全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速鐵路涉鐵工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

徐幼成 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司皖贛鐵路安徽有限責(zé)任公司

1 引言

安全和高速是高速鐵路最首要、最核心的問(wèn)題。軌道不平順是引起機(jī)車車輛振動(dòng)的主要根源，嚴(yán)重的軌道不平順不僅會(huì)引起機(jī)車車輛劇烈振動(dòng)，甚至?xí)?dǎo)致列車脫軌，危及行車安全。隨著城市不斷發(fā)展擴(kuò)張，橫陳在城市中的既有鐵路像屏障一樣阻斷了鐵路兩側(cè)的交通，一般可通過(guò)上跨橋梁、下穿涵洞等方法打通鐵路兩側(cè)的道路交通，為城市發(fā)展提供新的可利用空間，然而在施工過(guò)程中，必然會(huì)對(duì)高速鐵路軌道平順性造成影響，這樣就對(duì)施工安全提出了更高的要求，同時(shí)也對(duì)監(jiān)測(cè)成果的實(shí)時(shí)性、可靠性提出了更高的要求。由于高速鐵路存在行車速度快、行車密度大、線路全封閉等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)只能在晚上天窗點(diǎn)進(jìn)行，無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)頻率需求，且人工測(cè)量成果數(shù)據(jù)處理、分析周期長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的快速施工和不斷提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率的要求，因此在高速鐵路涉鐵監(jiān)測(cè)中必須采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[3]中匡團(tuán)結(jié)等詳細(xì)介紹了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量原理、系統(tǒng)組成、路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方式，并對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[4]中魏傳軍對(duì)路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用靜力水準(zhǔn)儀及自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工二等水準(zhǔn)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度較高且穩(wěn)定的結(jié)論；文獻(xiàn)[5]中陳喜鳳等結(jié)合地鐵工程實(shí)例，分析了GeoMoS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度及該地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)；文獻(xiàn)[6]中柏文鋒結(jié)合智能全站儀變形監(jiān)測(cè)的基本數(shù)學(xué)模型，分析了其應(yīng)用于地鐵隧道監(jiān)測(cè)的精度情況，并在實(shí)際的地鐵隧道中對(duì)其監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[7]中徐玉健等以天津地鐵為例對(duì)比了測(cè)量機(jī)器人、靜力水準(zhǔn)儀兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性，并對(duì)兩種監(jiān)測(cè)方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)；由于靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅能得到路基沉降數(shù)據(jù)、無(wú)法進(jìn)行軌道幾何狀態(tài)測(cè)量，且全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速鐵路涉鐵監(jiān)測(cè)軌道幾何狀態(tài)應(yīng)用方面研究較少，因此介紹基于自主研發(fā)的鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其在高速鐵路涉鐵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用極為必要。

本文的主要目的是基于自主研發(fā)的鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合滬蓉高速鐵路涉鐵監(jiān)測(cè)實(shí)例，利用0級(jí)數(shù)顯軌距尺進(jìn)行人工驗(yàn)證，并以兩種監(jiān)測(cè)方法軌距、水平成果間的吻合性為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度及可靠性，并得出有意義的結(jié)論。

2 鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件及其特點(diǎn)

鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集全站儀、傾斜傳感器、氣象氣壓傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等為一體，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制和配置，具備監(jiān)測(cè)成果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、形變超限自動(dòng)報(bào)警等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)可視化分析結(jié)果的24 h 不間斷運(yùn)行的全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其軟件包含2 個(gè)部分：全站儀自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息發(fā)布平臺(tái)（圖1）。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息發(fā)布平臺(tái)

（1）全站儀自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：全站儀自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于定期啟動(dòng)全站儀對(duì)形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)數(shù)據(jù)初步把關(guān)后將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。主要作用為：①配置相關(guān)參數(shù)（如：測(cè)量周期，測(cè)點(diǎn)屬性等）；②根據(jù)配置，定期采集原始數(shù)據(jù)（包括：水平角、垂直角、斜距、氣象值等）；③對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步把關(guān)控制，剔除粗差點(diǎn)；4）將數(shù)據(jù)發(fā)往服務(wù)器解算。

（2）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息發(fā)布平臺(tái)：原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算及存儲(chǔ)；隨時(shí)查看各形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維變化情況，數(shù)字和圖形方式分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；各形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)處軌道幾何狀態(tài)（軌距、軌向、高低、水平、三角坑等）的查詢及數(shù)據(jù)、報(bào)表下載；儀器故障預(yù)警及超限自動(dòng)消息報(bào)警；其數(shù)據(jù)和圖表可被其他應(yīng)用軟件（Word、Excel）等進(jìn)行再編輯。

2.2 鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分介紹

鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要包括：全站儀、監(jiān)測(cè)機(jī)、防雨罩、鋼軌扣件、棱鏡等。

（1）全站儀：主要為能夠自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)從而實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)測(cè)量的徠卡系列全站儀，最常用的為徠卡1201+及TS（TM）系列全站儀。

（2）監(jiān)測(cè)機(jī)：是傾斜傳感器、氣象氣壓傳感器、全站儀自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件集成，另外還包括連接電纜、外接電源、手機(jī)SIM卡等。

（3）防雨罩：為全站儀提供防雨功能。

（4）鋼軌扣件、棱鏡：鋼軌扣件為萬(wàn)向節(jié)式軌道監(jiān)測(cè)棱鏡固定裝置，緊扣在軌底，可以實(shí)現(xiàn)棱鏡360°無(wú)死角旋轉(zhuǎn)；棱鏡為標(biāo)準(zhǔn)L型棱鏡，與鋼軌扣件搭配使用（圖2、圖3）。

圖2 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

圖3 鋼軌扣件及棱鏡

3 監(jiān)測(cè)實(shí)例

3.1 工程概況

本項(xiàng)目位于中鐵上海局集團(tuán)有限公司安徽省肥東縣境內(nèi)，立交規(guī)模為新建 6 孔（8.5+8.5+12.5+12.5+8.5+8.5）m 框架下穿滬蓉高鐵K435+408，采用頂進(jìn)法施工，鐵路為有砟軌道，無(wú)縫線路，電氣化雙線直線段，線間距5.0 m，P60軌，路基填方高度約6.0 m。

3.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

為保障高速鐵路行車安全，需實(shí)時(shí)把控軌道幾何狀態(tài)的形變情況。在施工影響范圍左側(cè)布設(shè)11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、右側(cè)布設(shè)5 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面間距為6 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置4 個(gè)軌道幾何狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用具有專利權(quán)的萬(wàn)向節(jié)式軌道監(jiān)測(cè)棱鏡固定裝置固定于鋼軌軌底，保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)不影響高速鐵路正常運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)示意圖

3.3 測(cè)量方法與數(shù)據(jù)處理

采用2 臺(tái)徠卡TS30 全站儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，每個(gè)觀測(cè)周期開(kāi)始前，需讀取氣象氣壓值進(jìn)行參數(shù)改正、測(cè)量4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)后依次進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量。根據(jù)施工狀況設(shè)置監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)頻率、監(jiān)測(cè)模式等。隨著施工進(jìn)程的發(fā)展，可加大重點(diǎn)部位的觀測(cè)頻率。在測(cè)量過(guò)程中，如果出現(xiàn)目標(biāo)遮擋（列車駛過(guò)等），系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)設(shè)置的等待時(shí)間進(jìn)行等待處理。本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率為2 h/次，每次觀測(cè)2 測(cè)回，自動(dòng)判斷每個(gè)測(cè)回?cái)?shù)據(jù)是否合格，至少一個(gè)測(cè)回滿足限差要求時(shí)即可發(fā)送至服務(wù)器參與平差計(jì)算，進(jìn)而得到軌道幾何狀態(tài)參數(shù)。

4 人工驗(yàn)證及討論

鐵路軌距尺是線路維修施工中一種重要的鐵路專用計(jì)量器具，主要用于測(cè)量軌道幾何狀態(tài)中的軌距及水平，分為機(jī)械式和數(shù)字式，其中0級(jí)數(shù)顯軌距尺精度最高，能夠直接顯示測(cè)量處的軌距值、水平值，有效的減少了由于人工讀數(shù)引起的誤差，因此本項(xiàng)目采用0 級(jí)數(shù)顯軌距尺作為基準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果的精度及可靠性。

對(duì) 比 驗(yàn)證 時(shí)間 為 2019 年 11 月 9 日～2019 年 12 月 8 日 ，由于高速鐵路天窗有限，僅進(jìn)行17 期（每次天窗測(cè)1 期）的0級(jí)數(shù)顯軌距尺人工驗(yàn)證，所測(cè)軌距、水平成果與同一時(shí)間點(diǎn)的全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)軌距、水平成果進(jìn)行對(duì)比。全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)的軌距及水平初始值由軌距尺測(cè)量后給定，后續(xù)基于點(diǎn)對(duì)的距離及高差變化量換算為軌距和水平成果。

2019年11月10 和11月11日，不同點(diǎn)對(duì)（里程）處兩種方法的軌距、水平成果對(duì)比情況（限于篇幅，僅顯示施工范圍左側(cè)上行線11對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）如圖5、圖6所示。

圖5 11月10日各點(diǎn)對(duì)（里程）處軌距、水平值對(duì)比

圖6 11月11日各點(diǎn)對(duì)（里程）處軌距、水平值對(duì)比

由圖5、圖6 可知，全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)所測(cè)軌距、水平值與人工0級(jí)數(shù)顯軌距尺測(cè)量成果在不同點(diǎn)對(duì)（里程）處基本完全吻合，其差值均在0.2 mm 以內(nèi)。即全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)算出不同點(diǎn)對(duì)（里程）處的軌距、水平值。

對(duì) 11 月 9 日～12 月 8 日期間 17 期數(shù)據(jù)兩種監(jiān)測(cè)方法測(cè)得的軌距、水平成果分別求差，并對(duì)差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)的樣本量均為480個(gè)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種監(jiān)測(cè)方法軌距、水平成果差值統(tǒng)計(jì)分析表

由表1可知，全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)軌距、水平成果與人工0級(jí)數(shù)顯軌距尺測(cè)量軌距、水平成果差值均在1 mm 以內(nèi)，且差值均方根分別為0.18 mm、0.19 mm，即全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工0 級(jí)數(shù)顯軌距尺監(jiān)測(cè)成果吻合性較好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)監(jiān)測(cè)精度的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

高效、便捷的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)是高速鐵路涉鐵工程施工監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。本文通過(guò)對(duì)滬蓉高鐵對(duì)鐵路立交工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工0 級(jí)數(shù)顯軌距尺所測(cè)軌距、水平成果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：在不同點(diǎn)對(duì)（里程）處兩種監(jiān)測(cè)方法所測(cè)軌距、水平成果基本完全吻合，全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)算出不同點(diǎn)對(duì)（里程）處的軌距、水平值；較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)兩種監(jiān)測(cè)方法所測(cè)軌距、水平成果差值均在1 mm 以內(nèi)，且差值均方根分別為0.18 mm、0.19 mm，表明全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工0級(jí)數(shù)顯軌距尺監(jiān)測(cè)成果吻合性較好，能夠滿足高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)監(jiān)測(cè)精度的要求。

全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)頻率高、數(shù)據(jù)反饋及時(shí)、實(shí)時(shí)預(yù)警、穩(wěn)定性好、節(jié)省人力等特點(diǎn)，已在中鐵上海局集團(tuán)有限公司多個(gè)涉鐵工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中成功應(yīng)用，具有安全、實(shí)時(shí)、高效、經(jīng)濟(jì)，誤差小、精度高等眾多優(yōu)點(diǎn)，下一步必將具有更為廣闊的市場(chǎng)空間。