俄罗斯铁路基础设施发展中的数字和地理信息技术

俄罗斯铁路公司在轨道和其他铁路基础设施建设和维护方面积极发展的创新之一是使用基于坐标的方法。这包括在铁路网上部署一个单一的高精度坐标空间，使铁路基础设施在其生命周期的所有阶段，包括轨道和结构的勘测、设计、施工、维护和维修，能够进行统一的坐标描述。

应该指出的是，在绝对坐标系内的轨道设计问题引起了全球铁路界大多数成员的兴趣。国际铁路联盟编制了第728号小册子，其中包括向绝对坐标的迁移。

俄罗斯铁路专家将领导旨在更新传单规定和发展铁路运输高精度坐标参考方法的国际铁路联合会的进一步活动。

此外，重要的是，实施的解决方案的全面性允许在铁路行业的整个任务范围内使用可交付成果。因此，俄罗斯铁路公司的目标是使用高精度坐标模型来实现集成在支持GLONASS/ gps的车载列车控制和保护系统中的数字路线图。在俄罗斯铁路网上运行的配备导航和通信列车保护系统的列车数量接近2万辆。预计该解决方案将改善运输过程管理的运营绩效和质量，以及交通安全。

背景与实现

多年来的全球经验表明，通过减少轨道与车辆之间的相互作用力，可以将每年的轨道维护和调整支出减少20-30%，这证明了在每次设计轨道运行中使用基于坐标的方法的正确性和相关性。

俄罗斯铁路公司目前通过利用基于格洛纳斯系统的卫星技术沿铁路线部署高精度坐标系统来实施基于坐标的方法。与此同时，还发展了一种高性能的信息技术资源，以综合铁路基础设施空间数据系统(KSPD IZHT)的形式整合了整个空间数据基础。

这种方法最初是在莫斯科-圣彼得堡高铁建设期间使用的，当时部署了高精度坐标系统，以支持俄罗斯铁路共同坐标和时空(800公里)的建立。HACS包括34个GLONASS/GPS参考站，一个卫星数据处理中心和一个大地测量链，能够对所有铁路基础设施进行高精度参考。同时，在俄罗斯运行的HACS网络的总长度约为8,000公里。

使用基于坐标的方法开发的支持轨道重建和修复的工程解决方案系统基于以下原则:

• 基于大地测量链(GC)和GLONASS/GPS系统以及高精度微分增强，在HACS单一坐标空间内进行测量和设计
• 具体活动的设计数据参照HACS编制，并生成输出数字轨迹模型
• 配备卫星导航系统和车载控制设备专用软件的压载物清理、找平和夯实机确保了按设计的压载物切割和轨道对准的自动控制
• 根据轨道几何形状的客观测量和与设计值的比较，对维护和检修活动的交付成果和轨道调试进行验收，从而确保在日常轨道维护和准备新的设计解决方案方面节省大量成本。

图1概述了传统轨道建设和维护过程与KSPD IZHT过程之间的主要区别。

图1:传统的轨道建设和维护过程与KSPD IZHT过程之间的主要区别

高精度坐标系(HACS)的设计

高精度坐标系统是铁路基础设施的一个组成部分，包括大地测量链和用于定义和交付GNSS差分修正的设备。HACS包括以下相互关联的组件:

• GNSS差分子系统，包括一个永久参考站(RS)网络和一个网络中心(NC)
• 大地测量网(GD)，包括基站(BS)、主站和中间站。基站相距30- 50米。平面内相邻BSs相对位置定义的均方误差为20mm。主站间隔4-5km，中间站间隔250-700m。相邻台站相对位置定义的均方误差应不小于平面8mm，高度5mm。

因此，HACS是铁路线路设计、建设和运营的坐标和计量基础。它确保了测量的可追溯性和所需的计量性能，并要求所涉及的基础设施服务使用它时没有安全限制。

高精度测量(HPS)是为了稳定GC站，参考车站和当地铁路坐标系统。它还能够通过轨道检查和诊断系统、空中和移动表面激光扫描、表面地质雷达和天基调查来确定基础设施几何形状的实际值。

所有测量结果在HACS的单一坐标空间内被引用，并作为数字轨道和铁路基础设施模型(DTM)的基础。

DTM是轨道和其他基础设施要素的多层对象模型，以基于坐标的形式几何呈现，利用设计和测量、高精度测量、监测和诊断的结果开发。DTM确保了以下主要优势:

• 描述的普遍性
• 设施空间表示的准确性
• 基础设施引用单一坐标系统，允许在生命周期的所有阶段比较来自不同来源的数据，而无需额外成本。

DTM由XML文件中的形式化描述表示，并允许检索基础设施的任何特征点的坐标，如果需要，还可以构建3D模型。DTM是KSPD IZHT空间数据库中加载的基础设施数字描述的基础。

技术经济效果

在HACS中创建和维护的单一坐标空间允许在不同的时间段和/或由不同的设计承包商集成项目。除此之外，还可以使用HACS和KSPD IZHT数据库中的信息，根据设计监督的结果对设计文档进行实时修改。

基于HACS和来自KSPD IZHT空间数据库的轨道实际设计位置信息的技术实现了以下功能，如图2所示:

• 从设计中检索作为活动性能结果要实现的显式目标轨迹几何值
• 在重建(现代化)过程的每个阶段检查实际参数与设计的偏差，从而确保特定操作的质量保证
• 减少轨道机的操作时间和达到指定几何参数所需的运行次数
• 明确评估指定轨道几何参数的实现情况。

根据上述创新技术在2012年至2015年期间在俄罗斯铁路网选定线路上的实际应用经验，可以对实现的技术和经济指标做出以下预测:

• 通过减少大地测量和设计活动，后续轨道现代化设计项目的成本每1公里可降低15%
• 压载物使用减少5%(266米)^3.通过精确去除污染的压舱物(每1km)
• 通过消除轨道机器运行的测量，减少轨道维护所需时间，约占校准操作时间的30%或每公里20分钟
• 在最佳列车运行模式下，通过减少轨道与车辆之间的相互作用力，减少日常轨道维护成本，并将维修间隔时间增加10-20%
• 通过优化运动模式，降低列车运动阻力，降低牵引成本。

利用基于坐标的方法的创新技术的关键优势在于，它们可以通过客观评估实际情况与设计值的符合程度，从而实现实际证实的基于状态的轨道维护。

在单个HACS坐标空间内，通过坐标参考轨道恶化和不符合标准维护要求的数据进行定期监测的能力，也允许在KSPD IZHT数据库中收集和积累与不符合轨道几何形状相关的故障匹配信息。反过来，这使得KSPD IZHT能够在其生命周期的各个阶段在一系列自动化基础设施管理系统中使用基础设施的空间数据。这些列车由俄罗斯铁路公司按照URRAN运营¹公司正在引进的管理方法。

铁路行业的单一坐标和时间空间的部署正在成为“数字铁路”高科技平台的重要组成部分，因为它允许对所有相互作用的铁路基础设施和机车车辆进行实时的整体描述。

在铁路基础设施中，许多测量的相关数据都有可能被采集和处理，以确定与标准要求的关键偏差和基于URRAN方法的预故障条件的开始，以及有针对性地部署先进的物联网(IoT)硬件和软件。以实时的、完全协调的方式监督业务流程和操作，以及管理涉及大数据分析的维护活动，已经成为可能。从本质上讲，这为铁路行业管理模式的转变铺平了道路，包括从行政管理系统向以流程为中心的管理的迁移，该管理由交通、基础设施和安全管理的单一端到端流程支持。

正是由于这些原因，本文中概述的技术部署是俄罗斯铁路到2030年创新发展战略的关键要素。其目的是确保公司在全球运输和物流市场上的持久竞争力。在不久的将来，这些技术和解决方案将作为俄罗斯近代史上最雄心勃勃的基础设施项目之一接受考验。这条770公里长的莫斯科至喀山高铁将确保以360公里/小时的速度大规模客运。除其他事项外，设计、建造和随后的操作将由先进的基于坐标的程序来保证。在实施该项目中获得的最宝贵的经验将为未来几年俄罗斯高速铁路网的进一步发展奠定基础。

参考

1.URRAN是标准和程序的主体，以及软件和硬件设施，旨在综合管理资源和流程，以便在资源有限的环境中有效地提供铁路运输服务。URRAN以欧洲RAMS方法为基础，但URRAN还涉及耐久性、业务流程安全性、消防安全、环境影响、人为因素和经济绩效。URRAN是一种根据ISO 55000:2014实现企业资产管理整体方法的方法。

传记

亚历山大·米沙林是俄罗斯政治家和高层管理者，目前担任俄罗斯铁路公司第一副总裁(自2012年起)，负责高速交通发展和国际合作。自2013年以来，他还担任JSC高速铁路公司的首席执行官。

Igor Rozenberg是俄罗斯科学家和高级管理人员，自2016年以来一直担任JSC NIIAS的总干事，该公司是JSC俄罗斯铁路公司的子公司，负责开发列车控制和保护系统、地理信息、机车车辆和基础设施状态监测解决方案。