Ing. Petr Sychrovský 1 Systém diagnostiky prostorové průchodnosti tratí Klíčová slova: diagnostika dopravní cesty, prostorová průchodnost tratí, nový systém diagnostika prostorové průchodnosti tratí. 1. Úvod Prostorová průchodnost tratí (PPT) se v současnosti kontroluje v souladu s vyhláškou č.177/1995 Sb. a příslušnými předpisy Správy železniční dopravní cesty, státní organizace (dále jen SŽDC). Kontrolou prostorové průchodnosti trati se ověřuje zachování základního průjezdného průřezu tak, jak je uvedeno v technické dokumentaci. Zároveň se ověřuje, zda se v průjezdném průřezu nevyskytují cizí předměty, neprovádí se nepovolená stavební činnost nebo zda nedošlo k jeho ohrožení přírodními vlivy. Kontrola prostorové průchodnosti trati a měření překážek je v současnosti zajišťováno ruční kontrolou (měřením) nebo speciálním fotogrammetrickým strojem FS3. Výsledky měření prostorové průchodnosti trati jsou využívány jak pro ověřování příslušného zájmového prostoru, tak pro ochranu stavebních investic (kontrolní měření při přejímkách staveb) a v procesu obchodování a povolování jízd mimořádných zásilek, především zásilek s překročením ložné míry. Požadavky na kapacitu měření prostorové průchodnosti tratí vozidlem FS3 jsou v současné době uspokojovány jen pouze z cca 10%. V praxi to znamená, že ročně je odměřeno jen cca 1 000 km kolejí. 2. Nevýhody FS3 Současné měřicí pomůcky a systémy jsou technicky i morálně zastaralé. Výkon současné technologie stroje FS3 je zcela nedostatečný. Systém FS3 pracuje v režimu Stop&Go, kdy se u každé z překážek musí stroj FS3 zastavit, spustit zařízení na měření požadovaných geometrických parametrů koleje (GPK) a až teprve po té nasnímat zájmovou oblast. Základ zařízení pochází z počátku 70. let a i když byl několikrát modernizován, není možné styl a rychlost jeho práce zásadně změnit. Všechny tyto skutečnosti nutně vytvářejí potřebu vybudování nového systému diagnostiky v oblasti PPT. 1 Petr Sychrovský, Ing., 1965, VŠDS Žilina, Správa železniční dopravní cesty, státní organizace, TÚDC Praha, náměstek ředitele 1
Obr. 1 Fotogrammetrický stroj FS3 Obr. 2 Pracoviště operátora FS3 3. Návrh řešení měření PPT - požadované technické parametry Návrh nového systému technického řešení, které by splňovalo všechny uvedené technologické parametry předpokládá splnění těchto základních požadavků: rychlost měření: o 30-40 km/h (provoz soupravy oběma směry bez nutnosti otáčení) o resp. kapacita cca 8-10 tis. změřených km za rok o resp. denní nájezd cca 150 km tratí měřený (sledovaný) prostor pro tunely a další komplikovanější úseky (železniční stanice, mosty, přejezdy, atd.): o horizontálně 7,5 / +7,5 m (doporučuji doplnit od čeho +/-, a to pro všechny podobné parametry) o vertikálně 1,0 / +8,0 m 2
měřený (sledovaný) prostor pro běžnou trať: o horizontálně 5,0 / +5,0 m o vertikálně 0,5 / +6,0 m obecná přesnost určení objektu: o 15-20 mm určování polohy pomocí diferenciální GPS spolehlivé zachycení všech objektů v okolí tratě i objektů s malým rozměrem ve směru jízdy souřadný systém závislý na koleji s počátkem ve středu koleje kontinuální měření požadovaných parametrů GPK měření vzdálenosti sousední koleje (volitelně) jednoznačná identifikace a lokalizace objektu (využití pasportních dat) okamžité výsledky hodnocení prostorové průchodnosti včetně fotodokumentace minimalizace práce v laboratoři Uvedené technické parametry vycházejí z koncepčních priorit, kterými jsou kapacita měření a univerzálnost využití dat při zaručené úrovni kvality a spolehlivosti měření. 4. Stručný přehled existujících velkokapacitních řešení V následující části jsou stručně popsána řešení, které jsou používána v některých zemích EU. Německo V Německu je provozován systém LIMEZ II vyvinutý speciálně pro Deutsche Bahn AG. Systém je sestaven z motorového vozu s měřickým přívěsem jako nosičem veškeré technologie. Systém pracuje na principu stereofotogrammetrie. Snímkování se spouští v zájmových místech v závislosti na výstupu z detektoru úzkých míst ALIM/ALED. Tento detektor vyhodnocuje okolní prostor v reálném čase. Pracuje na principu snímání UV světelné stopy a stejně nasvícených vlícovacích bodů. Systém je dále vybaven GPS/INS, četnými videokamerami, měřickou osou pro měření parametrů koleje a vztahu vozidlo/kolej. Dosahovaná přesnost určení objektů je ± 7mm, rychlost měření je 6-20 km/h. Obr. 3 Německý systém LIMEZ II při práci 3
V současnosti je dokončen systém LIMEZ III, jsou prováděny testy a systém je uváděn do provozu. Systém realizovala skupina firem pro DB AG. Rychlost měření je zvýšena až na 100 km/h., s rozlišením 25 mm ve směru jízdy. Hlavní aktivní prvky technologie jsou instalovány na robustním rámu, který je osazen na čele dvouvozové motorové jednotky. Technicky jde o kombinaci postupů vícesnímkové fotogrammetrie a laserového, vysokorychlostního skenování v rovině normálové vůči ose koleje. Jsou zde osazeny mnohé měřické i dokumentační obrazové kamery, GPS, snímání geometrických parametrů koleje. Obr. 4 Celkový pohled na dvouvozovou motorovou jednotku LIMEZ III Obr. 5 Čelní pohled na LIMEZ III Francie Ve Francii je provozován systém OBSERVER, vyvinutý pro SNCF. Systém pracuje na triangulačním principu a snímá 12-ti kamerami 6 laserových stop. Z těchto dat je vytvářen normálový řez okolí koleje. Další lasery a kamery jsou použity pro určení polohy sousedních kolejí. Systém dosahuje přesnosti 15 mm, max. rychlost je 120 km/h, rozsah měření je do 8 m. Jde o samostatnou konstrukci nezávislou na vozidle, instalace vyžaduje plošinu o délce 8 m. 4
Obr. 6 Francouzský systém OBSERVER na nosiči Velká Británie Ve Velké Británii je provozován systém OmniSurveyor 3D. Jde však především o systém monitorovací, produkující 3D model tratě, na kterém je možno, mimo jiné, odměřovat vzdálenosti objektů od koleje. Pracuje na principu vícesnímkové videogrammetrie a je složen z mnoha videokamer. Systém dosahuje rychlosti 100 km/h, přesnost určení objektů vůči koleji je 2-200 mm. Jsou zde instalovány systémy pro měření parametrů koleje a vztahu kolej/vozidlo a GPS. Obr. 7 Systém OmniSurveyor 3D z Velké Británie 5. Možné řešení systému pro diagnostiku PPT Řešení vychází z principu digitální fotogrammetrie, tzn. rekonstrukce tvaru, rozměru a polohy předmětu prostřednictvím výpočetní techniky. Dnešní digitální fotogrammetrie již nepoužívá žádné fotogrammetrické přístroje, ale veškeré zpracování probíhá na běžných počítačích. Řešení předpokládá uplatnění známých algoritmů k řešení úloh klasické fotogrammetrie, jakou je: triangulace, snímková orientace, ortoprojekce a stereoskopické měření. Dále jsou potřebné speciální algoritmy pro zpracování a úpravu obrazu a počítačové vidění. 5
Na obr. č.8 je schematicky znázorněn ve 2D prostoru základní princip měření v jednom směru triangulace polohy bodu z naměřeného úhlu místa protnutí referenčního paprsku s překážkou. Systém umožňuje měření v obou směrech jízdy. Stejná situace ve 3D je znázorněna na obr. č. 9 Obr. 8 Základní princip měření 6
Obr. 9 Základní princip měření ve 3D prostoru Z obrázků č. 8 a č. 9 je patrné, že celé řešení se skládá ze čtyř základních celků: ozařovací jednotky kamerového systému výpočetního systému a podpůrných systémů Jednotlivé subsystémy je možno umístit na vozidle tak, aby bylo možné provádět měření oběma směry bez nutnosti otáčení. Schematicky je osazení subsystémů na vozidlo znázorněno na obrázku č. 10. V případě potřeby je možné osadit vozidlo pouze pro jednosměrný provoz; znamená to ovšem nutnost otáčet soupravu. 7
Obr. 10 Schéma osazení měřicího vozu Ozařovací jednotka Je navrhována laserová mřížka, tedy s větším počtem rozmítaných laserových vysílačů (max. 60), které v úhlu 30 stupňů a z různých směrů ozáří okolí. Odražený paprsek od bodu (který tvoří objekt v zájmovém prostoru) vytvoří v kameře výraznou napěťovou špičku, podle které lze bod identifikovat. Kamerový systém Návrh předpokládá použití tří typů kamer: Kamery pro vlastní měření Jsou navrženy kamery speciální konstrukce. Snímací prvek CCD je citlivý pouze na vlnovou délku laserů. Z požadavků vyplývá, že rozlišení 20 mm se při rychlosti 40 km/h dá dosáhnout snímkovací frekvencí 3000 snímků za vteřinu. Navíc CCD prvek kamery je citlivý pouze na vlnovou délku ozařovací jednotky. Fotografické kamery Digitální přístroje s vysokým rozlišením, které slouží k pořízení dokumentačního snímku s vyznačeným prostorem. Snímek bude vyhodnocen a barevně označeno místo, kde došlo k porušení prostorové průchodnosti trati. Tento snímek bude důležitý pro pozdější analýzu a také pro archivaci. Televizní kamera Tato kamera umožní zaznamenávat situaci na trati pro pozdější orientaci. Návrh řešení umožňuje měření i při zhoršených klimatických podmínkách. Výpočetní systém Zpracování, synchronizaci, vyhodnocování a ukládání umožní výpočetní systém, nainstalovaný na nosiči systému. Nároky na výpočetní výkon a datový prostor navrženého systému umožní použít v dnešní době běžně dostupná PC. Řešení obsahuje i zařízením pro uložení dat na externí nosič, tak aby se data dala přenášet 8
do laboratoře pro pozdější analýzu bez ohledu na dostupnost datové sítě v místě měření. Podpůrné systémy O informace nutné pro tvorbu digitální mapy perimetru trati se postará inerciální soustava. Ta tvoří srdce systému, dává informace o směru, náklonech, rychlosti a další veličiny nutné pro jednotlivé výpočty. Pro určování polohy a vzdáleností je navržen diferenciální GPS. Softwarová část řešení Koncepce řešení vychází z předpokladu, že při sběru dat, tj. při průjezdu soupravy po trati dojde k okamžitému vyhodnocení prostorové průchodnosti trati zájmového prostoru (2,5 m na obě strany od středu koleje). V reálném čase lze zpracovat a vyhodnotit naměřená data, jejíchž výstupem bude soupis objektů zasahujících do zájmového prostoru. Blokové schéma Na obrázku č. 11 je znázorněno blokové schéma sběru dat. Na obrázku č. 12 je blokové schéma zpracování těchto dat v laboratoři. Pro přenos dat z vozidla do laboratoře a archivaci slouží jednotka LTO II (pásková jednotka s kapacitou 400-800 GB). Obr. 11 Princip sběru dat Ozařovací laserová jednotka Ovládací panel Kontrolní monitory a pracovní PC stanice TV kamera + digitalizace CCD kamery Vektorová mapa osvě tlení Maska max. perimetru Detekce překážek Ovládání fotokam er a osvě tlení fotokam ery Kompresní algoritmy synchronizace Popis obrázku Údaje z drezíny Archivace LTO II záznam DGPS Inerciální soustava 9
Archiv LTO II Diskové úložiště Pracovní PC stanice textury Proměnná maska Výpočetní engine dokumentace Logy - překážky plánovač Fyzikální parametry Porovnání proj. dokumentace se SP Vlakový simulátor Obr. 12 Princip vyhodnocení dat 6. Realizace nového systému diagnostiky PPT Velkokapacitní systém diagnostiky PPT Výše popsaný systém je pouze jedním z možných řešení diagnostického systému nového měřicího vozu PPT. Na základě těchto poznatků byl pracovníky TÚČD v roce 2007 zpracován realizační projekt pro vybudování nového systému. V současné době v rámci záměrů v oblasti diagnostiky dopravní cesty, plánuje SŽDC pořízení měřicího vozu PPT v letech 2009 2011 a realizuje některé menší projekty. Dílčí inovace systému FS3 Na základě technického stavu systému FS3 a jeho kapacitních možností rozhodla SŽDC překlenout období do doby pořízení nového měřicího vozu částečnou inovací FS3. Vozidlo bude osazeno na čelní straně 1 ks laserového rotačního scanneru, což umožní zvýšit kapacitu měření na cca 2000 km/rok, odstraní jeho současnou poruchovost a vysoké náklady na údržbu systému. Nasazení systému do rutinního provozu se předpokládá v roce 2009. Operativní měření a monitoring Výše uvedený systém pro velkokapacitní sběr je vhodné doplnit nízkokapacitním měřickým nástrojem pro rychlé a operativní měření na libovolném místě železniční sítě, např. při TBZ tratě. Typicky se jedná o přenosný, lehký kolejový vozík s měřickou technologií a orientačním výkonem cca 10 km/den. V rámci plnění tohoto záměru je v současné době dokončován systém MMS (viz. obr.13). Systém MMS je sestrojen jako lehký měřicí vozík, jenž je osazen snímači pro měření geometrických parametrů koleje, 2 ks rotačních laserových scannerů a řídicím 10
počítačem. Měřená data jsou zpracovávána a vyhodnocována v reálném čase. Nasazení systému do rutinního provozu se předpokládá v roce 2009. Obr. 13 Měřicí systém MMS 7. Závěr V návrhu nové koncepce moderní diagnostiky prostorové průchodnosti trati je navržen systém, který se opírá o nové principy měření pomocí laserové mřížky a snímání vysokorychlostní kamerou. Nově navržený systém zcela nahradí v současnosti používaný stroj FS3. Zásadním způsobem se urychlí tok dat o PPT, bude odstraněna prodleva mezi pořízením dat a jejich využíváním, významné informace (např. kontrola průjezdného průřezu) budou k dispozici v okamžiku měření. Kapacita nového systému dovolí proměřit celou železniční síť při výrazně nižší ceně za měrnou jednotku (km). Rovněž lze předpokládat racionalizaci činností místních správců v oblasti zajišťování PPT. Při měření budou dodrženy všechny požadované technické parametry a bude tak možné zajistit podklady pro prověření prostorové průchodnosti kolejí v souladu s vyhláškou č. 177/1995 Sb. v platném znění. Doplňkovým využitím dat velkokapacitního systému může být rovněž ověřování viditelnosti návěstidel nebo posouzení rozhledových poměrů na přejezdech. Koncepční záměr je v souladu s dokumentem MD ČR Jednotná koncepce měření v silniční a železniční dopravě (č.j.: 136/2007-520-TPV/3). 11
Literatura: 1. Vyhláška 177/1995 Sb.,Stavební a technický řád drah, Praha, 2007 2. Systém diagnostiky PPT, studie proveditelnosti, ČD, a.s., TÚČD, Praha, 2007 3. Jednotná koncepce měření v silniční a železniční dopravě (č.j.: 136/2007-520-TPV/3), MD ČR, 2007 V Praze, říjen 2008 Lektorský posudek: Ing. Jaroslav Grim Výzkumný ústav železniční Praha 12