений, например, геодезии, земельного кадастра, съемки населенных пунктов, мониторинга железных дорог, инженерных коммуникаций, навигации транспортных средств и судов на узких фарватерах и т. п. такая точность недостаточна.
Для повышения точности определения координат разработан дифференциальный метод спутникового позиционирования DGPS (differential GPS), который реализуется с помощью стационарных (референцных) станций, установленных в точках с известными геодезическими координатами. Сравнивая координаты референцной станции, полученные по результатам наблюдения спутников, с ее известными координатами, можно определить так называемые дифференциальные поправки к координатам мобильного спутникового приемника, установленного на определяемой точке в зоне действия референцной станции.
Известны широкодиапазонные DGPS, например WAAS (Wide Area Augmentation System широкодиапазонная корректирующая система), которые обеспечивают точность позиционирования 0,4 0,5 м при расстояниях несколько сотен километров между референцными станциями, а также глобальная DGPS: GGN NASA (Global GPS Network National Aeronautics and Space Administration Глобальная GPS-сеть Национальной администрации по аэронавтике и исследованию космического пространства США) с очень редкой сетью (около 60 на земной шар) референцных станций, обеспечивающая точность порядка 0,1 м в плане и 0,2 м по высоте.
Наиболее высокую точность позиционирования обеспечивают региональные (национальные) DGPS. Одной из успешно функционирующих национальных DGPS является сеть SAPOS (Satellitenpositionierungsdienst Служба спутникового позиционирования), созданная AdV Рабочим сообществом геодезических управлений федеральных земель ФРГ. Сеть SAPOS, состоящая из 250 референцных станций, обслуживает территорию ФРГ. Расстояние между референцными станциями колеблется от 40 до 70 км. Сеть SAPOS в режиме RTK (Real Time Kinematic режим реального времени) обеспечивает точность позиционирования 1 см, а в режиме постобработки 1 мм. В режиме RTK дифференциальные поправки доставляются до потребителя с помощью мобильной связи в формате RTCM SC-104 (Radio Technical Commission for Maritime Services Радиотехническая комиссия морской службы, специальный комитет SC-104), в режиме постобработки используется формат RINEX (Receiver Independent Exchange Format формат обмена спутниковыми данными). В качестве обязательного стандарта мобильной связи в режиме RTK принят стандарт GSM (Global System for Mobile Communications стандарт мобильной связи общего назначения).
Для железных дорог Европы установлен специальный стандарт мобильной связи GSM-R. В отличие от сетей GSM общего пользования, где применяется широкая палитра оконечных устройств, число приборов, пригодных для использования в сети GSM-R, ограничено. Эти приборы разработаны специально для применения на железнодорожном транспорте. Сети GSM-R позволяют удовлетворять особые потребности железных дорог за счет применения групповых и циркулярных вызовов, а также механизма приоритетов, который может функционировать при разных уровнях загрузки сети, что обеспечивает экстренный вызов поезда в любое время даже при занятых ресурсах.
Национальные DGPS, аналогичные сети SAPOS, созданы в Швеции, Швейцарии и других странах. В рамках Европейской системы спутникового позиционирования (EUPOS European Position Determination System) начато создание национальных сетей DGPS, подобных SAPOS, в странах Центральной и Восточной Европы. Россия также участвует в проекте EUPOS. Однако усилия представителей России в EUPOS сдерживаются из-за ограниченных финансовых возможностей и неоправданных ограничений на использование геодезических координат.
В качестве системы КВО высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва Санкт-Петербург предлагаем использовать сеть из 28 30 референцных станций ГЛОНАСС/GPS на расстоянии от 40 до 70 км друг от друга, для чего в системе следует предусмотреть:
сетевой центр для приема, обработки и передачи спутниковой информации на объекты железнодорожного транспорта;
приемники GPS для позиционирования объектов железнодорожного транспорта, включая путеизмерительные вагоны и тележки (платформы);
средства мобильной радиосвязи, работающие в стандарте GSM-R, принятом для железных дорог.
Референцные станции с помощью волоконно-оптической линии связи железной дороги будут соединены с сетевым центром, размещаемым в Москве. Для передачи дифференциальных поправок на объекты железнодорожного транспорта на магистрали предлагается внедрить общеевропейский стандарт мобильной связи GSM-R, учитывающий повышенные требования к безопасности на железнодорожном транспорте.
Система мониторинга инфраструктуры пространственных объектов
Под системой мониторинга ИПД железных дорог следует понимать систему наблюдений за состоянием пространственных объектов железной дороги, выявления изменений, оценку этих изменений и выработку рекомендаций по предупреждению и устранению последствий негативных процессов и явлений.
Для осуществления эффективного мониторинга пространственных объектов РЖД необходимо соблюдение единых требований к целостности ИПД:
1. Единая система координат:
государственная (референцная) система координат СК 42 (СК 95), европейская наземная референцная система ETRS 89;
местные системы координат, имеющие надежную связь с государственной системой координат.
2. Единая опорная (реперная) геодезическая сеть РЖД.
3. Единая система координатно-цифрового описания пространственных объектов типа CNTD.
4. Единая система национальных регламентов и стандартов, гармонизированных с международными стандартами ISO (International Standards Organisation) и Open Geospatial Consortium, Inc. (США) в сфере железнодорожного транспорта.
5. Единая система управления качеством в области создания ИПД РЖД.
Одним из узловых моментов мониторинга ИПД является формирование перечня пространственных объектов РЖД, за состоянием которых следует установить систематический мониторинг. В таблице приведен агрегированный перечень пространственных объектов РЖД, который в дальнейшем должен быть детализирован и утвержден в качестве нормативно-технического документа, регламентирующего деятельность всех участников мониторинга ИПД РЖД.
В окончательном виде создание детального перечня пространственных объектов связано с их координатно-цифровым описанием. В Европе для описания железнодорожных путей разработана система координатно-цифрового описания путей (Coordinate Based Numerical Track Description CNTD), которая базируется на использовании международной системы стандартизации ISO. Безусловно, необходимо будет разработать отечественные стандарты координатно-цифрового описания пространственных объектов РЖД, гармонизированные с международными и европейскими стандартами.
Технические средства мониторинга инфраструктуры пространственных данных
В соответствии со свойствами пространственных объектов должен быть выбран комплекс технических средств и технологий, необходимых для мониторинга пространственных, механических, физико-химических и иных характеристик объектов железной дороги. Основной тенденцией в создании и совершенствовании комплекса технических средств и технологий мониторинга пространственных объектов является применение цифровых дистанционных (аэрокосмических и наземных) средств зондирования, стационарных и мобильных многофункциональных средств измерения и диагностики, ГИС, IP и других технологий.
Агрегированный перечень пространственных объектов РЖД
Агрегированные
Координаты и время позиционирования
Атрибуты
Требуемая точность позиционирования
Требуемая частота мониторинга
1
2
3
4
5
Границы административно-территориальных образований (АТО)
Координаты и коды АТО, дата установления границ
Сведения об установлении границ на местности
Сантиметровая, дециметровая (согласно Инструкции по межеванию земель)
По мере изменения границ
Границы полос отвода (земельных участков) железной дороги
Координаты и кадастровые номера, дата межевания земель
Сведения о межевании земель, наличии сервитутов, ограничений и обременений
Сантиметровая, дециметровая (согласно Инструкции по межеванию земель)
По мере совершения сделок с землей
Сооружения и устройства путевого хозяйства
Координаты и дата съемки
Масштабные планы, продольные профили, характеристики верхнего строения пути, дефекты и деформации пути
Миллиметровая, сантиметровая, дециметровая (в зависимости от пространственного объекта путевого хозяйства)
Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и Инструкции по содержанию искусственных сооружений*
Сооружения и устройства электроснабжения железных дорог
Координаты и дата обследования
Типы опорных устройств и контактных подвесок, габариты устройств, электрическое напряжение, расположение проводов в плане, длина пролетов и др.
Сантиметровая, дециметровая, результаты оценки состояния рабочей поверхности и износа контактного провода и др.
Согласно Правилам устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог*
Сооружения и устройства сигнализации, связи и вычислительной техники
Координаты и дата обследования
Типы сооружений и устройств, характеристики их состояния
Сантиметровая, дециметровая, результаты оценки состояния сооружений и устройств
Согласно Инструкции по сигнализации на железных дорогах Российской Федерации*
Сооружения и устройства локомотивного и вагонного хозяйств, водоснабжения и канализации
Координаты и дата обследования
Технические характеристики и состояние сооружений и устройств
Сантиметровая, дециметровая
Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации*
Сооружения и устройства станционного хозяйства
Координаты и дата обследования
Технические характеристики и состояние сооружений и устройств
Сантиметровая, дециметровая
Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации*
Координаты, дата и время позиционирования подвижного состава
Координаты, дата и время позиционирования подвижного состава
Виды и технические характеристики подвижного состава
Сантиметровая, дециметровая, метровая (в зависимости от скорости движения подвижного состава)
Согласно Инструкции по движению поездов и маневровой работе на железных дорогах*
Объекты жилищно-коммунального, социально-культурного и иного назначения в полосе отвода железной дороги
Координаты и дата съемки
Результаты инвентаризации
Сантиметровая, дециметровая (в зависимости от топографических свойств объекта)
Раз в три года
Природные и антропогенные объекты вне полосы отвода железной дороги, при разрушении которых может возникнуть угроза безопасности железнодорожного движения
Координаты, дата и время наблюдения объекта
Скорость изменения пространственных, физико-химических и других характеристик объекта
Дециметровая, метровая
Непрерывные наблюдения в угрожаемые периоды времени по согласованию с природоохранными органами и органами по гражданской обороне и чрезвычайным ситуациям
На российском и мировом рынках имеется широкий выбор средств и технологий мониторинга пространственных объектов. Укажем на некоторые средства и технологии, которые следовало бы внедрить в систему мониторинга объектов РЖД.
Рис. 1. Геометрические характеристики рельсовой колеи и контактной сети
Большой экономический эффект можно получить от применения материалов космической съемки высокого разрешения для мониторинга топографических и кадастровых объектов. В настоящее время цифровые космические снимки, полученные аппаратами IKONOS, QuickBird (США) и др., обеспечивают разрешение на местности 1 м и лучше, что позволяет использовать их для изготовления ортофотопланов в масштабе 1:2500 и мельче. В соответствии с Российской космической программой в 2005 г. предусмотрено осуществить запуск космического аппарата «Ресурс-ДК», который будет поставлять на землю цифровые снимки местности с разрешением 0,6 1,0 м.
Быстрыми темпами идет внедрение в практику изысканий (особенно инженерных) лазерных сканеров воздушного и наземного базирования. Известны лазерные сканеры фирм: Optech, Inc. (Канада), RIEGL Laser Measurement Systems (Австрия), Leica Geosystems (Швейцария) и др., которые находят применение и для съемки пространственных объектов железных дорог.
Рис. 2. Позиционирование объектов железнодорожного транспорта с использованием GPS и ГЛОНАСС
Основными средствами позиционирования объектов стали спутниковые геодезические приемники компаний Leica Geosystems, THALES (США), Trimble Navigation (США) и др. Для съемки железнодорожных путей большой интерес вызывает прибор GPS1200/TPS1200 (Leica Geosystems), представляющий собой гибрид спутникового геодезического приемника и электронного тахеометра. Удачное сочетание этих двух геодезических приборов позволяет примерно в 2 2,5 раза увеличить производительность труда в условиях плотно застроенной территории.
Для измерения геометрических характеристик рельсовой колеи, габаритов приближения контактной сети (рис. 1), различного рода дефектов рельсов или железнодорожного полотна применяют специальные путеизмерительные вагоны:
отечественный путеизмерительный вагон типа ЦНИИ-4М, использующий бесконтактные (лазерные) системы контроля геометрических параметров рельсовой колеи. Для контроля параметров плана и профиля пути на вагоне установлена бесплатформенная лазерная навигационная гиросистема, не содержащая движущихся механических частей и не имеющая уводов во всем диапазоне скоростей движения вагона.
Рис. 3. Съемка туннелей и габаритов приближений с использованием тахеометра
Полученная в результате обработки информация используется для непрерывного контроля параметров состояния и устройства пути, выявления изменений, происходящих в процессе эксплуатации. ЦНИИ-4М единственное диагностическое средство, которое позволяет выявлять неровности пути в плане длиной 40 100 м, оказывающие неблагоприятное воздействие на подвижный состав при скорости движения 160 200 км/ч;
высокоскоростной путеизмерительный вагон компаний Applanix (Канада) и Plasser (США), в основу средств измерений которого положена инерциально-спутниковая система навигации типа POS TG. Комплекс много лет успешно эксплуатируется в США, Канаде, Австрии и других странах;
британская цифровая система TrackMon, устанавливаемая на поездах регулярного сообщения, позволяет оперативно фиксировать ключевые параметры состояния пути, оценивать его усадку после подбивки, предотвращать риски нарушения безопасности движения поездов.
Путеизмерительные вагоны, оснащенные комплексом измерительных, диагностических, вычислительных средств, средств мобильной связи, используются для исследования взаимодействия рельсовой колеи и вагона при прохождении исследуемого участка пути на высокой скорости, т. е. для определения геометрических параметров пути в состоянии нагрузки.
Рис. 4. Съемка туннелей, мостов, опор контактной сети с помощью лазерного сканера
Наряду с путеизмерительными вагонами, применяются легкие путеизмерительные тележки (платформы), которые в основном используются для контроля проектных (заданных) геометрических характеристик рельсовой колеи при строительстве новых или модернизации действующих железных дорог. К таким измерительным средствам относятся тележки АПК «Профиль» Сибирского государственного университета путей сообщения, Leica GRP System FX, Swiss Trоlley и др. При этом для позиционирования объектов железнодорожного транспорта, измерения параметров рельсовой колеи, габаритов приближения элементов мостов, туннелей, контактной сети используются спутниковые геодезические приемники, электронные тахеометры, лазерные сканеры (рис. 2 4).
Практически все современные путеизмерительные устройства основаны на спутниковых системах позиционирования, которые в свою очередь базируются на сети стационарных спутниковых (референцных) станций DGPS.
В заключение следует отметить, что:
эффективное и безопасное функционирование ВСМ Москва Санкт-Петербург, по мнению авторов данной статьи, не может быть обеспечено без установления регулярного мониторинга пространственных объектов ЖД, по точности и периодичности отвечающих требованиям высокоскоростного движения;
современная ИПД высокоскоростных железных дорог должна создаваться с использованием методов дифференциального спутникового позиционирования;
для однозначного и непрерывного описания пространственных объектов железнодорожного транспорта следует разработать и внедрить регламенты и стандарты, соответствующие европейским и международным стандартам.
RSS
Реклама
