Способ технической диагностики земляного полотна железных и автомобильных дорог

Изобретение относится к области технической диагностики железных и автомобильных дорог, к оцениванию технического состояния земляного полотна методами дистанционного зондирования с применением аэрокосмической съемки в различных спектральных диапазонах. Способ включает аэрокосмическую съемку дороги в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, дешифрирование по изображению видимого диапазона верхнего строения пути и конструкции земляного полотна, формирование карты на изображении видимого диапазона. На карте обозначают ось железнодорожного пути или автодорожного покрытия, дешифрируют на изображениях видимого и инфракрасного диапазонов источники возможных деформаций, от границ источников откладывают соответствующие расстояния в пределах границ объектов земляного полотна, формируя зоны возможного развития деформаций земляного полотна. Производят поиск и дешифрирование деформаций земляного полотна в зонах их возможного развития. По изображению видимого диапазона измеряют все отклонения реального положения границ объектов от проектного и при превышении величинами отклонений заранее установленных пороговых значений считают зону отклонения зоной развития деформации земляного полотна; Технический результат - повышение оперативности за счет использования для диагностики только материалов однократной аэрокосмической съемки и ограничения области поиска деформаций зонами их возможного развития. 4 ил.

 

Изобретение относится к области технической диагностики железных и автомобильных дорог, в частности к оцениванию технического состояния земляного полотна методами дистанционного зондирования с применением аэрокосмической съемки в различных спектральных диапазонах.

Земляное полотно - наиболее ответственный элемент железных и автомобильных дорог, представляющий собой их главную несущую конструкцию. В связи с этим деформации земляного полотна являются одной из основных причин и неизбежно приводят к разрушению верхнего строения пути. Данное обстоятельство обуславливает необходимость постоянного контроля за состоянием земляного полотна. Вместе с тем значительная ресурсоемкость данного процесса при использовании существующих способов контроля не позволяет осуществлять его в полном объеме и с должной периодичностью.

Известные методы технической диагностики земляного полотна железных и автомобильных дорог, в основном, основываются на сборе данных приемно-измерительными комплексами, работающими с поверхности земли (см., например, Технические указания по инструментальной диагностике земляного полотна, МПС РФ, М.: "ИПП Куна", 2000; патент №2063492, РФ, 10.07.96 г.). В частности, метод определения качества основания пути по данным нагрузочных поездов предполагает измерение напряженно-деформированного поля в грунтах полотна датчиками поездов. Антеннам георадиолокаторов при использовании георадиолокационного метода необходим непосредственный контакт с землей, что существенно затрудняет диагностику в движении. Метод измерения динамической составляющей упругих перемещений поверхности земляного полотна под проходящими поездами реализуется при помощи низкочастотных датчиков (сейсмоприемников), устанавливаемых в различных точках поверхности земляного полотна. Инженерно-геологические методы инструментальных измерений предполагают бурение скважин, динамическое зондирование (пенетрацию), проходку шурфов, закопушек и расчисток.

При этом выбор оптимального комплекса методов и определения методики проведения инструментальных измерений основывается на результатах предварительного визуального осмотра.

Общими недостатками указанных методов являются:

зависимость выбора методов и мест проведения диагностики от субъективного восприятия лиц, проводящих осмотр;

ограниченный круг контролируемых параметров;

узкая полоса захвата, не всегда позволяющая достоверно оценить размеры и степень деформации;

необходимость применять комплексы, состоящие из нескольких методов;

низкая точность измерения размеров и координатной привязки деформаций;

низкая производительность.

Известен геолого-аналитический метод прогнозирования деформаций земляного полотна (см. Методика прогнозирования возможных деформаций земляного полотна на основе применения геолого-аналитического метода, М.: ЦВНТТ "Транспорт" МПС РФ, 2005).

Прогнозирование неустойчивых мест земляного полотна осуществляется путем анализа и обработки различного картографического материала (топографических, четвертичных отложений, геоморфологических, гидрогеологических карт), архивных материалов по истории строительства железной дороги, актов обследования и осмотра участков земляного полотна (паспорт ПУ-9), данных аэрофотосъемок, подробного профиля железнодорожного пути, визуального осмотра.

Аэрофотоснимки различных спектральных диапазонов в рамках данного метода используются, в основном, для составления карты инженерно-геологических условий, в которых находилось земляное полотно на момент выполнения съемки.

Недостатками метода являются:

невозможность его использования для текущей диагностики земляного полотна;

сложность подготовительных работ по сбору и обработке данных;

высокая степень обобщения результатов и низкое разрешение на местности.

Известен также способ локального аэромониторинга геотехнических систем (Топчиев А.Г., Горбенко В.Я. и др., патент №2227271, РФ, 20.04.2004 г.).

Целью применения данного способа является получение видеоизображения (от TV камеры высокого разрешения) с сохранением и регистрацией покадровой видеоинформации в геоинформационной базе данных.

Сущность способа заключается в съемке с выдерживанием трассы полета на высоте до 500 м с помощью вспомогательной курсовой камеры, установленной вместе со съемочной по продольной оси летательного аппарата. Одновременно производится сбор навигационных данных, позволяющий осуществлять привязку снимков с возможностью последующего их селективного вызова.

Основным недостатком данного способа является отсутствие методов обработки и анализа полученной информации с целью получения вывода о состоянии исследуемой геотехнической системы.

Поскольку железные и автомобильные дороги представляют собой линейно-протяженные геотехнические системы способ по патенту РФ №2227271 принят в качестве прототипа.

Цель настоящего изобретения: повысить достоверность, точность и оперативность диагностики земляного полотна железных и автомобильных дорог методами дистанционного зондирования с использованием материалов аэрокосмической съемки видового и инфракрасного спектральных диапазонов.

Обозначенная цель достигается решением следующих задач:

учетом влияния всех возможных источников, расположенных в зоне прокладки дорог, приводящих к развитию деформаций земляного полотна;

определением зон возможного возникновения деформаций;

систематизацией поиска деформаций в указанных зонах;

картированием всех выявленных объектов.

Источником развития деформаций является воздействие на земляное полотно различных объектов природного и техногенного (антропогенного) происхождения.

Кроме того, деформации могут быть сформированы в ходе некачественного выполнения строительства или ремонта земляного полотна. Задача выявления таких деформаций должна решаться на этапе контроля результатов строительства или ремонта дорог. Вместе с тем, не подвергаясь воздействию внешних источников, они, как правило, имеют статичный характер и могут быть исключены из перечня объектов, оказывающих существенное влияние на состояние верхнего строения пути.

С учетом вышесказанного решение поставленных задач осуществляют следующим образом.

Производят аэрокосмическую съемку дороги в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра.

По изображению видимого диапазона дешифрируют верхнее строение пути (железнодорожный путь или покрытие автомобильной дороги) и конструкцию земляного полотна (насыпь, выемку, нулевое место), определяя его конструктивные элементы: основную площадку (верхнюю поверхность), откосы, бермы, водоотводные канавы (резервы, кюветы).

Ось железнодорожного пути или автодорожного покрытия обозначают на изображении видимого диапазона, формируя тем самым карту дороги.

Дешифрируют на изображениях видимого и инфракрасного диапазонов источники деформаций земляного полотна и наносят их на указанную карту.

От границ источников, для которых экспериментальным, расчетно-статистическим путем или из действующих нормативов определены зоны негативного воздействия, откладывают соответствующие расстояния в пределах границ объектов земляного полотна, формируя тем самым зоны возможного развития деформаций земляного полотна, которые наносят на карту.

Зоны возможно развития деформаций под воздействием источников, для которых не определены зоны негативного воздействия, определяют как вертикальные проекции указанных источников на земляное полотно и также наносят их на карту.

Производят поиск и дешифрирование деформаций земляного полотна в зонах негативного воздействия источников, для чего на карте проводят линии, параллельные оси, вдоль рельсов железной или границ покрытия автомобильной дороги, по краям основной площадки земляного полотна, по верхней и нижней границам откосов насыпей и выемок, по границам берм, краям и центру дна водоотводных канав или кюветов и считают их проектным положением указанных объектов и их границ.

По изображению видимого диапазона измеряют все отклонения реального положения границ объектов от проектного и при превышении величинами отклонений заранее установленных пороговых значений считают зону отклонения зоной развития деформации земляного полотна.

По изображениям видимого и инфракрасного диапазонов дешифрируют тип деформаций, измеряют их размеры и наносят на упомянутую карту.

Повышение достоверности и точности технической диагностики земляного полотна достигается:

учетом влияния дополнительных факторов, в качестве которых выступают техногенные и природные источники возникновения деформаций, расположенные в зоне прокладки дороги;

сравнением и комплексированием результатов дешифрирования материалов съемки различных спектральных диапазонов;

использованием картографических свойств аэрокосмических снимков с точностью привязки на местности, определяемой линейным разрешением изображения видимого диапазона.

При этом повышение оперативности обеспечивается использованием для диагностики только материалов однократной аэрокосмической съемки и ограничением области поиска деформаций зонами их возможного развития.

Возможность осуществления способа рассматривается на примере технической диагностики земляного полотна железной дороги.

На фиг.1 изображена схема геотехнической системы, основным объектом которой является железная дорога.

На фиг.2 представлена классификация техногенных источников деформаций земляного полотна железной дороги.

На фиг.3 представлена классификация природных источников деформаций земляного полотна железной дороги.

На фиг.4 представлена классификация деформаций конструктивных элементов земляного полотна железной дороги.

Железнодорожный путь 1 (фиг.1) на изображении видимого диапазона распознают по прямым дешифровочным признакам: протяженной линейно-решетчатой текстуре, расположенной в выделенной полосе отвода и сопровождающейся характерным набором вспомогательных технических сооружений.

Элементы конструкции земляного полотна: основную площадку 2, откосы насыпи 3, откосы выемки 4, бермы 5, водоотводные канавы (резервы) 6, как правило, различают по тоновотекстурным отличиям, сформированным характером используемых грунтов, степенью и типом растительного покрова, уровнем освещенности (затененности).

Источники деформаций земляного полотна по происхождению подразделяют на природные и техногенные (антропогенные). Классификации источников представлены, соответственно, на фигурах 2 и 3.

К природным источникам, в частности, относятся области аккумуляции воды (водоемы) 7 (фиг.1), участки повышенной влажности грунта, подпочвенные 8 и поверхностные 9 водотоки.

Среди техногенных источников деформаций в первую очередь выделяют различные трассы коммуникаций, пересекающие железную дорогу, такие как подземные трубопроводы 10, кабельные линии. Также определяют объекты, находящиеся в полосе отвода и нарушающие режим ее содержания, проектные нормы или установленные минимальные допустимые расстояния, например воздушные линии электропередачи 11.

Наземные природные и технические объекты дешифрируют обычно на изображениях видимого диапазона по набору характерных дешифровочных признаков. Подземные объекты, как правило, имеют прямое проявление на инфракрасных изображениях в виде тоновых отличий, обусловленных различными температурами и коэффициентами излучения увлажненных участков почв над объектами, участков с измененной структурой и химическим составом почв, характером растительности и т.п.

Зоны негативного воздействия отдельных источников деформаций могут быть определены нормативно-технической документацией. В частности, опоры линий электропередачи в соответствии с Правилами устройства электроустановок запрещено приближать к железной дороге на расстояние меньшее высоты опоры плюс 3 м.

Для некоторых источников зоны негативного воздействия могут быть определены экспериментальным или расчетно-статистическим путем по результатам многократных наблюдений в различных условиях.

В перечисленных случаях от границ источников откладывают соответствующие расстояния в пределах границ объектов земляного полотна, формируя тем самым зоны возможного развития деформаций земляного полотна.

Зоны возможного развития деформаций под воздействием источников, для которых не определены зоны негативного воздействия, определяют как вертикальные проекции указанных источников на земляное полотно.

Все перечисленные объекты, как и ось железной дороги, наносят на изображение видимого диапазона, формируя тем самым карту земляного полотна.

Проектное положение рельсов, краев основной площадки земляного полотна, верхней и нижней границ откосов насыпей и выемок, границ берм, краев и центра дна водоотводных канав на прямых участках дороги представляет собой прямые линии, параллельные оси дороги. Эти линии наносят на формирующуюся карту земляного полотна.

На поворотах дороги указанные линии изгибают по радиусу, начальная точка которого соответствует начальной точке радиуса поворота железной дороги, а длина превышает радиус поворота дороги на расстояние, равное удалению соответствующих линий на прямолинейных участках.

Основными видами деформаций земляного полотна железной дороги являются деформации основной площадки, откосов, насыпи и водоотводных сооружений (см. фиг.4). Все они сопровождаются отклонениями геометрических параметров пути и(или) конструктивных элементов земляного полотна от проектного положения.

Размеры отклонений, свидетельствующие о степени развития деформаций, как правило, уже определены и описаны в нормативно-технической литературе (см., например, Положение по оценке состояния и содержания земляного полотна, ВНИИЖТ, 2000 г.). В частности, разработана система оценки степени деформаций на основании измерения следующих величин:

ширина обочин основной площадки менее нормативной на 0,2 м на длине более 10 м;

занижение обочины на 0,2 м на длине более 10 м;

пучины более 10 мм на длине до 10 м;

выплески на длине более 10 м и т.д.

Для выделения деформаций в определенных зонах их возможного возникновения по карте измеряют отклонения реального положения рельсов и границ конструктивных элементов земляного полотна от проектного. При превышении отклонением установленных пороговых значений зону отклонения считают зоной развития деформации.

Тип и размеры деформаций определяют в результате совместного дешифрирования изображений видимого и инфракрасного диапазонов.

Поверхностные деформации земляного полотна (трещины на откосах, обочинах, искажения очертаний откосов насыпей и выемок, пучинные горбы, выпоры грунта и т.п.) определяют по тоновотекстурным отличиям на видовом изображении.

Деформации, имеющие заглубленные образования, как правило, проявляются на инфракрасных материалах в виде затененных или засветленных областей, обусловленных, например, низким коэффициентом излучения увлажненных областей над скоплениями грунтовых вод (водяными линзами) в образовавшихся карстовых пустотах.

Результатом диагностики является карта деформаций земляного полотна железной дороги с указанием вызывающих их источников.

Таким образом, решение поставленных задач обеспечивает достижение цели: получены значительно более полные, достоверные и оперативные данные диагностики, по которым можно оценить техническое состояние земляного полотна железной дороги.

Способ технической диагностики земляного полотна железных и автомобильных дорог, включающий аэрокосмическую съемку дороги в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, дешифрирование по изображению видимого диапазона верхнего строения пути и конструкции земляного полотна, отличающийся тем, что ось железнодорожного пути или автодорожного покрытия обозначают на изображении видимого диапазона, формируя тем самым карту земляного полотна дороги; после чего дешифрируют на изображениях видимого и инфракрасного диапазонов источники возможных деформаций земляного полотна и наносят их на указанную карту; от границ источников, для которых экспериментальным, расчетно-статистическим путем или из действующих нормативов определены зоны негативного воздействия, откладывают соответствующие расстояния в пределах границ объектов земляного полотна, формируя тем самым зоны возможного развития деформаций земляного полотна, которые наносят на карту; зоны возможного развития деформаций под воздействием источников, для которых не определены зоны негативного воздействия, определяют как вертикальные проекции указанных источников на земляное полотно; затем производят поиск и дешифрирование деформаций земляного полотна в зонах их возможного развития, для чего на карте проводят линии, параллельные оси, вдоль рельсов железной или границ покрытия автомобильной дороги, по краям основной площадки земляного полотна, по верхней и нижней границам откосов насыпей и выемок, по границам берм, краям и центру дна водоотводных канав или кюветов и считают их проектным положением указанных объектов и их границ; далее по изображению видимого диапазона измеряют все отклонения реального положения границ объектов от проектного и при превышении величинами отклонений заранее установленных пороговых значений считают зону отклонения зоной развития деформации земляного полотна; далее по изображениям видимого и инфракрасного диапазонов дешифрируют тип деформаций, измеряют их размеры и наносят на упомянутую карту.