基于模拟法优化设计的工程控制网施测方法实践
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第37卷第4期 2014年4月
测绘与空间地理信息
GEOMATICS&SPATIAL lNFoRMATloN TECHNoLoGY Vo1.37,No.4
Apr.,2014
基于模拟法优化设计的工程控制网施测方法实践 文 学 (湖北城市建设职业技术学院,湖北武汉430205) 摘要:基于工程控制网的模拟法优化设计方法,给出了多余观测分量的概念和性质并介绍了模拟法优化设计 的实施步骤,通过工程控制网实例验证了模拟法优化设计的可行性和可操作性,该方法在工程控制网的建设过 程中具有一定的参考价值和指导意义。 关键词:工程控制网;模拟法优化设计;多余观测分量 中图分类号:P224 文献标识码:B 文章编号:1672—5867(2014)04—0186—04
The Practice of Method of the Engineering Control Network Based on the Simulation Optimization Design
WEN Xue (Hubei Urban Construction Vocational And Technological Coflege,Wuhan 430205,China)
Abstract:Based on the simulation optimization design method of the engineering control network,this paper gives the concept and na- ture of the redundant observation weight and introduces the implementation steps of the simulation optimization design.The feasibility and operability of this method is verified by the practical engineering control network,which has a certain reference value and guiding significance in the construction process of the en ̄neering control network. Key words:en ̄neering control network;simulation optimization design;redundant observation weight
0引 言 1观测值内部可靠性指标 在大型工程建设中,工程的施工工艺对测量的精度 要求越来越高,这需要建设符合测量精度要求且可靠性 高的测量控制网。工程控制网可分为测图控制网、施工 控制网、安装控制网和变形监测网。在制定工程控制网 施测方案时,应根据工程施工放样的精度要求,采用解析 法或模拟法进行工程控制网的优化设计。虽然解析法优 化设计方面的研究已很多,却难以推广,在实际生产中也 鲜有应用 。因此文献[1]提出一种基于观测值可靠性 的模拟优化设计方法,利用科傻系统系列软件COSA , 可进行各种边角网和GPS网的模拟优化设计。实际工程 控制网施测前少有人作优化设计,更多的是根据技术负 责人的经验和习惯来施测,以致测量结果不尽如人意而 重测或补测。若能事先进行模拟计算,从而得到一种相 对优化的布网方案,便会取得事半功倍的效果。本文按 照基于观测值内部可靠性的模拟优化设计方法对实例进 行了计算和分析,得出了有益的结论。 对于一个测量控制网来说,由其间接观测平差模型 (f,A , 。 P ),观测值l 的多余观测分量为 , 定义 为观测值的内部可靠性指标。 =(Q ) (1)
r :,=n—t (2) 式中n为观测值个数,r为多余观测数,t为必要观测 数,Q 为为观测值改正数的协因数阵,P为观测值的 权阵。 观测值的内部可靠性 具有以下主要性质: 1)0≤r ≤1, 越小,该观测值在网中的地位越高,若
r 等于零,则该观测值为已知值;ri愈大,该观测值在网中 的地位愈低,若r 等于1,表示对已知的量进行了观测,须 删除。 2)对于一个确定的网和设计方案,在网形、观测值数 和精度确定的情况下,观测值的精度越高,则ri越小,观测
收稿日期:2013—08—19 作者简介:文学(1979一),男,湖北天门人,讲师,注册测绘师,测绘工程专业硕士研究生,主要从事工程测量、数字测图、GPS等课 程教学和生产工作。 第4期 文学:基于模拟法优化设计的工程控制网施狈4方法实践 187 值的精度越低,则 越大,即观测值的内部可靠性与观测 值的精度成反比。 3)在确定的观测精度情况下,网的多余观测数越多, 则rl越大,建网费用越高 。 2模拟法优化设计思路 所谓工程控制网的优化设计,广义地说就是要在一 定的人力、物力、财力的情况下设计出精度高、可靠性强、 灵敏度高、经费最省的控制网布设方案。具体来说,就是 要根据实际工程背景设计出最佳的图形,根据控制网实 际的质量要求设计出最佳的观测方案,避免进行一些无 意义的观测从而大量节省野外工作时间,提高工作效率, 同时还能使方案最大限度地排除粗差的影响。模拟法优 化设计是一种借助计算机软件,将计算机的计算能力与 设计者的判断能力和实际经验结合起来,利用计算机的 屏幕显示功能,通过人机对话,对所设计的方案做不断修 改,直到设计者满意为止的一种设计方法。它一般不是 最严格最优方案,但这种设计方法不需建立严密的数学 模型,因而适用任何类型的优化设计问题,同时,它的最 后结果一定是能满足要求、切实可行的近似最优方案 。 模拟法优化设计在具体的方案设计过程中首先设计 一个“密”网,然后在满足设计精度的前提下,剔除一些多 余的观测值,让“密”网变成“疏”网,也就是说,要求一定 的观测精度下费用最省,或是一定的费用能达到最好的 精度,主要依据工程的具体要求来合理的设计。如图1所 示是一个边角网的优化前后的网图比较。对于工程控制 网而言,要在精度、可靠性和费用这三者之间寻求最优, 需要对控制网进行模拟优化设计,即制定出初始设计方 案,利用COSA软件采用随机生成的模拟观测值对该方案 做平差计算,对平差结果做评价,对初始方案再进行修 改,再计算,再修改,如此多次重复,直到最后获得较理想 的方案。 图1优化前后的“密”网和“疏”网 Fig.1 ”Tight”and’’loose”network before and after optimization 3模拟法优化设计步骤 以边角网为例,基于COSA平差软件的模拟法优化设 计步骤如下: i)根据工程质量要求设定工程控制网的精度要求, 通常设定最弱点点位中误差mpmax值和最弱边相对误差 m 的取值。 2)根据工程控制网的特点和精度要求设定平均多余 观测分量r 的设计值 。,其取值范围为0.3~0.6,观测值
个数的设计值为 。:_ ,t为必要观测数。 l一 3)根据实际布设的控制点对全网所有边和角模拟测 量,设模拟观测值总数为n,则n—no即为要剔除的观测值 个数。 4)通过科傻系统系列软件COSA模拟计算出各观测 值的多余观测分量 的值,从大到小排列后,删除 较大 的观测值,个数为n—n。。 5)重新进行模拟计算,重复上面的步骤,直到网的精 度和可靠性满足要求,且建网工作量最小,即观测值个数 相对变少。
4工程控制网模拟法优化设计实例 4.1 实例背景 某建筑工程控制网共有设计控制点个数为6个,已知 点为2个,分别为J1,J2,待求点为4个,分别为A,B,C,D, 如图2所示。
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图2控制网图 Fig.2 Diagram of control network
D
该控制网的设计值 。为0.3,最弱边的相对误差为 m /s≤1/25 000,最弱点位中误差≤m max=10 mm,该 控制网所使用全站仪的测角中误差为5”,测距固定误差 为3 mm,比例误差为2ppm。 4.2初始方案 该控制网初始设计观测值个数分别为距离观测值数 为10,方向观测值数为22。使用COSA软件进行模拟计 算的结果见表1~3。
表1最弱点及其精度 Tab.1 The weakest point and its accuracy MX MY MP Name X,Ill Y,m E/cm F/cm T/dms /cm /cm /cm
C l80.000 1 320.000 7 0.24 0.17 O.29 O.25 O.16 166.0354 188 测绘与空间地理信息 2014年 表3平差整体信息 Tab.3 Overall information of the adjustment 单位权中误差 改正数带权平方和 先验单位权中误差 后验单位权中误差 多余观测值总数 平均多余观测值数 PVV1=448.94 已知点数:2 方向观测值数:22
从表1可以看出,平均多余观测分量为0.56,大于设 计值,可以减少观测值数,以减小平均多余观测分量。另 外,最弱点位中误差为2.9 mm,最弱边的相对中误差m /s 为1/32 000,优于设计精度值,有较大优化的空间。 4.3优化方案
该网的必要观测数为14个,根据 =- 一百可算出 l—r-
n。为20,由于初始设计观测值数为32,则可删除的观测值 个数为12。现将初始方案中的距离观测值中多余观测分 量相对较大的去掉4个,方向观测值中多余观测分量相对 较大的去掉8个,模拟优化设计方案计算结果见表4~6。
表4最弱点及其精度 Tab.4 The weakest point and its accuracy
表5最弱边及其精度 Tab.5 The weakest side and its accuracy
表6平差整体信息 Tab.6 Overall information ofthe adjustment
单位权中误差 改正数带权平方和 先验单位权中误差 后验单位权中误差 多余观测值总数 平均多余观测值数 PVVl=46.88 已知点数:2 方向观测值数:l4
5.00 2.80 6 0.30 PVV2:46.88 未知点数:4 边长观测值数:6
4.4优化效益分析 1)初始方案和优化方案坐标差比较(见表7)。 表7优化前后坐标差比较 Tab.7 Comparison of coordinates before and after the optimazation
2)优化前后网图比较(如图3、图4所示)。 图3优化前网图 Fig.3 Network before the optimization