高速鐵路軌道控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究

閆廣峰

內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100

高速列車要實現(xiàn)安全平穩(wěn)地高速行駛，軌道必須具有高平順性，作為鐵路軌道鋪設(shè)和運營維護的測量基準(zhǔn)——軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)必須精確可靠。CPⅢ網(wǎng)跨度大、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其觀測數(shù)據(jù)誤差、平差基準(zhǔn)的原始數(shù)據(jù)誤差和分段銜接誤差等因素會影響控制點的精度和可靠性，最終會影響到軌道的高平順性建設(shè)和評判。在現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，以軌道平順性控制為目標(biāo)，進(jìn)一步提高軌道控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)精度和可靠性，完善高速鐵路測量數(shù)據(jù)質(zhì)量過程控制的理論和技術(shù)體系，確保高速鐵路高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和列車高速、平穩(wěn)、安全運行，是高速鐵路測量理論領(lǐng)域值得探索研究的課題。論文借鑒大系統(tǒng)控制理論和多元質(zhì)量控制與診斷理論的思想，構(gòu)建起軌道控制網(wǎng)全局式數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系(global data quality control system of CPⅢ,GDQCS-CPⅢ)，主要成果如下。

(1) 提出軌道控制網(wǎng)全局式數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，從理論上闡明了以子系統(tǒng)的質(zhì)量控制和子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)控制為兩個主體層面的全局?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制體系架構(gòu)，通過觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與診斷、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與診斷以及分段測量控制網(wǎng)平順銜接等控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)高速鐵路軌道控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效控制。優(yōu)化了CPⅢ網(wǎng)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制工藝過程，提供了較為系統(tǒng)的理論依據(jù)和方法。

(2) 針對軌道控制網(wǎng)狹長、復(fù)雜的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)在LS平差前探測粗差的指導(dǎo)思想，研究了基于L1范數(shù)估計的觀測數(shù)據(jù)可靠性診斷技術(shù)。提出觀測值影響系數(shù)(influence coefficient,IC)和最小影響系數(shù)(least influence coefficient,LIC)，并以LIC來定量描述觀測值粗差對L1范數(shù)估計目標(biāo)函數(shù)的影響程度。導(dǎo)出了觀測值影響系數(shù)計算式，推導(dǎo)得到觀測值為L1抗差性失效點(robustness failpoint inL1-norm estimation,RFP-L1)時LIC的數(shù)值特點，根據(jù)設(shè)計矩陣歸納出判斷測量系統(tǒng)是否會存在RFP-L1觀測值的一般性規(guī)律。提出局部分析識別法(local analysis identification method,LAIM)，能夠求得各觀測值的最小影響系數(shù)，從而準(zhǔn)確判別觀測值中是否存在RFP-L1以及哪些是RFP-L1；提出附有調(diào)節(jié)因子的L1范數(shù)估計方法(L1-norm estimation with regulatory factors,RF-L1)，通過引入調(diào)節(jié)因子，增強了RFP-L1觀測值粗差對L1范數(shù)估計目標(biāo)函數(shù)影響的顯著性，從而能夠使其轉(zhuǎn)化為非RFP-L1觀測值，改進(jìn)了L1范數(shù)估計抵抗RFP-L1粗差的能力；設(shè)計基于RF-L1的多維粗差探測算法(multiple gross errors detection algorithm based on RF-L1,MGED-RF-L1)，兼顧RF-L1算法抗RFP-L1粗差以及GEJE算法顧及觀測值間粗差定位相關(guān)性的雙重優(yōu)勢，能夠確保粗差定位結(jié)果的可靠性。為CPⅢ網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)的粗差探測分析，提供了重要的理論依據(jù)和方法。

(3) 在回顧相關(guān)系數(shù)法、GEJE法診斷兩個觀測值間粗差可區(qū)分能力的等價關(guān)系基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理論推演了兩種方法診斷單個觀測值粗差定位能力的等價性，并證實了對具有大量觀測值的邊角后方交會CPⅢ平面測量網(wǎng)的粗差可區(qū)分性分析問題，GEJE法較相關(guān)系數(shù)法更具應(yīng)用可能性。運用GEJE方法，根據(jù)CPⅢ平面網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點，分析粗差判斷方程的函數(shù)模型特點，使用矩陣初等變換挖掘觀測值間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征及可靠性，第1次得到了CPⅢ觀測值粗差發(fā)現(xiàn)與定位能力的規(guī)律。采用蒙特卡羅模擬法，驗證CPⅢ平面網(wǎng)的粗差發(fā)現(xiàn)與定位能力，證實了GEJE法挖掘分析得到的觀測值粗差可發(fā)現(xiàn)與可定位規(guī)律的正確性。

(4) 提出利用觀測網(wǎng)形的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與診斷方法(datum data quality control and diagnostic method based on geometry of control network,DQCD-BG)，它包含基準(zhǔn)點穩(wěn)定性分析、最佳函數(shù)模型構(gòu)建和系統(tǒng)誤差判別與控制等3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效解決了基準(zhǔn)設(shè)計不合理情形下出現(xiàn)的基準(zhǔn)點不穩(wěn)定、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)含系統(tǒng)誤差，以及由于基準(zhǔn)點精度低而導(dǎo)致約束平差后控制網(wǎng)發(fā)生扭曲或畸變等問題，較傳統(tǒng)方法的結(jié)果更可靠。

(5) 結(jié)合高速鐵路施工建設(shè)特點，提出分段測量和平差時，控制網(wǎng)相鄰區(qū)段搭接應(yīng)遵循的原則，設(shè)計了顧及軌道平順性的測量控制網(wǎng)區(qū)段搭接算法(surveying control network lapping algorithm considering the track ride comfort,CTRC-LP)，可以有效避免采用重疊區(qū)不穩(wěn)定同名控制點信息，并逐步消除控制網(wǎng)間的銜接偏差，確保相鄰區(qū)段CPⅢ網(wǎng)搭接的可靠性和平順性。