基于GNSS的鐵路勘測設計數字化采集系統設計

周玉輝

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

目前，國內大型鐵路勘測設計項目對外業勘測技術手段的要求越來越高。結合鐵路勘測設計內外業資料收集的特點，李文等人[1]提出并實現了一套完整的、基于移動智能平臺技術的、適合公路勘測行業特點的野外數據采集系統，該系統顯著改進了現有的工作方式和工作效率；陳珂等人[2]設計并開發了集測量數據采集、處理、管理和分析等功能于一體的網絡化移動勘測辦公系統，實現了測量辦公自動化及測量數據信息服務共享，在一定程度上提高了內外業工作效率；周玉輝[3]提出并開發了基于掌上電腦PAD、結合全站儀的線路三維放樣內外業一體化測繪系統，實現了線路勘測水平和質量的提高。

上述鐵路勘測采集系統有一個共同的缺陷，就是功能不統一、調查項目不能或部分不能根據專業需求進行調整和設置。隨著GNSS測量儀器國產化率的提高和價格的降低，國產GNSS測量儀器逐步普及并作為主要測量儀器應用于工程測繪中。基于GNSS測量設備，本文研發了一套針對鐵路行業內外業一體化專業性強的數字采集系統。該系統將 1∶2 000和 1∶10 000地形圖引入鐵路勘測作業中，并結合GNSS測量特點對移動設備功能進行精簡和完善，使其功能更加貼合鐵路外業勘測的實際需求，做到測量時能基于CAD地形圖實現自動導航、自動質量控制以及成果輸出與設計的無縫對接。

1 系統總體介紹

1.1 系統框架設計

本系統采用B/S和C/S混合架構，分為應用層、服務層和數據層三層，系統構架如圖1所示。

圖1 系統架構圖

(1)應用層

用戶可通過Web瀏覽器、移動設備進入系統。移動設備端主要針對于鐵路勘測外業測量人員，進行野外現場作業的查詢、數據采集、上傳等操作；Web客戶端可進行查詢、分析、下載、權限管理等操作。

(2)服務層

分為系統運維、勘測管理、分析服務、數據管理即時通訊5個功能模塊。

(3)數據層

存儲用戶資料、項目準備資料、測量數據、地形圖數據等。

1.2 系統基本功能設計

按功能劃分，系統主要包括外業采集移動設備和管理平臺兩部分。

(1)外業采集移動設備

外業采集移動設備功能包括數據顯示、CORS系統定位、北斗定位、數據采集、數據查詢和數據同步。

(2)管理平臺

管理平臺功能包括數據處理、查詢、分析、數據輸出等。

1.2.1 移動設備主要功能

(1)北斗導航

采集設備自帶GNSS定位模塊[4]，通過接收北斗導航的定位數據在工作界面上實現實時導航，在CAD底圖或正攝影像上顯示測量人員的運動軌跡。

(2)外業測量

通過自帶GNSS功能的移動設備進行線路中線、斷面、地形、水文測量等數據的采集。數據采集功能是外業設備功能最主要的組成部分。

(3)數據顯示功能

通過放大或縮小接觸手勢修改地形圖的顯示比例，根據不同的詳細程度查看地形圖數據。

1.2.2 外業采集移動設備的主要功能

根據鐵路勘測工作的需求分析，采集功能精簡為以下5個功能基本能滿足鐵路勘測設計工作的日常需要。

(1)中線測量

中線測量是鐵路線路縱斷面設計的基礎。根據線路設計參數和線路模型計算出任意里程中心點的坐標，然后以實時顯示的地形圖和導入的線位設計資料為基礎，使用移動設備的地形圖導航至待放樣點進行中線測量[5]。

(2)斷面測量

利用線型數據及待定斷面點的里程，按照中線坐標的計算方法，計算出中樁和加樁的坐標，并計算對應橫斷面處的端點設計坐標；將兩端端點設計的坐標數據以文本形式導入移動設備中，測定中線樁兩側地面變化點與中樁點間的距離和高差，在內業數據處理流程中進行橫斷面圖繪制[6]。

(3)地形測量

地形測量主要依靠測量終端系統提供的采集工具對地形、地物進行測量。在測量過程中，測量人員可將地物各類特殊信息通過拍照、錄像、錄音、文本記錄等方式在地圖上以點要素方式關聯記錄。

(4)軌道調查

①道岔岔心坐標測量

以普通單開道岔為例，對道岔岔心的坐標測量進行闡述。普通單開道岔示意如圖2所示。

圖2 普通單開道岔示意圖

通過相關測量數據及道岔數據庫自動查詢道岔撤叉號數和道岔后長b值，計算出道岔前長a值，根據a、b值的比例，通過計算得到岔心坐標。

②車站上部建筑物測量

對車站上部建筑物，如警鐘標、信號機、接觸網等設施設備采用單點測量模式，獲取平面坐標及高程。

1.2.3 數據同步功能

在進行外業勘測前，使用移動計算技術[7]，可將Web端相關任務信息同步到移動勘測設備中，在外業采集數據結束后，將移動設備中的成果數據實時同步到Web端，實現內外業一體化數據采集[8]。

1.2.4 數據查詢

在作業過程中，測量人員可根據需要使用數據查詢功能對測量控制點數據、測量原始數據、測量目標數據等進行查詢，通過進行條件搜索，就可在地形圖界面[9]上顯示搜索的數據，移動設備功能與操作流程設計如圖3所示。

圖3 移動設備功能與操作流程設計圖

1.2.5 管理平臺

管理平臺主要包括勘測管理模塊、分析服務模塊、數據管理模塊、通訊模塊和系統運維模塊，如圖4所示。

圖4 平臺功能模塊設計圖

(1)勘測管理模塊

勘測管理模塊包含了從鐵路勘測前各勘測人員的任務管理及相應任務項目資料的下載，到采集數據后實時在線上傳勘測成果，再到上傳數據后的成果查詢等功能，實現了對鐵路勘測生產活動的信息化管理。

(2)分析服務模塊

分析服務模塊包含測量成果下載，數據繪圖[10]、平差[11]或沉降預測[12]，數據最終成果展示等功能。分析服務模塊還能對外業錯誤采集、遺漏采集進行分析和預警，從而保證數據質量和準確性。

(3)數據管理模塊

用戶可通過項目或文檔關鍵字對相關數據進行檢索查詢，系統提供數據的歸類存放整理功能，對重要數據進行多重備份，并可對誤刪數據進行還原操作。

(4)系統運維模塊

運維管理是對系統運行過程的基本維護，保證系統的正常運轉。主要包括用戶管理、權限管理、日志管理和二次開發。系統將用戶分為最高管理員、測量管理人員、測量人員和內業處理人員，并分配相應的權限，以方便用戶在規定的權限下進行一系列功能操作。用戶權限的設置將提升系統的安全性、信息的保密性和業務的流暢性。

(5)通訊模塊

為方便各用戶之間的聯系，將聯系人通訊號按職位進行歸類。當用戶修改自己的通訊方式時，系統能夠自動更新存儲數據的變化。

2 系統工作流程

2.1 工程管理

本系統對外業測量工作做一個簡單的數據庫管理，包括項目總文件夾、項目文檔、地形圖數據、平面高程控制點數據等，并將項目資料、任務要求等數據上傳至對應文件夾，系統會導航到新建工程的相關信息頁，主要包括工程名稱、施測單位、操作員、日期、備注等，方便外業使用和內業資料處理，一般每天新建1個工程文件。

2.2 質量控制

在作業過程中，系統隨時檢驗采集數據是否滿足項目精度要求，并進行提醒，然后根據項目需求進行標準化和保密性處理，將數據實時打包上傳至指定目錄下。

2.3 數據處理

(1)將外業采集到的數據根據項目要求進行處理，形成成果數據后按要求存檔管理。

(2)采集數據與1∶2 000地形、1∶10 000地形、實景三維地形等融合處理，實時更新；與橋梁、隧道、路基、站場等專業數據接口無縫對接，實現鐵路方案設計的優化處理。

3 系統應用

鐵路勘測GNSS數據采集(簡稱RDGS)系統主要有工程管理、中線測量、斷面測量、單點測量、既有線測量、其他模塊(單點校正、四參數計算、七參數計算)、水文測量等，本文以中線測量為例介紹系統應用。

3.1 系統安裝

點擊“RDGS.apk”軟件APP按鈕完成軟件安裝，運行鐵路勘測GNSS數據采集系統(RDGS)，如圖5所示。

圖5 系統界面圖

安裝后，在移動設備上會自動建立RDGS文件夾，移動設備可為安卓系統手機、平板電腦、GNSS手薄等。測量準備資料可通過移動設備復制到RDGS文件夾中，也可從PC機拷貝到RDGS文件夾中。

3.2 資料準備

(1)準備測區范圍內的CAD地形圖。

(2)準備測區范圍內的平面高程控制點資料。

(3)準備中線測量平縱參數資料，數據格式為：

QD,里程,北坐標,東坐標,0,0,0,0

交點號,0,北坐標,東坐標,0,半徑長度,前緩和曲線長度,后緩和曲線長度

交點號,0,北坐標,東坐標,0,半徑長度,前緩和曲線長度,后緩和曲線長度

………………………………………………………

ZD,0,北坐標,東坐標,0,0,0,0

3.3 中線測量

(1)點擊主界面中的“中線測量”，進入中線測量模塊。若在此之前未導入平縱參數，則系統會提示用戶進行數據導入。

(2)采用北斗導航、CORS系統[13]等模式開展測量工作。

(3)設置中線測量的參數：直線段和曲線段的測量間距(即每相隔多少米提示測量1次)、測量限差半徑(中樁樁位限差值)、里程取整差(在差值限差內時，測量里程在整10 m附近可直接取為整樁號)、起始里程等。

(4)參數設置完成后，即可在移動設備中打開CAD地形圖(線位圖或1∶2000地形圖)，顯示待放樣的中線圖形信息。中線測量成果如表1所示。

表1 中線測量成果表

3.4 質量控制

3.4.1 中線質量控制

在進行中線測量時，系統要求設置測量點中樁樁位限差。系統能計算出中線理論坐標、放線時的實際坐標以及相應的坐標差值，便于測量人員進行中線質量控制。根據《鐵路工程測量規范》中樁樁位限差設置為0.1 m，超出這個限差值，系統將不能保存。

3.4.2 斷面測量

在進行斷面測量時，系統要求設置斷面點點位限差。根據《鐵路工程測量規范》中樁樁位限差設置為0.3 m，超出這個限差值，系統將不能保存，以確保勘測質量[14]。

3.5 工作效率

系統在成渝中線高速鐵路項目上進行了應用，并與中海達、南方GNSS測量儀器等進行了對比，結果表明，本系統在外業數據采集、便捷性方面與其它測量儀器基本一致，且在斷面數據處理方面優勢明顯，原來需近1 h才能處理完的測量數據，采用本系統僅需幾分鐘即可處理完畢并輸出成果，效率提高明顯。

4 結束語

本文設計的基于GNSS的鐵路勘測設計數字化采集系統集北斗導航、GNSS測量、數據處理為一體，并與鐵路工程設計無縫對接，顯著提高了生產效率。主要具有以下優勢。

(1)在外業采集中，測量用戶可在任何地方、任何時間、任何地點手持移動設備進入系統對測量信息進行采集，通過4G/5G信號進行數據實時傳輸。

(2)系統將地形圖導航功能引入到勘測作業中，為野外勘測人員找尋目標點提供了便利。

(3)系統利用移動設備自身強大的多媒體功能(拍照、拍視頻、錄音)、網絡實時傳輸等功能[15]，極大地縮短了各項關操作的間隔時間。