KOC Władysław 1 SPECHT Cezary 2 CHROSTOWSKI Piotr 3 SZMAGLIŃSKI Jacek 4 Ekonomiczne aspekty zastosowania techniki Mobilnych Pomiarów Satelitarnych przy regulacji osi toru WSTĘP Uruchomienie w naszym kraju Aktywnej Sieci Geodezyjnej ASG-EUPOS [2, 22], które nastąpiło w połowie 2008 roku, stworzyło możliwość efektywnego zastosowania pomiarów satelitarnych GPS [20] w torze kolejowym. Jeśli chodzi o określanie położenia geometrycznego torów nie było to wcześniej możliwe, gdy dokładność pomiarów RTK można szacować na 5-10 cm, w zależności od odległości pomiędzy stacją referencyjną oraz odbiornikiem (ruchomym) [4]. Interdyscyplinarny zespół naukowy Politechniki Gdańskiej i Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni postanowił wykorzystać powstałe możliwości do odtwarzania osi toru kolejowego, licząc na znacznie większą dokładność. Jednocześnie postanowiono odejść od powszechnie dotąd stosowanej techniki pomiarów stacjonarnych i dokonywać pomiarów współrzędnych podczas jazdy zestawu pomiarowego. Tę nowatorską technikę określono mianem Mobilnych Pomiarów Satelitarnych. Już pierwsze przeprowadzone pomiary [17] wykazały, że uzyskiwana dokładność jest w zupełności wystarczająca do celów projektowych. Pojawiła sie wreszcie możliwość oceny układów geometrycznych toru na całej ich długości, co w tradycyjnej (optycznej) geodezji jest niemożliwe. W następnych latach dokładność pomiarów satelitarnych jeszcze wzrosła dzięki stosowaniu pomiarów dwusystemowych GPS/Glonass [21]. Podstawowym stwierdzeniem z przeprowadzonych pomiarów było wykazanie licznych nieprawidłowości w ukształtowaniu geometrycznym torów w płaszczyźnie poziomej, znacznie większych niż sie to wydawało [16, 17]. Za przyczynę takiego stanu uznano stosowaną na PKP metodykę regulacji osi toru [14, 18, 19]. Chociaż w ostatnich latach zanotowano w tej dziedzinie pewien postęp, to jednak technika Mobilnych Pomiarów Satelitarnych posiada zdecydowaną przewagę, zarówno w zakresie uzyskiwanej dokładności wyznaczania osi toru, jak również czasochłonności pomiarów, decydującej o stronie ekonomicznej procesu utrzymania torów. 1. STOSOWANA METODYKA REGULACJI OSI TORU Stosowana obecnie na PKP metodyka regulacji osi toru wykorzystuje w głównym stopniu tradycyjne pomiary geodezyjne (tachimetryczne), wprowadzając pozycjonowanie satelitarne punktów osnowy i jednocześnie nawiązując do sposobów projektowania (oraz wspomagania komputerowego) z czasów, kiedy podstawę całego omawianego procesu stanowiły wartości pomierzonych strzałek poziomych. Jak podano w pracy [24], radykalna poprawa wcześniejszej, niekorzystnej sytuacji nastąpiła w wyniku wprowadzenia ujednoliconego wzoru znaku regulacji osi toru w formie trzpienia ze stali nierdzewnej (wytyczne Ig-6 [25]), ujednoliconej metody wyznaczania współrzędnych kolejowej osnowy specjalnej KOS znaki regulacji (wytyczne Ig-7 [23]) oraz zastosowania tachimetrii 3D o wysokiej dokładności w procesie projektowania regulacji osi toru, w tym również do opracowania protokołów regulacji. Jak widać, na PKP zwyciężyło tradycyjnie obowiązujące wśród 1 Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, 80-233 Gdańsk; ul. G. Narutowicza 11/12. Tel: +48 58 347-10-26, Fax: +48 58 347-26-44, kocwl@pg.gda.pl 2 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny, 81-225 Gdynia, ul. Morska 81-87. c.spech@geodezja.pl 3 Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, 80-233 Gdańsk; ul. G. Narutowicza 11/12. Tel: +48 58 348 60 90, Fax: +48 58 347-26-44, piotrchrost@gmail.com 4 Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, 80-233 Gdańsk; ul. G. Narutowicza 11/12. Tel: +48 58 348 60 88, Fax: +48 58 347-26-44, jacszmag@pg.gda.pl 3010
geodetów przekonanie o konieczności tworzenia osnów geodezyjnych jako podstawy wszelkiego rodzaju pomiarów. Oczywiście oznacza to również podtrzymanie tradycyjnej techniki pomiarowej (za pomocą tachimetru). Należy przy tym zauważyć, że decyzje o przyjęciu takiego właśnie systemu podjęto w latach 2011-2012, kiedy już od kilku lat funkcjonowała w Polsce sieć ASG-EUPOS, zaś zalety stosowania techniki Mobilnych Pomiarów Satelitarnych w projektowaniu i eksploatacji dróg szynowych były powszechnie znane. 1.1. Osnowy geodezyjne Zakładane osnowy geodezyjne w pomiarach inwentaryzacyjnych osi toru kolejowego mają charakter zintegrowany. Składają sie one z punktów odniesienia, wyznaczonych technika pomiarów stacjonarnych GPS, oraz z punktów szczegółowych, których współrzędne wyznaczane są metodami klasycznymi, z wykorzystaniem precyzyjnych tachimetrów elektronicznych. Odległości pomiędzy sąsiednimi parami punktów odniesienia wynoszą 1,5 2,5 km. Punkty osnowy szczegółowej powinny być stabilizowane co 100 200 m, przy czym wdrażane na PKP rozwiązanie zakłada ich utrwalanie (jako punktów kolejowej osnowy geodezyjnej) na słupach trakcyjnych (a więc znacznie częściej), podobnie jak to ma miejsce ze stabilizacją wskaźników regulacji osi toru. Konstrukcja znaku wprowadzonego na PKP [25] pełni jednocześnie funkcje wskaźnika regulacji i punktu osnowy geodezyjnej. Położenie punktów szczegółowej osnowy geodezyjnej, utrwalonej na słupach trakcyjnych, wyznacza sie metodą biegunową 3D (tachimetria precyzyjna) z dwóch różnych stanowisk instrumentu. Stanowiskami tymi są punkty ciągu poligonowego dowiązanego obustronnie do punktów odniesienia (wyznaczonych pomiarami GPS), znajdujących sie w węzłach sieci. Przy poprawnie dobranych długościach ciągów i odległościach miedzy punktami istnieją techniczne możliwości, żeby współrzędne punktów zintegrowanych osnów geodezyjnych wyznaczać z dokładnością rzędu ± 6 mm [24]. 1.2. Inwentaryzacja osi toru Punkty osnowy szczegółowej, założonej na słupach sieci trakcyjnej wzdłuż toru, umożliwiają prowadzenie pomiarów inwentaryzacyjnych i realizacyjnych linii kolejowej. Ideę takich pomiarów podaje "Instrukcja o organizacji i wykonywaniu pomiarów w geodezji kolejowej D-19" [8]; do pomiaru torów i rozjazdów zaleca stosować poziomą łatę, wyposażoną w reflektor pryzmatyczny zamontowany w osi toru. Obecnie najczęściej w odpowiednie urządzenia geodezyjne wyposaża się systemy do pomiaru miejscowych parametrów toru (szerokości, przechyłki, poziomych i pionowych nierówności toków szynowych) [6]. Wyznaczanie współrzędnych prostokątnych osi toru jest wykonywane podczas przejazdu wózka pomiarowego. Pomiary kątów poziomych i pionowych oraz odległości do punktów osnowy na słupach są wykonywane ze stacji pomiarowej ustawionej na wózku. Dla potrzeb prowadzonych pomiarów wykorzystywane jest odpowiednie oprogramowanie. Wykonanie pomiaru tachimetrycznego wymaga, oczywiście, zatrzymania na jakiś czas wózka pomiarowego. Sprawia to, że efektywne prowadzenie pomiarów omawianą metodą znacznie się wydłuża. Powoduje to istotne ograniczenie w zakresie liczebności pomierzonych punktów osi toru. W praktyce projektant uzyskuje do dyspozycji współrzędne wyznaczone z krokiem 10 20 m. 1.3. Sposób projektowania O ile w samej technice pomiarowej (zresztą nadal tradycyjnej) odnotowano ostatnio pewien postęp, to w zakresie sposobu projektowania sprawa wygląda znacznie gorzej. W dalszym ciągu podstawowe narzędzie stanowi tutaj program CAD Bentley Rail Track [5], dedykowany do zastosowań kolejowych. Program ten jest dostosowany do operowania specyficzną formą reprezentacji kształtu istniejącego toru, jaką stanowi wykres strzałek poziomych (określany w programie mianem "wykresu krzywizny"). Wykres strzałek jest transformacją rzutu poziomego; jego wykorzystywanie było do niedawna jedyną możliwością analizowania układu geometrycznego. Ponieważ również obecnie pomiary tachimetryczne dają zbyt małą liczbę współrzędnych, dlatego też przyjmowane podejście ma w jakimś stopniu swoje uzasadnienie. 3011
Pierwszym krokiem projektowania regulacji osi toru jest zlokalizowanie położenia podstawowych elementów geometrycznych układu istniejącego prostych, łuków kołowych i krzywych przejściowych. W omawianej procedurze służy do tego "wykres krzywizny", na którego podstawie wybierane są punkty pomierzonej osi toru do tzw. "regresji jednoelementowej". Ta ostatnia pozwala na wyznaczenie rejonów występowania prostych i łuków kołowych. Drugi "stopień regresji" umożliwia wpisanie w układ geometryczny krzywych przejściowych. Pomijając pretensjonalne nazewnictwo, należy stwierdzić, że mamy tutaj do czynienia z pewną metodą przybliżoną, która co prawda nie bazuje na rzeczywistym kształcie toru, lecz daje określone rozwiązanie problemu. Niestety, rozwiązanie to jest obarczone błędem i wszystko wskazuje na to, że stwierdzone poważne nieprawidłowości w ukształtowaniu geometrycznym torów w płaszczyźnie poziomej wynikają właśnie z wadliwości stosowanej metodyki projektowania. Wykres strzałek stanowił przez długie lata jedyną możliwość odwzorowania istniejącej osi toru i dlatego właśnie obowiązywała prezentowana procedura projektowania. Należy zaznaczyć, że odwzorowanie osi toru na podstawie pomierzonych strzałek nie jest sprawa prostą, o czym mogą świadczyć nawet ostatnie podejmowane próby w tym zakresie [16]. Obecnie sytuacja uległa radykalnej zmianie mobilne pomiary satelitarne pozwalają odtworzyć rzeczywisty kształt toru w układzie współrzędnych prostokątnych. 1.4. Domiar do punktów stałych Alternatywnym do opisanego w punkcie 1.2 i zarazem najbardziej popularnym (a jednocześnie obarczonym największym błędem) sposobem ustalania położenia toru w płaszczyźnie poziomej jest domiar do punktów stałych. Pomiar przeprowadzany jest taśmą stalową w odstępach co około 50 m (na łukach gęściej); na podstawie znanej odległości osi toru od znaku regulacji określane są wymagane przesunięcia, zaś pomiar na odcinkach pomiędzy znakami odbywa się za pomocą teodolitu. Jest to rozwiązanie bazujące na lokalnym układzie odniesienia; nie pozwala ono na przeprojektowanie układu geometrycznego trasy. Dokładność regulacji osi toru w oparciu o omawianą metodę jest w znacznym stopniu ograniczona, a badania Zespołu pokazują wyraźnie, że stosowanie tej metody prowadzi do powstawania poważnych nieprawidłowości kształtu geometrycznego osi toru [15]. 2. TECHNIKA MOBILNYCH POMIARÓW SATELITARNYCH Na początku 2009 roku w Politechnice Gdańskiej i Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni został utworzony interdyscyplinarny zespół naukowy zajmujący się pomiarami satelitarnymi linii kolejowych oraz dostosowanym do tej techniki pomiarowej projektowaniem ich układów geometrycznych. Możliwość uzyskania odpowiedniej efektywności pomiaru, pozwalającej na precyzyjne odwzorowanie elementów geometrycznych trasy, daje opracowana przez ten zespół metoda mobilnych pomiarów satelitarnych GNSS. Pierwsze badania zrealizowano w 2009 roku na odcinku linii kolejowej Kościerzyna Kartuzy (linie 201 i 214), kolejne kampanie pomiarowe zostały przeprowadzone w 2010 roku na odcinku Gdańsk Główny Gdańsk Zaspa Towarowa (linia 249) oraz na trasie Gdańsk Osowa Somonino (linia 201). W 2012 i 2013 roku zrealizowano pomiary satelitarne linii tramwajowych w Gdańsku. Do wyznaczenia współrzędnych przebiegu trasy kolejowej wykorzystywano różne konfiguracje fazowych odbiorników GNSS, obejmujące ich liczbę i rozmieszczenie na platformie pomiarowej, a sama metodyka prowadzenia badań była poddawana weryfikacji. Idea mobilnych pomiarów satelitarnych polega na objeździe badanego odcinka trasy z antenami GNSS zainstalowanymi na poruszającym się pojeździe szynowym. Rejestracja współrzędnych w układzie WGS-84 (możliwa obecnie nawet z częstotliwością 20 Hz) pozwala na wyznaczenie przebiegu pokonanej trasy, który to przebieg określa z kolei kształt mierzonego toru w płaszczyźnie poziomej. Pojazd szynowy do przewożenia anten satelitarnych powinien mieć, oczywiście, odpowiednią konstrukcję, zapewniającą ścisłe wpisywanie sie w tor oraz wyznaczanie korekt położenia osi toru wynikających z różnic wysokości toków szynowych. Traktując te założenia jako docelowe, w pierwszych etapach badań postanowiono wykorzystać istniejące możliwości i zastosować 3012
eksploatowane pojazdy szynowe lub ich elementy (wózki dwuosiowe). Jak się okazało, nawet takie prowizoryczne rozwiązania doprowadziły do potwierdzenia skuteczności zaproponowanej metody pomiarowej. W pomiarach przeprowadzonych na liniach kolejowych wykorzystywano przyczepę (wagon-platformę) PWM-15 oraz ciągnik szynowy WM-15 (rys. 1), na liniach tramwajowych stosowano dwa wózki przedwojennego tramwaju serii 300 (rys. 2). Rys. 1. Przyczepy PWM-15 z trzema odbiornikami Leica systemu 1200 SmartRover podczas przejazdu na szlaku Gdańsk Osowa Somonino Rys. 2. Zestaw pomiarowy z odbiornikami Leica GS 12 i Leica VIVA GS 15 (w głębi) zamontowanymi na wózkach Mobilne pomiary satelitarne dają możliwość odtworzenia, z bardzo dużą precyzją, rzeczywistego kształtu toru, poprzez określenie jego współrzędnych w układzie współrzędnych prostokątnych. Oznacza to, że tworzenie wykresu strzałek poziomych (i związany z tym zakres wykorzystywania stosownych przyrządów pomiarowych) straciło na znaczeniu i jak należy się spodziewać wykorzystywanie takiego wykresu ograniczy się w przyszłości wyłącznie do ogólnej oceny stanu toru, na podstawie danych z drezyny pomiarowej. Możliwość określania współrzędnych kartezjańskich istniejącego toru (w państwowym układzie odniesień przestrzennych 2000) powoduje również podważenie idei tworzenia na linii kolejowej układu punktów stałych. Mogą one niewątpliwie służyć stabilizacji osi toru, jednak samo wyznaczanie położenia nowo projektowanego układu geometrycznego nie powinno się odbywać metodami 3013
geodezji tradycyjnej (za pomocą tachimetru); położenie punktów trasy należy określać z wykorzystaniem techniki satelitarnej. Aby dokonać oceny otrzymanego na podstawie pomiarów satelitarnych kształtu istniejącego układu geometrycznego, należy go poddać odpowiedniej analizie. Optymalnym rozwiązaniem będzie "nałożenie" na analizowany układ geometryczny układu modelowego oraz dobór odpowiednich parametrów projektowych. W Politechnice Gdańskiej został opracowany program komputerowy SATTRACK do wizualizacji, oceny i projektowania trasy kolejowej, dostosowany do techniki mobilnych pomiarów satelitarnych. Moduł TRACK_VIS [13] pozwala na wizualizację przebiegu trasy kolejowej, moduł TRACK_STRAIGHT [9] jest wykorzystywany do oceny odcinków prostych, moduł TRACK_POL [11] stwarza możliwość utworzenia poligonu kierunków głównych trasy kolejowej, moduł TRACK_ARC [10] służy do szczegółowej oceny rejonu trasy kolejowej położonego w łuku, zaś moduł TRACK_DESIGN [12] umożliwia zaprojektowanie zmiany kierunku trasy. 3. ANALIZA EFEKTÓW EKONOMICZNYCH Efektywność ekonomiczną omawianych rozwiązań można określić, porównując koszt wykonania analogicznej pracy za pomocą techniki Mobilnych Pomiarów Satelitarnych oraz preferowanej na kolei techniki tachimetrycznej. Porównanie to oparto na kalkulacji indywidualnej, stworzonej na bazie aktualnych wydawnictw SEKOCENBUD [1, 7] oraz własnych obliczeń przeprowadzonych na podstawie rozeznania cen rynkowych. Jako podstawę porównania przyjęto koszt oraz czas realizacji pomiaru na długości 1 kilometra toru. 3.1. Przyjęte założenia Postanowiono porównać 4 metody pomiarowe, pozwalające na projektowanie regulacji osi torów: Mobilne Pomiary Satelitarne z wykorzystaniem wózka motorowego, Mobilne Pomiary Satelitarne bez stosowania wózka motorowego, inwentaryzację do punktów stałych w globalnym układzie współrzędnych, domiar do punktów stałych (PS). Przyjęto przy tym następujące założenia: obliczenia dotyczyć będą robocizny i kosztów sprzętu (pominięto wykorzystane materiały z uwagi na niewielki zakres ich stosowania), obliczenia przeprowadzono dla maksymalnych, średnich i minimalnych kosztów, szacowanie wydajności poszczególnych metod wykonano z określonym zapasem bezpieczeństwa, czyli nie doszacowano wydajności techniki MPS, przyjmując za to maksymalną wydajność metod konkurencyjnych. 3.2. Schematy pracy Przy Mobilnych Pomiarach Satelitarnych z wykorzystaniem wózka motorowego na ośmiogodzinny czas pracy składa się, oprócz przerw, montaż anten na wózku pomiarowym 15 min, ustawienie sprzętu i sprawdzenie poprawności działania 15 min oraz demontaż sprzętu 15 min; jako efektywny czas pracy przyjęto 7 godzin. Osiągnięta podczas prób średnia prędkość pomiaru wynosiła 10 km/h, przy czym został w nią wliczony czas przerw, testów, zatrzymań przed sygnalizacją świetlną i innych postojów. Z uwagi na założenie prowadzenia obliczeń po stronie bezpiecznej wydajność 10 km/h została przyjęta do dalszych obliczeń. Założono, że w ciągu zmiany roboczej możliwe jest dokonanie pomiaru 70 kilometrów toru. Przy prowadzeniu Mobilnych Pomiarów Satelitarnych bez użycia wózka motorowego niezbędne staje się pchanie wózka pomiarowego przez pracownika obsługi. Takie rozwiązanie, pomimo znacznie mniejszej wydajności, może się okazać korzystne przy wykonywaniu inwentaryzacji krótkich odcinków, kiedy wykorzystywanie wózka motorowego byłoby nieopłacalne. W obliczeniach efektywny czas pracy przyjęto również jako 7 godzin na zmianę, przy czym prędkość pomiaru określono na 2 km/h (jest to przyjęta połowa prędkości marszu, z uwagi na niewygodę wynikającą 3014
z chodzenia po podkładach i podsypce tłuczniowej). Założono, że w ciągu zmiany roboczej możliwe jest dokonanie pomiaru 14 kilometrów toru. Do prowadzenia tachimetrycznej inwentaryzacji w globalnym układzie odniesienia praca musi być wykonywana na wcześniej przygotowanej trasie, wyposażonej w odpowiednią osnowę geodezyjną zgodną ze standardami i wytycznymi PKP PLK S.A. [23, 25]. Wydajna metoda pomiarów wymagać musi zastosowania precyzyjnego tachimetru umieszczonego na ruchomym wózku pomiarowym. Określenie współrzędnych odbywa się automatycznie podczas postoju wózka, na zasadzie pomiaru odległości i kątów do punków Kolejowej Osnowy Specjalnej o znanych współrzędnych. Podczas pomiarów wystarcza teoretycznie praca jednej osoby, której zadaniem jest zakładanie pryzmatów na znaki regulacji osi toru i przestawianie wózka. Jednak w praktyce niezbędna jest obecność drugiego pracownika, nadzorującego również pracę tachimetru. Pomiar osi toru jest wykonywany co 10 20 m. Wydajność metody wynosi około 1,5 km/h; założono, że w ciągu zmiany roboczej możliwe jest dokonanie pomiaru 10,5 kilometra toru [24]. Do wykonania regulacji osi toru przez domiar do punktów stałych potrzeba 4 pracowników, którzy mierzą tor z wydajnością 625 m/h; założono, że w ciągu zmiany roboczej możliwe jest dokonanie pomiaru 5 kilometrów toru. 3.3. Wyniki obliczeń Obliczanie efektywności rozpoczęto od określenia wydajności poszczególnych metod oraz zapotrzebowania na robociznę, materiały i sprzęt. Wydajność określono, wychodząc z możliwej do pomierzenia w trakcie zmiany roboczej długości trasy. Następnie, znając gęstość mierzonych punktów, określono czas potrzebny na wyznaczenie współrzędnych pojedynczego punktu oraz wydajność godzinową (tab. 1). W kolejnym etapie określono koszt jednostkowy pracy ludzi i sprzętu (tab. 2), na podstawie którego obliczono koszt pomiaru 1 km toru (tab. 3). Tab. 1. Porównanie parametrów wydajności dla poszczególnych metod pomiarowych Metoda pomiaru MPS z drezyną MPS bez drezyny Tachimetr Domiar do PS Wydajność liniowa [km/8h] 70 14 10,5 5 Czas jednostkowy [h/km] 0,114 0,571 0,762 1,600 Gęstość punktów [m] 0,3 0,3 10,0 5,0 Wydajność punktowa [pkt/km] 3333 3333 100 200 Czas jednostkowy [s/pkt] 0,123 0,617 27,429 28,800 Liczba pracowników 0 1 2 4 drezyna Wymagany sprzęt wózek wózek wózek zestaw GPS zestaw GPS tachimetr Inne punkty stałe punkty stałe Tab. 2. Koszty roboczogodzin i maszynogodzin w PLN/h Koszt pracy minimalny maksymalny średni Drezyna 200,00 320,00 239,36 Wózek 20,00 30,00 25,00 Zestaw GPS 10,00 18,00 14,00 Tachimetr 12,00 20,00 16,00 Robocizna 15,50 37,40 24,18 Operator drezyny cena wliczona w maszynogodzinę pracy drezyny Tab. 3. Koszt pomiaru 1 km osi toru w PLN Metoda pomiaru MPS z drezyną MPS bez drezyny Tachimetr Domiar do PS Koszt minimalny 26,29 27,14 48,00 99,20 Koszt średni 31,81 37,25 68,08 154,75 Koszt maksymalny 42,06 49,94 95,09 239,36 3015
Rys. 3. Graficzna ilustracja kosztów pomiaru 1 km toru z zastosowaniem omawianych metod Wartości kosztów z tabeli 3 przedstawiono w sposób graficzny na rysunku 3. Jak widać, pod względem ekonomicznym przewaga metody MPS jest bardzo wyraźna; jest ona dwukrotnie tańsza od metody tachimetrycznej. Jeśli dodamy do tego związaną z metodą tachimetryczną niejednoznaczność sposobu projektowania, to pojawia sie problem, nad którym warto się głębiej zastanowić. W tabeli 3 nie wzięto pod uwagę kosztów budowy infrastruktury osnowy geodezyjnej, która jest potrzebna w każdej z metod nie wykorzystującej satelitarnego systemu pozycjonowania (a więc również w metodzie tachimetrycznej). Prowadząc analizę ekonomiczną należy to również uwzględniać. Na istniejących liniach zelektryfikowanych punkty osnowy (punkty stałe) są umieszczane na słupach trakcyjnych; pozwalają one określać odległość osi toru do słupa. Różnica pomiędzy odległością pomierzoną a wartością projektową (wyznaczoną dla danego znaku regulacji) wyznacza przesunięcie toru podczas regulacji jego osi. Obecnie znaki regulacji osi toru posiadają swoje współrzędne w układzie PL 2000, co stanowi podstawę dla stosowania metody tachimetrycznej [24]. Jednak na znaczniej części sieci kolejowej, szczególnie na liniach niezelektryfikowanych, bazuje się na rozwiązaniach tradycyjnych, polegających na ocenie prostoliniowości odcinków prostych i pomiarze strzałek na łuku. Dlatego też podjęto próbę oceny kosztów wykonania tam osnowy pozwalającej na pomiary tachimetryczne osi toru w bezwzględnym układzie współrzędnych. Przyjęto uzyskane od wykonawców ceny montażu nowego znaku regulacji (na słupie nowym i po okresie gwarancji) oraz ceny wykonania pomiaru dla pojedynczego punktu. Koszt samego montażu (bez ceny słupa) określono jako koszt wykonania konstrukcji trwałej oraz montażu na niej znaku regulacji. Przyjęto, że znaki będą się znajdowały w odstępach średnio co 50 m (rys. 4). Nie określono przy tym, jak duże będą koszty konserwacji osnowy; mogą się one okazać poważnym obciążeniem dla zarządcy infrastruktury. Zestawienie kosztów wykonania kolejowej osnowy geodezyjnej przedstawia tabela 4. 3016
Rys. 4. Rozmieszczenie punktów kolejowej osnowy geodezyjnej według przepisów Ig-7 [23] Tab. 4. Koszt wykonania kolejowej osnowy geodezyjnej Cena minimalna maksymalna średnia Montaż na słupie [PLN/szt.] 50,00 75,00 62,50 Montaż bez słupa [PLN/szt.] 157,52 251,20 193,65 Pomiar [PLN/szt.] 50,00 50,00 50,00 Montaż na słupie [PLN/km] 2000,00 2500,00 2250,00 Montaż bez słupa [PLN/km] 4150,40 6024,00 4873,00 Aktualnie w Polsce użytkowanych jest 20 077 km linii kolejowych, z czego 11 914 km stanowią linie zelektryfikowane, a 8 163 stanowią linie niezelektryfikowane [3]. Eksploatowane linie są jedno, dwu bądź wielotorowe, dlatego też długość toru pojedynczego jest znacznie większa: użytkowanych jest 25 294 km toru pojedynczego zelektryfikowanego i 14 094 km toru niezelektryfikowanego. W tej liczbie znajduje się 9 776 km torów stacyjnych. Na stacjach regulacje można wykonywać ze stanowisk stacjonarnych, dowiązanych do punktów państwowej osnowy geodezyjnej. Jak obliczono, aby można było prowadzić regulację osi torów na szlakach, niezbędne jest wykonanie osnowy na 19 184 km toru zelektryfikowanego (gdzie można umieścić znaki regulacji osi toru na slupach trakcyjnych) oraz 10 428 km toru niezelektryfikowanego (gdzie należy wykonać nowe, specjalne konstrukcje do umieszczenia znaków regulacji). Przybliżone koszty przeprowadzenia całej operacji pokazano w tabeli 5. Tab. 5. Koszt założenia osnowy geodezyjnej na liniach kolejowych w Polsce w PLN Koszt minimalny Koszt maksymalny Koszt średni 81 648 371 110 778 272 93 979 644 Wartości podane w tabeli 5 mają oczywiście charakter szacunkowy, jednak są to kwoty znaczne. Podjęcie decyzji o ich wydatkowaniu powinno być poprzedzone gruntowną analizą. WNIOSKI Przez długie lata ukształtowanie geometryczne torów na PKP znacznie odbiegało od założeń projektowych. Wykazały to jednoznacznie przeprowadzone w latach 2009-2010 pomiary osi toru z wykorzystaniem techniki Mobilnych Pomiarów Satelitarnych. Za podstawową przyczynę takiego stanu uznano stosowaną metodykę regulacji osi toru. Mobilne Pomiary Satelitarne wykazały jej bardzo niską skuteczność. Podjęte na PKP w latach 2011-2012 działania polegające na tworzeniu punktów osnowy, posiadających określone współrzędne w państwowym układzie odniesień przestrzennych 2000, stanowią wyraz niewątpliwego postępu. Istnieje teraz praktyczna możliwość wyznaczania, za pomocą tachimetru, współrzędnych osi toru co 10 20 m. Niestety, dla celów projektowych jest to niewystarczające i z tego powodu regulacja osi toru musi w dalszym ciągu wykorzystywać wykresy 3017
strzałek poziomych jako podstawę identyfikacji elementów geometrycznych trasy. Jak się wydaje, tutaj właśnie tkwi przyczyna niskiej jakości całego procesu. Technika MPS pozwala w sposób precyzyjny i nieporównywalnie szybszy wyznacza współrzędne istniejącej osi toru. Na ich podstawie można oceniać dany układ geometryczny i modyfikować ukształtowanie torów w sposób racjonalny i zgodny z uniwersalnymi zasadami projektowania. Żeby jeszcze bardziej podkreślić walory omawianej metody, postanowiono rozpatrzyć również aspekty ekonomiczne zagadnienia. Przeprowadzona analiza porównawcza wykazała bezsporną przewagę techniki Mobilnych Pomiarów Satelitarnych koszty prowadzenia pomiarów z wykorzystaniem tej metody są znacznie niższe. Trzeba tez zwrócić uwagę na konieczność przeznaczenia znacznych nakładów finansowych na tworzoną osnowę geodezyjną dla pomiarów tachimetrycznych Streszczenie Od 2009 roku interdyscyplinarny zespół naukowy Politechniki Gdańskiej i Akademii Marynarki Wojennej (a obecnie Akademii Morskiej w Gdyni) rozwija technikę Mobilnych Pomiarów Satelitarnych toru kolejowego. Technika ta polega na objeździe trasy ciągnikiem szynowym z przyczepą (wagonem-platformą) lub wózkami, z zainstalowanymi na tych pojazdach odbiornikami sygnałów satelitarnych. Umożliwia ona precyzyjne określenie współrzędnych osi toru w bezwzględnym układzie odniesienia. Już pierwsze przeprowadzone z jej wykorzystaniem pomiary wykazały, że ukształtowanie geometryczne torów na sieci PKP pozostawia dużo do życzenia stwierdzone deformacje poziome są znacznie większe niż można się było spodziewać. Jako podstawową przyczynę takiego stanu rzeczy wskazano stosowane sposoby regulacji geometrycznej osi toru. W pracy omówiono uwarunkowania procesu kształtowania układów geometrycznych toru kolejowego i scharakteryzowano metodykę regulacji osi toru opartą na pomiarze stacjonarnym (obecnie wykorzystywaną na kolei). Wskazano na korzyści wynikające z zastosowania techniki Mobilnych Pomiarów Satelitarnych, która z uwagi na zdecydowanie mniejszą czasochłonność pozwala na zwiększenie dokładności dzięki korzystaniu z większej liczby współrzędnych. Szczególnie istotne okazują się przy tym aspekty ekonomiczne. Ponieważ regulacja osi toru jest procesem ciągle się powtarzającym, dalsze utrzymywanie dotychczasowej sytuacji prowadzić będzie do niekorzystnych skutków finansowych. The economical aspects of using a Mobile Satellite Surveying Technology in a track axis adjustment process Abstract Since 2009, an interdisciplinary research team of Gdansk University of Technology and the Naval Academy (now Maritime Academy) in Gdynia develops a mobile technology of satellite surveying of railway track geometry layout. The main essence of the technique is to ride through the route by a vehicle (wagon - platform) or boogies with satellite signal receivers installed on their platforms. This method allows to measure the coordinates of track axis in a global reference system with very high accuracy and precision. The first measurements carried out by the team have shown that the geometric shape of the tracks' layouts of Polish Railway Network is already in bad condition. The identified horizontal deformation of the tracks are much larger than it could be expected. As a basic reason of this situation the authors indicated widely in use techniques of the track axis regulation. This paper discusses the conditioning of a geometrical shaping process of the railway track axis as well as the methodology of track axis adjustment based on the stationary (conventional) measurements have been characterized. The benefits of using the proposed Mobile Satellite Surveying Technology have been presented. This technique, due to the much less time-consuming allows to increase an accuracy due to a fact, that a larger number of coordinates are actually available. In the presented problem, the economical aspects are significantly important. Since the track axis adjustment is a constantly repeated process, therefore continuation of the current situation will lead to adverse financial consequences. BIBLIOGRAFIA 1. Biuletyn cen robót drogowych, mostowych i torowych BCD, IV kwartał 2013 r. SEKOCEBUND zeszyt 67/2013 (1467), Ośrodek Wdrożeń Ekonomiczno Organizacyjnych Budownictwa Promocja Sp. z o. o. 3018
2. Bosy J., Graszka W., Leonczyk M., ASG-EUPOS the Polish contribution to the EUPOS project. Symposium on Global Navigation Satellite Systems, Berlin, Germany, 11-14 November 2008. 3. Funkcjonowanie rynku transportu kolejowego w Polsce w 2010 roku. Urząd Transportu Kolejowego, Departament regulacji transportu kolejowego, Warszawa, sierpień 2011. 4. Gocał J., Strach M., RTK w zastosowaniach inżynierskich odbiorniki GPS na torach, Geodeta magazyn geoinformacyjny 2004, nr 5. 5. http://www.bentley.com, 6.02.2014. 6. http://www.graw.com/index.php/pl/toromierz-tep.html, 6.02.2014. 7. Informacja o stawkach robocizny kosztorysowej oraz cenach pracy sprzętu budowlanego IRS, IV kwartał 2013 r. SEKOCEBUND zeszyt 60/2013 (1460), Ośrodek Wdrożeń Ekonomiczno Organizacyjnych Budownictwa Promocja Sp. z o. o. 8. Instrukcja o organizacji i wykonywaniu pomiarów w geodezji kolejowej D-19. Załącznik do zarządzenia Nr 144/2000 Zarządu PKP z dnia 23 października 2000 r. 9. Koc W., Chrostowski P., Ocena odcinków prostych trasy kolejowej na podstawie pomiarów satelitarnych. Przegląd Komunikacyjny 2011, nr 9-10. 10. Koc W., Chrostowski P., Ocena trasy kolejowej położonej w łuku na podstawie pomiarów satelitarnych. Przegląd Komunikacyjny 2013, nr 4. 11. Koc W., Chrostowski P., Tworzenie poligonu kierunków głównych trasy kolejowej z wykorzystaniem pomiarów GPS. Zeszyty Naukowo-Techniczne Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej Oddział w Krakowie, seria: Materiały Konferencyjne, nr 96 (zeszyt 158), Kraków 2011. 12. Koc W., Chrostowski P., Uniwersalny program komputerowy do projektowania zmiany kierunku trasy. Zeszyty Naukowo-Techniczne Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej Oddział w Krakowie, seria: Materiały Konferencyjne, nr 3 (zeszyt 102), Kraków 2013. 13. Koc W., Chrostowski P., Wizualizacja przebiegu trasy kolejowej na podstawie pomiarów satelitarnych. IV Konferencja Naukowo-Techniczna Projektowanie, Budowa i Utrzymanie Infrastruktury w Transporcie Szynowym INFRASZYN 2011", Zakopane 2011. 14. Koc W., Lewiński L., Metodyka regulacji osi toru stan obecny i perspektywy. III Konferencja Naukowo-Techniczna Projektowanie, Budowa i Utrzymanie Infrastruktury w Transporcie Szynowym INFRASZYN 2010, Zakopane 2010. 15. Koc W., Specht C., Wybrane problemy wyznaczania przebiegu trasy kolejowej z wykorzystaniem rozwiązań sieciowych GPS. Logistyka 2010, nr 4, CD-ROM 1. 16. Koc W., Specht C., Wyniki pomiarów satelitarnych toru kolejowego. Technika Transportu Szynowego 2009, nr 7-8. 17. Koc W., Specht C., Jurkowska A., Chrostowski P., Nowak A., Lewiński L., Bornowski M., Określanie przebiegu trasy kolejowej na drodze pomiarów satelitarnych. II Konferencja Naukowo-Techniczna Projektowanie, Budowa i Utrzymanie Infrastruktury w Transporcie Szynowym INFRASZYN 2009", Zakopane 2009. 18. Koc W., Specht C., Lewiński L., Chrostowski P., Grzejka P., Ocena efektów regulacji osi toru na wybranej linii kolejowej. Transportu Szynowego 2013, nr 2-3. 19. Koc W., Specht C., Lewiński L., Chrostowski P., Grzejka P., Ocena skuteczności stosowanej metodyki regulacji osi toru kolejowego. Przegląd Komunikacyjny 2013, nr 10. 20. Specht C., System GPS. Wydawnictwo BERNARDINUM, Pelplin, 2007. 21. Specht C., Koc W., Nowak A., Szmagliński J., Ciągłe pomiary satelitarne na układzie linii tramwajowych w Gdańsku. Technika Transportu Szynowego 2013, nr 2-3. 22. Specht C., Nowak A., Koc W., Jurkowska A., Application of the Polish Active Geodetic Network for railway track determination. W: Weintrit A., Neumann T. (red.) Transport Systems and Processes Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, CRC Press Taylor & Francis Group 2011, London, UK. 3019
23. Standard techniczny określający zasady i dokładności pomiarów geodezyjnych dla zakładania wielofunkcyjnych znaków regulacji osi toru Ig-7. Załącznik do zarządzenia Nr 27/2012 Zarządu PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia 19 listopada 2012 r. 24. Szczęsny J., Jakimowicz M., Kwiatkowski A., Jankowski M., Od pomiarów do realizacji nowoczesne technologie w procesie regulacji osi torów. Zeszyty Naukowo-Techniczne Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej Oddział w Krakowie, seria: Materiały Konferencyjne, nr 3 (zeszyt 102), Kraków 2013. 25. Wytyczne do osadzania znaków regulacji osi toru na konstrukcjach wsporczych (słupach) sieci trakcyjnej Ig-6. Załącznik do zarządzenia Nr 24/2011 Zarządu PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia 18 lipca 2011 r. 26. Yoshimura A., Naganuma Y., A new method to reconstruct the track geometry from versine data measured in the curved track using the Monte Carlo Particle Filter. 12th International Conference and Exhibition RAILWAY ENGINEERING 2013, London, UK, 10th-11th July 2013. 3020