CN116029036B - 用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法和系统 - Google Patents
用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法，包括：对搭接区域及两端一定距离内平面坐标测量数据进行筛选，并根据线路走向对筛选出的平面坐标测量数据进行排序处理，从而完成局部重构设计区域的测量数据选取；根据局部重构设计区域内的平面坐标测量数据，完成局部线形重构设计，并计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差；计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差较差，并根据平面偏差较差计算结果，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求；当搭接区域内两次平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。本发明实现了多个区段的平面坐标测量数据的合并为一。
Description
技术领域
本发明涉及铁路工程技术领域，特别涉及一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法和系统。
背景技术
铁路设计线形作为工务部门线路养维的基准，其合理性、适用性对于线路养维质量起着至关重要的作用。然而对于我国绝大多数运营普速铁路，由于在日常维护过程中缺乏绝对控制的手段，轨道实际线形普遍与设计线形产生较大差异，原始设计线形已无法用于指导现场维护作业。因此需定期对既有铁路线形进行复测，并根据复测数据重构设计出轨道的实际线形。在实际复测过程中，受制于测量效率、天窗时长等因素的影响，整条线路需通过多次分区段测量作业方可完成。为保证整条线路的贯通重构设计，测量作业完成后需对多个分区段的测量数据进行搭接处理，最终合并为一整区段的测量数据。然而对于运营普速铁路，由于缺乏带有绝对位置信息的设计线形，无法根据实测平面坐标，直接求得搭接区域内两次测量数据相对于设计线形的平面偏差较差，进而根据较差结果判断两次测量数据是否满足搭接精度要求并进行数据搭接处理，这给后期数据处理工作带来了一定的挑战。
发明内容
为解决现阶段运营普速铁路平面坐标数据搭接中存在的不足，本发明的目的是提供一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法和系统，具体的，是一种基于正交最小二乘法的运营普速铁路平面坐标测量数据搭接方法和系统。
本发明由下述技术方案实现：
本发明的第一方面提供了一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法，包括以下步骤：
步骤S100，对搭接区域及两端一定距离内平面坐标测量数据进行筛选，并根据线路走向对筛选出的平面坐标测量数据进行排序处理，从而完成局部重构设计区域的测量数据选取；
步骤S200，根据局部重构设计区域内的平面坐标测量数据，完成局部线形重构设计，并计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差；
步骤S300，计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差较差，并根据平面偏差较差计算结果，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求；
步骤S400，当搭接区域内两次平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。
进一步的，所述步骤S200包括：
步骤S210，当搭接区域位于直线区段时，根据步骤S100中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成直线区段的线形重构设计，获得设计线形的斜率和截距,计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差;
步骤S220，当搭接区域位于圆曲线区段时，根据步骤S100中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成圆曲线区段的线形重构设计，获得设计线形的圆心坐标和半径，计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差。
进一步的，所述步骤S300包括：
步骤S310，以搭接区域内第一个测点与设计线形法向交点为设计里程基准点，计算其它测点对应的设计里程;
步骤S320，根据求得的平面偏差以及设计里程，线性插值计算出某次测量作业在另一次测量作业所得数据对应设计里程下的平面偏差;
步骤S330，根据步骤S320中的计算结果，计算搭接区域内同一设计里程位置处两次测量数据平面偏差较差的绝对值，并计算偏差较差的95%分位数，将其与较差限差进行比较，判断该区段两次测量数据是否满足搭接精度要求。
进一步的，所述步骤S400包括：
步骤S410，当搭接区域位于直线区段时，根据搭接区域内首末两个测点平面坐标值和步骤S310中计算得到的各测点设计里程，采用线性插值法计算得到每个测点搭接处理后的平面坐标值;
步骤S420，当搭接区域位于圆曲线区段时，根据设计线形圆心坐标与测点坐标之间的方位角，采用坐标平移法求得每个测点搭接处理后的平面坐标值。
本发明的第二方面提供了一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接系统，所述系统包括：
数据选取模块，用于对搭接区域及两端一定距离内平面坐标测量数据进行筛选，并根据线路走向对筛选出的平面坐标测量数据进行排序处理，从而完成局部重构设计区域的测量数据选取;
重构模块，用于根据局部重构设计区域内的平面坐标测量数据，完成局部线形重构设计，并计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差;
判别模块，用于计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差较差，并根据平面偏差较差计算结果，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求;
合并模块，用于当搭接区域内两次平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。
本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
本发明的技术方案能实现如下有益的技术效果：
本发明针对多数运营普速铁路无设计线形的现状，提出了一种“局部重构设计”和“平面偏差控制”相结合的运营普速铁路平面坐标测量数据搭接方法。首先根据搭接区域及两端一定距离内的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成了局部线形重构设计，并根据搭接区域内两次测量数据相对于设计线形的平面偏差较差计算统计结果，对数据是否满足搭接精度要求进行了判定，进一步保证了测量数据质量。最后，分别采用线性插值法和坐标平移法完成了直线和圆曲线区段的数据搭接处理，实现了多个区段的平面坐标测量数据的合并为一，支撑后续整条线路的贯通重构设计。
附图说明
图1为本发明的用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法示意图；
图2为本发明的局部重构设计区域数据选取示意图；
图3为本发明的直线区段线形重构设计示意图；
图4为本发明的圆曲线区段线形重构设计示意图；
图5为本发明的直线区段搭接区域内各测点设计里程计算示意图；
图6为本发明的圆曲线区段搭接区域内各测点设计里程计算示意图;
图7为本发明的平面偏差插值计算示意图；
图8为本发明的直线区段平面坐标测量数据搭接处理示意图；
图9为本发明的圆曲线区段平面坐标测量数据搭接处理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1至图9所示，本发明的第一方面提供了一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法，具体的，包括如下步骤：
步骤S100，假定相邻两测量区段分别为第M区段和第M+1区段，对搭接区域（假定包含n个测点）及两端一定距离L内（一般为100m~200m）平面坐标测量数据进行筛选，并根据线路走向对筛选出的平面坐标测量数据进行排序处理，从而完成局部重构设计区域的数据选取，如图2所示。
步骤S200，根据局部重构设计区域内的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成局部线形重构设计，并计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差。
具体的，所述步骤S200包括：
步骤S210，当搭接区域位于直线区段时，按照直线线形进行重构设计，并计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的平面偏差。
具体的，当搭接区域位于直线区段时，根据步骤S100中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成直线区段的线形重构设计，获得设计线形的斜率和截距。在此基础上，计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差。
具体的，直线区段设计线形数学表达式为：
(1)
式中,
k——直线区段重构设计线形的斜率；
b——直线区段重构设计线形的截距。
如图3所示，当搭接区域位于直线区段时，按照直线线形进行重构设计,并计算设计线形的斜率和截距：
(2)
其中，
式中，
——由正交最小二乘法求得的直线区段重构设计线形斜率，共有2个值，后续需根据平面偏差计算结果进行选取；
——由正交最小二乘法求得的直线区段重构设计线形截距，共有2个值，后续需根据平面偏差计算结果进行选取；
X i ——重构设计区域内第i个测点东坐标，i=1，2，...，N；
Y i ——重构设计区域内第i个测点北坐标，i=1，2，...，N；
N——重构设计区域内测点总数。
线形重构设计完成后，计算搭接区域两次测量数据相对于设计线的平面偏差，公式如下：
(3)
式中，
d i ——搭接区域内第i测点相对于设计线的平面偏差，当测点位于设计线左侧时为负值，反之为正值。
计算和/>两组直线参数下，测量数据平面偏差绝对值之和，保留总和最小的一组作为最终的直线参数（k，b）。
步骤S220，当搭接区域位于圆曲线区段时，根据步骤S100中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成圆曲线区段的线形重构设计，获得设计线形的圆心坐标和半径。在此基础上，计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差。
具体的，圆曲线区段设计线形数学表达式为：
(2)
式中，
X 0,Y 0——圆曲线区段重构设计线形的圆心坐标；
R——圆曲线区段重构设计线形的半径。
如图4所示，当搭接区域位于圆曲线区段时，按照圆曲线线形进行重构设计，首先计算重构设计线形圆心坐标和半径：
(5)
其中，
式中，
X i ——重构设计区域内第i个测点东坐标，i=1，2，...，N；
Y i ——重构设计区域内第i个测点北坐标，i=1，2，...，N；
N——重构设计区域内测点总数。
线形重构设计完成后，计算搭接区域两次测量数据相对于设计线的平面偏差，公式如下：
(6)
式中，
d i ——搭接区域内第i测点相对于设计线的平面偏差，当测点位于设计线左侧时为负值，反之为正值。
步骤S300，计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差较差，并根据平面偏差较差计算结果，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求。
具体的，获得设计线形后，计算搭接区域内各测点的设计里程以及同一设计里程处两次测量作业的平面偏差较差，并对所得偏差较差结果进行统计，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求。
步骤S300包括如下步骤：
步骤S310，以搭接区域内第一个测点与设计线形法向交点为设计里程基准点（里程为0m），计算其它测点对应的设计里程。
具体为：
（a）如图5所示，当位于直线区段时，各测点设计里程计算公式为：
(7)
式中，
L i ——第i个测点对应的设计里程，其中测点1设计里程为0m；
——里程基准点至测点i坐标方位角，可由二者平面坐标计算得到；
——设计线方位角，可由设计线斜率k和线路走向计算得到。
（b）如图6所示，当位于曲线区段时，各测点设计里程计算公式为：
(8)
式中，
L i ——第i个测点对应的设计里程，其中测点1设计里程为0m；
——圆心至测点i坐标方位角，可由二者平面坐标计算得到；
——圆心至测点1坐标方位角，可由二者平面坐标计算得到。
步骤S320，根据步骤S200中求得的搭接区域内平面偏差以及步骤S310中求得的设计里程计算结果，线性插值计算出某次测量作业在另一次测量作业所得数据对应设计里程下的平面偏差。
具体的，如图7所示，根据第M区段各测点平面偏差和设计里程计算结果，线性插值计算出搭接区域内第M区段在第M+1区段各测点设计里程处的平面偏差；同理，根据第M+1区段各测点平面偏差和设计里程计算结果，线性插值计算出搭接区域内第M+1区段在第M区段各测点设计里程处的平面偏差，公式如下：
(9)
式中，
——里程L i 处内插计算出的平面偏差值。
步骤S330，根据步骤S320中的计算结果，计算搭接区域内同一设计里程位置处（不含首末点）两次测量数据平面偏差的较差，并取绝对值，对所有偏差较差的绝对值进行统计，并计算偏差较差的95%分位数，将其与较差限差进行比较，判断该区段两次测量数据是否满足搭接精度要求。
具体的，对所有偏差较差计算结果{Δd 2,Δd 3,…,Δd n-1}进行统计，并计算偏差较差的95%分位数，公式如下：
(11)
式中，
——偏差较差均值；
——偏差较差标准差。
当小于等于较差限值/>时，两个区段测量数据满足搭接精度要求，可进行数据搭接处理，反之不可进行数据搭接处理。
步骤S400，当两个区段平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，则对搭接区域内的平面坐标测量数据进行搭接处理。
具体的，当搭接区域内两次平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。
当搭接精度满足要求时，分别采用线性插值法和坐标平移法完成直线区段和圆曲线区段的数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量结果合并为一整段测量数据。
步骤S400包括如下步骤：
步骤S410，当搭接区域位于直线区段时，根据搭接区域内首末两个测点平面坐标值和步骤S310中计算得到的各测点设计里程，采用线性插值法计算得到每个测点搭接处理后的平面坐标值。
如图8所示，当搭接区域位于直线区段时，由搭接区域内测点1和测点n坐标数据线性插值计算出其它测点新的坐标值，计算公式为：
(12)
式中，
,/>——第i测点搭接处理后的平面坐标，i=2，3，...，n-1。
步骤S420，如图9所示，当搭接区域位于圆曲线区段时，根据设计线形圆心坐标与测点坐标之间的方位角，采用坐标平移法求得每个测点搭接处理后的平面坐标值，计算公式为：
(13)
式中，
,/>——搭接区域内第i测点搭接处理后的平面坐标，i=2，3，...，n-1；
,/>——搭接区域内第i测点实测平面坐标，i=2，3，...，n-1；
——步骤S200中计算得到的搭接区域内第i测点相对于设计线形的平面偏差值，i=2，3，...，n-1；
——步骤S320中在里程L i 处线性插值计算出的平面偏差值；
——比例系数,其值与测点所在区段和其设计里程相关。
——比例系数，当测点位于第M区段时，/>，当测点位于第M+1区段时，/>。
本发明还涉及一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接系统，所述系统包括：
数据选取模块，用于对搭接区域及两端一定距离内平面坐标测量数据进行筛选，并根据线路走向对筛选出的平面坐标测量数据进行排序处理，从而完成局部重构设计区域的测量数据选取;
重构模块，用于根据局部重构设计区域内的平面坐标测量数据，完成局部线形重构设计，并计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差;
判别模块，用于计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差较差，并根据平面偏差较差计算结果，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求;
合并模块，用于当搭接区域内两次平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。
本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
综上所述，本发明提出了一种用于运营铁路直线和圆曲线区段的平面坐标测量数据搭接方法。首先根据测得的平面坐标，采用正交最小二乘法重构设计出搭接区域及两端一定距离内的设计线形，并计算搭接区域内两次测量数据相对于该设计线的平面偏差。在此基础上，计算同一设计里程位置处两次测量数据的平面偏差较差，并将较差结果的95%分位数与较差限值进行对比，判断测量结果是否满足搭接精度要求。若搭接精度满足限值要求，分别采用线性插值法和坐标平移法对直线和圆曲线区段的平面坐标进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (5)
1.一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100，对搭接区域及两端一定距离内平面坐标测量数据进行筛选，并根据线路走向对筛选出的平面坐标测量数据进行排序处理，从而完成局部重构设计区域的测量数据选取；
步骤S200，根据局部重构设计区域内的平面坐标测量数据，完成局部线形重构设计，并计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差，包括：步骤S210，当搭接区域位于直线区段时，根据步骤S100中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成直线区段的线形重构设计，获得设计线形的斜率和截距,计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差;步骤S220，当搭接区域位于圆曲线区段时，根据步骤S100中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成圆曲线区段的线形重构设计，获得设计线形的圆心坐标和半径，计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差；
步骤S300，计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差较差，并根据平面偏差较差计算结果，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求，包括：步骤S310，以搭接区域内第一个测点与设计线形法向交点为设计里程基准点，计算其它测点对应的设计里程;步骤S320，根据求得的平面偏差以及设计里程，线性插值计算出某次测量作业在另一次测量作业所得数据对应设计里程下的平面偏差;步骤S330，根据步骤S320中的计算结果，计算搭接区域内同一设计里程位置处两次测量数据平面偏差较差的绝对值，并计算偏差较差的95%分位数，将其与较差限差进行比较，判断该区段两次测量数据是否满足搭接精度要求；
步骤S400，当搭接区域内两次平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。
2.权利要求1所述的用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接方法，其特征在于，所述步骤S400包括：
步骤S410，当搭接区域位于直线区段时，根据搭接区域内首末两个测点平面坐标值和步骤S310中计算得到的各测点设计里程，采用线性插值法计算得到每个测点搭接处理后的平面坐标值;
步骤S420，当搭接区域位于圆曲线区段时，根据设计线形圆心坐标与测点坐标之间的方位角，采用坐标平移法求得每个测点搭接处理后的平面坐标值。
3.一种用于运营普速铁路的平面坐标测量数据搭接系统，其特征在于，所述系统包括：
数据选取模块，用于对搭接区域及两端一定距离内平面坐标测量数据进行筛选，并根据线路走向对筛选出的平面坐标测量数据进行排序处理，从而完成局部重构设计区域的测量数据选取;
重构模块，用于根据局部重构设计区域内的平面坐标测量数据，完成局部线形重构设计，并计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差，包括：当搭接区域位于直线区段时，根据数据选取模块中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成直线区段的线形重构设计，获得设计线形的斜率和截距,计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差;当搭接区域位于圆曲线区段时，根据数据选取模块中选取的平面坐标测量数据，采用正交最小二乘法完成圆曲线区段的线形重构设计，获得设计线形的圆心坐标和半径，计算搭接区域内两次平面坐标测量数据相对于设计线形的偏差；
判别模块，用于计算搭接区域内两次测量数据的平面偏差较差，并根据平面偏差较差计算结果，判断两次测量数据是否满足搭接精度要求，包括：以搭接区域内第一个测点与设计线形法向交点为设计里程基准点，计算其它测点对应的设计里程;根据求得的平面偏差以及设计里程，线性插值计算出某次测量作业在另一次测量作业所得数据对应设计里程下的平面偏差;根据计算结果，计算搭接区域内同一设计里程位置处两次测量数据平面偏差较差的绝对值，并计算偏差较差的95%分位数，将其与较差限差进行比较，判断该区段两次测量数据是否满足搭接精度要求；
合并模块，用于当搭接区域内两次平面坐标测量数据满足搭接精度要求时，进行数据搭接处理，最终将多段平面坐标测量数据合并为一整段测量数据。
4.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1或2所述的方法。
5.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行权利要求1或2所述的方法。
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- 2023-02-14 CN CN202310112730.XA patent/CN116029036B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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