铁路工程TCAS的功能及应用

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一、引言

铁路、公路、水利水电、市政、城市地铁等工程的控制测量、施工放样、局部大比例尺测图(数据采集),测量的传统模式均为人工记录、复核、计算,再进行施工放样等测量工作。为防止错误,需层层核对,但错误仍然难免,工作强度大,并严重影响作业效率。鉴于上述情况,我们在吸收国内外众多软硬件经验的基础上,针对铁路行业和国家工程测量规范、生产流程、作业方式等具体情况,将测绘学的基本原理与现代高科技相结合,对电子全站仪、电子水准仪以及常规地面测量仪器进行系统深入的开发研究,以铁路隧道、桥梁、公路、水利水电、市政及城市地铁等工程的控制测量、施工放样和碎部测量等测量工程为对象,依据国家工程测量规范、结合铁路测量规范,为铁路工程施工测量而量身定做的一套集外业数据采集、平面与高程放样和内业平差处理、数据分析及成果报表输出于一身的一体化自动化中文测量系统——铁路工程施工测量自动化处理系统(简称tcas系统)。

二、TCAS系统的总体结构及主要功能

TCAS系统包括野外采集与处理系统(TCAS-HC)、室内处理系统(TCAS-PC)两个子系统。TCAS-HC用于掌上电脑(电子手簿)上做野外控制、碎部测量的数据采集、外业检核、放样、小型控制网平差处理、线路及桥梁测量计算等工作。使用FlashRAM,保证数据不会丢失(即使断电),手簿的高稳定性保障了数据的安全和测量人员的劳动成果。可以处理100个水准点,80个点的平面控制网;支持国内外常见的全站仪如索佳、尼康、拓普康、徕卡、宾得、捷创力、蔡司及北光等仪器与电子手簿的通讯。TCAS-PC用于WIN9x微机上将野外采集的测量数据作过滤、转换后做平差处理、粗差探测、数据分析、网图显绘、隧道贯通误差计算和生成成果报表等工作,可处理的控制网的规模和速度仅受到计算机内存的限制:如在主频166MHz的586计算机上,解算500个点的平面和水准控制网可以在1min内完成;在具有20M硬盘空间的微机上可以解算多达5000个点的平面控制网。1.野外数据采集野外数据采集系统是基于全站仪的自动化数据采集系统,当然用户亦可人工输入野外观测数据。测量员只需照准目标,在电子手簿上按单键即可自动采集所需的水平方向、斜距、天顶距或平距等,省却了传统模式中又慢又易出错的口念笔录,提高了工效。当在系统上建立测站后,系统自动引导测量员观测。采集的数据存储在手簿内存,即使断电也不会丢失数据。2.外业测量数据检核TCAS-HC的外业检核功能,在于野外发现不合格观测成果,及时组织补测或重测。对控制测量,系统提供了对向边长、对向高差、高差闭合差、导线闭合差、导线环平面角度闭合差等外业检核项目,有利于保证测量数据质量,极大地提高了工作质量。1.往返边长:输入边长起、终点,按测距仪标称精度(固定误差和比例误差)的2倍作为限差,超限提示。2.往返高差:输入测段的起、终点,具有超限提示。3.累计高差:输入高差闭合环或符合路线,即可计算出高差累计值,具有超限提示。4.导线闭合差:对附合导线,输入起始边(或两已知点)、中间点和附合边(或两已知点)的路线,计算出附合导线的闭合差(角度和坐标闭合差)。5.环的角度闭合差:用于闭合导线环,输入闭合环的顶点,计算角度闭合差,具有超限提示。3.控制网平差处理系统对采集的数据进行过滤、加工、转换、概算,形成一定格式的野外观测数据格式文件。设定平差参数后即可平差处理。当然用户也可手工编辑形成系统约定的数据格式,交与系统处理。采用带条件的间接平差模型,您只需告诉系统必要的网的基准数据(已知数据),系统即可处理任意网形的平差工作(如图1)。4.线路测量TCAS-HC提供的线路测量功能,基于控制网的线路切线定义(告诉TCAS-HC哪些点是切线控制点就行了)或基于线路元素定义,自动计算曲线要素,推算里程,计算曲线上任意里程点的坐标,即可现场进行中线放样;线路定义既可在TCAS-HC上定义、编辑,也可在微机上编辑好传输至电子手簿。5.桥梁测量在TCAS-HC上可基于一段线路定义曲线桥梁数据,由电子手簿自动计算出桥梁工作线偏角、跨距、各墩台坐标及十字线护桩方位等,即可现场放样桥梁墩台位及十字线护桩。6.放样施工测量的重要任务之一是平面和高程放样。TCAS-HC提供了方便的放样功能,自动提示点位移动方向和大小。可以放样线路中线点、桥梁墩台中心及其护桩、任意碎部点,以及直线、弧线等。7.成果报表为了方便测量资料存档及查阅,TCAS系统提供:原始观测值报表;控制网平差成果报表;线路曲线报表;桥梁墩台报表;批量工程放样报表等。8.通讯手簿和微机的数据完全可以相互传输,即电子手簿所采集的数据可以随时传输到PC机上处理,电子手簿使用的数据文件可以在PC机上编辑好后再传输到电子手簿供使用。9.其他TCAS还提供了测量控制网闭合差计算,粗差探测、分析,方案优化设计,隧道控制网贯通误差严密估算,控制网网图显绘,坐标变换;各等级几何水准测量(自动引导观测);碎部测量;断面测量等处理功能。

三、TCAS系统的技术特点

1.TCAS系统功能强大,能适用于各种等级网测量及数据处理。固化在掌上型电脑RD-EB2上的TCAS-HC软件包,具有控制测量、施工放样和碎部测量的质量控制,以及对铁路线路、桥梁、隧道数据处理和放样等功能。自动化程度高,容错功能强。实现了对任意等级和网型的1～3维控制网的内外业一体化处理。TCAS-PC通用软件包,具有功能强大,自动化程度高,通用性好,计算容量大,运算速度快,操作简便及实用可靠等显著优点。既可单独使用,也可与TCAS-HC联合使用,可处理铁路工程各种类型、等级和规模的工程控制网。2.TCAS系统设计新颖、技术先进。采用了面向对象的编程技术和严密平差理论及网点优化排序、变带宽压缩存储,直接寻访扩展内存以及程序覆盖等技术。设计了基于测站的网点数据结构;实现了近似坐标自动推算法,任意网最小独立闭合环的自动搜寻算法及闭合差计算;在控制与施工测量内外业作业一体化和自动化方面以及原始数据保护和隧道贯通误差计算,精度评定等方面设计新颖、技术先进。3.操作简单,自动和人工方式兼顾。TCAS软件包既是一个黑箱系统,能实现各种功能的自动和集成运行,即使用户对硬件掌上型电脑和数据处理的技术与理论不甚了解,也能在菜单的引导下,得到高质量的处理结果;TCAS软件包也是一个开放型系统,能提供一些特殊入口,为有经验的用户提供人工干预的手段,可用人工输入基于测站的网点数据结构,进行数据处理等。4.图形化设计,直观简洁。TCAS系统可对照网图直接方便地查看测站观测值等信息(水平角、斜距、平距、天顶距、气压、温度、仪器高、反射镜高、高差等),检核角度闭合差及高差闭合差等;可删除不参与平差处理的方向值、边长等,这些图形化操作具有极大的灵活性,能提高作业效率。5.成果输出规范,无须人工整理。TCAS-PC软件包是根据国内最新《工程测量规范》和《新建铁路工程测量规范》的基本要求研制,其处理结果包括在国家或地方独立坐标系中1维高程和2维坐标,精度、方向和距离原始观测值及改正值等信息。处理成果可分类以报表打印和按文件保存,以便作为成果资料交付。

四、TCAS系统的应用

TCAS系统广泛用于铁路、公路、水利水电、市政工程等行业。适用的部门包括:铁路、公路勘测设计,施工单位,市政建设的道桥工程公司,水利水电行业的隧道、桥梁、道路工程公司,以及工程咨询及监理机构;相关专业的高等院校,大中专院校在教学、实习以及科技开发中应用等。自TCAS系统1998年10月通过铁道部鉴定后,1999年运用到中铁二局集团公司主要重点工程有:内昆铁路黄莲坡隧道(长5306m)、秦沈客专线月牙河特大桥(长10188m)、京珠高速公路府伦河特大桥(长5948m)、株六复线53km线路、广州地铁等重点工程。实现从原始数据采集、检核、预处理(如进行三差改正、高程面归算等)、平差计算、放样计算、成果报表输出等一体化自动化作业。经过上述重点工程的验证,取得了很好的效果,极大地减轻了测绘人员的劳动强度,提高了工效,成果质量可靠。同时提供了数字化测绘产品,大大提高了测绘产品质量,具有较高的社会和经济效益。随着高科技的不断发展,还将不断改进完善TCAS系统,进一步提高其应用水平。