基于PDA的CPⅢ轨道控制网数据采集系统的设计与实现

陈爱梅,吴 昊,吴北平

(1.西南林业大学土木工程学院,云南 昆明 650224;2.中国地质大学(武汉)信息工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引 言

CPⅢ轨道控制网是高速铁路无碴轨道铺设和运营维护的三维控制基准[1-2],其精度高低直接影响着轨道铺设几何线性的平顺性和列车运营时的稳定性、安全性以及舒适性,因此CPⅢ轨道控制测量工作就显得极为重要。

CPⅢ轨道控制网测量具有外业数据采集量大、测量精度要求高、施测难度大等特点,当前CPⅢ轨道控制测量主要采用测量机器人(智能型全站仪)和PDA(个人数字助理)全自动一体化作业模式[3]。同时为了提高数据采集的效率和可靠性,国内外也相继开发了一系列适用于CPⅢ轨道控制网测量作业的外业数据采集软件,例如德国的FFBoegl-PVP布板软件、中铁第一勘察设计院的“CPⅢ精密控制测量数据采集与处理系统”、中铁第二勘察设计院的“无碴轨道CPⅢ网数据采集及其数据处理系统”、中铁第三勘察设计院的“客运专线轨道设标网一体化测量系统”以及中铁十七局的PVP Manager软件等[4-6]。这些软件能够基于PDA实现数据采集的自动化、智能化和数字化,同时具有实时数据质量控制功能,并能与后续CPⅢ控制网平差计算实现无缝连接[3]。但是它们也存在一定的不足,例如价格昂贵、数据不兼容、平台不统一、无法共享等。

基于以上背景,在Visual studio 2008环境下,采用Visual C#.NET编程语言,设计了开放式的PDA数据存储结构和通用的驱动命令模块,开发了基于PDA的CPⅢ轨道控制网数据采集系统。

1 CPⅢ轨道控制网数据采集方法

在线路两侧的接触电杆上设置CPⅢ网的控制点,控制点呈对称布设,如图1所示。数据采集使用的是自由设站和后方交会两种测量模式[7],其数据采集步骤如下:

1)在相邻的两对CPⅢ点间进行自由设站(如图1的测站A);

2)对测站A前后150 m范围内的6对CPⅢ控制点进行照准学习;

3)待学习完成,利用数据采集系统自动寻找和照准目标点进行方向和边长的观测;

4)待测站A完成,在相邻距离约120 m的区域内设置测站B(也需观测6对CPⅢ控制点);

5)在测站B上对测站A中8个联测点中的任意两个CPⅢ控制点进行观测学习;

6)利用这两个重复的CPⅢ控制点采用后方交会设站模式交会出测站B的位置;

7)在测站B上对测站A中剩下的6个联测点进行重复观测;

8)以测站B和各联测点的位置信息推算出各联测点的方向和天顶距,完成联测点的学习;

9)在测站B上对剩下的4个新的CPⅢ控制点进行照准学习;

10)待学习完成,利用数据采集系统对测站B上所有的CPⅢ控制点进行自动测量;

11)后续测站重复测站B的设站模式进行CPⅢ控制点的测量。

图1 CPⅢ数据采集原理示意图

2 系统总体设计

2.1 软硬件配置

2.1.1 硬件配置

CPⅢ轨道控制网数据采集系统是运行在Windows Mobile操作系统PDA手簿上的,其硬件需求如下:

1)PDA,所选PDA为Windows Mobile 6.5版本,具有彩屏功能,内存≥64 MB,CPU主频≥64 MB,至少有一个RS232串行接口和至少有一个SD卡扩展接口,供电时间在8 h以上,运行稳定;

2)测量机器人,国产或进口主流测量机器人均满足要求;

3)计算机,目前市场上中档配置的计算机即可满足系统开发及运行的要求;

4)PDA与测量机器人连接的传输电缆。

2.1.2 软件配置

1)操作系统和版本:Win7 32位操作系统。

2)系统开发平台:Microsoft Visual Studio2008.

3)系统运行平台:Windows Mobile嵌入式操作系统;

4)开发语言:Visual C#.NET。

2.2 逻辑设计

CPⅢ轨道控制网数据采集系统,是集测量机器人自动测量技术、计算机编程技术和个人数字助理PDA于一体,能够根据轨道施工控制网的架构进行具体分析,为其提供高质量、准确性好的原始数据,基于这种思想,系统的开发采用了三层的C/S结构模式。系统逻辑设计结构如图2所示。

图2 系统逻辑设计结构图

2.3 功能设计

系统功能模块的设计过程是将一个复杂的系统分解成多个功能模块的过程,这个过程就是模块化方法。本系统具有自动测量、效率高、自动检查数据超限、自动报警、数据格式高通用性等特点,为了能更好的实现系统的各个功能,本系统包括了项目管理、系统设置、数据测量、质量控制、成果输出等五大部分,其中数据测量又包括了目标学习和自动数据采集功能。

CPⅢ轨道控制网数据采集系统的主要功能框架图如图3所示。

图3 系统的功能模块设计

2.4 数据结构设计

由于生产测量机器人的厂家众多,型号各异,其通信模式也各不相同。因此,为了使本系统在应用方面更具广泛性,在系统设计初期收集了不同测量机器人的控制指令,根据所收集的不同测量机器人的相关信息设计PDA的数据结构,其完整的数据结构如表1示。

表1 PDA的数据结构

2.5 通信设计

实现PDA控制全站仪进行自动测量,二者之间的数据通信功能是必不可少的。本系统主要利用串口通信技术[8-9]实现二者通信,PDA发送指令通过调制解调器将PDA RS232信号转换为激光信号,信号在电缆中传输,到达测量机器人站点后,再由调制解调器转换为标准RS232电信号,即完成二者通信。

PDA与测量机器人通讯实现的关键代码为

class CommunInfo

{

private static string m_PortName;//通讯端口

private static string m_BaudRate;//传输速度

private static string m_Parity;//奇偶检校

private static string m_DataBits;//数据位

private static string m_StopBits;//停止位

…}

全局加载通讯端口:

class Comserialport

{

private static SerialPort m_SerialPort;//全局加载通讯端口设置

public static SerialPort Com_SerialPort

{

get

{

return m_SerialPort;

}

set

{

m_SerialPort=value;

}

}

3 系统功能实现

3.1 项目管理

本数据采集系统是按工程项目进行管理的,所有的操作都在所选定的项目中进行,输入的作业信息、其他参数、结果文件等也都在所创建的工程项目中进行统一管理,方便用户使用、便于存档调阅。

3.2 观测设置

观测设置下又包括通讯参数设置,只有当PDA与测量机器人的通信参数设置相同时,二者的通信才能完成;限差设置,如图4示,可按不同的测量精度设置限差范围,在自动数据采集的整个过程中,均可对各项限差进行实时检核,如图5示,保证观测成果的质量;仪器设置和其他信息设置等。

3.3 数据自动采集

测量机器人在进行数据自动采集开始之前,需要先进行目标学习,得到每个待测观测点与测站之间的水平方向与天顶距观测值,这样就可以在采集进程中自动照准并锁定目标,实现了数据采集的自动化与智能化,提高了数据采集效率,部分过程界面如图6、7所示。在整个自动采集数据过程中,系统按先前设置的限差严格进行计算检核,若有超限,自动测量这个操作就会停止在发生超限的这个位置,并出现相应的超限提醒对话框,此时测量员即可根据实际情况来决定是否重测超限点的数据。如果只是2C超限则可以忽略,但若是2C互差超限则必须重测,如果多次测量仍出现超限情况,则需检查测量机器人电子气泡是否偏离,温度是否突变等,如果是则该测站整个需要重测。

图4 限差设置 图5 限差检核

图6 目标点学习 图7 自动测量

3.4 数据存储与输出

结束观测后,用户可以根据需要查看所采集的数据信息,学习文件、观测文件等相应的限差检核控制文件都被存储在系统设置的路径下,并可选择输出格式,实现与其它数据处理软件的无缝衔接。

4 结束语

基于PDA嵌入式平台开发的CPⅢ轨道控制网数据采集系统,充分利用了PDA与测量机器人联合作业具有自动化程度高,灵活性和稳定性强等特点。系统不仅解决了客运专线无碴轨道控制网测量精度要求高、施测难度大等问题,还有效地解决了国内外同类软件彼此间平台不统一、数据不兼容无法共享等问题,测量中大大降低了人为因素的干扰,提高了外业数据采集的工作效率和数据的质量。

[1]中华人民共和国铁道部.中华人民共和国行业标准TB/10601-2009,高速铁路工程测量规范[S].2010.

[2]国家技术监督局.中华人民共和国国家标准GB/T 15314-94,精密工程测量规范[S].1994.

[3]王锡和.高速铁路精密控制测量技术[J].地理空间信息,2010,8(1):127-130.

[4]袁 恒.轨道基准网测量及数据处理新方法研究 [D].成都:西南交通大学大地测量学与测量工程, 2012.

[5]王国祥, 赖鸿斌.高速铁路轨道控制网CPⅢ建网与精度控制[J]. 高速铁路技术, 2012,3(1):18-23.

[6]张英翔,胡 波,罗 涛,等.京沪高速铁路CPII控制网复测技术研究[J].地理空间信息,2008,6(3):112-114.

[7]李 强.无砟轨道CPⅢ控制网测量技术探讨[J]. 铁道勘察, 2011,37(1):1-4.

[8]葛永慧,赵 刚,杨晓琴. PDA与各种全站仪串口通信的稳定实现[J]. 测绘工程, 2009,18(5):47-50.

[9]郭小龙.基于PDA的嵌入式移动GIS系统应用研究与开发[J].地理空间信息, 2007,5(4):19-23.