铁路隧道接触网结点智能放样系统构设与开发研究

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义
中国的交通运输方式主要以铁路运输为主，其他运输方式为辅。铁路运输能力很大程度上影响着中国经济的发展，是中国经济的大动脉。随着近几年中国经济的快速发展，物流行业迅速的膨胀，人口周期性迁移越来越频繁，这些因素给铁路运输带来了巨大的压力。铁路运输的任务日益繁重[1，2]，铁路运输量的快速增长与铁路运输能力发展缓慢的矛盾、客运快速和货运重载的矛盾日益突出[3，4]。铁路运输与其他运输方式相比具有消耗资源小、运输量大、安全可靠等优势，这些优势决定着中国在经济快速发展的同时要大力的发展铁路运输行业。保证中国的铁路运输业不会成为中国发展绊脚石，会成为中国经济发展的推动器，使中国经济得到突飞猛进的发展。因此，国务院就目前国家发展的形式和铁路的发展状况于 2004 年制定了《中长期铁路网规划》，在《中长期铁路网规划》明确了关于如何加快中国铁路建设的政策与思路。在“十一五”期间，我国加大了对铁路的建设，对《中长期铁路网规划》也加快了实施的脚步。铁道部为了使铁路建设可以达到举全社会之力的局面，与 31 个省区市进行商讨，并最后签订了多轮的铁路建设的合作协议。铁路建设已步入了大规模、优质、高效的发展状态。正是由于我们很好的抓住了这段铁路发展的黄金时期，才使得铁路建设的规模越来越大并逐渐往收获期前进。截止到 2010 年，一批重点铁路项目已完成并开始投入使用，新线路里程达 4986公里，全国铁路的营业里程已达到 9.1 万公里，最为著名的新线路便是京沪高铁的全线开通。“十二五”时期，铁路建设的重点便是要使铁路网架设的更加发达，更加完善。在高速铁路方面，我国建成的高速铁路网要具备有“四纵四横”的高速铁路骨架，要做到覆盖各省会以及人口在 50 万以上的城市。其中包括区际快速铁路、城际铁路及既有线提速线路等。物资和资源的运输也是“十二五”时期铁路建设的重点。为了满足主要区域之间的物资运输、矿石、冶金和煤炭等重要的资源的运输，需要建设的重点是大能力通道，并要在区间干线上基本形成网络，总规模要达到 7 万公里。扩大铁路网的地区覆盖和通达的程度，尤其是对欠发达地区，以西部为重点的新线路的开发与建设。加强中国与国际通道的建设，以东北、西北、西南等进出境铁路和国土开发性边境铁路为重点。促进我国与国际的合作交流，使中国的铁路走向世界。强化铁路枢纽和配套设施的建设，并加快与其他交通方式的衔接与组合，使中国的运输业发挥更大的整体优势[5]。
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1.2 铁路隧道接触网结点放样现状
接触网是铁路电气化工程的主构架[10，11]，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路[12，13，14]。电气化铁路的接触网因架设的地点不同有不同的种类，本文所研究的接触网是架设在铁路隧道中的，它是电气化铁路接触网中的重要组成部分。接触网结点便是接触网与铁路隧道相连接的基础，如图 1.1 所示。定位点放样需要工具有竹竿（其中的一根绑有油刷）、线坠、钢卷尺和木板。首先用竹竿的一端挑起线坠在隧道壁上移动，再使用钢卷尺根据定位点的高度在隧道壁上找出一点，使这点与轨面距离与定位点高度一致，这一点就是定位点点位[15，16]。然后用顶端绑有小油刷的竹竿，沾油漆在该点做出标记。测量时应注意轨面距离一般是直线到轨面，曲线到内轨轨面的距离；线坠绳的长度应略比定位点高度稍微短一些[15]；定位点和悬挂点的距离通过钢卷尺始终要保持为 1 米；找平轨面时，如果垫石头后忘记拿走会在运行时造成行车事故，应垫自备的木板。
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第二章 铁路隧道接触网结点自动化放样数学模型

2.1 铁轨设计尺寸
铁路轨道，简称铁轨。铁轨由钢轨、轨枕、连接零件、道床、道岔和其他附属设备等组成的构筑物位于铁路路基上，承受车轮传来的荷载，传递给路基，并引导机车车辆按一定方向运转；普通铁路一般笼统的把轨距分为三种，分别为宽轨、标准轨和窄轨[17，18]。所有的高速铁路都是采用标准轨距（1435mm）兴建的[19，20]。其结构如图 2.2 所示，本文的研究所涉及的铁轨的规矩都是采用标准轨距（1435mm）兴建的。在放样限差模型中需要用到铁轨设计尺寸中的两铁轨中线间距离 L、轨道轴线和轨道水平面。如图 2.2 所展示的是轨道顶面平行与水平面的情况。在这个情况下，自动化放样系统便可以直接放样，利用放样限差模型获得接触网结点点位。如图 2.3 所示的情况是火车在转弯处铁轨的设计状况，由于火车转弯要做一个圆周运动，火车的中心偏移，需要铁轨对火车提供向心力，所以转弯时靠外侧的铁轨会高一些。这样就会使轨轨道顶面与水平面不平行，产生图 2.3 中所示的超高角，必须先进行超高角补偿模型进行超高角补偿，获得自动化放样系统的新位置。超高角补偿模型需要用到图 2.3 中所示的超高距 d。
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2.2 超高角补偿模型
通过铁轨设计尺寸的研究可知，超高角的产生直接制约着自动化测量系统放样的进程和精度。因为当轨顶面与水平面不平行时，自动化放样系统的长方形工作台与水平面不平行，自动化测量系统无法正常工作且所对应的位置偏移出两铁轨垂直连线的中点即无法对应实地的坐标。此种情况下需要通过自动化放样系统中超高角补偿装置（第四章介绍）使长方形工作台恢复水平并获得超高距 d，再通过超高角补偿模型获得自动化放样系统所对应两铁轨垂直连线中点的新位置。从而使自动化放样系统可以正常的进行放样测量。如图 2.4 所示，O 点便是经过超高角补偿模型后所得到的自动化放样系统的新位置。竖直面定位模型的工作原理是通过向自动化放样系统中输入 A 点、B 点、C 点的已知坐标，竖直面定位模型获得这三个点坐标后实时的处理数据。获得的转向角α显示在自动化放样系统的界面上，然后使自动化放样系统的全站仪镜头瞄准后视点 A，转过转向角α后全站仪竖轴[22，23，24]所在的竖直平面便是接触网结点 C 所在的竖直面。竖直面定位模型的工作到这里就完成了。

第三章 自动化放样系统开发平台选择及相关理论....11
3.1 嵌入式开发技术理论.... 11
3.2 自动化放样系统开发理论..........17
3.2.1 开发平台理论 ....17
3.2.2 Windows CE 与桌面 Windows 的区别......18
3.3 开发平台的选择.....20
3.3.1 全站仪 ........20
3.3.2 全站仪所需的操作系统 ........20
3.3.3 自动化放样系统开发的硬件环境 ......21
3.3.4 硬件环境操作系统 .........22
第四章 自动化放样系统的设计与开发..........23
4.1 自动化放样系统的程序实现......23
4.2 多功能脚架的设计与开发..........44
第五章 自动化放样系统应用分析.........49
5.1 工作原理..........49
5.2 实例分析..........50

第五章 自动化放样系统应用分析

5.1 工作原理
自动化放样系统工作时首先需要把所有装置安置在设计的测站点点位、定位出放样点所在竖直面、精确放样出接触网结点点位。遇到轨顶面与水平面不水平时，进行超高角补偿。以下通过具体的放样过程分析其工作原理。多功能脚架架设在某已知点位处的铁轨上，把固定滑动脚垫内的滑轮放到铁轨上且松动制动螺旋以便可以自由滑动。将全站仪安装在全站仪安装底座上，使全站仪安装底座上的定位线对准定位标尺的中间刻度。立柱内的伸缩杆设置在原始位置，即伸缩杆的顶端接触长方形工作台下表面。初始化坐标定位器并输入多功能脚架架设处的已知点坐标到坐标定位器内。初始化完成后开始滑动多功能脚架，向待放样的接触网结点方向滑行，，滑行至某个点位与待放样的接触网结点坐标接近且保证隧道内通视情况良好，设置该点位为数学模型中的后视点。通过坐标定位器读取后视点的坐标并输入到自动化放样系统内。使多功能脚架继续滑行，滑行的过程中观察坐标定位器所显示的实地坐标，当实地坐标中的 X 值和 Y 值与待放样的结点坐标中的 X 值和 Y 值的对应差值逐渐接近令“0”值并有增大趋势时，停止滑行。以此点位作为测站点，通过坐标定位器读取测站点的坐标并输入到自动化放样系统内。
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结论

在铁路隧道接触网施工中，结点放样的效率与精度是整个施工过程的关键。本文通过阐述目前铁路与铁路隧道接触网施工的现状，并结合铁路隧道接触网结点传统放样的方法，提出了铁路隧道接触网结点自动化放样系统。完成了自动化放样系统从用户需求、模型建立、程序实现到软件成型的过程。本文所研究的成果及结论如下：
（1）通过具体介绍传统的铁路隧道接触网结点放样方法，说明了传统放样具有放样方法繁琐，不成体系、放样工具简单，误差过大、放样过程缓慢，效率过低、施工人员安全性保障低的缺点与不足，在此基础上提出了铁路隧道接触网结点自动化放样系统。
（2）基于智能型、可开发型测量仪器正在被越来越多的测绘工作人员所使用，可见这必将成为一种发展的趋势。在当今的 IT 应用领域中嵌入式系统无疑是最热门最有发展前途的一个。这些应用嵌入式系统的测量仪器，不仅会使这些测量仪器的硬件资源使用率得到很大的提高，还会使其更易操作和使用。
（3）铁路隧道接触网结点自动化放样系统使得整个放样过程只需一名测量人员即可完成。放样过程中大大节约了人力物力，且放样过程安全、快速、一体化。自行研发的多功能脚架可以解决在轨道顶面与水平面不平行时无法精确放样的问题。整个放样过程容易操作、实现简单，能够连续快速地解算出符合标准的放样点位，具有高精度、高效率的优点。利用该方法高效准确地放样出铁路隧道接触网结点点位，对于铁路隧道这种大型工程施工来说有着重要的实际意义和应用价值。
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参考文献（略）