基于PDA的CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳愛梅,吳 昊,吳北平

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,云南 昆明 650224;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

CPⅢ軌道控制網(wǎng)是高速鐵路無碴軌道鋪設(shè)和運營維護的三維控制基準[1-2],其精度高低直接影響著軌道鋪設(shè)幾何線性的平順性和列車運營時的穩(wěn)定性、安全性以及舒適性,因此CPⅢ軌道控制測量工作就顯得極為重要。

CPⅢ軌道控制網(wǎng)測量具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集量大、測量精度要求高、施測難度大等特點,當前CPⅢ軌道控制測量主要采用測量機器人(智能型全站儀)和PDA(個人數(shù)字助理)全自動一體化作業(yè)模式[3]。同時為了提高數(shù)據(jù)采集的效率和可靠性,國內(nèi)外也相繼開發(fā)了一系列適用于CPⅢ軌道控制網(wǎng)測量作業(yè)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件,例如德國的FFBoegl-PVP布板軟件、中鐵第一勘察設(shè)計院的“CPⅢ精密控制測量數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)”、中鐵第二勘察設(shè)計院的“無碴軌道CPⅢ網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”、中鐵第三勘察設(shè)計院的“客運專線軌道設(shè)標網(wǎng)一體化測量系統(tǒng)”以及中鐵十七局的PVP Manager軟件等[4-6]。這些軟件能夠基于PDA實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動化、智能化和數(shù)字化,同時具有實時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制功能,并能與后續(xù)CPⅢ控制網(wǎng)平差計算實現(xiàn)無縫連接[3]。但是它們也存在一定的不足,例如價格昂貴、數(shù)據(jù)不兼容、平臺不統(tǒng)一、無法共享等。

基于以上背景,在Visual studio 2008環(huán)境下,采用Visual C#.NET編程語言,設(shè)計了開放式的PDA數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和通用的驅(qū)動命令模塊,開發(fā)了基于PDA的CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集方法

在線路兩側(cè)的接觸電桿上設(shè)置CPⅢ網(wǎng)的控制點,控制點呈對稱布設(shè),如圖1所示。數(shù)據(jù)采集使用的是自由設(shè)站和后方交會兩種測量模式[7],其數(shù)據(jù)采集步驟如下:

1)在相鄰的兩對CPⅢ點間進行自由設(shè)站(如圖1的測站A);

2)對測站A前后150 m范圍內(nèi)的6對CPⅢ控制點進行照準學(xué)習(xí);

3)待學(xué)習(xí)完成,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動尋找和照準目標點進行方向和邊長的觀測;

4)待測站A完成,在相鄰距離約120 m的區(qū)域內(nèi)設(shè)置測站B(也需觀測6對CPⅢ控制點);

5)在測站B上對測站A中8個聯(lián)測點中的任意兩個CPⅢ控制點進行觀測學(xué)習(xí);

6)利用這兩個重復(fù)的CPⅢ控制點采用后方交會設(shè)站模式交會出測站B的位置;

7)在測站B上對測站A中剩下的6個聯(lián)測點進行重復(fù)觀測;

8)以測站B和各聯(lián)測點的位置信息推算出各聯(lián)測點的方向和天頂距,完成聯(lián)測點的學(xué)習(xí);

9)在測站B上對剩下的4個新的CPⅢ控制點進行照準學(xué)習(xí);

10)待學(xué)習(xí)完成,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對測站B上所有的CPⅢ控制點進行自動測量;

11)后續(xù)測站重復(fù)測站B的設(shè)站模式進行CPⅢ控制點的測量。

圖1 CPⅢ數(shù)據(jù)采集原理示意圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 軟硬件配置

2.1.1 硬件配置

CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是運行在Windows Mobile操作系統(tǒng)PDA手簿上的,其硬件需求如下:

1)PDA,所選PDA為Windows Mobile 6.5版本,具有彩屏功能,內(nèi)存≥64 MB,CPU主頻≥64 MB,至少有一個RS232串行接口和至少有一個SD卡擴展接口,供電時間在8 h以上,運行穩(wěn)定;

2)測量機器人,國產(chǎn)或進口主流測量機器人均滿足要求;

3)計算機,目前市場上中檔配置的計算機即可滿足系統(tǒng)開發(fā)及運行的要求;

4)PDA與測量機器人連接的傳輸電纜。

2.1.2 軟件配置

1)操作系統(tǒng)和版本:Win7 32位操作系統(tǒng)。

2)系統(tǒng)開發(fā)平臺:Microsoft Visual Studio2008.

3)系統(tǒng)運行平臺:Windows Mobile嵌入式操作系統(tǒng);

4)開發(fā)語言:Visual C#.NET。

2.2 邏輯設(shè)計

CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),是集測量機器人自動測量技術(shù)、計算機編程技術(shù)和個人數(shù)字助理PDA于一體,能夠根據(jù)軌道施工控制網(wǎng)的架構(gòu)進行具體分析,為其提供高質(zhì)量、準確性好的原始數(shù)據(jù),基于這種思想,系統(tǒng)的開發(fā)采用了三層的C/S結(jié)構(gòu)模式。系統(tǒng)邏輯設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2.3 功能設(shè)計

系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計過程是將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解成多個功能模塊的過程,這個過程就是模塊化方法。本系統(tǒng)具有自動測量、效率高、自動檢查數(shù)據(jù)超限、自動報警、數(shù)據(jù)格式高通用性等特點,為了能更好的實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能,本系統(tǒng)包括了項目管理、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)測量、質(zhì)量控制、成果輸出等五大部分,其中數(shù)據(jù)測量又包括了目標學(xué)習(xí)和自動數(shù)據(jù)采集功能。

CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能框架圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于生產(chǎn)測量機器人的廠家眾多,型號各異,其通信模式也各不相同。因此,為了使本系統(tǒng)在應(yīng)用方面更具廣泛性,在系統(tǒng)設(shè)計初期收集了不同測量機器人的控制指令,根據(jù)所收集的不同測量機器人的相關(guān)信息設(shè)計PDA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1示。

表1 PDA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.5 通信設(shè)計

實現(xiàn)PDA控制全站儀進行自動測量,二者之間的數(shù)據(jù)通信功能是必不可少的。本系統(tǒng)主要利用串口通信技術(shù)[8-9]實現(xiàn)二者通信,PDA發(fā)送指令通過調(diào)制解調(diào)器將PDA RS232信號轉(zhuǎn)換為激光信號,信號在電纜中傳輸,到達測量機器人站點后,再由調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換為標準RS232電信號,即完成二者通信。

PDA與測量機器人通訊實現(xiàn)的關(guān)鍵代碼為

class CommunInfo

{

private static string m_PortName;//通訊端口

private static string m_BaudRate;//傳輸速度

private static string m_Parity;//奇偶檢校

private static string m_DataBits;//數(shù)據(jù)位

private static string m_StopBits;//停止位

…}

全局加載通訊端口:

class Comserialport

{

private static SerialPort m_SerialPort;//全局加載通訊端口設(shè)置

public static SerialPort Com_SerialPort

{

get

{

return m_SerialPort;

}

set

{

m_SerialPort=value;

}

}

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 項目管理

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是按工程項目進行管理的,所有的操作都在所選定的項目中進行,輸入的作業(yè)信息、其他參數(shù)、結(jié)果文件等也都在所創(chuàng)建的工程項目中進行統(tǒng)一管理,方便用戶使用、便于存檔調(diào)閱。

3.2 觀測設(shè)置

觀測設(shè)置下又包括通訊參數(shù)設(shè)置,只有當PDA與測量機器人的通信參數(shù)設(shè)置相同時,二者的通信才能完成;限差設(shè)置,如圖4示,可按不同的測量精度設(shè)置限差范圍,在自動數(shù)據(jù)采集的整個過程中,均可對各項限差進行實時檢核,如圖5示,保證觀測成果的質(zhì)量;儀器設(shè)置和其他信息設(shè)置等。

3.3 數(shù)據(jù)自動采集

測量機器人在進行數(shù)據(jù)自動采集開始之前,需要先進行目標學(xué)習(xí),得到每個待測觀測點與測站之間的水平方向與天頂距觀測值,這樣就可以在采集進程中自動照準并鎖定目標,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化與智能化,提高了數(shù)據(jù)采集效率,部分過程界面如圖6、7所示。在整個自動采集數(shù)據(jù)過程中,系統(tǒng)按先前設(shè)置的限差嚴格進行計算檢核,若有超限,自動測量這個操作就會停止在發(fā)生超限的這個位置,并出現(xiàn)相應(yīng)的超限提醒對話框,此時測量員即可根據(jù)實際情況來決定是否重測超限點的數(shù)據(jù)。如果只是2C超限則可以忽略,但若是2C互差超限則必須重測,如果多次測量仍出現(xiàn)超限情況,則需檢查測量機器人電子氣泡是否偏離,溫度是否突變等,如果是則該測站整個需要重測。

圖4 限差設(shè)置 圖5 限差檢核

圖6 目標點學(xué)習(xí) 圖7 自動測量

3.4 數(shù)據(jù)存儲與輸出

結(jié)束觀測后,用戶可以根據(jù)需要查看所采集的數(shù)據(jù)信息,學(xué)習(xí)文件、觀測文件等相應(yīng)的限差檢核控制文件都被存儲在系統(tǒng)設(shè)置的路徑下,并可選擇輸出格式,實現(xiàn)與其它數(shù)據(jù)處理軟件的無縫銜接。

4 結(jié)束語

基于PDA嵌入式平臺開發(fā)的CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),充分利用了PDA與測量機器人聯(lián)合作業(yè)具有自動化程度高,靈活性和穩(wěn)定性強等特點。系統(tǒng)不僅解決了客運專線無碴軌道控制網(wǎng)測量精度要求高、施測難度大等問題,還有效地解決了國內(nèi)外同類軟件彼此間平臺不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不兼容無法共享等問題,測量中大大降低了人為因素的干擾,提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作效率和數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

[1]中華人民共和國鐵道部.中華人民共和國行業(yè)標準TB/10601-2009,高速鐵路工程測量規(guī)范[S].2010.

[2]國家技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國國家標準GB/T 15314-94,精密工程測量規(guī)范[S].1994.

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