无砟轨道施工测量控制网处理系统
WZTCS
中国中铁八局集团 西南交通大学 二OO九年三月
目 录
一、前言……………………………………………………………1
二、研发的软件……………………………………………………1 三、适用围………………………………………………………1 四、WZTCS外业数据采集及质量控制软件的主要功能…………3 五、WZTCS数据平差计算软件的主要功能………………………6 六、WZTCS系统的主要功能特点……………………………… 15 七、WZTCS数据平差计算软件的创新点…………………………18 八、WZTCS系统推广应用前景及使用情况………………………19 九、WZTCS系统评审意见……………………………………………21
软件名称：无砟轨道施工测量控制网处理系统 简称：WZTCS
包括： 外业数据采集及质量控制软件 控制网数据平差计算软件
研发单位：中国中铁八局集团 西南交通大学
联系地址：省市金牛区金科东路68号中铁八局集团 邮编：610036
省市二环路北一段111号西南交通大学土木学院610031
联系人及：
中铁八局 劲 0 西南交通大学 岑敏仪
邮编：
一、 前言
根据“客运专线无碴轨道技术再创新工作的指导意见”（铁工管函[2006]1006号）及2007年2月12日部科技司组织召开的无碴轨道技术再创新研发大纲审查会的会议精神，中铁八局和西南交通大学开展无碴轨道施工测量技术研究再创新工作，项目编号6－21。目的是在消化吸收国外的技术经验上，开发我国自主的无碴轨道施工测量软硬件技术。
研发的无砟轨道施工测量控制网处理系统（WZTCS）软件，能够解决无砟轨道施工测量控制网的数据采集工作，并进行现场质量检查；能够解决无砟轨道施工测量控制网的数据处理问题，满足《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》对无砟轨道施工测量控制网CPIII网的数据处理要求。
二、 研发的软件
研发的软件名为：无砟轨道施工测量控制网处理系统（WZTCS） 包括：
外业数据采集及质量控制软件 控制网数据平差计算软件 三、 适用围
1、主副导线网
参考德国海德坎普公司无砟轨道施工测量经验，在无砟轨道准备铺设前，先沿线路中线30~50米布设200~250米间距的主副导线点，标芯采用平高共用标芯，以附合导线加测副点的形式进行测量，简称主副导线网，每个测站观测5个方向和距离，如图1所示：
图1 主副导线网
2)边角后方交会网
在无砟轨道正式铺设前，沿线路两侧在接触网支杆上或临时支杆上离线路中线10~20米布设50~70米间距的CPⅢ点，以边角后方交会网的形式进行测量，简称边角后方交会网。测站以2×6个CPⅢ基桩点和2个自由测站点为测量目标，每个CPⅢ点保证被测量3次，观测示意图如图2所示。
CPIII CPIII CPIII 测站 CPIII 60m 测站 CPIII 测站 CPIII
图2 边角后方交会网
3)高程控制网
边角后方交会网的CPⅢ基桩点建立后，同时也建立起了高程控制网。水准测量采用往返测，往返测时均观测轨道2侧的CPⅢ基桩点，每一测站应设站在观测目标的重心附近，采用顺时针的观测顺序，如图3所示。
B C CPIII T U 返测 往测 水准点 A CPIII 测站 D 60m S CPIII 测站 V 水准点
图3 测站水准测量示意图
高程测量按《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》中的精密水准测量的要求施测，在CPⅢ平面测量完成后进行，并起闭于二等水准基点。
四、 WZTCS外业数据采集及质量控制软件的主要功能
支持安装有 Mircosoft® Windows Mobile™ Version 5.0以上和
Mircosoft® Windows CE 5.0以上操作系统的电子手薄、PDA，可以充分利用用户现有的设备，而不用单独购买。应用蓝牙或有线传输的模式和智能性全站仪连接，目前支持Trimble S6/8系列智能全站仪和Leica1201/1800/2003智能型全站仪,预留拓普康智能全站仪接口。自动采集野外测量原始数据，并对数据进行质量控制。
主要功能有：限差设置、测站设置、目标学习、自动观测、质量控制、
追加测回、分组观测等。
图 4 软件运行主界面
图 5 新建工程 图 6 工程相关信息
图7 限差设置
图8 测站设置
图9 目标点学习
图10 目标点输入
图11 自动测量
图12 测量数据检查
外业测量数据采集及质量控制系统的主要功能框图如下：
外业测量数据采集及质量控制 测量数据采集 质量控制参数设置 测站参数设置 观测目标学习 仪器自动观测 检查补测数据 平差数据输出 图13 主要功能框图
五、 WZTCS数据平差计算软件的主要功能
具有项目管理、外业数据质量检查、测站数据处理、输出Excel格式的观测手簿、控制网图形CAD输出功能；具有近似坐标推算、粗差探测、自由网平差、约束网平差、控制网置平、高程控制网平差等功能。可以处理无砟轨道施工测量平面控制网的主副导线网、边角后方交会CPIII网2种网形和CPIII精密高程控制网。平面控制网支持Trimble HVSD（自定义）、PDA观测手簿格式（自定义）、Leica GSI格式，高程控制网支持Trimble M5、Leica GSI8格式。支持MS Windows 2000，XP，Vista等桌面电脑操作系统。
数据平差处理系统主要功能框图如下：
测量数据处理模块（平面） 测量数据输入 数据质量控制 测站平差 近似坐标推算 分段 控制推算 图形近似 输出 坐标 图14 主要功能框图
观测手簿输出 控制网置平 自由网平差 约束网平差 测量数据处理模块（高程） 测量数据输入 数据质量控制 测站平差 近似高程推算 观测手簿输出 图15 主要功能框图
高程网平差 报表生成 成果提交 WZTCS软件主要界面如下：
图16
主界面
图17
工程项目管理
图18
原始测站观测信息
图19
原始测点信息
图20
平面控制点数据导入
图21
高程控制点数据导入
图22
限差参数设置
图23
自由网平差参数设置
图24
约束网平差参数设置
图25
控制网置平参数设置
图26
高程平差界面
图27
限差参数设置
图28 高程网闭合差检验
图29 高程网平差结果
软件整体流程图如下：
建立/打开 项目平面网数据处理高程网数据处理导入外业观测文件导入外业观测文件重新观测进行观测数据检查生成平差文件/输出观测手簿否合格是测站平差/近似坐标推算/生成观测手薄/生成控制网图否设置平差参数合格是自由网平差约束网平差控制网置平开始平差计算闭合环搜索重新观测设置平差参数粗差探测、阈值报警、CPI CPII稳定性检查输出平差结果及点位精度否合格是输出平差结果、点位误差椭圆、相对点位误差椭圆、平差网图项目文件管理
图30 软件整体流程图
软件的功能层次图如下：
新建项目导入观测文件打开项目项目管理添加控制数据观测数据分析测站平差打开、关闭项目属性关闭项目近似坐标推算生成观测手簿无砟轨道施工测量控制网处理系统数据导入生成控制网图平差参数设置自由网平差导入、导出平面数据处理平面数据平差计算约束网平差控制网置平导入观测文件项目文件管理添加、删除数据导入数据检查输出观测手簿闭合环搜索闭合差计算高程数据处理高程数据平差计算WZTCS编辑、保存添加控制数据平差参数设置高程网平差结果查看重命名等数据处理结果网图显绘结果导出
图31 软件功能层次图
六、 WZTCS系统的主要功能特点
1、系统的数据采集及质量控制软件能自动按测站、测回提取观测数据，按设置的限差进行质量检查、删除超限数据、追加新测回数据、测站平差。可实现Trimble S6/S8机载及电子手簿的数据采集，能协同Leica智能型全站仪进行自动观测。完全遵循国的测量规要求，输出的文件、外业成果完整、正确；
2、系统的数据采集及质量控制软件支持安装有 Mircosoft® Windows Mobile™ Version 5.0以上和 Mircosoft® Windows CE 5.0以上操作系统的电子手薄、PDA，可以充分利用用户现有的设备，而不用单独购买； 3、系统的数据采集及质量控制软件支持分组观测原始数据的采集。在观测方向较多目标点间的夹角很小的情况下，以及在狭长地段如隧道的CPIII网观测时，能解决全站仪不工作的情况，工程使用非常实用； 4、系统的数据采集及质量控制软件，实现了外业观测的自动测量、自动记录和人机交互式的质量控制，输出的文件包括含超限数据的最原始数据文件和已经质量检查后合格的成果文件，利于用户存档和分析比较。 5、系统的数据采集及质量控制软件和数据平差计算软件实现了数据的无缝连接，使得CPIII网测量实现了外业一体化的目标；
6、系统的数据平差计算软件采用C++ Builder, Visual Fortran进行编程，采用面向对象和结构化程序编程技术。实现了友好的人机对话操作界面，易于学习和使用。
7、系统的数据平差计算软件采用了优化设计，不存在死机和CPU、存占满的情况，用户在进行CPIII网平差计算时，还可以进行其他工作，比如上网、文字处理等，当平差计算完成时，软件采用提示音提示计算完毕，
非常人性化。
8、系统的数据平差计算软件，还可以对外业数据进行第二道质量把关，对进入软件计算的数据再次进行检查和统计，软件还支持Trimble HVSD、Leica GSI16数据格式，可以直接读取全站仪的原始数据，实现对国外测量的数据进行分析处理的能力。
9、系统的数据平差计算软件采用了先进的观测点近似坐标推算方法，不存在推算不出近似坐标的问题，并且软件还具有分段推算近似坐标的功能，这对大型的CPIII控制网非常有用，减少计算时间，在统一平差时，减少迭代次数，提高平差计算速度，提高平差计算精度。
10、系统的数据平差计算软件具有高程投影面改正功能，能较好地适应地形起伏大和长大纵坡线路的无砟轨道CPIII控制网测量。
11、系统的数据平差计算软件使用粗差判断方程技术，提供三级阈值报警功能，软件运用判断矩阵和可靠性理论进行误差分析和质量控制，从而使得粗差探测功能更实用可靠。
12、系统的数据平差计算软件具有以下三种平差计算方法： （1）自由网平差（free net adjustment）
（2）约束网平差（adjustment with fixed points）
（3）控制网置平（adjustment with soft fixed points （with analysis） ）
三种平差计算方法适用于不同的情况，用户可以根据自己的需求选择平差计算的方法。
13、系统的数据平差计算软件具有真正意义上的控制网置平功能，可以判断CPIII控制网测量质量和CPI、CPII的稳定性，其平差计算结果更能
保证轨道的高平顺性要求；
14、系统的数据平差计算软件已一次性处理过约30km长的CPIII控制网，不用分段计算。
15、系统的输出成果容丰富，结果文件有以下主要容： 自由网平差、约束网平差可输出： （1）CPⅢ验后观测量改正数及判断参数；
（2）点位误差椭圆、观测边的相对点位误差椭圆参数；
（3）平差后点位坐标、观测量平差结果、观测点的相对点位误差椭圆； （4）单位权中误差、自由网平差参数、约束网平差参数； 控制网置平可输出：
（1）网平差观测量改正数及判断参数；
（2）网平差点位坐标、点位误差椭圆、每条边的相对点位误差椭圆参数；
（3）控制网刚性转换点位坐标、平差后加密点位坐标、观测量平差结果； （4）单位权中误差、控制网尺度系数； （5）控制网置平点位和测站坐标；
（6）控制网置平后已知点坐标改正数、控制网置平已知点改正数及判断参数；
（7）测量点的相对点位误差椭圆、控制网置平参数
系统还可输出CPIII网的原始观测数据手薄文件、CPIII网控制网图。 16、系统的数据采集及质量控制软件不但可以测量CPIII网，也可以测量平面任意网形的控制网；系统的数据平差计算软件不但可以计算CPIII网、主副导线网，也可以计算任意的边角网，同时也可以计算任意水准网。 17、WZTCS无砟轨道施工测量控制网处理系统，完全遵照现行的客运专
线测量规进行设计和开发，具有的自主知识产权。 七、WZTCS数据平差计算软件的创新点
1、采用赫尔默特方差分量估计的单位权中误差；多余观测分量的可靠
性；控制网标准改善等指标来分析处理外业观测数据。与德国海特坎普公司使用软件对比测试，X、Y坐标和相邻点坐标差的较差统计中误差分别为0.4mm、0.2mm、0.4mm、0.3mm，其最大较差值≤1.6mm）。系统具有处理国外原始测量数据的能力，国其它软件还不具有。
2、可以计算任意方向的CPIII点位或相对点位中误差，国其它软件还不具有。
图32 中误差投影方向、高程投影面参数输入界面
3、具有高程投影面改正功能，能较好地适应地形起伏大和长大纵坡线路的无砟轨道CPIII控制网测量。配合自由投影软件，可以从根本上解决高斯投影和高程投影变形的问题，国国外其它软件还不具有。
4、用判断矩阵和可靠性理论进行测量原始数据误差分析和质量控制，使得测量原始数据的粗差探测功能更实用可靠。系统提供三级阈值报警功能，国其它软件还不具有。
图33 阈值报警功能
5、具有真正意义上的控制网置平功能，能判断CPIII控制网的测量质量；能判断高级点CPI、CPII的可靠性和稳定性，计算结果更能保证无砟轨道的高平顺性要求，国其它软件还不具有。
87654321-1Z01Z02Z03Z04Z05Z06Z07Z08Z09Z10Z11Z12Z13Z14Z15Z16Z17Z18Z19Z20Z21Z22Z23Z24Z25Z26Z27Z28Z29Z30Z31Z32Z33Z34Z35Z36Z37Z38Z39Z40Z41Z42Z43Z44Z45Z46Z47Z48Z49Z50Z51约束平差结果置平结果0
图34 置平结果与约束平差结果对比图
从图34中可以看出，当上一级控制点有误差时，置平的结果是一条光滑的曲线，说明线路的平顺性保持得很好；而约束平差的结果是一条突变的折线，线路的平顺性受到很大的影响。 八、软件推广应用前景及使用情况
1、软件推广应用前景分析
为保证高速行车对线路平顺性的要求，线路必须具备准确的几何线性参数。无轨道铺设工艺复杂，一旦建成后将很难进行调整，若出现问题，
将为整个工程的使用留下隐患，期间若想改善轨道几何参数将变得十分困难，必须花费高昂的代价进行弥补，因而无碴轨道的施工质量是客运专线建设能否成功的关键。CPⅢ控制网既是无砟轨道铺设的控制点，又是轨道运营维护的基准点，如何保证它的精确性、可靠性和可重复性是无砟轨道施工测量的关键技术。
《无砟轨道施工测量控制网处理系统（WZTCS）》软件，从根本上改变了传统的铁路工程测量软件的设计理念和单纯平差计算及精度评定的功能，运用误差和可靠性理论的最新成果，通过粗差探测技术确保测量数据处理的可靠性。
《无砟轨道施工测量控制网处理系统（WZTCS）》软件可广泛应用于高速铁路及客运专线无砟轨道施工控制测量，形成拥有自主知识产权的无砟轨道施工测量技术。这对提升我国高速铁路无砟轨道施工测量技术水平有着积极的作用。
2、软件使用情况
系统从2007年3月开始研发，历时二年的时间。现在推出的软件版本，已经过中铁八局武广、石太客运专线及甬台温等多条客运专线的检验实算，效果良好。
系统已于
2009年3月1日通过了由铁道部建设司组织，由部运输局，
工管中心，经规院，铁一、二、三、四院，中铁设计咨询集团，中铁二、七、八局，西南交大、中南大学，大学等单位的代表及专家的评审鉴定。
九、WZTCS系统评审意见
