铁路桥上线路平面线形重构设计方法

1.一种铁路桥上线路平面线形重构设计方法，其特征在于，包括：采用全站仪对铁路桥上线路轨道中心线坐标进行测量，对测量线路中的直线和曲线区段进行划分；对所述的直线区段进行拟合，以确定直线线路的斜率，进而确定各曲线区段的偏角；基于所述各曲线区段的偏角，以缓和曲线长度、圆曲线半径为变量，建立重构曲线，以测点处的拨量值为约束函数，以拨量的平方之和最小为目标，进行优化，得到重构的平面线形，包括：通过在EXCEL中编写重构曲线的坐标及拨量计算公式，基于EXCEL中的规划求解器得到重构的平面线形；还包括：若线路包含多段直线和多段曲线，则还要以两相邻曲线间的夹直线长度L jz 作为约束函数；得到重构曲线坐标的方法如下：(1)计算各测点的里程以测量坐标系O-XY为全局坐标系，基于各测点的坐标计算各测点对应的线路里程值；因铺设了无缝线路，故各测点的里程值固定，设A点为线路起点，将A点的里程值设为L a ，则后续测点的里程L i 根据下式(1)计算：其中，(x i ，y i )为第i个测点的坐标，(x i-1 ，y i-1 )为第i-1个测点的坐标；S2对所述的直线区段进行拟合，以确定直线线路的斜率，进而确定各曲线区段的偏角；采用最小二乘法对直线区段的线路进行函数拟合，并计算出上述曲线区段两端直线的象限角，由所述的象限角确定出其各自的方位角，进而得到两端直线间的方位角差，由方位角差最终确定出曲线区段的偏角；具体步骤如下：1)计算象限角象限角的计算如下式(2)所示：其中，A点的坐标为(x a ，y a )表示重构线形中直线上的起点，B点的坐标为(x b ，y b )表示重构线形中直线上的第二点，紧随A点之后；2)计算方位角当两点均位于第一象限时存在(x b ＞x a ,y b ＞y a )，有方位角AN＝θ；当两点均位于第二象限时存在(x b ＜x a ,y b ＞y a )，有方位角AN＝π-θ；当两点均位于第三象限时存在(x b ＜x a ,y b ＜y a )，有方位角AN＝π+θ；当两点均位于第四象限时存在(x b ＞x a ,y b ＜y a )，有方位角AN＝2π-θ；3)计算曲线两侧切线方位角差方位角差计算如下式所示：β＝AN CD -AN AB (3)β表示曲线两侧切线方位角差；AN CD 表示C、D点所在直线的方位角；AN AB 表示A、B点所在直线的方位角；4)计算偏角根据方位角差β计算出偏角α；当0＜β＜π时，α＝β，其为右偏曲线；当π＜β＜2π时，α＝2π-β，其为左偏曲线；当-π＜β＜0时，α＝-β，其为左偏曲线；当-π＜β＜2π时，α＝2π+β，其为右偏曲线；S3基于所述各曲线区段的偏角，以缓和曲线长度、圆曲线半径为变量，建立重构曲线，以测点处的拨量值为约束函数，以拨量的平方之和最小为目标，进行优化，得到重构的平面线形；通过在EXCEL中编写重构曲线的坐标及拨量计算公式，基于EXCEL中的规划求解器得到重构的平面线形；(2)计算重构线路的交点坐标由上述计算的曲线区段两端直线的方位角，且A、B、C和D的坐标已知，因此可以计算出曲线区段两端直线交点的坐标，交点坐标的计算公式如下式(4)和(5)所示；其中，A点的坐标为(x a ，y a )，表示重构线形中一侧直线上的起点；B点的坐标为(x b ，y b )，表示重构线形中一侧直线上的第二点，紧随A点之后；C点的坐标为(x c ，y c )，表示重构线形中另一侧直线上终点的前一点、位于D点之前；D点的坐标为(x d ，y d )，表示重构线形中另一侧直线上的终点；(3)根据初始圆曲线半径R和缓和曲线长度l 0 计算重构曲线要素及常数，其中：1)缓和曲线角β 0 计算： 2)缓和曲线内移距p的计算： 3)缓和曲线切垂距m的计算： 4)曲线的切线长度T的计算： 5)曲线长度L的计算： 6)切曲差q的计算：q＝2T-L；其中，R为圆曲线半径，l 0 为缓和曲线长度，根据上述计算出的各个要素可以确定重构线路曲线上各测点的坐标；(4)重构曲线上主点的里程推算基于重构曲线各要素与曲线长度之间的关系进行缓和曲线主点里程的推算，各主点里程计算公式如下；1)曲线区段两端直线交点(JD)的里程推算公式为： 2)直缓(ZH)点里程推算结果为： 3)缓圆(HY)点里程推算结果为：L HY ＝L ZH +l 0 ；4)曲中(QZ)点里程推算结果为： 5)圆缓(YH)点里程推算结果为：L YH ＝L HY +R×(α-2×β 0 )；6)缓直(HZ)点里程推算结果为：L HZ ＝L YH +l 0 ；(5)计算各测点对应在重构曲线中的坐标1)线路起始点A到直缓(ZH)点间测点对应在重构曲线的坐标(x i ，y i )根据如下公式(6)和(7)所示：x i ＝x JD -(L JD -L i )×cos AN AB (6)y i ＝y JD -(L JD -L i )×sin AN AB (7)其中，x i 为测点i重构后在测量坐标系中的x坐标；y i 为测点i重构后在测量坐标系中的y坐标；x JD 为重构线路的交点在测量坐标系中的x坐标；y JD 为重构线路的交点在测量坐标系中的y坐标；L i 为测点i的里程；L JD 为交点里程；AN AB 为A、B所在直线在测量坐标系O-XY中的方位角；在求算缓和曲线和圆曲线上测点的坐标时，首先需计算出缓和曲线上各测点在ZH-xy坐标系统中的坐标，该坐标系以前缓和曲线ZH为原点，以ZH切线为x轴，且指向交点方向为正向，建立ZH-xy直角坐标系，在此坐标系下进行直缓点到缓圆点(ZH-HY)区段测点的坐标推导；2)当测点里程处于直缓点(ZH)到缓圆(HY)点区间时，测点对应在重构曲线的坐标(x′ i ，y′ i )根据如下公式(8)和(9)所示：x′ i 为测点i在ZH-xy坐标系中的x坐标；y′ i 为m点在ZH-xy坐标系中的y坐标；L i 为测点i的里程；L zh 为直缓点里程；R为圆曲线半径；l 0 为缓和曲线长度；按里程增加的方向，当曲线右偏时，y′ i 为正，当曲线左偏时，y′ i 为负；3)当测点i里程处于HY到YH点区间时，测点对应在重构曲线上的坐标(x′ i ，y′ i )计算如式(10)和(11)所示：x′ i 为测点i在ZH-xy坐标系中的x坐标；y′ i 为测点i在ZH-xy坐标系中的y坐标；L i 为测点i的里程；L HY 为缓圆点里程；β 0 为缓和曲线角；R为圆曲线半径；m为缓和曲线切垂距；p为缓和曲线内移距；按里程增加的方向，当曲线右偏时，为正，当曲线左偏时，y′ i 为负；4)当测点里程处于YH到HZ点区间时，建立以HZ点的切线为x′轴，交点至HZ点方向为正向的HZ-x′y′坐标系；在该坐标系下，里程位于YH到HZ点区间的测点对应在重构曲线的坐标(x″ i ，y″ i )计算式如下式(12)和(13)所示；x″ i 为测点i在HZ-x′y′坐标系中的x坐标；y″ i 为测点i在HZ-x′y′坐标系中的y坐标；L i 为测点i的里程，L HZ 为缓直点里程；R为圆曲线半径；l 0 为缓和曲线长度；按线路里程的增加方向，当曲线右偏时，y″ i 坐标为正；当曲线左偏时，y″ i 坐标为负；求算出YH-HZ区间测点坐标后，需将HZ-x′y′坐标中的测点坐标转换到ZH-xy坐标系，对应的坐标转换计算式如下式(14)所示；测点坐标转换计算公式为：其中，γ为HZ-x′y′坐标系的x轴在ZH-xy坐标系中的方位角，曲线右偏时，γ＝α；曲线左偏时，γ＝-α，α为偏角；(x′ HZ ，y′ HZ )为HZ点在ZH-xy坐标系中的坐标，计算式如下式(15)和(16)所示；x′ HZ ＝T(1+cosα) (15)y′ HZ ＝±Tsinα (16)其中，T为曲线的切线长度；α为偏角；当曲线右偏时，y′ HZ 取正值；曲线左偏时，y′ HZ 取负值；将ZH-xy坐标系中计算出的曲线地段的坐标转入测量坐标系，坐标转换公式如下式(17)所示；其中，AN AB 为ZH-xy坐标系的x轴在测量坐标系O-XY中的方位角；(x ZH ，y ZH )为ZH点在测量坐标系O-XY中的坐标，计算式如下式(18)和(19)所示；x ZH ＝x JD -(L JD -L ZH )×cos AN AB (18)y ZH ＝y JD +(L JD -L ZH )×sin AN AB (19)其中，x ZH 为重构曲线的直缓点在测量坐标系O-XY中的x坐标；y ZH 为重构曲线的直缓点在测量坐标系O-XY中的y坐标；x JD 为重构曲线的直缓点在测量坐标系O-XY中的x坐标；y JD 为重构曲线的直缓点在测量坐标系O-XY中的y坐标；L JD 为重构曲线的交点里程；L ZH 为重构曲线直缓点里程；AN AB 为A、B所在直线在测量坐标系O-XY中的方位角；5)当测点里程处于后直线上时，测点对应在重构曲线的坐标(x i ，y i )如下式(20)和(21)所示；x i ＝x JD +(L i -L JD +q)×cos AN CD (20)y i ＝y JD +(L i -L JD +q)×sin AN CD (21)其中，x i 为测点i重构后在测量坐标系中的x坐标；y i 为测点i重构后在测量坐标系中的y坐标；x JD 为重构线路的交点在测量坐标系中的x坐标；y JD 为重构线路的交点在测量坐标系中的y坐标；L i 为测点i的里程；q为切曲差；L JD 为交点里程；AN CD 为A、B所在直线的方位角。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采用全站仪对铁路桥上线路轨道中心线坐标进行测量，对测量线路中的直线和曲线区段进行划分，包括：结合MATLAB编程通过建立梯度阈值的方法除去测量线路中的干扰电，识别测量线路中的直线段，通过直线段坐标将线路进行分段，并求出各测点的里程。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对所述的直线区段进行拟合，以确定直线线路的斜率，进而确定各曲线区段的偏角，包括：采用最小二乘法对直线区段的线路进行函数拟合，并计算出曲线区段两端直线的象限角，由所述的象限角确定出其各自的方位角进而得到两端直线间的方位角差，有方位角差确定出曲线区段的偏角。