ГИС мониторинга транспортных сетей

Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Минина А.А.
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», УНЦ «ГИС-технологии», г. Санкт-Петербург, тел.: (812) 234-93-93, e-mail: NKurakina@gmail.com

Monitoring of transport networks with GIS

Рассматриваются актуальные вопросы создания системы мониторинга состояния транспортной сети на примере инфраструктуры железнодорожного транспорта. Система позволяет осуществлять сбор, обработку и оперативное представление информации с путеизмерительной системы, анализ состояния объектов железной дороги и прилегающей территории, построение режимных карт. Показаны возможности мониторинга в приложении к тестовому участку железной дороги.

Пространственная протяженность и распределенность транспортной инфраструктуры делает её идеальным объектом автоматизации посредством применения современных геоинформационных технологий (ГИС). Наиболее ярким примером таких комплексных объектов являются транспортные системы и сети. Большинство задач, которые решают транспортные службы, имеют геоинформационную составляющую: построение плана и профиля пути, поперечных разрезов земляного полотна; ремонт и обслуживание объектов, проектирование строительства; составление планов работ и их мониторинг; прогнозирование возможных аварийных ситуаций и т.д. Перечисленные и подобные им задачи пока в основном решаются устаревшими методами, которые уже не обеспечивают требуемого качества и эффективности. Планы и профили пути, как правило, составляются вручную в бумажном виде, обновление карт и схем осуществляется крайне редко, данные о состоянии большинства объектов не систематизированы и, соответственно, труднодоступны. Такая ситуация осложняет задачу управления инфраструктурой дороги.

В связи с этим, давайте рассмотрим принципиальные вопросы создания геоинформационной системы мониторинга состояния инфраструктуры транспортной сети на примере железнодорожного транспорта.

Мониторинг железнодорожного транспорта – это постоянное и синхронизированное наблюдение за его состоянием по множеству фиксированных параметров. Система мониторинга должна отслеживать каждую неисправность пути с привязкой к местоположению и в ее развитии, включая анализ всех возможных причин ее возникновения, периодичность возникновения, повторяемость и т.д.

Созданная система мониторинга с использованием геоинформационных технологий позволяет осуществлять сбор, обработку и представление оперативной информации в реальном времени, отображать состояние пути на карте, использовать статистические данные всех проездов, автоматически выявлять и отмечать критические места, что позволяет быстро принимать решения и оперативно реагировать на нештатные ситуации.

Распределенная система мониторинга

Информационно-измерительная система (ИИС) мониторинга включает в себя совокупность стационарных и мобильных (бортовых) систем сбора и передачи информации.

Система сбора представляет собой телекоммуникационную сеть обмена данными, которая может использовать все способы передачи данных. Стационарные посты выполняют коммуникационные функции и простейшие функции контроля. Эти функции обеспечивают получение контрольно-измерительной и технологической информации от бортовых систем, контроль времени движения локомотива в заданных пунктах, сбор информации о коммуникациях и сооружениях, передачу данных на верхний уровень распределенной ИИС.

Ядром распределенной ИИС является центральный диспетчерский пункт, который строится на базе информационно-вычислительной системы с использованием ArcGIS в качестве базового программного ГИС-обеспечения.

Основной принцип предлагаемой концепции построения распределенной ИИС мониторинга заключается в том, что в ней локомотив является не только объектом контроля и управления, но также источником постоянно обновляемой информации о состоянии железнодорожного пути, То есть она является современной контрольно-измерительной системой, накапливающей и хранящей информацию о состоянии всего участка его обращения, а также принимающей решения при обнаружении опасной, аварийной ситуации.

Информационное обеспечение системы

В состав информационного обеспечения системы входят следующие составляющие:

•      автоматизированные инструментальные средства диагностики пути;
•      база геоданных о состоянии пути и объектах железной дороги;
•      система сбора и передачи данных;
•      комплекс задач контроля состояния и планирования содержания пути;
•      средства визуализации результатов мониторинга пути.

В основе системы лежит ГИС корпоративного уровня, построенная на основе серверных решений и сетевых баз данных. Это обеспечивает возможность создания единого централизованного хранилища пространственно-распределенной информации, поддержки многопользовательской среды редактирования, возможность доступа удаленных пользователей, систематизации информации и ее наглядного отображения.

В ходе разработки проекта были собраны имеющиеся источники данных, в ArcGIS for Desktop Advanced (ArcInfo) создана географическая и линейная модель железнодорожного пути, модели объектов железной дороги, территориальных природных и техногенных систем. Для более удобной визуализации результатов анализа в ситему добавлены фрагменты растров исследуемых участков пути. Данные картографических слоев организованы в наборы классов объектов. Информационная модель системы приведена на рис. 1.

Рис. 1. Информационная модель системы.

Модели объектов в ГИС-технологии

Прежде чем оценивать качество пути или степень возможного риска возникновения чрезвычайных ситуаций на анализируемом участке железной дороги, целесообразно провести классификацию железнодорожных объектов с описанием их характеристик.

Согласно статье 2 федерального закона «О железнодорожном транспорте в РФ» от 10 января 2003 г №17-ФЗ, инфраструктура железнодорожного транспорта общего пользования – это технологический комплекс, включающий в себя железнодорожные пути общего пользования и другие сооружения, железнодорожные станции, устройства электроснабжения, сети связи, системы сигнализации, централизации и блокировки, информационные комплексы и систему управления движением и иные обеспечивающие функционирование этого комплекса здания, строения, сооружения, устройства и оборудование.

Таким образом, к путевому хозяйству железнодорожного транспорта относятся собственно путь со всеми его сооружениями и устройствами, комплекс производственных подразделений и хозяйственных предприятий, предназначенных для обеспечения бесперебойной работы железнодорожного пути и искусственные сооружения. Искусственные сооружения обеспечивают возможность пересечения железной дорогой водных преград, других железнодорожных линий, автодорог, глубоких ущелий, горных хребтов, застроенных городских территорий, а также безопасный переход людей через пути и устойчивость земляного полотна в сложных геологических и гидрологических условиях. К искусственным сооружениям относятся мосты, трубы, тоннели, подпорные стены, регуляционные сооружения, галереи, селе-спуски и др. Структурными подразделениями путевого хозяйства являются участки обращения локомотива и дистанции пути.

В качестве экспериментальной области мониторинга участка обращения локомотивов был выбран участок железной дороги «Горячий ключ-Адлер». В ходе разработки системы был проведен описываемый ниже комплекс мероприятий.

Создана географическая модель железной дороги, которая является базовой основой системы анализа и представляет собой слой линейных объектов со следующими параметрами:

RW_Road= { Ident_RW, Cat_RW, Cod_Dist, Distanse, Type_RW, Type_Rail, Track_W},

где Ident_RW – идентификатор участка обращения локомотива, Cat_RW – категория дороги, Cod_Dist – код дистанции пути, Distanse – описание дистанции пути, Type_RW – количество путей, Type_Rail – тип рельса, Track_W – ширина колеи.

На основе географической модели построена линейная модель железной дороги. В линейной модели географические объекты имеют линейное измерение (в метрах) от начальной точки участка. Модель построена таким образом, что каждый отдельный участок имеет код (идентификатор маршрута), состоящий из трех двузначных цифр. При разветвлении железнодорожного пути начинается нумерация разветвления. В случае разветвления внутри разветвления, наращивается отсчет следующий группы цифр. При такой нумерации участков модель может включать разветвления двух уровней с количеством участков не более 99, что вполне достаточно для выбранной экспериментальной области (рис. 2). Каждый участок модели описывается следующим вектором параметров:

RW_Traffic={Ident_RW, Ident_PRoute},

где Ident_RW – идентификатор участка обращения локомотива, Ident_PRoute – идентификатор участков маршрута.

Рис. 2. Линейная схема железной дороги.

Из участков маршрута линейной модели железной дороги формируется маршрут движения локомотива. Он представляет собой определенный (конкретный) путь движения локомотива, реализованный в виде линейного объекта и сопровождаемый следующим вектором параметров:

RW_Marshrut={Ident_RW, Ident_Route},

где Ident_RW – идентификатор участка обращения локомотива, Ident_Route – идентификатор маршрута.

Скоростная модель режимов движения локомотива представляет собой таблицу линейных событий, накладываемую на маршрут движения локомотива, и имеет следующую структуру:

RoteProperties={Ident_RW, Ident_Route,RouteProperty, Ident_SR, CoordinateFirst, CoordinateEnd, Value , Date, Base_Speed},

где Ident_RW– идентификатор участка обращения локомотива, Ident_Route – идентификатор маршрута, RouteProperty – тип маршрута, Ident_SR– идентификатор участка скоростного режима (генерируется автоматически), CoordinateFirst–начало участка скоростного режима, CoordinateEnd–конец участка скоростного режима, Value– установленная допустимая скорость, Date – дата установки скорости, Base_Speed – базовая скорость на участке.

Наряду с моделью железнодорожного пути созданы слои, включающие объекты инфраструктуры железной дороги. Объекты сгруппированы в классы, имеющие одинаковые описательные характеристики.

Сооружения при железных дорогах включают платформы, станции, вокзалы, железнодорожные переезды, стрелочные переводы и светофоры. Транспортные сооружения включают мосты, тоннели и путепроводы (рис. 3). Для всех вышеперечисленных классов объектов разработана структура атрибутивной информации, включающая основные характеристики, оказывающие влияние на состояние железной дороги.

Рис. 3. Транспортные сооружения.

Помимо объектов инфраструктуры на состояние железной дороги могут оказывать влияние близлежащие техногенные объекты или природные территориальные системы. В проекте созданы модели техногенных объектов с указанием типа и вида производства.

Окружающая территория в случае обвалов, осыпей или просадки пород также может оказывать сильное влияние на качество железнодорожного пути. Для оценки подобных воздействий создан набор пространственных данных «Территория», включающий слой рельефа, грунтов. Все вышеперечисленные объекты типизированы по характеристикам и содержат параметр оценки воздействия на состояние железной дороги.

Система анализа

Созданные программные модули предназначены для решения аналитических задач по разработанной ранее системе критериев. Система анализа включает оценку состояния рельсовой колеи, объектов железной дороги, объектов прилегающей территории.

Оценка состояния рельсового путиформируется в результате обработки данных путеизмерительной системы. Параметрами, характеризующими состояние геометрии рельсовой колеи, по которым устанавливаются ограничения допускаемой скорости или закрытие движения поездов, являются: ширина колеи; взаимное положение рельсовых нитей; просадки рельсовых нитей; положение пути в плане (рихтовка); превышение допустимой величины непогашенного ускорения и скорости его изменения.

Данные о типах и величинах дефектов сравниваются с нормативными показателями, определяется степень отступления и формируется балловая оценка состояния рельсового пути:

О_p = {1, 2, 3},

где 1 – отличное и хорошее состояние, 2 – удовлетворительное состояние, 3 – неудовлетворительное состояние.

Для определения значения оценки в ГИС для анализируемого участка формируется таблица точечных событий, содержащая бальную оценку состояния рельсового пути по каждому обнаруженному дефекту, следующего вида:

Event_point={Ident_RW, Data, Distans, Defect, Discribe},

где Ident_RW– идентификатор участка обращения локомотива, Data – дата обнаружения дефекта, Distans – расстояние от начальной точки маршрута (линейная координата), Defect– бальная оценка дефекта, Discribe– вид дефекта.

Объединение оценок состояния рельсового пути по обнаруженным дефектам осуществляется по участкам скоростной модели режимов движения локомотива согласно выражению вида:

,

где О_pij – бальная оценка j-го дефекта на i—ом участке модели режимов скоростей движения локомотива, N – количество обнаруженных на участке дефектов, t – фактор времени.

Оценка состояния объектов железной дорогиопределяется в результате осмотров и проверок. При этом устанавливается, оказывают ли выявленные дефекты влияние на безопасность движения поездов и необходимо ли обратить повышенное внимание на состояние этих объектов. Оценку осуществляют путевые обходчики и специалисты ремонтных служб железной дороги. Результаты проверок заносятся в Базу данных измеренных параметров и дефектов. Каждый объект железной дороги характеризуется вектором параметров:

RW_Transport_Influence={Ident_RW, Type, Describe, ObjectId, Influence, DateUpdate},

где Ident_RW–идентификатор участка обращения локомотива, Type– тип объекта железной дороги (железнодорожный переезд, стрелочный перевод, транспортные сооружения, сооружения при железных дорогах), Discribe– описание, Objectid– идентификатор объекта, ObjectId–оценка состояния (показателя воздействия), DateUpdate–дата оценки.

Оценка состояния объектов железной дороги в соответствии с нормативными документами осуществляется по трехбалльной системе:

О_c = {1, 2, 3},

где 1 – нормальное состояние, 2 – требует внимания, 3 – требует ремонта.

Фрагмент карты, отображающий состояние железнодорожных тоннелей, моста и стрелочных переводов в соответствии с оценкой их состояния, представлен на рис. 4.

Рис. 4. Оценка состояния объектов железной дороги.

Каждый объект железной дороги располагается либо на железнодорожном пути (стрелочные переводы, железнодорожные переезды), либо вдоль него на близком расстоянии. Для определения воздействия, оказываемого объектами ЖД на железнодорожный путь, на основе пространственного моделирования и анализа, реализованного в графической среде ArcGIS Model Builder, определяется принадлежность каждого объекта ЖД участку скоростного режима, на который объекты и оказывают непосредственное воздействие.

Объединение оценок состояния объектов железной дороги по обнаруженным дефектам осуществляется по участкам скоростной модели режимов движения локомотива согласно выражению вида:

,

где О_cij – бальная оценка объектов j—го типа на i-ом участке скоростной модели режимов движения локомотива, N – количество типов объектов железной дороги.

Оценка состояния прилегающей территории осуществляется в результате анализа уровня опасности природных и техногенных объектов на состояние рельсового пути с учетом их удаленности от железнодорожного полотна. Уровень опасности назначается экспертами в результате периодических проверок, при этом оценка влияния формируется в трехбалльной шкале:

О_t= {1, 2, 3},

где 1 – малое влияние, 2 – среднее влияние, 3 – высокое влияние.

Третья категория присваивается опасным производствам, расположенным близко к железнодорожному пути, требующим проведения ремонтных работ или реконструкции, которые с большой вероятностью могут вызвать чрезвычайные ситуации на железной дороге. Это также могут быть чрезвычайные ситуации природного происхождения (обвалы, оползни, сели). Наличие таких объектов требует корректировки скоростного режима на участке пути.

Некоторые техногенные объекты, такие, например, как предприятия, располагаются не на самой железной дороге, а на некотором расстоянии от нее. Для того чтобы учесть их влияние и возможное воздействие, вокруг железной дороги средствами ГИС строятся «буферные» зоны. При этом каждая зона будет иметь тот же идентификатор, что и у участка скоростного режима, вокруг которого она создана. Все объекты, попавшие в «буферную» зону и характеризуемые показателем воздействия, будут влиять на задание скоростного режима участка железной дороги.

В качестве примера, на рис. 5 приведены предприятия, вокруг которых создано три зоны влияния. Зона наименьшего радиуса считается самой опасной и имеет максимальный показатель воздействия, установленный экспертами. Следующая по радиусу зона менее опасна, но в зависимости от вида предприятия может быть значимой при оценке. Наконец, третья зона с самым большим радиусом обычно считается практически безопасной, но при анализе влияния разного рода химических и нефтеперерабатывающих, а также атомных предприятий ее необходимо вводить и учитывать возможность влияния таких предприятий в данной зоне.

Рис. 5. Влияние техногенных объектов.

Опасные природные явления, такие как наводнения, сели, землетрясения и т.д., могут вызывать возникновения ЧС и оказывать воздействие на состояние железнодорожного пути. Каждый тип ЧС оценивается некоторой степенью риска (чаще всего от 1 до 3, где 1 – наиболее опасная ЧС, а 3 – менее опасная). На основе анализа вероятности возникновения и оценки степени риска каждому ЧС присваивается показатель воздействия на железную дорогу. Пример отображения ЧС в зоне ЖД приведен на рис. 6. Показанный полигональный слой создан на основе статистических данных по различным литературным и Интернет источникам о ЧС, которые имели место за последние 10 лет в районе рассматриваемого участка ЖД.

Рис. 6. Участки возможного возникновения ЧС в зоне железной дороги.

Результаты анализа влияния природных и техногенных объектов заносятся в Базу данных измеренных параметров и дефектов. Каждый объект прилегающей территории характеризуется вектором параметров:

RW_Territiry_Influence={Ident_RW, Type, Describe, ObjectId, Ident-Sr, Influence, DateUpdate},

где Ident_RW– идентификатор участка обращения локомотива, Type– тип объекта прилегающей территории (природный, техногенный), Discribe– описание, Objectid– идентификатор объекта, Ident—Sr–принадлежность участку скоростной модели,ObjectId–оценка состояния (показателя воздействия), DateUpdate–дата оценки.

Итоговая оценка влияния природных и техногенных объектов строится на основе таких параметров как количество и показатели воздействия природных и техногенных объектов, зафиксированных в «буферной» зоне по участкам скоростной модели режимов движения локомотива согласно выражению вида:

,

где О_tij – бальная оценка i-го территориального объекта на i—ом участке модели режимов скоростей движения локомотива, N – количество территориальных объектов участка.

Корректировка режимных карт

Для обеспечения безопасности движения и энергоэффективного управления локомотивом предлагается проводить корректировку режимных карт. При этом приоритет, безусловно, отдается обеспечению безопасности.

Корректировка скорости движения локомотива осуществляется по участкам скоростной модели железнодорожного пути в соответствии с матрицей событий:

A_iк = {О_pi О_ci.  О_ti.}, k=1, 6.

Матрица событий устанавливает соответствие между значениями оценок и степенью аварийности i—го участка скоростной модели движения локомотива. Предлагается использовать 8 степеней аварийности:

А₁– отличное состояние;

А₂ – хорошее состояние с незначительной степенью опасности;

А₃ – хорошее состояние с низкой степенью опасности;

А₄ – удовлетворительное состояние с низкой степенью опасности;

А₅ – удовлетворительное состояние со средней степенью опасности;

А₆ – удовлетворительное состояние с высокой степенью опасности;

А₇ – неудовлетворительное состояние с передвижением с минимальной скоростью в чрезвычайных случаях;

А₈ – неудовлетворительное состояние с запретом движения.

Для каждой ситуации А_к должна быть определена корректировка скорости движения локомотива в соответствии с «Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути» (утв. МПС РФ 01.07.2000 №ЦП-774).

Тогда скорость движения локомотива на i—ом участке может быть определена следующим образом:

,

где V_ib – базовая скорость, V_i() – установленная скорость.

В соответствии с полученными оценками осуществляется корректировка скоростного режима движения локомотива. Обновляется таблица событий и осуществляется построение режимных карт для заданного участка обращения локомотива (рис. 7).

Рис. 7. Карта скоростных режимов.

Заключение

Распределенная система мониторинга транспортных сетей, разработанная на базе ГИС-платформы ArcGIS, обеспечивает:

• сбор и обработку информации в реальном времени от бортовой информационно-измерительной системы, размещающейся на локомотиве, и от системы сбора информации (телекоммуникационной сети обмена данными);
• мониторинг участка обращения локомотивов на основе анализа текущего состояния железнодорожного пути и технических сооружений — сравнение с нормативными данными и данными предыдущего контроля;
• отображение обстановки на участке обращения локомотива и результатов анализа в реальном времени и по запросам;
• индикацию предаварийного и аварийного состояний пути;
• архивирование результатов мониторинга;
• выработку рекомендаций по скоростному режиму на участках обращения локомотива по результатам анализа.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Литература

1.                  Алексеев В.В., Королев П.Г., Куракина Н.И., Орлова Н.В. Информационно-измерительные и управляющие системы мониторинга состояния распределенных технических и природных объектов//Приборы.-2009.-№10. С.28-42.
2.                           Алексеев В.В., Королев П.Г., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Минина А.А. Информационно-телекоммуникационная система мониторинга участка обращения локомотивов с применением ГИС-технологий для осуществления безопасного и энергоэффективного управления локомотивом (ИТС-ГИС)// Сборник материалов международной научно-практической конференции «ИнтеллектТранс-2012» СПб., ПГПС, 28-31 марта 2012. С.118-124.