基于GNSS的鐵路勘測設計數(shù)字化采集系統(tǒng)設計

周玉輝

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

目前，國內(nèi)大型鐵路勘測設計項目對外業(yè)勘測技術(shù)手段的要求越來越高。結(jié)合鐵路勘測設計內(nèi)外業(yè)資料收集的特點，李文等人[1]提出并實現(xiàn)了一套完整的、基于移動智能平臺技術(shù)的、適合公路勘測行業(yè)特點的野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)顯著改進了現(xiàn)有的工作方式和工作效率；陳珂等人[2]設計并開發(fā)了集測量數(shù)據(jù)采集、處理、管理和分析等功能于一體的網(wǎng)絡化移動勘測辦公系統(tǒng)，實現(xiàn)了測量辦公自動化及測量數(shù)據(jù)信息服務共享，在一定程度上提高了內(nèi)外業(yè)工作效率；周玉輝[3]提出并開發(fā)了基于掌上電腦PAD、結(jié)合全站儀的線路三維放樣內(nèi)外業(yè)一體化測繪系統(tǒng)，實現(xiàn)了線路勘測水平和質(zhì)量的提高。

上述鐵路勘測采集系統(tǒng)有一個共同的缺陷，就是功能不統(tǒng)一、調(diào)查項目不能或部分不能根據(jù)專業(yè)需求進行調(diào)整和設置。隨著GNSS測量儀器國產(chǎn)化率的提高和價格的降低，國產(chǎn)GNSS測量儀器逐步普及并作為主要測量儀器應用于工程測繪中?；贕NSS測量設備，本文研發(fā)了一套針對鐵路行業(yè)內(nèi)外業(yè)一體化專業(yè)性強的數(shù)字采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)將 1∶2 000和 1∶10 000地形圖引入鐵路勘測作業(yè)中，并結(jié)合GNSS測量特點對移動設備功能進行精簡和完善，使其功能更加貼合鐵路外業(yè)勘測的實際需求，做到測量時能基于CAD地形圖實現(xiàn)自動導航、自動質(zhì)量控制以及成果輸出與設計的無縫對接。

1 系統(tǒng)總體介紹

1.1 系統(tǒng)框架設計

本系統(tǒng)采用B/S和C/S混合架構(gòu)，分為應用層、服務層和數(shù)據(jù)層三層，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)應用層

用戶可通過Web瀏覽器、移動設備進入系統(tǒng)。移動設備端主要針對于鐵路勘測外業(yè)測量人員，進行野外現(xiàn)場作業(yè)的查詢、數(shù)據(jù)采集、上傳等操作；Web客戶端可進行查詢、分析、下載、權(quán)限管理等操作。

(2)服務層

分為系統(tǒng)運維、勘測管理、分析服務、數(shù)據(jù)管理即時通訊5個功能模塊。

(3)數(shù)據(jù)層

存儲用戶資料、項目準備資料、測量數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)等。

1.2 系統(tǒng)基本功能設計

按功能劃分，系統(tǒng)主要包括外業(yè)采集移動設備和管理平臺兩部分。

(1)外業(yè)采集移動設備

外業(yè)采集移動設備功能包括數(shù)據(jù)顯示、CORS系統(tǒng)定位、北斗定位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)同步。

(2)管理平臺

管理平臺功能包括數(shù)據(jù)處理、查詢、分析、數(shù)據(jù)輸出等。

1.2.1 移動設備主要功能

(1)北斗導航

采集設備自帶GNSS定位模塊[4]，通過接收北斗導航的定位數(shù)據(jù)在工作界面上實現(xiàn)實時導航，在CAD底圖或正攝影像上顯示測量人員的運動軌跡。

(2)外業(yè)測量

通過自帶GNSS功能的移動設備進行線路中線、斷面、地形、水文測量等數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集功能是外業(yè)設備功能最主要的組成部分。

(3)數(shù)據(jù)顯示功能

通過放大或縮小接觸手勢修改地形圖的顯示比例，根據(jù)不同的詳細程度查看地形圖數(shù)據(jù)。

1.2.2 外業(yè)采集移動設備的主要功能

根據(jù)鐵路勘測工作的需求分析，采集功能精簡為以下5個功能基本能滿足鐵路勘測設計工作的日常需要。

(1)中線測量

中線測量是鐵路線路縱斷面設計的基礎。根據(jù)線路設計參數(shù)和線路模型計算出任意里程中心點的坐標，然后以實時顯示的地形圖和導入的線位設計資料為基礎，使用移動設備的地形圖導航至待放樣點進行中線測量[5]。

(2)斷面測量

利用線型數(shù)據(jù)及待定斷面點的里程，按照中線坐標的計算方法，計算出中樁和加樁的坐標，并計算對應橫斷面處的端點設計坐標；將兩端端點設計的坐標數(shù)據(jù)以文本形式導入移動設備中，測定中線樁兩側(cè)地面變化點與中樁點間的距離和高差，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程中進行橫斷面圖繪制[6]。

(3)地形測量

地形測量主要依靠測量終端系統(tǒng)提供的采集工具對地形、地物進行測量。在測量過程中，測量人員可將地物各類特殊信息通過拍照、錄像、錄音、文本記錄等方式在地圖上以點要素方式關(guān)聯(lián)記錄。

(4)軌道調(diào)查

①道岔岔心坐標測量

以普通單開道岔為例，對道岔岔心的坐標測量進行闡述。普通單開道岔示意如圖2所示。

圖2 普通單開道岔示意圖

通過相關(guān)測量數(shù)據(jù)及道岔數(shù)據(jù)庫自動查詢道岔撤叉號數(shù)和道岔后長b值，計算出道岔前長a值，根據(jù)a、b值的比例，通過計算得到岔心坐標。

②車站上部建筑物測量

對車站上部建筑物，如警鐘標、信號機、接觸網(wǎng)等設施設備采用單點測量模式，獲取平面坐標及高程。

1.2.3 數(shù)據(jù)同步功能

在進行外業(yè)勘測前，使用移動計算技術(shù)[7]，可將Web端相關(guān)任務信息同步到移動勘測設備中，在外業(yè)采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，將移動設備中的成果數(shù)據(jù)實時同步到Web端，實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)據(jù)采集[8]。

1.2.4 數(shù)據(jù)查詢

在作業(yè)過程中，測量人員可根據(jù)需要使用數(shù)據(jù)查詢功能對測量控制點數(shù)據(jù)、測量原始數(shù)據(jù)、測量目標數(shù)據(jù)等進行查詢，通過進行條件搜索，就可在地形圖界面[9]上顯示搜索的數(shù)據(jù)，移動設備功能與操作流程設計如圖3所示。

圖3 移動設備功能與操作流程設計圖

1.2.5 管理平臺

管理平臺主要包括勘測管理模塊、分析服務模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、通訊模塊和系統(tǒng)運維模塊，如圖4所示。

圖4 平臺功能模塊設計圖

(1)勘測管理模塊

勘測管理模塊包含了從鐵路勘測前各勘測人員的任務管理及相應任務項目資料的下載，到采集數(shù)據(jù)后實時在線上傳勘測成果，再到上傳數(shù)據(jù)后的成果查詢等功能，實現(xiàn)了對鐵路勘測生產(chǎn)活動的信息化管理。

(2)分析服務模塊

分析服務模塊包含測量成果下載，數(shù)據(jù)繪圖[10]、平差[11]或沉降預測[12]，數(shù)據(jù)最終成果展示等功能。分析服務模塊還能對外業(yè)錯誤采集、遺漏采集進行分析和預警，從而保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和準確性。

(3)數(shù)據(jù)管理模塊

用戶可通過項目或文檔關(guān)鍵字對相關(guān)數(shù)據(jù)進行檢索查詢，系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的歸類存放整理功能，對重要數(shù)據(jù)進行多重備份，并可對誤刪數(shù)據(jù)進行還原操作。

(4)系統(tǒng)運維模塊

運維管理是對系統(tǒng)運行過程的基本維護，保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。主要包括用戶管理、權(quán)限管理、日志管理和二次開發(fā)。系統(tǒng)將用戶分為最高管理員、測量管理人員、測量人員和內(nèi)業(yè)處理人員，并分配相應的權(quán)限，以方便用戶在規(guī)定的權(quán)限下進行一系列功能操作。用戶權(quán)限的設置將提升系統(tǒng)的安全性、信息的保密性和業(yè)務的流暢性。

(5)通訊模塊

為方便各用戶之間的聯(lián)系，將聯(lián)系人通訊號按職位進行歸類。當用戶修改自己的通訊方式時，系統(tǒng)能夠自動更新存儲數(shù)據(jù)的變化。

2 系統(tǒng)工作流程

2.1 工程管理

本系統(tǒng)對外業(yè)測量工作做一個簡單的數(shù)據(jù)庫管理，包括項目總文件夾、項目文檔、地形圖數(shù)據(jù)、平面高程控制點數(shù)據(jù)等，并將項目資料、任務要求等數(shù)據(jù)上傳至對應文件夾，系統(tǒng)會導航到新建工程的相關(guān)信息頁，主要包括工程名稱、施測單位、操作員、日期、備注等，方便外業(yè)使用和內(nèi)業(yè)資料處理，一般每天新建1個工程文件。

2.2 質(zhì)量控制

在作業(yè)過程中，系統(tǒng)隨時檢驗采集數(shù)據(jù)是否滿足項目精度要求，并進行提醒，然后根據(jù)項目需求進行標準化和保密性處理，將數(shù)據(jù)實時打包上傳至指定目錄下。

2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)將外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)項目要求進行處理，形成成果數(shù)據(jù)后按要求存檔管理。

(2)采集數(shù)據(jù)與1∶2 000地形、1∶10 000地形、實景三維地形等融合處理，實時更新；與橋梁、隧道、路基、站場等專業(yè)數(shù)據(jù)接口無縫對接，實現(xiàn)鐵路方案設計的優(yōu)化處理。

3 系統(tǒng)應用

鐵路勘測GNSS數(shù)據(jù)采集(簡稱RDGS)系統(tǒng)主要有工程管理、中線測量、斷面測量、單點測量、既有線測量、其他模塊(單點校正、四參數(shù)計算、七參數(shù)計算)、水文測量等，本文以中線測量為例介紹系統(tǒng)應用。

3.1 系統(tǒng)安裝

點擊“RDGS.apk”軟件APP按鈕完成軟件安裝，運行鐵路勘測GNSS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(RDGS)，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面圖

安裝后，在移動設備上會自動建立RDGS文件夾，移動設備可為安卓系統(tǒng)手機、平板電腦、GNSS手薄等。測量準備資料可通過移動設備復制到RDGS文件夾中，也可從PC機拷貝到RDGS文件夾中。

3.2 資料準備

(1)準備測區(qū)范圍內(nèi)的CAD地形圖。

(2)準備測區(qū)范圍內(nèi)的平面高程控制點資料。

(3)準備中線測量平縱參數(shù)資料，數(shù)據(jù)格式為：

QD,里程,北坐標,東坐標,0,0,0,0

交點號,0,北坐標,東坐標,0,半徑長度,前緩和曲線長度,后緩和曲線長度

交點號,0,北坐標,東坐標,0,半徑長度,前緩和曲線長度,后緩和曲線長度

………………………………………………………

ZD,0,北坐標,東坐標,0,0,0,0

3.3 中線測量

(1)點擊主界面中的“中線測量”，進入中線測量模塊。若在此之前未導入平縱參數(shù)，則系統(tǒng)會提示用戶進行數(shù)據(jù)導入。

(2)采用北斗導航、CORS系統(tǒng)[13]等模式開展測量工作。

(3)設置中線測量的參數(shù)：直線段和曲線段的測量間距(即每相隔多少米提示測量1次)、測量限差半徑(中樁樁位限差值)、里程取整差(在差值限差內(nèi)時，測量里程在整10 m附近可直接取為整樁號)、起始里程等。

(4)參數(shù)設置完成后，即可在移動設備中打開CAD地形圖(線位圖或1∶2000地形圖)，顯示待放樣的中線圖形信息。中線測量成果如表1所示。

表1 中線測量成果表

3.4 質(zhì)量控制

3.4.1 中線質(zhì)量控制

在進行中線測量時，系統(tǒng)要求設置測量點中樁樁位限差。系統(tǒng)能計算出中線理論坐標、放線時的實際坐標以及相應的坐標差值，便于測量人員進行中線質(zhì)量控制。根據(jù)《鐵路工程測量規(guī)范》中樁樁位限差設置為0.1 m，超出這個限差值，系統(tǒng)將不能保存。

3.4.2 斷面測量

在進行斷面測量時，系統(tǒng)要求設置斷面點點位限差。根據(jù)《鐵路工程測量規(guī)范》中樁樁位限差設置為0.3 m，超出這個限差值，系統(tǒng)將不能保存，以確?？睖y質(zhì)量[14]。

3.5 工作效率

系統(tǒng)在成渝中線高速鐵路項目上進行了應用，并與中海達、南方GNSS測量儀器等進行了對比，結(jié)果表明，本系統(tǒng)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集、便捷性方面與其它測量儀器基本一致，且在斷面數(shù)據(jù)處理方面優(yōu)勢明顯，原來需近1 h才能處理完的測量數(shù)據(jù)，采用本系統(tǒng)僅需幾分鐘即可處理完畢并輸出成果，效率提高明顯。

4 結(jié)束語

本文設計的基于GNSS的鐵路勘測設計數(shù)字化采集系統(tǒng)集北斗導航、GNSS測量、數(shù)據(jù)處理為一體，并與鐵路工程設計無縫對接，顯著提高了生產(chǎn)效率。主要具有以下優(yōu)勢。

(1)在外業(yè)采集中，測量用戶可在任何地方、任何時間、任何地點手持移動設備進入系統(tǒng)對測量信息進行采集，通過4G/5G信號進行數(shù)據(jù)實時傳輸。

(2)系統(tǒng)將地形圖導航功能引入到勘測作業(yè)中，為野外勘測人員找尋目標點提供了便利。

(3)系統(tǒng)利用移動設備自身強大的多媒體功能(拍照、拍視頻、錄音)、網(wǎng)絡實時傳輸?shù)裙δ躘15]，極大地縮短了各項關(guān)操作的間隔時間。