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          鐵路工程TCAS的功能及應用

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          鐵路工程TCAS的功能及應用

          一、引言

          鐵路、公路、水利水電、市政、城市地鐵等工程的控制測量、施工放樣、局部大比例尺測圖(數據采集),測量的傳統模式均為人工記錄、復核、計算,再進行施工放樣等測量工作。為防止錯誤,需層層核對,但錯誤仍然難免,工作強度大,并嚴重影響作業效率。鑒于上述情況,我們在吸收國內外眾多軟硬件經驗的基礎上,針對鐵路行業和國家工程測量規范、生產流程、作業方式等具體情況,將測繪學的基本原理與現代高科技相結合,對電子全站儀、電子水準儀以及常規地面測量儀器進行系統深入的開發研究,以鐵路隧道、橋梁、公路、水利水電、市政及城市地鐵等工程的控制測量、施工放樣和碎部測量等測量工程為對象,依據國家工程測量規范、結合鐵路測量規范,為鐵路工程施工測量而量身定做的一套集外業數據采集、平面與高程放樣和內業平差處理、數據分析及成果報表輸出于一身的一體化自動化中文測量系統——鐵路工程施工測量自動化處理系統(簡稱tcas系統)。

          二、TCAS系統的總體結構及主要功能

          TCAS系統包括野外采集與處理系統(TCAS-HC)、室內處理系統(TCAS-PC)兩個子系統。TCAS-HC用于掌上電腦(電子手簿)上做野外控制、碎部測量的數據采集、外業檢核、放樣、小型控制網平差處理、線路及橋梁測量計算等工作。使用FlashRAM,保證數據不會丟失(即使斷電),手簿的高穩定性保障了數據的安全和測量人員的勞動成果。可以處理100個水準點,80個點的平面控制網;支持國內外常見的全站儀如索佳、尼康、拓普康、徠卡、賓得、捷創力、蔡司及北光等儀器與電子手簿的通訊。TCAS-PC用于WIN9x微機上將野外采集的測量數據作過濾、轉換后做平差處理、粗差探測、數據分析、網圖顯繪、隧道貫通誤差計算和生成成果報表等工作,可處理的控制網的規模和速度僅受到計算機內存的限制:如在主頻166MHz的586計算機上,解算500個點的平面和水準控制網可以在1min內完成;在具有20M硬盤空間的微機上可以解算多達5000個點的平面控制網。1.野外數據采集野外數據采集系統是基于全站儀的自動化數據采集系統,當然用戶亦可人工輸入野外觀測數據。測量員只需照準目標,在電子手簿上按單鍵即可自動采集所需的水平方向、斜距、天頂距或平距等,省卻了傳統模式中又慢又易出錯的口念筆錄,提高了工效。當在系統上建立測站后,系統自動引導測量員觀測。采集的數據存儲在手簿內存,即使斷電也不會丟失數據。2.外業測量數據檢核TCAS-HC的外業檢核功能,在于野外發現不合格觀測成果,及時組織補測或重測。對控制測量,系統提供了對向邊長、對向高差、高差閉合差、導線閉合差、導線環平面角度閉合差等外業檢核項目,有利于保證測量數據質量,極大地提高了工作質量。1.往返邊長:輸入邊長起、終點,按測距儀標稱精度(固定誤差和比例誤差)的2倍作為限差,超限提示。2.往返高差:輸入測段的起、終點,具有超限提示。3.累計高差:輸入高差閉合環或符合路線,即可計算出高差累計值,具有超限提示。4.導線閉合差:對附合導線,輸入起始邊(或兩已知點)、中間點和附合邊(或兩已知點)的路線,計算出附合導線的閉合差(角度和坐標閉合差)。5.環的角度閉合差:用于閉合導線環,輸入閉合環的頂點,計算角度閉合差,具有超限提示。3.控制網平差處理系統對采集的數據進行過濾、加工、轉換、概算,形成一定格式的野外觀測數據格式文件。設定平差參數后即可平差處理。當然用戶也可手工編輯形成系統約定的數據格式,交與系統處理。采用帶條件的間接平差模型,您只需告訴系統必要的網的基準數據(已知數據),系統即可處理任意網形的平差工作(如圖1)。4.線路測量TCAS-HC提供的線路測量功能,基于控制網的線路切線定義(告訴TCAS-HC哪些點是切線控制點就行了)或基于線路元素定義,自動計算曲線要素,推算里程,計算曲線上任意里程點的坐標,即可現場進行中線放樣;線路定義既可在TCAS-HC上定義、編輯,也可在微機上編輯好傳輸至電子手簿。5.橋梁測量在TCAS-HC上可基于一段線路定義曲線橋梁數據,由電子手簿自動計算出橋梁工作線偏角、跨距、各墩臺坐標及十字線護樁方位等,即可現場放樣橋梁墩臺位及十字線護樁。6.放樣施工測量的重要任務之一是平面和高程放樣。TCAS-HC提供了方便的放樣功能,自動提示點位移動方向和大小。可以放樣線路中線點、橋梁墩臺中心及其護樁、任意碎部點,以及直線、弧線等。7.成果報表為了方便測量資料存檔及查閱,TCAS系統提供:原始觀測值報表;控制網平差成果報表;線路曲線報表;橋梁墩臺報表;批量工程放樣報表等。8.通訊手簿和微機的數據完全可以相互傳輸,即電子手簿所采集的數據可以隨時傳輸到PC機上處理,電子手簿使用的數據文件可以在PC機上編輯好后再傳輸到電子手簿供使用。9.其他TCAS還提供了測量控制網閉合差計算,粗差探測、分析,方案優化設計,隧道控制網貫通誤差嚴密估算,控制網網圖顯繪,坐標變換;各等級幾何水準測量(自動引導觀測);碎部測量;斷面測量等處理功能。

          三、TCAS系統的技術特點

          1.TCAS系統功能強大,能適用于各種等級網測量及數據處理。固化在掌上型電腦RD-EB2上的TCAS-HC軟件包,具有控制測量、施工放樣和碎部測量的質量控制,以及對鐵路線路、橋梁、隧道數據處理和放樣等功能。自動化程度高,容錯功能強。實現了對任意等級和網型的1~3維控制網的內外業一體化處理。TCAS-PC通用軟件包,具有功能強大,自動化程度高,通用性好,計算容量大,運算速度快,操作簡便及實用可靠等顯著優點。既可單獨使用,也可與TCAS-HC聯合使用,可處理鐵路工程各種類型、等級和規模的工程控制網。2.TCAS系統設計新穎、技術先進。采用了面向對象的編程技術和嚴密平差理論及網點優化排序、變帶寬壓縮存儲,直接尋訪擴展內存以及程序覆蓋等技術。設計了基于測站的網點數據結構;實現了近似坐標自動推算法,任意網最小獨立閉合環的自動搜尋算法及閉合差計算;在控制與施工測量內外業作業一體化和自動化方面以及原始數據保護和隧道貫通誤差計算,精度評定等方面設計新穎、技術先進。3.操作簡單,自動和人工方式兼顧。TCAS軟件包既是一個黑箱系統,能實現各種功能的自動和集成運行,即使用戶對硬件掌上型電腦和數據處理的技術與理論不甚了解,也能在菜單的引導下,得到高質量的處理結果;TCAS軟件包也是一個開放型系統,能提供一些特殊入口,為有經驗的用戶提供人工干預的手段,可用人工輸入基于測站的網點數據結構,進行數據處理等。4.圖形化設計,直觀簡潔。TCAS系統可對照網圖直接方便地查看測站觀測值等信息(水平角、斜距、平距、天頂距、氣壓、溫度、儀器高、反射鏡高、高差等),檢核角度閉合差及高差閉合差等;可刪除不參與平差處理的方向值、邊長等,這些圖形化操作具有極大的靈活性,能提高作業效率。5.成果輸出規范,無須人工整理。TCAS-PC軟件包是根據國內最新《工程測量規范》和《新建鐵路工程測量規范》的基本要求研制,其處理結果包括在國家或地方獨立坐標系中1維高程和2維坐標,精度、方向和距離原始觀測值及改正值等信息。處理成果可分類以報表打印和按文件保存,以便作為成果資料交付。

          四、TCAS系統的應用

          TCAS系統廣泛用于鐵路、公路、水利水電、市政工程等行業。適用的部門包括:鐵路、公路勘測設計,施工單位,市政建設的道橋工程公司,水利水電行業的隧道、橋梁、道路工程公司,以及工程咨詢及監理機構;相關專業的高等院校,大中專院校在教學、實習以及科技開發中應用等。自TCAS系統1998年10月通過鐵道部鑒定后,1999年運用到中鐵二局集團公司主要重點工程有:內昆鐵路黃蓮坡隧道(長5306m)、秦沈客專線月牙河特大橋(長10188m)、京珠高速公路府倫河特大橋(長5948m)、株六復線53km線路、廣州地鐵等重點工程。實現從原始數據采集、檢核、預處理(如進行三差改正、高程面歸算等)、平差計算、放樣計算、成果報表輸出等一體化自動化作業。經過上述重點工程的驗證,取得了很好的效果,極大地減輕了測繪人員的勞動強度,提高了工效,成果質量可靠。同時提供了數字化測繪產品,大大提高了測繪產品質量,具有較高的社會和經濟效益。隨著高科技的不斷發展,還將不斷改進完善TCAS系統,進一步提高其應用水平。