第一章 緒 論

1.1 研究背景與意義
中國(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈。隨著近幾年中國(guó)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(lái)越頻繁，這些因素給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)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(zhǎng)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(shì)，這些優(yōu)勢(shì)決定著中國(guó)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)要大力的發(fā)展鐵路運(yùn)輸行業(yè)。保證中國(guó)的鐵路運(yùn)輸業(yè)不會(huì)成為中國(guó)發(fā)展絆腳石，會(huì)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)器，使中國(guó)經(jīng)濟(jì)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。因此，國(guó)務(wù)院就目前國(guó)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(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，在《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確了關(guān)于如何加快中國(guó)鐵路建設(shè)的政策與思路。在“十一五”期間，我國(guó)加大了對(duì)鐵路的建設(shè)，對(duì)《中長(zhǎng)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(huì)之力的局面，與 31 個(gè)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(shí)期，才使得鐵路建設(shè)的規(guī)模越來(lái)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(kāi)始投入使用，新線路里程達(dá) 4986公里，全國(guó)鐵路的營(yíng)業(yè)里程已達(dá)到 9.1 萬(wàn)公里，最為著名的新線路便是京滬高鐵的全線開(kāi)通�！笆濉睍r(shí)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(guó)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(huì)以及人口在 50 萬(wàn)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(shí)期鐵路建設(shè)的重點(diǎn)。為了滿(mǎn)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(wàn)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(duì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，以西部為重點(diǎn)的新線路的開(kāi)發(fā)與建設(shè)。加強(qiáng)中國(guó)與國(guó)際通道的建設(shè)，以東北、西北、西南等進(jìn)出境鐵路和國(guó)土開(kāi)發(fā)性邊境鐵路為重點(diǎn)。促進(jìn)我國(guó)與國(guó)際的合作交流，使中國(guó)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(guó)的運(yùn)輸業(yè)發(fā)揮更大的整體優(yōu)勢(shì)[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(chē)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(lèi)，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(dòng)，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(cè)量時(shí)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(zhǎng)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(guò)鋼卷尺始終要保持為 1 米；找平軌面時(shí)，如果墊石頭后忘記拿走會(huì)在運(yùn)行時(shí)造成行車(chē)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(dòng)化放樣數(shù)學(xué)模型

2.1 鐵軌設(shè)計(jì)尺寸
鐵路軌道，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chē)輪傳來(lái)的荷載，傳遞給路基，并引導(dǎo)機(jī)車(chē)車(chē)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(gè)情況下，自動(dòng)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(chē)在轉(zhuǎn)彎處鐵軌的設(shè)計(jì)狀況，由于火車(chē)轉(zhuǎn)彎要做一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，火車(chē)的中心偏移，需要鐵軌對(duì)火車(chē)提供向心力，所以轉(zhuǎn)彎時(shí)靠外側(cè)的鐵軌會(huì)高一些。這樣就會(huì)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(dòng)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(guò)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(dòng)化測(cè)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(shí)，自動(dòng)化放樣系統(tǒng)的長(zhǎng)方形工作臺(tái)與水平面不平行，自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法正常工作且所對(duì)應(yīng)的位置偏移出兩鐵軌垂直連線的中點(diǎn)即無(wú)法對(duì)應(yīng)實(shí)地的坐標(biāo)。此種情況下需要通過(guò)自動(dòng)化放樣系統(tǒng)中超高角補(bǔ)償裝置（第四章介紹）使長(zhǎng)方形工作臺(tái)恢復(fù)水平并獲得超高距 d，再通過(guò)超高角補(bǔ)償模型獲得自動(dòng)化放樣系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)兩鐵軌垂直連線中點(diǎn)的新位置。從而使自動(dòng)化放樣系統(tǒng)可以正常的進(jìn)行放樣測(cè)量。如圖 2.4 所示，O 點(diǎn)便是經(jīng)過(guò)超高角補(bǔ)償模型后所得到的自動(dòng)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(guò)向自動(dòng)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(gè)點(diǎn)坐標(biāo)后實(shí)時(shí)的處理數(shù)據(jù)。獲得的轉(zhuǎn)向角α顯示在自動(dòng)化放樣系統(tǒng)的界面上，然后使自動(dòng)化放樣系統(tǒng)的全站儀鏡頭瞄準(zhǔn)后視點(diǎn) A，轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)化放樣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇及相關(guān)理論....11
3.1 嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)理論.... 11
3.2 自動(dòng)化放樣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)理論..........17
3.2.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)理論 ....17
3.2.2 Windows CE 與桌面 Windows 的區(qū)別......18
3.3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(dòng)化放樣系統(tǒng)開(kāi)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(dòng)化放樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)..........23
4.1 自動(dòng)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(kāi)發(fā)..........44
第五章 自動(dòng)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(dòng)化放樣系統(tǒng)應(yīng)用分析

5.1 工作原理
自動(dòng)化放樣系統(tǒng)工作時(shí)首先需要把所有裝置安置在設(shè)計(jì)的測(cè)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(shí)，進(jìn)行超高角補(bǔ)償。以下通過(guò)具體的放樣過(guò)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(dòng)腳墊內(nèi)的滑輪放到鐵軌上且松動(dòng)制動(dòng)螺旋以便可以自由滑動(dòng)。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(duì)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(zhǎng)方形工作臺(tái)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(kāi)始滑動(dòng)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(gè)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(guò)坐標(biāo)定位器讀取后視點(diǎn)的坐標(biāo)并輸入到自動(dòng)化放樣系統(tǒng)內(nèi)。使多功能腳架繼續(xù)滑行，滑行的過(guò)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(duì)應(yīng)差值逐漸接近令“0”值并有增大趨勢(shì)時(shí)，停止滑行。以此點(diǎn)位作為測(cè)站點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)定位器讀取測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)并輸入到自動(dòng)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(gè)施工過(guò)程的關(guān)鍵。本文通過(guò)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(dòng)化放樣系統(tǒng)。完成了自動(dòng)化放樣系統(tǒng)從用戶(hù)需求、模型建立、程序?qū)崿F(xiàn)到軟件成型的過(guò)程。本文所研究的成果及結(jié)論如下：
（1）通過(guò)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(shuō)明了傳統(tǒng)放樣具有放樣方法繁瑣，不成體系、放樣工具簡(jiǎn)單，誤差過(guò)大、放樣過(guò)程緩慢，效率過(guò)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(dòng)化放樣系統(tǒng)。
（2）基于智能型、可開(kāi)發(fā)型測(cè)量?jī)x器正在被越來(lái)越多的測(cè)繪工作人員所使用，可見(jiàn)這必將成為一種發(fā)展的趨勢(shì)。在當(dāng)今的 IT 應(yīng)用領(lǐng)域中嵌入式系統(tǒng)無(wú)疑是最熱門(mén)最有發(fā)展前途的一個(gè)。這些應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，不僅會(huì)使這些測(cè)量?jī)x器的硬件資源使用率得到很大的提高，還會(huì)使其更易操作和使用。
（3）鐵路隧道接觸網(wǎng)結(jié)點(diǎn)自動(dòng)化放樣系統(tǒng)使得整個(gè)放樣過(guò)程只需一名測(cè)量人員即可完成。放樣過(guò)程中大大節(jié)約了人力物力，且放樣過(guò)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(shí)無(wú)法精確放樣的問(wèn)題。整個(gè)放樣過(guò)程容易操作、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(duì)于鐵路隧道這種大型工程施工來(lái)說(shuō)有著重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
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參考文獻(xiàn)（略）