一种用于轨道线路平顺性评价的设站测量方法与流程

本发明涉及铁路测绘领域，特别是一种用于轨道线路平顺性评价的设站测量方法。

背景技术：

轨道线路的平顺性是轨道结构综合性能和承载能力的重要体现，其状态诊断与控制、能力保持是高速铁路的核心问题，涉及面广、要求高、难度大。轨道不平顺是激励高速铁路轮轨系统振动及列车蛇行失稳的根本原因，也是恶化线路结构稳定性、降低其服役性能的诱因，严重时将导致列车脱轨。

轨道线路为两根钢轨之间的中心线，即图1中的中心线；当左右两根钢轨顶面高度一致时，轨道线路位于钢轨顶面所在的平面上；当左右两根钢轨的顶面高度不一致时，在竖直方向上，轨道线路位于两根钢轨的顶面之间，且距两个根钢轨顶面的距离相等，在水平方向上仍位于两根钢轨之间的中间位置。铁路轨道按照铁路设计文件中的铁路线路施工，轨道线路应与铁路设计文件中的铁路线路一致。

采用全站仪进行设站测量并计算铁路轨道上设站点的坐标，根据设站点的坐标计算轨道线路的绝对位置，再使用轨道线路的绝对位置评价轨道线路的平顺性是所属领域的公知常识，其中设站点的坐标为测量坐标系中的坐标，测量坐标系中的坐标的三个方向分别为北坐标、东坐标与高程坐标。目前常见的整平自由设站测量方法有两种，一种是单盘位设站，另一种是全盘位设站，以上两种方式均需要至少两个已知点进行自由设站。常见的非整平(左右两侧钢轨的高低不一致)自由设站技术包含两种，一种是基于距离进行交会计算的方法，另一种是基于坐标转变计算的方法，至少需要三个已知点进行设站。其中所述已知点为轨道线路的cpii控制网或cpiii控制网中的控制点，控制点距铁路轨道的距离不超过5m，cpii控制网中的cpii控制点之间的间距为800m，cpiii控制网中的cpiii控制点之间的间距为60m；轨道线路的cpii控制网或cpiii控制网均记录在铁路设计文件中，铁路设计文件还包括轨道线路上各点的里程、方位角以及各个控制点的坐标等数据。

控制点的坐标为测量坐标系中的坐标，全站仪进行测量的位置即为设站点，全站仪能够测量设站点与控制点之间的斜距和天顶距，并根据测量的数值计算设站点在测量坐标系中的坐标。

对于一些现有的低速铁路线路(一般是指所通过的车速小于或等于160km/h)，对铁路线路的绝对位置要求较低(即轨道线路与铁路线路的重合度要求较低)，若采用上述方法通过两个或三个已知点进行设站测量，对每个设站点均测量与两个或三个控制点之间的斜距与天顶距，虽然能计算出位置精度较高的设站点坐标，用设站点坐标得到的轨道线路的绝对位置精度高，使最终根据轨道线路的绝对位置评价得出的轨道线路的平顺性更加接近轨道线路真实的平顺性，但是得到的轨道平顺性结果的精度远高于实际需要精度，在此过程中耗费了较多时间测量设站点的坐标，测量效率低。

目前用于轨道线路上设站测量的装置包括现有技术(如中国专利公开号cn209553210u)所公开的惯导轨道几何状态动态检测仪，需将该装置安装在轨道上，并沿轨道推行。该装置具有全站仪、倾斜传感器、该装置还具有位移传感器与里程计；通过全站仪能够测量设站点与控制点之间的斜距与天顶距，通过倾斜传感器能够用于非整平自由设站时测量全站仪的偏角，位移传感器与里程计能够用于测量该装置的位移与里程。

技术实现要素：

本发明的目的在于：低速铁路线路对铁路线路的绝对位置要求较低，若将现有的设站测量方法用于低速线路进行设站测量，则在测量过程中存在浪费时间、效率低的问题，为此，提供一种计算设站点坐标时仅利用单个控制点进行设站测量方法，用于低速线路的设站测量。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于轨道线路平顺性评价的设站测量方法，采用全站仪进行设站，设站处全站仪所在的位置即为设站点；在每个设站点处仅选取一个控制点用于测量设站点与控制点之间的斜距和天顶距，包括如下步骤：s1：测量所述全站仪的竖盘指标差i；s2：从铁路控制网中选取一个控制点c，控制点c在测量坐标系中的坐标记为(xc，yc，hc)，所述控制点c在轨道线路上的投影为点c′；s3：至少利用选取的控制点c进行一次设站测量，每次测量的设站点在铁路线上的投影与点c′的距离不超过100mm，测量所述设站点与控制点c之间的斜距和天顶距；s4：计算所述控制点c的里程，计算所述点c′处的方位角fc′；s5：计算所述设站点的相对于所述控制点c的高程偏差与横向偏差；s6：计算所述设站点的坐标，用于计算轨道线路的绝对位置。

计算每个设站点坐标仅需利用一个控制点，并测量设站点与控制点之间的斜距与天顶距，相比于现有技术中需要测量设站点与至少两个控制点之间的斜距与天顶距，减少了操作时间，提高了测量效率，且每次操作时，仅需一人在控制点处操作棱镜，节约了人力成本；测量全站仪的竖盘指标差能够减少测量仪器的误差对测量结果的影响；设站点在轨道线路上的投影点距点c′不超过100mm，能够使设站点尽可能靠近控制点c，保证通过测量数据计算得出的设站点坐标精度，保证通过设站点坐标计算得到的轨道线路的绝对位置的精度，使根据轨道线路的绝对位置得到的轨道线路平顺性与轨道线路实际的平顺性更加接近。

作为本发明的优选方案，在步骤s3中测量设站点处的轨道与地面之间的偏角。

若设站点处的轨道与地面之间存在偏角，则全站仪所测得的天顶距并非真实天顶距，需要根据偏角与全站仪的测量值计算出天顶距。

作为本发明的优选方案，在所述步骤s3中仅进行一次设站测量，测量设站点与所述控制点c之间斜距和天顶距，所述设站点记为设站点a，所述设站点a在轨道线路上的投影记为点a′，点a′与点c′重合；所述设站点a与控制点c之间的斜距和天顶距分别记为sa和ta，所述设站点a处的轨道与地面之间的偏角记为βa；所述设站点a与所述控制点c之间的高程偏差与横向偏差分别记为ha和dya，其中ha＝sa×cos(180°-ta-i βa)，dya＝sa×sin(180°-ta-i βa)。

点a′与点c′重合，能够在计算设站点a处的坐标时利用现有的控制点c的数据，是计算的到的结果更加精准。

作为本发明的优选方案，在所述步骤s6中，所述设站点a的坐标记为(xa，ya，ha)，其中：xa＝xc-dya×cos(fc′ α)，ya＝yc-dya×sin(fc′ α)，ha＝hc ha；其中，α为sa在地面的投影与轨道线路在点a′处切线方向的夹角。

作为本发明的优选方案，所述α取值为90°。

点c′为c在轨道线路上的投影，即轨道线路于点c′处的切线与cc′垂直；设站点a在轨道线路上的投影与点c′重合，即sa在地面的投影与cc′共线，因此轨道线路于设站点a投影点(即点c′)处的切线与sa在地面的投影所形成的夹角为90°，即α为90°。

作为本发明的优选方案，在所述步骤s3中，进行两次设站测量，测量两个设站点与所述控制点c之间斜距和天顶距，两个所述设站点分别记为设站点m与设站点n，所述设站点m与所述设站点n在轨道线路上的投影分别记为点m′与点n′；所述点m′与点n′分别位于点c′两侧；所述点m′与点n′之间的距离不超过100mm；所述步骤s3中所测得的所述斜距分别记为sm与sn，测得的所述天顶距分别记为tm与tn，测得的所述偏角分别记为βm与βn。

在点c′两侧进行设站测量，并计算两侧设站点的坐标，增加了用于后续计算轨道线路绝对位置的设站点坐标数量，更真实反映轨道线路的绝对位置，使得能对轨道线路的平顺性做更加准确的评价。

作为本发明的优选方案，在所述步骤s5中，所述设站点m与所述设站点n的高程偏差分别记为hm与hn、横向偏差分别记为dym与dyn，其中：

hm＝sm×cos(180°-tm-i βm)，dym＝sm×sin(180°-tm-i βm)；

hn＝sn×cos(180°-tn-i βn)，dyn＝sn×sin(180°-tn-i βn)。

作为本发明的优选方案，在所述步骤s6中，所述设站点m的坐标记为(xm，ym，hm)、所述设站点n的坐标记为(xn，yn，hn)；计算所述设站点m与所述设站点n的坐标步骤包括s61：根据余弦定理计算cos(∠mnc)，计算mc′与nc′的长度；

s62：计算点c′的里程lc′；

s63：计算点m的里程lm与点n的里程ln；

s64：根据点m的轨道线路坐标(lm，dym，hm)计算点m的坐标，根据点n的轨道线路坐标(ln，dyn，hn)计算点n的坐标。

在计算两个设站点的坐标的过程中利用了控制点c在轨道线路上投影点处的里程，该里程可由铁路设计文件计算精确得出，使得计算得出的两个设站点的坐标更加准确，最终计算得出的轨道线路的绝对位置精度更高，能够根据轨道线路的绝对位置更加准确地评价轨道线路的平顺性。

作为本发明的优选方案，所述控制点c可以是cpii控制点也可以是cpiii控制点。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、提供了一种用于轨道线路平顺性评价的设站测量方法，在计算设站点坐标时，本发明所提供的方法每次只需测量设站点与一个控制点之间的斜距、天顶距及设站点处钢轨的偏角，再结合铁路设计文件中的数据得到设站点的坐标，通过设站点的坐标计算轨道线路的绝对位置，用轨道线路的绝对位置评价轨道线路的平顺性；相较于现有技术中，在计算每个设站点坐标需要用到两个控制点的设站测量方法，本发明所提供的技术方案提高了测量效率，且减少了进行测量所需要的操作人员。

2、对于控制点分布较密集的cpiii控制网，在控制点处仅测量并计算得到一个设站点坐标，并根据设站点坐标计算得出的轨道线路的绝对位置评价轨道线路的平顺性，提高了测量人员的工作效率；对于控制点分布较稀疏的cpii控制网，通过在控制点处测量、并引入铁路设计文件中的数据作为已知条件两个设站点的坐标，再使用设站点坐标计算轨道线路的绝对位置并用于评价轨道线路的平顺性，能够保证得出的轨道线路的平顺性与轨道线路的实际平顺性更加接近。

附图说明

图1是本发明中轨道线路中控制网的示意图；

图2是本发明实施例1中全站仪所测数据的示意图之一；

图3是本发明实施例1中全站仪所测数据的示意图之二；

图4是本发明实施例1中计算设站点坐标的示意图；

图5是本发明实施例2中全站仪所测数据的示意图之一；

图6是本发明实施例2中全站仪所测数据的示意图之二；

图7是本发明实施例2中的设站点与控制点的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种用于轨道线路平顺性评价的设站测量方法，采用现有技术(如中国专利公开号cn209553210u)中所提供的惯导轨道几何状态动态检测仪，结合单个cpiii控制点对低速轨道线路的轨道上设置的设站点进行检测，该惯导轨道几何状态动态检测仪包括全站仪、倾斜传感器、位移传感器、里程计。具体测量过程如下：

测量全站仪的竖盘指标差i，之后从铁路的cpiii控制网中选择一个控制点c，控制点c在测量坐标系中的坐标为现有的已知数据，记为(xc，yc，hc)；如图1所示，控制点c在轨道线路上的投影点为轨道线路上距控制点c的最近点c′。通过铁路设计文件计算点c′处的里程lc′，计算轨道线路上某点处里程的方法已是所属领域技术人员所熟知的公知常识，具体可参见《轨道点轨道线路里程的一种计算方法》(测绘科学技术学报，2013年，第30卷第5期)；再根据lc′计算点c′处的方位角fc′，其中，根据轨道线路上的点的里程计算该点处方位角的方法也已是本领域技术人员的公知常识，具体可参见《高速铁路设计线形上任意里程处切线方位角的计算》(测绘工程，2015年，第24卷第8期)。

沿轨道线路推动惯导轨道几何状态动态检测仪，使全站仪沿轨道线路移动，当全站仪在轨道线路上的投影与点c′重合，此时，全站仪所处的位置记为设站点a，设站点a在轨道线路上的投影为点a′。上述操作虽然仅通过测量人员通过肉眼观察定位，但是由于控制点c距铁路轨道的距离不超过5m，因此能做到设站点a′与点c′重合，产生的误差可以忽略不计。

通过全站仪测量设站点a与控制点c之间的斜距sa与天顶距ta，如图2所示，其中l与r分别表示组成轨道的左右两侧钢轨，若左右两根钢轨顶面高度不一样，则需要通过倾斜传感器测量惯导轨道几何状态动态检测仪在该处因左右两根钢轨顶面的高度不同而产生的偏角βa，βa即为轨道在设站点a处的偏角，如图3所示；之后计算设站点a处与控制点c之间的高程偏差ha与横向偏差dya，由图3不难得出ha＝sa×cos(180°-ta-i βa)，dya＝sa×sin(180°-ta-i βa)。

通过以上测得的数据计算设站点a的坐标(xa，ya，ha)，具体公式为：

xa＝xc-dya×cos(fc′ α)，

ya＝yc-dya×sin(fc′ α)，

ha＝hc ha；

为简化描述，将点c′所处的与地面平行的平面记为线路平面；如图4所示，其中α为a″c″(sa在线路平面上的投影)与轨道线路在点a′(与点c′重合)处的切线所形成的夹角，由于设站点a在轨道线路上的投影与点c′重合，所以α为90°。

在控制点c处完成设站测量之后，按照上述方法，在轨道线路上选取其他控制点进行设站测量，重复上述操作，测得多个设站点的坐标以用于计算轨道线路的绝对位置，最后用计算的到的轨道线路的绝对位置评价轨道线路的平顺性，具体方法可结合《一种轨道平顺性检测分析方法》(中国专利公开号cn109823362a)。

本方法也可采用cpii控制点，由于cpii控制点的分布间隔比cpiii控制点间隔的分布间隔大，同样里程的轨道线路上能够测量的设站点数量少，则同样里程的轨道线路上所能进行设站测量的设站点数量少，后期用于计算轨道线路绝对位置的数据少，根据此轨道线路的绝对位置得出的轨道线路的平顺性精度会降低，但是得出的轨道线路的平顺性结果仍然能够用于低速线路的平顺性评价。

实施例2

本实施例采用与实施例1中同样的测量装置，即采用现有技术(如中国专利公开号cn209553210u)中所提供的惯导轨道几何状态动态检测仪，并在cpii控制网中选取一个控制点c，控制点c在测量坐标系中的坐标为已知数据，记为(xc，yc，hc)，采用与实施例1同样的方法得到控制点c在轨道线路上的投影点c′，并计算点c′处的里程lc′与方位角fc′。

在轨道线路上的点c′两侧先后使用全站仪进行设站测量，两次进行设站测量的设站点分别记为设站点m与设站点n；设站点m与设站点n在轨道线路上的投影分别为m′与n′，点m′与n′之间的距离不超过100mm；点m′与c′之间的距离以及点n′与c′之间的距离均不超过100mm。

通过全站仪测得设站点m与控制点点c之间的斜距sm与天顶距tm，测得设站点n与控制点点c之间的斜距sn与天顶距tn；通过倾斜传感器测得惯导轨道几何状态动态检测仪在设站点m与设站点n处的偏角分别为βm与βn；通过里程传感器测量设站点m与设站点n之间的里程m′n′；再采用与实施例1中同样的方法计算设站点m与控制点c处的高程偏差hm与横向偏差dym；采用与实施例1中同样的方法计算设站点n与控制点c处的高程偏差hn与横向偏差dyn。得到hm＝sm×cos(180°-tm-i βm)，dym＝sm×sin(180°-tm-i βm)，hn＝sn×cos(180°-tn-i βn)，dyn＝sn×sin(180°-tn-i βn)。

在轨道线路上仅相距不足100mm距离的两点之间的区间可近似认为是笔直的，即线段m′n′可认为是直线段，结合图5至图7，为简化描述，将点c′所处的与地面平行的平面记为线路平面；其中点c″为控制点c在线路平面上的投影，因为点m′、点n′与点c′之间间距不超过100mm，可近似认为点m′、点n′均在线路平面上，则c″m′＝dym、c″n′＝dyn；根据余弦定理可知：

cos(∠m′)＝(m′n′² c″m′²-c″n′²)/(2×m′n′×c″m′)；

于是有：m′c′＝c″m′×cos(∠m′)；n′c′＝m′n′-m′c′；

因此，点m′的里程lm′＝lc′ m′c′，点n′的里程ln′＝lc′-n′c′。设站点的里程与设站点在轨道线路上的投影点的里程相等是本领域的公知常识，即lm＝lm′，ln＝ln′；于是得到设站点m预设站点n的轨道线路坐标m(lm，dym，hm)，n(ln，dyn，hn)，再结合《铁道工程测量》(铁道出版社，2008)一书中关于轨道线路坐标与测量坐标的转换方法，根据铁路设计文件，将设站点m与设站点n的轨道线路坐标转化为设站点m与设站点n在测量坐标系中坐标；最后沿轨道线路，从cpii控制网中选取其他控制点，重复上述操作测得多个设站点的坐标，根据得到的多个设站点的坐标计算轨道线路的绝对位置，再使用轨道线路的绝对位置评价轨道线路的平顺性。

当然，在本实施例中得到设站点m与设站点n的高程偏差与横向偏差后，也可按照实施例1中的方法计算设站点m与设站点n的实际坐标，但是由于本实施例所采用的控制点是控制点间距较大的cpii控制网，因此引入了现有的准确数据lc′，能够提高设站点m与设站点n的坐标精度，且在每个控制点处的轨道线路上测量了两个设站点的坐标，增加了用于计算轨道线路绝对位置的数据量，能够使最终的到的轨道线路平顺性与轨道线路实际的平顺性更加接近。

当然，若测量并计算更多数量的设站点的坐标，即在设站点m与设站点n之间再进行设站测量，使用于计算轨道线路绝对位置的设站点坐标数量进一步增加，则得到的轨道平顺性结果也会更加精准。

若本实施例采用cpiii控制网中的控制点，或者说是在实施例1中也采用本实施例中的设站测量方法，由于cpiii控制网中控制点之间间距小，最终测得的设站点坐标数量多，计算得出的轨道线路的绝对位置误差更小，则根据轨道线路绝对位置得出的轨道线路的平顺性与轨道线路实际的平顺性更加接近。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。