Согласно транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года [1] «.Повышение качества транспортных услуг, эффективности и безопасности транспортного процесса обеспечивается применением современных информационных и телекоммуникационных технологий.».
Железные и автомобильные дороги являются важнейшей инфраструктурой любого государства. Это сложные и дорогостоящие технические сооружения, обладающие набором параметров, напрямую влияющих на их долговечность и безопасность эксплуатации. При всем богатстве методов оценки и контроля этих параметров их можно условно разделить на две группы: статические и динамические.
В последнее время динамические методы получают все большее распространение, так как они обеспечивают большую надежность и полноту получаемых данных. Особенно актуальны за рубежом и у нас в стране технологии, позволяющие осуществлять регулярный мониторинг дорог и дорожных объектов. Однако существующие технологии мониторинга и средства измерений (вагоны-путеизмерители, дорожные лаборатории) не отвечают современным требованиям по качеству, оперативности и объемам собираемой информации. Кроме того, не решены проблемы обеспечения единства измерений, эффективной обработки данных с использованием статистических методов, методологии интерпретации и применения результатов.
Таким образом, разработка новых технологий сбора данных о дорогах и дорожных объектах и современных средств их обработки в режиме мониторинга являются актуальной задачей.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка комплексной технологии мониторинга дорог и дорожных объектов, основанной на современных методах получения, обработки, анализа и представления пространственных данных, для принятия более обоснованных решений и повышения безопасности движения на автомобильных и железных дорогах. Особое внимание уделено методам обеспечения единства измерений и достоверности конечных результатов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) провести анализ существующих методов мониторинга дорожных объектов, тенденций развития информационных технологий и методов сбора и обработки данных о дорогах и дорожных объектах;
2) разработать:
— методику обеспечения единства измерений данных о дорогах и дорожных объектах;
— систему классификации и кодирования информации о дорожных объектах;
— структуру эффективной организации динамических пространственных данных в ГИС;
— методику автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах из различных источников;
— методику автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС АгсГпАэ/АгсЛ^еуу по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;
— методику и алгоритмы оценки точности цифровой модели дорог ГИС;
— методы и методики статистической обработки пространственных данных в ГИС;
— протоколы и форматы обмена базы данных ГИС с другими информационными системами;
3) реализовать разработанные алгоритмы и методики в виде программного обеспечения для сбора и обработки данных;
4) разработать средства наглядного представления результатов мониторинга и методику передачи данных в издательские системы для высококачественной печати средствами цифровой полиграфии;
5) исследовать эффективность применения технологии мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС для принятия более обоснованных решений при эксплуатации автомобильных и железных дорог и повышения безопасности движения.
Объектом исследования являются эксплуатационные параметры автомобильных и железных дорог.
Предмет исследования — технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.
Теоретическая и методологическая база исследования. Поставленные в работе задачи решаются на базе использования теории обработки измерений, математической статистики, математических методов моделирования, геоинформационных технологий, картографических методов исследования.
Произведен анализ работ российских и зарубежных ученых в сфере геоинформатики (A.B. Кошкарева, B.C. Тикунова, A.M. Берлянта, Ю. К. Королева, С. И. Матвеева, В. Я. Цветкова, JI. Джордана, М. Н. Де Мерса и др.) — в сфере геоинформационных систем на транспорте (В.М. Круглова, С. И. Матвеева, В. Я. Цветкова, Ю. К. Королева, С. А. Бокарева, В. Н. Бойкова, С. П. Крысина, A.B. Скворцова, П. И. Поспелова и др.) — в сфере математической обработки измерений (В.Д. Большакова, П. А. Гайдаева, Ю. И. Маркузе, Е. Г. Бойко, В.В. Голубе-ва, А. Н. Лобанова, E.H. Львовского и др.) — в сфере геодезического обеспечения мониторинга дорог (В.В. Щербакова, С. И. Матвеева, А. П. Карпика, В.А. Ко-угии, М. М. Железнова и др.) библиотечных и электронных ресурсов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1) разработана методика обеспечения единства измерений при мониторинге протяженных линейных сооружений;
2) разработана система классификации и кодирования информации о дорожных объектах;
3) разработана структура организации динамических пространственных данных в ГИС;
4) разработана методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;
5) разработана методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1п? Ь/АгсУ1еу по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;
6) разработана методика и алгоритмы оценки точности цифровой модели дорог в ГИС;
7) разработан метод статистической обработки данных инструментальных съемок эксплуатационных параметров автомобильных и железных дорог в среде ГИС;
8) разработана методика определения математических ожиданий геометрических параметров рельсовой колеи на эталонных участках;
9) разработана методика создания картографических материалов в ГИС для передачи их в издательские системы;
10) разработана технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.
На защиту выносятся:
1) методика обеспечения единства измерений при мониторинге протяженных линейных сооружений;
2) методика статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС;
3) методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1пСэ/АгсУ1еш по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог;
4) методика автоматизированного заполнения и обновления баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;
5) технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС.
Теоретическая значимость работы. Теоретическое значение диссертации заключается в выработке комплексного подхода к сбору, хранению и анализу данных о дорогах и дорожных объектах с целью их мониторинга, а также в предложенных алгоритмах статистической обработки данных.
Практическая значимость работы,. Внедрение разработанной в диссертации технологии позволило модернизировать ГИС автомобильных дорог Новосибирской области в части обновления пространственной информации о дорогах и построении на её основе новой структуры организации данных — системы калиброванных маршрутов, автоматизировать заполнение баз данных об автомобильных дорогах Новосибирской области и Республики Алтай по результатам паспортизации автомобильных дорог. Мониторинг геометрических параметров рельсовой колеи позволил определить наиболее вероятные значения геометрических параметров рельсовой колеи на 44 участках ЗападноСибирской и 19 участках Красноярской железной дороги, что позволяет выявлять и исключать систематические погрешности вагонов-путеизмерителей и тем самым качественно повысить уровень диагностики железнодорожного пути с минимальными затратами.
Созданное программное обеспечение может использоваться и в других прикладных науках, где есть потребность в обработке и расчете геометрических параметров линейных объектов.
Изданные атласы, настенные и раскладные карты являются информационной основой при планировании и принятии обоснованных решений.
Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований использованы при выполнении следующих научно-исследовательских, производственных и практических работ:
1) для модернизации ГИС автомобильных дорог Новосибирской области и при решении ряда задач в ГИС в ОГУ «ТУАД Новосибирской области»;
2) для создания ГИС автомобильных дорог Республики Алтай в РУАД «Горноалтайавтодор»;
3) для обработки данных паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог Новосибирской области и Республики Алтай;
4) для мониторинга геометрических параметров рельсовой колеи на ЗСЖД;
5) для определения математических ожиданий на эталонных участках Западно-Сибирской и Красноярской железной дороги;
6) для построения продольного профиля пути станций ЗападноСибирской дороги;
7) для построения продольного профиля главного пути участка «Бейнеу-Мангышлак-Узень» республики Казахстан.
Разработанное в диссертационной работе методическое, алгоритмическое и программное обеспечение используется в лаборатории диагностики дорожных одежд и земляного полотна НИДЦ СГУПС, в ОГУ «Территориальное управление автомобильных дорог Новосибирской области», в РУАД «Горноалтайавтодор», в подразделениях Западно-Сибирской, Красноярской, ВосточноСибирской, Свердловской железной дороги, в учебном процессе СГУПС.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены и получили одобрение: на Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» в 1994, 1996 гг. (г. Новосибирск), на научно-технических конференциях преподавателей СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» в 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 гг. (г. Новосибирск), на международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики» в 1998 г. (г. Новосибирск), на всероссийской учебно-технологической конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации» в 1999 г. (г. Москва), на международных выставках-конференциях «Сибирская Ярмарка» в 1999 и 2000 гг. (г. Новосибирск), на второй Дальневосточной региональной конференции «Геоинформационные и кадастровые технологии в управлении территориями и городами» в 1999 г. (г.Находка), на международной конференции пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS в России и странах СНГ в 1999 г. (г. Москва — г. Голицино), на научно-технической конференции «Геомониторинг на основе современных технологий сбора и обработки информации» в 1999 г. (г. Новосибирск), на семинаре «Эффективность применения информационных технологий для управления дорожным хозяйством, автомобильными перевозками и дорожным движением» в 2000 г. (г. Москва — г. Тверь), на научно-практической конференции «ГИС-технологии в решении задач управления дорожным хозяйством территорий: пути решения, обмен опытом, перспективы» в 2000 г. (г. Красноярск), на региональной научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ» в 2002 г. (г. Новосибирск), на международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005» в 2005 г. (г. Новосибирск).
Результаты исследований по теме диссертации отмечены: большой золотой медалью Сибирской ярмарки за разработку актуальных программ по внедрению геоинформационных технологий, современных материалов и образцов дорожной техники в дорожном комплексе Новосибирской области в 1999 г. (г. Новосибирск), большой золотой медалью Сибирской ярмарки за разработку геоинформационной системы автомобильных дорог Новосибирской области в 1999 г. (г. Новосибирск), 1-м местом в конкурсе по номинации «Лучший доклад» на 5-й международной конференции пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS в России и странах СНГ в 1999 г. (г. Москва), дипломами Сибирской ярмарки в 1999 и 2000 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ (10 -без соавторов).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографии и приложений. Общий объем работы составляет 128 страниц печатного текста, 11 таблиц, 31 рисунок, 66 пунктов библиографии и 5 приложений.
Общие выводы по результатам мониторинга параметров рельсовой колеи на контрольных участках:
1) наиболее вероятным значением МО определяемого параметра колеи контрольного участка является среднее арифметическое значение МО этого параметра для каждого прохода вагона-путеизмерителя;
2) МО параметров контрольного участка — величины непостоянные и изменяются в связи с расстройством пути;
3) изменения МО параметров имеют корреляцию с временем года, значимую у шаблона и незначимую у уровня;
4) для надежного определения МО параметров контрольных участков на конкретную дату необходимо производить регулярный мониторинг этих участков или выявить регрессионные зависимости между МО параметров и временем наблюдений.
4.3.2 Мониторинг геометрического положения точек железнодорожной насыпи.
Мониторинг геометрического положения точек железнодорожной насыпи выполнялся с целью выявления движения точек железнодорожной насыпи для исследования его влияния на определение МО параметров рельсовой колеи. Необходимость данной работы обусловлена тем, что при мониторинге параметров рельсовой колеи в абсолютных системах координат не вся динамика этих параметров обусловлена их собственными изменениями, часть их приходится на колебания насыпи. Характер и сезонность этих изменений необходимо учитывать при мониторинге параметров пути и планировать наиболее благоприятное время для выполнения работ по определению параметров пути. Измерения выполнялись СНС геодезического класса Trimble 5700 с абсолютной погрешностью измерений:
— в плане — 3 мм +1.5 мм.
— по высоте — 5 мм + 1.5 мм.
Математическая обработка результатов измерений производилась в фирменном программном продукте Trimble Geomatic Office 1.6 (eng) позволяющим учесть систематические ошибки определения координат.
Для более обоснованного решения о динамических процессах, проходящих с течением времени в насыпи железнодорожного полотна, были выбраны несколько точек, представляющих наиболее типичные участки насыпи. Описание точек представлено в таблице 4.
Заключение
.
В результате проведенных теоретических, методических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе получены следующие результаты:
— проанализированы существующие технологии сбора, обработки и анализа данных о дорогах и дорожных объектах и тенденции их развития;
— разработана методика обеспечения единства измерений параметров дорог, выполненных в различных условиях и различными приборами, основанная на возможностях геоинформационной системы Агс1п1Ъ/АгсУ1еу и методах математической статистики;
— модернизирована геоинформационная система автомобильных дорог Новосибирской области. Для данной ГИС создана система классификации информации, разработана структура динамических пространственных данных, оценена точность цифровой модели автомобильных дорог, усовершенствованы алгоритмы статистического анализа данных ГИС, реализован интерфейс с другими информационными системами;
— разработана методика автоматизированного наполнения и обновления базы данных ГИС и баз и банков данных о дорогах и дорожных объектах;
— разработана методика автоматизированного создания системы калиброванных маршрутов в среде ГИС Агс1п&>/АгсУ!еу по результатам паспортизации и специальных инструментальных съемок дорог. Это позволяет производить полноценный геомониторинг дорог и дорожных объектов с использованием популярного программного обеспечения, в удаленных базах данных, в относительных системах координат, с меньшими затратами по сравнению с существующими технологиями;
— предложенные алгоритмы и методики реализованы в виде программного обеспечения, позволяющего выполнять как мониторинг дорог и дорожных объектов, так и обработку данных инструментальных съемок линейных объектов и расчет их геометрических параметров;
— разработаны средства наглядного представления результатов мониторинга дорог и методика передачи данных в издательские системы для высококачественной печати средствами цифровой полиграфии, что позволило создать на новом качественном уровне целый ряд производственных отчетов и подготовить к изданию серию картографических материалов: настенные карты, атласы, буклеты;
— разработана методика статистической обработки данных при мониторинге геометрических параметров железных и автомобильных дорог в среде ГИС. По данной методике определены математические ожидания на 44 эталонных участках ЗСЖД и 19 участках Красноярской железной дороги;
— разработанная технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС позволила выполнить ряд научно-практических и производственных работ;
— разработана технология мониторинга дорог и дорожных объектов с использованием ГИС, результаты которого позволят принимать более обоснованные решения при эксплуатации автомобильных и железных дорог и повысить безопасность движения.
