梁爽，王玉福，李鵬，馬全明，高俊

(1.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101;2.東莞市軌道交通有限公司，廣東 東莞 523000)

1 引 言

目前軌道交通行業(yè)內(nèi)大部分針對軌道交通線路工程測量的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算的方法，一是采用計(jì)算器人工計(jì)算，二是通過CAD 圖上擬合量取，三是采用諸如Excel 等進(jìn)行二次開發(fā)的簡易程序進(jìn)行計(jì)算等其他一些方法。這些計(jì)算方法在實(shí)際運(yùn)用中均可操作，但是缺乏統(tǒng)一的操作標(biāo)準(zhǔn)，比較分散且操作步驟復(fù)雜，對于原始數(shù)據(jù)的讀入格式也各種各樣，容易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤等問題。針對存在的問題，本文結(jié)合整個(gè)軌道交通工程測量的特點(diǎn)，以Visual C++6.0 為可視化開發(fā)平臺，從底層進(jìn)行類的定義以及代碼編寫，開發(fā)出工程測量數(shù)據(jù)處理8 大模塊，不僅統(tǒng)一了數(shù)據(jù)讀入格式，簡化了數(shù)據(jù)處理的操作程序，而且在重大測量數(shù)據(jù)處理模塊中提供了多種復(fù)核計(jì)算程序，從而達(dá)到了數(shù)據(jù)處理速度快，數(shù)據(jù)處理結(jié)果可信度高的效果，希望對國內(nèi)同行在軌道交通工程測量數(shù)據(jù)處理方面提供一些借鑒和參考。

2 總體設(shè)計(jì)思路

2.1 數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

城市軌道交通工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)關(guān)于數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)，主要是針對海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，一是要盡量符合目前主流的測量儀器的輸出格式，主要是全站儀的內(nèi)存海量坐標(biāo)點(diǎn)位數(shù)據(jù)，包括點(diǎn)號，Y，X，H 數(shù)值;二是要統(tǒng)一定義整個(gè)系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)的排列要規(guī)范易操作，盡量按照測量儀器輸出后簡易修改或者不修改便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入;三是讀入數(shù)據(jù)的文件大小要控制在合理范圍內(nèi)，不影響數(shù)據(jù)的讀入速度。基于以上三點(diǎn)，作者選擇文本格式(．txt)作為最終的讀入數(shù)據(jù)格式。具體的讀入數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

數(shù)據(jù)讀入格式 表1

2.2 流程設(shè)計(jì)

城市軌道交通工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程包括系統(tǒng)的功能模塊、數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵算法以及系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)。將測量儀器中的原始數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)讀入格式排列好，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊，讀入數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的處理過程并生成平差報(bào)告，根據(jù)報(bào)告中的精度結(jié)果，如果滿足精度要求，保存平差報(bào)告并按要求輸出成果，否則檢查讀入數(shù)據(jù)，重新輸入并處理。在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，部分重大測量數(shù)據(jù)處理模塊提供了多種算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用戶可以選擇不同算法進(jìn)行驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)成果的可靠，具體的系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.3 功能劃分

針對城市軌道交通工程測量的實(shí)際特點(diǎn)，將涉及的測量數(shù)據(jù)處理主要劃分為盾構(gòu)管片姿態(tài)測量、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量、聯(lián)系測量、線路(隧道)中心線計(jì)算、多點(diǎn)擬合圓(球)心、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、斷面測量數(shù)據(jù)處理、坐標(biāo)正反算，選擇相應(yīng)的模塊以后，會彈出子模塊，分別對應(yīng)著不同的算法，用戶可根據(jù)選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理驗(yàn)算。另外，系統(tǒng)界面上還有用戶注冊、使用說明、退出等附加功能供選擇使用。

圖1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

3 關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)

城市軌道交通工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)根據(jù)功能劃分為8 大處理模塊，具體界面及功能設(shè)計(jì)如圖2 所示。由于篇幅所限，下面主要對系統(tǒng)里兩個(gè)較為關(guān)鍵的功能模塊算法進(jìn)行分析說明。

圖2 城市軌道交通工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主界面

3.1 盾構(gòu)機(jī)人工姿態(tài)計(jì)算

假設(shè)兩個(gè)直角坐標(biāo)系，其中O－XYZ 為施工坐標(biāo)系，O'－X'Y'Z'為盾構(gòu)局域坐標(biāo)系，如圖3 所示。

圖3 施工坐標(biāo)系和盾構(gòu)局域坐標(biāo)系示意圖

設(shè)點(diǎn)A 在空間直角坐標(biāo)系O－XYZ 中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)，在空間直角坐標(biāo)系O'－X'Y'Z'中的坐標(biāo)為(X'，Y'，Z')。X'軸在O－XYZ 中的方向余弦為(a1，b1，c1)，Y'軸在O－XYZ 中的方向余弦為(a2，b2，c2)，Z'軸在O－XYZ 中的方向余弦為(a3，b3，c3);而X 軸在O'－X'Y'Z'中的方向余弦為(a1，a2，a3)，Y 軸在O'－X'Y'Z'中的方向余弦為(b1，b2，b3)，Z 軸O'－X'Y'Z'中的方向余弦為(c1，c2，c3)，μ 為尺度比，(X0，Y0，Z0)為O'－X'Y'Z'的原點(diǎn)相對于O－XYZ 原點(diǎn)的平移量。兩套坐標(biāo)的關(guān)系用矩陣表示為:

旋轉(zhuǎn)矩陣R 是正交矩陣，存在下列條件:

根據(jù)式(1)和上述的6 個(gè)條件方程，采用附有條件的參數(shù)平差方法可以方便的求出3 個(gè)平移參數(shù)(X0，Y0，Z0)，9 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)(a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3)和一個(gè)比例參數(shù)μ，然后利用計(jì)算得到的13 個(gè)參數(shù)和盾頭、盾尾中心點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)局域坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，代入式(1)，就可以方便的計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)頭和盾尾中心點(diǎn)在施工坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，再與設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行比較可以方便的求出盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)的姿態(tài)。

3.2 獨(dú)立坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

局域范圍內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立三維直角坐標(biāo)系，可以采用盾構(gòu)人工姿態(tài)的算法，即采用13 參數(shù)法，利用兩個(gè)直角坐標(biāo)系中的公共點(diǎn)，采用附有條件的參數(shù)平差方法求得轉(zhuǎn)換的13 參數(shù)，然后利用13 參數(shù)求得所求點(diǎn)在待求坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

同樣，也可以直接采用長度一致的方法利用參數(shù)平差的方法直接求得待求點(diǎn)在待求坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。因兩個(gè)直角坐標(biāo)系中的公共點(diǎn)在每個(gè)坐標(biāo)系中的相對位置關(guān)系不變，則待求點(diǎn)在每個(gè)坐標(biāo)系中到各公共點(diǎn)的長度相等，假設(shè)n 個(gè)公共點(diǎn)在已知坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(Xi，Yi，Zi)，在待求坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xi，yi，zi)其中n=1，2，…，n，待求點(diǎn)在已知坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xo，yo，zo)，在待求坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x，y，z)，則有下式:

分別將各公共點(diǎn)坐標(biāo)代入上式中，利用參數(shù)平差的方法直接求得待求點(diǎn)在待求坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x，y，z)。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在東莞城市快速軌道交通R2 線工程測量中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，筆者選擇某區(qū)間標(biāo)段工程測量為實(shí)例，以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)為依托，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行驗(yàn)證。例如某區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，在盾構(gòu)停機(jī)維護(hù)期間，外業(yè)對盾構(gòu)機(jī)的參考點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測量，選擇系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)計(jì)算模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出成果報(bào)告及平差結(jié)果如表2、表3 所示。

盾構(gòu)機(jī)人工姿態(tài)測量成果表 表2

盾構(gòu)機(jī)人工姿態(tài)平差表 表3

我們可以根據(jù)改正數(shù)的大小，來判斷在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的精度。同時(shí)可以進(jìn)行粗差剔除，對于改正數(shù)較大的點(diǎn)剔除后重新計(jì)算，計(jì)算出更為可靠的結(jié)果。由于篇幅有限，上述表格中只提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)。經(jīng)過多種方法的計(jì)算、并與現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)操控室電腦數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量的數(shù)據(jù)處理完全滿足施工要求。

本系統(tǒng)對海量斷面測量的數(shù)據(jù)處理也取得了良好的應(yīng)用效果。同樣以東莞R2 線工程某盾構(gòu)區(qū)間為例，在完成隧道貫通后，按照設(shè)計(jì)單位斷面測量技術(shù)要求，每個(gè)斷面測量10 個(gè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，存儲于全站儀中。內(nèi)業(yè)對海量的斷面點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編輯，以文本格式存儲，選擇系統(tǒng)的斷面測量模塊中的圓形斷面程序，進(jìn)行快速批量處理，幾分鐘之內(nèi)便可完成數(shù)據(jù)處理，并生成斷面數(shù)據(jù)成果表，如表4 所示。

盾構(gòu)圓形隧道斷面數(shù)據(jù)成果表 表4

筆者還采用了廣州、深圳、北京等多地的軌道交通工程測量實(shí)測數(shù)據(jù)，對本測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的各個(gè)模塊分別進(jìn)行了大量的計(jì)算驗(yàn)證，由于數(shù)據(jù)眾多，文章中就不一一列舉了。測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果都很好的符合了工程實(shí)際，滿足了施工要求。

5 結(jié) 語

筆者完成系統(tǒng)開發(fā)以后，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，取得了較好的效果，本系統(tǒng)有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):

(1)本文主要從城市軌道交通工程測量的實(shí)際出發(fā)，考慮到目前行業(yè)內(nèi)沒有一套綜合全面的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用Visual C++ 6.0 開發(fā)，從底層進(jìn)行類的定義以及代碼編寫，在Windows 環(huán)境下運(yùn)行，用戶界面形象直觀，易學(xué)易用，在軟件使用上已經(jīng)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

(2)首次將軌道交通工程盾構(gòu)施工過程中相關(guān)的測量計(jì)算進(jìn)行了系統(tǒng)的集成開發(fā)，根據(jù)盾構(gòu)施工的實(shí)際特點(diǎn)，從盾構(gòu)始發(fā)前的隧道中線數(shù)據(jù)計(jì)算，盾構(gòu)始發(fā)的姿態(tài)檢查計(jì)算，洞門中心定位安裝，到掘進(jìn)過程中的管片姿態(tài)偏差計(jì)算，從盾構(gòu)始發(fā)井施工放樣期間的坐標(biāo)正反算、施工坐標(biāo)系與局域坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換到盾構(gòu)后期竣工的斷面凈空測量，涵蓋了目前軌道交通工程盾構(gòu)施工期間所有的相關(guān)步驟，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和普遍適用性。

(3)盾構(gòu)施工測量系統(tǒng)中的盾構(gòu)機(jī)人工姿態(tài)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，計(jì)算方法靈活，適用性強(qiáng)，能夠在盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，快速準(zhǔn)確地判斷出盾構(gòu)機(jī)實(shí)際姿態(tài)。該模塊針對目前主流的盾構(gòu)機(jī)，針對主動鉸接和被動鉸接不同的盾構(gòu)機(jī)形式以及盾構(gòu)機(jī)剛體上有無廠商提供的參考點(diǎn)數(shù)據(jù)，均提供了系統(tǒng)多樣的計(jì)算模塊，并且自動進(jìn)行改正計(jì)算，方便測量工作者剔除外業(yè)中錯(cuò)誤的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，確保盾構(gòu)施工的測量安全。

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