基于GNSS的鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)字化采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周玉輝

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

目前，國(guó)內(nèi)大型鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目對(duì)外業(yè)勘測(cè)技術(shù)手段的要求越來(lái)越高。結(jié)合鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)外業(yè)資料收集的特點(diǎn)，李文等人[1]提出并實(shí)現(xiàn)了一套完整的、基于移動(dòng)智能平臺(tái)技術(shù)的、適合公路勘測(cè)行業(yè)特點(diǎn)的野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)顯著改進(jìn)了現(xiàn)有的工作方式和工作效率；陳珂等人[2]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了集測(cè)量數(shù)據(jù)采集、處理、管理和分析等功能于一體的網(wǎng)絡(luò)化移動(dòng)勘測(cè)辦公系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量辦公自動(dòng)化及測(cè)量數(shù)據(jù)信息服務(wù)共享，在一定程度上提高了內(nèi)外業(yè)工作效率；周玉輝[3]提出并開(kāi)發(fā)了基于掌上電腦PAD、結(jié)合全站儀的線路三維放樣內(nèi)外業(yè)一體化測(cè)繪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了線路勘測(cè)水平和質(zhì)量的提高。

上述鐵路勘測(cè)采集系統(tǒng)有一個(gè)共同的缺陷，就是功能不統(tǒng)一、調(diào)查項(xiàng)目不能或部分不能根據(jù)專業(yè)需求進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置。隨著GNSS測(cè)量?jī)x器國(guó)產(chǎn)化率的提高和價(jià)格的降低，國(guó)產(chǎn)GNSS測(cè)量?jī)x器逐步普及并作為主要測(cè)量?jī)x器應(yīng)用于工程測(cè)繪中。基于GNSS測(cè)量設(shè)備，本文研發(fā)了一套針對(duì)鐵路行業(yè)內(nèi)外業(yè)一體化專業(yè)性強(qiáng)的數(shù)字采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)將 1∶2 000和 1∶10 000地形圖引入鐵路勘測(cè)作業(yè)中，并結(jié)合GNSS測(cè)量特點(diǎn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備功能進(jìn)行精簡(jiǎn)和完善，使其功能更加貼合鐵路外業(yè)勘測(cè)的實(shí)際需求，做到測(cè)量時(shí)能基于CAD地形圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)質(zhì)量控制以及成果輸出與設(shè)計(jì)的無(wú)縫對(duì)接。

1 系統(tǒng)總體介紹

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S和C/S混合架構(gòu)，分為應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層三層，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)應(yīng)用層

用戶可通過(guò)Web瀏覽器、移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)。移動(dòng)設(shè)備端主要針對(duì)于鐵路勘測(cè)外業(yè)測(cè)量人員，進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的查詢、數(shù)據(jù)采集、上傳等操作；Web客戶端可進(jìn)行查詢、分析、下載、權(quán)限管理等操作。

(2)服務(wù)層

分為系統(tǒng)運(yùn)維、勘測(cè)管理、分析服務(wù)、數(shù)據(jù)管理即時(shí)通訊5個(gè)功能模塊。

(3)數(shù)據(jù)層

存儲(chǔ)用戶資料、項(xiàng)目準(zhǔn)備資料、測(cè)量數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)等。

1.2 系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

按功能劃分，系統(tǒng)主要包括外業(yè)采集移動(dòng)設(shè)備和管理平臺(tái)兩部分。

(1)外業(yè)采集移動(dòng)設(shè)備

外業(yè)采集移動(dòng)設(shè)備功能包括數(shù)據(jù)顯示、CORS系統(tǒng)定位、北斗定位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)同步。

(2)管理平臺(tái)

管理平臺(tái)功能包括數(shù)據(jù)處理、查詢、分析、數(shù)據(jù)輸出等。

1.2.1 移動(dòng)設(shè)備主要功能

(1)北斗導(dǎo)航

采集設(shè)備自帶GNSS定位模塊[4]，通過(guò)接收北斗導(dǎo)航的定位數(shù)據(jù)在工作界面上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航，在CAD底圖或正攝影像上顯示測(cè)量人員的運(yùn)動(dòng)軌跡。

(2)外業(yè)測(cè)量

通過(guò)自帶GNSS功能的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行線路中線、斷面、地形、水文測(cè)量等數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集功能是外業(yè)設(shè)備功能最主要的組成部分。

(3)數(shù)據(jù)顯示功能

通過(guò)放大或縮小接觸手勢(shì)修改地形圖的顯示比例，根據(jù)不同的詳細(xì)程度查看地形圖數(shù)據(jù)。

1.2.2 外業(yè)采集移動(dòng)設(shè)備的主要功能

根據(jù)鐵路勘測(cè)工作的需求分析，采集功能精簡(jiǎn)為以下5個(gè)功能基本能滿足鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作的日常需要。

(1)中線測(cè)量

中線測(cè)量是鐵路線路縱斷面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)線路設(shè)計(jì)參數(shù)和線路模型計(jì)算出任意里程中心點(diǎn)的坐標(biāo)，然后以實(shí)時(shí)顯示的地形圖和導(dǎo)入的線位設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)，使用移動(dòng)設(shè)備的地形圖導(dǎo)航至待放樣點(diǎn)進(jìn)行中線測(cè)量[5]。

(2)斷面測(cè)量

利用線型數(shù)據(jù)及待定斷面點(diǎn)的里程，按照中線坐標(biāo)的計(jì)算方法，計(jì)算出中樁和加樁的坐標(biāo)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)橫斷面處的端點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)；將兩端端點(diǎn)設(shè)計(jì)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以文本形式導(dǎo)入移動(dòng)設(shè)備中，測(cè)定中線樁兩側(cè)地面變化點(diǎn)與中樁點(diǎn)間的距離和高差，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程中進(jìn)行橫斷面圖繪制[6]。

(3)地形測(cè)量

地形測(cè)量主要依靠測(cè)量終端系統(tǒng)提供的采集工具對(duì)地形、地物進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量人員可將地物各類特殊信息通過(guò)拍照、錄像、錄音、文本記錄等方式在地圖上以點(diǎn)要素方式關(guān)聯(lián)記錄。

(4)軌道調(diào)查

①道岔岔心坐標(biāo)測(cè)量

以普通單開(kāi)道岔為例，對(duì)道岔岔心的坐標(biāo)測(cè)量進(jìn)行闡述。普通單開(kāi)道岔示意如圖2所示。

圖2 普通單開(kāi)道岔示意圖

通過(guò)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)及道岔數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)查詢道岔撤叉號(hào)數(shù)和道岔后長(zhǎng)b值，計(jì)算出道岔前長(zhǎng)a值，根據(jù)a、b值的比例，通過(guò)計(jì)算得到岔心坐標(biāo)。

②車站上部建筑物測(cè)量

對(duì)車站上部建筑物，如警鐘標(biāo)、信號(hào)機(jī)、接觸網(wǎng)等設(shè)施設(shè)備采用單點(diǎn)測(cè)量模式，獲取平面坐標(biāo)及高程。

1.2.3 數(shù)據(jù)同步功能

在進(jìn)行外業(yè)勘測(cè)前，使用移動(dòng)計(jì)算技術(shù)[7]，可將Web端相關(guān)任務(wù)信息同步到移動(dòng)勘測(cè)設(shè)備中，在外業(yè)采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，將移動(dòng)設(shè)備中的成果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步到Web端，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)據(jù)采集[8]。

1.2.4 數(shù)據(jù)查詢

在作業(yè)過(guò)程中，測(cè)量人員可根據(jù)需要使用數(shù)據(jù)查詢功能對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、測(cè)量原始數(shù)據(jù)、測(cè)量目標(biāo)數(shù)據(jù)等進(jìn)行查詢，通過(guò)進(jìn)行條件搜索，就可在地形圖界面[9]上顯示搜索的數(shù)據(jù)，移動(dòng)設(shè)備功能與操作流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 移動(dòng)設(shè)備功能與操作流程設(shè)計(jì)圖

1.2.5 管理平臺(tái)

管理平臺(tái)主要包括勘測(cè)管理模塊、分析服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、通訊模塊和系統(tǒng)運(yùn)維模塊，如圖4所示。

圖4 平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)圖

(1)勘測(cè)管理模塊

勘測(cè)管理模塊包含了從鐵路勘測(cè)前各勘測(cè)人員的任務(wù)管理及相應(yīng)任務(wù)項(xiàng)目資料的下載，到采集數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)在線上傳勘測(cè)成果，再到上傳數(shù)據(jù)后的成果查詢等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路勘測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的信息化管理。

(2)分析服務(wù)模塊

分析服務(wù)模塊包含測(cè)量成果下載，數(shù)據(jù)繪圖[10]、平差[11]或沉降預(yù)測(cè)[12]，數(shù)據(jù)最終成果展示等功能。分析服務(wù)模塊還能對(duì)外業(yè)錯(cuò)誤采集、遺漏采集進(jìn)行分析和預(yù)警，從而保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

(3)數(shù)據(jù)管理模塊

用戶可通過(guò)項(xiàng)目或文檔關(guān)鍵字對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索查詢，系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的歸類存放整理功能，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行多重備份，并可對(duì)誤刪數(shù)據(jù)進(jìn)行還原操作。

(4)系統(tǒng)運(yùn)維模塊

運(yùn)維管理是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的基本維護(hù)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。主要包括用戶管理、權(quán)限管理、日志管理和二次開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)將用戶分為最高管理員、測(cè)量管理人員、測(cè)量人員和內(nèi)業(yè)處理人員，并分配相應(yīng)的權(quán)限，以方便用戶在規(guī)定的權(quán)限下進(jìn)行一系列功能操作。用戶權(quán)限的設(shè)置將提升系統(tǒng)的安全性、信息的保密性和業(yè)務(wù)的流暢性。

(5)通訊模塊

為方便各用戶之間的聯(lián)系，將聯(lián)系人通訊號(hào)按職位進(jìn)行歸類。當(dāng)用戶修改自己的通訊方式時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)更新存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的變化。

2 系統(tǒng)工作流程

2.1 工程管理

本系統(tǒng)對(duì)外業(yè)測(cè)量工作做一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，包括項(xiàng)目總文件夾、項(xiàng)目文檔、地形圖數(shù)據(jù)、平面高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等，并將項(xiàng)目資料、任務(wù)要求等數(shù)據(jù)上傳至對(duì)應(yīng)文件夾，系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)航到新建工程的相關(guān)信息頁(yè)，主要包括工程名稱、施測(cè)單位、操作員、日期、備注等，方便外業(yè)使用和內(nèi)業(yè)資料處理，一般每天新建1個(gè)工程文件。

2.2 質(zhì)量控制

在作業(yè)過(guò)程中，系統(tǒng)隨時(shí)檢驗(yàn)采集數(shù)據(jù)是否滿足項(xiàng)目精度要求，并進(jìn)行提醒，然后根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和保密性處理，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)打包上傳至指定目錄下。

2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)將外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行處理，形成成果數(shù)據(jù)后按要求存檔管理。

(2)采集數(shù)據(jù)與1∶2 000地形、1∶10 000地形、實(shí)景三維地形等融合處理，實(shí)時(shí)更新；與橋梁、隧道、路基、站場(chǎng)等專業(yè)數(shù)據(jù)接口無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)鐵路方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化處理。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

鐵路勘測(cè)GNSS數(shù)據(jù)采集(簡(jiǎn)稱RDGS)系統(tǒng)主要有工程管理、中線測(cè)量、斷面測(cè)量、單點(diǎn)測(cè)量、既有線測(cè)量、其他模塊(單點(diǎn)校正、四參數(shù)計(jì)算、七參數(shù)計(jì)算)、水文測(cè)量等，本文以中線測(cè)量為例介紹系統(tǒng)應(yīng)用。

3.1 系統(tǒng)安裝

點(diǎn)擊“RDGS.apk”軟件APP按鈕完成軟件安裝，運(yùn)行鐵路勘測(cè)GNSS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(RDGS)，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面圖

安裝后，在移動(dòng)設(shè)備上會(huì)自動(dòng)建立RDGS文件夾，移動(dòng)設(shè)備可為安卓系統(tǒng)手機(jī)、平板電腦、GNSS手薄等。測(cè)量準(zhǔn)備資料可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備復(fù)制到RDGS文件夾中，也可從PC機(jī)拷貝到RDGS文件夾中。

3.2 資料準(zhǔn)備

(1)準(zhǔn)備測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的CAD地形圖。

(2)準(zhǔn)備測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的平面高程控制點(diǎn)資料。

(3)準(zhǔn)備中線測(cè)量平縱參數(shù)資料，數(shù)據(jù)格式為：

QD,里程,北坐標(biāo),東坐標(biāo),0,0,0,0

交點(diǎn)號(hào),0,北坐標(biāo),東坐標(biāo),0,半徑長(zhǎng)度,前緩和曲線長(zhǎng)度,后緩和曲線長(zhǎng)度

交點(diǎn)號(hào),0,北坐標(biāo),東坐標(biāo),0,半徑長(zhǎng)度,前緩和曲線長(zhǎng)度,后緩和曲線長(zhǎng)度

………………………………………………………

ZD,0,北坐標(biāo),東坐標(biāo),0,0,0,0

3.3 中線測(cè)量

(1)點(diǎn)擊主界面中的“中線測(cè)量”，進(jìn)入中線測(cè)量模塊。若在此之前未導(dǎo)入平縱參數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)提示用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

(2)采用北斗導(dǎo)航、CORS系統(tǒng)[13]等模式開(kāi)展測(cè)量工作。

(3)設(shè)置中線測(cè)量的參數(shù)：直線段和曲線段的測(cè)量間距(即每相隔多少米提示測(cè)量1次)、測(cè)量限差半徑(中樁樁位限差值)、里程取整差(在差值限差內(nèi)時(shí)，測(cè)量里程在整10 m附近可直接取為整樁號(hào))、起始里程等。

(4)參數(shù)設(shè)置完成后，即可在移動(dòng)設(shè)備中打開(kāi)CAD地形圖(線位圖或1∶2000地形圖)，顯示待放樣的中線圖形信息。中線測(cè)量成果如表1所示。

表1 中線測(cè)量成果表

3.4 質(zhì)量控制

3.4.1 中線質(zhì)量控制

在進(jìn)行中線測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)要求設(shè)置測(cè)量點(diǎn)中樁樁位限差。系統(tǒng)能計(jì)算出中線理論坐標(biāo)、放線時(shí)的實(shí)際坐標(biāo)以及相應(yīng)的坐標(biāo)差值，便于測(cè)量人員進(jìn)行中線質(zhì)量控制。根據(jù)《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中樁樁位限差設(shè)置為0.1 m，超出這個(gè)限差值，系統(tǒng)將不能保存。

3.4.2 斷面測(cè)量

在進(jìn)行斷面測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)要求設(shè)置斷面點(diǎn)點(diǎn)位限差。根據(jù)《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中樁樁位限差設(shè)置為0.3 m，超出這個(gè)限差值，系統(tǒng)將不能保存，以確保勘測(cè)質(zhì)量[14]。

3.5 工作效率

系統(tǒng)在成渝中線高速鐵路項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用，并與中海達(dá)、南方GNSS測(cè)量?jī)x器等進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，本系統(tǒng)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集、便捷性方面與其它測(cè)量?jī)x器基本一致，且在斷面數(shù)據(jù)處理方面優(yōu)勢(shì)明顯，原來(lái)需近1 h才能處理完的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用本系統(tǒng)僅需幾分鐘即可處理完畢并輸出成果，效率提高明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于GNSS的鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)字化采集系統(tǒng)集北斗導(dǎo)航、GNSS測(cè)量、數(shù)據(jù)處理為一體，并與鐵路工程設(shè)計(jì)無(wú)縫對(duì)接，顯著提高了生產(chǎn)效率。主要具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)在外業(yè)采集中，測(cè)量用戶可在任何地方、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)手持移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)對(duì)測(cè)量信息進(jìn)行采集，通過(guò)4G/5G信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

(2)系統(tǒng)將地形圖導(dǎo)航功能引入到勘測(cè)作業(yè)中，為野外勘測(cè)人員找尋目標(biāo)點(diǎn)提供了便利。

(3)系統(tǒng)利用移動(dòng)設(shè)備自身強(qiáng)大的多媒體功能(拍照、拍視頻、錄音)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ躘15]，極大地縮短了各項(xiàng)關(guān)操作的間隔時(shí)間。