陳愛(ài)梅,吳 昊,吳北平

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,云南 昆明 650224;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

CPⅢ軌道控制網(wǎng)是高速鐵路無(wú)碴軌道鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的三維控制基準(zhǔn)[1-2],其精度高低直接影響著軌道鋪設(shè)幾何線性的平順性和列車運(yùn)營(yíng)時(shí)的穩(wěn)定性、安全性以及舒適性,因此CPⅢ軌道控制測(cè)量工作就顯得極為重要。

CPⅢ軌道控制網(wǎng)測(cè)量具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集量大、測(cè)量精度要求高、施測(cè)難度大等特點(diǎn),當(dāng)前CPⅢ軌道控制測(cè)量主要采用測(cè)量機(jī)器人(智能型全站儀)和PDA(個(gè)人數(shù)字助理)全自動(dòng)一體化作業(yè)模式[3]。同時(shí)為了提高數(shù)據(jù)采集的效率和可靠性,國(guó)內(nèi)外也相繼開(kāi)發(fā)了一系列適用于CPⅢ軌道控制網(wǎng)測(cè)量作業(yè)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件,例如德國(guó)的FFBoegl-PVP布板軟件、中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院的“CPⅢ精密控制測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)”、中鐵第二勘察設(shè)計(jì)院的“無(wú)碴軌道CPⅢ網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”、中鐵第三勘察設(shè)計(jì)院的“客運(yùn)專線軌道設(shè)標(biāo)網(wǎng)一體化測(cè)量系統(tǒng)”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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化,同時(shí)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制功能,并能與后續(xù)CPⅢ控制網(wǎng)平差計(jì)算實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接[3]。但是它們也存在一定的不足,例如價(jià)格昂貴、數(shù)據(jù)不兼容、平臺(tái)不統(tǒng)一、無(wú)法共享等。

基于以上背景,在Visual studio 2008環(huán)境下,采用Visual C#.NET編程語(yǔ)言,設(shè)計(jì)了開(kāi)放式的PDA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和通用的驅(qū)動(dòng)命令模塊,開(kāi)發(fā)了基于PDA的CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集方法

在線路兩側(cè)的接觸電桿上設(shè)置CPⅢ網(wǎng)的控制點(diǎn),控制點(diǎn)呈對(duì)稱布設(shè),如圖1所示。數(shù)據(jù)采集使用的是自由設(shè)站和后方交會(huì)兩種測(cè)量模式[7],其數(shù)據(jù)采集步驟如下:

1)在相鄰的兩對(duì)CPⅢ點(diǎn)間進(jìn)行自由設(shè)站(如圖1的測(cè)站A);

2)對(duì)測(cè)站A前后150 m范圍內(nèi)的6對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行照準(zhǔn)學(xué)習(xí);

3)待學(xué)習(xí)完成,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)尋找和照準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行方向和邊長(zhǎng)的觀測(cè);

4)待測(cè)站A完成,在相鄰距離約120 m的區(qū)域內(nèi)設(shè)置測(cè)站B(也需觀測(cè)6對(duì)CPⅢ控制點(diǎn));

5)在測(cè)站B上對(duì)測(cè)站A中8個(gè)聯(lián)測(cè)點(diǎn)中的任意兩個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)學(xué)習(xí);

6)利用這兩個(gè)重復(fù)的CPⅢ控制點(diǎn)采用后方交會(huì)設(shè)站模式交會(huì)出測(cè)站B的位置;

7)在測(cè)站B上對(duì)測(cè)站A中剩下的6個(gè)聯(lián)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè);

8)以測(cè)站B和各聯(lián)測(cè)點(diǎn)的位置信息推算出各聯(lián)測(cè)點(diǎn)的方向和天頂距,完成聯(lián)測(cè)點(diǎn)的學(xué)習(xí);

9)在測(cè)站B上對(duì)剩下的4個(gè)新的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行照準(zhǔn)學(xué)習(xí);

10)待學(xué)習(xí)完成,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)測(cè)站B上所有的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量;

11)后續(xù)測(cè)站重復(fù)測(cè)站B的設(shè)站模式進(jìn)行CPⅢ控制點(diǎn)的測(cè)量。

圖1 CPⅢ數(shù)據(jù)采集原理示意圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 軟硬件配置

2.1.1 硬件配置

CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是運(yùn)行在Windows Mobile操作系統(tǒng)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(nèi)存≥64 MB,CPU主頻≥64 MB,至少有一個(gè)RS232串行接口和至少有一個(gè)SD卡擴(kuò)展接口,供電時(shí)間在8 h以上,運(yùn)行穩(wěn)定;

2)測(cè)量機(jī)器人,國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口主流測(cè)量機(jī)器人均滿足要求;

3)計(jì)算機(jī),目前市場(chǎng)上中檔配置的計(jì)算機(jī)即可滿足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及運(yùn)行的要求;

4)PDA與測(cè)量機(jī)器人連接的傳輸電纜。

2.1.2 軟件配置

1)操作系統(tǒng)和版本:Win7 32位操作系統(tǒng)。

2)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái):Microsoft Visual Studio2008.

3)系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái):Windows Mobile嵌入式操作系統(tǒng);

4)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言:Visual C#.NET。

2.2 邏輯設(shè)計(jì)

CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),是集測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和個(gè)人數(shù)字助理PDA于一體,能夠根據(jù)軌道施工控制網(wǎng)的架構(gòu)進(jìn)行具體分析,為其提供高質(zhì)量、準(zhǔn)確性好的原始數(shù)據(jù),基于這種思想,系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了三層的C/S結(jié)構(gòu)模式。系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.3 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程是將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解成多個(gè)功能模塊的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程就是模塊化方法。本系統(tǒng)具有自動(dòng)測(cè)量、效率高、自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)超限、自動(dòng)報(bào)警、數(shù)據(jù)格式高通用性等特點(diǎn),為了能更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能,本系統(tǒng)包括了項(xiàng)目管理、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)測(cè)量、質(zhì)量控制、成果輸出等五大部分,其中數(shù)據(jù)測(cè)量又包括了目標(biāo)學(xué)習(xí)和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能。

CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能框架圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于生產(chǎn)測(cè)量機(jī)器人的廠家眾多,型號(hào)各異,其通信模式也各不相同。因此,為了使本系統(tǒng)在應(yīng)用方面更具廣泛性,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期收集了不同測(cè)量機(jī)器人的控制指令,根據(jù)所收集的不同測(cè)量機(jī)器人的相關(guān)信息設(shè)計(jì)PDA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1示。

表1 PDA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.5 通信設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)PDA控制全站儀進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量,二者之間的數(shù)據(jù)通信功能是必不可少的。本系統(tǒng)主要利用串口通信技術(shù)[8-9]實(shí)現(xiàn)二者通信,PDA發(fā)送指令通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將PDA RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為激光信號(hào),信號(hào)在電纜中傳輸,到達(dá)測(cè)量機(jī)器人站點(diǎn)后,再由調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS232電信號(hào),即完成二者通信。

PDA與測(cè)量機(jī)器人通訊實(shí)現(xiàn)的關(guān)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(shù)據(jù)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(shè)置

public static SerialPort Com_SerialPort

{

get

{

return m_SerialPort;

}

set

{

m_SerialPort=value;

}

}

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 項(xiàng)目管理

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是按工程項(xiàng)目進(jìn)行管理的,所有的操作都在所選定的項(xiàng)目中進(jìn)行,輸入的作業(yè)信息、其他參數(shù)、結(jié)果文件等也都在所創(chuàng)建的工程項(xiàng)目中進(jìn)行統(tǒng)一管理,方便用戶使用、便于存檔調(diào)閱。

3.2 觀測(cè)設(shè)置

觀測(cè)設(shè)置下又包括通訊參數(shù)設(shè)置,只有當(dāng)PDA與測(cè)量機(jī)器人的通信參數(shù)設(shè)置相同時(shí),二者的通信才能完成;限差設(shè)置,如圖4示,可按不同的測(cè)量精度設(shè)置限差范圍,在自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的整個(gè)過(guò)程中,均可對(duì)各項(xiàng)限差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢核,如圖5示,保證觀測(cè)成果的質(zhì)量;儀器設(shè)置和其他信息設(shè)置等。

3.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集

測(cè)量機(jī)器人在進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集開(kāi)始之前,需要先進(jìn)行目標(biāo)學(xué)習(xí),得到每個(gè)待測(cè)觀測(cè)點(diǎn)與測(cè)站之間的水平方向與天頂距觀測(cè)值,這樣就可以在采集進(jìn)程中自動(dòng)照準(zhǔn)并鎖定目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化與智能化,提高了數(shù)據(jù)采集效率,部分過(guò)程界面如圖6、7所示。在整個(gè)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)過(guò)程中,系統(tǒng)按先前設(shè)置的限差嚴(yán)格進(jìn)行計(jì)算檢核,若有超限,自動(dòng)測(cè)量這個(gè)操作就會(huì)停止在發(fā)生超限的這個(gè)位置,并出現(xiàn)相應(yīng)的超限提醒對(duì)話框,此時(shí)測(cè)量員即可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定是否重測(cè)超限點(diǎn)的數(shù)據(jù)。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(cè),如果多次測(cè)量仍出現(xiàn)超限情況,則需檢查測(cè)量機(jī)器人電子氣泡是否偏離,溫度是否突變等,如果是則該測(cè)站整個(gè)需要重測(cè)。

圖4 限差設(shè)置 圖5 限差檢核

圖6 目標(biāo)點(diǎn)學(xué)習(xí) 圖7 自動(dòng)測(cè)量

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出

結(jié)束觀測(cè)后,用戶可以根據(jù)需要查看所采集的數(shù)據(jù)信息,學(xué)習(xí)文件、觀測(cè)文件等相應(yīng)的限差檢核控制文件都被存儲(chǔ)在系統(tǒng)設(shè)置的路徑下,并可選擇輸出格式,實(shí)現(xiàn)與其它數(shù)據(jù)處理軟件的無(wú)縫銜接。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于PDA嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)的CPⅢ軌道控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),充分利用了PDA與測(cè)量機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)具有自動(dòng)化程度高,靈活性和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)不僅解決了客運(yùn)專線無(wú)碴軌道控制網(wǎng)測(cè)量精度要求高、施測(cè)難度大等問(wèn)題,還有效地解決了國(guó)內(nèi)外同類軟件彼此間平臺(tái)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不兼容無(wú)法共享等問(wèn)題,測(cè)量中大大降低了人為因素的干擾,提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作效率和數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/10601-2009,高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范[S].2010.

[2]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15314-94,精密工程測(cè)量規(guī)范[S].1994.

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

[4]袁 恒.軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理新方法研究 [D].成都:西南交通大學(xué)大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程, 2012.

[5]王國(guó)祥, 賴?guó)櫛?高速鐵路軌道控制網(wǎng)CPⅢ建網(wǎng)與精度控制[J]. 高速鐵路技術(shù), 2012,3(1):18-23.

[6]張英翔,胡 波,羅 濤,等.京滬高速鐵路CPII控制網(wǎng)復(fù)測(cè)技術(shù)研究[J].地理空間信息,2008,6(3):112-114.

[7]李 強(qiáng).無(wú)砟軌道CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)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(wěn)定實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)繪工程, 2009,18(5):47-50.

[9]郭小龍.基于PDA的嵌入式移動(dòng)GIS系統(tǒng)應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)[J].地理空間信息, 2007,5(4):19-23.