高速铁路轨道控制网
第11卷 第6期2014年12月
铁道科学与工程学报
JournalofRailwaScienceandEnineerin ygg
Volume11 Number6
December2014
高速铁路轨道控制网高程网测量新方法
何林烜,刘成龙,达乾龙,王利朋
()西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都611756
*
)摘 要:目前高速铁路轨道控制网(高程网的水准测量方法有德国的中视法和我国的矩形法。但这2种方法在测量CPIII实际中的效率并不够高,需进一步改进当前的测量方法提高生产效率。基于高精度的电子水准仪单次测量数据的精度和可靠性高的考虑,提出1种外业测量效率更高的电子水准仪CPIII高程网测量新方法。通过介绍该方法的外业测量原理和数据处理过程,阐述采用该方法获取外业测量数据的可靠性,同时研制该方法的数据处理软件并且用于实例计算。研究结果论证了该方法的可行性,建议在高速铁路工程测量规范修订时引进该方法并在实际工程中应用。关键词:德国中视法;矩形法;新中视法CPIII高程网;
()中图分类号:P258 文献标志码:A 文章编号:1672-7029201406-0137-05
Newmethodforelevationnetworkmeasurement ofhih-seedrailwatrackcontrolnetwork gpy
,,,WANGHELinxuanLIUChenlonDA QianlonLien gggpg
(,,)FacultofGeosciencesandEnvironmentalEnineerinSouthwestJiaotonUniversitChendu611756,China ygggyg
:AbstractCurrentltherearetwomainmethodsforelevationnetworklevelmeasurementinhihseedrailwa ygpy
),,Gtrackcontrolnetwork(CPIIInamelermanintermediatesihtmethodandtheChinarectanularmethod. ygg,,,rocessHoweverinthemeasurementofCPIIIelevationnetworkthetwomethodsarenotefficientwhichneeds ptofurtherrefinethecurrentmeasurementmethodtoimrovetheroductionefficienc.Basedontheconsideration ppy
,theaccuracandreliabilitofthesinlemeasurementdatameasuredbhihrecisionelectroniclevelamoreefof -yygygp ficientelectroniclevelCPIIIelevationnetworkmeasurementmethodwasinthisfieldmeasureroosedaer.The -pppp
,mentanddataofthemethodwereintroducedandthereliabilitoffieldmeasurementrincilerocessinrocess ypppgp ,,datawasinterretedbthismethod.Moreoverdatarocessinsoftwareofthemethodwasdeveloedwhichwas pypgp thenusedtocalculateanactualcalculation.Throuhcomutationalanalsisandcomarisonofmeasurementexer -gpypp
,,imentaldatatheresultsdemonstratethefeasibilitofthismethodanditissuestedtoaddthismethodinthere -ygg visionofhih-seedrailwaenineerinsurveinsecificationsandtoalittoracticalenineerin. gpyggygpppypgg :;;KewordsCPIIIelevationnetwork;Germanintermediatesihtmethodrectanularmethodnewin -ggy termediatesihtmethod g
是沿线路方向PIII控制网, 轨道控制网简称C
布设的三维控制网,一般在线下工程完成后施测,为无砟轨道铺设和运营维护提供基准,CPIII控制其高程网的精度要求很网分为平面网和高程网,
高,要求相邻CPIII点高差中误差不应大于±0.5
[]
mm1。目前CPIII高程网的水准测量方法有德国
2]
。德国中视法测量采用中视法和我国的矩形法[
沿线路方向每2对C往返观测方式,PIII点的中间
2014-06-02*收稿日期:
/);“基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(轨道交通安全协同创新中SWJTU12ZT07SWJTU12BR0142011计划”
心经费资助项目
,:通讯作者:刘成龙(男,福建莆田人,教授,从事高速铁路精密工程测量研究;1962-)E-maillclzwi.sina.com@vyp
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铁道科学与工程学报2014年12月
位置架设仪器,往测时以轨道一侧的CPIII点为主线进行“后前视”测量,然后“中视”测量轨道另一侧的C除第一测站需要“中视”测量2个PIII点,其余每测站都只需“中视”测量1个CPIII点外,
3]
。矩形法测量时按每相返测时则相反[CPIII点,对该线路上邻2对CPIII点构成一条矩形环线路,的每测段高差都按我国传统的水准测量习惯观
4]
,测[除第一个矩形环线路需要设置2个测站观测
表1 不同距离下对同一水准尺观测50次的数据统
计情况
Table1Statisticalofreadinsbobservinsamelevelin gygg
50timesunderdifferentdistancerod
距离/m
20
25 0.10 0.47
30 0.08 0.37
350.090.49
平均绝对误差/mm06 0. 最大互差/mm
0.43
平均绝对误差是所有单次观测值与算术平均值的偏差的 注:
最大互差是任两次观测值之间的最大差值的绝对绝对值的平均,值。
而后每个矩形环线路都只需设置1个4段高差外,
测站观测其余的3段高差,该方法只需单程观测。
前面提到,德国中视法需要进行往返观测,而矩形法尽管是单程观测,但每段高差都按“后前前后”
]5
,或“前后后前”的方式测量[即对每个CPIII点都
从表1中可以看出,在水准尺与仪器间距离为电子水准仪重复测量530m左右的前提下,0次的
数据的平均绝对误差在0.其最大互差1mm左右,也不超过0.表明该数据的整体离散程度5mm,低,单一测量值的精度高且可靠。这说明现代的电子水准仪重复测量数据的散小,只进行单次测量数据的精度和可靠性高,可以考虑不进行重复测量,进而为本文提出的新中视法CPIII高程网测量奠定了基础。
有多次的重复测量,在电子水准仪普及使用的现代,本文认为上述2种测量方法的效率仍然不高,应该进一步研究测量效率更高而精度又能够满足要求的C为此提出了CPIII高程网测量新方法,PIII高程网水准测量的新方法,简称为新中视法。
1 电子水准仪对同一水准尺多次重
复观测实验
CPIII高程网一般采用高精度的电子水准仪进行外业测量。电子水准仪是目前水准仪系列中精度和自动化程度最高的水准测量设备,没有人为的读数误差,更不存在记录误差和错误。尽管电子水准但在仪是基于条码的自动测量不存在读数偶然性,实际测量时,由于立尺员难以保证水准尺圆水准器的气泡的精确居中,即水准尺会有一定的前后左右晃动,使对同一点多次测量得到的结果有所差异,通常取多次测量值的平均值为最可靠值。那么电子水
这需进一步地实验验证。为此,和可靠性究竟如何,
进行电子水准仪在不同距离下对同一水准尺多次重复观测的实验。考虑到CPIII点的纵向间距约60~
[]
仪器每一测站都大致70m和横向间距1020m6,~
架设在相邻两对C因此仪器与PIII点的中间位置,
2 新中视法测量CPIII高程网
2.1 测量原理
针对电子水准仪读数正确性和可靠性的这一在实际测量中重复测量的数据离散性小、单特点,
次测量数据的精度和可靠性高,认为在测量CPIII站仪器对后的4个CPIII点可只测量1次,不再进行重复测量,也能够得到正确可靠的数据。为此,新中视法测量时站大致架设在每相邻两对(4个)CPIII点的中间位前后的个CPI测量1次,C后前”模式测量PIII点为主线按“再“”2个CPIII点方向逐站测量推进,,新中视法整个测量过程如图1所示。
所测CPIII点间的距离一般是在30m左右。故在本次实验中,分别将水准尺立在离仪器约为20、同时人为地使水准尺适25、30m和35m的位置,
在每1个位置都重复测量5记录每1当摇晃,0次,次测量时水准仪的读数,统计不同距离下对同一水准尺观测50次得到的数据的平均绝对误差和最大互差,如表1所示。
按这样的方式测量,每一测站都有进行后视、前视和中视测量得到的4个水准尺读数,对这4个
图1 新中视法构建CPIII高程网的测量过程示意图Fi.1Measurementrocessofnewintermediatemethod pg
tobuildCPIIIelevationnetwork
第6期何林烜,等:高速铁路轨道控制网高程网测量新方法
139
读数进行相互之间求差,可计算出相邻2个CPIII点间的高差,每一测站由4段高差组成,忽略这4段高差之间的相关性,可组成如图2所示的CPIII高差闭合环
。
认为重复高差较差取1mm为限差比较合适。
新中视法与矩形法的闭合环组成形式是相同的,新中视法每一测站得到的4段高差可组成矩形但由于这4段高差之间有相关性,因此会闭合环,
使得到的环闭合差均为0。但在线路横向上的CPIII点对间的测段高差有重复值,
这样得到的矩形环高后重新计算矩形环闭合差,差闭合差一般不为0。
此外,沿线路每2km左右会布设有线路水准基点,是后续对测量数据进行平差处理时的起算同时也用来检查新中视法的附合路线高差数据,
闭合差是否合格,因此可计算每2km的附合路线高差闭合差。
由此可见,新中视法可按照上述3种方法计算以确保新中视法外业测量数所测高差的闭合差,
据的可靠性。根据文献[中的规定,这3种高差1]闭合差的限差应满足表2的要求。
表2 新中视法3种高差闭合差的限差要求
Table2Threetolerancereuirementsofelevationdifference q
closuresofnewintermediatemethod
限差项限差值
重复高差较差/mm
1
闭合环闭合差/mm
1
附和路线闭合差/mm
图2 新中视法测量高差闭合环示意图
Fi.2Elevationdifferenceclosedlooofnewintermedi -pg
atemethodmeasurement
2.2 与德国中视法和矩形法比较
()德国中视法需进行往返观测,除第一测站1要“中视”测量2个C其余的测站都只PIII点外,“中视”测量1个C而新中视法每一测站都PIII点,要“中视”测量2个C只需进行单程测量。PIII点,
()矩形法对两C2PIII点形成的测段高差都按“后前前后”或“前后后前”的方式测量,这样每一测站上对CPIII点进行了多次的重复测量,视法每一测站对每个CPIII点只测量一次。
可见,相比于德国中视法和矩形法,中视法每一测站减少了对C减少PIII点的重复测量次数,了立尺员的移动距离,显著地提高了外业测量的效率。
±43 新中视法高差闭合差的计算和测量数据的可靠性分析
3.1 三种闭合差的计算方法及其限差
新中视法每一测站都会得到4个CPIII点的水准尺读数,通过对两相邻CPIII点的水准尺读数求差可计算出相邻C这样沿着线PIII点间的高差,路方向的相邻测站间存在重复高差,即在线路横向上的CPIII点对间的测段高差有重复值,重复高差较差。CPI-II点没有重复高差,环来检查。文献[中明确规定了各等级的水准1]测量限差,其中给出了测段往返测高差不符值的限差要求,由于CPIII点水准测量按精密水准测量技术要求施测,故对重复高差较差的限差取8需mm。但考虑到通过这样得出的限差值仍较大,要进一步限定其取值。为此统计了60km左右的高铁线路C共1PIII高程网实测数据,113测站, 计算每相邻两测站间重复高差的较差值,发现重复高差较差小于1mm的达到率为9因此9.64%,
3.2 新中视法测量数据的质量和可靠性分析
本文认为按新中视法测量CPIII高程网得到的外业测量数据是可靠并且正确的,原因主要有以下几点:
()电子水准仪重复测量数据的离散性小,单1
次测量数据的精度和可靠性高,可知外业测量时电子水准仪只对CPIII点上的水准尺照准读数1次,也可以保证测量数据的正确性。
)(除线路的起始和最后一对C在2PIII点外,线路横向上的两CPIII点间的高差都有2个测站的测量成果,可进行重复高差较差的检查。()沿线路方向的每相邻两对C可构3PIII点,成矩形闭合环进行高差闭合差检核。
()每2k4m左右可进行附合路线高差闭合差检核。
4 数据处理
水准网的数据处理并不算复杂,在此根据新中视法的测量原理,简单叙述新中视法的数据处理过程。由外业观测数据按上述高差计算方法计
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铁道科学与工程学报2014年12月
表3 重复高差较差检查的统计情况
算出按新中视法测量的相邻C采PIII点间的高差,
4]用经验定权法[确定高差观测值的权比关系,对含
Table3Statisticsofthecheckofreeatelevationdifference p
discreancpy
/区间mm-0.20.2-0.40.4-0.60.6-0.80.8-1.01.0~~~~~个数百分比/%
26 37.14
41 58.57
56 78.87
65 92.86
70100
有重复高差的测段取平均值并按权倒数传播定律计算新权。在进行平差处理之前,按3.1节计算新用以检核外业观测数据中视法的3种高差闭合差,
的质量。C为方便计算PIII高程网的数据量较大,一般采间接平差的方开列误方机的处理,
程进行平差,通过平差解算出的验位中误可对新差和未知参数的协因数矩阵等相关信,,在文献[中有7]平差和精度评定过程的详细介绍,在此不再赘述。
由于新中视法的高差计算与常规方法有所不同,而且除了计算闭合环和附合路线高差闭合差外,还计算和检查相邻测站间的重复高差较差。为此,根据间接平差模型及其精度评定公式,运用并用于测C#语言研制了新中视法平差处理软件,量实验数据的计算,进行算例分析。该软件的计算流程为:
()数据预处理:将电子水准仪新中视法测量1
的原始数据处理得到相邻点间的高差;
)(重复高差较差检查:计算并检查相邻测站2
间的重复高差较差;
)(导入已知数据:引入高程控制基准;3()闭合差统计:计算矩形闭合环和附合路线4;
)(平差计算:网平差处理以及精度评定。5
表4 矩形闭合环高差闭合差的统计情况Table4Statisticsoftherectanularrinclosinerror ggg
/区间mm-0.20.2-0.40.4-0.60.6-0.80.8-1.01.0~~~~~个数百分比/%
32 45.07
52 73.24
61 85.92
69 97.18
71100
表5 附合路线高差闭合差的统计情况
Table5Statisticsoftheannexedlevelinlineclosinerror gg
编号1 2 3 4 5 6
附合路线号428~429 428~430 428~431 429~430 429~431 430~431
闭合环长度/km高差闭合差/mm限差/mm
1.08 2.44 2.981.411.960.67
2.26 1.53 -0.58 -0.72 -2.84 -2.11
4.166.246.904.755.593.28
对检查合格的新中视法测量数据进行平差 其次,
然后与矩形法的平差成果及其精度进行比较,计算,
比较结果如表6和表7所示,2种方法得到的CPIIICPIII点间的高差平差值的差值都±相应的中误差的差值也很小,可以0.5mm以内,。
表6 新中视法和矩形法差值及其精度比较
5 实例分析
为了探究新中视法在实际测量中应用的可行性和所能达到的精度情况,特在某客运专线上选取了一段长度不小于分别采用新中m,视法和矩形法进行CPIII高程网的建网测量实验。本次PI高程网测量实验一共测量了72对CI联测了4个线路水准基点。从实际测量的效II点,
新视法较之矩节省了一半以上的,时间。
首先,按3.1节计算新中视法外业测量数据的共得到73种高差闭合差,0个重复高差较差值以及71个矩形闭合环和6段附合路线的高差闭合差,各高差闭合差的统计结果见表3、表4和表5,可以看出3种高差闭合差均满足表2中规定的限说明新中视法外业测量数据的可靠性和差要求,精度是合格的。
情况
Table6Comarisonofverticaladustmentvaluesandits pj
recisionsbetweennewintermediatemethodand p
rectanularmethodthe g
高程平差值之差/mm
最大值最小值绝对值的平均值
0.50 -0.49 0.17
中误差之差/mm
0.010.000.01
表7 新中视法和矩形法的高差值及其精度比较情况Table7Comarisonofelevationdifferenceadustmentval -pj
recisionsuesanditsbetweennewintermediate pandtherectanularmethodmethod g
高差平差值之差/mm
最大值最小值绝对值的平均值
0.47 -0.39 0.08
中误差之差/mm
0.030.000.01
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对新中视法和矩形法实测数据的精度 最后,
进行统计,统计结果如表8所示,可以看出2种方法的精度情况相差无几。综上,可以说明采用新中视法测量C其成果均能PIII高程网具有可行性,够满足高速铁路工程测量规范的要求。
表8 新中视法和矩形法实测数据精度统计表
Table8Precisionstatisticsofrawdataofnewintermediate
andtherectanularmethodmethod g
高程中误差最
高差中误差最
每km高差偶然中
每km高差全中
验后单位权中
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//ofhih-seedrailwaC]The2ndInternational gpy[,,ConferenceonRailwaEnineerinBeiin2012. yggjg
[12]TakaloM,RouhiainenP.Onsstemcalibrationof y
//diitallevel[C]14thInternationalConferenceon g
,,EnineerinSurveinZurichSwitzerland.2004.ggyg
大值/mm大值/mm误差/mm误差/mm误差/mm
新中视法矩形法
0.80 0.81
0.30 0.30
0.80 0.83
0.55 0.67
1.171.18
6 结论
()现今普遍使用的电子水准仪的观测精度1
已经非常高,其重复自动测量的数据离散性小,只进行单次测量数据的精度很高,完可以保证新中视法测量数据的准确性和可靠性,是提出这样一种新测量方法的主要依据。
()新中视法测量减少了对C2PIII点的多次
通过C外业重复测量,PIII高程网测量实验统计,
测量时新中视法用了不足矩形法的一半时间,大大地提高了外业测量的效率。
()给出了新中视法外业测量数据检查计3算的3种高差闭合差及其限差要求,站间重复高差较差的取值为1mm,是根据规范和具有合理性。大量实测数据统计得出,
()通过与矩形法构建C4PIII高程网的测量实验结果比较,平差得到的CPIII点的高程平差值与矩形法相差很小,并且2种测量方法实测数据的表明该测量方法具有可行性,可以满足精度相近,高速铁路CPIII高程网的精度要求。参考文献:
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