工程控制网优化系统设计
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工程控制网优化系统设计
摘要：优化设计是最优化理论和方法在设计中的应用，力求以最低的成本、最高的效率达到最优的目标。本文主要是进行工程控制网优化系统的设计。该系统集平面网的平差计算、精度评定、可靠性分析、平差结果与原始观测值报表生成、模拟网生成、工程控制网优化等功能。将计算机编程语言（Visual C++6.0）作为开发平台，在此系统相应的模块中将数学模型转换成计算机语言，进行控制网优化系统的开发设计，完成系统中控制网的平差计算、平面控制网的优化和图形输出等模块的开发。本系统的意义在于可以实现测量的内外业一体化，利用计算机进行数据处理，可以提高优化速度，确保成果质量。
关键词：工程控制网；优化系统；控制网平差；图形输出
0 引 言工程控制网的优化设计是最优化理论和方法在工程控制网设计中的应用。虽然，“设计”一词本身即具有优化的涵义，并且设计人员的主观愿望总是要按最优方案进行设计，但是传统的设计过程与优化设计过程仍有明显的区别。传统设计过程确定的方案，仅具有方案的可行性，最多还具有局部的相对优劣性，不可能具有方案的最优性。
在优化设计过程中，是从工程本身的设计要求和技术条件出发，应用专业理论和优化技术，在电子计算机上，从满足给定的设计要求的众多可行方案中，按照规定的指标自动地选出最优设计方案。
工程控制网是工程项目的空间位置参考框架，是针对某项具体工程测图、施工或管理的需要，在一定区域内布设的平面和高程控制网。
工程控制网设计通常是根据工程建筑物位置和施工测设需要布置；但工程控制网设计首先应在满足预定点位精度的前提下, 花费较少的工作量达到满意的结果。一个测量控制网的建立通常要经过下列过程：建网的目的、要求和范围分析，经过图上规划和野外选点，确定网的参考系和图形并造标埋石，然后根据观测纲要对选定的图形进行观测，最后进行数据处理。这些过程的确定都有一个质量问题，也就是设计的优劣问题。20 世纪80 年代以来，控制网的优化设计受到广泛重视。对于一个精度、可靠性以及灵敏度要求极高的监测网或精密控制网，优化设计和精细计算是十分必要的。优化设计具有设计周期短、设计质量高、节省人力和物力等特点，因而被愈来愈广泛地应用于工程控制网设计中，凡是较重要的工程控制网，都应作优化设计[1]。
工程控制网优化设计系统开发的意义在于：采用人机交互模式，实现自动化处理数据，可以减少人工处理数据的时间，降低成本；数据计算精确，可以确保成果质量。
1 系统总体设计在对应的菜单选项中采用相应的数学模型或公式，将其转化为计算机语言，编写相应的函数代码，实现其功能。系统设计采用了菜单结构,
平面网主菜单下设文件，方案设计，工具，显示，结果输出和帮助等6 个部分。其中每个部分又是一个包含若干项目的子菜单，在子菜单中还可能有其子菜单。在主菜单中可以任意选择进入某个子菜单。在某个子菜单中, 通过选择某个项目来执行该项目的程序, 用以实现该项目的特定功能,或者选择返回项, 可随时返回到主菜单。
1.1 系统基本功能该系统除具有平差、精度分析、可靠性分析、灵敏度分析、报表生成输出等功能外，还提供了许多实用的功能，如网图显绘和输出等功能。
（1）数据输入：在“文件”菜单下有打开、保存和退出选项。点击打开，可在系统中输入如平面网的模拟观测值。
输入数据是进行系统中计算的前提。因此，数据输入模块的主要功能是把包括己知点、待定点和观测信息在内的各种数据自动识别分类，输入到系统相应的数组之中，为接下来要进行的数据处理工作做准备。
（2）数据处理：在“工具”菜单下，平面控制网平差中可以进行网中未知点的近似坐标计算、平差和点位误差椭圆的计算；粗差探测能够根据一定的条件探测出具有粗差的模拟观测值。
平面网平差是为求得待定控制点的平差坐标值。根据实际工程中控制网网形的不同，平面网包括测边网、测角网、边角网和导线网。
其主要功能是完成各种等级的测边网、测角网、边角网、导线网的平差计算工作。平差计算采用经典的间接平差法，以各个待定点的坐标值作为参数。系统按照输入的己知点坐标、已知边长、己知方位角等己知信息和边长、角度观测值等观测信息自动计算各待定点的坐标初始值，并列出条件方程式，根据条件方程式的各个系数形成相应的计算数组，为平差计算做准备。经过计算可以得出各待定点的坐标平差值和各观测边、观测角的平差值。平差之后，可对平面网进行精度评定、可靠性分析和灵敏度分析，根据上述的分析值可对平面网进行优化设计。
（3）数据输出：系统在数据处理的模块中也提供了结果输出功能，数据处理完成后，系统会自动将结果输出到新建的txt 文档供使用者参考检查，同时系统还提供了独立的数据输出功能。它可以将系统优化前的结果和优化后的结果进行输出对比。
在“结果输出”菜单下的图形输出中可以进行控制网网形的显示。
通过调用初始平差计算得到的坐标值，可以进行平面控制网的绘制，同时还可以将显示出来的图形进行打印输出。
求待定参数的方法主要是线性规划法，但由于实际的控制网约束条件复杂，不确定因素很多，很难计算出可行解，因此解析法主要用于小范围的精密工程控制网。
模拟法是指对于初步确定的网形与观测精度，模拟一组起始数据与观测值，输入计算机，然后根据平差原理计算出未知参数及其函数的精度，估算成本，或进一步计算观测值的可靠性、敏感性等信息，与预定的精度要求、成本约束、可靠性约束等相比较;根据计算机所提供的信息与设计者的经验，对控制网的基准、网形、观测精度等进行修正;然后重复计算，直至获得符合各项设计要求的较理想的设计方案。
2 边角网优化设计算例分析该网共有8 个点，其中A,B 点为已知点，按独立网进行设计。
优化设计要求为方向观测误差V<1.0’，边长观测值精度ms<0.04。初始方案为48 个方向观测值，48 条边长观测值的全边角网。初始方案的平差计算结果如图2.1 所示；平面网的点位精度结果如图2.2 所示；内部可靠性结果如图5.3 所示；由计算结果可知，网的精度显然太高。
需对控制网进行优化设计计算。根据优化设计条件将部分观测值删除后，重新计算分析可知，观测方案为27 个方向观测值，19 条边长观测值的平面网网的质量仍然偏高。根据重新计算得到的观测值精度再删除部分多余观测值，进行计算分析可得此时的观测方案为26 个方向观测值和18 条边长观测值的平面网的质量仍然偏高。而此时再删除一些观测值数据会导致部分未知点点位坐标无法计算，所以此时的计算结果满足设计的要求。 优化设计方案相对于初始方案,共减少了52 个观测值,达到综合最优。
3 结论本文利用计算机编程语言（VC）设计了集平面网平差计算、粗差探测、精度评定、可靠性分析、平差结果与原始观测值报表生成、模拟网生成、工程控制网优化等功能模块的自动化数据处理系统，构造出一个该系统简单明了、通俗易懂、便于操作、结构合理完整、功能齐全的控制网优化系统。本系统的可以节省测量人员内业数据处理的时间，降低成本，提高工作效率，利用计算机自动化处理，计算结果精确，可以确保成果质量。在此系统中，用户可以通过打开文件，将外业采集的数据或者模拟输入到此系统中。对于不同的网形，可以点取相应网形的平差计算，并且系统会自动将平差结果显示出来供用户参考。用户还可以根据对优化参数的计算，对平面网进行优化设计。
同时还可以通过平差计算得到的概略坐标进行模拟网的显示输出。
参考文献：[1]张正禄.工程测量学[M].武汉大学出版社，2005：27-29[2]张正禄，罗年学，黄全义，梅文胜. 一种基于可靠性的工程控制网优化设计新方法[J]，武汉大学学报（信息科学版），2001，4：354-360
