基于自动全站仪的无砟轨道精调方法研究

基于自动全站仪的无砟轨道精调方法研究

蒋文杰

中国铁路青藏集团有限公司西宁工务段青海西宁810000

摘要：CPIII定向的无砟轨道精调方法实现了无砟轨道技术国产化，其检测及精调采用全站仪观测，通过测试，实现了全站仪与GRP定向的SPPS系统的理论坐标精度，提高了测量精度和功效。

关键词：自动全站仪；无砟轨道：SPPS：精调

无砟轨道因为其稳定性好、整体性强、轨道变形小、坚固耐用且变形累积缓慢等优点已成为高速铁路轨道结构的主要发展方向。但是高精度、大密度的无砟轨道铺设工作一直是高速铁路施工的重点和难点。自动全站仪是集自动照准、自动数据采集功能于一身的智能全站仪，结合相应的应用程序能够完成自动化的无砟轨道精调工作，由于其精度高、速度快的特点已经在我国无砟轨道精调工作中得到了广泛的应用。

1自动全站仪的概念

1.1操纵系统。操纵系统是一种是一种机械装置，包括机器人手臂、连杆和关节等，操纵系统的作用是控制机器人的移动、转动、弯曲等运动，关键是其能够按设计要求完成从开始、移动到终止等一系列动作。

1.2换能器。换能器是将电能、水能或者风能转换成动能的马达或传感器。一般情况下，测量机器人利用电能驱动步进马达。

1.3闭环控制传感器。传感器在闭环控制和开环控制中的应用是不同的。如果传感器从外部环境得到的信号能直接反馈给控制器和换能器，那么传感器在闭环控制中更有用一些。自动全站仪的视觉传感器用来比较目标的实际和设计位置，并产生误差信号，在闭环控制系统中，误差信号被最小化，从而实现高精度的目标定位，即精密定位。当需要感知客观世界的变化时，传感器是必须的，除此之外，如果没有外界环境的反馈信息，机器人无法得到控制点的数据，也就无法进行定位，因此当机器人自动定向或定位时，必须对外界环境进行感知。

2CPIII控制点CRTSII型轨道板精调方法

在进行轨道板精调工作之前必须要进行GRP点的测量工作，将GRP点的测量数据导入PVP软件进行平差处理，最终得到GI冲点的处理后数据以及FFC数据和FFD数据作为轨道板精调的依据。一种新的轨道板精调方法，该方法直接省去了GRP测量这一步骤直接利用CPIII点进行后方交会定向，以及FFC文件和FFD文件的需求，利用线路坐标正反算的原理进行轨道板精调工作。在现场利用该原理集成的测量机器人系统进行实地测量。

2.1基于CPIZI定向精调方法的提出。通过对SPPS轨道板精调系统的应用

（1）同时需要GRP平差后三维坐标文件（DUP）、轨道板设计坐标文件、棱镜与承轨台的配位数据文件，且需要PVP软件才能导出数据文件，步骤繁琐复杂。

（2）GRP平差后三维坐标文件需要进行GRP测量得到观测数据并进行平差计算才能最终获得平差后GRP坐标文件，GRP测量的内外业工作时间往往拖延了调板工作的进行。

（3）轨道板精调时利用GRP点进行定向的强制对中三脚架往往不能使仪器和棱镜完全置平，影响了后视定位的精度从而导致轨道板精调精度难以保证。对SPPS轨道板精调系统存在的不足之处，基于CPIII定向进行轨道板精调的方法。该方法该方法直接利用CPIII点进行自由设站后方交会定向，由于使用木质三脚架所以仪器置平精度可以得到保证，而CPIII棱镜是强制插入点位的，所以后视棱镜精度也可以得到保证。正是使用CPIII定向的原因，该方法完全可以不用进行轨道基准点GRP的测设工作，从而缩短了工期。而轨道板理论坐标的计算原理也与SPPS系统并不相同，从而不需要利用PVP布板软件导出的FFC和FFD文件，理论坐标的计算原理将在下面进行详细介绍。

2.2理论坐标的计算

1）理论坐标计算的数学模型。利用cPm定向轨道板精调方法理论坐标的数学模型就是线路任意点坐标正反算理论，根据实测点位坐标进行线路坐标正反算可以得到该点位的理论坐标。曲线任意里程中边桩坐标正反算原理如下：

（1）曲线任意点切线方位角的计算。线路曲线由直线、圆曲线和缓和曲线构成，这三种曲线都有一个特点：曲率随弧长做线性变化。

（2）线路测量正算：

计算曲线边桩的坐标时，所得坐标由边桩点与其对应的中桩的桩号以及其沿法线方向到中线的距离确定。假设曲线上任意点的法线方向都指向左边桩方向，则支距相对于线路按照左支距为负，右支距为正的原则划分。

2.3理论坐标的计算过程

基于CPIII定向轨道板精调方法的过程也是理论坐标计算的过程。与SPPS精调系统不同的是，SPPS系统的理论坐标是PVP布板软件通过一系列设计资料计算得到的，也就是说在调板过程中该坐标是一个定值，是不变的，在测量时是通过计算实测点位坐标与理论点位坐标的差值换算成高程和距离中线方向的偏差值进行调整。而基于CPIII定向的轨道板精调方法中，理论坐标是一个不断变化的值，它的计算过程如下：

（1）由得到的每个点的实际坐标进行坐标反算可以得到每个支点的实际线路中心里程和距离线路中心的偏距值。

（2）由所得到的每个支点的线路中心实际里程值可以根据线路设计资料、轨道板几何数据资料等数据资料得到该里程所对应支点的理论偏距值。

（4）每个支点的实际里程和理论偏距进行坐标正算可以得到每个支点在其实际里程的理论坐标，利用线路数曲线数据、轨道超高、工装几何数据及高程设计资料可以得到每个支点的理论三维坐标。由得到的理论坐标可以用与SPPS系统相同的原理进行调板工作。当每个支点都精调达到限差要求时，此时的理论坐标才是最终的理论坐标。

2.4数据准备。在使用新方法精调作业前需要的数据分别是：（1）线路平面要素，包括线路中各交点的坐标、里程、曲率半径；每段圆曲线的曲线半径；缓和曲线长度等。

2.5精度测试。对基于CPIII定向的轨道板精调方法是否合理，且调板后的精度是否能够得到保证，可以用验证理论坐标的方法来验证调板方法的正确性。该验证方法只适合在轨道板粗铺定位精度较高的情况下，如果粗铺不到位则SPPS系统不能进行调板作业，但是测量系统依然可以计算每个支点的理论坐标进行精调，所以其理论坐标不具有可比性。验证步骤如下。第一步，用基于CPIII定向的方法对轨道板进行精调。第二步，最后精调完成后对轨道板进行完全测量得到支点的最终理论坐标。第三部，将该理论坐标与布板软件PVP导出的FFC文件中该块板的理论坐标进行对比，验证基于CPIII轨道板精调的方法是可靠的。

结论：

基于CPIII定向的CRTSII型轨道板精调方法在理论和实验上都是可行的，通过对该方法的理论和在应用中的研究得出了以下结论：

（1）基于CPlll定向的精调方法与基于SPPS系统相比由于省去了GRP测量这一步骤，使得精调测量的工期大大缩短，这在工程实施中具有重要的意义。

（2）与SPPS系统先确定理论坐标再进行精调的方式相比，基于cPm定向的精调方法理论坐标的计算过程是集成在测量系统软件中的，并且以“边测边算”的方式不断的调整待测轨道板的支点到线路理论位置。即使轨道板粗铺不到位也可以进行精调测量，这种方法并不顾及轨道板是否应该在它的理论位置上，只考虑轨道板上的各支点是否应该在线路合理的位置上，这种方法固然简单实用，但是在后期质量监测以及运营维护中都带来了不便。因此，使用这种精调方法粗铺定位是较为关键的步骤，同时也反映出了该系统缺少精调结果检测的手段，这将是该系统后续研究的重点。

（3）对于较长线路轨道板精调施工作业中，利用CPIII定向的轨道板精调方法在搬站时没有SPPS系统方便，需要重新定向CPIlI点，必要时CPIlI棱镜也需要重新安置，因此这种方法更适合在咽喉区道岔板的精调工作中运用。

参考文献：

［1］杨成宽．GEDOCE轨道检测系统在无砟轨道施工测量中的应用［J］．铁道工程学报，2013（3）：57-61．

［2］胡庆丰．安博格GRP1000轨检小车进行无砟轨道检测的作业方法［J］．铁道勘察，2012（3）：17-19．