ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ (GPS) ΣΤΟ ΕΘΝΙΚΟ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ

Transcript

1 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 63 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ (GPS) ΣΤΟ ΕΘΝΙΚΟ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ ΣΠΥΡΑΚΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Δρ Συγκοινωνιολόγος Μηχανικός W.Virginia U., U.S.A. ΛΙΑΠΑΚΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ Δρ Τοπογράφος Μηχανικός Ε.Μ.Π. Περίληψη Στο πλαίσιο της ταχείας καταγραφής και προσδιορισμού των γεωμετρικών και ποιοτικών στοιχείων του σιδηροδρομικού δικτύου, αναπτύχθηκε ένα σύστημα δυναμικής καταγραφής, που βασίζεται στο δορυφορικό σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS), το οποίο για την καταγραφή ποιοτικών στοιχείων συνδυάζεται με άλλα συστήματα, όπως η ψηφιακή μηχανή λήψης. Προκειμένου να αξιολογηθούν οι δυνατότητες και η πιστότητα του συστήματος αυτού, η ΕΡΓΑ ΟΣΕ A.E., το 2004, ανέθεσε την εκπόνηση ενός Πιλοτικού προγράμματος, που εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στους Ελληνικούς σιδηροδρόμους, στο τμήμα της γραμμής Οινόη-Χαλκίδα, συνολικού μήκους 21,7 χιλιομέτρων. Στο συγκεκριμένο τμήμα είχε προηγηθεί η εκπόνηση κλασσικής επίγειας τοπογραφικής αποτύπωσης (2002) και αντίστοιχες μετρήσεις από το καταγραφικό σύστημα του ΟΣΕ (2004). Ο κύριος σκοπός του προγράμματος ήταν η ταχεία, δυναμική καταγραφή των γεωμετρικών και ποιοτικών στοιχείων της σιδηροδρομικής γραμμής και ο ακριβής προσδιορισμός στη συνέχεια στοιχείων, όπως η ακριβής χιλιομέτρηση, τα γεωμετρικά στοιχεία οριζοντιογραφίας και μηκοτομής του άξονα, οι υπερυψώσεις της γραμμής και ο προσδιορισμός της θέσης χαρακτηριστικών στοιχείων, όπως σήμανση, διαβάσεις, κόμβοι, τεχνικά έργα. Τα αποτελέσματα του πιλοτικού προγράμματος ανέδειξαν τα προτερήματα του συστήματος σε σύγκριση με την κλασσική μέθοδο της επίγειας αποτύπωσης, όσον αφορά στην ακρίβεια, την ευκολία χρήσης του, την ταχύτητα συλλογής και επεξεργασίας στοιχείων και τη δυνατότητα συνεργασίας με το καταγραφικό σύστημα του ΟΣΕ. Το σύστημα καταγραφής σιδηροδρομικού δικτύου μπορεί να έχει άμεση χρήση στην καταγραφή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του υφιστάμενου και νέου εθνικού σιδηροδρομικού δικτύου. Υπάρχει η δυνατότητα εξέλιξης του συστήματος για τη συλλογή ποσοτικών και ποιοτικών στοιχείων κατασκευής, λειτουργίας και ασφάλειας του δικτύου με τη χρήση διαφόρων τύπων ανιχνευτών. 1. EΙΣΑΓΩΓΗ Το σύστημα καταγραφής βασίζεται στο Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης ( Global Positioning System - GPS) και εφαρμόζεται για πρώτη φορά στην Ελλάδα για Υποβλήθηκε: Έγινε δεκτή: την καταγραφή στοιχείων του Εθνικού Σιδηροδρομικού Δικτύου. Παρόμοιο σε φιλοσοφία σύστημα είχε αρχικά εφαρμοστεί για την καταγραφή γεωμετρικών χαρακτηριστικών (οριζοντιογραφία, μηκοτομή και εγκάρσιες κλίσεις) και ποιοτικών στοιχείων (οριζόντια/κατακόρυφη σήμανση, μήκος τεχνικών έργων) του Εθνικού Οδικού Δικτύου (Π.Α.Θ.Ε.). Τα στοιχεία που συλλέχθηκαν δύναται να ενταχθούν σε ένα ενιαίο σύστημα CAD/GIS, με σκοπό τη δημιουργία ενός σύγχρονου ηλεκτρονικού μητρώου του Οδικού Δικτύου της Χώρας. Σε μία εφαρμογή του οδικού δικτύου εντάχθηκαν πρόσθετα στοιχεία ατυχημάτων, όπως θέση και συχνότητα, με χρήσιμα συμπεράσματα, που αφορούν στην συσχέτιση των ατυχημάτων με τη γεωμετρία, σήμανση, φόρτο και ποιότητα του οδοστρώματος. Τα συμπεράσματα των εφαρμογών του συστήματος στο οδικό δίκτυο αναφέρονται στα πλεονεκτήματα όσον αφορά στην ταχύτητα, την ευκολία λήψης και επεξεργασίας στοιχείων, στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων και στο χαμηλό κόστος. Το σιδηροδρομικό δίκτυο της χώρας έχει μήκος χιλ. Η θυγατρική εταιρεία του ΟΣΕ με την επωνυμία ΕΡΓΑ ΟΣΕ Α.Ε. έχει αναλάβει την κατασκευή της νέας σιδηροδρομικής γραμμής στον άξονα Π.Α.Θ.Ε. (μήκος υφιστάμενης γραμμής 890 χιλ.). Ταυτόχρονα, ο ΟΣΕ είναι στη φάση ανακαίνισης και εκσυγχρονισμού του μεγαλύτερου τμήματος του δικτύου του, ενώ παράλληλα υπάρχει πρόβλεψη για κατασκευή νέων τμημάτων σιδηροδρομικής γραμμής. Του πιλοτικό πρόγραμμα της ΕΡΓΑ ΟΣΕ Α.Ε. είχε σκοπό την διερεύνηση της δυνατότητας κάλυψης αναγκών αποτύπωσης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών, τόσο της νέας, όσο και της υφιστάμενης σιδηροδρομικής γραμμής, για τη σύνταξη as built drawings και αναγκών ενιαίας χιλιομέτρησης του σιδηροδρομικού δικτύου. Το τμήμα, στο οποίο εφαρμόστηκε το πιλοτικό πρόγραμμα, είναι τμήμα του Προαστιακού Σιδηροδρομικού Δικτύου,

2 64 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 έχει ως αρχή το Σιδηροδρομικό Σταθμό (Σ.Σ.) Οινόη και τέλος το Σ.Σ. Χαλκίδα και αποτελείται από μια μονή κανονική σιδηροδρομική γραμμή μήκους 21,7 Km, στην οποία υπάρχουν έξι ενδιάμεσοι σταθμοί. 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η επιλογή του πιλοτικού προγράμματος για το τμήμα Οινόη-Χαλκίδα έγινε με βάση τη δυνατότητα χρήσης του συστήματος σε τμήμα της γραμμής, όπου: α) υπάρχει πρόσφατο επίγειο λεπτομερές τοπογραφικό υπόβαθρο, το οποίο έχει συνταχθεί το 2002 και είναι δυνατή η σύγκριση στοιχείων, β) το ανάγλυφο του εδάφους και η γεωμετρία της σιδηροδρομικής γραμμής αποτελούν αντιπροσωπευτικό δείγμα για καταγραφή με μειωμένες συνθήκες ορατότητας για το δορυφορικό σύστημα εντοπισμού θέσης (G.P.S.) και για επεξεργασία των στοιχείων και γ) τα αποτελέσματα του πιλοτικού προγράμματος θα μπορούσαν άμεσα να χρησιμοποιηθούν για την αναβάθμιση και την ηλεκτροκίνηση της γραμμής στο συγκεκριμένο τμήμα. Φωτογραφία 1. Κεραίες GPS στην οροφή του οχήματος Photo 1. GPS antennas installed on the roof of the vehicle 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 3.1. Περιγραφή εξοπλισμού Το σύστημα καταγραφής σιδηροδρομικού δικτύου για τον προσδιορισμό των γεωμετρικών στοιχείων του δικτύου βασίζεται στο Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS), το οποίο πλαισιώνεται από δευτερεύοντα συστήματα με σκοπό την καταγραφή ποιοτικών στοιχείων [6]. Συγκεκριμένα, το σύστημα καταγραφής χρησιμοποίησε τέσσερις (4) δέκτες G.P.S. διπλής συχνότητας (τύπου 5700/ 5800/4700 της Trimble) [5]. Ο ένας αποτέλεσε το Σταθμό Αναφοράς και τοποθετήθηκε σε σταθερό σημείο γνωστών συντεταγμένων. Οι άλλοι τρεις δέκτες τοποθετήθηκαν σε κατάλληλα διαμορφωμένο όχημα που είχε τη δυνατότητα να κινείται κατά μήκος του σιδηροδρομικού άξονα σε μετάβαση και επιστροφή. Η ανάπτυξη τριών δεκτών πάνω στο όχημα αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα της μεθόδου, καθώς δίνει πληροφορία, τόσο κατά μήκος, όσο και εγκάρσια στον άξονα της γραμμής, ακόμα και όταν το όχημα είναι ακίνητο, κάτι που δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί με τη χρήση ενός μόνο δέκτη. Για την καταγραφή των ποιοτικών στοιχείων του δικτύου, μια ψηφιακή μηχανή λήψης (τύπου SONY DCR 101E) τοποθετήθηκε στο ειδικό όχημα. Οι Φωτογραφίες 1 και 2 δείχνουν τις θέσεις των κεραιών GPS στην οροφή του οχήματος, καθώς και των καταγραφικών μέσα στο όχημα. Φωτογραφία 2. Καταγραφικά GPS μέσα στο όχημα Photo 2. GPS data processors inside the vehicle 3.2. Περιγραφή καταγραφής Στίγματος Τα πρωτογενή στοιχεία που συλλέγονται είναι διαδοχικά στίγματα της θέσης του οχήματος. Τα στίγματα αυτά αναφέρονται στο σύστημα αναφοράς WGS 84 (World Geodetic System 1984) και μπορούν να μετατραπούν σε οποιοδήποτε σύστημα αναφοράς και προβολής, όπως το ΕΓΣΑ 87 (Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς 1987). Η πυκνότητα καταγραφής του στίγματος ήταν μια φορά το δευτερόλεπτο. Η ταχύτητα του οχήματος, για το πιλοτικό πρόγραμμα, στο τμήμα Οινόη Χαλκίδα ορίστηκε να είναι κατά μέσο όρο 36χιλ./ώρα, δίνοντας μια πυκνότητα καταγραφής που αντιστοιχεί σε ένα περίπου στίγμα ανά 10 μέτρα, ανά διέλευση (από-προς). Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του συστήματος καταγραφής είναι η χρήση της τεχνικής του κινηματικού εντοπισμού στην καταγραφή των θέσεων αντί της τεχνικής του DGPS (Differential GPS ή διαφορικός εντοπισμός) που

3 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 65 Σχήμα 1 Προσδιορισμός θέσης οχήματος με την τεχνική του κινηματικού εντοπισμού Diagram 1. Computation of vehicle positioning with Post Processing Kinematic technique χρησιμοποιείτο παλαιότερα. Η τεχνική του κινηματικού εντοπισμού θέσης (βλέπε Σχήμα 1) παρέχει ακρίβεια εντοπισμού θέσης της τάξης των 1-3 εκατοστών σε σχέση με την ακρίβεια του ενός περίπου μέτρου που παρέχει η τεχνική του διαφορικού εντοπισμού. Λόγω της γνωστής γεωμετρίας του οχήματος, τα στίγματα ανάγονται σε σημεία του άξονα της σιδηροδρομικής γραμμής [4] Περιγραφή καταγραφής ψηφιακής λήψης Το σύστημα εντοπισμού θέσης στη συγκεκριμένη εφαρμογή συνδυάστηκε με την ψηφιακή μηχανή λήψης τύπου SONY DCR 101E. Η συσκευή συγχρονίστηκε με το σύστημα εντοπισμού ώστε η καταγραφή να μπορεί να συνδυάζεται άμεσα με τη θέση του οχήματος. Η ψηφιακή μηχανή λήψης τοποθετήθηκε εντός του οχήματος, σε ειδική βάση, σε οριζόντια θέση, στο ύψος της ορατότητας του μηχανοδηγού. Με τον προσδιορισμό της οριζοντιογραφικής θέσης του οχήματος και κατ επέκταση και της γεωμετρίας της γραμμής, η χιλιομετρική θέση οποιουδήποτε ποιοτικού στοιχείου είναι δυνατόν να καταγραφεί από την ψηφιακή μηχανή λήψης. Με τη διαδικασία αυτή μπορεί να προσδιοριστεί η θέση ποιοτικών στοιχείων της γραμμής, όπως είναι: σήμανση, κόμβοι, ισόπεδες/ανισόπεδες διαβάσεις, αρχή και τέλος τεχνικών έργων κλπ. 4. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 4.1 Γενικά Μετά το πέρας των εργασιών πεδίου, τα στοιχεία που κατέγραψε το σύστημα ταξινομούνται σε δύο κύριες κατηγορίες. Η πρώτη περιλαμβάνει τα στοιχεία εντοπισμού που συλλέγονται από το σύστημα GPS και είναι μία συνεχής καταγραφή θέσεων οχήματος σε μετάβαση και επιστροφή στο σύστημα αναφοράς WGS 84. Οι θέσεις αυτές συνοδεύονται από καταγραφή ακριβούς χρόνου, στον οποίο και αναφέρονται. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει τα στοιχεία που συλλέγονται από την ψηφιακή μηχανή λήψης και αποτελούν μία συνεχή οπτική καταγραφή, που επίσης συνδέεται με καταγραφή ακριβούς χρόνου, ώστε να είναι δυνατή η αναγωγή των στοιχείων στις θέσεις που καταγράφει το GPS. 4.2 Επεξεργασία στοιχείων εντοπισμού θέσης Για την επεξεργασία των στοιχείων καταγραφής των στιγμάτων GPS έχει αναπτυχθεί κατάλληλο λογισμικό. To λογισμικό αυτό αναπτύχθηκε αρχικά για την αντίστοιχη

4 66 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 επεξεργασία στοιχείων του οδικού δικτύου [7]. Στο πλαίσιο του πιλοτικού προγράμματος, το λογισμικό διαμορφώθηκε κατάλληλα για τον προσδιορισμό των γεωμετρικών στοιχείων του σιδηροδρομικού δικτύου [2], [8]. Το λογισμικό αποτελείται από αναλυτικό και γραφικό τμήμα που συνεργάζονται μεταξύ τους και χρησιμοποιείται για τον τελικό προσδιορισμό των γεωμετρικών στοιχείων της γραμμής σε ό,τι αφορά στην οριζοντιογραφία, στη μηκοτομή και στο διάγραμμα υπερυψώσεων. Τα πρωτογενή στοιχεία της θέσης, που έχουν συλλεγεί αρχικά, επεξεργάζονται και ανάγονται στο νοητό άξονα της γραμμής. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μία σειρά διακριτών σημείων που προσδιορίζει τον άξονα της γραμμής με ακρίβεια εκατοστών. Στη συνέχεια από τα στοιχεία αυτά προσδιορίζονται τα γωνιακά διαγράμματα, που αφορούν στην οριζοντιογραφία και στη μηκοτομή της γραμμής, στο ρυθμό δηλαδή μεταβολής του αζιμούθιου κίνησης στην οριζοντιγραφία και της κατά μήκους κλίσης στη μηκοτομή. Αντίστοιχο γωνιακό διάγραμμα δημιουργείται και για την υπερύψωση της γραμμής, όπως αυτή προκύπτει από τα διαφορικά υψόμετρα των κεραιών GPS που χρησιμοποιήθηκαν στη διάρκεια της καταγραφής στο όχημα. Το γωνιακό διάγραμμα στην οριζοντιογραφία δίνει μία πλήρη εποπτική εικόνα, προκειμένου να διαχωριστούν το ευθύγραμμο τμήμα από το κυκλικό τόξο και το τόξο συναρμογής. Το ευθύγραμμο τμήμα της γραμμής εμφανίζεται στο γωνιακό διάγραμμα σαν μία οριζόντια ευθεία γραμμή, αντίστοιχα, το κυκλικό τόξο εμφανίζεται σαν μία κεκλιμένη ευθεία γραμμή, ενώ, τέλος, το τόξο συναρμογής παρουσιάζεται σαν κυκλικό τόξο (Σχήμα 2). Το λογισμικό που έχει αναπτυχθεί εμφανίζει το γωνιακό διάγραμμα σε περιβάλλον CAD. Ο χρήστης του λογισμικού έχει τη δυνατότητα με μία ημιαυτόματη διαδικασία, που βασίζεται στην Μέθοδο των Ελαχίστων Τετραγώνων (ΜΕΤ), να προσδιορίσει τα αντίστοιχα στοιχεία της χάραξης της γραμμής, προσδιορίζοντας την αρχή και το τέλος του μήκους εφαρμογής του κάθε γεωμετρικού στοιχείου, καθώς και τις παραμέτρους αυτών [1]. Συγκεκριμένα, ο χρήστης μπορεί αρχικά να επιλέξει στο διάγραμμα το μήκος εφαρμογής ενός ευθύγραμμου ή ενός κυκλικού τμήματος, ενώ το λογισμικό, στη συνέχεια, αναλαμβάνει με τη ΜΕΤ να προσδιορίσει με ακρίβεια τα γεωμετρικά στοιχεία και το ακριβές μήκος εφαρμογής. Τα τόξα συναρμογής, στη συνέχεια, προσδιορίζονται αυτόματα, ώστε να ταυτίζονται με τα πρωτογενή στοιχεία και να εξασφαλίζουν κοινά παραγωγικά με τα γεωμετρικά στοιχεία που προηγούνται και έπονται αυτών. Στην ευθυγραμμία προσδιορίζεται το μήκος και το αζιμούθιο της γραμμής, στο κυκλικό τόξο η ακτίνα και το κέντρο αυτού, ενώ στο τόξο συναρμογής η παράμετρος Κ της παραβολικής καμπύλης. Σχήμα 2. Λεπτομέρεια προσδιορισμού γεωμετρικών στοιχείων από Γωνιακό Διάγραμμα στην οριζοντιογραφία, που προκύπτει από τα συλλεχθέντα στοιχεία εντοπισμού θέσης με GPS Diagram 2. Detail of geometrical characteristics computation through the Angular Diagram in planimetry computed using collected GPS data Αντίστοιχη είναι η διαδικασία για τον προσδιορισμό των γεωμετρικών στοιχείων στη μηκοτομή (Σχήμα 3), καθώς και για το διάγραμμα υπερυψώσεων (Σχήμα 4). Προκειμένου να είναι διακριτά τα σημεία αλλαγής της γεωμετρίας στη μηκοτομή και τις υπερυψώσεις, η κλίμακα κατά τον άξονα Υ στα Σχήματα 3 και 4 έχει πολλαπλασιαστεί επί 10. Σχήμα 3. Λεπτομέρεια προσδιορισμού γεωμετρικών στοιχείων από Γωνιακό Διάγραμμα στη μηκοτομή, που προκύπτει από τα συλλεχθέντα στοιχεία εντοπισμού θέσης με GPS Diagram 3. Detail of geometrical characteristics computation through the Vertical Angular Diagram computed using collected GPS data

5 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 67 Από τα στοιχεία της γεωμετρίας, που προσδιορίζονται με την προηγούμενη διαδικασία, είναι δυνατή στη συνέχεια η αναπαραγωγή του άξονα της γραμμής στην οριζοντιογραφία και τη μηκοτομή, καθώς επίσης και η αναπαραγωγή του διαγράμματος των υπερυψώσεων. Μετά την αναπαραγωγή του άξονα στην οριζοντιογραφία, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της ακριβούς χιλιομέτρησης του άξονα της γραμμής από τα μαθηματικώς προσδιορισμένα γεωμετρικά της στοιχεία, σαν μία ακολουθία ευθυγραμμιών, παραβολικών καμπυλών και κυκλικών µ τόξων. Η διαδικασία αυτή εξασφαλίζει µµ, την ακριβή χιλιομέτρηση µ 2. µ µ µ µ µ µ σε αντίθεση με συμβατικές µ μεθόδους τοπογραφικής µµ, αποτύπωσης, µ όπου, δεδομένης µµ, της έλλειψης προσδιορισμού µ µ GPS των µ γεωμετρικών στοιχείων, η. χιλιομέτρηση στα καμπύλα Diagram 2. Detail of geometrical characteristics τμήματα προκύπτει από εφαρμογή µ κατά μήκος μίας τεθλασμένης γραμμής. computation through the Super Elevationl Angular Diagram computed using collected GPS data Τα αποτελέσματα της περιγραφείσας διαδικασίας δίνουν µ Σχήμα µ 4. Λεπτομέρεια µ προσδιορισμού γεωμετρικών στοιχείων από γραφικά και σε περιβάλλον CAD μία ακριβή, οριζοντιογραφική και μηκοτομική απεικόνιση του άξονα της σιδη- συλλεχθέντα στοιχεία εντοπισμού θέσης με GPS, Γωνιακό µ Διάγραμμα υπερυψώσεων, που προκύπτει από τα µ µ, ροδρομικής γραμμής, καθώς και το αντίστοιχο διάγραμμα Diagram 4. Detail of geometrical characteristics computation µ µ µ µ των υπερυψώσεων, που ενσωματώνεται στο διάγραμμα της through the Super Elevational Angular Diagram µ µ µ μηκοτομής (Σχήματα 5 & 6). computed µ using collected µµ. GPS data µ CAD µ µ µ µ µµ, µµ µ µµ µ µ ( µ 5 & 6). µ 5. µ µ µµ µ Σχήμα 5. µ Λεπτομέρεια τελικής απόδοσης στην οριζοντιογραφία της «ως κατασκευάσθη» γεωμετρίας της γραμμής σε σύγκριση με τα πρωτογενή στοιχεία horizontal των σημείων characteristics στον άξονα (as-built drawing) in relation to GPS data alone the rail line axle gram 5.Detail of estimated Diagram 5. Detail of estimated horizontal characteristics (as-built drawing) in relation to GPS data along the railway line axis

6 68 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 Σχήμα 6. Λεπτομέρεια τελικής απόδοσης στη μηκοτομή της «ως κατασκευάσθη» γεωμετρίας της γραμμής και των υπερυψώσεων σε σύγκριση με τα πρωτογενή στοιχεία των σημείων στον άξονα Diagram 6. Detail of estimated vertical and superelevation characteristics (as-built drawing) in relation to GPS data along the railway line axis Πίνακας 1. Στοιχεία της γεωμετρίας της γραμμής στην οριζοντιογραφία Table 1. Horizontal geometric characteristics of railway line axis µµ.. ( ) µ ( ) µµ µ µ 2985,789 82, , , ,766 µ µ 3068, ,598 3,29834E , , ,377 µ µ µ 3169, , ,36 369, , ,848 µ µ 3450, , ,36-3,33294E-06 5, , ,106 µµ µ µ 3550,860 6,662 11, , ,509 X Y Πίνακας 2. Στοιχεία της γεωμετρίας της γραμμής στη μηκοτομή Table 2. Vertical geometric characteristics of railway line axis X.. ( ) X.. ( ) ( µ ) ( µ ) X.. ( ) X.. ( ) µ µ 8990, ,527-1,9-0, , , ,527 39,78 37, , ,162-0,8-0,8 0, , ,162 37,01 30, , ,982-0,9-1, , , ,982 30,02 29,27 Πίνακας 3. Στοιχεία της γεωμετρίας της γραμμής για τις υπερυψώσεις Table 3. Superelevation geometric characteristics of railway line axis.. ( ).. ( ) (mm) (mm) 14, , , , , , , , ,000

7 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 69 Παράλληλα με την γραφική απεικόνιση δημιουργείται μία βάση δεδομένων που περιέχει τα γεωμετρικά στοιχεία της χάραξης και εξασφαλίζει την εισαγωγή των δεδομένων αυτών σε οποιοδήποτε περιβάλλον GIS. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζεται η βάση δεδομένων της οριζοντιογραφικής απεικόνισης. Αντίστοιχα οι Πίνακες 2 και 3 παρουσιάζουν τα στοιχεία της μηκοτομής και των υπερυψώσεων. Για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων, η χιλιομέτρηση αρχίζει από το Σ.Σ. Οινόη προς το Σ.Σ Χαλκίδα. 5. ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΟ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Τα αποτελέσματα της πιλοτικής εφαρμογής έδειξαν ότι η μέθοδος εξασφαλίζει προσδιορισμό του άξονα της σιδηροδρομικής γραμμής οριζοντιογραφικά και υψομετρικά με αντίστοιχη ακρίβεια με αυτή της κλασσικής επίγειας τοπογραφικής αποτύπωσης. Ταυτόχρονα, η πυκνότητα των σημείων (μία μέτρηση ανά περίπου 5 μέτρα σε μετάβαση και επιστροφή) είναι αρκετή για τον ακριβή προσδιορισμό της γεωμετρίας και σε συνέπεια της ακριβούς χιλιομέτρησης. Η πυκνότητα αυτή για να επιτευχθεί με επίγειες μετρήσεις απαιτεί συγκριτικά μεγάλους χρόνους συλλογής στοιχείων στο πεδίο και επεξεργασίας αυτών στο γραφείο. Στο Σχήμα 7 εμφανίζονται οι ράγες της σιδηροδρομικής γραμμής, όπως αποτυπώθηκαν από την τοπογραφική μέθοδο και τα σημεία του άξονα της γραμμής, όπως έχουν προσδιοριστεί από την μέθοδο καταγραφής (GPS). 6. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΠΟ ΤΟ ΚΑΤΑΓΡΑΦΙΚΟ ΤΟΥ ΟΣΕ Το καταγραφικό του ΟΣΕ προσδιορίζει με μεγάλη ακρίβεια την καμπυλότητα της γραμμής στην οριζοντιογραφία με τη χρήση αισθητήρων, με πυκνότητα στιγμάτων ανά 25 εκατοστά. Με σκοπό τη σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων του συστήματος καταγραφής GPS και του καταγραφικού του ΟΣΕ, προσδιορίστηκαν τα αντίστοιχα διαγράμματα της γεωμετρίας της γραμμής με στοιχεία που συλλέχτηκαν το Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, υπάρχει πλήρης ταύτιση των αποτελεσμάτων, όπως αυτά προκύπτουν από τις δύο μεθόδους, όσον αφορά στην καμπυλότητα της οριζοντιογραφίας της γραμμής (1/R). Σχήμα 8. Σύγκριση προσδιορισμού καμπυλότητας στην οριζοντιογραφία μεταξύ του συστήματος καταγραφής και του καταγραφικού του ΟΣΕ Diagram 8. Comparison of computed curvature in planimetry and the curvature obtained by the OSE measurement vehicle 7. ΠΟΙΟΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Σχήμα 7. Λεπτομέρεια από τη σύγκριση του προσδιορισμού του άξονα της γραμμής με το σύστημα καταγραφής και την αποτύπωση των ραγών με την κλασσική τοπογραφική μέθοδο Diagram 7. Detail of the comparison of the surveyed rail line axle using moving vehicle and GPS and the conventional topographic method Μετά τον προσδιορισμό της γεωμετρίας της γραμμής και την ακριβή χιλιομέτρηση του σιδηροδρομικού δικτύου, ακολούθησε η διαδικασία προσδιορισμού της οριζοντιογραφικής και χιλιομετρικής θέσης των ποιοτικών στοιχείων της γραμμής. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε η καταγραφή από τη συγχρονισμένη ψηφιακή μηχανή λήψης. Προσδιορίστηκαν οι ψηφιακές εικόνες (frames) που αφορούσαν σημεία ενδιαφέροντος, όπως αρχή και τέλος διάβασης, πυλώνες, μπάρες (ασφαλείας) και οι αντίστοιχοι ακριβείς

8 70 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 χρόνοι καταγραφής. Στη συνέχεια, με τη χρήση ειδικού λογισμικού, που αναπτύχθηκε για αυτό το σκοπό, το κάθε στοιχείο συσχετίστηκε με το αρχείο καταγραφής θέσης του οχήματος. Το αποτέλεσμα της επεξεργασίας αυτής ήταν ο προσδιορισμός της ακριβούς οριζοντιογραφικής θέσης του σημείου ενδιαφέροντος. Στη συνέχεια, οι συντεταγμένες του κάθε σημείου προβλήθηκαν στην τελική χάραξη του άξονα της γραμμής και προσδιορίστηκε η χιλιομετρική του θέση. Ο Πίνακας 4 περιλαμβάνει δείγμα των αποτελεσμάτων της επεξεργασίας των ποιοτικών στοιχείων. Μία άλλη εφαρμογή, που αναπτύχθηκε σε συνεργασία με την Infoδημ Α.Ε., έδωσε τη δυνατότητα ταυτόχρονης Πίνακας 4. Προσδιορισμός οριζοντιογραφικής και χιλιομετρικής θέσης εξοπλισμού σιδηροδρομικής γραμμής Table 4. Computation of positioning and chainage of rail equipment / , , ,020 ( ) , , ,747 ( ) , , ,975 ( ) , , ,340 ( ) , , ,784 ( ) , , , " "( ) , , ,040 ( ) , , ,040 ( )-( ) Εικόνα 1. Βιντεοσκόπηση με γεωαναφορά εξοπλισμού σιδηροδρομικής γραμμής Picture 1. Georeferenced video capture of railway line (road crossing)

9 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 71 απεικόνισης της οριζοντιογραφικής κίνησης του οχήματος (σε υπόβαθρο αεροφωτογραφίας) με την ψηφιακή καταγραφή της μηχανής λήψης σε απόλυτο συγχρονισμό. Στην εφαρμογή αυτή παρουσιάζονται και στοιχεία της σιδηροδρομικής γραμμής, όπως η περιγραφή ποιοτικών στοιχείων, η χιλιομετρική τους θέση και οι συντεταγμένες του οχήματος (Εικόνα 1). 8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΙΛΟΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ Η μέθοδος καταγραφής του άξονα γραμμής εξασφαλίζει ακρίβεια αποτύπωσης των γεωμετρικών στοιχείων της χάραξης αντίστοιχη με αυτή της κλασσικής επίγειας τοπογραφικής αποτύπωσης. Ταυτόχρονα, εξασφαλίζει μεγαλύτερη ακρίβεια στη χιλιομέτρηση του άξονα της γραμμής, ενώ ο συνολικός χρόνος και το κόστος είναι σαφώς μικρότερα των αντίστοιχων απαιτούμενων για την επίγεια αποτύπωση. Ο συνολικός χρόνος συλλογής στοιχείων πεδίου για τη δυναμική καταγραφή σιδηροδρομικού δικτύου μήκους 21,7 χιλιομέτρων διήρκεσε τρεις ημέρες. Η καταγραφή πραγματοποιήθηκε με ταχύτητες Κm/h. Ο χρόνος καταγραφής περιλαμβάνει και τις καθυστερήσεις που αφορούσαν στη διαθεσιμότητα της γραμμής, που βρισκόταν σε πλήρη λειτουργία, όπως και στις διαδικασίες εγκατάστασης απεγκατάστασης του εξοπλισμού. Η ταχύτητα καταγραφής μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά κατά την καταγραφή μεγάλων τμημάτων γραμμών (μείωση χρόνου εγκατάστασης απεγκατάστασης) και με αύξηση της διαθεσιμότητας του δικτύου. Ο συνολικός χρόνος επεξεργασίας γραφείου διήρκεσε 30 ημέρες. Στο διάστημα αυτό προσδιορίστηκαν: α) η ακριβής οριζοντιογραφία της γραμμής και τα γεωμετρικά της στοιχεία, β) η ακριβής μηκοτομή της γραμμής και τα γεωμετρικά της στοιχεία, γ) οι υπερυψώσεις της γραμμής καθ όλο το μήκος, δ) η ακριβής χιλιομέτρηση, ε) ο προσδιορισμός της οριζοντιογραφικής και χιλιομετρικής θέσης ποιοτικών στοιχείων, στ) η ένταξη όλων των παραπάνω στοιχείων σε περιβάλλον CAD και ζ) η δημιουργία βάσης δεδομένων με τα γεωμετρικά στοιχεία της γραμμής. Ο συνολικός χρόνος επεξεργασίας μπορεί και αυτός να μειωθεί σημαντικά σε μεγάλα μήκη εφαρμογής και σε πιο αντιπροσωπευτικά τμήματα του σιδηροδρομικού δικτύου, όπου τα χαρακτηριστικά χάραξης είναι σαφώς βελτιωμένα σε σχέση με το τμήμα που χρησιμοποιήθηκε στην πιλοτική εφαρμογή. Τέλος, στους προαναφερόμενους χρόνους επεξεργασίας συμπεριλαμβάνονται καθυστερήσεις λόγω της προσαρμογής μέρους του λογισμικού στις απαιτήσεις της πιλοτικής εφαρμογής για σιδηροδρομική γραμμή. 9. ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ Τα αποτελέσματα της πιλοτικής εφαρμογής του συστήματος καταγραφής σιδηροδρομικού δικτύου έδειξαν ότι το σύστημα αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταχεία καταγραφή των γεωμετρικών στοιχείων της σιδηροδρομικής γραμμής και της ακριβούς - ενιαίας χιλιομέτρησης, με σκοπό τη δημιουργία μητρώου της υφιστάμενης σιδηροδρομικής γραμμής για τον ΟΣΕ. Ταυτόχρονα, η καταγραφή των ποιοτικών στοιχείων (σήμανσης, διαβάσεων, κόμβων, τεχνικών έργων) δίνει τη δυνατότητα ένταξης των στοιχείων αυτών σε ένα ενιαίο περιβάλλον GIS. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε αποτελεί ένα στρατηγικό εργαλείο στους φορείς του ΟΣΕ, που σε συνδυασμό με το καταγραφικό του μηχάνημα, μπορεί στο μέλλον να χρησιμοποιηθεί για την ταχεία λήψη αποφάσεων σε ζητήματα που αφορούν την βελτίωση, συντήρηση και ασφάλεια της γραμμής. Εκτιμάται ότι η μελλοντική εξέλιξη του συστήματος μπορεί, με την ενσωμάτωση νέων (state-of-the-art) τύπων ανιχνευτών, να βελτιώσει σημαντικά την καταγραφή των ποιοτικών στοιχείων με την ακριβέστερη (ποσοτική) αποτύπωση των χαρακτηριστικών αυτών. 10. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Αγατζά Μπαλοδήμου Α.Μ., «Θεωρία Σφαλμάτων και ΜΕΤ» Ε.Μ.Π., Τ.Α.Τ.Μ., ΟΣΕ, «Νέος Κανονισμός Επιδομής Γραμμής (Ν.Κ.Ε.Γ.)» Εφημερίδα της Κυβερνήσεως, Αρ. Φύλλου 1156, 19 Σεπτεμβρίου Scott Young, S., Seeing the Road Ahead, GPS World, Vol.14, No.1, pp 22-28, November Sinco W., J., (2004) RTK Performance in Highway and Racetrack Experiments, Navigation: Journal of the Institute of Navigation, Vol.50, No.4, pp , Winter Trimble Navigation 5700/5800 GPS Receiver User Guide v.1.0 rev.a, Wells, D., et al, Guide to GPS Positioning Canadian GPS Associates, ISBN , Ψαριανός, Β., «Σημειώσεις Οδοποιίας Ι», Ε.Μ.Π., Τ.Α.Τ.Μ., Ψαριανός, Β., «Σημειώσεις Σχεδιασμού και Εφαρμογής Συγκοινωνιακών Έργων», Ε.Μ.Π., Τ.Α.Τ.Μ.,1995. Βασίλειος Ιωάννης Σπυράκος Δρ Συγκοινωνιολόγος Μηχανικός, West Virginia University, U.S.A., Δ/ντής Μελετών Σιδ/κών Έργων, ΕΡΓΑ ΟΣΕ Α.Ε., Καρόλου 27, Αθήνα, Χρήστος Λιαπάκης Δρ. Τοπογράφος Μηχανικός ΕΜΠ, Διευθύνων Σύμβουλος, Geotech Ε.Π.Ε., Περικλέους 41 & Θέτιδος 2, Γέρακας,

10 72 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 Extended summary APPLICATIONS OF THE GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS) ON THE NATIONAL RAILWAY SYSTEM VASILEIOS IOANNIS SPYRAKOS, Transportation Engineer MSc, PhD, West Virginia University, U.S.A. CHRISTOS LIAPAKIS Topographer Engineer, Ph.D. Abstract For rapid recording and the determination of the geometric characteristics of the railway network, a dynamic recording system has been developed based on the Global Positioning System (GPS). This system is also combined with a digital camera for the recording of quality characteristics. In order to evaluate the capability and precision of this system, ERGA OSE A.E. assigned a study of a pilot project, which was carried out for the first time on the Hellenic railways for a 21.7 km section in the Inoi-Chalkida railway corridor. This section was selected in order to check the results of this new system against the existing standard topographic data, which have recently been collected, and the measurements of the track-recording vehicle of the Hellenic State Railways (OSE). The main objective of this project was to enable the rapid dynamic recoding of the geometric and quality characteristics of a railway line in addition to other data, such as precise kilometric measurements, geometrical data of the alignment and the longitudinal profile, the superelevation of the track, and the kilometric positions of quality characteristics such as signage, level crossings, hubs and technical works. The results of this pilot project show the merits of this system concerning its accuracy, ease of use, speed in the collection and processing of the data, in comparison with the traditional method of topographic recording, and its compatibility with the track-recording vehicle of the Hellenic State Railways (OSE). The conclusion drawn from this project is that this railway network recording system can be readily applied for the recording of the geometric data of the existing and new national railway network and can be developed further for the collection of quantitative and qualitative data during construction, operation and safety inspections with the use of special types of sensors. 1. INTRODUCTION The initial concept for this pilot project from ERGA OSE S.A., which was completed in 2004, arose from the need for recording of the geometric characteristics of the new and Submitted: July 12, 2005 Accepted: Oct. 27, 2006 existing railway lines but was also due to the lack of unified kilometer posting on the railway network. The national railway network has a length of 2299 km. Of this total, ERGA OSE S.A. has the task of building the new alignment along the Patras Athens Thessaloniki Eidomeni axis with an approximate length of 890 km. At the same time, the Hellenic State Railways have several projects for upgrading the rest of the railway lines and also building new rail links. 2. CHARACTERISTICS OF THE SYSTEM The decision to apply this pilot project in the Inoi- Chalkida section was based on the following: a) there are recent topographic data (from 2002) to be used for comparison; b) the terrain along the railway line and its geometry pose a representative sample for recording, with low visibility for the Global Positioning System data collection and also for the data-in office editing; and c) the results of this pilot project can be readily used for the upgrade and electrification of this particular section. 3. DESCRIPTION 3-1. Description of the equipment This system used four (4) double frequency G.P.S. receivers (type 5700/5800/4700, Trimble). [5] One of the receivers was used as a control station and was located at a fixed point with known coordinates. The other three receivers were placed on a specially modified vehicle that

11 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 73 has the ability to move forwards and backwards along the track. For the recording of the qualitative data of the line a digital camera (SONY DCR 101E) was fixed to the vehicle. Photographs 1 and 2 show the positions of the GPS antennas on the roof of the vehicle and the recording equipment within the vehicle Methodology for positioning recording The average speed of the vehicle during this pilot project, on the line Inoi-Chalkida, was set at 36 km/h, enabling it to take position recordings every 10 m per run. The technique of kinematic positioning (See Diagram 1) has an accuracy of 1-3 cm in comparison with differential positioning, which has an accuracy of 1 m Methodology for the digital recording input When the position of the vehicle is determined, in combination with its alignment, the track geometry and the kilometer post of each qualitative element can be recorded with the use of the digital camera. 4. DATA PROCESSING 4.1. General 4.2. Processing of the positional data The primary positional data that were collected initially were processed and reduced to the imaginary axis of the track. In this way a series of discernible points were produced that defined the track axis with an accuracy of a few cm. After data collection the angular diagrams were determined, concerning the alignment and longitudinal profile of the track, namely the change of the movement azimuth with the alignment and the gradient with the longitudinal profile of the track. A corresponding angular diagram concerning track superelevation was created from the differential altitude of the GPS antennas that were used on the recording vehicle. The angular diagram of the track alignment presents the separation of the straight section from the curve and the transition curve. The straight section is given as a plain straight line, the curve as an inclined straight line and the transition curve as a circular arc (see Diagram 2). The same procedure was also followed for the determination of the geometric characteristics on the longitudinal profile (Diagram 3) as well as the superelevation (Diagram 4). In order to show the changes in the track geometry and longitudinal profile clearly, the scale on the Y axis in Diagrams 3 and 4 has been magnified by 10. The results from the previous process can also be used to generate graphics in a CAD environment, with full alignment and longitudinal profile of the track along with the respective superelevation diagram that is incorporated on the longitudinal profile (Diagrams 5 & 6) Table 1 shows the form of the database that was created for the alignment. Tables 2 and 3 show the forms of the database for the longitudinal profile and the superelevation data, respectively. For the presentation of the data the distance (km posting) was measured starting from Inoi Railway Station going towards Chalkida Railway Station. 5. VERIFICATION OF THE ACCURACY WITH THE CURRENT TOPOGRAPHIC DATA Diagram 7 shows the rails of the railway line as they were recorded with the topographic method and the points of the track axis as calculated with the GPS The two methods have similar results. 6. COMPARISON OF THE RESULTS WITH THE DATA FROM THE TRACK RECORDING VEHICLE OF THE HELLENIC STATE RAILWAYS (OSE). The track-recording vehicle of the Hellenic State Railways (OSE) determines with high accuracy the curvature of the track alignment with measurements from its sensors every 25 cm. As presented in Diagram 8, there is a complete concurrence of the results drawn from both measurement methods, concerning the curvature of the track alignment (1/R). 7. QUALITY CHARACTERISTICS OF THE RAILWAY NETWORK After the determination of the track geometry characteristics of the railway section, a procedure was followed for the determination of the quality elements of the track. For this purpose a synchronized digital camera was used. The frames that involved points of interest, such as the beginning and the end of a level crossing, traffic posts,

12 74 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, I, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 safety barriers, were determined along with the exact time of recording. Table 4 contains a sample of the processed results of the qualified elements. Another application, which was developed in cooperation with the company Infodim S.A., enabled the simultaneous imaging of the movement of the vehicle along the track (on an aerial photograph) with the digital camera, in absolute synchronization. At the same time, the quality elements of the railway track are displayed with the kilometer post and the coordinates of the vehicle (Photograph 1). 8. CONCLUSIONS DRAWN FROM THE PILOT PROJECT The data recording was done with speeds from 35 to 40 km/h. However the total time of the data collection was three days due to the reduced track availability, as it was in full operation, and to the assembly and disassembly of the equipment. The in-office data processing was 30 days in total. 9. SUGGESTIONS In conclusion, the new applied system can be used as a strategic tool in the hands of the Hellenic State Railways (OSE) and in combination with the track-recording vehicle in can be used in the future for rapid data collection and decision making in matters such as track upgrading, maintenance and safety. Finally, the evolution of the system with the incorporation of new state-of-the-art sensors can significantly improve the recording of other track qualified elements with greater accuracy. Vasileios Ioannis Spyrakos, Transportation Engineer MSc., PhD, West Virginia University U.S.A., Director of Railway Works, ERGA OSE S.A., Karolou 27, , Athens, Greece Christos Liapakis, Topographer Engineer, Ph.D., General Manager, Geotech LTD, Perikleus 41 and Thetidos 2, Gerakas, , Greece