（载运工具运用工程专业论文）提速线路绝对坐标测量系统与大型养路机械作业关联技术研究.pdf

摘要 我国铁路第六次大提速后，轨道长波长不平顺成为影响列车运行 安全和旅客舒适度的主要因素之一，传统的大型养路机械作业方法， 不能保证高质量的养护线路。因此，探索建立提速线路测量养护控制 网，研制出提速线路绝对坐标测量系统指导大型养路机械“精确养 护”具有重大意义。 论文主要开展了以下几方面的研究工作： 对提速线路建网的技术标准与方案进行了研究。以线路延伸方向 作为纵坐标轴建立独立的工程坐标系，其横坐标变化就不会太大，可 以有效地控制投影变形，减少分带数量。 建立提速线路绝对坐标测量系统模型，包括机械部分，电气部分 以及软件部分，并对现有捣固车长波整正技术进行研究，基于大地绝 对坐标系的精确测量网，可以精确测的轨道中心线平面坐标和高程， 将精测结果传递给捣固车，可以实现精确养护作业。 提速线路绝对坐标测量系统中的算法设计。分析了现有的关于全 站仪自由设站的算法方法原理及精度。对现有算法进行了改变，并对 算法的精度进行了分析。对测量系统的联测精度进行了分析。 关键词：提速线路，绝对坐标测量，控制网，自由设站，捣固车 a bs t r a c t a f t e rc h i n ar a i l w a yt h es i x t hs p e e di n c r e a s e ，o n eo ft h em a i n f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es a f eo p e r a t i o no ft r a i n sa n dp a s s e n g e rc o m f o r ti s t r a c kl o n gw a v ei r r e g u l a r i t y , t h et r a d i t i o n a l w a yo fo p e r a t i n gl a r g e m a i n t e n a n c em a c h i n e r yc a n tg u a r a n t e et h ec o n s e r v a t i o no fh i g h q u a li t y r a i l w a y t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe s t a b l i s hm e a s u r e m e n t c o n t r o l l e da n dc o n s e r v a t i o nn e t w o r ko fs p e e du pl i n e ，t od e v e l o pa b s o l u t e c o o r d i n a t em e a s u r e m e n ts y s t e mt og u i d el a r g em a i n t e n a n c em a c h i n e r y p r e c i s i o nc o n s e r v a t i o n t h e r ea r et h r e ep a r t sp r e s e n t e da n ds t u d i e da sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h i st h e s i ss t u d i e st h es t a n d a r d sa n dp r o g r a m so f s t a n d a r d sa n dp r o g r a m so ft e c h n i c a lo fs p e e dl i n ec o n t r o ln e t w o r k i n d e p e n d e n tp r o j e c tc o o r d i n a t es y s t e mi se s t a b l i s h e da sal i n ee x t e n s i o n o ft h ed i r e c t i o no fl o n g i t u d i n a la x i s ，t h es y s t e m sa b s c i s s aw i l ln o t c h a n g e t o om u c h ，i tc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ep r o j e c t i o nd i s t o r t i o n ，r e d u c et h e n u m b e ro fs u b b a n d s e c o n d l y , t h ea b s o l u t ec o o r d i n a t em e a s u r e m e n ts y s t e mo fs p e e d - u p l i n em o d e li ss e tu p t h em o d e li n c l u d e sm e c h a n i c a lp a r t s ，e l e c t r i c a l p a r t sa n ds o f t w a r ep a r t s t h et h e s i ss t u d i e st h et e c h n o l o g yo fr e g u l a t i n g l o n g w a v eb yt h et a m p i n gm a c h i n e t h r o u g ht h ea b s o l u t ec o o r d i n a t e s y s t e mb a s e do nt h el a n do ft h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to fn e t w o r k ，t h e a b s o l u t ec o o r d i n a t em e a s u r e m e n ts y s t e mc a l l p r e c i s e l ym e a s u r et h e c o o r d i n a t e so fc e n t e r l i n ea n de l e v a t i o np l a n eo ft h er a i l w a y , t h er e s u l tw i l l b ep a s s e dt ot h ep r e c i s i o nm e a s u r e m e n tt a m p i n gm a c h i n e ，t h et a m p i n g m a c h i n ep r e c i s ec o n s e r v a t i o nw o r k t h i r d l y , a b s o l u t ec o o r d i n a t em e a s u r e m e n ts y s t e m sa l g o r i t h mi s d e s i g n e d t h ep a p e ra n a l y s e so ft h ee x i s t i n gf r e es t a t i o nt h e o r ya n d a c c u r a c yo fm e t h o d o l o g yc h a n g et h ee x i s t i n ga l g o r i t h m s ，a n da n a l y s e s a l g o r i t h ma c c u r a c y , a n a l y s e st h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mf o r jo i n tm e a s u r i n g k e yw o r d s ：s p e e du pl i n e ，a b s o l u t ec o o r d i n a t em e a s u r e m e n t ，c o n t r o l n e t w o r k ，f r e es t a t i o n ，t a m p i n gm a c h i n e i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：蕴蠡日期：俎年且望日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：熟导师签名垄至至日期：型年月望日作者签名：岔叁导师签名丝兰左日期：j 型年月望日 硕十学位论文第一章绪论 1 1课题研究背景 第一章绪论 当前，在我国的铁路养护、维修中传统指导大型养路机械作业的的模式，靠 技术人员或工班长多凭经验、目视、拉弦线等简单手段提供线路维修修正值，虽 然现部分站段配备7 n 量仪器，但由于缺少对应的基准系统，只能局部范围内用 相对参考系统，保证局部平顺，特别是长大曲线地段，现场采用绳正法虽然可以 在局部范围内以较高的精度测量曲线正矢，进行曲线圆顺度调整，但不能控制曲 线的整体几何形状，并且在曲线头尾位置容易产生鹅头【l 】，造成线路的整体不平 顺。 保证高速列车运营安全和舒适性的首要条件是轨道的高平顺性，轨道的高平 顺性依赖于轨道铺设和养护维修过程中的高质量，而获得高质量轨道几何线形的 基础是精密的测量技术，因此，高速有砟轨道建立高精度轨道绝对几何参照系统， 不仅是施工的需要，也是今后线路养护维修工作的基础和保证。 全路第六次大提速后，在部分线路即将开行2 0 0 公里时速列车，提速后的线 路如何养护维修，采取什么办法和标准，线路如何检测，这是我们面临的新课题。 结合发达国家高速铁路经验，高速铁路必须具有高平顺性，线路必须具备非常精 确的几何线性参数，方向、水平等误差必须保持在毫米级的范围内。当线路整体 不平顺时，列车速度增加，长波的影响便增加，会加剧轨道和线路状态的破坏。 而目前轨检车的可测波长范围不能满足长波检测要求，大型养路机械的基线长也 过短，不能有效地校正长波不平顺【2 1 ，结合国外经验，建立高精度的测量控制系 统作为轨道绝对几何参照系统指导大型养路机械作业，能够控制线路的整体几何 状态，有效消除长波不平顺p 】。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外现状 1 2 1 国内南昌铁路局的“恒距控制法 关于既有线轨道几何参数的精确测量，我国铁路部门已经进行了些有益的探 索，其中南昌铁路局的“恒距控制法为代表。 南昌铁路局为了有效进行曲线养护，保证线路方向平顺性，采用“恒距测量 原理进行的有益尝试。即：在曲线； i - n c t 钢桩，每1 0 米一个桩，曲线及缓和线 加密到5 米一个点，在曲线养护到平顺良好时，记录下此轨道距钢桩的距离，作 为恒距控制值。曲线养护前，检测恒距值，得到偏差值，捣固车作业时，将此偏 差值手动输入作为前端偏移量实现精确法作业。 1 2 2 瑞士m a t i s a 的“b 5 0 d 捣固车一p a l a s 系统”模式 p a l a s 系统首先运用在瑞士铁路。该系统借助n g v ( 绝对轨道位置标定系 统) 、d f a ( 铁路固定资产数据库，其中包括线路基准点的三维数据和线路三维数 据) 和t o p o r a i l ( 轨道设计软件包) ，可自动引导养路机械以设计的绝对基准或 优化的参数进行作业，从而使作业后的线路符合轨道设计尺寸或优化后的尺寸。 p a l a s 系统安装于作业机械前部的测量小车上，主要是由两个关键的传感 器装置组成： 1 激光接收器( 称作r a l f ) ，用于搜寻前方固定基准点( 三棱镜) 所反射 的激光束，并测量光束和测量小车之间的水平和垂直角度。 2 移动参照装置( 称作d r l i ) ，配置了军品级的有激光陀螺仪的惯性包， 为测量小车提供惯性基准。 p a l a s 系统通过以上两个装置和测距装置获得参数，连续计算沿轨道移动 小车的三维位置，对照和固定基准点对应的线路设计值，计算出线路几何状态的 三维误差( 线路位置误差值) ：见图1 1 。 2 碗士学位论文 第一章绪论 一一_ - _ ，5 。一 口一卜。 一- _ _ _ 。一 一 。一 - _ _ ! ，“。一 日f 7 + 1 一_ 。_ ，。一 iz 4 。- ，l _ _ _ 。，一 = 苎盘= ：、二_ 二 ，一、一 q 吣过一一 兰三 周1 - 1p a l a s 系统工作原理目 应用p a l a s 系统进行轨道维修作业的工作流程： 1 瑞士联邦铁路为各个作业路段编制所需的轨道文件。然后这些文件由 j m u l i 盯公司通过因特同在d f a 数据库中调用通过存储卡送到捣固车上。 2 在沿着线路的基准点上装上三棱镜。操作人员根据轨道文件选好启动点， 当激光接收器自动搜寻到由三棱镜反射的激光束时，触发系统启动。这时，p a l a s 不间断地计算绝对轨道误差并把误差传送给捣固车。在作业过程中操作人员可以 设定一些参数，如捣固车的最大起道量等。 瑞士玛蒂萨b 5 0 d 捣固车在其配套的t o p o r a i l 轨道设计软件、d f a 固定 资产数据库和p a l a s 捣固车作业引导系统配台下，作业精度高、能够消除长波 不平顺、轨道误差得到彻底的修正、使轨道完全恢复到设计的目标几何形状，并 极大简化作业程序等优点，此系统已经在瑞士铁路、法国t g v 线路全面推广使 用嘲。 但此系统存在的问题是要求捣固车在作业前先进进行一次慢速行车测量，然 后再退回起点开始整道作业，这导致占用机时和天窗过多，作业效率不高。不符 合我国国情。 1 3 选题的目的及意义 全路第六次大提速以后，在部分线路开行2 0 0 - - 2 5 0 公里时速列车，提速后 的线路如何养护维修，采用什么办法和标准，线路如何检测，这是面临的新课题， 硕士学位论文 第一章绪论 结合发达国家高速铁路经验，高速铁路必须具有高平顺性，线路必须具备非常精 确的几何线性参数，方向、水平等误差必须保持在毫米级的范围内。当线路整体 不平顺时，列车速度增加，长波的影响便增加，会加剧轨道和线路状念的破坏。 而目前轨检车的可测长波范围不能满足长波检测要求，大型养路机械的基线也过 短，不能有效地校正长波不平顺【4 一，因此，研究提速线路绝对坐标测量系统与 大型养路机械关联技术有重大意义。 选题目的：结合国内外经验，建立高精度的测量控制系统作为轨道绝对几何 参照系统，能够控制线路的整体几何状态，数据传导给大型养路机械，指导大型 养路机械作业，有效消除长波不平顺。 1 4 论文的主要工作 1 研究了提速线路精密控制网建网的技术标准和方案； 2 提速线路绝对坐标测量系统的系统设计； 3 提速线路绝对坐标测量系统的系统的技术研究； 4 提速测量线路软件设计与实现； 5 测量系统联测精度的分析。 1 5本章小结 本章介绍了高精度轨道绝对几何参照系统研究的背景、国内外现状、选题的 目的和意义以及论文开展的主要工作。 4 硕十学位论文第二章提速线路测量养护控制网 2 1概述 第二章提速线路测量养护控制网 对提速线路绝对坐标维护系统而言，首先是要建立全线合一的维护测量控制 网。由于历史原因，我国铁路既有线很难做到“三网( 设计测量控制网、建造测 量控制网、维护测量控制网) 合一，原有铁路控制网精度低、桩点密度不足以 及桩点稳固性差，给轨道中心线养护带来了很大的困难。这样，需要重新建立提 速线路绝对坐标维护测量控制网。提速线路绝对坐标维护测量控制网的布网方 案，需要依据提速线路的精度要求，以实用、经济为原则，大力借鉴和吸收国外 维护测量控制布网的先进经验和技术成果，与大型养路机械作业和日常维护精密 测量配套，形成我国自主创新的提速线路绝对坐标维护测量控制体系，既有提速 线路绝对测量建网方案采用“g p s 、导线、边角加水准的三级控制测量【7 1 。 2 2提速线路测量的平面控制网 提速线路测量的平面控制分为三级：第一级为g p s 网( c p i ) ，第二级为导 线网( c p i i ) ，第三级为基于“全站仪自由重叠设站”方法的边角网( c p i i i ) 。网 线c p i 沿线路走向布设，每4 k m 设一对点，采用g p s 静态相对定位模式建立， 作为全线平面控制测量的基准。c p i 采用边联结方式构网，形成由大地四边形组 成的带状网；全线( 段) 一次布网，统- n 量，整体平差。c p i 技术指标采用全 球定位系统( g p s ) 铁路测量规范的b 级标准【8 】，相对点位精度不低于 ( 8 m m + l p p m ) 【9 1 。 c p i i 采用导线测量，测点分段起闭于c p i 点，点间距8 0 0 - 一1 0 0 0 m 。c p i i 控 制点一般选在离线路中线5 0 - - , 1 0 0 m 、且不易破坏的范围内，c p i i 技术指标【9 】采 用新建铁路工程测量规范的四等标准，相对点位精度不低于1 0 m m 1 0 】。 c p i 与c p i i 可充分利用原有设计测量控制网、建造测量控制网的资料和成 果，加以复测和整理。c p i i i 采用基于“全站仪自由重叠设站t i l l 方法的边角测 量( 也可采用“前方交会 方法测量) ，测量点分段起闭于c p i i 点，点间距1 2 0 r a m ， 硕十学位论文第二章提速线路测量养护控制网 沿线路两侧双排对称布设，固定于金属电杆( 接触网支柱) 的基座上，仅放置反 射棱镜，强制对中。c p i i i 同时作为高程控制点( 三维控制网) ，平面精度指标为： 相对点位精度不低3 m m 。 2 3提速线路测量的高程控n i 贝, l l 量 高程控制测量【1 2 】分两级：第一级为水准基点高程测量，第二级为c p i i i 控制 点高程测量。水准基点沿线路走向布设，每2 k m 设一点，采用二等水准测量标 准施测，作为全线高程控制测量的基准。水准基点高程测量以国家一等水准点为 起算数据，一般1 5 0 k m 与国家一等水准点联测一次，最长不应超过4 0 0 k m 联测 一次。全线( 段) 一次布网，统一测量，整体平差。c p i i i 控制点高程测量工作 应在c p i i i 平面测量完成后进行，并起闭于二等水准基点。施测精度指标：每千 米水准测量偶然中误差不大于+ 2 r a m ；每千米水准测量全中误差不大于4 m m 。 c p i i i 控制点高程测量应在全线贯通后进行严密平差。 2 4建网的技术标准和方案研究 确定平面坐标与高程系统应尽可能的与勘测设计阶段一致，以便充分利用已 有的勘测测量成果。若勘测设计阶段资料不满足现阶段坐标投影变形的要求则应 重新进行设计。 高程一般采用基于1 9 8 5 国家高程基准的高程系统，为了确保高速有砟轨道 高精度轨道绝对几何参照系统的相对精度不受起始点坐标误差的影响，必须建立 独立的坐标系统，并与国家或城市坐标建立关系；即通过联测国家或城市控制点， 求得高速有砟轨道高精度轨道绝对几何参照系统的坐标与国家坐标的转换关系。 由于高速有砟轨道高精度轨道绝对几何参照系统要求投影变形小于2 5 p p m ， 必须采用独立投影带坐标系，相邻投影带之间至少有一对公共点的坐标。根据投 影变形公式： 肌小景 ( 2 1 ) 式中，m 1 为投影变形，y 为横坐标，r 为地球平均曲率半径。当m - 1 = 2 5 p p m 时，可求得其横坐标y 不超过4 5 k r n ；对于东西走向的线路，可能出现分带过多， 6 硕士学位论文第二章提速线路测量养护控制网 对设计和施工都会带来不便。考虑到高速铁路线路主要沿线路方向延伸，与线路 2 ) 个已知点进行观测后并对公式( 4 7 ) 移项整理后得到： k2 掣掣小p s ， ( 4 8 ) 从公式( 4 - 8 ) 可以得到误差方程中的v ，b ，b 。矩阵，权阵。中的元素只，可 以从全站仪的精度中得到，所以只= 善，取小l 。 将b ，p ，v 代入式( 4 5 ) 解出砟，多p 最终计算出 硕士学位论文第四章提速线路测量系统的技术研究 睁= x e o p ( 4 - 9 ) 【y p2 + 少p 这样可以得到精确求解的站点坐标。 2 全站仪自由设站算法设计 自由设站这种工作方式在全站仪出现后被人们广泛应用的一种测量方法【3 8 】， 是使用两个已知坐标点确定出仪器所在位置的站点坐标的一种方法，自由设站这 个概念使根据国外测量仪器使用的方法引进而得到。在我国人们又经常把这种方 法称为后方交会。自由设站的方法根据测量过程中使用的不同观测项目又有不同 的分类，包括：边长交会、边角交会。利用多余观测对所求的站点坐标进行平差 计算得到最理想的站点坐标。 ( 1 ) 边长交会法的算法设计【3 9 】： 先由上述的公式计算出站点的近似坐标( x 昂，h ) ，最终计算出来的站点坐 标实际上是对近似坐标进行修正，既j p = x 晶+ ，丘= + y p ，其中x p ，y p 为近似坐标的修正量。由于具有多余观测，需要对数据进行平差计算。利用间接 平差计算，误差方程如下： l = b x + b o b7 p v = 0 在测量的过程中取边长作为观测项目 s ，= 打i j 雨万百而 将式( 4 1 1 ) 线性化后得到公式： ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) s，：k=乙i_?+主p一x_z-xv+。4。2， 多p 一 一“。 公式中曼p ，多p 。为站点近似坐标的修正量，k 为距离的修正量。 对n ( n 2 ) 个已知点进行观测后并对公式( 4 1 2 ) 移项整理后得到： 硕士学位论文第四章提速线路测量系统的技术研究 巧2 掣掣”驴s ， ( 4 1 3 ) 从公式i 4 - 1 3 ) 可以得到误差方程中的v , b ，b 。矩阵，权阵只。中的元素最可 以从全站仪的精度中得到，所以只：萼o o ，取仃；：1 。 仃i 将b ，p ，v 代入式( 4 9 ) 解出砟，多p 最终计算出 睁- - x p o p( 4 - 1 4 )、斗。l 斗， 【y 尸= + j ， 这样可以得到精确求解的站点坐标。 ( 2 ) 边角交会的算法设计： 目前全站仪主要的设站方法是后方交汇法【加1 ，根据测量任务的不同又分：一 边一角后方交会法，两边距离交会，双边单角后方交会法，要尽量减小观测所产 生的误差，提高成果质量，可以采用对多个已知点观测最后进行平差的方法一实 现。目前使用较多的是边长交会，这里增加对已知点角度的测量，并结合边长一 起平差的方法。 图4 3 测量示意图 如上图所示，在p 点架设仪器，在1 到8 点两点上安置棱镜，测得8 条边 s l ，s 2 s 8 及7 个角7 l ，y 2 乃，由于必要观测个数仅为2 ，而观测数为1 5 ，存 在1 3 个多余观测，利用平差来提高站点精度。 按间接平差法，列出的误差方程式为： 硕+ 学位论文第四章提速线路测量系统的技术研究 = c o s a f d x 尸+ s i n o t f a y p + ，f ( 4 - 1 5 ) = b n ”景s i n 叫妒陪，+ 景c o s 叫叫4 舶， l i = s ? 一s i = 7 ；一7 ， i = 1 , 2 8 ，歹= 1 , 2 7 吒，第i 点到p 的坐标方位角近似值，墨为第i 条边的测量值，筇为第i 条边的近似值，y j 为第j 条边与第j + l 条边的夹角的测量值，矿为第j 条边与第 i + l 条边的夹角的近似值。 由此得到矩阵v = b 万x + ，( n = 1 5 ，t = - 2 ) 矩阵式是相容方程组，式中有2 个待定的改正数和1 5 个未知数，共1 7 个待定量，而方程只有1 5 个，所以有无 穷多组解。为了寻求一组唯一的解，按数学上求函数自由极值的理论，应在 v r p v = m i n 的准则下求解，由此得到b 7 p v = 0 ，要得到方程的解，还必须确定 p 矩阵，根据全站仪的测量原理，其测角和测边是相互独立的，所以权阵p 是一 令1 5 1 5 的对角阵，如下所示。 p = b 。0 0 0 ! 己 。0 0 0 ， ( 4 - 1 7 ) b 是测量边的权值，墨= 毒，_ 是全站仪的测边误差，哆是观测角的 媳铲号2 一，毋去2 啼为全站删角聪l e i c a 2 0 0 3 全站 仪测角误差为0 5 秒，以上公式中取盯。均取1 。最后利用矩阵求逆或解高斯方程 的方法解出所有未知量，和出，砂。 最后的站点坐标 工2x o + d x 。 【y = y o + a y 3 6 硕士学位论文 第四章提速线路测量系统的技术研究 s 二= i 趸_ ? 一量p l ：孺i j + 。4 。8 ， 多p 一h 一 一。 k = 掣砟一掣沪挈印( 4 - 1 9 ) 硕士学位论文第四章提速线路测量系统的技术研究 图4 4 线路控制点 经过上面的计算得到一个比较精确的站点坐标。但上面的计算只用到了边长 的测量数值，而这个数值在全站仪测量的所有数据相比较( 如角度) ，边长的精度 相对较低。为了充分发挥出全站仪的测量精度，需要利用到角度。因此，对前面 的算法做进一步改进。 前面已经计算出了站点的坐标( 工尸，y p ，z p ) ，并且在测量过程中得到了相 邻两边之间的夹角，利用这些角度对站点坐标进行再次的修正。为了对算法描述， 先做一些假设，设由边长平差计算出来的站点坐标为( 彳昂，k ，z 昂) ，相邻两 边的夹角分别为目；( i = l ，2 ，3 n ) ，在下面的计算中以i = 8 进行计算分析。已 知点a ，的坐标为( x ，y f ，z ，) 。由向量夹角计算公式得到： 8 va r c c o s j 些童些垒兰掌丝兰竖些i ( 4 - 2 0 ) 【( x 昂一x ，) 2 + ( k z ) 2 ( x 昂一x i + 。) 2 + ( 一巧+ ) 2j 建立误差【4 2 】方程如下： i = b x + b o ib 7 p v = 0 ( 4 2 1 ) 设在每次测量的过程中有全站仪自身测量数据得到的相邻两边的夹角为曰。 根据边长计算出来的站点和已知点的坐标计算出相邻两边的夹角为口如，这样可 以得到下面的角度关系： 3 8 硕士学位论文第四章提速线路测量系统的技术研究 即再1 1 一i x e - _ x i + 警卜 2 2 ， 志去( 半+ 蛩p 其中g o , 为0 ，的修正量。，多p 为对站点坐标的再次修正量。公式中的口i 0 。 计算公式如下： 躺s l 丝童些垒兰磐丝兰堕丝i ( 4 - 2 3 ) 岫 【( x 岛一z ) 2 + ( 一，；) 2 ( 如一z + 。) 2 + ( 一i + 。) 2j 由上面的分析计算得到了误差方程组中的第一个方程，下面确定p 矩阵。在 新的误差方程组中p 矩阵主要有全站仪的测角精度确定。半测回方向误差 m 产2 。半测回测角中误差所卢= 2 ，1 6 ，所以m 卢= 2 m 。由此可得到： s 2 熹2 0 6 2 6 5 ，这样可以p 矩阵中的元素只= 等取盯；_ 1 0 q2 a ： v 经过上面的计算误差方程组中的个元素b ，p ，v ，l 都己确定。可以求解圪， ，多p 各未知量。从而使站点x y 平面坐标经过了更高精度的测量数据修正。 因为全站仪的测距精度相对与测角度精度要低，而y z 面上主要是测距与测 角角) 影响，x z 面上主要是测距与测角( v 角、h 角) 影响，比较而言y z 面上 的测量误差环节更少，相对精度更高。因此只取y z 平面坐标的数据，按上述方 法将站点y z 平面坐标进行相同方法的修正。通过两次修正后直接得到了全站仪 站点平差后的三维坐标【4 3 1 。 4 2 2 设站精度分析m 1 由仃，= 可以得出，在利用边长第一次计算出站点 坐标近似的精度与相邻边的角度有关，随着角度的变化精度也在不段变化，当角 度是9 0 度是精度最高。在第二次进行计算时使用精度更高的角度测量值对坐标 进行修正。 硕士学位论文 第四章提速线路测苗系统的技术研究 将式( 4 - 2 3 ) 变形后得到：= + k 1 i p + 七2 多尸 ( 4 2 4 ) 误差方程的法方程的系数矩阵n 为：= b r 凇其中矩阵b ，p 如下 r - 口- b = l l l 口疗 6 1 ip ： 吮j 日0 0 芝 0 0 o p 月 有此计算出法方程矩阵【4 5 】n 如下： 2 陶唧删= 丽1 去( 学+ 竿) ， 荆2 志焘降等) ， 从而得到x p ，y p 的中误差分别是： 聊砟= 掣= 掣一b i p 6 】一埘 p 点的点位中误差为历p = 、| m 丽2 x e + m 2 将口【f 】，6 【f 烈力代入公式中可以得到m p 。利用误差传递的计算方法，可以知 道，l p 的误差与测角误差及测距误差有关，将小p 的根据误差传递函数关系并简化 后得到m p 的近似计算公式如下： m p ： p a a + p b b _ 丝2 坐p a a 掣 p 皇b b 型 - - 竺； l 1 2 0 6 2 6 5 2 l 堕盟趔 ( 4 2 5 ) m s 为全站仪的测距精度，研口为相邻两边的夹角测量的中误差，该值可以由全站 仪的测角精度计算得到。4 与a 为对应一个相邻边夹角的两边的方位角。 硕十学位论文 第四章提速线路测量系统的技术研究 4 2 3 轨道中线三维坐标换算 轨道测量系统中三维坐标数据的换算可以看成是三个坐标系统之间的数据 换算。这三个坐标系统是：大地坐标系统、全站仪坐标系统、测量小车内部坐标 系统。 三个坐标系统的关系如下图所示： 0 o 全站仪设站点 e 棱镜 图4 5 坐标关系图 在实际测量前需要知道几个坐标系统的相互关系，首先全站仪坐标系 ( x 0 2 y ) 与大地坐标系( n o e ) 之间的相互夹角及站点坐标，其次是小车坐标系 ( 硼y ) 与全站仪坐标系的相互夹角及棱镜点坐标。由此可以得到下面的公式： n o o , e h 0 0 2 七p( 4 2 6 ) 其中p 矩阵为全站仪坐标系与大地坐标系之i 司坐标变换关系： ( ，日叻) 为棱镜点在大地坐标系中的坐标； ( ，日) 为站点在大地坐标系中的坐标； ( x d 2d l ，y d 2d l ，z d 2 q ) 为棱镜点在仪器坐标系中的坐标； 在根据棱镜点在小车坐标系统中的位置关系矩阵m 就可以换算出轨道中线 的大地坐标，计算公式如下： 4 i 硕士学位论文第四章提速线路测量系统的技术研究 f c & = m 【h cj n t d 2 h 优，2 = m n o o , e 。o 。 胃 + m p x o , o , y d 2 q z o , o l ( 4 2 7 ) 系数矩阵p 在全站仪的自由设站过程中根据测量到多个点的坐标关系可以 很容易的计算出来。矩阵m 则需要根据实际测量到的轨距水平的数值确定。当 m 、p 知道确定后，全站仪测量出来的相对坐标经过软件计算就可以得到对应点 中线的三维坐标，并运用于后续的计算处理中。 4 3本章小结 本章主要描述了三维测量系统中的算法设计。分析了现有的关于全站仪自由 设站的算法方法原理及精度。对现有算法进行了改变，并对算法的精度进行了分 析。 4 2 硕士学位论文第五章提速线路测量软件设计与实现 第五章提速线路测量软件设计与实现 提速线路坐标测量系统的软件分为两部分：数据采集软件及数据优化软件部 分。本文仅对数据采集软件进行设计与实现。 提速线路坐标测量系统功能应用的设计与实现。偏向于软件设计思想及编程 的应用，作为面向用户的软件产品，开发者首先要考虑的是其实用性、可行性及 可扩展性，只有这样才能使所开发的软件产品具有更好的使用价值。 5 1软件系统开发平台和开发工具的选择 考虑到使用和学习的方便性，结合目前工务部门使用的主流操作系统测量系 统软件的开发平台选择了w i n d o w s 9 x 或其以上版本。 提速线路采集软件的功能决定了其开发工具的选择，首先，数据采集软件需 要对检测的大量数据进行分析和处理，因此必须选择具有强大数学处理功能的语 言；其次软件应具有检测数据分析结果要形成方便施工管理的各种报表，所以软 件的开发工具应具有报表的制作，打印输出功能。 在众多的程序设计语言中，本设计选择了c + + 语言，用v i s u a ls u t d i o n e t2 0 0 3 作为开发环境，其主要具有以下的特点。 1 c + + 语言包含整个c 语言，具有c 语言的所有优点，有丰富的数据类型 和全面的数学函数，还有较强的图形处理能力。 2 c + + 是一种高效实用的程序设计语言，既可以进行过程化程序设计，也 可以进行面向对象的程序设计，使其代码具有高度的可重用性和移植性【矧。 3 v i s u a ls u t d i o n e t2 0 0 3 是一个面向对象、功能强大、可视化的开发环境。 它集编辑、编译、连结、运行于一体，还具备调试功能4 7 1 。使用v i s u a ls u t d i o n e t 2 0 0 3 可以运行任何用c 语言和c + + 语言编写的程序。它适合于编写流行的 w i n d o w s 操作系统下的应用程序。 4 3 硕七学位论文第五章提速线路测量软件设计与实现 5 2 软件系统的功能分析 从软件工程的角度来看，功能分析的主要任务是根据系统的最终设计目标， 确定软件所具备的各项功能，即先确定系统应达到什么目标，然后根据此目标， 分析它应具备和实现的各项功能。 1 系统设计目标 实现软件设站、提速线路坐标测量显示、系统标定、数据保存等功能。 友好的用户界面：该系统能够给使用者提供方便快捷的操作，尽量满足各层 次用户的使用。 高度的可扩展性：由于提速线路测量系统可以指导大型维修车作业，需要保 留可以与其它数据类型相互转化的接口，因此它需要有高度的可扩展性和模块化 的设计，以满足后续开发或升级的可扩充性。 2 系统功能需求分析 本软件系统按照目标的设计可以分解为c p i i i 点导入、软件设站、设站处理、 全站仪设站、系统设置、系统标定、报表输出等功能模块。各个模块问的处理流 程如图5 1 所示。 硕士学位论文 第五章提速线路测鼍软件设计与实现 图5 1 系统模型流程图 5 3软件系统的开发技术 5 3 1 面向对象的程序设计方法 面向对象程序设计方法( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g , o o p ) 克服了传统的面 向过程方法在分析需求、建立系统模型和求解问题时存在的缺陷，提供了更合理、 更有效和更自然的方法，正被广大的系统分析和设计人员认识、接受、应用和推 广。o o p 方法提供了从般到特殊的演绎手段，又提供了从特殊到一般的归纳 形式，是一种很好的认知模式，在较高层次上模拟了人类的思维方式。它将世界 中的任何事物均视为“对象”，将对象的属性和加工属性的方法封装在一起构成 类，对象间通过相互传递消息来进行通信【4 8 】。面向对象程序设计有五个基本概念： 对象。对象由数据和如何操作这些数据的方法组成，是这些属性和过程的封装 4 5 硕十学位论文第五章提速线路测量软件设计与实现 体。它具有模块独立、动态连接和易于维护的特点，是o o p 技术的核心。消 息。消息是向某个对象请求服务的一种表达方式。由于对象封装了方法和数据， 外部的用户或对象对该对象提出的服务请求，就称为向该对象发送消息。方法。 当对象收到一个消息时，它除了要决定做什么还要决定怎样做，方法就是实现这 些动作的代码。类。类是面向对象技术中最重要的概念，用来描述具有相同操 作方法和相同数据格式的对象的集合，也就是说，类是对一组对象的抽象概括， 每个对象都是某个类的一个具体实例。对象的类有上下层之分，即存在父类和子 类的关系。o o p 技术就是建立在对象和类的基础上的。继承。这是面向对象 的特有概念，它使得一类对象可以继承另一类对象的特征和功能。在描述一个新 类时，可以从现有的类中派生，这个过程称为类继承。新类继承了原始类的特性， 新类称为派生类或子类，而原始类称为新类的基类或父类。派生类可以继承基类 的方法和实例变量，并且类可以修改或增加新的方法使之更适合特殊的需要。 与传统的面向过程方法相比，o o p 具有以下基本特点。 1 封装性：把数据和处理数据的方法捆绑在一起，构成一个类( 即对象) ， 使用一个对象的时候，只需知道它向外界提供的接口形式，无须知道它的数据结 构细节和内部操作算法。封装实际上是一种信息隐蔽技术，通过封装数据与方法， 对象能够将需要重用的功能包装起来，保证模块具有较好的独立性，使得程序维 护修改带来的影响减少到最低限度。 2 继承性：通过继承，一个程序系统的数据和操作只定义一次，系统的处 理能力可以通过对象的继承性实现共享，系统中的类因此具有了层次结构。继承 具有传递性，体现在这种继承能够无限地继续下去。同时继承具有多重性，一个 派生类可以继承多个基类，它使得派生类的实例( 对象) 具备更加灵活和功能更 加完善的功能。 3 多态性：即一个名字可具有多种语义。多态性主要强调可以在一个等级 中使用相同函数的多个版本，在运行时决定使用特定版本，也就是相同的操作随 着不同类型的入口参数，存取方式以及返回值可在不同运行时出现，即相同的操 作可用于多种类型的对象上并获得不同的结果。正是由于o o p 的这些特点，使 得面向程序设计方法在软件设计与系统开发过程中表现出极大的优越性，如系统 硕士学位论文第五章提速线路测量软件设计与实现 易于维护，扩充性好，开发速度快等。而c + + 作为一种真正意义上的面向对象的 程序设计语言( o o p l ) ，以其功能强大，实时性强、与硬件接口方便等特点著 称，且与w i n d o w s 操作系统结合很完整，成为目前使用最广泛的o o p l 。 5 3 2c o m 组件的动态链接库技术 c o m 是面向对象的软件模型，因而对象是它的基本要素。c o m 对象是某个 类( c l a s s ) 的一个实例；而类则是一组相关的数据和功能组合在一起的一个定义。 使用对象的应用称为客户。接口是一组逻辑上相关的函数的集合，接口的函数也 称为接口成员函数。在c o m 模型中，对象是通过接口及接口中的函数为客户提 供服务的，对于客户来说，它只与接口打交道。一个对象可以支持多个接口。 在c o m 规范中，并没有对c o m 对象进行严格的定义，但c o m 提供的是 面向对象的组件模型，c o m 组件提供给客户的是以对象形式封装起来的实体。 客户程序与c o m 组件程序进行交互的实体是c o m 对象，它并不关心组件模块 的名称和位置，但客户必须知道自己在和哪个c o m 对象进行交互。在c o m 模 型中，每个c o m 对象是用一个1 2 8 位的全局唯一标识符g u i d ( g l o b a l l yu n i q u e i d e n t i f i e r ) 来标识的，称为c l s l d ( c l a s si d e n t i f i e r 类标识和类i d ) 。c o m 对象与 c + + 对象相比，它有许多的不同之处。首先，二者的数据封装特性的实现形式不 同。在c o m 对象中，数据是完全封装在对象内部的，外部不可能直接访问对象 的数据属性。而c + + 对象的使用者与对象往往在同一个程序模块中，所以使用者 有可能直接访问对象中的数据成员，因此c + + 对类的成员访问进行控制。c o m 对象的数据成员的封装是以组件模块为最终边界，对于用户是完全不透明的、不 可见的；而c + + 对象的封装特性只是语义上的封装，对于对象用户是可见的。其 次，二者在可重用性上的表现形式也不一样。c o m 对象的可重用性表现在c o m 对象的包容与聚合，一个对象可以完全使用另一个对象的所有功能；而c + + 对象 的重用性表现在源代码一级，只体现在程序模块的内部，对模块外部而言，重用 性只体现在对代码的有效管理上。再次，二者在多态性上的体现方式也不一样。 正是c + + 对象的多态性，体现了c h 语言用类描述事物的高度抽象的特征；c o m 对象也具有多态性，但这种多态性需要通过c o m 对象所具有的接口才能体现出 来，就像c + + 对象的多态性需要通过其虚( v i r t u a l ) i 函数才能体现一样。 4 7 硕士学位论文 第五章提速线路测量软件设计与实现 c o m 对象的客户与对象之间是通过接口进行交互，客户必须通过接口才能 获得对象的服务，所以组件之间接口的定义至关重要，c o m 规范的核心内容就 是关于接口的定义。接口是包含- j 一组函数的数据结构，通过这组数据结构，客 户代码可以调用组件对象的功能。接口定义了一组成员函数，这组成员函数是组 件对象暴露出来的所有信息，客户程序利用这些函数获得组件对象的服务。客户 程序用一个指向接口数据结构的指针来调用接口成员函数。如图5 2 所示，接口 指针实际上又指向另一个指针，这个第二个指针指向一组函数，称为接口函数表， 接口函数表中的每一项为4