高速铁路轨道控制网测量数据质量控制研究

闫广峰

内江师范学院地理与资源科学学院，四川 内江 641100

高速列车要实现安全平稳地高速行驶，轨道必须具有高平顺性，作为铁路轨道铺设和运营维护的测量基准——轨道控制网(CPⅢ)必须精确可靠。CPⅢ网跨度大、网形结构复杂，其观测数据误差、平差基准的原始数据误差和分段衔接误差等因素会影响控制点的精度和可靠性，最终会影响到轨道的高平顺性建设和评判。在现有的技术规范基础上，以轨道平顺性控制为目标，进一步提高轨道控制网测量数据精度和可靠性，完善高速铁路测量数据质量过程控制的理论和技术体系，确保高速铁路高标准建设和列车高速、平稳、安全运行，是高速铁路测量理论领域值得探索研究的课题。论文借鉴大系统控制理论和多元质量控制与诊断理论的思想，构建起轨道控制网全局式数据质量控制体系(global data quality control system of CPⅢ,GDQCS-CPⅢ)，主要成果如下。

(1) 提出轨道控制网全局式数据质量控制体系，从理论上阐明了以子系统的质量控制和子系统间协调控制为两个主体层面的全局数据质量控制体系架构，通过观测数据质量控制与诊断、基准数据质量控制与诊断以及分段测量控制网平顺衔接等控制环节，实现高速铁路轨道控制网测量数据质量的有效控制。优化了CPⅢ网测量数据质量控制工艺过程，提供了较为系统的理论依据和方法。

(2) 针对轨道控制网狭长、复杂的网形结构特点，依据在LS平差前探测粗差的指导思想，研究了基于L1范数估计的观测数据可靠性诊断技术。提出观测值影响系数(influence coefficient,IC)和最小影响系数(least influence coefficient,LIC)，并以LIC来定量描述观测值粗差对L1范数估计目标函数的影响程度。导出了观测值影响系数计算式，推导得到观测值为L1抗差性失效点(robustness failpoint inL1-norm estimation,RFP-L1)时LIC的数值特点，根据设计矩阵归纳出判断测量系统是否会存在RFP-L1观测值的一般性规律。提出局部分析识别法(local analysis identification method,LAIM)，能够求得各观测值的最小影响系数，从而准确判别观测值中是否存在RFP-L1以及哪些是RFP-L1；提出附有调节因子的L1范数估计方法(L1-norm estimation with regulatory factors,RF-L1)，通过引入调节因子，增强了RFP-L1观测值粗差对L1范数估计目标函数影响的显著性，从而能够使其转化为非RFP-L1观测值，改进了L1范数估计抵抗RFP-L1粗差的能力；设计基于RF-L1的多维粗差探测算法(multiple gross errors detection algorithm based on RF-L1,MGED-RF-L1)，兼顾RF-L1算法抗RFP-L1粗差以及GEJE算法顾及观测值间粗差定位相关性的双重优势，能够确保粗差定位结果的可靠性。为CPⅢ网观测数据的粗差探测分析，提供了重要的理论依据和方法。

(3) 在回顾相关系数法、GEJE法诊断两个观测值间粗差可区分能力的等价关系基础上，进一步理论推演了两种方法诊断单个观测值粗差定位能力的等价性，并证实了对具有大量观测值的边角后方交会CPⅢ平面测量网的粗差可区分性分析问题，GEJE法较相关系数法更具应用可能性。运用GEJE方法，根据CPⅢ平面网结构特点，分析粗差判断方程的函数模型特点，使用矩阵初等变换挖掘观测值间数据结构特征及可靠性，第1次得到了CPⅢ观测值粗差发现与定位能力的规律。采用蒙特卡罗模拟法，验证CPⅢ平面网的粗差发现与定位能力，证实了GEJE法挖掘分析得到的观测值粗差可发现与可定位规律的正确性。

(4) 提出利用观测网形的基准数据质量控制与诊断方法(datum data quality control and diagnostic method based on geometry of control network,DQCD-BG)，它包含基准点稳定性分析、最佳函数模型构建和系统误差判别与控制等3个关键环节，有效解决了基准设计不合理情形下出现的基准点不稳定、基准数据含系统误差，以及由于基准点精度低而导致约束平差后控制网发生扭曲或畸变等问题，较传统方法的结果更可靠。

(5) 结合高速铁路施工建设特点，提出分段测量和平差时，控制网相邻区段搭接应遵循的原则，设计了顾及轨道平顺性的测量控制网区段搭接算法(surveying control network lapping algorithm considering the track ride comfort,CTRC-LP)，可以有效避免采用重叠区不稳定同名控制点信息，并逐步消除控制网间的衔接偏差，确保相邻区段CPⅢ网搭接的可靠性和平顺性。