基于Trimble S8全站儀的軌道三維精確測量系統(tǒng)研究

傅勤毅，邢湘利，申宇明，王曉軍

（中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙410075）

整體性強、穩(wěn)定性好、高平順、少維修的無砟軌道結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)高速行車對線路穩(wěn)定性和平順性的要求。傳統(tǒng)的軌道三維測量，通常以全站儀、水準儀等光學(xué)測量系統(tǒng)為基本測量手段，結(jié)合軌道尺、拉線等簡易器具進行，工人勞動強度大，測量準確性差，生產(chǎn)效率低，控制精度難以得到可靠保證。

現(xiàn)代意義上的軌道三維精測系統(tǒng)，主要由測量基準網(wǎng)（包括平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)）、軌道三維精測小車（包括精測小車、全站儀）和變形監(jiān)測網(wǎng)（水平位移監(jiān)測網(wǎng)、豎直位移監(jiān)測網(wǎng)）等部分構(gòu)成。其中，軌道三維精測小車，以測量基準網(wǎng)為測量起算的依據(jù)，通過小車實現(xiàn)軌道內(nèi)部狀態(tài)測量，結(jié)合全站儀實現(xiàn)軌道三維坐標的測量，并通過在線信息處理系統(tǒng)，對相關(guān)信息進行融合和處理，從而實現(xiàn)對軌道幾何狀態(tài)的全面檢測。

文中介紹基于Trimble S8 全站儀的軌道三維精確測量系統(tǒng)。

1 Trimble S8 全站儀簡介

Trimble S8型全站儀是Trimble最新推出的一款適用性廣、精度高、測量速度快、操作簡便直觀的一體化測量儀器，同時配有Trimble Survey Manager操作軟件。具備高效的MagDriveTM磁驅(qū)伺服技術(shù)，可確保全站儀操作快速靜默。在靜默狀態(tài)下測量或監(jiān)測目標，速度比常規(guī)電動全站儀快40%左右[1]。采用FineLock智能化跟蹤傳感器技術(shù)，其窄視域可使其不受附近棱鏡干擾，而能準確檢測到目標；10 Hz高速同步數(shù)據(jù)輸出，使數(shù)據(jù)采集在動態(tài)應(yīng)用中更加快速、精確；具有自動驅(qū)動、自動盤左/盤右及測回控制、自動照準、自動測量和自動禁用差的數(shù)據(jù)功能。這些良好的特性使其能很方便地應(yīng)用在鐵路監(jiān)測中。通過在軌檢小車上的棱鏡，可快速檢測到目標移動，并能及時跟蹤軌檢小車的快速移動，且精度不受影響。

安裝在計算機中的Trimble Survey Manager平臺軟件，通過數(shù)傳電臺或藍牙無線通訊的方式，可以實現(xiàn)與Trimble S8 全站儀的自動連接、常規(guī)測量、測量數(shù)據(jù)質(zhì)量管理，以及實現(xiàn)強大的工程測量任務(wù)管理等功能。在軌道三維精測系統(tǒng)中，可以由第3方的應(yīng)用程序以管道或套接字的方式，調(diào)用Trimble Survey Manager平臺軟件中的成熟模塊和界面，使其操控全站儀，實現(xiàn)三維坐標的快速精確測量。

2 軌道三維精確測量系統(tǒng)測量原理

軌道三維精確測量系統(tǒng)的基本原理是通過軌檢小車測量軌道的內(nèi)部幾何參數(shù)，主要包括：軌距、水平方向傾角、高低方向傾角和相對里程，結(jié)合棱鏡的三維坐標測量數(shù)據(jù)，利用相關(guān)理論推算出軌道的中心線、左/右軌道的三維坐標，并由此推算出軌道的平順性參數(shù)，如：高低，方向，正矢，30 m不平順性，300 m不平順性等參數(shù)。

軌道精確測量系統(tǒng)在已有的CPⅢ控制網(wǎng)下，利用Trimble S8型全站儀，測量嚴格固定在軌檢小車上棱鏡的絕對坐標。該系統(tǒng)通過全站儀定位,利用該全站儀自動目標照準功能及全站儀與小車專用電腦控制的持續(xù)無線通訊功能，結(jié)合沿線布置的精測基樁（CPⅢ），配合全站儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可實時提供精確的三維軌道幾何參數(shù)的絕對坐標，能連續(xù)檢測出精調(diào)機所在位置的軌道里程和幾何斷面尺寸，并將計算出的軌道中線、軌距、水平、高程以及超高偏差等通過界面顯示，以便高效調(diào)整該里程點的軌道斷面的幾何尺寸，從而達到軌道精調(diào)所需要的精度。

圖1 系統(tǒng)電氣組成框圖

全站儀通過無線數(shù)傳電臺的通訊方式與筆記本電腦進行數(shù)據(jù)傳遞，見圖1。計算機發(fā)送各種控制命令至全站儀，將全站儀及各個傳感器的數(shù)據(jù)進行分析處理后，得出軌道的調(diào)整量，以指導(dǎo)軌道的精確調(diào)整。軌距傳感器、水平（超高）傳感器、里程編碼器通過電纜與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。各傳感器的測量值通過信號調(diào)理電路，調(diào)理后送入A/D轉(zhuǎn)換器 ,經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，送入嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)，通過藍牙無線的方式，上傳至計算機中，計算機將全站儀所測數(shù)據(jù)與小車傳感器采集的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，計算處理后，得到軌道中線、軌距、水平、高程以及超高偏差等參數(shù)數(shù)據(jù)。當(dāng)測量外業(yè)完成后，軟件系統(tǒng)會同時產(chǎn)生軌道測量的幾何參數(shù)綜合報表。

3 軌道三維精確測量系統(tǒng)應(yīng)用與流程

線路砼澆筑前，其實際位置的參數(shù)，可能會與設(shè)計參數(shù)有比較大的偏差，所以必須通過多次軌道調(diào)整，逐步減小和消除這種偏差。測量時，全站儀應(yīng)盡量在靠近線路中心處自由設(shè)站。 根據(jù)相關(guān)標準，一般要后視8～12個CPⅢ控制點。這時，機載軟件會自動解算出全站儀的三維坐標。自由設(shè)站成功完成后，方可配合軌檢小車進行軌排測量。軌檢小車由操作人員推著在軌道上緩慢移動，在每根軌枕處設(shè)置測點，向全站儀的方向，由遠及近進行施測。澆筑砼前，一般還要進行粗調(diào)和精調(diào)二個工序，對軌道進行進一步調(diào)整，以逐步減小或消除偏差。

砼澆筑完成并換鋪長軌后，由于受砼的硬化過程及相關(guān)支撐體系變形等各方面因素的影響，誤差是無法避免的。因此，長軌鋪設(shè)完成后，竣工驗收前，還需要對長軌精度再次進行精調(diào)，需對靜態(tài)幾何參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整。在施工完成交付前，還須真實記錄軌道線形。

線路運營過程中，由于動載荷和基礎(chǔ)的不平衡沉降等各種因素，都不可避免地會引起軌道變形。所以在運營過程中，維護、調(diào)整等工作同樣不可避免。而線路維護計劃建立在利用精調(diào)機對軌道狀態(tài)長期監(jiān)測的基礎(chǔ)之上。

三維精測系統(tǒng)的主要測量流程如下。

3.1 準備線路資料

在執(zhí)行文件存放目錄下DesignFile文件夾內(nèi)添加線路資料，新建一個以線路名為名稱的文件夾，文件夾中通常需要添加以下3個文件，文件名稱分別為：平曲線.csv，豎曲線.csv，CP3.csv。

平曲線文件的格式為：里程，線型，東坐標，北坐標，半徑，旋向，曲線長度，超高，方位角。豎曲線格式為：里程，高程，半徑，坡度，切邊長。CP3文件的格式為：標號，東坐標，北坐標，高程。

項目建立后，軟件將會自動調(diào)用這些文件，進行線路設(shè)計參數(shù)的計算，并能自動進行數(shù)據(jù)處理，計算并顯示出軌道中線、軌距、水平（超高)、高程各項目的理論值、實測值、偏差及調(diào)整量。

3.2 新建項目

根據(jù)測量任務(wù)的要求，點擊“新建項目”，選擇“項目類型”，“前進方向”和“左右軌”，填充“項目名稱”、“線路名稱”、“起始里程”等設(shè)置。設(shè)置完成后，點擊“創(chuàng)建項目”進入所建項目中，見圖2。

圖2 創(chuàng)建測量任務(wù)

3.3 自由設(shè)站

利用沿線布置的CPⅢ控制點，自由設(shè)站邊角交會。在這個新建的項目中，將完成包括設(shè)站和后方交會測量的操作。首先向TSM軟件新建的項目中發(fā)送控制點，然后連接全站儀，全站儀連接成功后，彈出設(shè)站對話框。設(shè)站一般需要8個控制點，設(shè)站時通常只需要手動瞄準其中的兩個點，其他的控制點經(jīng)過全站儀的平差后，將會自動瞄準。設(shè)站完成后，會在TSM軟件的對話框中顯示設(shè)站誤差。當(dāng)誤差在相關(guān)規(guī)范的允許范圍之內(nèi)時，方可進行下一步操作；如果誤差超出允許范圍，則需要重新進行設(shè)站操作，見圖3。

3.4 軌道精確測量

設(shè)站完成后，即可確定出全站儀的三維坐標，此時的全站儀即可鎖定并跟蹤小車的棱鏡，并能實時給出小車棱鏡的三維坐標，同時將三維坐標返回到TSM軟件中，通過TSM發(fā)送到SGJ中，即可得到小車棱鏡的三維參數(shù)。當(dāng)測量完成后，需要斷開全站儀，關(guān)閉項目。精調(diào)模式界面見圖4。

圖3 后方交會設(shè)站

圖4 精調(diào)模式界面

目前研發(fā)的SGJ軌道三維精確測量小車檢測系統(tǒng)，成功地融合了Trimble S8全站儀技術(shù)，在武廣鐵路岳陽段下行線上進行了實地測試，測量結(jié)果見圖5。該系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)傳輸和三維坐標的測量，能夠迅速完成軌道的三維坐標換算和數(shù)據(jù)的實時處理、顯示與記錄。功能設(shè)計完全滿足軌道精調(diào)和檢測要求。能精確地反映出被測量軌道的軌距、超高、方向和線路的坡度。在以上測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還可以計算出的軌距變化率、軌向、正矢、扭曲等。同時還具有將數(shù)據(jù)以圖形和報表的形式，提供給用戶的功能。各檢測項目重復(fù)性較好，測量精度滿足精調(diào)檢測的要求。

圖5 已測數(shù)據(jù)查看

4 結(jié)束語

基于Trimble S8型全站儀的軌道三維精確測量系統(tǒng)是機械技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、工程測量技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域知識和技術(shù)的結(jié)合，具有體積小，易搬運，操作簡單，精度高，適用面廣等突出優(yōu)點。它改變了精度較低的傳統(tǒng)手工作業(yè)方式，使鐵路測量的內(nèi)容更全面，自動化程度和測量精度更高。

[1] 許正文，姚連璧，孫良育. Trimble S8全站儀隧道斷面掃描測試報告[J] . 城市勘測，2008（4）：118-119.

[2] 朱穎. 客運專線無砟軌道鐵路工程測量技術(shù)[M] .北京：中國鐵道出版社，2009.

[3] 中華人民共和國鐵道部. 高速鐵路無砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南[S] . 北京：中國鐵道出版社，2009.

[4] 易思蓉，何華武. 鐵道工程[M] . 北京：中國鐵道出版社，2009.