聞道秋 生仁軍 衛(wèi) 軍 張 超

(1東南大學交通學院，南京 210096)(2南京優(yōu)那特測繪工程有限公司，南京 210046)

公路施工測量計算機輔助系統(tǒng)設計與開發(fā)

聞道秋1生仁軍1衛(wèi) 軍2張 超1

(1東南大學交通學院，南京 210096)
(2南京優(yōu)那特測繪工程有限公司，南京 210046)

摘 要:采用路線坐標系，根據(jù)路線設計文件中平、縱、橫及斷鏈等資料，建立公路空間三維數(shù)學模型，并建立了路線坐標系與施工坐標系轉(zhuǎn)換模型.分析了公路施工測量計算機輔助系統(tǒng)設計的必要性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).結(jié)合公路施工測量要求，設計了系統(tǒng)功能，功能包括路線設計資料的輸入、任意位置三維坐標計算、根據(jù)某點施工測量坐標反算點位的路線坐標、土方量計算等重要常用功能.通過該系統(tǒng)能獲取公路任意位置設計數(shù)據(jù).給出基于智能手機及測量新技術(shù)的路基施工測量與檢測子系統(tǒng)模式，實現(xiàn)該系統(tǒng)可以在施工現(xiàn)場實時獲取設計數(shù)據(jù)，及時指導施工，提高工作效率和數(shù)據(jù)的正確性.

關(guān)鍵詞:公路;施工測量;計算機輔助系統(tǒng);路線坐標系;智能手機

在公路施工建設過程中，測量對公路建設的質(zhì)量起著重要的作用，特別是高等級公路和大型復雜互通立交的建設，對公路測量要求越來越高，既要精度高，又要速度快，反饋工程現(xiàn)場信息及時準確.目前社會已進入高速數(shù)字信息化時代，計算機已應用到各領(lǐng)域，除微機外，出現(xiàn)了便于攜帶和野外使用的平板電腦和智能手機.如何利用這些先進的技術(shù)工具輔助公路施工中的測量和測量數(shù)據(jù)的管理，把測量人員從繁重的工作中解放出來?本文在充分考慮公路施工和監(jiān)理測量人員的具體要求下，設計公路施工測量計算機輔助系統(tǒng).

1 系統(tǒng)的數(shù)學模型及輸入數(shù)據(jù)的組織設計

設計好供施工人員施工的公路實體在物理世界中是一個復雜的三維體，而在設計和施工過程中，在空間上把它分解成平、縱、橫［1］.任意點處的平、縱、橫是和該點的路線里程L及到中樁的距離D有關(guān)，公路施工過程中技術(shù)人員習慣通過L，D從設計文件中獲取該點的平、縱、橫.這里把它定義為路線坐標系:L-D，其中L軸是路線的中線，是彎曲的，D軸是橫斷面方向，它隨里程在變化，如某點所在橫斷面里程為K12+345.6，在左側(cè)5.8 m處，則該點路線坐標(12 345.6，－5.8).對于施工測量來說，要把它轉(zhuǎn)換到測量控制點坐標系X-Y-H中(見圖1)，給定任意一點P，有

其中，L＞0，D＞0，路線右側(cè);D＜0路線左側(cè).

圖1 路線坐標系示意圖

1.1 平面模型

道路的中線是一條復雜的曲線，可用下列函數(shù)表示:

其中，L為中線點到路線起點的里程.

1.1.1 中線

由于公路路線線形的復雜性，可歸結(jié)為2種:交點單元方式和曲線單元方式.

交點單元方式:提供交點坐標及曲線半徑和緩和曲線長度是一般道路設計中線平面線形資料的主要方式:JDi(Xi，Yi，Ri，LSi1，LSi2).

曲線單元方式:隨著高等級公路的興起，出現(xiàn)大量非常復雜的曲線，特別是復式曲線如互通式立交的匝道、回頭曲線、卵型曲線等，但通過分析，任何線型都是由許多不同直線段、圓曲線段、緩和曲線段——稱為曲線單元，通過不同的方式組合而成，如圖2所示.

圖2 路線線型示意圖

每個曲線單元都有其要素:CUi(Ri1，Si，Ri2)，其中，Ri1，Ri2為第I個曲線單元的起點曲率半徑和終點曲率半徑，Si為該曲線單元長度.當Ri1=Ri2=∞時，該曲線單元為直線;當Ri1=Ri2=R時，該曲線單元為圓曲線;當Ri1≠Ri2時，該曲線單元為緩和曲線.Ri1，Ri2有正負之分，當 Ri1，Ri2＞0 時為曲線單元右偏;Ri1，Ri2＜0時為曲線單元左偏.當Ri1≠Ri2≠∞時，此緩和曲線為不完全緩和曲線，這在匝道和卵形曲線會遇到.

上述參數(shù)Ri1，Si，Ri2等可以由道路設計文件中的曲線一覽表得到.

通過分析，只要知道路線起點的坐標、切線方位角、和里程及 CUi(Ri1，Si，Ri2)，就能確定路線的平面位置［2］.

1.1.2 斷鏈

設路線有 n處斷鏈，第 i處斷鏈前里程為FDL(i)，第i處斷鏈后里程為BDL(i).給定某點的里程LP，則該點的真正里程L'P為

式中，k根據(jù)式FDL(k)≤LP≤BDL(k)求得.

在設計文件中獲取中線和斷鏈的設計資料，就可確定任意點P(LP，D)的施工測量坐標:L'P=FL(LP).

中樁坐標:

這是一個以里程L為參數(shù)的函數(shù)，T為路線切線方位角，指向路線前進方向.

詳細計算過程和原理參見文獻［2］.

1.2 縱斷面

縱斷面數(shù)據(jù)為路線縱坡設計文件中給出，第i個變坡點設計數(shù)據(jù)為:變坡點的里程、高程及豎曲線的半徑，在程序中表示如下:

任意里程的中樁設計高程:

具體計算過程可參考文獻［1］.

1.3 標準橫斷面

標準橫斷面數(shù)據(jù)以半幅為一個基礎(chǔ)，有若干形式(見圖3).

圖3 標準橫斷面圖

第j個標準斷面在計算機中表示為

其中，b為距離，i為坡度.

某段路基設計橫斷面的表示:

左側(cè):開始里程，結(jié)束里程，斷面形式名

右側(cè):開始里程，結(jié)束里程，斷面形式名

1.4 超高

每段超高由開始里程、結(jié)束里程、開始坡度、結(jié)束坡度、左側(cè)還是右側(cè)、過渡變化方式組成.表示如下:CG_FL(i)，CG_EL(i)，CG_FI(i)，CG_EI(i)，CG_LR(i)，CG_FORM(i).

1.5 加寬

每段加寬由開始里程、結(jié)束里程、開始加寬值、結(jié)束加寬值、左側(cè)還是右側(cè)、變化方式組成.表示如下:JK_FL(i)，JK_EL(i)，JK_FW(i)，JK_EW(i)，JK_LR(i)，JK_FORM(i).

由 1.2，1.3，1.4，1.5 設計數(shù)據(jù)可得:路基上任意點的高程為

其中，Δ為超高和加寬引起的改正.

這里D有最大值限制，最大值為邊界距離BJ:BJ為設計橫斷面與地面線的交點.

1.6 邊溝

每段邊溝由左右側(cè)，邊溝在斷面上位置，起點里程、高程，結(jié)束里程、高程組成.表示如下:BG_LR(i)，BG_P(i)，BG_F(i)，BG_FH(i)，BG_E(i)，BG_EH(i).

上述路線設計要素在設計文件中獲取，在面向?qū)ο蟪绦蛟O計時分別設計成:中線類(交點類、曲線單元類)、斷鏈類、縱斷面類、標準橫斷面類、超高類、加寬類、邊溝類.一條線路也為一個類，分別以它們?yōu)榛?

2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)的功能要充分考慮公路施工測量過程的現(xiàn)狀、用戶的需求及用戶的方便性，并考慮到現(xiàn)代先進施工測量技術(shù)［3］.

2.1 設計文件資料的輸入

作為一個系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的輸入與輸出相當重要，按照設計文件和施工測量的內(nèi)容，對于施工中的某段路線，設計文件包含的資料內(nèi)容見圖4.

所有的資料按類歸檔，以項目進行管理，一個項目可包含多條道路(如一個互通就包含多條線路)，如圖5所示.

圖5 互通立交項目路線資料管理組成

公路施工開始時建立項目，輸入路線設計資料，以后運行只要打開項目文件即可，并可對設計資料進行修改.

表格和對話框是數(shù)據(jù)輸入最簡單明了的格式，所以系統(tǒng)采用表格和對話框進行數(shù)據(jù)輸入.

2.2 中樁與邊樁坐標計算

輸入任意中樁里程 L，按式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)計算該中樁的坐標、高程和它的切線方向和橫斷面方向.系統(tǒng)應能自動判別主點的里程，能逐樁、批量地計算中樁與邊樁坐標，除能計算與路線成90的斷面樁坐標外，還要能計算與路線成任意角度的斷面樁坐標，這在大型曲線橋中有特別的作用.

2.3 任意點樁號反算

給定地面上任意一點坐標(X、Y)系統(tǒng)能夠計算出該點在路線上的斷面樁號里程、到中樁的距離及判斷左右側(cè)，即 P(X，Y)?P(L，D)，參見文獻［4］，根據(jù)計算的P(L，D)就能判斷該點是否在路基施工范圍內(nèi)，如在施工范圍內(nèi)就能計算該點設計高程 HS.

2.2 與2.3 是一個互逆的過程.

2.4 中樁與邊樁放樣

結(jié)合控制點坐標資料，根據(jù)式(2)中算得的坐標可計算出在任意測站放樣任意中樁與邊樁數(shù)據(jù).

2.5 結(jié)構(gòu)物細部坐標計算

根據(jù)結(jié)構(gòu)物中心樁號及軸線交角，結(jié)合結(jié)構(gòu)物施工圖上各部位的設計尺寸，系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)物軸線、基礎(chǔ)樁中心、細部點的坐標和放樣數(shù)據(jù)，這在結(jié)構(gòu)物施工中相當重要.詳細計算過程和原理參見文獻［5］.

2.6 路基施工任意斷面的邊樁、斷面上任意點設計高程計算

如圖6所示，根據(jù)任意樁號和相應斷面上任意點到中樁距離，系統(tǒng)給出任意點的設計標高，如獲得地面線資料，可得到左右界樁的邊距BW_L、BW_R 和坐標［6］.

圖6 路基斷面圖

2.7 土石方量計算

土石方量計算包含2部分:一是河塘清淤與回填，考慮采用坐標法與斷面法測量，二是路基土石方，給出地面線，標準斷面由系統(tǒng)根據(jù)樁號獲得，系統(tǒng)得到填挖方量表并繪出斷面圖.

2.8 控制網(wǎng)平差計算

系統(tǒng)包含常用控制網(wǎng)如橋梁控制網(wǎng)、導線的平差.

3 報表與圖的輸出及用戶接口

公路施工測量中有大量的報表，系統(tǒng)應考慮自動產(chǎn)生報表，測量和檢測的結(jié)果自動形成報表.由于各單位表格形式千變?nèi)f化，系統(tǒng)考慮采用大家熟悉的表格Excel，另外Excel表格式與關(guān)系數(shù)據(jù)庫兼容.

公路施工測量中還有大量的圖形要繪制如縱、橫斷面圖、結(jié)構(gòu)物放樣圖.系統(tǒng)采用自動連接AUTOCAD繪制一切圖形，由于施工單位大部分打印機采用的是A4紙，所以系統(tǒng)設計時，在考慮圖紙尺寸時，應以A4為主.

4 基于智能手機的路基平、縱、橫動態(tài)放樣與檢測子系統(tǒng)設計

智能手機指像個人電腦一樣，具有獨立的操作系統(tǒng)(目前主要為Androd系統(tǒng)和蘋果的IOS)，可以由用戶自行安裝軟件、游戲等第三方服務商提供的程序，通過此類程序來不斷對手機的功能進行擴充，并可以通過移動通訊網(wǎng)絡來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡接入的這樣一類手機.智能手機具有體積小、存儲量大、工作環(huán)境要求低、功能強大的多種特點(如上網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、繪圖)，用戶可以利用C++、JAVA等語言開發(fā)用戶自己的應用程序，且與多種設備進行數(shù)據(jù)交換和通訊，很適合于野外工作使用［7］.

而施工過程中的許多數(shù)據(jù)和信息需要在現(xiàn)場能實時的獲取和計算甚至要求向遠方傳輸，所以公路施工測量計算機輔助系統(tǒng)與智能手機相結(jié)合，在智能手機上開發(fā)適合野外施工測量的路基平、縱、橫動態(tài)放樣與檢測測量子系統(tǒng)應用程序［8］.

該子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計算機上相同，子系統(tǒng)能通過數(shù)據(jù)線讀取計算機上的項目文件，讀取后能進行游覽、修改、增加設計文件資料，能保存與計算機上相同的數(shù)據(jù)文件格式并可回傳到電腦上.

重點在智能手機上開發(fā)基于上面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的2.2，2.3，2.4，2.5，2.6 功能并進行適當擴充.

目前全站儀、GPS在施工和監(jiān)理單位越來越普及，他們能實時地獲取任意點的(X，Y，H)，基于智能手機的子系統(tǒng)與全站儀或GPS結(jié)合，形成路基平、縱、橫動態(tài)放樣與檢測子系統(tǒng)(如圖7所示).

圖7 全站儀施工測量系統(tǒng)圖

全站儀安置在控制點上，測量出反光鏡位置(X，Y，Hc)(如用 GPS RTK 測量，GPS天線安置在待檢測點上可直接獲得點的(X，Y，Hc))，輸入或傳送給智能手機里，由子系統(tǒng)根據(jù)P(X，Y)?P(L，D，Hs)得出目前反光鏡在路基上的坐標(LP，D)，這樣可以與設計理論值比較，對施工進行調(diào)整，如進行檢測，可計算差值(縱向、橫向、標高的偏差)，并記錄在文件中，通過這些現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和差值來動態(tài)地進行平、縱、橫放樣與檢測，快速指導施工.

5 系統(tǒng)的應用

在電腦上開發(fā)完成的系統(tǒng)界面如圖8所示，運行良好，目前該系統(tǒng)已被中交、中鐵等公司的施工企業(yè)應用到多條高等級的公路工程建設中，部分單位在隧道、鐵路工程中也進行了應用，系統(tǒng)在工程應用過程中得到了不斷完善.用戶反應系統(tǒng)設計新穎，功能齊全，基本涵蓋了公路施工測量的所有計算與繪圖需要，解決了公路施工過程中測量的復雜計算和繪圖等問題，通用性強，輸入簡單方便，輸出可靈活選取多種形式.對于施工單位，只要施工測量人員在施工前把設計資料在系統(tǒng)中輸入并用工程名文件保存，在施工期間運行系統(tǒng)，輸入工程名就可以獲取測量人員需要的公路上任意里程位置的平、縱、橫數(shù)據(jù)資料，如同建立了公路施工測量數(shù)據(jù)庫，方便性、效率性和正確性得到很大的提高.

圖8 系統(tǒng)運行界面

6 結(jié)語

本文給出了公路施工測量計算機輔助系統(tǒng)的數(shù)學模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能的設計包括在智能手機上的子系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在文中的實現(xiàn)是通過程序?qū)崿F(xiàn)的(如鏈表結(jié)構(gòu))，并沒有使用數(shù)據(jù)庫，這是考慮到智能手機能夠讀取數(shù)據(jù)文件.電腦上的系統(tǒng)已完成實現(xiàn)，基于智能手機的子系統(tǒng)正在開發(fā)完善.

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Design and development of the computer aided system of highway construction survey

Wen Daoqiu1Sheng Renjun1Wei Jun2Zhang Chao1
(1School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Unite Surveying and Mapping Engineering Company，Nanjing 210046，China)

Abstract:Using the route coordinate system，a three-dimensional mathematical model of highway is established according to horizontal alignment，vertical alignment，cross section and broken chains etc.in route design files.A transformation model between the route coordinate system and the construction coordinate system is also set up.The necessity and the data structure of the computer-aided system in highway construction survey are analyzed.Combining highway construction surveying requirements，some important common functions are designed，including the input of the route design data，the three-dimensional coordinates calculation at any position，calculation of the route coordinate of a certain point according to the construction survey coordinate，earthwork calculation etc.With the help of this system，the highway design data at any position can be obtained.With the realization of the subgrade construction surveying and testing subsystem based on intelligent mobile phone and new surveying technology，design data can be acquired in time and construction can be conducted on site，which improves the work efficiency and data accuracy.

Key words:highway;construction survey;computer aided system;route coordinate;intelligent mobile phone

中圖分類號:P208

A

1001－0505(2013)S2-0286-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.S2.015

收稿日期:2013-08-20.

聞道秋(1964—)，男，副教授，740336073@qq.com.

引文格式:聞道秋，生仁軍，衛(wèi)軍，等.公路施工測量計算機輔助系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.東南大學學報:自然科學版，2013，43(S2):286-290.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.S2.015］