Ocena przydatności różnych technik pomiaru geometrii układów torowych do opracowania projektów regulacji osi toru Prof. nzw. dr hab. inż. Marek Woźniak, dr inż. Waldemar Odziemczyk

Postęp techniczny w transporcie kolejowym

Przepisy prawne i instrukcje geodezyjne obowiązujące na terenach kolejowych Ustawa o transporcie kolejowym, Standard techniczny „o organizacji i wykonywaniu pomiarów w geodezji kolejowej” GK-1, zobowiązująca wykonawców prac geodezyjnych, realizowanych na terenach PKP, Instrukcje techniczne (geodezyjne) Ig-1, Ig2… do Ig8, Instrukcja techniczna Id1 - warunki techniczne utrzymania i eksploatacji nawierzchni na liniach kolejowych normalnotorowych użytku publicznego, Decyzja nr 45 Ministra Infrastruktury z dnia 17 grudnia 2009r., w sprawie ustalenia terenów, przez które przebiegają linie kolejowe, jako terenów zamkniętych. Prawo Geodezyjne i Kartograficzne – w tym teren zamknięty. Prace na terenie zamkniętym wg PGiK mogą być wykonywane na zlecenie organów, które zdecydowały o zamknięciu terenu lub za ich zgodą. Rozporządzenie MSWiA z 9 listopada 2011 w sprawie standardów technicznych wykonywania geodezyjnych pomiarów sytuacyjno-wysokościowych oraz opracowywania i przekazywania wyników tych pomiarów do państwowego zasobu geodezyjnego i kartograficznego

Elementarne pomiary w zakresie określania geometrii układu torowego Toromierz uniwersalny firmy SOLA Toromierz uniwersalny STI firmy GRAW Toromierz uniwersalny firmy REMPOD

Pomiary urządzeniami wielosensorowymi

Pomiary układu torowego - wagony pomiarowe laserowy pomiar w zakresie geometrii toru i szyny, video inspekcja elementów infrastruktury kolejowej, skaning elementów infrastruktury kolejowej, pomiar parametrów geometrycznych sieci trakcyjnej, pomiary występujących przyspieszeń w ruchu.

do opracowania projektu regulacji osi toru Eksperyment pomiarowy realizowany przez PW na 3 km odcinku szlaku kolejowego Porównanie zastosowania wielu metod pomiarowych do opracowania projektu regulacji osi toru

Osnowa geodezyjna dla obiektu testowego Osnowę podstawową pomierzono techniką GNSS, natomiast osnowę szczegółową przy wykorzystaniu tachimetru precyzyjnego TDA 5005. System ATR pozwolił unikać błędów osobowych obserwatora i prowadzić obserwacje w sposób jednorodny i obiektywny. Wszystkie obserwacje poddano wyrównaniu ścisłemu w Układzie 2000. Błędy średnie współrzędnych wyrównanych punktów osnowy kolejowej wahały się w granicach: od ±3.2 do ±6.5 mm dla współrzędnej X oraz od ±2.3 do ±3.0 mm dla współrzędnej Y. Osnowa ta stanowiła bazę do wszystkich pomiarów szczegółowych geometrii układu torowego.

Zastosowane w eksperymencie metody pomiarowe geometrii toru Metoda strzałek Metoda tachimetryczna Metoda jednowózkowa Metoda dwuwózkowa Metoda GNSS

Wstępne analizy dokładności dla poszczególnych metod pomiarowych Analiza dla metody strzałek Warunki przyjęte do analizy: - dokładność pomiaru strzałki: ±1mm - maksymalna długość celowej: 70m - dwukrotny pomiar – maksymalna dopuszczalna różnica: 2mm.

Wstępna analiza dokładności dla metody strzałek X Y R=2000m Metoda strzałek jest metodą względną i dostarcza informacji o lokalnej krzywiźnie toru. Towarzyszy tej metodzie zjawisko sumowanie się błędów systematycznych. Założenia do przeprowadzenia analizy dla bezpośredniego pomiaru strzałek: - Δd = 10m (cięciwa 20m), - błąd pomiaru strzałki ±1mm, - R = 2000 m.

Wyniki wstępnej analizy dokładności [m] [x 100 m] L – długość mierzonego odcinka mp – wielkość błędu poprzecznego

Analiza dokładności dla metody tachimetrycznej założenia dokładności wg Instrukcji D19 oraz Ig-7 Dokładność pomiaru kąta uzależniono od długości celowej i przyjęto odpowiednio: ±12cc i - dla celowych St - 100 i S1 - 101 ±15cc i - dla celowej St - 102 ±10cc i - dla celowej St - P Dokładność pomiaru odległości: ±12mm dla celowej St – P ±10mm dla pozostałych celowych.

Analiza dokładności dla metody tachimetrycznej Założenia dokładnościowe: - odległości do znaków osnowy szczegółowej – ok. 70m - długość celowej do punktu P - ok. 70m. - dokładność pomiaru kąta: ±5cc - dokładność pomiaru odległości: ±2mm

Analiza dokładności dla metody jednowózkowej Założenia dokładnościowe (pomiar testowy): Metoda jednowózkowa, co do zasady nie różni się od metody biegunowej. We wstępnej analizie dokładności uwzględniono parametry dokładnościowe tachimetru Trimble VX Robotic, będącego częścią zestawu pomiarowego. Warunki: - odległości do znaków osnowy szczegółowej – ok. 70m - długość celowej do punktu P - ok. 70m. - dokładność pomiaru kąta: ±3cc - dokładność pomiaru odległości: ±1mm

Analiza dokładności dla metody dwuwózkowej W metodzie dwuwózkowej tachimetr umieszczony jest na jednym z wózków, zaś pomiar wykonuje się „cięciwami”. Cięciwę definiuje para znaków regulacji osi torów (KOS). Parametry dokładnościowe odpowiadają tachimetrowi Trimble VX Robotic będącego częścią zestawu pomiarowego: - długość cięciwy – ok. 140m, - dokładność pomiaru kąta: ±3cc, - dokładność pomiaru odległości: ±1mm.

Analiza dla techniki GNSS Antena odbiornika GNSS może być umieszczona: - na tyczce ustawianej na urządzeniu wymuszającym lokalizację osi toru, - na wózku pomiarowym. Dokładność pomiaru determinują następujące czynniki: - typ odbiornika i anteny, - konfiguracja satelitów w momencie pomiaru, - ukształtowanie i pokrycie terenu (przesłonięcia horyzontu). Do pomiaru zastosowano odbiornik satelitarny Trimble R10. Dla warunków terenu odkrytego uzyskano dokładność położenia punktu w układzie XOY oszacowaną na ±10–13 mm (wg oceny systemu firmy Trimble)

Rezultaty pomiarów w eksperymencie W wyniku serii pomiarów osi torów odcinka testowego uzyskano zbiory współrzędnych punktów charakterystycznych dla metod: tachimetrycznej, jednowózkowej, dwuwózkowej, satelitarnej GNSS. Dla metody strzałek uzyskano zbiory odpowiednich strzałek pomierzonych dla cięciw 20 m na odcinkach łuków oraz 40 m na odcinkach prostych.

Próba porównania wyników pomiaru eksperymentalnego W celu porównania wyników pomiarów cech geometrycznych osi torów, wykonanych różnymi metodami należało doprowadzić do wielkości porównywalnych. Dlatego też, dane z metod bezwzględnych przeliczono na wielkości odpowiednich strzałek. Wielkości te w dalszej pracy poddano analizie statystycznej.

Wyniki pomiaru eksperymentalnego Analiza statystyczna strzałek wyznaczonych różnymi metodami tor 1 Średnie odchylenia standardowe różnic wartości strzałek

Wyniki pomiaru eksperymentalnego Analiza statystyczna strzałek wyznaczonych różnymi metodami tor 2 Średnie odchylenia standardowe różnic wartości strzałek

Podsumowanie i wnioski W wyniku przeprowadzonych pomiarów na odcinku testowym oraz przeprowadzonych, można wysnuć szereg wniosków, odnośnie przydatności badanych metod pomiaru osi torów do prowadzenia procesów regulacji stanu układu torowego: Dobór optymalnej metody pomiaru geometrii układu torowego zależy od uwarunkowań techniczno-ekonomicznych stawianych wykonawcy oraz warunków, panujących w terenie, Stawiając na pierwszym miejscu tempo przeprowadzania pomiaru oraz zakres pozyskiwanych danych o geometrii toru można zwracać swoje preferencje w kierunku systemów zautomatyzowanych, jakimi są systemy pomiarowe wykorzystujące wózki w czujnikami pochyleń lub ekstensometrami (wózki GEDO, TQM itp.). W zautomatyzowanych systemach pomiarowych oprócz położenia punktów osi toru rejestrowane są także rozstaw szyn oraz przechyłka i pochylenie podłużne toru w miejscach pomiaru toru, Pomiar tradycyjny metodą strzałek pozwala uzyskać w stosunkowo prosty sposób i za pomocą niedrogiego sprzętu dane o lokalnych cechach geometrycznych toru. Jej zaletą jest wysoka dokładność względna, natomiast jej mankamentem jest większa, niż w przypadku innych metod pracochłonność podczas pomiaru oraz podczas opracowywania wyników.

Podsumowanie i wnioski c. d. Zaletą metody GNSS jest prostota i szybkość wykonania pomiaru oraz jednorodność systemowa obserwacji. Dzięki wsparciu systemu ASG-EUPOS wystarczy jeden odbiornik sygnałów satelitarnych. Uzyskiwana dokładność wyników ustępuje dokładności pozostałych metod pomiarowych. Rozwiązaniem kompromisowym między bardzo zaawansowanymi technicznie i efektywnymi w pomiarach metodami tzw. „wózkowymi” a prostą tanią, a przy tym wystarczająco dokładną metodą strzałek, jest metoda tachimetryczna. W przypadku kompleksowego pomiaru przestrzennego torów stosowanie rozwiązań z wózkami pomiarowymi jest szybkie, niezawodne i spełniające wszystkie wymagania dokładnościowe standardów, dotyczących pomiarów kolejowych. Obszar pomiarów kolejowych dynamicznie się rozwija, a nowe technologie pomiarowe łączą obserwacje czysto geodezyjne związane z pozycjonowaniem z obserwacjami względnymi szyn, a także rejestrowaniem bliskiego otoczenia toru, w tym elementów infrastruktury kolejowej (słupów trakcyjnych, linii energetycznych itd.)

Dziekujemy za uwagę