基于PDA的CPⅢ軌道控制網數據采集系統的設計與實現

陳愛梅,吳 昊,吳北平

(1.西南林業大學土木工程學院,云南 昆明 650224;2.中國地質大學(武漢)信息工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

CPⅢ軌道控制網是高速鐵路無碴軌道鋪設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幾何線性的平順性和列車運營時的穩定性、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軌道控制網測量具有外業數據采集量大、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(個人數字助理)全自動一體化作業模式[3]。同時為了提高數據采集的效率和可靠性,國內外也相繼開發了一系列適用于CPⅢ軌道控制網測量作業的外業數據采集軟件,例如德國的FFBoegl-PVP布板軟件、中鐵第一勘察設計院的“CPⅢ精密控制測量數據采集與處理系統”、中鐵第二勘察設計院的“無碴軌道CPⅢ網數據采集及其數據處理系統”、中鐵第三勘察設計院的“客運專線軌道設標網一體化測量系統”以及中鐵十七局的PVP Manager軟件等[4-6]。這些軟件能夠基于PDA實現數據采集的自動化、智能化和數字化,同時具有實時數據質量控制功能,并能與后續CPⅢ控制網平差計算實現無縫連接[3]。但是它們也存在一定的不足,例如價格昂貴、數據不兼容、平臺不統一、無法共享等。

基于以上背景,在Visual studio 2008環境下,采用Visual C#.NET編程語言,設計了開放式的PDA數據存儲結構和通用的驅動命令模塊,開發了基于PDA的CPⅢ軌道控制網數據采集系統。

1 CPⅢ軌道控制網數據采集方法

在線路兩側的接觸電桿上設置CPⅢ網的控制點,控制點呈對稱布設,如圖1所示。數據采集使用的是自由設站和后方交會兩種測量模式[7],其數據采集步驟如下:

1)在相鄰的兩對CPⅢ點間進行自由設站(如圖1的測站A);

2)對測站A前后150 m范圍內的6對CPⅢ控制點進行照準學習;

3)待學習完成,利用數據采集系統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的區域內設置測站B(也需觀測6對CPⅢ控制點);

5)在測站B上對測站A中8個聯測點中的任意兩個CPⅢ控制點進行觀測學習;

6)利用這兩個重復的CPⅢ控制點采用后方交會設站模式交會出測站B的位置;

7)在測站B上對測站A中剩下的6個聯測點進行重復觀測;

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

9)在測站B上對剩下的4個新的CPⅢ控制點進行照準學習;

10)待學習完成,利用數據采集系統對測站B上所有的CPⅢ控制點進行自動測量;

11)后續測站重復測站B的設站模式進行CPⅢ控制點的測量。

圖1 CPⅢ數據采集原理示意圖

2 系統總體設計

2.1 軟硬件配置

2.1.1 硬件配置

CPⅢ軌道控制網數據采集系統是運行在Windows Mobile操作系統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,運行穩定;

2)測量機器人,國產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開發及運行的要求;

4)PDA與測量機器人連接的傳輸電纜。

2.1.2 軟件配置

1)操作系統和版本:Win7 32位操作系統。

2)系統開發平臺:Microsoft Visual Studio2008.

3)系統運行平臺:Windows Mobile嵌入式操作系統;

4)開發語言:Visual C#.NET。

2.2 邏輯設計

CPⅢ軌道控制網數據采集系統,是集測量機器人自動測量技術、計算機編程技術和個人數字助理PDA于一體,能夠根據軌道施工控制網的架構進行具體分析,為其提供高質量、準確性好的原始數據,基于這種思想,系統的開發采用了三層的C/S結構模式。系統邏輯設計結構如圖2所示。

圖2 系統邏輯設計結構圖

2.3 功能設計

系統功能模塊的設計過程是將一個復雜的系統分解成多個功能模塊的過程,這個過程就是模塊化方法。本系統具有自動測量、效率高、自動檢查數據超限、自動報警、數據格式高通用性等特點,為了能更好的實現系統的各個功能,本系統包括了項目管理、系統設置、數據測量、質量控制、成果輸出等五大部分,其中數據測量又包括了目標學習和自動數據采集功能。

CPⅢ軌道控制網數據采集系統的主要功能框架圖如圖3所示。

圖3 系統的功能模塊設計

2.4 數據結構設計

由于生產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,為了使本系統在應用方面更具廣泛性,在系統設計初期收集了不同測量機器人的控制指令,根據所收集的不同測量機器人的相關信息設計PDA的數據結構,其完整的數據結構如表1示。

表1 PDA的數據結構

2.5 通信設計

實現PDA控制全站儀進行自動測量,二者之間的數據通信功能是必不可少的。本系統主要利用串口通信技術[8-9]實現二者通信,PDA發送指令通過調制解調器將PDA RS232信號轉換為激光信號,信號在電纜中傳輸,到達測量機器人站點后,再由調制解調器轉換為標準RS232電信號,即完成二者通信。

PDA與測量機器人通訊實現的關鍵代碼為

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;//數據位

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置

public static SerialPort Com_SerialPort

{

get

{

return m_SerialPort;

}

set

{

m_SerialPort=value;

}

}

3 系統功能實現

3.1 項目管理

本數據采集系統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,輸入的作業信息、其他參數、結果文件等也都在所創建的工程項目中進行統一管理,方便用戶使用、便于存檔調閱。

3.2 觀測設置

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

3.3 數據自動采集

測量機器人在進行數據自動采集開始之前,需要先進行目標學習,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,實現了數據采集的自動化與智能化,提高了數據采集效率,部分過程界面如圖6、7所示。在整個自動采集數據過程中,系統按先前設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生超限的這個位置,并出現相應的超限提醒對話框,此時測量員即可根據實際情況來決定是否重測超限點的數據。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 限差設置 圖5 限差檢核

圖6 目標點學習 圖7 自動測量

3.4 數據存儲與輸出

結束觀測后,用戶可以根據需要查看所采集的數據信息,學習文件、觀測文件等相應的限差檢核控制文件都被存儲在系統設置的路徑下,并可選擇輸出格式,實現與其它數據處理軟件的無縫銜接。

4 結束語

基于PDA嵌入式平臺開發的CPⅢ軌道控制網數據采集系統,充分利用了PDA與測量機器人聯合作業具有自動化程度高,靈活性和穩定性強等特點。系統不僅解決了客運專線無碴軌道控制網測量精度要求高、施測難度大等問題,還有效地解決了國內外同類軟件彼此間平臺不統一、數據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,提高了外業數據采集的工作效率和數據的質量。

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

[2]國家技術監督局.中華人民共和國國家標準GB/T 15314-94,精密工程測量規范[S].1994.

[3]王錫和.高速鐵路精密控制測量技術[J].地理空間信息,2010,8(1):127-130.

[4]袁 恒.軌道基準網測量及數據處理新方法研究 [D].成都:西南交通大學大地測量學與測量工程, 2012.

[5]王國祥, 賴鴻斌.高速鐵路軌道控制網CPⅢ建網與精度控制[J]. 高速鐵路技術, 2012,3(1):18-23.

[6]張英翔,胡 波,羅 濤,等.京滬高速鐵路CPII控制網復測技術研究[J].地理空間信息,2008,6(3):112-114.

[7]李 強.無砟軌道CPⅢ控制網測量技術探討[J]. 鐵道勘察, 2011,37(1):1-4.

[8]葛永慧,趙 剛,楊曉琴. PDA與各種全站儀串口通信的穩定實現[J]. 測繪工程, 2009,18(5):47-50.

[9]郭小龍.基于PDA的嵌入式移動GIS系統應用研究與開發[J].地理空間信息, 2007,5(4):19-23.