Research and application of renewal method of high speed railway horizontal control network
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摘要: 针对运营期高速铁路基础平面控制网(CPI)存在连续多个点位更新,造成高铁线上加密CPII也随之大量更新的问题,提出了一种基于稳定的CPI、加密线路平面控制网(CPII)为约束点更新CPI点问题的新方法. 工程应用表明提出的新方法在更新补设的CPI点能更好的与运营期高铁现状相符,并能降低高铁路线上加密CPII的更新率. 通过与传统方法进行比对,结果表明:提出的新方法在计算加密CPII时更新率时降低了7.3%,验证了该算法在运营高铁加密CPII更新计算时具有较大的应用价值.
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关键词:
- 运营期 /
- 高速铁路 /
- 基础平面控制网(CPI) /
- 加密线路平面控制网(CPII) /
- 内插更新
Abstract: According to the problem that the basic horizontal control network (CPI) of high-speed railway is updated continuously at multiple points during the operation period, resulting in a large number of updates of encrypted route horizontal control network (CPII) on high-speed railway line, a new method of updating CPI points based on stable CPI and encrypted CPII as constraint points is proposed. The engineering application shows that the proposed new method can better match the current situation of high-speed railway in the operation period, and reduce the renewal rate of encrypted CPII on the high-speed railway line; compared with the traditional methods, the results show that the update rate of the proposed new method is reduced by 7.3%, which verifies that the algorithm has great application value in the update calculation of encrypted CPII of high-speed railway. -
0. 引 言
随着国民经济的不断发展,高速铁路在人民生活中起到的作用越来越大. 为了维护高速铁路的正常运行,需要对运营期的高速铁路进行监测[1]. 高速铁路在运营维护中需要做到“三网合一”,《高速铁路工程测量规范》(下文简称“规范”)要求基础平面控制网(CPI)平差时应该利用框架控制网(CP0)作为起算点,且线路平面控制网(CPII)平差时应该将CPI作为起算点;对于补埋和超限点需要利用同精度内插扩展计算成果[2]. 一般来说,CPI沿着铁路线布设,大部分CPI布设在交通比较便利的路边及田埂附近. 随着道路的扩宽、耕地的变化等,导致大量CPI被破坏;尤其是经济发达的地区,CPI连续丢失情况更为严重,这就需要对CPI进行补设. CPII分为线下CPII和线上加密CPII,铁路运营期复测一般仅测量线上加密CPII进行复测. 线上加密CPII布设在高铁路线上,大部分保存比较完整,且不易丢失.
目前高速铁路平面控制网CPI更新主要是选取稳定的CPI更新不稳定的CPI和补设的CPI,未考虑到当连续多个CPI点不稳定或者丢失后,仍采用既有方案更新CPI存在的与运营期铁路限制不相符的现象. 考虑到高速铁路平面控制网数据的更新计算是为了高速铁路运营维护提供依据,本文提出了一种新的更新方法.
1. 高速铁路平面控制网数据处理要求
随着GPS观测技术的发展和定位精度的不断提高[3-4],CPI、加密CPII大多采用GPS静态测量方法施测[5],控制网在2000国家大地坐标系(CGCS2000)椭球下计算[6]. CPI网复测按二等[7]指标测量,加密CPII按三等[7]指标进行测量,具体要求如表1所示.
表 1 CPI和CPII测量指标等级 基线边方位角中误差 约束平差后最弱边边长相对中误差 二等 1.3″ 1/180 000 三等 1.7″ 1/100 000 2. 运营期CPI、加密CPII网复测更新原则
复测过程中相邻CPI控制点之间坐标差之差的相对精度小于1/130 000,CPI控制点复测值与原测值较差的限差为±20 mm,加密CPII控制点小于1/80 000,加密CPII控制点复测值与原测值较差的限差为±15 mm. 此时,认为加密CPII控制点精度满足规范要求,该点本次复测时是稳定可靠的,采用原测成果.
3. 运营期CPI加密CPII平面控制更新方法及工程应用
3.1 传统的CPI、加密CPII网复测更新方法
首先,在CPI更新计算方面,根据《高速铁路工程测量规范》的要求对CPI进行初步计算,当计算的CPI控制点之间坐标差之差的相对精度小于1/130 000,且复测值与原测值较差的小于±20 mm,可认为该点稳定. 通过分析计算选取稳定的CPI,利用稳定的CPI同精度内插[8]更新不稳定和补埋CPI,将稳定的CPI和更新的CPI作为最终成果.
其次,在进行加密CPII更新计算时,利用最新的CPI成果做起算点,初步计算线上加密CPII成果. 当计算的加密CPII控制点之间坐标差之差的相对精度小于1/80 000,CPII控制点复测值与原测值较差小于±15 mm时,可认为该点稳定. 通过分析计算选取稳定的加密CPII,利用稳定的加密CPII和CPI内插更新不稳定和补埋CPII,将稳定的CPII和更新的CPII作为最终成果.
上述CPI、CPII更新方法比较适用于CPI点,破坏较少或者不存在连续多个CPI破坏的情况. 运营期CPI测量时间间隔较长一般在3~5 a,这段时间由于道路施工或者耕地的变化可能造成CPI连续破坏,规范要求CPI的间距一般在4 km左右,当连续多个CPI丢失或者点位变化时,CPI间距可能达到20 km及以上,这种情况下,仅利用CPI进行内插更新可能造成更新成果与实际发生一定的偏离.
3.2 基于高铁线上稳定CPI、加密CPII共同约束的新方法
针对传统的CPI、加密CPII网复测更新方法存在的当连续多个CPI丢失或者点位变化时,仅利用CPI进行内插更新可能造成更新成果与实际发生偏离问题,本文提出了一种新的更新策略,原理如下:
1) CPI更新计算
根据规范要求对CPI进行初步计算,当计算的CPI控制点之间坐标差之差的相对精度小于1/130 000,且复测值与原测值较差小于±20 mm,可认为该点稳定. 通过分析计算选取稳定的CPI,利用稳定的CPI同精度内插更新不稳定和补埋CPI,将稳定的CPI 和更新的CPI作为初步更新成果.
利用初步更新的CPI成果初步计算线上加密CPII,当计算的加密CPII控制点之间坐标差之差的相对精度小于1/80 000,CPII控制点复测值与原测值较差的小于±15 mm时,可认为该点稳定,通过分析计算选取稳定的CPII.
将稳定的加密CPII与稳定的CPI点作为CPI内插更新的起算点,计算得到该区段中所有的补埋点和更新点CPI的最终成果.
2)加密CPII更新计算
利用新算法计算的CPI成果初步计算加密CPII成果,当计算的CPII控制点之间坐标差之差的相对精度小于1/80 000,且CPII控制点复测值与原测值较差小于±15 mm时,可认为该点稳定. 通过分析计算选取稳定的加密CPII,利用稳定的加密CPII和CPI更新不稳定和补埋CPII,将稳定的CPII和更新的CPII作为最终成果.
该算法能有效地提高更新超限CPI和补埋CPI计算成果的精度,利用该算法计算加密CPII时,降低CPII的更新率,尤其在CPI连续丢失的段落效果比较明显.
3.3 工程实例应用分析
为了验证本文提出的基于高铁线上稳定加密CPII、CPI联合约束的新方法的可行性,以某铁路在进行运营期精测网复测为例进行工程应用分析. 本铁路工程选取了50 km线路上的控制点数据进行分析,具体包含15个CPI,68个加密CPII,其中CPI连续补埋点有4个,图1给出了所选线路的CPI点位分布示意图.
3.3.1 传统CPI和加密CPII更新方法
对CPI进行整网平差计算,有CPI007、CPI012两点由于坐标较差绝对值超限需要更新,坐标比较表如表2所示,内插更新点成果表如表3所示,有CPI008、CPI009、CPI010、CPI011 4个点是新设点也需要更新成果,表4为整网计算成果与内插成果比较.
表 2 CPI整网计算成果比较表序号 点号 2016年原测成果/m 2020年整网成果/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.909 8 ※※※.012 5 ※※※.930 1 ※※※.003 7 20.3 –8.8 2 CPI012 ※※※.758 1 ※※※.245 9 ※※※.767 5 ※※※.224 4 9.4 –21.5 表 3 CPI内插更新点成果比较表序号 点号 2016年原测成果/m 2020年内插成果(传统方法) /m 较差/ mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.909 8 ※※※.012 5 ※※※.925 0 ※※※.005 0 15.2 –7.5 2 CPI012 ※※※.758 1 ※※※.245 9 ※※※.766 1 ※※※.229 7 8.0 –16.2 表 4 CPI补埋点成果比较序号 点号 2020年整网成果/m 2020年内插成果(传统方法) /m 较差/ mm X Y X Y △x △y 1 CPI008 ※※※.858 7 ※※※.032 0 ※※※.865 9 ※※※.032 5 7.2 0.5 2 CPI009 ※※※.034 3 ※※※.810 5 ※※※.041 0 ※※※.813 3 6.7 2.8 3 CPI010 ※※※.669 3 ※※※.415 8 ※※※.676 6 ※※※.414 6 7.3 –1.2 4 CPI011 ※※※.759 5 ※※※.235 6 ※※※.767 5 ※※※.232 1 8.0 –3.5 利用传统方法内插更新后的CPI计算加密CPII,加密CPII较差的绝对值超限点有8个占本段全部CPII的11.7%,加密CPII成果比较表如表5所示,坐标差之差的相对精度超限的点共有9处,这9处均与超限点有关.
表 5 加密CPII成果比较表序号 点号 2016年原测成果/m 2020年整网成果/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPII026 ※※※.281 4 ※※※.726 0 ※※※.309 4 ※※※.716 7 28.0 –9.3 2 CPII027 ※※※.164 1 ※※※.011 5 ※※※.179 8 ※※※.000 9 15.7 –10.6 3 CPII031 ※※※.021 0 ※※※.703 6 ※※※.037 0 ※※※.702 5 16.0 –1.1 4 CPII033 ※※※.119 8 ※※※.127 5 ※※※.136 3 ※※※.131 0 16.5 3.5 5 CPII035 ※※※.769 7 ※※※.855 7 ※※※.779 7 ※※※.872 2 10.0 16.5 6 CPII038 ※※※.936 3 ※※※.202 4 ※※※.936 7 ※※※.218 0 0.4 15.6 7 CPII042 ※※※.465 7 ※※※.677 2 ※※※.483 1 ※※※.671 4 17.4 –5.8 8 CPII047 ※※※.020 7 ※※※.099 2 ※※※.020 4 ※※※.117 5 –0.3 18.3 3.3.2 基于稳定的加密CPII、CPI联合约束的新方法
新算法与传统算法主要不同之处在CPI的内插更新计算方面. 改进算法在内插更新CPI时按照4 km的间距选取了部分稳定的加密CPII与稳定的CPI同时作为内插计算的约束点,表6为改进算法CPI内插更新点成果比较,表7为整网成果与改进算法内插成果比较.
表 6 改进算法CPI内插更新点成果比较表序号 点号 2016年原测成果/m 2020年内插成果(改进方法) /m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.909 8 ※※※.012 5 ※※※.919 9 ※※※.008 0 10.1 –4.5 2 CPI012 ※※※.758 1 ※※※.245 9 ※※※.761 3 ※※※.236 7 3.2 –9.2 表 7 改进算法CPI补埋点成果比较序号 点号 2020年整网成果/m 2020年内插成果(改进方法) /m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI008 ※※※.858 7 ※※※.032 0 ※※※.872 5 ※※※.037 5 13.8 5.5 2 CPI009 ※※※.034 3 ※※※.810 5 ※※※.047 0 ※※※.813 2 12.7 2.7 3 CPI010 ※※※.669 3 ※※※.415 8 ※※※.679 8 ※※※.411 0 10.5 –4.8 4 CPI011 ※※※.759 5 ※※※.235 6 ※※※.767 2 ※※※.247 0 7.7 11.4 利用改进方法内插更新后的CPI计算加密CPII,加密CPII较差的绝对值超限点有3个占本段全部加密CPII的4.4%,坐标差之差的相对精度超限的点共有2处,加密CPII成果比较如表8所示,其中2处均与超限点有关,与传统方法相比加密CPII更新率降低了7.3%,更新点数减少了5个.
表 8 加密CPII成果比较表序号 点号 2016年原测成果/m 2020年整网成果/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPII026 ※※※.281 4 ※※※.726 0 ※※※.305 2 ※※※.727 7 23.7 1.7 2 CPII027 ※※※.164 1 ※※※.011 5 ※※※.172 6 ※※※.009 9 8.5 –1.7 3 CPII031 ※※※.021 0 ※※※.703 6 ※※※.026 7 ※※※.705 7 5.7 2.1 4 CPII033 ※※※.119 8 ※※※.127 5 ※※※.123 4 ※※※.132 7 3.6 5.2 5 CPII035 ※※※.769 7 ※※※.855 7 ※※※.768 4 ※※※.864 1 –1.3 8.4 6 CPII038 ※※※.936 3 ※※※.202 4 ※※※.925 9 ※※※.208 5 –10.4 6.1 7 CPII042 ※※※.465 7 ※※※.677 2 ※※※.481 3 ※※※.675 0 15.6 –2.3 8 CPII047 ※※※.020 7 ※※※.099 2 ※※※.014 2 ※※※.116 4 –6.5 17.1 3.3.3 两种计算法结果比较
CPI数据更新比较结果如表9所示.
表 9 CPI成果比较表序号 点号 2020年内插成果(传统方法)/m 2020年内插成果(改进方法)/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.925 0 ※※※.005 0 ※※※.919 9 ※※※.008 0 –5.1 3.0 2 CPI008 ※※※.865 9 ※※※.032 5 ※※※.872 5 ※※※.037 5 6.6 5.0 3 CPI009 ※※※.041 0 ※※※.813 3 ※※※.047 0 ※※※.813 2 6.0 –0.1 4 CPI010 ※※※.676 6 ※※※.414 6 ※※※.679 8 ※※※.411 0 3.2 –3.6 5 CPI011 ※※※.767 5 ※※※.232 1 ※※※.767 2 ※※※.247 0 –0.3 14.9 6 CPI012 ※※※.766 1 ※※※.229 7 ※※※.761 3 ※※※.236 7 –4.8 7.0 由表9可知,改进方法与传统方法相比,计算成果较差在X方向最大值为6.6 mm,最小值为–0.3 mm,在Y方向最大值为14.9 m,最小值为–0.1 mm.
加密CPII数据比较结果如表10所示.
表 10 加密CPII成果比较表序号 点号 2020年整网成果(传统方法)/m 2020年整网成果(改进方法)/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPII026 ※※※.309 4 ※※※.716 7 ※※※.305 2 ※※※.727 7 –4.2 11.0 2 CPII027 ※※※.179 8 ※※※.000 9 ※※※.172 6 ※※※.009 9 –7.2 9.0 3 CPII031 ※※※.037 0 ※※※.702 5 ※※※.026 7 ※※※.705 7 –10.3 3.2 4 CPII033 ※※※.136 3 ※※※.131 0 ※※※.123 4 ※※※.132 7 –12.9 1.7 5 CPII035 ※※※.779 7 ※※※.872 2 ※※※.768 4 ※※※.864 1 –11.3 –8.1 6 CPII038 ※※※.936 7 ※※※.218 0 ※※※.925 9 ※※※.208 5 –10.8 –9.5 7 CPII042 ※※※.483 1 ※※※.671 4 ※※※.481 3 ※※※.675 0 –1.8 3.6 8 CPII047 ※※※.020 4 ※※※.117 5 ※※※.014 2 ※※※.116 4 –6.2 –1.1 由表10可知,传统方法计算的加密CPII整网成果与改进方法计算的加密CPII整网成果在X方向上较差最大值为–12.9 mm,最小值为–1.8 mm,在Y方向上较差最大值为11 mm,最小值为–1.1 mm.
综上所述,当CPI连续丢失多个时,利用传统方法更新得到的CPI去约束计算线上加密CPII与原测结果偏差较大,更新点数较多. 利用改进的方法计算CPI后约束计算加密CPII与原测成果更相符. 由此可知,当CPI连续多个丢失时,改进算法可最大程度降低加密CPII的更新量,该算法在工程实践中有一定的指导意义.
4. 结束语
基础平面控制网CPI是运营期高速铁路加密CPII起算的基准,CPI点计算成果的准确性直接影响到加密CPII的更新情况,本文提出的基于稳定的CPI、加密CPII为约束点更新问题CPI点的新方法能尽可能避免因约束点间距过大造成更新成果与运营期现状不相符的影响. 利用该算法计算的数据,能更好的指导高速铁路进行运营维护.
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表 1 CPI和CPII测量指标
等级 基线边方位角中误差 约束平差后最弱边边长相对中误差 二等 1.3″ 1/180 000 三等 1.7″ 1/100 000 表 2 CPI整网计算成果比较表
序号 点号 2016年原测成果/m 2020年整网成果/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.909 8 ※※※.012 5 ※※※.930 1 ※※※.003 7 20.3 –8.8 2 CPI012 ※※※.758 1 ※※※.245 9 ※※※.767 5 ※※※.224 4 9.4 –21.5 表 3 CPI内插更新点成果比较表
序号 点号 2016年原测成果/m 2020年内插成果(传统方法) /m 较差/ mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.909 8 ※※※.012 5 ※※※.925 0 ※※※.005 0 15.2 –7.5 2 CPI012 ※※※.758 1 ※※※.245 9 ※※※.766 1 ※※※.229 7 8.0 –16.2 表 4 CPI补埋点成果比较
序号 点号 2020年整网成果/m 2020年内插成果(传统方法) /m 较差/ mm X Y X Y △x △y 1 CPI008 ※※※.858 7 ※※※.032 0 ※※※.865 9 ※※※.032 5 7.2 0.5 2 CPI009 ※※※.034 3 ※※※.810 5 ※※※.041 0 ※※※.813 3 6.7 2.8 3 CPI010 ※※※.669 3 ※※※.415 8 ※※※.676 6 ※※※.414 6 7.3 –1.2 4 CPI011 ※※※.759 5 ※※※.235 6 ※※※.767 5 ※※※.232 1 8.0 –3.5 表 5 加密CPII成果比较表
序号 点号 2016年原测成果/m 2020年整网成果/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPII026 ※※※.281 4 ※※※.726 0 ※※※.309 4 ※※※.716 7 28.0 –9.3 2 CPII027 ※※※.164 1 ※※※.011 5 ※※※.179 8 ※※※.000 9 15.7 –10.6 3 CPII031 ※※※.021 0 ※※※.703 6 ※※※.037 0 ※※※.702 5 16.0 –1.1 4 CPII033 ※※※.119 8 ※※※.127 5 ※※※.136 3 ※※※.131 0 16.5 3.5 5 CPII035 ※※※.769 7 ※※※.855 7 ※※※.779 7 ※※※.872 2 10.0 16.5 6 CPII038 ※※※.936 3 ※※※.202 4 ※※※.936 7 ※※※.218 0 0.4 15.6 7 CPII042 ※※※.465 7 ※※※.677 2 ※※※.483 1 ※※※.671 4 17.4 –5.8 8 CPII047 ※※※.020 7 ※※※.099 2 ※※※.020 4 ※※※.117 5 –0.3 18.3 表 6 改进算法CPI内插更新点成果比较表
序号 点号 2016年原测成果/m 2020年内插成果(改进方法) /m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.909 8 ※※※.012 5 ※※※.919 9 ※※※.008 0 10.1 –4.5 2 CPI012 ※※※.758 1 ※※※.245 9 ※※※.761 3 ※※※.236 7 3.2 –9.2 表 7 改进算法CPI补埋点成果比较
序号 点号 2020年整网成果/m 2020年内插成果(改进方法) /m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI008 ※※※.858 7 ※※※.032 0 ※※※.872 5 ※※※.037 5 13.8 5.5 2 CPI009 ※※※.034 3 ※※※.810 5 ※※※.047 0 ※※※.813 2 12.7 2.7 3 CPI010 ※※※.669 3 ※※※.415 8 ※※※.679 8 ※※※.411 0 10.5 –4.8 4 CPI011 ※※※.759 5 ※※※.235 6 ※※※.767 2 ※※※.247 0 7.7 11.4 表 8 加密CPII成果比较表
序号 点号 2016年原测成果/m 2020年整网成果/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPII026 ※※※.281 4 ※※※.726 0 ※※※.305 2 ※※※.727 7 23.7 1.7 2 CPII027 ※※※.164 1 ※※※.011 5 ※※※.172 6 ※※※.009 9 8.5 –1.7 3 CPII031 ※※※.021 0 ※※※.703 6 ※※※.026 7 ※※※.705 7 5.7 2.1 4 CPII033 ※※※.119 8 ※※※.127 5 ※※※.123 4 ※※※.132 7 3.6 5.2 5 CPII035 ※※※.769 7 ※※※.855 7 ※※※.768 4 ※※※.864 1 –1.3 8.4 6 CPII038 ※※※.936 3 ※※※.202 4 ※※※.925 9 ※※※.208 5 –10.4 6.1 7 CPII042 ※※※.465 7 ※※※.677 2 ※※※.481 3 ※※※.675 0 15.6 –2.3 8 CPII047 ※※※.020 7 ※※※.099 2 ※※※.014 2 ※※※.116 4 –6.5 17.1 表 9 CPI成果比较表
序号 点号 2020年内插成果(传统方法)/m 2020年内插成果(改进方法)/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPI007 ※※※.925 0 ※※※.005 0 ※※※.919 9 ※※※.008 0 –5.1 3.0 2 CPI008 ※※※.865 9 ※※※.032 5 ※※※.872 5 ※※※.037 5 6.6 5.0 3 CPI009 ※※※.041 0 ※※※.813 3 ※※※.047 0 ※※※.813 2 6.0 –0.1 4 CPI010 ※※※.676 6 ※※※.414 6 ※※※.679 8 ※※※.411 0 3.2 –3.6 5 CPI011 ※※※.767 5 ※※※.232 1 ※※※.767 2 ※※※.247 0 –0.3 14.9 6 CPI012 ※※※.766 1 ※※※.229 7 ※※※.761 3 ※※※.236 7 –4.8 7.0 表 10 加密CPII成果比较表
序号 点号 2020年整网成果(传统方法)/m 2020年整网成果(改进方法)/m 较差/mm X Y X Y △x △y 1 CPII026 ※※※.309 4 ※※※.716 7 ※※※.305 2 ※※※.727 7 –4.2 11.0 2 CPII027 ※※※.179 8 ※※※.000 9 ※※※.172 6 ※※※.009 9 –7.2 9.0 3 CPII031 ※※※.037 0 ※※※.702 5 ※※※.026 7 ※※※.705 7 –10.3 3.2 4 CPII033 ※※※.136 3 ※※※.131 0 ※※※.123 4 ※※※.132 7 –12.9 1.7 5 CPII035 ※※※.779 7 ※※※.872 2 ※※※.768 4 ※※※.864 1 –11.3 –8.1 6 CPII038 ※※※.936 7 ※※※.218 0 ※※※.925 9 ※※※.208 5 –10.8 –9.5 7 CPII042 ※※※.483 1 ※※※.671 4 ※※※.481 3 ※※※.675 0 –1.8 3.6 8 CPII047 ※※※.020 4 ※※※.117 5 ※※※.014 2 ※※※.116 4 –6.2 –1.1 -
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