Скоростн ая георадиолокационн ая диагностик а балластно го слоя железнодорожного пути
На правах рукописи
Морозов Андрей Владимирович
скоростная георадиолокационная диагностика балластного слоя железнодорожного пути
05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскание и проектирование
железных дорог
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ростов-на-Дону
2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС)
Научный руководитель - доктор физико-математических наук,
профессор
Явна Виктор Анатольевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Курочка Павел Никитович;
кандидат технических наук,
доцент
Абдурашитов Анатолий Юрьевич.
Ведущая организация - Московский государственный
университет путей сообщения (МИИТ).
Защита состоится «28» декабря 2011 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 218.010.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового полка народного ополчения д. 2, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС.
Автореферат разослан « 26 » ноября 2011 года
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 218.010.02,
д.т.н., профессор И.М. Елманов
Общая характеристика работы
Актуальность. Увеличение пропускной способности железных дорог, предусмотренное Стратегической программой развития ОАО «РЖД» на период до 2015 года, связано с повышением скорости движения пассажирских поездов до 250 км/час и грузовых поездов – до 120 км/час при увеличении осевых нагрузок до 30 тонн на ось. Вместе с этим, на сети железных дорог существует большое количество объектов с дефектами и деформациями балластного слоя и земляного полотна, ограничивающими скорость движения подвижного состава и представляющими собой постоянную угрозу безопасности перевозочному процессу.
Использующиеся в настоящее время методы диагностики таких объектов, базирующиеся в основном на визуальных осмотрах и точечном бурении скважин, не обеспечивают в полной мере оперативность получения полной и достоверной информации об их состоянии. Вместе с этим, проведение таких мероприятий в объемах, диктуемых протяженностью сети железных дорог, не рационально в связи с требуемыми материальными затратами. Учитывая, что такая информация необходима для уточнения заданий на проектирование ремонтов и реконструкции железнодорожного пути, а также для проверки качества выполненных работ, вопрос разработки скоростного метода георадиолокационной диагностики балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени и программно-аппаратного комплекса для его реализации является актуальным.
Работа выполнена в рамках реализации плана НТР ОАО «РЖД» по теме «Разработка алгоритмов, регламента и технологий для скоростной георадиолокационной диагностики железнодорожного пути» при поддержке гранта РФФИ № 11-08-13140-офи-м-2011-РЖД и государственного контракта №16.513.11.3125 Министерства Образования и Науки Российской Федерации.
Цель исследований. Разработка методик и программно-аппаратного комплекса (ПАК) для диагностики состояния балластного слоя в системе мониторинга железнодорожного пути с использованием скоростного метода георадиолокации в режиме реального времени.
Задачи исследований.
- Теоретически обосновать возможность количественной обработки радарограмм и создать программно-аппаратный комплекс (ПАК) для диагностики балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени.
- Определить оптимальную высоту подвеса и положение антенных блоков относительно рельсошпальной решетки при решении задач вычисления загрязненности, деформативности и толщины балластного слоя. Составить рекомендации по использованию антенных блоков для диагностики балластного и разделительного слоев, а также подбалластного основания.
- Разработать алгоритмы и методики обработки георадиолокационной информации, позволяющие определять загрязненность, влажность, толщину и структуру балластного слоя, а также геометрические параметры балластных углублений в режиме реального времени.
- Разработать алгоритмы позиционирования георадиолокационной информации в принятой на железных дорогах пикетной системе координат с использованием спутниковых технологий.
- Провести натурную проверку качества информации, получаемой с использованием ПАК в различных природно-климатических условиях в составе диагностических комплексов «Интеграл» и «Декарт».
Методы исследований. Для решения поставленных задач выполнены теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных условиях и на натурных объектах.
Теоретические исследования базируются на классической волновой теории распространения электромагнитного излучения.
Лабораторные исследования выполнены на стенде, моделирующем балластный слой и верхнюю часть земляного полотна железнодорожного пути.
Натурные исследования выполнены на объектах Северо-Кавказской, Горьковской и Московской железных дорог – филиалов ОАО «РЖД».
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Разработаны методики определения загрязненности, влажности и толщины балластного слоя, а также геометрических размеров балластных углублений по результатам количественной обработки георадиолокационных данных в режиме реального времени.
- Для определения электрофизических характеристик балластного материала разработаны методики расчета:
- диэлектрической проницаемости и удельной проводимости среды по видимым границам на радарограмме и величине сигналов, отраженных от них;
- коэффициентов затухания электромагнитного излучения при разной влажности среды.
- Создан программно-аппаратный комплекс для проведения скоростной георадиолокационной диагностики состояния балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени с учетом влияния климатических факторов на результаты его работы.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Программно-аппаратный комплекс для проведения скоростной георадиолокационной диагностики балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени и формирования данных о его толщине, загрязненности, степени увлажнения и деформативности.
- Методики определения влажности и толщины балластного слоя железнодорожного пути по диэлектрической проницаемости и коэффициенту затухания электромагнитного излучения.
- Методика проведения георадиолокационной диагностики железнодорожного пути в составе мобильных средств и диагностических комплексов («Интеграл», «Декарт»), предусматривающая автоматическое заполнение утвержденных форм документов для передачи результатов георадиолокационной диагностики в систему комплексного анализа «Каскад».
Достоверность полученных результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений классической волновой теории распространения электромагнитного излучения. Полученные теоретические результаты, методики обработки георадиолокационных данных и программы для электронных вычислительных систем проверены и подтверждены лабораторными и натурными измерениями.
Практическая значимость работы. Результаты исследований использованы при разработке противодеформационных мероприятий и планировании капитальных ремонтов и реконструкции железнодорожного пути, а также его текущем содержании на объектах Северо-Кавказской, Московской и Горьковской железных дорогах. Разработанный ПАК находится в опытной эксплуатации на Северо-Кавказской железной дороге и используется в диагностических комплексах «Интеграл» и «Декарт».
Разработана технология автоматического формирования утвержденных выходных форм документов, необходимых для передачи результатов георадиолокационной диагностики в систему комплексного анализа «Каскад».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2010); 7-й научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог» (Москва, МИИТ, 2010); на третьей, четвертой, пятой и шестой международных научно-практических конференциях «Инженерная и рудная геофизика-2007, 2008, 2009, 2010» (Геленджик, ГНЦ «Южморгеология», 2007-2009, Москва, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК, получено 2 патента и 2 свидетельства о государственной регистрации программы на ЭВМ РФ.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Основное содержание диссертации изложено на 148 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 95 наименований.
Во введении изложена общая постановка задачи исследований и обоснована ее актуальность. Отмечена научная и практическая значимость исследований и разработанных практических решений. Наиболее значимые результаты сформулированы в виде положений, выносимых на защиту. Приведен список публикаций, в котором отражены основные результаты работы, а также отмечен личный вклад автора в их получении.
В первой главе на основе анализа приоритетных задач железнодорожного транспорта, обоснована необходимость развития скоростных методов диагностики протяженных участков железнодорожного пути, позволяющих получать информацию о состоянии балластного слоя и земляного полотна.
Для своевременного планирования ремонтов и реконструкции железнодорожного пути, а также для оценки их качества необходимо знать уровень загрязнения и влажности балластного материала, толщину балластного слоя, положение и геометрические характеристики балластных углублений. В настоящее время эти характеристики определяются разрушающими методами контроля, например, прямого зондирования, отбором проб материала в трех местах обследуемого километра (согласно Методическим указаниям по обследованию балластного слоя № ЦПТ-16-77), и отражаются в учётных таблицах технического паспорта дистанции пути. Такой способ не обеспечивает достоверность оценки состояния балластного слоя в продольном профиле на большой протяженности. Поэтому необходимы более производительные методы и технологии оценки состояния балластного слоя, включая технологии получения информации в режиме реального времени.
Теоретические основы применения радиоволн для изучения геологических структур были заложены Г. Лови и Г. Леймбахом в 1910-1912 г.г. В 1925 г. первые опытные работы провел А.А. Петровский. В Советском Союзе этой тематикой занимались В.А. Кутев, М.И. Финкельштейн., В.А. Мендельсон. Большой вклад в развитие отечественной георадиолокации внесли ученые М.Л. Владов, А.В. Старовойтов, А.Ю. Калашников и др.
Метод георадиолокационной диагностики активно используется в автодорожной, строительной и других отраслях. Исследованиями в области применения георадиолокационного метода на железнодорожном пути и автомобильных дорогах занимаются ученые Е.С. Ашпиз, Владов М.Л., Грицык В.И., А.Г. Круглый, Г.Г. Коншин, В.В Помозов, Н.П. Семейкин, В.А. Явна и др.
Скоростной диагностикой элементов конструкции пути на железных дорогах мира занимаются ученые и инженеры GBM (Германия), SafeRailSystem (Германия), ZeticaRail (Великобритания), VR-Track Ltd (Финляндия) и GSSI (США), IDS (Италия) и др.
Линейка отечественных дефектоскопов и путеизмерителей, использующих метод георадиолокации для скоростного обследования балластного слоя и земляного полотна, включает в себя комплексы «Интеграл», «Эра» и «Декарт». Необходимо отметить, что программная обработка больших объемов георадиолокационных данных, полученных в результате обследования объектов железнодорожной инфраструктуры, проводится в камеральном режиме, что снижает оперативность получения данных о состоянии балластного слоя. Данный факт и изложенное обобщение отечественного и зарубежного опыта скоростной георадиолокационной диагностики указывает на необходимость совершенствования методик и алгоритмов обработки больших объемов георадиолокационной информации с целью получения параметров, характеризующих состояние объектов железнодорожного пути.
Разрабатываемые в диссертации георадиолокационные технологии диагностики железнодорожного пути призваны решить эту задачу в условиях развитой инфраструктуры в режиме реального времени.
В заключении ервой главы сформулированы цель работы и задачи исследований.
Во второй главе, учитывая,что эксплуатация разрабатываемого ПАК в составе диагностических комплексов будет осуществляться в сложных условиях железнодорожной инфраструктуры, необходимо предусмотреть рациональное размещение его антенных блоков над диагностируемым балластным слоем. В связи с этим, диссертации проведено исследование зависимости величины георадиолокационных сигналов, регистрируемых приемной антенной, от высоты подвеса, частоты используемого излучения, конструкции антенных блоков и наличия железобетонных шпал.
Измерения выполнены в лабораторных условиях в стационарном положении, а также при движении антенных блоков с центральной частотой в диапазоне 1000 – 1700 МГц, размещенных на разных высотах от поверхности балластного слоя.
Средняя величина сигналов, принятых приемной антенной георадара, определялась по формуле:
, (1)
где fm(ti,r) – начение амплитуды m-й трассы в точке i; N – оличество точек в трассе; k – количество трасс в радарограмме; r – высота подвеса антенного блока над уровнем балласта.
Из результатов измерений, представленных на рис. 1, видно, что антенный блок с центральной частотой 1200 МГц, оснащенный рупорной конструкцией из проводящих материалов, обеспечивает малое затухание излучения в процессе подъема антенного блока над уровнем балласта на высоту до 0.7 метра, что достаточно для интегрирования ПАК в состав мобильных измерительных средств. Наблюдаемые флуктуации величин сигналов связаны с проявление эффекта «стоячей волны» электромагнитных волн в пространстве «воздух – грунт».
Установлено, что для интегральной оценки состояния балластного слоя (определения загрязненности, структуры и толщины балластного слоя, оконтуривания балластных углублений, диагностики подбалластного основания) рекомендуется использовать частоту 1200 МГц. Однако, принимая во внимание рост затухания электромагнитного излучения с увеличением частоты, ограниченную мощность и производительность георадиолокационного оборудования для решения конкретных задач диагностики предложено предусмотреть возможность комплектования ПАК антенными блоками других частот коротковолнового СВЧ диапазона. Например, диагностику состояния подбалластного основания рекомендовано проводить с использованием частоты излучения 1000 МГц, в то время как решение задачи определения фракционного состава балластного материала следует связывать с использованием частот 1700 МГц и выше.
В результате анализа экспериментальных данных, полученных с использованием георадиолокационного оборудования, сформулированы следующие требования к его размещению на специализированных диагностических комплексах:
- для минимизации влияние помех от железобетонных шпал, рельсов и конструкции используемой подвижной единицы необходимо обеспечивать излучение импульсов в пространство между шпалами;
- целесообразно размещать антенный блок георадара по плечу балластной призмы; оптимальные высоты его закрепления составляют 0,20 – 0,45 м от поверхности исследуемого балласта.
В третьей главе приведены оригинальные методики вычисления электрофизических характеристик балластного материала: диэлектрической проницаемости и удельной проводимости.
В первом разделе главы приведены результаты экспериментальных измерений и теоретические расчеты интенсивности сигнала, регистрируемого приемной антенной от верхней и нижней границы грунтового слоя (речной песок) при различной его влажности.
Для определения величины сигнала, отраженного от верхней границы образца грунта при различной его влажности, использовано приближение нормального падения электромагнитного излучения:
(2)
где 
и 
– напряженность электрического поля падающей и отраженной волн соответственно; 
- диэлектрическая проницаемость грунта.
Сопоставление теоретических значений и результатов экспериментальных данных, полученных при обработке радарограмм (рис. 2), показало их хорошую сходимость.
Расчет интенсивности сигнала, регистрируемого приемной антенной от нижней границы грунтового слоя при различной его влажности, выполнен по полученной в работе формуле:
(3)
где 2 – диэлектрическая проницаемость подстилающего грунта; р коэффициент затухания; – центральная циклическая частота излучения; r – пройденный волной путь в среде.
На рис. 3 приведены амплитуды сигналов, отраженных от нижней поверхности грунтового слоя, определенные по формуле (3) и из радарограмм. Из сравнения видно, что теория передает экспериментальные закономерности затухания электромагнитного излучения в веществе, что может служить обоснованием принципиальной возможности количественной интерпретации георадиолокационных данных.
Второй раздел главы посвящен разработке методики предварительной обработки радарограмм, полученных на натурных объектах с использованием ПАК, интегрированного в состав подвижных диагностических комплексов.
Для количественной обработки радарограмм предложено из трасс F(r) (рис. 4А) удалять известный сигнал прямого прохождения Ф(r): f(r)= F(r)-Ф(r). При вычислениях по этой формуле абсолютные максимумы трасс F(r) и Ф(r) совмещены в точках по линии С, представленной на рис. 4 А. Коэффициент подобран таким образом, чтобы f(С) = 0. Радарограмма после вычитания сигнала прямого прохождения представлена на рис. 4Б. Трасса этой радарограммы приведена на рис. 4В. Далее, к трассам радарограммы применяется преобразование Гильберта, в результате которого выделяется огибающая. Ее квадрат пропорционален плотности электромагнитной энергии, отраженной обследуемым грунтом и зарегистрированной приемной антенной (рис. 4Г). На рис. 4Д приведена трасса этой радарограммы. Позициями а и б отмечено положение максимумов, связанных с отражением излучения от верхней и нижней границ исследуемой среды.
В третьем разделе главы представлена разработанная методика определения значения диэлектрической проницаемости балластного материала по данным георадиолокации. В основу методики положены результаты, изложенные в первых двух разделах данной главы.
Обозначим 
- напряженность электрического поля сигнала, отраженного поверхностью грунта при изменении его влажности. Тогда с учетом (2) отношение величин сигналов определится соотношением:
, откуда можно получить
. (4)
где 
и 
- диэлектрическая проницаемость грунтовой среды при разном влажностном состоянии.
С другой стороны, изменение влажности грунта приводит к изменению скорости распространения сигнала. В приближении нормального падения электромагнитного излучения на поверхность грунтового слоя можно получить второе уравнение, связывающее диэлектрические проницаемости сред:
, (5)
где 
и 
- видимая толщина слоя, выраженная в точках трассы радарограммы, полученной при разных значениях влажности.
Система уравнений (4-5) позволяет определить диэлектрические проницаемости балластного материала по измерениям, выполненным при различных погодных условиях.
В четвертом разделе главы разработана методика определения удельной проводимости балластного материала 
с влажностью w по известной диэлектрической проницаемости и коэффициенту затухания (р) электромагнитного излучения. Для расчета удельной проводимости получена система уравнений:
; (6)
, (7)
где 
и 
- удельные проводимости грунта при разной влажности; c - скорость электромагнитного излучения в вакууме; 
магнитная постоянная; 
и 
– коэффициенты затухания электромагнитного излучения при разной влажности грунтовой среды.
В пятом разделе главы изложена методика определения изменения влажности балластного материала по известным величинам диэлектрической проницаемости и удельной проводимости, основанная на вычислениях, с использованием полученных в работе формул:
; (8)
, (9)
где 
- изменение влажности; 
- диэлектрическая проницаемость воды.
Дополнительное измерение влажности w в одном из состояний, связанных соотношениями 8 и 9, позволяет определять влажность балластного материала при любых погодных условиях.
Шестой раздел главы посвящен применению разработанных методик для оценки сезонных изменений влажности балластного материала на участке 1928-1932 км Сочинской дистанции пути Северо-Кавказской железной дороги.
В заключение третьей главы сформулированы следующие выводы. Разработаны методика и алгоритмы, позволяющие:
- определять диэлектрическую проницаемость балластного материала по видимым на радарограмме границам балластного слоя и по характеру отражения сигналов;
- определять удельную проводимость балластного материала по величине диэлектрической проницаемости и характеру затухания сигналов;
- определять изменение влажности балластного материала по изменению его электрофизических свойств.
В четвертой главе изложены возможности разработанных программ для электронных вычислительных систем, созданных с учетом предложенных методик, которые совместно с многоканальной аппаратурой для георадиолокационных обследований объединены в ПАК, а также алгоритмы позиционирования георадиолокационной информации в принятой на железных дорогах пикетной системе координат с использованием спутниковых технологий.
Первый раздел главы посвящен изложению метода позиционирования ПАК в железнодорожной системе координат.
Алгоритм действий ПАК по привязке георадиолокационной информации в пикетной системе координат следующий. Из информации, формируемой при регистрации георадиолокационной трассы, выделяется время (Т) ее создания. По данным, полученным со спутника, определяются глобальные географические координаты положения комплекса (широта, долгота) в момент времени Т. Эта информация позволяет привязать радарограммы к глобальным координатам. Используя электронные карты пути, содержащие глобальные координаты километровых железнодорожных столбов и объектов инфраструктуры, определяется положение трассы в принятой на железных дорогах системе отсчета.
На рис. 5 приведен фрагмент радарограммы, полученный при обследовании участка Туапсе - Сочи СКЖД после применения выше описанного алгоритма. Вертикальными линиями отмечены километр/пикет в проектной системе отсчета.
Помимо положения километровых/пикетных столбов, на приведенной радарограмме отмечены искусственные сооружения, координаты осей которых содержатся в электронной карте пути, а также усредненные характеристики балластного слоя: «Загрязненность», «Толщина балластного слоя», «Однородность балластного слоя» и «Степень деформативности».
Для выяснения степени надежности данных о загрязненности балластного материала, исследовано влияние на работу ПАК следующих факторов:
- толщины полосы балластного слоя, учтенного при расчетах;
- положения антенных блоков относительно оси пути;
- статистических разбросов результатов, полученных при одинаковых условиях обследования;
- типа используемых антенных блоков;
- погодных и сезонных условий.
Необходимые для исследований измерения выполнены на участке Туапсе - Сочи Северо-Кавказской железной дороги.
Во втором разделе главы апробированы численные процедуры определения загрязненности балластного материала.
В третьем разделе главы приведены результаты определения загрязненности балластного материала с использованием ПАК и проведена их натурная проверка. Результаты исследований второго и третьего раздела приведены на рис. 6 совместно с результатами просева балластного материала согласно Методическим указаниям ЦПТ-16-77. Результаты просева получены усреднением пикетных значений загрязненностей и расположены на рисунке в порядке их возрастания. Необходимые для расчетов георадиолокационные данные получены вдоль плеча балластной призмы.
Наблюдается хорошее согласие результатов расчета и натурных измерений загрязненности. Коэффициент корреляции, рассчитанный по Пирсону, составил 0.96.
В четвертом разделе главы определено влияние стабильности работы георадара на результаты обследований, для чего проведены измерения на выбранном участке пути с интервалом, не превышающем 5 часов. Георадиолокационные измерения выполнены в скоростном режиме записи. Установлено, что погрешность измерений не превышает 10 % величины отражательной способности.
В пятом разделе главы выяснено влияние погодных и сезонных условий на результаты определения степени загрязненности балластного материала с использованием ПАК. Необходимые натурные исследования выполнялись в течение года с использованием антенного блока АБ-1200 МГц.
Шестой раздел главы посвящен проверке работы ПАК по определению толщины балластного слоя. На рис. 7 результаты георадиолокационного профилирования балластного слоя сопоставлены с результатами инструментальных измерений, полученных методом прямого зондирования и отмеченных квадратами. Видно, что при инструментальных измерениях возможны погрешности, связанные с определением положения разных слоев балластной призмы. Дополнительные исследования показали, что после учета ее слоистой структуры, все результаты расчета согласуются с результатами инструментальных измерений с точностью до 0.05 м.
В завершении четвертой главы выполнен анализ полученных результатов и сделаны следующие выводы:
- измерения, проводимые по плечу балластной призмы железнодорожного пути, лучше согласуются с результатами натурных измерений;
- результаты сравнительных испытаний антенных блоков с центральными частотами 1000 МГц, 1200 МГц, 1700 МГц показали, что наилучшее согласие расчетного значения величины загрязненности балластного материала и натурных измерений, получено с использованием АБ 1200 МГц, оснащенной рупорной конструкцией из проводящих материалов, что согласуется с результатами лабораторных испытаний;
- погодные условия оказывают влияние на результаты определения загрязненности балластного материала, что можно компенсировать математическими методами;
- тарировку ПАК по определению толщины балластного слоя необходимо проводить с учетом его многослойной структуры.
В пятой главе приведены результаты опытной эксплуатации ПАК на объектах Северо-Кавказской, Московской и Горьковской железных дорог.
Первый раздел главы посвящен анализу возможности использования ПАК для проверки качества ремонтов железнодорожного пути. Необходимые работы выполнены на объектах Северо-Кавказской железной дороги. Результаты работы ПАК приведены на рис. 8, где черным цветом отмечены участки с отклонением контролируемого параметра, превышающим предельно допустимые значения.
Для параметров «Загрязненность» и «Толщина балластного слоя» использованы предельные значения согласно Техническим условиям на работы по ремонту и планово-предупредительной выправке пути (ЦПТ-53). Предельные значения предложенных в данной работе дополнительных характеристик «Однородность» и «Степень деформативности» балластного слоя, приняты отличающимися от средних значений на 30%.
Видно, что в результате выполненных ремонтов в нормальное состояние приведены загрязненность балластного слоя и его однородность при сохранении проектного значения толщины балластного слоя, а также устранены балластные углубления. Наблюдаемые на рис. 8Б черные линии, вырабатываемые ПАК, связаны с перемещением георадиолокационной системы над стрелочным переводом, в связи с чем необходимо уточнять имеющиеся электронные карты пути.
Результаты второго и третьего разделов главы обобщают опыт эксплуатации ПАК при проектировании ремонтов и модернизации пути на объектах Северо-Кавказской железной дороги и при диагностике объектов Московской и Горьковской железных дорог в составе комплекса «Интеграл». В этих разделах изложены разработанные алгоритмы и возможности программных продуктов автоматического формирования документов, в которые вошли результаты определения следующих характеристик: толщина балластного слоя; протяженность участков с загрязненностью щебеночного балластного материала в интервалах 30-50% и выше 50%; наличие разделительного слоя; наличие балластных углублений.
В частности, второй раздел главы посвящен разработке алгоритмов и программных продуктов автоматического заполнения форм документов для проектов ремонтов и модернизации железнодорожного пути, а в третьем разделе главы предложены формы и алгоритмы автоматического заполнения документов для передачи результатов георадиолокационной диагностики в систему комплексного анализа «Каскад».
В приложениях к диссертации приведены акты внедрения ПАК в опытную эксплуатацию на Северо-Кавказской железной дороге, испытание ПАК в составе диагностического комплекса «Интеграл» и титульный лист разработанного регламента проведения георадиолокационных работ на железнодорожном пути в различных природно-климатических условиях.
Основные выводы
- Разработаны методики и алгоритмы обработки георадиолокационной информации, позволяющие определять загрязненность, влажность и толщину балластного слоя, а также геометрические параметры балластных углублений в режиме реального времени, по диэлектрической проницаемости и коэффициенту затухания электромагнитного излучения.
- Установлено, что для интегральной оценки состояния балластного слоя (определения загрязненности, толщины и структуры балластного слоя, оконтуривания балластных углублений, определения структуры балластной призмы) необходимо использовать антенные блоки с частотой 1200 МГц. Для решения задач диагностики состояния подбалластного основания целесообразно проводить измерения с использованием частоты излучения 1000 МГц, в то время как решение задачи определения фракционного состава балластного материала следует связывать с использованием частот 1700 МГц и выше.
- Создан программно-аппаратный комплекс для проведения скоростной георадиолокационной диагностики балластного слоя железнодорожного пути в режиме реального времени с учетом влияния климатических факторов.
- Разработаны алгоритмы и программные продукты автоматического формирования утвержденных форм документов, в которые вошли результаты определения следующих характеристик: толщина балластного слоя; загрязненность щебеночного балластного материала; наличие балластных углублений для проектов ремонтов и модернизации железнодорожного пути, а также передачи результатов диагностики в систему комплексного анализа «КАСКАД».
Основные положения опубликованы в следующих работах:
Издания, рекомендованные ВАК:
1. Воробьев В.Б., Колесников В.И., Морозов А.В., Шаповалов В.Л., Явна В.А. Диагностика балластного слоя георадиолокационным методом // Путь и путевое хозяйство, 2011. – №8. – С. 2 - 8.
2. Морозов А.В., Кругликов А.А., Кислица К.Ю., Шаповалов В.Л., Явна В.А. Количественная обработка георадиолокационных данных // Вестник РГУПС, 2011. – № 3. – С. 96 - 105.
3. Кругликов А.А., Кислица К.Ю., Шаповалов В.Л., Кругликов А.А., Кислица К.Ю., Шаповалов В.Л., Морозов А.В., Явна В.А. Диагностика объектов транспортной инфраструктуры методом георадиолокации // Вестник РГУПС, 2011. – № 4. – С. 148 - 154.
Другие издания:
4. Хакиев З.Б., Морозов А.В., Билалов В.А., Явна В.А. Широкополосные узконаправленные антенны для мониторинга состояния балластной призмы железнодорожного пути // 2-я междунар. науч.-практ. конф. «Инженерная геофизика-2006». - Геленджик, 2006. – С. 82-83.
5. Шаповалов В.Л, Морозов A.B., Билалов В.А. Определение влажности земляного полотна железнодорожного пути методом герадиолокации // Тр. всеросс. н-пр. конф. «Транспорт-2006». - РГУПС, 2006. – С. 152-154.
6. Шаповалов В.Л., Морозов А.В., Грицык В.И., Явна В.А. Применение метода георадиолоакационной диагностики при укреплении грунтовой среды // 3-я междунар. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика-2007». -Геленджик, 2007. – С. 149-150.
7. Грицык В.И., Окост М.В., Морозов А.В. Расширение функций геодиагностики на железнодорожном пути // 3-я междунар. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика-2007». -Геленджик, 2007. – С. 145-147.
8. Хакиев З.Б., Морозов А.В., Явна В.А. Моделирование процесса распространения импульсов электромагнитного излучения в веществе // 3-я междунар. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика-2007». -Геленджик, 2007. – С. 88-90.
9. Z.B Khakiev, V.A Bilalov, A.V Morozov and V.A. Yavna / Improving GPR monitoring of track ballast and railway structural integrity // First break — An EAGE Publication, 2009. V. 27. – P. 93-95.
10. Морозов А.В., Окост М.В., Шаповалов В.Л. Диагностика железнодорожного пути программно-аппаратным комплексом в скоростном режиме // Тр. всеросс. н-пр. конф. «Транспорт-2010». - РГУПС, 2010. – С 151-152.
11. Морозов А.В. Программно-аппаратный комплекс георадиолокационного обследования железнодорожного пути // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 4; URL: www.science-education.ru/98-4780.
12. Пат. 2395638 Российская Федерация, МПК E 01 B 27/00, G 01 N 22/00. Способ определения загрязненности балластного слоя железнодорожного пути [Текст] / Явна В.А., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Хакиев З.Б., Морозов А.В ; заявитель и патентообладатель ОАО «РЖД». – № 2009119202/11 ; заявл. 21.05.09 ; опубл. 27.07.10.
13. Пат. 88152 Российская Федерация, МПК G 01 N 22/00. Программно-технический комплекс для определения загрязненности балластного слоя железнодорожного пути [Текст] / Явна В.А., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Хакиев З.Б., Морозов А.В ; заявитель и патентообладатель ОАО «РЖД». – № 2009121662/22 ; заявл. 08.06.09 ; опубл. 27.07.09.
14. Свид. о гос. рег. программы на ЭВМ № 2011613071 Российская Федерация. Скоростная георадиолокационная диагностика земляного полотна / Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий А.С., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов А.В., Кругликов А.А. ; заявитель и патентообладатель Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий А.С., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов А.В., Кругликов А.А. ; заявл. 21.02.11 ; зарег. в реестре 18.04.11.
15. Свид. о гос. рег. программы на ЭВМ № 2011613070 Российская Федерация. Скоростная георадиолокационная диагностика земляного полотна - визуализация / Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий А.С., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов А.В., Кругликов А.А. ; заявитель и патентообладатель Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий А.С., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов А.В., Кругликов А.А. ; заявл. 21.02.11 ; зарег. в реестре 18.04.11.
Морозов Андрей Владимирович
Скоростная георадиолокационная диагностика балластного слоя железнодорожного пути
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 25.11.2011 г. Формат 6084/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16
Уч.- изд. л. 1,11. Тираж 100 экз. Заказ № 5891.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС
Адрес университета: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2.
