公路施工测量计算机辅助系统设计与开发

闻道秋 生仁军 卫 军 张 超

(1东南大学交通学院，南京 210096)(2南京优那特测绘工程有限公司，南京 210046)

公路施工测量计算机辅助系统设计与开发

闻道秋1生仁军1卫 军2张 超1

(1东南大学交通学院，南京 210096)
(2南京优那特测绘工程有限公司，南京 210046)

摘 要:采用路线坐标系，根据路线设计文件中平、纵、横及断链等资料，建立公路空间三维数学模型，并建立了路线坐标系与施工坐标系转换模型.分析了公路施工测量计算机辅助系统设计的必要性和数据结构.结合公路施工测量要求，设计了系统功能，功能包括路线设计资料的输入、任意位置三维坐标计算、根据某点施工测量坐标反算点位的路线坐标、土方量计算等重要常用功能.通过该系统能获取公路任意位置设计数据.给出基于智能手机及测量新技术的路基施工测量与检测子系统模式，实现该系统可以在施工现场实时获取设计数据，及时指导施工，提高工作效率和数据的正确性.

关键词:公路;施工测量;计算机辅助系统;路线坐标系;智能手机

在公路施工建设过程中，测量对公路建设的质量起着重要的作用，特别是高等级公路和大型复杂互通立交的建设，对公路测量要求越来越高，既要精度高，又要速度快，反馈工程现场信息及时准确.目前社会已进入高速数字信息化时代，计算机已应用到各领域，除微机外，出现了便于携带和野外使用的平板电脑和智能手机.如何利用这些先进的技术工具辅助公路施工中的测量和测量数据的管理，把测量人员从繁重的工作中解放出来?本文在充分考虑公路施工和监理测量人员的具体要求下，设计公路施工测量计算机辅助系统.

1 系统的数学模型及输入数据的组织设计

设计好供施工人员施工的公路实体在物理世界中是一个复杂的三维体，而在设计和施工过程中，在空间上把它分解成平、纵、横［1］.任意点处的平、纵、横是和该点的路线里程L及到中桩的距离D有关，公路施工过程中技术人员习惯通过L，D从设计文件中获取该点的平、纵、横.这里把它定义为路线坐标系:L-D，其中L轴是路线的中线，是弯曲的，D轴是横断面方向，它随里程在变化，如某点所在横断面里程为K12+345.6，在左侧5.8 m处，则该点路线坐标(12 345.6，－5.8).对于施工测量来说，要把它转换到测量控制点坐标系X-Y-H中(见图1)，给定任意一点P，有

其中，L＞0，D＞0，路线右侧;D＜0路线左侧.

图1 路线坐标系示意图

1.1 平面模型

道路的中线是一条复杂的曲线，可用下列函数表示:

其中，L为中线点到路线起点的里程.

1.1.1 中线

由于公路路线线形的复杂性，可归结为2种:交点单元方式和曲线单元方式.

交点单元方式:提供交点坐标及曲线半径和缓和曲线长度是一般道路设计中线平面线形资料的主要方式:JDi(Xi，Yi，Ri，LSi1，LSi2).

曲线单元方式:随着高等级公路的兴起，出现大量非常复杂的曲线，特别是复式曲线如互通式立交的匝道、回头曲线、卵型曲线等，但通过分析，任何线型都是由许多不同直线段、圆曲线段、缓和曲线段——称为曲线单元，通过不同的方式组合而成，如图2所示.

图2 路线线型示意图

每个曲线单元都有其要素:CUi(Ri1，Si，Ri2)，其中，Ri1，Ri2为第I个曲线单元的起点曲率半径和终点曲率半径，Si为该曲线单元长度.当Ri1=Ri2=∞时，该曲线单元为直线;当Ri1=Ri2=R时，该曲线单元为圆曲线;当Ri1≠Ri2时，该曲线单元为缓和曲线.Ri1，Ri2有正负之分，当 Ri1，Ri2＞0 时为曲线单元右偏;Ri1，Ri2＜0时为曲线单元左偏.当Ri1≠Ri2≠∞时，此缓和曲线为不完全缓和曲线，这在匝道和卵形曲线会遇到.

上述参数Ri1，Si，Ri2等可以由道路设计文件中的曲线一览表得到.

通过分析，只要知道路线起点的坐标、切线方位角、和里程及 CUi(Ri1，Si，Ri2)，就能确定路线的平面位置［2］.

1.1.2 断链

设路线有 n处断链，第 i处断链前里程为FDL(i)，第i处断链后里程为BDL(i).给定某点的里程LP，则该点的真正里程L'P为

式中，k根据式FDL(k)≤LP≤BDL(k)求得.

在设计文件中获取中线和断链的设计资料，就可确定任意点P(LP，D)的施工测量坐标:L'P=FL(LP).

中桩坐标:

这是一个以里程L为参数的函数，T为路线切线方位角，指向路线前进方向.

详细计算过程和原理参见文献［2］.

1.2 纵断面

纵断面数据为路线纵坡设计文件中给出，第i个变坡点设计数据为:变坡点的里程、高程及竖曲线的半径，在程序中表示如下:

任意里程的中桩设计高程:

具体计算过程可参考文献［1］.

1.3 标准横断面

标准横断面数据以半幅为一个基础，有若干形式(见图3).

图3 标准横断面图

第j个标准断面在计算机中表示为

其中，b为距离，i为坡度.

某段路基设计横断面的表示:

左侧:开始里程，结束里程，断面形式名

右侧:开始里程，结束里程，断面形式名

1.4 超高

每段超高由开始里程、结束里程、开始坡度、结束坡度、左侧还是右侧、过渡变化方式组成.表示如下:CG_FL(i)，CG_EL(i)，CG_FI(i)，CG_EI(i)，CG_LR(i)，CG_FORM(i).

1.5 加宽

每段加宽由开始里程、结束里程、开始加宽值、结束加宽值、左侧还是右侧、变化方式组成.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 设计数据可得:路基上任意点的高程为

其中，Δ为超高和加宽引起的改正.

这里D有最大值限制，最大值为边界距离BJ:BJ为设计横断面与地面线的交点.

1.6 边沟

每段边沟由左右侧，边沟在断面上位置，起点里程、高程，结束里程、高程组成.表示如下:BG_LR(i)，BG_P(i)，BG_F(i)，BG_FH(i)，BG_E(i)，BG_EH(i).

上述路线设计要素在设计文件中获取，在面向对象程序设计时分别设计成:中线类(交点类、曲线单元类)、断链类、纵断面类、标准横断面类、超高类、加宽类、边沟类.一条线路也为一个类，分别以它们为基类.

2 系统功能设计

系统的功能要充分考虑公路施工测量过程的现状、用户的需求及用户的方便性，并考虑到现代先进施工测量技术［3］.

2.1 设计文件资料的输入

作为一个系统，数据的输入与输出相当重要，按照设计文件和施工测量的内容，对于施工中的某段路线，设计文件包含的资料内容见图4.

所有的资料按类归档，以项目进行管理，一个项目可包含多条道路(如一个互通就包含多条线路)，如图5所示.

图5 互通立交项目路线资料管理组成

公路施工开始时建立项目，输入路线设计资料，以后运行只要打开项目文件即可，并可对设计资料进行修改.

表格和对话框是数据输入最简单明了的格式，所以系统采用表格和对话框进行数据输入.

2.2 中桩与边桩坐标计算

输入任意中桩里程 L，按式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)计算该中桩的坐标、高程和它的切线方向和横断面方向.系统应能自动判别主点的里程，能逐桩、批量地计算中桩与边桩坐标，除能计算与路线成90的断面桩坐标外，还要能计算与路线成任意角度的断面桩坐标，这在大型曲线桥中有特别的作用.

2.3 任意点桩号反算

给定地面上任意一点坐标(X、Y)系统能够计算出该点在路线上的断面桩号里程、到中桩的距离及判断左右侧，即 P(X，Y)⇒P(L，D)，参见文献［4］，根据计算的P(L，D)就能判断该点是否在路基施工范围内，如在施工范围内就能计算该点设计高程 HS.

2.2 与2.3 是一个互逆的过程.

2.4 中桩与边桩放样

结合控制点坐标资料，根据式(2)中算得的坐标可计算出在任意测站放样任意中桩与边桩数据.

2.5 结构物细部坐标计算

根据结构物中心桩号及轴线交角，结合结构物施工图上各部位的设计尺寸，系统计算结构物轴线、基础桩中心、细部点的坐标和放样数据，这在结构物施工中相当重要.详细计算过程和原理参见文献［5］.

2.6 路基施工任意断面的边桩、断面上任意点设计高程计算

如图6所示，根据任意桩号和相应断面上任意点到中桩距离，系统给出任意点的设计标高，如获得地面线资料，可得到左右界桩的边距BW_L、BW_R 和坐标［6］.

图6 路基断面图

2.7 土石方量计算

土石方量计算包含2部分:一是河塘清淤与回填，考虑采用坐标法与断面法测量，二是路基土石方，给出地面线，标准断面由系统根据桩号获得，系统得到填挖方量表并绘出断面图.

2.8 控制网平差计算

系统包含常用控制网如桥梁控制网、导线的平差.

3 报表与图的输出及用户接口

公路施工测量中有大量的报表，系统应考虑自动产生报表，测量和检测的结果自动形成报表.由于各单位表格形式千变万化，系统考虑采用大家熟悉的表格Excel，另外Excel表格式与关系数据库兼容.

公路施工测量中还有大量的图形要绘制如纵、横断面图、结构物放样图.系统采用自动连接AUTOCAD绘制一切图形，由于施工单位大部分打印机采用的是A4纸，所以系统设计时，在考虑图纸尺寸时，应以A4为主.

4 基于智能手机的路基平、纵、横动态放样与检测子系统设计

智能手机指像个人电脑一样，具有独立的操作系统(目前主要为Androd系统和苹果的IOS)，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序来不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的这样一类手机.智能手机具有体积小、存储量大、工作环境要求低、功能强大的多种特点(如上网、数据库、绘图)，用户可以利用C++、JAVA等语言开发用户自己的应用程序，且与多种设备进行数据交换和通讯，很适合于野外工作使用［7］.

而施工过程中的许多数据和信息需要在现场能实时的获取和计算甚至要求向远方传输，所以公路施工测量计算机辅助系统与智能手机相结合，在智能手机上开发适合野外施工测量的路基平、纵、横动态放样与检测测量子系统应用程序［8］.

该子系统的数据结构与计算机上相同，子系统能通过数据线读取计算机上的项目文件，读取后能进行游览、修改、增加设计文件资料，能保存与计算机上相同的数据文件格式并可回传到电脑上.

重点在智能手机上开发基于上面数据结构的2.2，2.3，2.4，2.5，2.6 功能并进行适当扩充.

目前全站仪、GPS在施工和监理单位越来越普及，他们能实时地获取任意点的(X，Y，H)，基于智能手机的子系统与全站仪或GPS结合，形成路基平、纵、横动态放样与检测子系统(如图7所示).

图7 全站仪施工测量系统图

全站仪安置在控制点上，测量出反光镜位置(X，Y，Hc)(如用 GPS RTK 测量，GPS天线安置在待检测点上可直接获得点的(X，Y，Hc))，输入或传送给智能手机里，由子系统根据P(X，Y)⇒P(L，D，Hs)得出目前反光镜在路基上的坐标(LP，D)，这样可以与设计理论值比较，对施工进行调整，如进行检测，可计算差值(纵向、横向、标高的偏差)，并记录在文件中，通过这些现状数据和差值来动态地进行平、纵、横放样与检测，快速指导施工.

5 系统的应用

在电脑上开发完成的系统界面如图8所示，运行良好，目前该系统已被中交、中铁等公司的施工企业应用到多条高等级的公路工程建设中，部分单位在隧道、铁路工程中也进行了应用，系统在工程应用过程中得到了不断完善.用户反应系统设计新颖，功能齐全，基本涵盖了公路施工测量的所有计算与绘图需要，解决了公路施工过程中测量的复杂计算和绘图等问题，通用性强，输入简单方便，输出可灵活选取多种形式.对于施工单位，只要施工测量人员在施工前把设计资料在系统中输入并用工程名文件保存，在施工期间运行系统，输入工程名就可以获取测量人员需要的公路上任意里程位置的平、纵、横数据资料，如同建立了公路施工测量数据库，方便性、效率性和正确性得到很大的提高.

图8 系统运行界面

6 结语

本文给出了公路施工测量计算机辅助系统的数学模型、数据结构和系统功能的设计包括在智能手机上的子系统，其中数据结构在文中的实现是通过程序实现的(如链表结构)，并没有使用数据库，这是考虑到智能手机能够读取数据文件.电脑上的系统已完成实现，基于智能手机的子系统正在开发完善.

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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

中图分类号: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.

闻道秋(1964—)，男，副教授，740336073@qq.com.

引文格式:闻道秋，生仁军，卫军，等.公路施工测量计算机辅助系统设计与开发［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(S2):286-290.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.S2.015］