高速鐵路軌檢儀絕對測量方法應(yīng)用研究

楊友濤，孔延花，孔書祥

(西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川 峨眉山市 614202)

無砟軌道施工控制測量技術(shù)，特別是其中的無砟軌道精調(diào)及檢驗，已成為無砟軌道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的軌道檢測工具已不能滿足無砟軌道測量精度要求，使用軌檢儀測量軌道幾何形位勢在必行，這也是鐵路檢測工具現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

1 軌檢儀測量的基本原理

軌檢儀是一種在無列車輪載作用時可檢測靜態(tài)軌道各項平順性參數(shù)的便捷工具，且能夠直接在軌道上手推行駛，因此，也被稱為“軌檢小車”。它采用電測傳感器、專用便攜式計算機(jī)等先進(jìn)檢測和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，可檢測軌距、水平、超高、正矢、軌向、高低、扭曲等軌道平順性參數(shù)。按其測量方式主要分為相對軌檢儀和絕對軌檢儀。相對軌檢儀是指在沒有外部參考基準(zhǔn)的情況下，軌檢儀根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析檢測點(diǎn)間設(shè)計參數(shù)的相對變化，并進(jìn)行軌道調(diào)整的一種軌道檢測設(shè)備。絕對軌檢儀是指在有外部參考基準(zhǔn)的情況下，除了能夠檢測軌距、水平、超高、正矢、軌向、高低、扭曲外，還能夠確定線路里程及軌道中心點(diǎn)絕對位置的一種軌道檢測設(shè)備。

無砟軌道精調(diào)或檢測要依靠CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行，使用軌檢儀和高精度全站儀聯(lián)合工作，根據(jù)CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行定位，高精度、高密度的CPⅢ控制點(diǎn)可以可靠、精確地確定軌道坐標(biāo)和方向。要實現(xiàn)軌道絕對位置的精確測量，前提條件是全站儀的高精度自由設(shè)站。根據(jù)線路兩側(cè)的CPⅢ控制點(diǎn)，使用自由設(shè)站三維邊角后方交會法，進(jìn)行全站儀的高精度自由設(shè)站。為了減小瞄準(zhǔn)誤差，選用具有自動照準(zhǔn)和自動目標(biāo)識別功能的Leica TCA系列或者Trimble S系列全站儀。同時，全站儀架設(shè)在軌道中心線上，利用小角度測量，使得橫向誤差最小。

全站儀自由設(shè)站完成后，即可進(jìn)行軌道線形的絕對坐標(biāo)測量和相對位置測量。測量時，讓全站儀鎖定軌檢儀上的棱鏡，使其隨軌檢儀的移動而實時進(jìn)行觀測，以獲得棱鏡的三維坐標(biāo)，再結(jié)合軌道的設(shè)計參數(shù)以及傾角和軌距傳感器的測量數(shù)據(jù)，利用線路中心坐標(biāo)計算模型、軌道點(diǎn)對應(yīng)線路中線點(diǎn)里程計算模型、平順性參數(shù)計算模型與軌檢儀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，就可測量或者計算當(dāng)前軌道實測與理論的各項平順性參數(shù)。

2 自由設(shè)站數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

2.1 GeoCOM基本原理

GeoCOM(地理數(shù)據(jù)通訊接口)技術(shù)，是一種應(yīng)用開發(fā)接口，是瑞士徠卡公司為徠卡用戶對TPS系列全站儀進(jìn)行二次開發(fā)所提供的另一種形式的支持，它是基于RPC(美國SUN微軟公司的遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)議)而建立的點(diǎn)對點(diǎn)通信協(xié)議。GeoCOM有兩種接口方式:一種為高級函數(shù)接口方式，就是在C++或VB中直接使用普通的函數(shù)調(diào)用，這種方式只需簡單地調(diào)用函數(shù)，所有的請求、應(yīng)答和解碼都封裝在GeoCOM的函數(shù)中，但其缺點(diǎn)是一旦其函數(shù)被調(diào)用，將會獨(dú)占計算機(jī)的CPU時間，在實際工程應(yīng)用中顯得有些慢;另一種為低級的ASCⅡ接口方式，由請求和應(yīng)答構(gòu)成，即計算機(jī)應(yīng)用程序通過串行線發(fā)送一個請求到測量機(jī)器人，等候應(yīng)答并對應(yīng)答解碼。遠(yuǎn)程的測量機(jī)器人中有可以調(diào)用的過程，且每個過程都對應(yīng)著一個唯一的標(biāo)示碼，每一標(biāo)示碼又與一個特定的請求(包括隱含的參數(shù))相聯(lián)系，這樣可以通過發(fā)送ASCⅡ請求，并得到ASCⅡ應(yīng)答的方式來控制測量機(jī)器人，此方式在實際應(yīng)用中運(yùn)行起來要比高級函數(shù)接口方式快的多。

2.2 自動觀測程序設(shè)計

基于智能型全站儀的自由設(shè)站自動觀測程序，是為高速鐵路軌檢儀絕對位置的數(shù)據(jù)采集而設(shè)計的外業(yè)觀測自動化軟件。自動觀測程序可通過軌檢儀上的工控機(jī)發(fā)送和接受指令來控制智能型全站儀，按設(shè)定參數(shù)自動完成半測回或多測回CPⅢ控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

圖1 軌檢儀自由設(shè)站測量原理示意

設(shè)站時，每個測量區(qū)間選擇8個CPⅢ控制點(diǎn)，完成全站儀的自由設(shè)站，其自由設(shè)站測量原理如圖1所示。首先，人工照準(zhǔn)8個CPⅢ控制點(diǎn)中的任意兩個，進(jìn)行學(xué)習(xí)測量;其次，由學(xué)習(xí)的兩個CPⅢ控制點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，按三維后方交會的方法計算測站點(diǎn)的近似坐標(biāo);再次，數(shù)據(jù)采集軟件根據(jù)選擇的8個CPⅢ控制點(diǎn)的已知三維坐標(biāo)，控制全站儀對CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行半測回的邊角自動測量;最后，根據(jù)測量的CPⅢ控制點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)水平方向、天頂距和斜距，進(jìn)行自由設(shè)站三維嚴(yán)密平差計算和精度評定，從而確定自由設(shè)站點(diǎn)的三維平差坐標(biāo)及其精度。自由設(shè)站的精度，可以通過平差后的點(diǎn)位中誤差進(jìn)行判斷。同時根據(jù)觀測量改正數(shù)，剔除觀測質(zhì)量不佳的觀測值，重新計算，以使自由設(shè)站點(diǎn)位中誤差達(dá)到要求。自動觀測程序的流程圖如圖2所示。

圖2 軌檢儀三維坐標(biāo)采集程序流程

3 自由設(shè)站三維嚴(yán)密平差

3.1 觀測值誤差方程

3.1.1 斜距誤差方程

斜距觀測值S及其改正數(shù)vS與其測站點(diǎn)坐標(biāo)XS，YS，ZS及照準(zhǔn)點(diǎn) CPⅢ坐標(biāo) Xi，Yi，Zi，可直接建立以下的關(guān)系式

式中，測站坐標(biāo)未知數(shù) XS，YS，ZS，可用其坐標(biāo)近似值，，及改正數(shù)dx，dy，dz代入，自由設(shè)站中照準(zhǔn)點(diǎn)CPⅢ坐標(biāo)為已知量。因dx，dy，dz為微小量，按泰勒公式展開并略去dx，dy，dz的二次及以上的各項，得斜距誤差方程式

3.1.2 水平方向誤差方程

水平方向觀測值L及其改正數(shù)vL與未知點(diǎn)坐標(biāo)，通過坐標(biāo)方位角T建立如下關(guān)系

式中，w=w0+dw是自由設(shè)站上整組方向平差值所共有的定向角，定向角近似值w0可按下式進(jìn)行計算

水平方向觀測方程同樣按泰勒公式展開，得水平方向誤差方程

1.推行法律服務(wù)工作機(jī)制，實現(xiàn)社區(qū)與職工群眾和諧共處。如今企業(yè)職工的思想觀念呈現(xiàn)多元化趨勢。為解決職工思想觀念和日常工作生活中的主要問題，企業(yè)必須要依法履行管理服務(wù)職責(zé)，要站在規(guī)范理順職工維權(quán)行為的角度，完善職工普法工作規(guī)劃及企業(yè)法律服務(wù)工作相關(guān)規(guī)定、法律服務(wù)工作考核細(xì)則，抓好法制宣傳教育陣地建設(shè)，做到法律服務(wù)和日常管理服務(wù)工作同部署、同運(yùn)行、同考核。同時，企業(yè)可通過聘請資深法律專家召開專題法律講座、開設(shè)法律服務(wù)專欄、定期組織開展“陽光咨詢”活動和區(qū)域法律座談咨詢會等形式，面對面解疑釋惑，多渠道宣傳法律知識，增強(qiáng)職工依法辦事、依法維權(quán)的意識和法律服務(wù)的針對性和實效性。

式中，ρ=205 265″。

3.1.3 天頂距誤差方程

天頂距觀測值A(chǔ)及其改正數(shù)vA，與其測站點(diǎn)坐標(biāo)XS，YS，ZS及照準(zhǔn)點(diǎn) CPⅢ坐標(biāo) Xi，Yi，Zi，滿足以下關(guān)系式

上式按泰勒公式展開，得天頂距誤差方程

3.2 自由設(shè)站三維坐標(biāo)平差計算

根據(jù)以上推導(dǎo)的觀測量的誤差方程，可計算出觀測量誤差方程的系數(shù)矩陣和系數(shù)矩陣，則誤差方程的矩陣形式為

式中，n為觀測的目標(biāo)點(diǎn)個數(shù);dX =[dx dy dz dw dk]T為未知參數(shù)向量。

按最小二乘原理，誤差方程的解為

那么，可求得自由設(shè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)為

其坐標(biāo)中誤差為

式中，Q=(BTPB)－1為坐標(biāo)協(xié)因數(shù)陣;σ0為驗后單位權(quán)方差。

3.3 軌檢儀三維坐標(biāo)計算

自由設(shè)站完成以后，轉(zhuǎn)動全站儀照準(zhǔn)軌檢儀棱鏡并鎖定，進(jìn)行實時測量。由以上平差計算得到的自由設(shè)站三維平差坐標(biāo)、定向角和大氣折光系數(shù)平差值，以及照準(zhǔn)軌檢儀棱鏡的觀測值，按下式即可計算軌檢儀棱鏡三維坐標(biāo)

式中，XG，YG，ZG為軌檢儀棱鏡坐標(biāo);，，為測站平差坐標(biāo);S，A，L分別為儀器照準(zhǔn)軌檢儀時的觀測量斜距、天頂距、水平方向;，分別為定向角和大氣折光系數(shù)平差值。

4 結(jié)論與建議

1)高速鐵路軌檢儀通過程序?qū)崿F(xiàn)了對CPⅢ控制點(diǎn)自動測量，測量過程中減少了人為觀測誤差，提高了觀測精度，同時也提高了測量的效率。

2)本文對軌檢儀絕對坐標(biāo)計算中，加入大氣折光改正，其大氣折光系數(shù)是通過自由設(shè)站三維平差計算所得，計算方法更嚴(yán)密。在軌檢儀測量過程中，軌檢儀不宜超出CPⅢ控制點(diǎn)所包圍的線路范圍，以免軌檢儀高程位置誤差較大。

3)本文研究的軌檢儀絕對測量方法已經(jīng)在中鐵咨詢與西南交通大學(xué)共同開發(fā)的軌檢儀上應(yīng)用，是軌檢儀獲得三維絕對坐標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。

［1］於宗儔，魯林成.測量平差基礎(chǔ)(增訂本)［M］.北京.測繪出版社，1978.

［2］萬劍華，高希余.工程三維網(wǎng)中關(guān)于確定或消除折光影響方法的探討［J］.測繪通報，1994(4):11-14.

［3］張忠良，楊友濤，劉成龍.軌道精調(diào)中后方交會點(diǎn)三維嚴(yán)密平差方法研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2008(5):33-36.