Введение к работе
Актуальность исследования. Содержание инфраструктуры, и в том числе железнодорожного пути, ставит важные задачи перед отраслевой наукой.
Развитие высокоскоростного движения обуславливает высокую значимость соблюдения требований к надежности и безопасности железнодорожных перевозок, которая обеспечивается, в том числе, и за счет состояния железнодорожного пути. Таким образом, высокие скорости движения требуют повышенного внимания к положению и геометрическим параметрам пути. А это, в свою очередь, определяет актуальность вопросов содержания железнодорожного пути.
Известно, что определение положения железнодорожного пути при его
содержании и ремонте на российских железных дорогах в основном осуществляется
на основе относительных показателей («стрел изгиба» железнодорожных кривых) –
это привычные, хорошо изученные методы, проверенные временем. Однако сегодня
в научной среде и среди практиков все чаще звучат мнения о необходимости
комбинации методов описания положения пути на основе «стрел» с координатными
методами, позволяющими исключить из процесса содержания пути погрешности,
связанные с использованием относительных показателей. В настоящее время на
железных дорогах активно ведется внедрение Комплексной системы
пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта
(КСПД ИЖТ), которая позволяет определить координаты точек пути и использовать эту информацию для расчетов требуемого положения пути.
Перспективным решением этой задачи является направление научных
исследований в области создания высокоточных координатных систем с
применением ГЛОНАСС/GPS, которые позволяют повысить точность при
проектировании, строительстве и содержании железнодорожного пути и перейти к
эксплуатации пути в проектном положении. Надо отметить, что внедрение таких
систем требует привлечения соответствующих инструментов для работы с
координатными данными в части устранения возникающих отступлений от
проектного положения, одним из которых может стать геометрическое
моделирование. Моделирование становится ключевым инструментом,
позволяющим эффективно организовать работу с координатными данными, обеспечить их хранение, обновление, анализ и использование.
В работе предложены новые подходы к созданию модели описания положения железнодорожного пути в плане на основе координатных данных с применением методов геометрического моделирования. Этот метод позволит выбирать параметры железнодорожного пути в плане, обеспечивающие снижение уровня показателей динамического взаимодействия пути и подвижного состава, и дополнить
существующую систему содержания пути в части совершенствования программных комплексов управления рабочими органами путевых машин.
Степень научной разработанности проблемы. В течение многих лет проблемам описания положения и выправки железнодорожного пути, в том числе с применением методов моделирования, уделяли внимание многие ученые транспортной отрасли. Различным аспектам построения геометрических моделей железнодорожного пути посвящены исследования: А.Ю. Абдурашитова, В.А. Бучкина, Б.Э. Глюзберга, И.В. Гоникберга, А.В. Горинова, М. Гофера, А.К. Дюнина, В.М. Ермакова, И.А. Жарова, М.М. Железнова, И.М. Зубова, А.И. Иоаннисяна, В.Б. Каменского, А.Я. Когана, Б.Н. Козийчука, П.Г. Козийчука, В.А. Коугия, СЮ. Лагерева, А.А. Лебедева, В.Н. Логинова, И.П. Марунича, С.И. Матвеева, В.О. Певзнера, Ю.К. Полосина, А.И. Проценко, Ю.С. Ромена, И.Я. Туровского, К.Ю. Цеглинского, В.В. Щербакова и других ученых.
Работы этих ученых содержат фундаментальные основы моделирования геометрических параметров железнодорожного пути и способствовали изучению структуры моделей железнодорожного пути, методов моделирования и получения исходной информации для построения моделей и влияния геометрических параметров пути на динамику движения поезда и на эффективность работ при переустройстве и строительстве железнодорожных магистралей.
Целью настоящей научной работы является разработка алгоритма непрерывного описания положения пути методом построения сопрягаемых между собой элементов переменной кривизны и технологии построения системы такого описания. Такой алгоритм может стать дополнением к подходам определения положения железнодорожного пути с применением набора стандартных элементов (прямая, круговая кривая, переходная кривая) и отклонений от этих элементов, описываемых различными способами при дискретном представлении данных и позволит определять параметры железнодорожного пути в плане для снижения уровня показателей динамического взаимодействия пути и подвижного состава.
Основные задачи исследования:
Разработка алгоритма описания положения участка железнодорожного пути методами геометрического моделирования между фиксированными точками при проведении выправочных работ. Эта задача решалась на основе:
анализа тенденций развития геометрических методов описания положения железнодорожного пути;
выбора метода построения геометрической модели участка железнодорожного пути в горизонтальной плоскости на основе анализа существующих методов геометрического моделирования;
разработки подхода к построению модели железнодорожного пути с применением методов геометрического моделирования на основе координатных данных;
анализа полученных по результатам модельных экспериментов данных для определения влияния параметров сглаживания на величину рамных сил, в том числе в зависимости от скорости и степени загрузки вагона;
разработки подхода к улучшению алгоритма работы путевых машин с использованием полученной геометрической модели железнодорожного пути для расчета сдвижек между фиксированными точками.
обоснования выбора критерия рациональности геометрических параметров модели участка железнодорожного пути на основе исследования показателей динамического взаимодействия пути и подвижного состава.
Объектом исследования выступает план железнодорожного пути. Предметом исследования является описание положения железнодорожного пути в плане.
Соответствие темы диссертации требованиям паспорта специальности ВАК. Диссертационная работа соответствует п. 2 «Конструкции верхнего и нижнего строения железнодорожного пути. Основные параметры, направления развития, проектирование, изготовление. Система технического обслуживания и ремонтов железнодорожного пути. Технология производства и организация работ», п. 5 «Методы исследования, испытаний и моделирования железнодорожного пути и процессов его взаимодействия с подвижным составом», п. 10 «Выбор и обоснование технических параметров проектируемых и реконструируемых железных дорог», п. 11 «Методы и средства изысканий и проектирования железных дорог. Оценивание проектных решений по комплексному и частным критериям эффективности» паспорта научной специальности 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог.
Методы исследования. В диссертации использованы математические методы сплайн-интерполяции и кусочно-полиномиальной аппроксимации для построения геометрических моделей железнодорожного пути, а также методы моделирования, методы анализа и статистической обработки данных.
Научная новизна:
1. Разработан алгоритм непрерывного описания положения участка
железнодорожного пути между фиксированными точками при проведении выправочных работ на основе построения сопрягаемых между собой элементов переменной кривизны методами геометрического моделирования;
-
Уточнена зависимость между параметрами модели, описывающими крутизну отвода неровности и величиной рамных сил, а также интенсивностью накопления неровностей в горизонтальной плоскости;
-
Обоснован выбор критерия рациональности геометрических параметров модели участка железнодорожного пути на основе исследования показателей динамического взаимодействия пути и подвижного состава при использовании алгоритма непрерывного описания положения участка железнодорожного пути между фиксированными точками при проведении выправочных работ.
Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке способа применения математических методов геометрического моделирования для решения задачи выбора положения участка железнодорожного пути между фиксированными точками при проведении выправочных работ.
Практическая ценность диссертации заключается в разработке подхода к выбору положения участка железнодорожного пути методами геометрического моделирования для снижения интенсивности расстройств пути.
На защиту выносятся:
модель определения положения железнодорожного пути на основе координатных данных методами геометрического моделирования;
уточненная зависимость между параметрами модели, описывающими крутизну отвода неровности, и величиной рамных сил, а также интенсивностью накопления неровностей в горизонтальной плоскости;
алгоритм непрерывного описания положения участка железнодорожного пути между фиксированными точками при проведении выправочных работ на основе построения сопрягаемых между собой элементов переменной кривизны методами геометрического моделирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами применения адекватного математического аппарата при обработке большого объема статистических данных по съемке плана железнодорожного пути.
Личный вклад автора:
проведен анализ тенденций развития методов описания положения железнодорожного пути в плане;
разработан подход к построению модели железнодорожного пути с применением методов геометрического моделирования;
обоснован выбор шага дискретизации с точки зрения максимального приближения модели пути к существующему положению;
б
разработан алгоритм выбора положения железнодорожного пути в плане при его переустройстве на основе критерия рациональности геометрических параметров модели участка железнодорожного пути;
разработан алгоритм использования полученной геометрической модели железнодорожного пути для расчета сдвижек между фиксированными точками.
Реализация работы. Научно-методический инструментарий в области моделирования параметров железнодорожного пути и оценки вариантов их улучшения получил практическое применение при формировании стратегических мероприятий по модернизации и развитию железнодорожной инфраструктуры ОАО «РЖД». Результаты диссертационного исследования, в частности, разработанный в диссертации подход к построению модели участка железнодорожного пути с применением методов геометрического моделирования на основе координатных данных и алгоритма по выбору основных геометрических параметров модели участка железнодорожного пути нашли применение при подготовке рекомендаций, направленных на повышение эффективности функционирования и развития ОАО «РЖД».
Апробация работы. Содержание работы, ее теоретические положения и результаты докладывались на: конференции, посвященной 95-летию ОАО «ВНИИЖТ» (2013 год, г. Щербинка, Экспериментальное кольцо ОАО «ВНИИЖТ»), Конкурсе научных работ аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» (2015 год, г. Москва, ОАО ВНИИЖТ»), международной конференции «Геодезия, геоинформатика и навигация - XXI век» (2012 год, г. Москва, МИИТ), V международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура сибирского региона» (2014 год, г. Иркутск, ИрГУПС), Транспортной секции Центрального дома ученых РАН (2015 год, г. Москва, ЦДИ РАН).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, из них 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 101 странице основного текста, содержит 6 таблиц, 39 рисунков и 2 приложения. Список литературы состоит из 105 наименований.