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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(shù)據(jù)采集),測量的傳統(tǒng)模式均為人工記錄、復(fù)核、計算,再進(jìn)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(qiáng)度大,并嚴(yán)重影響作業(yè)效率。鑒于上述情況,我們在吸收國內(nèi)外眾多軟硬件經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,針對鐵路行業(yè)和國家工程測量規(guī)范、生產(chǎn)流程、作業(yè)方式等具體情況,將測繪學(xué)的基本原理與現(xiàn)代高科技相結(jié)合,對電子全站儀、電子水準(zhǔn)儀以及常規(guī)地面測量儀器進(jìn)行系統(tǒng)深入的開發(fā)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(jù)國家工程測量規(guī)范、結(jié)合鐵路測量規(guī)范,為鐵路工程施工測量而量身定做的一套集外業(yè)數(shù)據(jù)采集、平面與高程放樣和內(nèi)業(yè)平差處理、數(shù)據(jù)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(tǒng)——鐵路工程施工測量自動化處理系統(tǒng)(簡稱tcas系統(tǒng))。

二、TCAS系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及主要功能

TCAS系統(tǒng)包括野外采集與處理系統(tǒng)(TCAS-HC)、室內(nèi)處理系統(tǒng)(TCAS-PC)兩個子系統(tǒng)。TCAS-HC用于掌上電腦(電子手簿)上做野外控制、碎部測量的數(shù)據(jù)采集、外業(yè)檢核、放樣、小型控制網(wǎng)平差處理、線路及橋梁測量計算等工作。使用FlashRAM,保證數(shù)據(jù)不會丟失(即使斷電),手簿的高穩(wěn)定性保障了數(shù)據(jù)的安全和測量人員的勞動成果?？梢蕴幚?00個水準(zhǔn)點(diǎn),80個點(diǎn)的平面控制網(wǎng);支持國內(nèi)外常見的全站儀如索佳、尼康、拓普康、徠卡、賓得、捷創(chuàng)力、蔡司及北光等儀器與電子手簿的通訊。TCAS-PC用于WIN9x微機(jī)上將野外采集的測量數(shù)據(jù)作過濾、轉(zhuǎn)換后做平差處理、粗差探測、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)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(wǎng)的規(guī)模和速度僅受到計算機(jī)內(nèi)存的限制:如在主頻166MHz的586計算機(jī)上,解算500個點(diǎn)的平面和水準(zhǔn)控制網(wǎng)可以在1min內(nèi)完成;在具有20M硬盤空間的微機(jī)上可以解算多達(dá)5000個點(diǎn)的平面控制網(wǎng)。1.野外數(shù)據(jù)采集野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于全站儀的自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),當(dāng)然用戶亦可人工輸入野外觀測數(shù)據(jù)。測量員只需照準(zhǔn)目標(biāo),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(tǒng)模式中又慢又易出錯的口念筆錄,提高了工效。當(dāng)在系統(tǒng)上建立測站后,系統(tǒng)自動引導(dǎo)測量員觀測。采集的數(shù)據(jù)存儲在手簿內(nèi)存,即使斷電也不會丟失數(shù)據(jù)。2.外業(yè)測量數(shù)據(jù)檢核TCAS-HC的外業(yè)檢核功能,在于野外發(fā)現(xiàn)不合格觀測成果,及時組織補(bǔ)測或重測。對控制測量,系統(tǒng)提供了對向邊長、對向高差、高差閉合差、導(dǎo)線閉合差、導(dǎo)線環(huán)平面角度閉合差等外業(yè)檢核項目,有利于保證測量數(shù)據(jù)質(zhì)量,極大地提高了工作質(zhì)量。1.往返邊長:輸入邊長起、終點(diǎn),按測距儀標(biāo)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(diǎn),具有超限提示。3.累計高差:輸入高差閉合環(huán)或符合路線,即可計算出高差累計值,具有超限提示。4.導(dǎo)線閉合差:對附合導(dǎo)線,輸入起始邊(或兩已知點(diǎn))、中間點(diǎn)和附合邊(或兩已知點(diǎn))的路線,計算出附合導(dǎo)線的閉合差(角度和坐標(biāo)閉合差)。5.環(huán)的角度閉合差:用于閉合導(dǎo)線環(huán),輸入閉合環(huán)的頂點(diǎn),計算角度閉合差,具有超限提示。3.控制網(wǎng)平差處理系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、加工、轉(zhuǎn)換、概算,形成一定格式的野外觀測數(shù)據(jù)格式文件。設(shè)定平差參數(shù)后即可平差處理。當(dāng)然用戶也可手工編輯形成系統(tǒng)約定的數(shù)據(jù)格式,交與系統(tǒng)處理。采用帶條件的間接平差模型,您只需告訴系統(tǒng)必要的網(wǎng)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)(已知數(shù)據(jù)),系統(tǒng)即可處理任意網(wǎng)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(wǎng)的線路切線定義(告訴TCAS-HC哪些點(diǎn)是切線控制點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo),即可現(xiàn)場進(jìn)行中線放樣;線路定義既可在TCAS-HC上定義、編輯,也可在微機(jī)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(shù)據(jù),由電子手簿自動計算出橋梁工作線偏角、跨距、各墩臺坐標(biāo)及十字線護(hù)樁方位等,即可現(xiàn)場放樣橋梁墩臺位及十字線護(hù)樁。6.放樣施工測量的重要任務(wù)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(diǎn)位移動方向和大小?？梢苑艠泳€路中線點(diǎn)、橋梁墩臺中心及其護(hù)樁、任意碎部點(diǎn),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(tǒng)提供:原始觀測值報表;控制網(wǎng)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(jī)的數(shù)據(jù)完全可以相互傳輸,即電子手簿所采集的數(shù)據(jù)可以隨時傳輸?shù)絇C機(jī)上處理,電子手簿使用的數(shù)據(jù)文件可以在PC機(jī)上編輯好后再傳輸?shù)诫娮邮植竟┦褂谩?.其他TCAS還提供了測量控制網(wǎng)閉合差計算,粗差探測、分析,方案優(yōu)化設(shè)計,隧道控制網(wǎng)貫通誤差嚴(yán)密估算,控制網(wǎng)網(wǎng)圖顯繪,坐標(biāo)變換;各等級幾何水準(zhǔn)測量(自動引導(dǎo)觀測);碎部測量;斷面測量等處理功能。

三、TCAS系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

1.TCAS系統(tǒng)功能強(qiáng)大,能適用于各種等級網(wǎng)測量及數(shù)據(jù)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(zhì)量控制,以及對鐵路線路、橋梁、隧道數(shù)據(jù)處理和放樣等功能。自動化程度高,容錯功能強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)了對任意等級和網(wǎng)型的1～3維控制網(wǎng)的內(nèi)外業(yè)一體化處理。TCAS-PC通用軟件包,具有功能強(qiáng)大,自動化程度高,通用性好,計算容量大,運(yùn)算速度快,操作簡便及實(shí)用可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)。既可單獨(dú)使用,也可與TCAS-HC聯(lián)合使用,可處理鐵路工程各種類型、等級和規(guī)模的工程控制網(wǎng)。2.TCAS系統(tǒng)設(shè)計新穎、技術(shù)先進(jìn)。采用了面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和嚴(yán)密平差理論及網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化排序、變帶寬壓縮存儲,直接尋訪擴(kuò)展內(nèi)存以及程序覆蓋等技術(shù)。設(shè)計了基于測站的網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);實(shí)現(xiàn)了近似坐標(biāo)自動推算法,任意網(wǎng)最小獨(dú)立閉合環(huán)的自動搜尋算法及閉合差計算;在控制與施工測量內(nèi)外業(yè)作業(yè)一體化和自動化方面以及原始數(shù)據(jù)保護(hù)和隧道貫通誤差計算,精度評定等方面設(shè)計新穎、技術(shù)先進(jìn)。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(tǒng),能實(shí)現(xiàn)各種功能的自動和集成運(yùn)行,即使用戶對硬件掌上型電腦和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)與理論不甚了解,也能在菜單的引導(dǎo)下,得到高質(zhì)量的處理結(jié)果;TCAS軟件包也是一個開放型系統(tǒng),能提供一些特殊入口,為有經(jīng)驗的用戶提供人工干預(yù)的手段,可用人工輸入基于測站的網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等。4.圖形化設(shè)計,直觀簡潔。TCAS系統(tǒng)可對照網(wǎng)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(yè)效率。5.成果輸出規(guī)范,無須人工整理。TCAS-PC軟件包是根據(jù)國內(nèi)最新《工程測量規(guī)范》和《新建鐵路工程測量規(guī)范》的基本要求研制,其處理結(jié)果包括在國家或地方獨(dú)立坐標(biāo)系中1維高程和2維坐標(biāo),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(tǒng)的應(yīng)用

TCAS系統(tǒng)廣泛用于鐵路、公路、水利水電、市政工程等行業(yè)。適用的部門包括:鐵路、公路勘測設(shè)計,施工單位,市政建設(shè)的道橋工程公司,水利水電行業(yè)的隧道、橋梁、道路工程公司,以及工程咨詢及監(jiān)理機(jī)構(gòu);相關(guān)專業(yè)的高等院校,大中專院校在教學(xué)、實(shí)習(xí)以及科技開發(fā)中應(yīng)用等。自TCAS系統(tǒng)1998年10月通過鐵道部鑒定后,1999年運(yùn)用到中鐵二局集團(tuán)公司主要重點(diǎn)工程有:內(nèi)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(fù)線53km線路、廣州地鐵等重點(diǎn)工程。實(shí)現(xiàn)從原始數(shù)據(jù)采集、檢核、預(yù)處理(如進(jìn)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(yè)。經(jīng)過上述重點(diǎn)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(qiáng)度,提高了工效,成果質(zhì)量可靠。同時提供了數(shù)字化測繪產(chǎn)品,大大提高了測繪產(chǎn)品質(zhì)量,具有較高的社會和經(jīng)濟(jì)效益。隨著高科技的不斷發(fā)展,還將不斷改進(jìn)完善TCAS系統(tǒng),進(jìn)一步提高其應(yīng)用水平。