既有双线铁路线位重构方法与流程

本发明属于既有铁路改建勘测、设计、施工以及工务养护维修技术领域，具体涉及一种既有双线铁路线位重构方法。

背景技术：

在《改建铁路工程测量规范》中要求利用cpiii控制网进行轨道铺设，而规范中没有涉及与cpiii控制网配套的既有线理论中线坐标获取方法。

目前在既有铁路勘测设计以及施工过程中，测量单位仍习惯于常规勘测模式，即里程丈量+外移桩+独立坐标系下的单曲线整正测量模式；施工单位以外移桩和线间距作为施工资料。传统的测量模式存在既有铁路线位不规则、里程丈量精度低、丈量里程与理论坐标不匹配、曲查偏角与外移桩夹角不一致、施工放线不方便等问题，导致既有铁路勘测设计无法提供中线理论坐标，不能实现按照坐标法施工的目的。在既有铁路长期运营过程中,轨道相对设计位置必定会发生偏移，铁路既有双线重构技术复杂，影响因素较多。从满足规范要求出发，需要研究既有双线铁路线位重构技术方法。

近年来，大量新建铁路（如高速铁路、城际铁路、地铁等）已经竣工通车，这些新型铁路一般均为双线铁路，随着运营时间推进、外在环境条件变化，这些铁路将来可能无法维护到初始设计位置，对既有双线铁路线位实施重构是一种必然趋势。

对以往的普速铁路，为构建既有铁路测量信息管理平台，实现对沿线铁路构筑物、设备设施位置进行准确定位以及运营维护管理，同样需要研究既有双线铁路线位重构技术方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种既有双线铁路线位重构方法,实现既有双线铁路按照坐标法进行施工，达到利用cpiii控制网进行轨道铺设的目的。

本发明所采用的技术方案为：

既有双线铁路线位重构方法，其特征在于：

包括以下步骤：

采集既有铁路轨道中心线、构筑物建筑限界位置的数据，按折线、曲线均进行整正的方式组成曲线整正计算处理线元；

基于左线测点横向偏差限制值、建筑限界、轨道平顺性满足要求，兼顾与工务偏角台帐信息一致的条件确定左线理论直线边；

基于左右线平行条件、左右线线间距、右线测点横向偏差限制值、建筑限界构架右线理论直线边；

以两端直线不变，保证偏角唯一，直线与曲线匹配一致的原则构建整正曲线；

采用丈量里程、左线贯通整正里程、右线贯通整正里程、右线投影里程多个里程系统，右线投影里程系统采用外业断链方式；

以拨道量、建筑限界、线间距加宽值符合专业设计要求，兼顾设置设计要素的阀值、工务台帐要素为原则确定左右线曲线要素；

构成既有双线铁路的数学理论中线，实现既有双线铁路线位重构。

具体包括以下步骤：

步骤一：既有双线铁路外业数据采集：

（1）既有双线铁路建立cpi、cpii控制网，利用cpi、cpii取代传统的外移桩；在cpi、cpii控制点或加密点上测量既有轨道中心及建筑限界控制点的三维坐标（k、x、y、3h），满足既有线设计上线、控制既有线中线线位和恢复钢轨里程的需要；

（2）既有双线铁路轨道中线坐标采集通过以下途径实现：gpsrtk技术、全站仪、测量机器人、电子水准仪、轨检小车、车载lidar系统、惯导相对轨道检查仪；

步骤二：既有双线铁路直线边选择：

（1）调用gpsrtk技术、全站仪、测量机器人、电子水准仪、轨检小车、车载lidar系统、惯导相对轨道检查仪多种测量方式获取的三维坐标（k,x,y,3h）数据,按照设计专业要求的横向偏差允许限制值、建筑限界设计值，进行最小二乘拟合直线优化，选择横向偏差及建筑限界符合要求的左线理论直线边起终点；

（2）按照自定义折线标准(4＇)，自动将全线分为折线、曲线两种线元；并将拟合选择的理论直线边当测点，重新组织数据文件，以单个线元为单位，完成全线左、右线既有中线测量数据分流，作为曲线整正系统的输入文件，满足长大铁路海量数据处理的需要；

步骤三：既有双线铁路曲线整正计算处理：

采用折线、曲线均进行整正的方式组成曲线整正计算处理系统，以两端直线不变，保证偏角唯一，直线与曲线匹配一致的原则构建整正曲线，以拨道量、建筑限界、线间距加宽值满足要求，并符合设计专业规范为原则；按照左线整正→右线整正优化→调整优化左线→右线整正优化的处理流程，确定左线、右线整正要素，形成既有双线铁路的数学理论中线；不仅单独提供左、右线的数学理论中线控制桩成果、里程对应关系成果，而且提供右线断链表、左线测点与右线的法向对应关系，解决丈量里程与理论里程的对接问题，实现既有双线铁路中线理论里程、坐标的一一对应关系；

步骤四：既有双线铁路设计接口数据生成：

既有双线铁路设计接口数据按2个单线处理方式分别运行，右线采用贯通里程系统；以既有线的数学理论中线为基础，以水准测量或其它方式得到的中桩水平单作为源数据，利用整正计算处理得到的测点丈量里程与理论里程的对应关系成果，采用归化里程法对理论里程及其高程进行测点数据归化，获取既有线设计中线的水平单；理论中线、理论里程、理论坐标、中线水平单的成果数据共同组成设计接口成图数据。

步骤二（1）中,将测量数据粗差、建筑限界检查嵌入，采用邻近测点横向偏差相对差异值判断，检查测量数据粗差并予以剔除，通过最小二乘拟合计算拟合直线，基于测点横向偏差限制值、建筑限界、轨道平顺性满足要求，还要兼顾与工务偏角台帐信息一致的条件，同时需要考虑折线长度因素；引入线间距实际值，采用左线、右线同时互相联动的处理方式，基于左右线平行为条件实时构架右线既有线理论中线，对拟合直线进行优化，确定横向偏差及建筑限界符合要求的右线理论直线边起终点；横向偏差设置缺省值为5cm，建筑限界缺省值为控制位置至理论中线的设计距离。

步骤二（2）中，在既有线直线不直时，在满足轨道平顺性及横向偏差限制值、建筑限界要求的前提下，分拆为折线进行处理，直线、折线取舍标准应该采用自定义标准（折角值4′）作为阀值，当折角值小于4′时当折线处理，当折角值大于4′时当曲线处理，折线长度不应短于300米；既有线的线形单元由直线、折线、圆曲线、缓和曲线四种基本线形单元组合；将全线数据“化整为零”，按折线、曲线的线形单元类型、以直线边为公共搭接方式，将左、右线均分流成单个处理单元数据，结合既有线数据测量工期长、里程连续，不能一次全部处理完成的特点，采用计算终点特征数据记忆法实现分段、分期接续处理，满足长大铁路海量数据处理的需要。

步骤三中，曲线整正计算按与测点里程无关的法向趋近重合法计算测点理论里程以及测点的理论中线坐标及拨道量；选用合理的曲线整正构建方法，完善数学理论中线计算模型、测点对应关系计算方法等，纳入线路设计专业的相关信息，设置设计要素的阀值，包括曲线拨道量限制值、设计时速选择、最短圆曲线、夹直线长度限制值、偏角取位、线间距，采用邻近测点拨道量相对差异变化量判断并检查测量数据粗差并予以剔除；将建筑限界检查嵌入，对拨道量和建筑限界进行控制，提供横向偏差及建筑限界符合设计专业规范要求的左线整正要素；右线采用二个里程系统：右线贯通整正里程系统、右线投影里程系统；右线投影里程系统采用外业断链方式，设置在大里程端的左线或右线的hz位置处；曲线整正也采用计算终点特征数据记忆法实现分段、分期接续处理。

步骤四中，根据丈量里程为整数，其理论里程与整数理论里程间隔不远的特点，理论里程=整正里程，对测点实施里程归化，按测点位置属性以既有铁路设计习惯，内插整数理论里程并内插该整数里程的高程，形成理论里程水平单；按设计软件格式生成平面、纵断面接口数据文件，利用设计软件直接成图；将繁琐的既有线勘测设计转化为与新线设计方式相同，实现既有线中线上图与纵断面图设计自动化。

本发明具有以下优点：

本发明提出的既有双线铁路线位重构技术方法，即根据现有测量新技术、新方法，基于cpi、cpii控制点或加密点在外业采集既有铁路轨道中心坐标（k、x、y、3h），按照测量及专业设计规范要求以及创新的数据处理技术（左右线联动处理）进行既有双线铁路线位重构，得到数学理论中线，提供理论里程与理论坐标的一一对应关系，输出的理论中线、理论里程、理论坐标、中线水平单、右线断链表、左右线对应关系成果表、重构线线间距成果表等成果数据共同组成设计数据，并提供设计输入接口数据，达到设计自动化，实现既有铁路坐标法施工，达到利用cpiii控制网进行轨道铺设的目的。

本发明可以很好地解决既有双线铁路勘测设计、施工以及运营养护方面存在的难题，对于高速铁路、城际铁路、城市轨道交通等既有铁路复测数据处理，以及施工单位、铁路及地铁工务养护部门具有广泛的借鉴意义和参考价值。本发明经大量工程项目验证后，可以在既有双线铁路项目中大力推广，应用前景将非常广泛，产生的经济和社会效益十分巨大。本发明提出的既有双线铁路线位重构技术方法可作为将来制定或修订既有线测量规范时的参考依据，对既有线勘测手段和勘测流程的变革具有重要的指导意义。

附图说明

图1为既有双线铁路线位重构技术方法工作流程图。

图2为既有双线铁路直线边选择系统计算流程图。

图3为既有双线铁路曲线整正计算处理系统计算流程图。

图4为既有双线铁路设计接口数据生成系统计算流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的既有双线铁路线位重构方法，基于gpsrtk技术、全站仪、测量机器人、电子水准仪、轨检小车、车载lidar系统、惯导相对轨道检查仪等先进测量仪器及测量技术，完善、改进现行既有线勘测的作业方式，从仪器设备硬件、外业作业技术方法、数据处理的理论体系等方面深入研究，形成既有双线铁路从外业数据自动采集到勘测设计，再到施工放样、工务养护维修一套完整解决方案，研制与之配套的数据处理软件，实现理论里程与理论坐标的一一对应关系，并提供设计数据输入接口，达到设计自动化，实现既有双线铁路按照坐标法进行施工，达到利用cpiii控制网进行轨道铺设的目的。

所述重构方法包括外业勘测和内业处理两个部分，外业勘测基于现有测量新技术（gpsrtk技术、全站仪、测量机器人、电子水准仪、轨检小车、车载lidar系统、惯导相对轨道检查仪），提供既有双线铁路轨道中心、构筑物建筑限界位置的（k、x、y、3h）的坐标。内业处理基于外业勘测提供的轨道中心坐标进行既有双线铁路线位重构，包括直线边选择系统数据处理方法、曲线整正计算处理系统数据处理方法、设计接口数据生成系统数据处理方法等几个方面的工作。既有双线铁路线位重构技术方法工作流程图见图1。

一、外业勘测流程及数据处理方法：

既有铁路建立cpi、cpii控制网，利用cpi、cpii取代传统的外移桩，在cpi、cpii控制点或加密点上测量既有铁路轨道中心坐标，可以满足既有线设计专业的上图需要，能够控制既有线中线线位和恢复钢轨里程。实施既有铁路外业勘测主要包括平面控制测量、高程控制测量、轨道中心坐标测量、轨面中桩高程测量等内容。

轨道中心坐标测量采用现有新技术（gpsrtk技术、全站仪、测量机器人、电子水准仪、轨检小车、车载lidar系统、惯导相对轨道检查仪），获得轨道中心三维坐标（k,x,y,3h）成果信息，达到既有双线铁路勘测设计处理系统适应于测量新技术发展的目标。

二、内业数据处理流程和方法：

利用外业获取的三维信息（k,x,y,3h）数据，研究既有线理论直线边的确定方法与原则；全线既有中线测量数据分流方式；建筑限界嵌入技术；双线既有线数学理论中线控制桩的构架方法、双线既有线数学理论中线获取方法与原则（曲线整正计算）、测点丈量里程与理论里程的对应关系计算方式；双线里程系统、断链设置方式；兼顾线间距加宽、拨道量、建筑限界检查方法；左、右线相对关系计算方法；双线设计接口数据等。解决既有双线中线理论里程与理论坐标的一一对应问题。实现勘测、设计处理自动化，达到既有双线采用坐标法施工，解决利用cpiii进行轨道铺设这一难题。

1、既有双线铁路直线边选择系统数据处理方法：

既有双线铁路直线边选择系统的计算流程见图2。

该系统能调用gpsrtk坐标法、轨检小车系统、惯导相对小车检查仪、车载lidar系统等测量方式获取的（k,x,y,3h）数据,按照设计专业要求的横向偏差允许限制值，考虑线间距，左右线同时联动处理，通过最小二乘拟合计算拟合直线后，基于测点横向偏差限制值、轨道平顺性元素(折线折角)满足要求，兼顾与工务偏角台帐信息一致的条件、考虑折线长度因素，并检查建筑限界是否满足要求，进行最小二乘拟合直线优化，选择横向偏差、建筑限界符合要求的左、右线理论直线边起终点。

系统按照自定义折线标准(4＇)，将全线分为折线、曲线两种线元。并将拟合选择的理论直线边起、终点当测点，以理论直线边为公用搭接，按线元为单位，重新组织数据文件，完成全线既有中线（左线、右线）测量数据分流，作为曲线整正系统的输入文件，满足长大铁路海量数据处理的需要。

2、既有双线铁路曲线整正计算处理系统数据处理方法：

利用分流后的线形单元数据（曲线、折线）进行整正计算，数据计算流程图见图3。

该方法既可以利用轨心坐标，又可以利用外轨坐标；将拟合理论直线边起终点纳入测量数据文件构架既有线理论中线控制桩，实现曲查偏角与直线偏角匹配一致；整正计算纳入与线路设计专业的相关信息，设置设计要素的阀值（如曲线拨道量限制值、设计时速选择、最短圆曲线、夹直线长度限制值、偏角取位、线间距、建筑限界设计值等），能够实现拨道量符合要求、建筑限界合理的目标，并提供符合设计专业规范要求的整正要素，形成既有线的左线数学理论中线；按与测点里程无关的法向趋近重合法计算测点理论里程、测点的理论中线坐标及拨道量。

右线整正计算时，左右线同界面处理，根据左线整正结果，对右线进行整正检查，兼顾工务台帐曲线要素，既要拨道量符合要求、建筑限界合理，还要进行线间距检查，使线间距加宽值满足规范要求，这是曲线整正一个非常重要的环节。

曲线整正解决丈量里程与理论里程的对接问题，实现中线理论里程、坐标的一一对应关系。折线与曲线一并连续处理，里程以hz作为连接点，保证测点拨道量准确，里程无缝衔接。

3、既有双线铁路设计接口数据生成系统数据处理方法

设计接口数据生成系统是以既有线的数学理论中线为基础，利用整正计算处理的测点与理论位置的对应关系成果、理论中线控制桩成果，以水准测量得到的中桩水平单作为源数据进行计算，按左、右线分别进行计算，设计接口数据计算流程图见图4：

生成设计接口数据时，利用整正计算系统处理得到的测点丈量里程与理论里程（=整正里程）的对应关系成果，为满足设计专业习惯方式（整数里程）要求，根据丈量里程为整数，其理论里程（破数）与整数理论里程间隔不远的特点，采用归化里程法（在2个测点之间，以其理论里程为基准，内插出两点间的整数（20m、50m）理论里程及其高程进行测点数据归化，获取既有线设计中线的水平单，形成设计接口成图数据。

从上可见，本发明能够提供既有线的设计中线理论坐标，解决既有线中线理论里程与理论坐标的一一对应问题。实现勘测、设计处理自动化，达到既有双线采用坐标法施工，满足施工单位利用cpiii进行轨道铺设的需求。

三、既有双线铁路线位重构技术方法工程验证：

采用模拟数据内符合验证法、单曲线整正软件外符合验证法、cad外符合验证法、手工推算验证法以及实际工程勘测设计实践应用等多种方式，对既有双线铁路线位重构技术方法各个计算环节进行了全面的工程测试和验证：

1、直线边的选择拟合验证比较结论：验证10条直线边，坐标较差均在0.5mm以内，直线拟合成果可靠。

2、直线边横向偏差成果验证比较结论：10条直线边，全部直线测点横向偏差完全一致，最大横向偏差仅0.1mm，拟合直线边及横向偏差成果可靠。

3、中线数据分流验证结论：曲线分流出4个jd,与实际情况一致。

4、全线贯通里程验证表（手工推算比较）：贯通里程验证以控制桩理论坐标推算直线段里程；利用常规程序，以整正的曲线要素成果为依据计算曲线长度，手工推算全线贯通里程，与系统推算的里程进行验证，贯通理论里程验证结论：系统推算的贯通理论里程与手工推算里程较差在1mm以内，主要是取位影响所致，系统计算的理论里程成果可靠。

5、曲线整正拨道量成果验证：系统与商用单曲线整正软件计算的四个曲线大桩里程一致，仅存在取位差别；拨道量较差在0.5mm以内，系统整正成果可靠。

6、曲线对应关系（里程、拨道量）外符合验证（cad图量比较）：利用整正的控制桩坐标（起点、交点、终点）及曲线要素生成理论中线cad线条，将所有测点展绘到图中，作测点到理论中线的垂线，手工量取测点至垂足的距离作为图量拨道量（横向偏差），手工量取垂足至最近百米标的距离推算测点cad图量里程，检查点分别选择在各线形单元内（直线、缓1、圆曲线、缓2、直线）。验证结果表明：系统计算的拨道量与cad图量拨道量较差最大0.6mm；cad图量里程（设计软件推算）与系统推算理论里程偏差最大5.0mm，呈逐步递增趋势，主要是软件计算取位（曲线偏角）差异逐步累积所致。

7、设计接口数据验证比较。验证时，手工合并水平单和测点对应关系并在excel中排序，区分3d/2d/1d点，按相邻测点里程关系、内插整数理论里程及其高程，形成手工水平单并与系统输出的理论水平单比较验证。验证结论：系统计算的理论水平单与手工整理水平单成果完全一致，系统理论水平单成果整理方法完善，对各种特殊情况处理正确，成果可靠。

验证结论：既有双线铁路线位重构技术方法计算成果可靠，拨道量计算准确，程序外符合情况良好。理论推算的数学模型完善、合理，各项成果可靠，在实践方面表现出良好的工程可应用性，具备推广应用条件。

本发明彻底改变传统既有铁路勘测设计模式，通过一系列创新的数据处理技术，对既有双线铁路线位进行重构，提供理论里程与理论坐标的一一对应关系，产生的理论中线、理论里程、理论坐标、中线水平单等成果数据共同组成设计数据，并提供设计数据输入接口，达到设计自动化，实现既有铁路坐标法施工，达到利用cpiii控制网进行轨道铺设的目的。

本发明提出的既有双线铁路线位重构技术方法不仅适用于常规铁路勘测项目，同样也适用于高速铁路、城际铁路、城市轨道交通等既有铁路复测数据处理，对施工单位、铁路及地铁工务养护部门有非常实用的参考价值，应用前景十分广阔。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。