本發(fā)明具體涉及一種高鐵線路測(cè)繪方法。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，高鐵因其運(yùn)行速度快、舒適性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘３鲂械氖走x交通方式。也正因?yàn)槿绱?，高鐵線路的測(cè)繪就成為了高鐵線路修建后的重要步驟。

目前，對(duì)于修建好的高鐵線路，其測(cè)繪方式都采用專用的線路測(cè)繪車輛進(jìn)行。駕駛員駕駛測(cè)繪車輛在新修的高鐵線路上行駛，利用測(cè)繪車輛自身所帶的測(cè)繪設(shè)備和相應(yīng)的測(cè)繪方法對(duì)新修的高鐵線路進(jìn)行測(cè)繪，從而得到相應(yīng)的線路測(cè)繪圖。

但是，由于現(xiàn)有的測(cè)繪車輛需要在高鐵上行駛，因此會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用高鐵軌道，從而造成了高鐵線路的大量資源閑置，而且會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)繪費(fèi)用和測(cè)繪時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)繪效率高、成本低、資源占用極少的高鐵線路測(cè)繪方法。

本發(fā)明提供的這種高鐵線路測(cè)繪方法，包括如下步驟：

s1.獲取三軸加速度傳感器檢測(cè)的加速度值與高鐵車輛的實(shí)際加速度值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣從而將三軸加速度傳感器的安裝誤差進(jìn)行修正；

s2.在gnss定位系統(tǒng)有效的情況下，利用gnss定位系統(tǒng)直接獲取高鐵車輛的定位信息，將該定位信息與測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的測(cè)繪信息進(jìn)行比對(duì)，并按照如下規(guī)則確定是否需要進(jìn)行新建線路的測(cè)繪：

若定位信息存在于測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中，或定位信息在測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的鐵路路軌信息周圍半徑為x米的范圍內(nèi)，x為自然數(shù)，則認(rèn)定高鐵車輛位于已經(jīng)測(cè)繪過(guò)的鐵路路軌上，不需要對(duì)路軌進(jìn)行測(cè)繪；或者再次對(duì)該線路進(jìn)行測(cè)繪以修正測(cè)繪數(shù)據(jù)內(nèi)的數(shù)據(jù)；

若定位信息不存在于測(cè)繪數(shù)據(jù)中，且定位信息不在測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的鐵路路軌信息周圍半徑為x米的范圍內(nèi)，x為自然數(shù)，則認(rèn)定高鐵車輛位于新建的鐵路路軌上，則開(kāi)始對(duì)新建線路進(jìn)行測(cè)繪；

s3.計(jì)算高鐵車輛與水平面的夾角；

s4.根據(jù)高鐵車輛的與水平面的夾角計(jì)算高鐵車輛所行駛的軌道的外軌超高值，并依據(jù)得到的外軌超高值和高鐵車輛軌道設(shè)計(jì)規(guī)范判定高鐵車輛所行駛的位置為直線軌道、緩和曲線軌道或圓曲線軌道；

s5.根據(jù)高鐵車輛所行駛的位置，采用如下規(guī)則進(jìn)行高鐵車輛軌道的測(cè)繪：

若高鐵車輛行駛在直線軌道上，則利用最后一次gnss定位系統(tǒng)對(duì)高鐵車輛的定位信息和雷達(dá)測(cè)速模塊測(cè)得的高鐵車輛的行駛速度對(duì)直線軌道進(jìn)行測(cè)繪；

若高鐵車輛行駛在緩和曲線上，則利用最后一次gnss定位系統(tǒng)對(duì)高鐵車輛的定位信息、高鐵車輛軌道設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的緩和曲線的線型和雷達(dá)測(cè)速模塊測(cè)得的高鐵車輛的行駛速度對(duì)緩和曲線進(jìn)行測(cè)繪；

若高鐵車輛行駛在圓曲線上，則利用緩和曲線的測(cè)繪結(jié)果和雷達(dá)測(cè)速模塊測(cè)得的高鐵車輛的行駛速度對(duì)圓曲線進(jìn)行測(cè)繪；

s6.計(jì)算線路的爬升高程，從而完成軌道的測(cè)繪。

步驟s1所述的獲取三軸加速度傳感器檢測(cè)的加速度值與高鐵車輛的實(shí)際加速度值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣，具體為采用如下算式獲取轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣：

式中為轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣，n為列車在校正階段的試驗(yàn)次數(shù)，m^b＝[g^b直平勻a^{b直平加速}g^b直平勻×a^{b直平加速}]，m^m＝[g^m直平勻a^{m直平加速}g^m直平勻×a^{m直平加速}]，g^b直平勻為列車自身在直線水平線路勻速行駛時(shí)的重力加速度值，a^{b直平加速}為列車自身在直線水平線路加速行駛時(shí)的加速度值，g^m直平勻為列車在直線水平線路勻速行駛時(shí)的三軸加速度傳感器檢測(cè)到的重力加速度值，a^{m直平加速}為列車在直線水平線路加速行駛時(shí)的三軸加速度傳感器檢測(cè)到的加速度值。

步驟s3所述的計(jì)算高鐵車輛與水平面的夾角，具體為采用如下步驟計(jì)算高鐵車輛與水平面的夾角：

a.采用如下算式計(jì)算高鐵車輛的x軸、z軸與水平面的夾角：

式中θ和β為高鐵車輛的x軸、z軸與水平面的夾角；為三軸加速度傳感器測(cè)量到的高鐵車輛在x、z軸兩個(gè)方向的加速度值；g為重力加速度值；v1和v2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛的速度值，t1和t2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛速度的時(shí)間；

b.根據(jù)步驟a計(jì)算得到的高鐵車輛的x軸、z軸與水平面的夾角，計(jì)算高鐵車輛的y軸與水平面的夾角：

步驟s4所述的判定高鐵車輛所行駛的位置為直線軌道、緩和曲線軌道或圓曲線軌道，具體為采用如下規(guī)則判定高鐵車輛所行駛的位置：

若外軌超高值小于或等于設(shè)定的閾值a，則判定高鐵車輛行駛在直線軌道上；

若外軌超高值大于閾值a且小于或等于閾值b，則判定高鐵車輛行駛在緩和曲線上；

若外軌超高值大于閾值b且持續(xù)不變，則判定高鐵車輛行駛在圓曲線上。

步驟s5所述的對(duì)直線軌道進(jìn)行測(cè)繪，具體為采用如下公式進(jìn)行直線軌道的測(cè)繪：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput為高鐵車輛直線軌道的測(cè)繪定位信息，p0gps為gnss定位系統(tǒng)對(duì)最后一次對(duì)高鐵車輛定位時(shí)的定位信息，vrada為雷達(dá)測(cè)速模塊檢測(cè)到的高鐵車輛運(yùn)行速度信息，t為下一個(gè)定位預(yù)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間的差值。

步驟s5所述的對(duì)緩和曲線進(jìn)行測(cè)繪，具體為采用如下步驟進(jìn)行緩和曲線的測(cè)繪：

a.高鐵車輛記錄從直線線路進(jìn)入緩和曲線線路的時(shí)間點(diǎn)tzh和從緩和曲線線路進(jìn)入圓曲線線路的時(shí)間點(diǎn)thy，從而得到緩和曲線的總長(zhǎng)度式中v為雷達(dá)測(cè)速模塊檢測(cè)到的高鐵車輛的運(yùn)行速度；

b.采用如下算式得到緩和曲線的測(cè)繪結(jié)果：

式中y為緩和曲線上的任意坐標(biāo)點(diǎn)m的縱坐標(biāo)，l為點(diǎn)m距緩和曲線與直線的交點(diǎn)之間的緩和曲線的長(zhǎng)度，即高鐵車輛從緩和曲線與直線的交點(diǎn)行駛至點(diǎn)m的總行駛路程，r為緩和曲線所連接的圓曲線的半徑。

步驟s5所述的對(duì)圓曲線進(jìn)行測(cè)繪，具體為采用如下步驟進(jìn)行圓曲線的測(cè)繪：

(1)采用如下算式計(jì)算圓曲線的半徑r：

式中v為高鐵車輛行駛的速度，為測(cè)量的高鐵車輛在y軸上的加速度，g為重力加速度，v1和v2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛的速度值，t1和t2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛速度的時(shí)間，為測(cè)量的高鐵車輛在y軸上的加速度，為測(cè)量的高鐵車輛在y軸上的加速度；

(2)采用如下算式計(jì)算圓曲線的長(zhǎng)度：

式中v為高鐵車輛行駛的速度，t1和t2為高鐵車輛行駛的時(shí)間。

步驟s6所述的計(jì)算線路的爬升高程，具體為采用如下算式計(jì)算爬升高程h：

h＝ltanθ

式中l(wèi)為高鐵行駛的線路路程，θ為高鐵車輛的x軸與水平面的夾角。

本發(fā)明提供的這種高鐵線路測(cè)繪方法，克服了對(duì)于新修的高鐵線路傳統(tǒng)的需要專業(yè)的測(cè)繪車輛進(jìn)行專業(yè)測(cè)繪的弊端，通過(guò)高鐵車輛在運(yùn)行時(shí)的測(cè)繪，采用一系列傳感器的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的計(jì)算，結(jié)合我國(guó)高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，成功的利用高鐵車輛在新修軌道行駛的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)新修線路的測(cè)繪，因此測(cè)繪效率高，而且成本低廉，資源占用極少。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的測(cè)繪方法的方法流程圖。

圖2為本發(fā)明的測(cè)繪方法中高鐵車輛自身坐標(biāo)與水平面的夾角關(guān)系示意圖。

圖3為本發(fā)明的測(cè)繪方法中緩和曲線軌道的示意圖。

圖4為本發(fā)明的測(cè)繪方法中圓曲線軌道的示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示為本發(fā)明的測(cè)繪方法的方法流程圖：本發(fā)明提供的這種高鐵線路的測(cè)繪方法，包括如下步驟：

s1.獲取三軸加速度傳感器檢測(cè)的加速度值與高鐵車輛的實(shí)際加速度值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣從而將三軸加速度傳感器的安裝誤差進(jìn)行修正；

由于三軸加速度傳感器在安裝時(shí)，不可能完全與高鐵車輛在水平面上行駛時(shí)的坐標(biāo)系完全重合，因此三軸加速度傳感器所檢測(cè)得到的三軸加速度值a^m并非高鐵車輛自身實(shí)際的三軸加速度值，而是需要進(jìn)行修正后才能夠得到高鐵車輛的實(shí)際加速度值；具體的修正過(guò)程如下：

假定轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣為即a^m即三軸加速度傳感器檢測(cè)到的加速度值，a^b為高鐵車輛自身的加速度值；

當(dāng)列車在平直路段勻速行駛時(shí)，列車在受到的加速度僅為重力加速度即：

當(dāng)列車在平直路段加速行駛時(shí)，列車除受到重力加速度影響外，還存在前進(jìn)方向的加速度：

由此得到的測(cè)量坐標(biāo)系和本體坐標(biāo)系的信息矩陣之間的關(guān)系為：

因此，轉(zhuǎn)換矩陣的計(jì)算則為采用如下算式獲取轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣：

式中為轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣，n為列車在校正階段的試驗(yàn)次數(shù)，m^b＝[g^b直平勻a^{b直平加速}g^b直平勻×a^{b直平加速}]，m^m＝[g^m直平勻a^{m直平加速}g^m直平勻×a^{m直平加速}]，g^b直平勻為列車自身在直線水平線路勻速行駛時(shí)的重力加速度值，a^{b直平加速}為列車自身在直線水平線路加速行駛時(shí)的加速度值，g^m直平勻為列車在直線水平線路勻速行駛時(shí)的三軸加速度傳感器檢測(cè)到的重力加速度值，a^{m直平加速}為列車在直線水平線路加速行駛時(shí)的三軸加速度傳感器檢測(cè)到的加速度值；

s2.在gnss定位系統(tǒng)有效的情況下，利用gnss定位系統(tǒng)直接獲取高鐵車輛的定位信息，將該定位信息與測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的測(cè)繪信息進(jìn)行比對(duì)，并按照如下規(guī)則確定是否需要進(jìn)行新建線路的測(cè)繪：

若定位信息存在于測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中，或定位信息在測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的鐵路路軌信息周圍半徑為x米的范圍內(nèi)，x為自然數(shù)(比如100m范圍)，則認(rèn)定高鐵車輛位于已經(jīng)測(cè)繪過(guò)的鐵路路軌上，則不需要進(jìn)行測(cè)繪；或者也可以進(jìn)行再次測(cè)繪，并將數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行已測(cè)繪的線路的修正；

若定位信息不存在于測(cè)繪數(shù)據(jù)中，且定位信息不在測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的鐵路路軌信息周圍半徑為x米的范圍內(nèi)，x為自然數(shù)(比如100m范圍)，則認(rèn)定高鐵車輛位于新建的鐵路路軌上，則開(kāi)始對(duì)車輛進(jìn)行測(cè)繪；

s3.計(jì)算高鐵車輛與水平面的夾角；具體為采用如下步驟計(jì)算高鐵車輛與水平面的夾角：

a.采用如下算式計(jì)算高鐵車輛的x軸、z軸與水平面的夾角(如圖2所示)：

式中θ和β為高鐵車輛的x軸、z軸與水平面的夾角；為三軸加速度傳感器測(cè)量到的高鐵車輛在x、z軸兩個(gè)方向的加速度值；g為重力加速度值；v1和v2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛的速度值，t1和t2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛速度的時(shí)間；

b.根據(jù)步驟a計(jì)算得到的高鐵車輛的x軸、z軸與水平面的夾角(如圖2所示)，計(jì)算高鐵車輛的y軸與水平面的夾角：

在高鐵車輛的外軌高差傾角測(cè)量時(shí)，其精度大致如下：

若采用精度為10^-6g的加速度計(jì)測(cè)量加速度，則加速度計(jì)的精度與0.1％的測(cè)速精度相比精度要高幾個(gè)量級(jí)，因此在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中由加表引起的誤差可以忽略不計(jì)。而計(jì)算誤差由測(cè)速誤差決定，因此有：

式中δv1為測(cè)速誤差，以京滬高鐵計(jì)算設(shè)定時(shí)速350km/h，轉(zhuǎn)彎半徑7000m，測(cè)速誤差0.1％，加表精度10-6g，最大爬坡0.2％，δα累積誤差約為0.0144°，折合外軌超檢測(cè)誤差為0.377mm；

s4.根據(jù)高鐵車輛的與水平面的夾角計(jì)算高鐵車輛所行駛的軌道的外軌超高值，并依據(jù)得到的外軌超高值和高鐵車輛軌道設(shè)計(jì)規(guī)范判定高鐵車輛所行駛的位置為直線軌道、緩和曲線軌道或圓曲線軌道；由于我國(guó)高鐵有著嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范，因此高鐵車輛的軌道同樣有著非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范，具體為采用如下規(guī)則判定高鐵車輛所行駛的位置：

若外軌超高值小于或等于設(shè)定的閾值a，則判定高鐵車輛行駛在直線軌道上(即直線軌道的外軌超高值必須小于一個(gè)較小值，以保證直線行駛時(shí)高鐵車輛的平穩(wěn)性和舒適性)；

若外軌超高值大于閾值a且小于或等于閾值b，則判定高鐵車輛行駛在緩和曲線上(由于高鐵列車轉(zhuǎn)彎時(shí)，需要由外軌超高的方式來(lái)提供一部分的向心力，而高鐵列車轉(zhuǎn)彎是采用圓曲線轉(zhuǎn)換，而高鐵車輛在直線軌道進(jìn)入圓曲線軌道時(shí)，其外軌超高值將從直線軌道的外軌超高值連續(xù)變換到最終的圓曲線所需要的外軌超高值，因此在緩和曲線階段，其外軌超高值是介于兩者之間且在隨里程均勻增大或減??；

若外軌超高值大于閾值b且持續(xù)不變，則判定高鐵車輛行駛在圓曲線上；

s5.根據(jù)高鐵車輛所行駛的位置，采用如下規(guī)則進(jìn)行高鐵線路的測(cè)繪：

若高鐵車輛行駛在直線軌道上，則利用最后一次gnss定位系統(tǒng)對(duì)高鐵車輛的定位信息和雷達(dá)測(cè)速模塊測(cè)得的高鐵車輛的行駛速度對(duì)直線軌道測(cè)繪；具體為采用如下公式進(jìn)行直線軌道的測(cè)繪：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput為高鐵車輛直線軌道的定位信息，p0gps為gnss定位系統(tǒng)對(duì)最后一次對(duì)高鐵車輛定位時(shí)的定位信息，vrada為雷達(dá)測(cè)速模塊檢測(cè)到的高鐵車輛運(yùn)行速度信息，t為下一個(gè)定位預(yù)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間的差值；

若高鐵車輛行駛在緩和曲線上(如圖3所示)，則利用最后一次gnss定位系統(tǒng)對(duì)高鐵車輛的定位信息、高鐵車輛軌道設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的緩和曲線的線型和雷達(dá)測(cè)速模塊測(cè)得的高鐵車輛的行駛速度對(duì)緩和曲線軌道測(cè)繪；

緩和曲線指的是鐵路線路平面，在直線與圓曲線，圓曲線與圓曲線之間設(shè)置的曲率連續(xù)變化的曲線，它是設(shè)置在直線與圓曲線之間或半徑相差較大的兩個(gè)轉(zhuǎn)向相同的圓曲線之間的一種曲率連續(xù)變化的曲線。緩和曲線具有以下幾何特征：緩和曲線連接直線和半徑為r的圓曲線，其曲率由零至1/r逐漸變化；緩和曲線的外軌超高，由直線上的零值逐漸增至圓曲線的超高度，與圓曲線超高相連接；因此，具體為采用如下步驟進(jìn)行緩和曲線的測(cè)繪：

a.高鐵車輛記錄從直線線路進(jìn)入緩和曲線線路的時(shí)間點(diǎn)tzh和從緩和曲線線路進(jìn)入圓曲線線路的時(shí)間點(diǎn)thy，從而得到緩和曲線的總長(zhǎng)度式中v為雷達(dá)測(cè)速模塊檢測(cè)到的高鐵車輛的運(yùn)行速度；

b.采用如下算式得到緩和曲線的測(cè)繪結(jié)果：

式中y為緩和曲線上的任意坐標(biāo)點(diǎn)m的縱坐標(biāo)，l為點(diǎn)m距緩和曲線與直線的交點(diǎn)之間的緩和曲線的長(zhǎng)度，即高鐵車輛從緩和曲線與直線的交點(diǎn)行駛至點(diǎn)m的總行駛距離，r為緩和曲線所連接的圓曲線的半徑；

按照列車時(shí)速300km/h，京滬高鐵最小轉(zhuǎn)彎半徑7000m，雷達(dá)測(cè)速精度0.1％，gps定位精度10m，最大預(yù)測(cè)時(shí)間0.075s，進(jìn)行計(jì)算可得輸出定位誤差為16.3m；

若高鐵車輛行駛在圓曲線上(如圖4所示)，則利用緩和曲線的定位結(jié)果和雷達(dá)測(cè)速模塊測(cè)得的高鐵車輛的行駛速度對(duì)圓曲線軌道進(jìn)行測(cè)繪；具體為采用如下步驟進(jìn)行圓曲線軌道的測(cè)繪：

(1)采用如下算式計(jì)算圓曲線的半徑r：

式中v為高鐵車輛行駛的速度，為測(cè)量的高鐵車輛在y軸上的加速度，g為重力加速度，v1和v2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛的速度值，t1和t2為雷達(dá)測(cè)速模塊兩次檢測(cè)的高鐵車輛速度的時(shí)間，為測(cè)量的高鐵車輛在y軸上的加速度，為測(cè)量的高鐵車輛在y軸上的加速度；

若采用了高精度(精度為10^-6g)的加速度傳感器，因此加速度傳感器的測(cè)量誤差相比于測(cè)速模塊的誤差可以忽略，因此誤差表達(dá)式為：

以京滬高鐵計(jì)算設(shè)定時(shí)速350km/h，轉(zhuǎn)彎半徑7000m，測(cè)速誤差0.1％，加表精度10-6g，最大爬坡0.2％，δr累積誤差約為11.2348m；

(2)采用如下算式計(jì)算圓曲線的長(zhǎng)度：

式中v為高鐵車輛行駛的速度，t1和t2為高鐵車輛行駛的時(shí)間；

若運(yùn)行時(shí)速300km/h，測(cè)速誤差0.1％，累積時(shí)間600s，可得累積縱向里程誤差50m；

s6.計(jì)算線路的爬升高程，從而完成高鐵線路的測(cè)繪；具體為采用如下算式計(jì)算爬升高程h：

h＝ltanθ

式中l(wèi)為高鐵行駛的線路路程，θ為高鐵車輛的x軸與水平面的夾角；

以最長(zhǎng)隧道28km，坡度0.2％，傾斜度傳感器測(cè)角精度0.0144°，可以計(jì)算得到爬升高度的累積誤差為7.0243m。