Оперативный способ определения угла наклона опор контактной сети железных дорог Российский патент 2024 года по МПК G01R31/08 B61K9/08 G01S5/00 G01C1/00 

Изобретение относится к области диагностической техники с помощью беспилотных летальных аппаратов (БПЛА), которые позволяют оперативно выявлять критические углы наклона опор контактной сети электрифицированных железных дорог.

В последнее время актуальность получения достоверной оперативной информации с помощью БПЛА об объектах транспортной инфраструктуры значительно возросла [Левин Б.А. Комплексный мониторинг транспортной инфраструктуры // Наука и технологии железных дорог. - 2017, - №1 (1), - С. 14-21; Левин Б.А., Цветков В.Я. Цифровая железная дорога: принципы и технологии // Мир транспорта. - 2018, №3, том 16, - С. 50-61].

Известен способ (патент на изобретение № 25150988 от 08.10.2012), в котором с помощью лазерного дальномера, размещенного в долине, определяют расстояние до контрольной точки на склоне, азимут и угол зондирования, затем, сместив зондирующий луч на некоторое расстояние по горизонтали влево или вправо от контрольной точки, определяют расстояние до произвольной вспомогательной точки на склоне и азимут зондирования этой точки. Затем из проекции на горизонтальную плоскость величин, образующих треугольник, определяют азимут горизонтали, проходящей через контрольную и вспомогательную точки на склоне. После этого вычисляют экспозицию склона (пространственную ориентацию и угол наклона). Существенным недостатком данного способа является также высокая трудоемкость и низкий уровень автоматизации.

Также известен способ определения угла наклона опор контактной сети (патент на изобретение № 2660195 от 05.07.2018 г.), в котором со стороны рельсового пути на штативе, оборудованном пузырьковым уровнем, устанавливают лазерный дальномер, определяют первую точку замера, расположенную на уровне головки рельса, определяют вторую точку замера, расположенную по высоте на расстоянии одного метра от первой точки замера, полученные результаты измерений, а также марку опоры, включающую высоту и конусность опоры, вводят в мобильное электронное устройство со специальной программой, которая рассчитывает по заданным параметрам угол наклона опоры контактной сети, сравнивает результаты расчетов с нормативными и при превышении нормативного уровня на дисплее электронного мобильного устройства появляется сигнал об аварийном состоянии опоры. Существенным недостатком данного способа является высокие трудозатраты и очень низкая оперативность определения угла наклона.

Также известен патент на полезную модель № 169167 от 16.03.2016 в котором используется БПЛА для диагностики протяженных объектов энергетики, преимущественно воздушных линий электропередачи, содержащий блок обработки сигналов, систему автоматического пилотирования, измерительную аппаратуру и источник питания, при этом система автоматического пилотирования содержит устройство автоматического пилотирования и блок навигации, причем блок обработки сигналов соединен с устройством автоматического пилотирования, блоком навигации, измерительной аппаратурой, источником питания, а также с удаленным устройством радиоуправления БПЛА, при этом система автоматического пилотирования дополнительно снабжена блоком автономного пилотирования, который содержит линейный лазер, выполненный с возможностью подсвечивать диагностируемый объект, и видеокамеру, выполненную с возможностью распознавания с видеоряда изображений областей диагностируемого объекта, подсвеченных линейным лазером, на основе которых будет осуществляется привязка БПЛА к диагностируемому объекту, причем блок обработки сигналов соединен с видеокамерой. Существенным недостатком данной полезной модели является не использование лазерных дальномеров, повышающих точность определения координат привязки к объекту диагностирования.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Алгоритм определения наклона опор ЛЭП методами глубокого обучения по видеоданным» [О.В. Лимановская, Е.А. Титов, Д.И. Волкова, А.В. Лемех // Вестник ИГЭУ. Вып. 2. - 2020. С. 72-80]. Алгоритм основан на обработке информации полученной с регистратора, выполненного в виде видеокамеры, установленной на БПЛА. Полученные видеоданные анализируются методами машинного зрения и нейронных сетей. Разработанный алгоритм расчета угла наклона опор ЛЭП, позволяет идентифицировать объекты, имеющиеся на изображении, определять края опор, путем построения вдоль них прямых линий и рассчитывать углы между найденными краями опоры и горизонтом, а также угол отклонения опоры от вертикали. Существенным недостатком данного алгоритма является высокая относительная погрешность - 11,5%.

Целью изобретения является повышение точности измерения угла наклона опор контактной сети.

Указанная цель достигается путем использования трех пар лазерных сканирующих дальномеров, установленных на средстве регистрации, с помощью которых угол наклона каждой опоры контактной сети определяется в трех плоскостях и в двух проекциях для каждой плоскости - вдоль и перпендикулярно плоскости сканирования, соответственно, при этом окончательные усредненные углы наклона опор контактной сети представляются в системе отсчета, связанной с рельсовым путем, в которой одна из осей координат перпендикулярна, а другая параллельна рельсовому пути.

На фиг. 1 показан БПЛА 1, который летит со скоростью . Каждая из трех пар ЛСД лежит в плоскостях П1, П2 и П3, соответственно. Плоскости П1, П2 и П3-вертикальны. На фиг. 2 показана пара ЛСД 2 и 3, излучение которых направлено на опору 4, лежащих в плоскости П2. Угол между направлениями излучения верхнего и нижнего дальномеров составляет α. Оператор БПЛА 1 задает скорость движения параллельную рельсовому пути, угол α и высоту полета h исходя из реальных условий, при котором излучение верхнего и нижнего ЛСД попадает на контактную опору в точках максимально удаленных друг от друга. Излучение всех верхних ЛСД во всех плоскостях направлено горизонтально.

На фиг. 3 показан вид сверху движения БПЛА 1 и три верхних ЛСД 2, 2 и 6. Угол между плоскостями П1, П2 и П3 задается β. В общем случае он также настраивается оператором. Для получения максимально достоверных результатов, целесообразно угол β задавать равным 45 градусов.

В процессе полета по данным полученным от каждого ЛСД определяется наименьшее расстояние L₁ и L₂ до контактной опоры показанное на фиг. 4. Зная L₁, L₂ и угол α можно по теореме косинусов найти угол γ показанный на фиг. 4. С учетом расстояния между точками отражения лазерных лучей верхнего и нижнего дальномеров X и конусности контактных опор характеризуемой углом γ_К (рад) расчетное выражение для определения угла наклона ±γ_|| в каждой плоскости сканирования будет иметь вид:

На фиг. 5 также показан случай, когда контактная опора имеет наклон в плоскости перпендикулярной плоскости сканирования. В этом случае, отраженные от опоры сигналы для верхнего и нижнего дальномеров будут иметь временной сдвиг Δt. Тогда, с учетом известного значения скорости V БПЛА 1, угол наклона контактной опоры в плоскости перпендикулярной плоскости сканирования: может быть определен с помощью выражения:

где V cos (π/2-β) - проекция скорости БПЛА на направление перпендикулярное плоскости сканирования (β>0), показанная на фиг. 6. Точка О, показанная на фиг. 2, 3, 4, 5 является точкой отсчета для всех ЛСД.

Определяя углы наклона контактной опоры в системе отсчета связанной с одной из плоскостей сканирования, целесообразен их перевод в единую систему отсчета, связанную с рельсовым путем. На фиг. 6 показаны углы наклона контактной опоры γ_⊥1 и γ_||1 в системе координат, связанной с плоскостью сканирования П1. Тогда углы наклона контактной опоры γ_⊥ и γ_|| в системе координат, связанной с рельсовым путем можно рассчитать с помощью выражений:

где β₁<0.

В общем случае, с учетом сканирования в трех плоскостях, усредненные углы наклона контактной опоры <γ_⊥1> и <γ_||> в системе отсчета связанной с рельсовым путем можно определить по выражениям:

где - усредненный угол наклона контактной опоры перпендикулярно рельсовому пути, <γ_||> - усредненный угол наклона контактной опоры вдоль рельсового пути. Предельно допустимые нормативные значения для углов наклона <γ_||> ≤1% и <γ_⊥> ≤3%.

На фиг. 7, с учетом полученных значений показано положение контактной опоры. Пунктиром выделена прямоугольная область критических углов наклона согласно нормативным документам. Для сравнения с допустимыми нормативными значениями углов наклона контактных опор, расчетные значения всех углов представлены в процентах.

Для привязки предлагаемой системы координат к рельсовому пути 7 для каждой опоры фиксируется расстояние от головки рельсового пути до средней точки опоры на уровне грунта: Lp_⊥ и под углом π/2 к продольному направлению рельса (см. фиг. 7).

Таким образом, использование данного способа позволяет существенно повысить точность определения угла наклона опор контактной сети расположенных вдоль железнодорожных путей, которые имеют критический угол наклона.

Изобретение относится к области диагностической техники с помощью беспилотных летальных аппаратов (БПЛА), которые позволяют оперативно выявлять критические углы наклона опор контактной сети электрифицированных железных дорог. Указанная цель достигается путем использования трех пар лазерных сканирующих дальномеров, установленных на средстве регистрации, с помощью которых угол наклона каждой опоры контактной сети определяется в трех плоскостях и в двух проекциях для каждой плоскости - вдоль и перпендикулярно плоскости сканирования, соответственно, при этом окончательные усредненные углы наклона опор контактной сети представляются в системе отсчета, связанной с рельсовым путем, в которой одна из осей координат перпендикулярна, а другая параллельна рельсовому пути. Определение углов наклона опор контактной сети ± γ_⊥ и ±γ_|| в каждой плоскости П1, П2 и П3, знание условий полета БПЛА и углов между плоскостями β позволяет с учетом несложных математических преобразований, вызванных поворотом системы отсчета, определить усредненные углы наклона опоры контактной сети <γ_⊥> и <γ_||> в системе отсчета, связанной с рельсовым путем. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности определения угла наклона опор контактной сети, расположенных вдоль железнодорожных путей. 7 ил.

Оперативный способ определения угла наклона опор контактной сети, заключающийся в обнаружении опор, их идентификации и расчете угла наклона опор контактной сети на основании данных съемки, полученной с помощью средства для регистрации, расположенного на беспилотном летательном аппарате, при его перемещении вдоль опор контактной сети, отличающийся тем, что съемка осуществляется посредством установленных на средстве регистрации трех пар лазерных сканирующих дальномеров, с помощью которых угол наклона каждой опоры контактной сети определяется в трех плоскостях и в двух проекциях для каждой плоскости - вдоль и перпендикулярно плоскости сканирования, соответственно, при этом окончательные усредненные углы наклона опор контактной сети представляются в системе отсчета, связанной с рельсовым путем, в которой одна из осей координат перпендикулярна, а другая параллельна рельсовому пути.