第一章 緒 論

1.1 研究背景與意義
中國的交通運(yùn)輸方式主要以鐵路運(yùn)輸為主，其他運(yùn)輸方式為輔。鐵路運(yùn)輸能力很大程度上影響著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是中國經(jīng)濟(jì)的大動脈。隨著近幾年中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物流行業(yè)迅速的膨脹，人口周期性遷移越來越頻繁，這些因素給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的壓力。鐵路運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)日益繁重[1，2]，鐵路運(yùn)輸量的快速增長與鐵路運(yùn)輸能力發(fā)展緩慢的矛盾、客運(yùn)快速和貨運(yùn)重載的矛盾日益突出[3，4]。鐵路運(yùn)輸與其他運(yùn)輸方式相比具有消耗資源小、運(yùn)輸量大、安全可靠等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢決定著中國在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時要大力的發(fā)展鐵路運(yùn)輸行業(yè)。保證中國的鐵路運(yùn)輸業(yè)不會成為中國發(fā)展絆腳石，會成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動器，使中國經(jīng)濟(jì)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。因此，國務(wù)院就目前國家發(fā)展的形式和鐵路的發(fā)展?fàn)顩r于 2004 年制定了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，在《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確了關(guān)于如何加快中國鐵路建設(shè)的政策與思路。在“十一五”期間，我國加大了對鐵路的建設(shè)，對《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》也加快了實(shí)施的腳步。鐵道部為了使鐵路建設(shè)可以達(dá)到舉全社會之力的局面，與 31 個省區(qū)市進(jìn)行商討，并最后簽訂了多輪的鐵路建設(shè)的合作協(xié)議。鐵路建設(shè)已步入了大規(guī)模、優(yōu)質(zhì)、高效的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。正是由于我們很好的抓住了這段鐵路發(fā)展的黃金時期，才使得鐵路建設(shè)的規(guī)模越來越大并逐漸往收獲期前進(jìn)。截止到 2010 年，一批重點(diǎn)鐵路項(xiàng)目已完成并開始投入使用，新線路里程達(dá) 4986公里，全國鐵路的營業(yè)里程已達(dá)到 9.1 萬公里，最為著名的新線路便是京滬高鐵的全線開通�！笆濉睍r期，鐵路建設(shè)的重點(diǎn)便是要使鐵路網(wǎng)架設(shè)的更加發(fā)達(dá)，更加完善。在高速鐵路方面，我國建成的高速鐵路網(wǎng)要具備有“四縱四橫”的高速鐵路骨架，要做到覆蓋各省會以及人口在 50 萬以上的城市。其中包括區(qū)際快速鐵路、城際鐵路及既有線提速線路等。物資和資源的運(yùn)輸也是“十二五”時期鐵路建設(shè)的重點(diǎn)。為了滿足主要區(qū)域之間的物資運(yùn)輸、礦石、冶金和煤炭等重要的資源的運(yùn)輸，需要建設(shè)的重點(diǎn)是大能力通道，并要在區(qū)間干線上基本形成網(wǎng)絡(luò)，總規(guī)模要達(dá)到 7 萬公里。擴(kuò)大鐵路網(wǎng)的地區(qū)覆蓋和通達(dá)的程度，尤其是對欠發(fā)達(dá)地區(qū)，以西部為重點(diǎn)的新線路的開發(fā)與建設(shè)。加強(qiáng)中國與國際通道的建設(shè)，以東北、西北、西南等進(jìn)出境鐵路和國土開發(fā)性邊境鐵路為重點(diǎn)。促進(jìn)我國與國際的合作交流，使中國的鐵路走向世界。強(qiáng)化鐵路樞紐和配套設(shè)施的建設(shè)，并加快與其他交通方式的銜接與組合，使中國的運(yùn)輸業(yè)發(fā)揮更大的整體優(yōu)勢[5]。
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1.2 鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)放樣現(xiàn)狀
接觸網(wǎng)是鐵路電氣化工程的主構(gòu)架[10，11]，是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路[12，13，14]。電氣化鐵路的接觸網(wǎng)因架設(shè)的地點(diǎn)不同有不同的種類，本文所研究的接觸網(wǎng)是架設(shè)在鐵路隧道中的，它是電氣化鐵路接觸網(wǎng)中的重要組成部分。接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)便是接觸網(wǎng)與鐵路隧道相連接的基礎(chǔ)，如圖 1.1 所示。定位點(diǎn)放樣需要工具有竹竿（其中的一根綁有油刷）、線墜、鋼卷尺和木板。首先用竹竿的一端挑起線墜在隧道壁上移動，再使用鋼卷尺根據(jù)定位點(diǎn)的高度在隧道壁上找出一點(diǎn)，使這點(diǎn)與軌面距離與定位點(diǎn)高度一致，這一點(diǎn)就是定位點(diǎn)點(diǎn)位[15，16]。然后用頂端綁有小油刷的竹竿，沾油漆在該點(diǎn)做出標(biāo)記。測量時應(yīng)注意軌面距離一般是直線到軌面，曲線到內(nèi)軌軌面的距離；線墜繩的長度應(yīng)略比定位點(diǎn)高度稍微短一些[15]；定位點(diǎn)和懸掛點(diǎn)的距離通過鋼卷尺始終要保持為 1 米；找平軌面時，如果墊石頭后忘記拿走會在運(yùn)行時造成行車事故，應(yīng)墊自備的木板。
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第二章 鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)自動化放樣數(shù)學(xué)模型

2.1 鐵軌設(shè)計(jì)尺寸
鐵路軌道，簡稱鐵軌。鐵軌由鋼軌、軌枕、連接零件、道床、道岔和其他附屬設(shè)備等組成的構(gòu)筑物位于鐵路路基上，承受車輪傳來的荷載，傳遞給路基，并引導(dǎo)機(jī)車車輛按一定方向運(yùn)轉(zhuǎn)；普通鐵路一般籠統(tǒng)的把軌距分為三種，分別為寬軌、標(biāo)準(zhǔn)軌和窄軌[17，18]。所有的高速鐵路都是采用標(biāo)準(zhǔn)軌距（1435mm）興建的[19，20]。其結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示，本文的研究所涉及的鐵軌的規(guī)矩都是采用標(biāo)準(zhǔn)軌距（1435mm）興建的。在放樣限差模型中需要用到鐵軌設(shè)計(jì)尺寸中的兩鐵軌中線間距離 L、軌道軸線和軌道水平面。如圖 2.2 所展示的是軌道頂面平行與水平面的情況。在這個情況下，自動化放樣系統(tǒng)便可以直接放樣，利用放樣限差模型獲得接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)位。如圖 2.3 所示的情況是火車在轉(zhuǎn)彎處鐵軌的設(shè)計(jì)狀況，由于火車轉(zhuǎn)彎要做一個圓周運(yùn)動，火車的中心偏移，需要鐵軌對火車提供向心力，所以轉(zhuǎn)彎時靠外側(cè)的鐵軌會高一些。這樣就會使軌軌道頂面與水平面不平行，產(chǎn)生圖 2.3 中所示的超高角，必須先進(jìn)行超高角補(bǔ)償模型進(jìn)行超高角補(bǔ)償，獲得自動化放樣系統(tǒng)的新位置。超高角補(bǔ)償模型需要用到圖 2.3 中所示的超高距 d。
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2.2 超高角補(bǔ)償模型
通過鐵軌設(shè)計(jì)尺寸的研究可知，超高角的產(chǎn)生直接制約著自動化測量系統(tǒng)放樣的進(jìn)程和精度。因?yàn)楫?dāng)軌頂面與水平面不平行時，自動化放樣系統(tǒng)的長方形工作臺與水平面不平行，自動化測量系統(tǒng)無法正常工作且所對應(yīng)的位置偏移出兩鐵軌垂直連線的中點(diǎn)即無法對應(yīng)實(shí)地的坐標(biāo)。此種情況下需要通過自動化放樣系統(tǒng)中超高角補(bǔ)償裝置（第四章介紹）使長方形工作臺恢復(fù)水平并獲得超高距 d，再通過超高角補(bǔ)償模型獲得自動化放樣系統(tǒng)所對應(yīng)兩鐵軌垂直連線中點(diǎn)的新位置。從而使自動化放樣系統(tǒng)可以正常的進(jìn)行放樣測量。如圖 2.4 所示，O 點(diǎn)便是經(jīng)過超高角補(bǔ)償模型后所得到的自動化放樣系統(tǒng)的新位置。豎直面定位模型的工作原理是通過向自動化放樣系統(tǒng)中輸入 A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)的已知坐標(biāo)，豎直面定位模型獲得這三個點(diǎn)坐標(biāo)后實(shí)時的處理數(shù)據(jù)。獲得的轉(zhuǎn)向角α顯示在自動化放樣系統(tǒng)的界面上，然后使自動化放樣系統(tǒng)的全站儀鏡頭瞄準(zhǔn)后視點(diǎn) A，轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)向角α后全站儀豎軸[22，23，24]所在的豎直平面便是接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn) C 所在的豎直面。豎直面定位模型的工作到這里就完成了。

第三章 自動化放樣系統(tǒng)開發(fā)平臺選擇及相關(guān)理論....11
3.1 嵌入式開發(fā)技術(shù)理論.... 11
3.2 自動化放樣系統(tǒng)開發(fā)理論..........17
3.2.1 開發(fā)平臺理論 ....17
3.2.2 Windows CE 與桌面 Windows 的區(qū)別......18
3.3 開發(fā)平臺的選擇.....20
3.3.1 全站儀 ........20
3.3.2 全站儀所需的操作系統(tǒng) ........20
3.3.3 自動化放樣系統(tǒng)開發(fā)的硬件環(huán)境 ......21
3.3.4 硬件環(huán)境操作系統(tǒng) .........22
第四章 自動化放樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)..........23
4.1 自動化放樣系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)......23
4.2 多功能腳架的設(shè)計(jì)與開發(fā)..........44
第五章 自動化放樣系統(tǒng)應(yīng)用分析.........49
5.1 工作原理..........49
5.2 實(shí)例分析..........50

第五章 自動化放樣系統(tǒng)應(yīng)用分析

5.1 工作原理
自動化放樣系統(tǒng)工作時首先需要把所有裝置安置在設(shè)計(jì)的測站點(diǎn)點(diǎn)位、定位出放樣點(diǎn)所在豎直面、精確放樣出接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)位。遇到軌頂面與水平面不水平時，進(jìn)行超高角補(bǔ)償。以下通過具體的放樣過程分析其工作原理。多功能腳架架設(shè)在某已知點(diǎn)位處的鐵軌上，把固定滑動腳墊內(nèi)的滑輪放到鐵軌上且松動制動螺旋以便可以自由滑動。將全站儀安裝在全站儀安裝底座上，使全站儀安裝底座上的定位線對準(zhǔn)定位標(biāo)尺的中間刻度。立柱內(nèi)的伸縮桿設(shè)置在原始位置，即伸縮桿的頂端接觸長方形工作臺下表面。初始化坐標(biāo)定位器并輸入多功能腳架架設(shè)處的已知點(diǎn)坐標(biāo)到坐標(biāo)定位器內(nèi)。初始化完成后開始滑動多功能腳架，向待放樣的接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)方向滑行，，滑行至某個點(diǎn)位與待放樣的接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)接近且保證隧道內(nèi)通視情況良好，設(shè)置該點(diǎn)位為數(shù)學(xué)模型中的后視點(diǎn)。通過坐標(biāo)定位器讀取后視點(diǎn)的坐標(biāo)并輸入到自動化放樣系統(tǒng)內(nèi)。使多功能腳架繼續(xù)滑行，滑行的過程中觀察坐標(biāo)定位器所顯示的實(shí)地坐標(biāo)，當(dāng)實(shí)地坐標(biāo)中的 X 值和 Y 值與待放樣的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)中的 X 值和 Y 值的對應(yīng)差值逐漸接近令“0”值并有增大趨勢時，停止滑行。以此點(diǎn)位作為測站點(diǎn)，通過坐標(biāo)定位器讀取測站點(diǎn)的坐標(biāo)并輸入到自動化放樣系統(tǒng)內(nèi)。
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結(jié)論

在鐵路隧道接觸網(wǎng)施工中，結(jié)點(diǎn)放樣的效率與精度是整個施工過程的關(guān)鍵。本文通過闡述目前鐵路與鐵路隧道接觸網(wǎng)施工的現(xiàn)狀，并結(jié)合鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)傳統(tǒng)放樣的方法，提出了鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)自動化放樣系統(tǒng)。完成了自動化放樣系統(tǒng)從用戶需求、模型建立、程序?qū)崿F(xiàn)到軟件成型的過程。本文所研究的成果及結(jié)論如下：
（1）通過具體介紹傳統(tǒng)的鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)放樣方法，說明了傳統(tǒng)放樣具有放樣方法繁瑣，不成體系、放樣工具簡單，誤差過大、放樣過程緩慢，效率過低、施工人員安全性保障低的缺點(diǎn)與不足，在此基礎(chǔ)上提出了鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)自動化放樣系統(tǒng)。
（2）基于智能型、可開發(fā)型測量儀器正在被越來越多的測繪工作人員所使用，可見這必將成為一種發(fā)展的趨勢。在當(dāng)今的 IT 應(yīng)用領(lǐng)域中嵌入式系統(tǒng)無疑是最熱門最有發(fā)展前途的一個。這些應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的測量儀器，不僅會使這些測量儀器的硬件資源使用率得到很大的提高，還會使其更易操作和使用。
（3）鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)自動化放樣系統(tǒng)使得整個放樣過程只需一名測量人員即可完成。放樣過程中大大節(jié)約了人力物力，且放樣過程安全、快速、一體化。自行研發(fā)的多功能腳架可以解決在軌道頂面與水平面不平行時無法精確放樣的問題。整個放樣過程容易操作、實(shí)現(xiàn)簡單，能夠連續(xù)快速地解算出符合標(biāo)準(zhǔn)的放樣點(diǎn)位，具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)。利用該方法高效準(zhǔn)確地放樣出鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)位，對于鐵路隧道這種大型工程施工來說有著重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價值。
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參考文獻(xiàn)（略）