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原文传递基于三维平差方法的既有普速铁路线网联测模型与算法研究

论文题名：	基于三维平差方法的既有普速铁路线网联测模型与算法研究
关键词：	普速铁路;轨道测量;三维控制网;免置平测量;三维平差
摘要：	截至2020年底，全国铁路运营里程14.6万公里，其中普速铁路运营里程10.8万公里。虽然普速有砟轨道成本低、铺设简单，但却容易变形、损坏，导致维修难度和维修成本增高;同时，我国普速有砟铁路长期以中短波平顺性控制为主，极少地顾及线路绝对位置，由于长期荷载、路基沉降及养修作业模式等原因，线路线位逐年变化，不利于列车运行的舒适、稳定和安全。借鉴高速铁路CPⅢ控制网及坐标控制取得的成功经验，在既有普速铁路中引入坐标控制，进而控制线路绝对位置、线形和中长波平顺性，已成为既有普速铁路技术发展的必然趋势。但高速铁路CPⅢ控制网在运营前已建成，测量上不受“天窗”时间约束，综合考虑技术、效率、成本、适用性等因素，高速铁路CPⅢ控制网及其坐标控制技术无法直接移植并应用于既有普速铁路。本文以精度合适、经济实用、效率优先、便于实施为原则，以探索适合既有普速铁路养护维修方法为目标进行了理论创新和技术研究。　　对控制网进行三维整体施测和三维整体平差，避免了分开施测和分开平差所引起的数据资源浪费，测量成本高等问题，已得到部分学者的认可。但现有三维平差方法针对全站仪在置平工况下测量得到的斜距、水平角和天顶距等信息进行平差，无法避免仪器的倾斜误差，同时受高程异常影响，总体精度特别是高程精度较为有限，且需人工搬站和人工置平，效率有限，因而未在工程测量中有实际应用。本文所提出的控制网三维平差方法是基于全站仪免置平工况下的三维整体测量和三维整体平差方法，全站仪无需置平就能工作，巧妙地避开了天顶距测量，实现了不通过水准测量而建立坐标控制网的目的，具有更好的整体性和严密性。控制网三维平差方法是关于控制网建网测量和数据处理的一整套理论和方法，包括控制网的布设、测量网网形研究、粗差探测方法研究、三维网数学平差模型建立、未知参数近似值的求解、三维网平差误差方程开列、网内坐标自由平差算法设计、与上一级控制网的联测及坐标转换、区段间数据平滑搭接等。　　为进一步提高既有普速铁路控制网建网测量及线路测量的整体作业效率，本文还提出了以车载免置平全站仪及其小车为基础的线网联测模型。将全站仪固定安装于轨检小车上，基于全站仪在免置平状态下的边角观测值和控制网测量成果，通过免置平全站仪站点坐标平差求解算法和基于估计精度定权的平差迭代补偿算法，得到全站仪与控制点间的位置关系，即全站仪站点的三维坐标;进而结合小车姿态测量成果计算轨道中线的三维坐标，输出线路测量成果。基于线网联测模型仅一套人马一套设备及一次线网联测作业即可得到控制网测量成果、线路测量成果、线形成果及捣固作业方案，有利于大幅降低了既有普速铁路控制网建网测量及线路测量的时间成本、设备成本及人力成本。同时，在线路测量中，基于区段内所有测站对控制点的边角观测值，以三维控制网间接平差为核心进行控制网精度评定和精度修复，打破传统上必须通过复测才能解决控制网因控制点损坏、温度变化、路基沉降或变形所造成的精度偏低和更新不及时等问题，使控制网的无需复测就能自我更新，为降低控制网的维护成本提供了一种新的思路和方法。　　除此之外，本文还对三维控制网的测量自动化方法和线路线形优化方法等进行了研究。以设计线形为基础，研究车载免置平全站仪的位姿模型，通过车载全站仪位姿估计实现了三维控制网的测量自动化，理论精度分析、数据模拟和算法仿真等结果均表明，控制点照准角度偏差远小于全站仪ATR窗口搜索范围，辅以极端情况下错误锁定目标棱镜时的处理方法，测量自动化方法具有较高的可靠性和稳定性，可有效提高外业测量效率，降低工作强度。针对无线形情况下，以相对轨迹为依据，也对车载免置平全站仪位姿估计方法进行了研究，使无线形情况下的测量自动化方法得以实现。既有线路线形逐年变化，原始线形与实际线路不符已成常态，针对普速铁路轨道实际线位已较大程度偏离原始设计线位的问题，以起拔道量最小为目标，对线路平面曲线线形和竖曲线线形进行线形优化方法研究，使线路捣固作业方案分析具备明确目标。　　最后，按照系统研究和算法设计，进行了样机试制和软件实现，针对各子模块，包括基于车载免置平全站仪及其新型测量小车的线网联测模型、基于免置平测量的三维控制网数据平差方法、控制网测量自动化方法、基于三维控制网的免置平自由设站方法、基于全站仪站点坐标的轨道中线坐标计算方法、线形拟合优化方法等，进行了测试和线路试验。试验结果表明，各子模块及整机均能达到设计要求，与现有普速轨道控制网测量和线路测量技术相比，成本更低、效率更高、速度更快，对我国既有线建网及线路养护维修方法的进步和水平的提高有一定的积极作用。精密测量技术和方法作为铁路建设成套技术中的一个重要组成部分，也将继续在铁路建设和运营维护中发挥重要作用。
作者：	曹娟华
专业：	机械工程
导师：	朱洪涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	南昌大学
学位年度：	2021