高速鐵路軌道基準網數據采集程序研究與開發

楊友濤，孔延花

(西南交通大學，成都 610031)

1 概述

在高速鐵路精密工程測量方面，CRTSⅡ型板式無砟軌道系統與其他軌道系統的重要區別之一，是在軌道控制網(CPⅢ)下面多布設了一級控制網。目前，我國稱之為軌道基準網(Track Reference Network簡稱TRN)。在CRTSⅡ型無砟軌道板施工過程中，軌道基準網主要作為軌道板精調施工測量控制的基準，而軌道的精調則仍是以CPⅢ控制網作為其測量控制的基準。

軌道基準網的控制點布設于混凝土底座或支承層上，位于軌道板橫接縫的中央、相應里程中心點的法線上，偏離軌道中線0.10 m。曲線地段，應置于軌道中線內側;直線地段應置于線路中線同一側。測量精度要求其平面網相鄰點位的相對中誤差小于0.2 mm，高程網相鄰點位的高差中誤差小于0.1 mm，精度要求極高［1］。軌道基準網的上一級測量基準是軌道控制網(CPⅢ)［1］;軌道基準網是三維網，其平面網是采用智能型全站儀自由測站極坐標測量的方法獲得各控制點的站心坐標，相鄰自由測站之間搭接一定數量的控制點，再采用坐標轉換的方法把各控制點的站心坐標轉換到線路坐標系統中，由此獲得各控制點的施工坐標。因此軌道基準網之平面網，實質上是自由測站極坐標散點網。其高程網，是采用電子水準儀和1把水準尺按中視高差測量的方法，測量CPⅢ控制點到軌道基準網控制點(簡寫為TRN點)之間的高差和相鄰TRN點之間的高差，水準路線在兩個CPⅢ點間形成附合水準路線;相鄰水準路線之間搭接一定數量的TRN點。因此軌道基準網之高程網，實質上仍是水準網。

由于軌道基準網平面測量的工作量大、精度要求高，同時聯測的CPⅢ控制網點的坐標是已知的，因此應開發軌道基準網數據采集程序，控制智能型全站儀對CPⅢ點進行自動測量，對TRN點進行半自動測量。所謂的半自動測量指的是在第一次對TRN測量時是人工大致照準目標、儀器自動測量，而后續的多次測量是儀器自動照準并人工決定是否測量。文章基于天寶智能型全站儀，介紹高速鐵路軌道基準網數據采集程序的設計原理、實現方法及其主要功能。

2 軌道基準網平面數據測量方法

軌道基準網控制點平面坐標測量的外業觀測，是采用全站儀自由設站極坐標法分別對CPⅢ點和TRN點進行坐標測量。線路左、右線TRN點的測量，應分別架設儀器進行觀測。同時全站儀設站點應盡量靠近TRN點的連線方向，且位于所觀測的CPⅢ控制點的中間。而且，同一測站觀測的CPⅢ點不應少于4對，觀測的TRN點宜為10～14個(可視天氣情況作相應調整)，其中包括與上一個測站搭接的TRN點。

在進行正式測量前，應通過本測站的4對CPⅢ控制點進行自由設站，其精度應滿足X、Y、H方向的誤差≤0.7 mm，儀器定向精度≤2″。自由設站測量完成和精度滿足要求后，應檢測CPⅢ控制點的坐標不符值，其坐標不符值限差在X、Y、H方向應≤2.0 mm。若檢測CPⅢ控制點坐標不符值不滿足上述限差要求，在保證CPⅢ控制點數量不少于6個的情況下，應將超限點剔除后再重新進行自由設站平差計算。在自由設站精度和檢測CPⅢ點滿足要求后，方可繼續進行TRN點的平面測量工作［1］。

同一測站的CPⅢ點和TRN點測量，采用全站儀正鏡位半測回的多次觀測，TRN點采用一個精密基座依次挪動進行人工觀測。具體觀測順序為:

(1)自由設站觀測和測站坐標平差計算;

(2)按順時針觀測本站選擇的4對CPⅢ點;

(3)由遠及近觀測所有本測站TRN點;

(4)按順序繼續觀測CPⅢ點、TRN點、CPⅢ點、TRN點、CPⅢ點。TRN點的觀測應不少于3個半測回，CPⅢ點的觀測應不少于4半測回。

其測量精度應滿足下列要求［1］:①基準點各半測回測量的坐標值與其平均值間的較差≤0.4 mm。②重迭區內基準點的平面位置允許偏差:橫向≤0.3 mm，縱向≤0.4 mm。

每一測站重復觀測上一測站的CPⅢ控制點不應少于2對;重復觀測上一測站觀測的TRN點不應少于3～5個，前后兩測站重復觀測的TRN點的坐標較差應小于0.3×(n-1)mm，其中n為搭接點個數。以左線測量為例，軌道基準網平面測量的方法如圖1所示。

圖1 軌道基準網平面測量方法示意(左線)

3 軌道基準網數據采集程序設計

3.1 天寶TSM概況

Trimble Survey Manager(簡稱TSM)是 Trimble(天寶)測量產品的應用程序，支持基于Trimble智能型全站儀和 GPS接收機等測量儀器的軟件操作［2］。Trimble Survey Manager Server(簡寫TSMserver)是其開發接口，授權用戶可以通過這個接口實現軟件功能的擴展，開發第三方軟件控制天寶智能型全站儀和GPS接收機進行測量。

TSMserver接口的開發具有以下特點［2］:(1)標準的ATL COM SERVER，便于第三方軟件的調用;(2)可運行在Win32和Windows Mobile/Pocket PC/WinCE兩種操作平臺上;(3)通過 TSMserver接口可以接受Trimble測量儀器的數據，并可以控制儀器的運作。

3.2 TSMserver開發技術要求

以下是進行 TSMServer開發所必須的軟、硬件條件［2］:

(1)Trimble TSM Tablet軟件(用于Win32應用)或者Trimble TSM Field軟件(用于Windows Mobile應用);

(2)Trimble TSMServer許可協議號碼;

(3)Trimble測量儀器，如S系列、VX、56系列等;

(4)Trimble測量手簿設備，如TCU、TSC2等。

3.3 TSMserver開發程序的基本流程

(1)載入TSMserver類庫

TSMserver類庫采用的是COM SERVER，因此在使用類庫之前，必須首先注冊類庫。在 Win32下，可以使用命令行的方式或者安裝包編程的方式。一般打包程序都包含動態庫注冊方式，在Win32平臺上，類庫的所有文件可以置于系統的任意位置。在WINCE平臺下，注冊的類庫為TSMServer.dll，要求類庫的所有文件和開發的應用程序在相同的目錄。

(2)配置

在類庫的根文件夾下面，需要以下3個配置文件。

①TSM.xml文件，用于配置授權和語言。如果在類庫文件夾下面沒有此文件，則自行創建。

②DEVICE.ini文件，用于配置設備管理器中的設備以及選項。此文件也可以使用設備管理器指令進行配置。

③DRIVER.ini文件，用于配置設備管理器中的設備驅動。

(3)聲明TSMserver變量并初始化實例

(4)啟動設備管理器并輸入授權碼

啟動設備的函數為ISurveyToolsServer.GetDevice-Manager();輸入授權碼函數為IDevice Manager.Set(String app，String passwd)，其中輸入參數app和passwd分別為授權的用戶名和注冊碼。

(5)載入設備

TSMserver通過設備管理器，可以獲得設備訪問接口，來連接儀器。其函數為 IDeviceManager.Load Device(int DeviceNumber)，其中輸入參數 Device Number為設備配置文件DEVICE.ini中的儀器編號。

(6)連接設備

連接全站儀的函數為IGeneric Device.Connect()或IGenericDevice.Connect2()。

(7)測量

直接調用ITotal Station接口的函數就可以操縱儀器進行測量。其常用函數如下。

①將望遠鏡轉向指定位置，函數為ITotalStation.TurnTo ( double Horizontal Angle，double Vertical Angle)和ITotal Station. Turn To With Auto Focus (double Horizontal Angle，double Vertical Angle，double Slope Distance) ，其中輸入參數Horizontal Angle 為望遠鏡的轉向的水平方向值，Vertical Angle 為望遠鏡的轉向的天頂方向值，Slope Distance 為儀器和目標點的已知距離。利用Turn To With Auto Focus 函數儀器轉向目標后自動調整望遠鏡的焦距。

②搜索目標，函數為ITotal Station. Search ( int TargetId，)，其中輸入參數Target Id 為搜索棱鏡編號。當其等于0 時，棱鏡不區分編號。

③測量角度和距離，主要包括以下3 個函數: a)ITotal Station. MeasureAngles And Distance 獲取當前目標方向的水平方向、天頂距和距離觀測值; b )ITotal Station. Measure Finelock 在Finelock 鎖定目標模式下測量水平方向、天頂距和距離; c) ITotalStation.MeasureAutolockTarget 在Autolock 鎖定目標模式下測量水平方向、天頂距和距離。

(8)接收數據

TSM Server通過注冊事件到當前主程序的方式，以綁定TSMserver COM控件與應用程序的事件，使從儀器返回的消息和數據可以被接收。

3.4 程序的業務流程

根據上文中軌道基準網測量的基本原理，以及測量精度要求，筆者設計、開發了軌道基準網數據采集程序。程序設計的目標是通過軟件控制智能型全站儀完成軌道基準網的數據采集自動測量工作，提高工作效率。該軟件是基于個人掌上電腦(PDA)硬件環境上開發的，PDA通過線纜、電臺或者藍牙等通信設備與全站儀相連，從而使軟件控制儀器進行自動測量。

軟件開發平臺為Visual Studio2005及Net Compact Framework框架，Visual Basic程序語言提供多種PDA開發模板［8］。開發語言的Net Compact Framework框架有多種控件及向量和矩陣運算可以應用在PDA上，編寫的數據采集程序操作簡單，界面友好，容錯功能較強。

程序的業務流程主要包括以下幾個模塊:①儀器配置模塊，主要實現TSMserver的載入及初始化，使硬件設備PDA與全站儀相連接;②自由設站模塊，包括自由設站自動觀測、三維平差計算、設站精度評定和CPⅢ點檢查［4，5］;③測量模塊，包括 CPⅢ控制點自動測量與 TRN點的人工參與的半自動測量。由于CPⅢ控制點和TRN點測量是交叉進行的，測量模塊是數據采集程序實現的難點。數據采集程序的業務流程如圖2所示。

3.5 程序實現的關鍵技術

(1)儀器控制指令

利用天寶智能型全站儀二次開發接口TSMserver，通過配置PDA的通訊設備，發送指令來控制儀器進行自動照準、精確測量，這是程序操作儀器，實現自動測量的基礎。

(2)多線程技術

多線程技術能實現同一程序實現多任務的功能［8］，自動測量階段利用多線程技術實現測量數據的實時更新及測量過程中暫停功能。在自動測量開始后，系統主線程自動建立一個新線程，所有的測量任務都在新建線程內完成。每個目標點的數據觀測完成，通過新線程與主線程的數據交換，實現觀測數據在測量界面中Data Grid控件的實時顯示、更新。同時，利用多線程技術實現自動測量過程中儀器測量的暫停與繼續功能。

(3)自由設站三維整體平差

在測站檢查功能中，自由設站計算采用三維整體平差方法，把全站儀原始觀測數據作為觀測量開列誤差方程。在天頂距觀測方程中加入大氣折光作為未知參數進行整體平差計算，在后面TRN點測量時，加入大氣折光改正來計算TRN點高程方向的坐標值，理論上更嚴密［3，4］。

4 數據采集程序的基本功能

4.1 儀器配置

程序實現了PDA與不同的天寶智能型全站儀進行通訊的功能，通過PDA可以控制全站儀進行自動測量，同時全站儀測量的數據也可傳回PDA進行分析計算和存儲。首先載入TSMserver類庫，啟動設備管理器，然后配置PDA上的電臺或藍牙等通信設備，連接儀器。其后，在PDA上顯示儀器的電子氣泡，調整腳螺旋使儀器至水平狀態;同時輸入氣象參數保存在儀器里，便于后面測量時對距離進行氣象改正。

4.2 數據質量檢查

采集軟件可按不同的測量精度要求靈活設置限差，并在測量過程中實時檢查同一目標點不同次數間的坐標較差是否超過設置的限差。超限后，程序自動彈出超限窗口，提示操作者是否進行重測。其限差參數設置主要包括X、Y、Z(H)3方向不同測回間坐標較差的限差。

4.3 自由設站檢查

在CPⅢ點和TRN點測量前，軟件首先對該測站選擇的CPⅢ點進行正鏡半盤位自動觀測，軟件該功能測量界面如圖3所示，之后進行自由設站，根據自由設站的平差計算精度，檢查參與自由設站的CPⅢ控制點的穩定性［5］。剔除不穩定的CPⅢ控制點后，再進行后面的測量工作。

圖3 自由設站界面

圖4 自動測量界面

4.4 自動測量和人工測量相結合

完成CPⅢ目標點選擇、自由設站和CPⅢ點穩定性檢查后，進入如圖4所示的CPⅢ控制點自動測量界面。程序根據自由設站的測站坐標和導入的CPⅢ點坐標數據，自動轉向目標點，并對其進行自動照準、測量，觀測過程中實時檢查坐標較差是否超限。正鏡半盤位的CPⅢ點自動測量完成后，進入軌道基準點的人工半自動測量界面，第一次測量需人工大致瞄準TRN點，程序控制儀器精確照準、自動測量。后續測量時，只需選擇欲測量的TRN點點號，程序控制儀器自動轉向目標點位置進行精確照準，并人工決定是否測量。

4.5 多種成果輸出形式

所研發的數據采集軟件輸出成果比較完善，包括多種不同的格式文件，主要包括:(1)自定義的坐標輸出文件，與中鐵咨詢和西南交大聯合開發的“軌道基準網數據平差軟件”可實現內外業一體化的數據處理;(2)輸出的GSI格式坐標文件，與國外軌道基準網平差軟件實現無縫銜接;(3)輸出全站儀原始觀測數據文件。

5 結論

(1)掌上電腦設備與智能型全站儀相連，通過程序發送、接受指令，控制全站儀進行軌道基準網數據自動采集，解決了高速鐵路軌道基準網平面數據采集中測量任務繁重、觀測精度要求高等問題，提高了野外測量工作的效率和質量。

(2)軌道基準網數據采集程序與數據平差程序無縫銜接，推動了數據采集和處理的自動化、數字化和高效化，促進了測量內、外業一體化的進一步發展，具有重要的實際意義。

(3)本文研發的軌道基準網數據采集程序已通過鐵道部組織的評審，認為該程序總體水平高、技術路線先進、實用性強，具有較好的使用價值。

(4)本文研究開發的軌道基準網數據采集程序已在滬寧城際鐵路等工程中推廣應用，具有明顯的經濟效益。

(5)國外的軌道基準網數據采集是全人工測量，測量效率低、自動化程度差，本文研發的軌道基準網數據采集程序填補了國內外的空白，因此具有較大的社會效益。

［1］中鐵二院工程集團有限責任公司.TB10601—2009高速鐵路工程測量規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］Trimble Navigation Limited.基于 Trimble Survey Manager Server接口進行應用程序開發用戶指南［Z］.2010.

［3］楊友濤，孔延花，孔書祥.高速鐵路軌檢儀絕對測量方法應用研究［J］.鐵道建筑，2010(12):97-99.

［4］張忠良，楊友濤，劉成龍.軌道精調中后方交會點三維嚴密平差方法研究［J］.鐵道工程學報，2008(5):33-36.

［5］徐小左，劉成龍，楊友濤.無砟軌道精調中CPⅢ網點穩定性檢測方法的研究［J］.鐵道工程學報，2008(9):21-25.

［6］周東衛.應用智能型全站儀與PDA掌上電腦實現CPⅢ數據自動化采集［J］.鐵道勘察，2008(6):21-24.

［7］付建斌，劉成龍，盧建康.基于自由設站的高速鐵路CPⅢ高程控制網建網方法研究［J］.鐵道工程學報，2010(11):32-37.

［8］(美)依夫杰，霍特卡，赫利斯，等著，楊浩，吳雷，譯.Visual Basic 2005高級編程［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［9］陳興，范嘆奇.高速鐵路CRTSⅡ型軌道板幾何尺寸檢測技術及方法［J］.鐵道勘察，2010(2):8-9.

［10］梅文勝，鄭勇波，周命端.基于PDA的測量機器人自動化網觀測軟件研究［J］.測繪信息與工程.2008(5):45-46.

［11］張書華，蔣瑞波.基于測量機器人的隧道變形自動監測系統的設計與實現［J］.測繪科學.2009(3):192-194.