地鐵控制基標(biāo)編程分析的論文
[摘要]介紹控制基標(biāo)在地鐵建設(shè)中的作用和測設(shè)步驟,總結(jié)鋪軌基標(biāo)歸化改正計(jì)算的理論依據(jù)和基本方法,建立了數(shù)學(xué)模型;同時在VB6.0環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)了歸化改正點(diǎn)位的自動判定和改正值的自動計(jì)算。最后給出編程原理、流程圖和工程實(shí)例。
[關(guān)鍵詞]地鐵控制基標(biāo)歸化改正
1.鋪軌基標(biāo)在地鐵工程中的地位和作用
鋪軌基標(biāo)是高標(biāo)準(zhǔn)軌道混凝土整體道床的軌道鋪設(shè)控制點(diǎn),精確地測設(shè)鋪軌基標(biāo)是保證軌道施工質(zhì)量的關(guān)鍵。近年來,我國迅速發(fā)展的地鐵、輕軌交通,對列車安全行駛的要求越來越高,這就對鋪軌精度提出了更嚴(yán)格要求,因此精確測設(shè)鋪軌基標(biāo)是保證地鐵軌道高精度施工的重要環(huán)節(jié)。
鋪軌基標(biāo)沿線路布設(shè)成導(dǎo)線形式,按精度等級可劃分為控制基標(biāo)和加密基標(biāo),測設(shè)時先測設(shè)控制基標(biāo),然后,利用控制基標(biāo)測設(shè)加密基標(biāo)。鋪軌基標(biāo)埋設(shè)位置有兩種,即位于線路中線或線路中線的一側(cè)。鋪軌基標(biāo)測量的實(shí)質(zhì)是按照設(shè)計(jì)線路和鋪軌綜合設(shè)計(jì)圖的要求,以一定的間隔,在線路中線或其一側(cè)測設(shè)具有精確平面坐標(biāo)和高程的標(biāo)志,作為鋪軌的平面和高程依據(jù)。
2.控制基標(biāo)測設(shè)的一般步驟
控制基標(biāo)的三維坐標(biāo)在測設(shè)之前由測繪工程師根據(jù)鋪軌綜合設(shè)計(jì)圖計(jì)算得出,測設(shè)控制基標(biāo)大致分為三個步驟:
(1)初測:按三維坐標(biāo)把控制基標(biāo)放樣到實(shí)地。
。2)調(diào)線測量:以附合導(dǎo)線形式串測控制基標(biāo),檢測相鄰控制基標(biāo)間的`夾角與距離是否滿足規(guī)范限差要求。
。3)歸化改正:根據(jù)調(diào)線測量成果計(jì)算控制基標(biāo)間各夾角與理論值的較差,如有超限,則對部分或全部控制基標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行歸化改正,使各控制基標(biāo)間的幾何關(guān)系滿足限差要求?刂苹鶚(biāo)間高差關(guān)系一般好控制,在此不贅述。
3.歸化改正的一般方法和存在的問題
3.1一般方法:
(1)坐標(biāo)法:根據(jù)調(diào)線測量平差結(jié)果,計(jì)算各控制基標(biāo)坐標(biāo)改正數(shù)(Vx,Vy),分別改正。
(2)角度距離法:根據(jù)控制基標(biāo)串測導(dǎo)線的角度、距離偏差,沿線路垂直方向調(diào)整控制基標(biāo)點(diǎn)位,使相鄰控制基標(biāo)的夾角滿足限差要求。
上述方法中坐標(biāo)法能嚴(yán)格將點(diǎn)位改正到理論位置,但計(jì)算煩瑣,實(shí)地操作較困難,一般不被采用。而角度距離法在滿足施工需要的前提下,合理忽略距離偏差,重點(diǎn)考慮角度偏差,計(jì)算、操作相對簡單,在工程中得到普遍應(yīng)用。
3.2存在問題:
通常進(jìn)行角度距離法歸化改正時,人為判斷和選取需改正的點(diǎn)位,憑借經(jīng)驗(yàn)試探該點(diǎn)橫向改正值。由于在串測的導(dǎo)線上,一點(diǎn)的橫向改正會引起相臨兩點(diǎn)間夾角的變化,因此須反復(fù)試探調(diào)整各點(diǎn)改正值,才能滿足調(diào)線和歸化改正要求。此方法既無固定規(guī)律又不嚴(yán)密,效率又低,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的測量工作者很難掌握。
4.歸化改正計(jì)算程序的編程思想和特點(diǎn)
筆者針對上述歸化改正中存在問題,在VB6.0下開發(fā)了控制基標(biāo)歸化改正計(jì)算程序,并在北京地鐵、伊朗德黑蘭地鐵控制基標(biāo)測量中得到了驗(yàn)證和應(yīng)用。實(shí)踐表明,該程序計(jì)算結(jié)果完全能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范精度要求,解決了長期困擾測量工作者的難題。
4.1編程思想:以角度距離法為出發(fā)點(diǎn),總結(jié)點(diǎn)位橫向改正值與角度改正數(shù)的變動規(guī)律,建立較合理的數(shù)學(xué)模型,尋求簡潔實(shí)用的計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)歸化改正點(diǎn)位自動選取與對應(yīng)改正值的自動計(jì)算。
4.2特點(diǎn):(1)計(jì)算快捷,直觀。
。2)結(jié)果準(zhǔn)確,滿足施工精度要求。
。3)參數(shù)可自由設(shè)置,靈活實(shí)用。剩余夾角改正數(shù)限差、點(diǎn)屬性[注1]可由用戶設(shè)置,可強(qiáng)制調(diào)整指定點(diǎn)的改正值。不受線路形狀、基標(biāo)布設(shè)形式限制。
5.歸化改正原理和數(shù)學(xué)模型
圖一是控制基標(biāo)以附合導(dǎo)線形式串測示意圖,附合導(dǎo)線點(diǎn)數(shù)為n+3,邊數(shù)為n+2,其中虛線表示控制基標(biāo)串測附合導(dǎo)線理論位置,實(shí)線表示平差后的附合導(dǎo)線。
圖一控制基標(biāo)串測示意圖
圖一中各符號的意義為:
Pi:第i個導(dǎo)線點(diǎn)(控制基標(biāo))的點(diǎn)名。
Si:第i-1點(diǎn)到第i點(diǎn)的距離(觀測值與理論值相差微小,以觀測值表示)。
α0、αn:附合導(dǎo)線兩端的已知方位角。
β’i:第i個控制點(diǎn)上的轉(zhuǎn)折角理論值;βi:第i個轉(zhuǎn)折角平差后的觀測值。
ui:第i點(diǎn)沿線路法線方向的歸化改正數(shù),含正負(fù)號。正值表示向觀測角一側(cè)改正。
vi:轉(zhuǎn)折角改正數(shù),vi=β’i-βi;
5.1歸化改正原理:
已知轉(zhuǎn)折角改正數(shù)vi(i=0,1,2…n)和觀測邊si(i=1,2…n),在Vi剩=0(Vi剩為轉(zhuǎn)折角改正數(shù)殘差;i=0,1,2…n)或S(vi剩^2)=min(最小)的條件下,求各歸化改正數(shù)ui(i=0,1,2…n)。
5.2數(shù)學(xué)模型的建立:
為求得U,下面討論④式解的情況:
考察④式的系數(shù)矩陣B的秩有:
R(B)<=(n-1)<n+1,知B不可逆,方程④不是唯一解;
當(dāng)R(B|U)=R(B),相容方程④有解,且有無窮多解。
當(dāng)R(B|U)≠R(B),矛盾方程④無解。
針對以上兩種情形,為求得④式的最優(yōu)解,引入工程數(shù)學(xué)的“廣義逆”(g逆)概念。設(shè)B的廣義逆矩陣為B▔,最小范數(shù)g逆為Bm▔,最小二乘g逆為Bl▔;B的Moore-Penrose廣義逆為B。則
。1)當(dāng)R(B|U)=R(B)<n+1時,相容方程④的最小范數(shù)解不唯一,它的一個解為
U=(1/)Bm▔V⑤
此時,U結(jié)果唯一,且滿足||U||(U的范數(shù))=最小。亦即橫向歸化改正值的平方和最小。
對于等邊導(dǎo)線,設(shè)S1=S2=…=Sn=S,q=1/S則④式中的B可寫為:
可見,等邊導(dǎo)線歸化改正只有唯一解⑤’,它是⑤的特殊形式,同樣滿足||U||=最小。此時R(B)=R(B|U)=n-1。
此外等邊導(dǎo)線具有兩個重要規(guī)律:即滿足兩個公式(③和③’)。③’為等邊導(dǎo)線所特有,也可用于檢驗(yàn)等邊導(dǎo)線觀測值是否含有粗差。③是所有導(dǎo)線具有的規(guī)律,歸化改正數(shù)的殘差向量也符合這一規(guī)律,所以③除能檢驗(yàn)觀測值是否含有粗差外,還可以檢驗(yàn)歸化改正結(jié)果是否正確。
(2)當(dāng)R(B|U)≠R(B)時,矛盾方程④無解,但可求最優(yōu)近似解,即最小二乘解(不唯一),其一個解為
U=(1/)Bl▔V⑥
⑥可使方程④殘差向量的范數(shù)最小,即||BU||=最小。也就是附合導(dǎo)線的轉(zhuǎn)折角改正數(shù)的殘差向量的平方和為最小。
綜合(1)、(2)兩種情況,即無論方程④有解或無解,均可得到最優(yōu)解,并可統(tǒng)一寫為下式:
U=(1/)BV⑦
在(1)的情形下,⑦是④的一個最小范數(shù)解;在(2)情形下,⑦是④唯一的最小二乘最小范數(shù)解。
、、⑤、⑥三式或④、⑦二式即為控制基標(biāo)歸化改正的數(shù)學(xué)模型。
不論對于Bm-、Bl-還是B+,求解均有兩種基本方法:滿秩分解法、初等變換法。但精確解算十分繁瑣,編程較難實(shí)現(xiàn)。實(shí)際編程是將V的殘差向量(即轉(zhuǎn)折角剩余改正數(shù))的所有分量歸化改正到滿足限差要求為止。實(shí)踐表明,該法可達(dá)到秒級精度要求。
6.程序流程圖
程序流程圖見圖二
圖二程序流程圖
6.1工程實(shí)例
本例點(diǎn)數(shù)包括兩端4個固定點(diǎn)共16個,邊數(shù)包括兩條起算邊共15條。用程序按5”限差計(jì)算,
其中,折角改正數(shù)由轉(zhuǎn)折角理論值減去觀測值得到。計(jì)算成果見表一。
表一:歸化改正計(jì)算成果表
7.結(jié)束語
該控制基標(biāo)歸化改正程序,經(jīng)過多年在北京、伊朗德黑蘭地鐵基標(biāo)測量工程中使用,不僅可滿足現(xiàn)行規(guī)范和施工要求,而且提高了工程效率和質(zhì)量。歸化改正程序必將在今后城市地下鐵道、輕軌交通工程的鋪軌基標(biāo)工作中發(fā)揮其應(yīng)有作用。同時,本歸化改正程序?qū)芫形工程的高精度放樣,也有一定的實(shí)用和參考價值。
[注1]點(diǎn)屬性:1表示固定點(diǎn);0表示未知點(diǎn)(參與歸化改正計(jì)算)。
[注2]變換方法為:從第1行起,后兩行加到前一行,依次類推到倒數(shù)第3行;再從倒數(shù)第2行起,每行加后邊一行,依次類推至第1行。
參考文獻(xiàn):
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