Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Среди скоростных методов диагностики в последние годы наиболее интенсивно развивается метод георадиолокации [3].

Данная работа посвящена созданию программно-аппаратного комплекса (ПАК) для скоростной диагностики состояния балластной призмы. В зависимости от характера решаемых задач разработанный ПАК можно использовать в составе подвижных средств - вагонов, диагностических комплексов, мотодрезин и др.

ПАК обеспечивает выявление аномальных мест при обследовании пути в скоростном режиме для последующей детальной диагностики комплексами геофизических методов [4]. В качестве критериев выбора таких участков ПАК использует загрязненность, толщину балластного слоя, однородность балластного слоя (число наблюдаемых слоев в балластной призме) и степень деформативности (крутизну слоев в балластных углублениях).

Метод позиционирования ПАК в железнодорожной системе координат

При скоростной диагностике пути принципиально важной задачей является привязка георадиолокационных трасс к железнодорожной пикетной системе координат. При размещении на подвижных единицах, не оборудованных собственными системами позиционирования, ПАК используют ГЛОНАСС/GPS-технологии и электронную карту пути.

Алгоритм действий ПАК по привязке георадиолокационной информации к пикетной системе координат следующий:

• из информации, формируемой при регистрации георадиолокационной трассы, выделяется время ее создания - Т;
• по данным, полученным со спутника, определяются глобальные географические координаты положения комплекса (j - широта, u - долгота) в момент времени Т. Эта информация позволяет привязать радарограммы к глобальным координатам;
• используя электронные карты пути, содержащие глобальные координаты j и u пикетных железнодорожных столбов и объектов инфраструктуры, несложно получить положение трассы в принятой на железных дорогах системе отсчета.

На рис. 1 приведен фрагмент радарограммы, полученной при обследовании участка Сочи-Туапсе после применения вышеописанного алгоритма. Вертикальными линиями отмечены параметры километр/пикет в проектной системе отсчета.

При проведении георадиолокационных работ в составе комплексов, имеющих собственную систему синхронизации и позиционирования данных в железнодорожной системе координат (например, диагностический комплекс «ИНТЕГРАЛ» ГК «ТВЕМА»), ПАК использует данные привязки этой системы или выполняет вышеописанный алгоритм.

Рис. 1. Результат работы алгоритма по привязке радарограммы к пикетной системе координат железнодорожного пути

Остановимся на содержании этих характеристик подробнее.

Загрязненность балластного слоя

Характер распространения высокочастотного электромагнитного излучения в среде зависит от ее электрической проводимости и диэлектрических свойств. Электрофизические свойства балластного материала могут существенным образом изменяться при его загрязнении диффундирующим грунтом, переносимой под действием природных факторов пылью, просыпающимися на путь песком, частицами перевозимых инертных грузов, горюче-смазочными материалами и др.

Импульс георадара, распространяясь в балласте, теряет свою энергию за счет поглощения проводящей средой и рассеяния от имеющихся неоднородностей и слоев. Обозначим F(r_i) - сигнал, регистрируемый приемной антенной георадара с глубины r_i и обычно называемый трассой радарограммы [5]. Общее количество точек регистрации трассы N зависит от типа и настроек используемого оборудования. В дальнейшем будем называть «полосой балластного слоя» участок с указанными границами, измеренными от верхней точки балластной призмы. Назовем отражательной способностью полосы балластного слоя толщиной Δr_m,n = r_m - r_n величину:

   (1)

где m и n - соответственно нумерация нижней и верхней границ выбранного слоя в трассе. Она зависит от электрофизических свойств балластного слоя и может служить мерой его загрязненности. Однако для получения количественных характеристик загрязнения необходимо учесть зависимость (1) от влажности, особенностей используемого георадиолокационного оборудования и способа его размещения на используемом для диагностики подвижном составе [6].

Средняя загрязненность на пикете

Для определения средней загрязненности на километровых участках, приведенных в табл. 1, выполнено 40 просевов балластного материала согласно Методическим указаниям. При использовании диапазонов загрязненности (0-20%, 20-30% и свыше 30%) [7] сравнение результатов просева и расчета имеет следующий вид. Среди 40 измерений - диапазоны 24 совпали с рассчитанными, 13 измерений принадлежат соседним диапазонам.

Таблица 1 - Средние значения загрязненности

Рис. 2. Пикетная загрязненность на участках 1907 км (а) и 1968 км (б)

Георадиолокационные измерения выполнены вдоль плеча балластной призмы в декабре 2010 г. Из рисунка видно, что загрязненность балластного материала в пределах 1 км может изменяться в широких пределах, превышающих 100% величины.

Влияние погодных и сезонных условий на работу ПАК

Исследование влияния погодных и сезонных условий на результаты определения степени загрязненности балластного слоя выполнено при обработке георадиолокационных измерений, осуществленных в течение года (рис. 3). Результаты, приведенные в данном разделе, получены с использованием антенного блока АБ-1200 МГц.

Рис. 3. Сравнение загрязненности z, определенной с использованием антенного блока АБ-1200

Видно, что зимой полученные значения загрязненности стабильно выше, чем в весенний и осенний периоды. Это может быть связано с повышенной влажностью балластного материала.

Определение толщины балластного слоя

Разработанный ПАК позволяет определять толщину балластного слоя по отражениям сигнала георадара границами раздела слоев грунта [5].

В соответствии с Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути (ЦП-774) ПАК формирует три диапазона возможной толщины балластного слоя: менее 0,25 м; 0,20-0,50 м и более 0,50 м. В табл. 2 в качестве примера выполнено сравнение результатов обработки радарограмм на участках 1907 км, 1916 км и 1944 км с результатами инструментальных замеров, выполненных с помощью зондировочного лома.

Таблица 2 - Определение толщины балластного слоя

Видно, что из 26 приведенных в таблице случаев сравнения методов в 18 наблюдается совпадение результатов. Вместе с тем имеются точки, где инструментальный метод показал большую, чем ПАК, толщину слоев. Возможная причина расхождений может быть связана с многослойной структурой балласта, которая сформировалась из-за периодически выполняемых ремонтов.

Однородность балластного слоя

Разработанный ПАК позволяет определять структуру щебеночных слоев балластной призмы.

На рис. 4 представлены результаты обработки георадиолокационного профиля на 1916 км. Согласно табл. 2 на этом километре имеется существенное расхождение в толщине балластного слоя, определенной используемыми в работе методами.

Рис. 4. Профилирование слоев балластной призмы, определенных методом георадиолокации. Черными квадратами отмечены результаты инструментальных измерений

Из рисунка видно, что в балластном слое имеется две границы раздела: 0,35 и 0,60 м. Там же показаны результаты инструментальных измерений. ПАК связал толщину балластного слоя с первой границей раздела на всех пикетах указанного километра пути, поскольку она оказалась контрастнее, чем вторая.

Метод георадиолокации, как неразрушающий, требует тарировки инструментальными методами. Однако, как следует из табл. 2 и рис. 4, эту процедуру необходимо проводить с учетом слоистой структуры балластного материала. Учет многослойности балласта при детальном сравнении результатов георадиолокации и инструментального обследования привел к тому, что для 42-х точек инструментальных замеров на перегоне Туапсе-Сочи расхождение более 0,1 м выявлено в 5% случаев, менее 0,1 м - в 25%, около 0,05 м - в 70% случаев. При работе ПАК индикатором многослойной структуры балластной призмы служит алгоритм подсчета слоев в интервале глубин 0-0,60 м.

Итак, определить толщину балластного слоя с учетом его слоистой структуры можно минимальным комплексом геофизических методов, включающем георадиолокацию, как метод получения непрерывной информации о балластном материале; инструментальные замеры (например, с использованием зондировочного лома), необходимые для тарировки глубин метода георадиолокации.

Получаемая таким образом информация необходима при проектировании ремонтов и модернизации пути.

Степень деформативности

Важной характеристикой состояния балластного материала, определяемой по радарограммам, является угол наклона балластных слоев к горизонтали. Чередование знаков углов позволяет отличить балластные углубления от возможных напластований балластного материала, а значения их модулей дают возможность оценить геометрические размеры (протяженность и глубину) балластных углублений.

Анализ изменения угла наклона, выполняемый при многократных обследованиях, позволяет определить динамику развития балластных углублений и планировать мероприятия по стабилизации пути.

Выводы

Полученная средствами ПАК информация о загрязненности, мощности, однородности и деформативности балластного слоя может использоваться для оценки качества выполненных ремонтов балластного слоя.

На рис. 5 представлены фрагменты обработанных радарограмм (координаты проектные) и результаты интерпретации с использованием ПАК. При обследовании применены антенные блоки АБ-1200, оснащенные рупорными конструкциями. Блоки размещались по оси пути на высоте 0,15 м от головки рельса. На этом участке на семи пикетах в период времени между георадиолокационными обследованиями выполнен ремонт пути, включавший очистку балластной призмы.

Рис. 5. Результаты георадиолокационной диагностики:

А - до ремонта, декабрь 2009 г.; Б - после ремонта, май 2010 г.

Видно, что в результате ремонтных работ в норму приведены загрязненность балласта, его однородность и степень деформативности границ раздела его слоев при сохранении нормативного значения толщины.

Отклонения от нормативных значений параметров отмечаются только на стрелках, расположенных на 1935 км ПК 1 и 1935 км ПК 9 (проектная система координат). Причина отклонений связана с помехами от конструкции стрелочных переводов, которые затрудняют количественную обработку георадиолокационной информации. Позиционирование создающих интенсивные помехи объектов на радарограммах и удаление соответствующей информации из отчетных документов может осуществляться с помощью подробных электронных карт пути, содержащих оси искусственных сооружений.

Результаты, приведенные на рис. 5, позволяют сделать вывод об эффективности данной технологии и алгоритмов обработки радарограмм ПАК для контроля качества замены или отчистки балластного материала.

Рецензенты:

• Бугаев Л.А., д.ф.-м.н., зав. кафедрой теоретической и вычислительной физики физического факультета Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону.
• Фоменко Н.Е., д.г.-м.н., профессор Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону.

Работа получена 21.09.2011

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты №: 11-07-00172-а, 11-08-13140-офи-м-2011-РЖД