高速鐵路軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序研究與開發(fā)

楊友濤，孔延花

(西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 概述

在高速鐵路精密工程測量方面，CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)與其他軌道系統(tǒng)的重要區(qū)別之一，是在軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)下面多布設(shè)了一級控制網(wǎng)。目前，我國稱之為軌道基準(zhǔn)網(wǎng)(Track Reference Network簡稱TRN)。在CRTSⅡ型無砟軌道板施工過程中，軌道基準(zhǔn)網(wǎng)主要作為軌道板精調(diào)施工測量控制的基準(zhǔn)，而軌道的精調(diào)則仍是以CPⅢ控制網(wǎng)作為其測量控制的基準(zhǔn)。

軌道基準(zhǔn)網(wǎng)的控制點(diǎn)布設(shè)于混凝土底座或支承層上，位于軌道板橫接縫的中央、相應(yīng)里程中心點(diǎn)的法線上，偏離軌道中線0.10 m。曲線地段，應(yīng)置于軌道中線內(nèi)側(cè);直線地段應(yīng)置于線路中線同一側(cè)。測量精度要求其平面網(wǎng)相鄰點(diǎn)位的相對中誤差小于0.2 mm，高程網(wǎng)相鄰點(diǎn)位的高差中誤差小于0.1 mm，精度要求極高［1］。軌道基準(zhǔn)網(wǎng)的上一級測量基準(zhǔn)是軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)［1］;軌道基準(zhǔn)網(wǎng)是三維網(wǎng)，其平面網(wǎng)是采用智能型全站儀自由測站極坐標(biāo)測量的方法獲得各控制點(diǎn)的站心坐標(biāo)，相鄰自由測站之間搭接一定數(shù)量的控制點(diǎn)，再采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法把各控制點(diǎn)的站心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到線路坐標(biāo)系統(tǒng)中，由此獲得各控制點(diǎn)的施工坐標(biāo)。因此軌道基準(zhǔn)網(wǎng)之平面網(wǎng)，實(shí)質(zhì)上是自由測站極坐標(biāo)散點(diǎn)網(wǎng)。其高程網(wǎng)，是采用電子水準(zhǔn)儀和1把水準(zhǔn)尺按中視高差測量的方法，測量CPⅢ控制點(diǎn)到軌道基準(zhǔn)網(wǎng)控制點(diǎn)(簡寫為TRN點(diǎn))之間的高差和相鄰TRN點(diǎn)之間的高差，水準(zhǔn)路線在兩個CPⅢ點(diǎn)間形成附合水準(zhǔn)路線;相鄰水準(zhǔn)路線之間搭接一定數(shù)量的TRN點(diǎn)。因此軌道基準(zhǔn)網(wǎng)之高程網(wǎng)，實(shí)質(zhì)上仍是水準(zhǔn)網(wǎng)。

由于軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平面測量的工作量大、精度要求高，同時聯(lián)測的CPⅢ控制網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)是已知的，因此應(yīng)開發(fā)軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序，控制智能型全站儀對CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行自動測量，對TRN點(diǎn)進(jìn)行半自動測量。所謂的半自動測量指的是在第一次對TRN測量時是人工大致照準(zhǔn)目標(biāo)、儀器自動測量，而后續(xù)的多次測量是儀器自動照準(zhǔn)并人工決定是否測量。文章基于天寶智能型全站儀，介紹高速鐵路軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)方法及其主要功能。

2 軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平面數(shù)據(jù)測量方法

軌道基準(zhǔn)網(wǎng)控制點(diǎn)平面坐標(biāo)測量的外業(yè)觀測，是采用全站儀自由設(shè)站極坐標(biāo)法分別對CPⅢ點(diǎn)和TRN點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測量。線路左、右線TRN點(diǎn)的測量，應(yīng)分別架設(shè)儀器進(jìn)行觀測。同時全站儀設(shè)站點(diǎn)應(yīng)盡量靠近TRN點(diǎn)的連線方向，且位于所觀測的CPⅢ控制點(diǎn)的中間。而且，同一測站觀測的CPⅢ點(diǎn)不應(yīng)少于4對，觀測的TRN點(diǎn)宜為10～14個(可視天氣情況作相應(yīng)調(diào)整)，其中包括與上一個測站搭接的TRN點(diǎn)。

在進(jìn)行正式測量前，應(yīng)通過本測站的4對CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行自由設(shè)站，其精度應(yīng)滿足X、Y、H方向的誤差≤0.7 mm，儀器定向精度≤2″。自由設(shè)站測量完成和精度滿足要求后，應(yīng)檢測CPⅢ控制點(diǎn)的坐標(biāo)不符值，其坐標(biāo)不符值限差在X、Y、H方向應(yīng)≤2.0 mm。若檢測CPⅢ控制點(diǎn)坐標(biāo)不符值不滿足上述限差要求，在保證CPⅢ控制點(diǎn)數(shù)量不少于6個的情況下，應(yīng)將超限點(diǎn)剔除后再重新進(jìn)行自由設(shè)站平差計(jì)算。在自由設(shè)站精度和檢測CPⅢ點(diǎn)滿足要求后，方可繼續(xù)進(jìn)行TRN點(diǎn)的平面測量工作［1］。

同一測站的CPⅢ點(diǎn)和TRN點(diǎn)測量，采用全站儀正鏡位半測回的多次觀測，TRN點(diǎn)采用一個精密基座依次挪動進(jìn)行人工觀測。具體觀測順序?yàn)?

(1)自由設(shè)站觀測和測站坐標(biāo)平差計(jì)算;

(2)按順時針觀測本站選擇的4對CPⅢ點(diǎn);

(3)由遠(yuǎn)及近觀測所有本測站TRN點(diǎn);

(4)按順序繼續(xù)觀測CPⅢ點(diǎn)、TRN點(diǎn)、CPⅢ點(diǎn)、TRN點(diǎn)、CPⅢ點(diǎn)。TRN點(diǎn)的觀測應(yīng)不少于3個半測回，CPⅢ點(diǎn)的觀測應(yīng)不少于4半測回。

其測量精度應(yīng)滿足下列要求［1］:①基準(zhǔn)點(diǎn)各半測回測量的坐標(biāo)值與其平均值間的較差≤0.4 mm。②重迭區(qū)內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)的平面位置允許偏差:橫向≤0.3 mm，縱向≤0.4 mm。

每一測站重復(fù)觀測上一測站的CPⅢ控制點(diǎn)不應(yīng)少于2對;重復(fù)觀測上一測站觀測的TRN點(diǎn)不應(yīng)少于3～5個，前后兩測站重復(fù)觀測的TRN點(diǎn)的坐標(biāo)較差應(yīng)小于0.3×(n-1)mm，其中n為搭接點(diǎn)個數(shù)。以左線測量為例，軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平面測量的方法如圖1所示。

圖1 軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平面測量方法示意(左線)

3 軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

3.1 天寶TSM概況

Trimble Survey Manager(簡稱TSM)是 Trimble(天寶)測量產(chǎn)品的應(yīng)用程序，支持基于Trimble智能型全站儀和 GPS接收機(jī)等測量儀器的軟件操作［2］。Trimble Survey Manager Server(簡寫TSMserver)是其開發(fā)接口，授權(quán)用戶可以通過這個接口實(shí)現(xiàn)軟件功能的擴(kuò)展，開發(fā)第三方軟件控制天寶智能型全站儀和GPS接收機(jī)進(jìn)行測量。

TSMserver接口的開發(fā)具有以下特點(diǎn)［2］:(1)標(biāo)準(zhǔn)的ATL COM SERVER，便于第三方軟件的調(diào)用;(2)可運(yùn)行在Win32和Windows Mobile/Pocket PC/WinCE兩種操作平臺上;(3)通過 TSMserver接口可以接受Trimble測量儀器的數(shù)據(jù)，并可以控制儀器的運(yùn)作。

3.2 TSMserver開發(fā)技術(shù)要求

以下是進(jìn)行 TSMServer開發(fā)所必須的軟、硬件條件［2］:

(1)Trimble TSM Tablet軟件(用于Win32應(yīng)用)或者Trimble TSM Field軟件(用于Windows Mobile應(yīng)用);

(2)Trimble TSMServer許可協(xié)議號碼;

(3)Trimble測量儀器，如S系列、VX、56系列等;

(4)Trimble測量手簿設(shè)備，如TCU、TSC2等。

3.3 TSMserver開發(fā)程序的基本流程

(1)載入TSMserver類庫

TSMserver類庫采用的是COM SERVER，因此在使用類庫之前，必須首先注冊類庫。在 Win32下，可以使用命令行的方式或者安裝包編程的方式。一般打包程序都包含動態(tài)庫注冊方式，在Win32平臺上，類庫的所有文件可以置于系統(tǒng)的任意位置。在WINCE平臺下，注冊的類庫為TSMServer.dll，要求類庫的所有文件和開發(fā)的應(yīng)用程序在相同的目錄。

(2)配置

在類庫的根文件夾下面，需要以下3個配置文件。

①TSM.xml文件，用于配置授權(quán)和語言。如果在類庫文件夾下面沒有此文件，則自行創(chuàng)建。

②DEVICE.ini文件，用于配置設(shè)備管理器中的設(shè)備以及選項(xiàng)。此文件也可以使用設(shè)備管理器指令進(jìn)行配置。

③DRIVER.ini文件，用于配置設(shè)備管理器中的設(shè)備驅(qū)動。

(3)聲明TSMserver變量并初始化實(shí)例

(4)啟動設(shè)備管理器并輸入授權(quán)碼

啟動設(shè)備的函數(shù)為ISurveyToolsServer.GetDevice-Manager();輸入授權(quán)碼函數(shù)為IDevice Manager.Set(String app，String passwd)，其中輸入?yún)?shù)app和passwd分別為授權(quán)的用戶名和注冊碼。

(5)載入設(shè)備

TSMserver通過設(shè)備管理器，可以獲得設(shè)備訪問接口，來連接儀器。其函數(shù)為 IDeviceManager.Load Device(int DeviceNumber)，其中輸入?yún)?shù) Device Number為設(shè)備配置文件DEVICE.ini中的儀器編號。

(6)連接設(shè)備

連接全站儀的函數(shù)為IGeneric Device.Connect()或IGenericDevice.Connect2()。

(7)測量

直接調(diào)用ITotal Station接口的函數(shù)就可以操縱儀器進(jìn)行測量。其常用函數(shù)如下。

①將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向指定位置，函數(shù)為ITotalStation.TurnTo ( double Horizontal Angle，double Vertical Angle)和ITotal Station. Turn To With Auto Focus (double Horizontal Angle，double Vertical Angle，double Slope Distance) ，其中輸入?yún)?shù)Horizontal Angle 為望遠(yuǎn)鏡的轉(zhuǎn)向的水平方向值，Vertical Angle 為望遠(yuǎn)鏡的轉(zhuǎn)向的天頂方向值，Slope Distance 為儀器和目標(biāo)點(diǎn)的已知距離。利用Turn To With Auto Focus 函數(shù)儀器轉(zhuǎn)向目標(biāo)后自動調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的焦距。

②搜索目標(biāo)，函數(shù)為ITotal Station. Search ( int TargetId，)，其中輸入?yún)?shù)Target Id 為搜索棱鏡編號。當(dāng)其等于0 時，棱鏡不區(qū)分編號。

③測量角度和距離，主要包括以下3 個函數(shù): a)ITotal Station. MeasureAngles And Distance 獲取當(dāng)前目標(biāo)方向的水平方向、天頂距和距離觀測值; b )ITotal Station. Measure Finelock 在Finelock 鎖定目標(biāo)模式下測量水平方向、天頂距和距離; c) ITotalStation.MeasureAutolockTarget 在Autolock 鎖定目標(biāo)模式下測量水平方向、天頂距和距離。

(8)接收數(shù)據(jù)

TSM Server通過注冊事件到當(dāng)前主程序的方式，以綁定TSMserver COM控件與應(yīng)用程序的事件，使從儀器返回的消息和數(shù)據(jù)可以被接收。

3.4 程序的業(yè)務(wù)流程

根據(jù)上文中軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測量的基本原理，以及測量精度要求，筆者設(shè)計(jì)、開發(fā)了軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序。程序設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過軟件控制智能型全站儀完成軌道基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集自動測量工作，提高工作效率。該軟件是基于個人掌上電腦(PDA)硬件環(huán)境上開發(fā)的，PDA通過線纜、電臺或者藍(lán)牙等通信設(shè)備與全站儀相連，從而使軟件控制儀器進(jìn)行自動測量。

軟件開發(fā)平臺為Visual Studio2005及Net Compact Framework框架，Visual Basic程序語言提供多種PDA開發(fā)模板［8］。開發(fā)語言的Net Compact Framework框架有多種控件及向量和矩陣運(yùn)算可以應(yīng)用在PDA上，編寫的數(shù)據(jù)采集程序操作簡單，界面友好，容錯功能較強(qiáng)。

程序的業(yè)務(wù)流程主要包括以下幾個模塊:①儀器配置模塊，主要實(shí)現(xiàn)TSMserver的載入及初始化，使硬件設(shè)備PDA與全站儀相連接;②自由設(shè)站模塊，包括自由設(shè)站自動觀測、三維平差計(jì)算、設(shè)站精度評定和CPⅢ點(diǎn)檢查［4，5］;③測量模塊，包括 CPⅢ控制點(diǎn)自動測量與 TRN點(diǎn)的人工參與的半自動測量。由于CPⅢ控制點(diǎn)和TRN點(diǎn)測量是交叉進(jìn)行的，測量模塊是數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)的難點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集程序的業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

3.5 程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)儀器控制指令

利用天寶智能型全站儀二次開發(fā)接口TSMserver，通過配置PDA的通訊設(shè)備，發(fā)送指令來控制儀器進(jìn)行自動照準(zhǔn)、精確測量，這是程序操作儀器，實(shí)現(xiàn)自動測量的基礎(chǔ)。

(2)多線程技術(shù)

多線程技術(shù)能實(shí)現(xiàn)同一程序?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)的功能［8］，自動測量階段利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時更新及測量過程中暫停功能。在自動測量開始后，系統(tǒng)主線程自動建立一個新線程，所有的測量任務(wù)都在新建線程內(nèi)完成。每個目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測完成，通過新線程與主線程的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)在測量界面中Data Grid控件的實(shí)時顯示、更新。同時，利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動測量過程中儀器測量的暫停與繼續(xù)功能。

(3)自由設(shè)站三維整體平差

在測站檢查功能中，自由設(shè)站計(jì)算采用三維整體平差方法，把全站儀原始觀測數(shù)據(jù)作為觀測量開列誤差方程。在天頂距觀測方程中加入大氣折光作為未知參數(shù)進(jìn)行整體平差計(jì)算，在后面TRN點(diǎn)測量時，加入大氣折光改正來計(jì)算TRN點(diǎn)高程方向的坐標(biāo)值，理論上更嚴(yán)密［3，4］。

4 數(shù)據(jù)采集程序的基本功能

4.1 儀器配置

程序?qū)崿F(xiàn)了PDA與不同的天寶智能型全站儀進(jìn)行通訊的功能，通過PDA可以控制全站儀進(jìn)行自動測量，同時全站儀測量的數(shù)據(jù)也可傳回PDA進(jìn)行分析計(jì)算和存儲。首先載入TSMserver類庫，啟動設(shè)備管理器，然后配置PDA上的電臺或藍(lán)牙等通信設(shè)備，連接儀器。其后，在PDA上顯示儀器的電子氣泡，調(diào)整腳螺旋使儀器至水平狀態(tài);同時輸入氣象參數(shù)保存在儀器里，便于后面測量時對距離進(jìn)行氣象改正。

4.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

采集軟件可按不同的測量精度要求靈活設(shè)置限差，并在測量過程中實(shí)時檢查同一目標(biāo)點(diǎn)不同次數(shù)間的坐標(biāo)較差是否超過設(shè)置的限差。超限后，程序自動彈出超限窗口，提示操作者是否進(jìn)行重測。其限差參數(shù)設(shè)置主要包括X、Y、Z(H)3方向不同測回間坐標(biāo)較差的限差。

4.3 自由設(shè)站檢查

在CPⅢ點(diǎn)和TRN點(diǎn)測量前，軟件首先對該測站選擇的CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行正鏡半盤位自動觀測，軟件該功能測量界面如圖3所示，之后進(jìn)行自由設(shè)站，根據(jù)自由設(shè)站的平差計(jì)算精度，檢查參與自由設(shè)站的CPⅢ控制點(diǎn)的穩(wěn)定性［5］。剔除不穩(wěn)定的CPⅢ控制點(diǎn)后，再進(jìn)行后面的測量工作。

圖3 自由設(shè)站界面

圖4 自動測量界面

4.4 自動測量和人工測量相結(jié)合

完成CPⅢ目標(biāo)點(diǎn)選擇、自由設(shè)站和CPⅢ點(diǎn)穩(wěn)定性檢查后，進(jìn)入如圖4所示的CPⅢ控制點(diǎn)自動測量界面。程序根據(jù)自由設(shè)站的測站坐標(biāo)和導(dǎo)入的CPⅢ點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，自動轉(zhuǎn)向目標(biāo)點(diǎn)，并對其進(jìn)行自動照準(zhǔn)、測量，觀測過程中實(shí)時檢查坐標(biāo)較差是否超限。正鏡半盤位的CPⅢ點(diǎn)自動測量完成后，進(jìn)入軌道基準(zhǔn)點(diǎn)的人工半自動測量界面，第一次測量需人工大致瞄準(zhǔn)TRN點(diǎn)，程序控制儀器精確照準(zhǔn)、自動測量。后續(xù)測量時，只需選擇欲測量的TRN點(diǎn)點(diǎn)號，程序控制儀器自動轉(zhuǎn)向目標(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行精確照準(zhǔn)，并人工決定是否測量。

4.5 多種成果輸出形式

所研發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件輸出成果比較完善，包括多種不同的格式文件，主要包括:(1)自定義的坐標(biāo)輸出文件，與中鐵咨詢和西南交大聯(lián)合開發(fā)的“軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)平差軟件”可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化的數(shù)據(jù)處理;(2)輸出的GSI格式坐標(biāo)文件，與國外軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平差軟件實(shí)現(xiàn)無縫銜接;(3)輸出全站儀原始觀測數(shù)據(jù)文件。

5 結(jié)論

(1)掌上電腦設(shè)備與智能型全站儀相連，通過程序發(fā)送、接受指令，控制全站儀進(jìn)行軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)自動采集，解決了高速鐵路軌道基準(zhǔn)網(wǎng)平面數(shù)據(jù)采集中測量任務(wù)繁重、觀測精度要求高等問題，提高了野外測量工作的效率和質(zhì)量。

(2)軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序與數(shù)據(jù)平差程序無縫銜接，推動了數(shù)據(jù)采集和處理的自動化、數(shù)字化和高效化，促進(jìn)了測量內(nèi)、外業(yè)一體化的進(jìn)一步發(fā)展，具有重要的實(shí)際意義。

(3)本文研發(fā)的軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序已通過鐵道部組織的評審，認(rèn)為該程序總體水平高、技術(shù)路線先進(jìn)、實(shí)用性強(qiáng)，具有較好的使用價值。

(4)本文研究開發(fā)的軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序已在滬寧城際鐵路等工程中推廣應(yīng)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)國外的軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集是全人工測量，測量效率低、自動化程度差，本文研發(fā)的軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序填補(bǔ)了國內(nèi)外的空白，因此具有較大的社會效益。

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