接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)定位測(cè)量?jī)x的研究設(shè)計(jì)

羅 慶，張少軒

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，工程師，四川 成都 610000；2.四川鐵道職業(yè)學(xué)院，工程師，四川 成都 610000）

鐵路隧道內(nèi)施工主要包括測(cè)量、打孔、預(yù)埋螺栓及安裝等工作，而接觸網(wǎng)隧道測(cè)量工作是所有后續(xù)工序的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器主要包括全站儀，水準(zhǔn)儀，鋼卷尺等配合測(cè)量，各儀器的精準(zhǔn)度與相互間配合精度容易產(chǎn)生誤差；數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ婪€(wěn)定性較差，暫無(wú)有線和無(wú)線結(jié)合的通信方式；軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和人機(jī)界面設(shè)置缺失；機(jī)械機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和便攜性能有待提高。

為解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)出接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x，可提升測(cè)量穩(wěn)定性，測(cè)量精度高，不存在多種測(cè)量?jī)x器的相互間配合，整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，且方便攜帶。

1 接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)定位測(cè)量?jī)x主要包括如下功能模塊，分別是電源控制模塊、通信模塊、中央處理器模塊、電機(jī)控制模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1.1 電源模塊 設(shè)計(jì)電源采用DC12V 進(jìn)行充電，內(nèi)嵌鋰電池，充電電流設(shè)計(jì)為1A～2A，電池容量為：4×3600mA，具備電源切換功能及放電保護(hù)功能。

1.1.2 通信模塊 整個(gè)控制板采用無(wú)線網(wǎng)（WIFI）與手機(jī)進(jìn)行通信，采用一體化WIFI模組加輔助保護(hù)電路作為移動(dòng)端與主機(jī)的通信接口，采用貼片天線，內(nèi)置于機(jī)體內(nèi)。通信模塊連接圖如圖2所示。

圖2 通信模塊

WIFI 發(fā)送接收控制電路通過(guò)芯片BQ25606 與微控制單元（MCU）進(jìn)行協(xié)同管理，由MCU 中的嵌入式程序來(lái)處理各種接收或發(fā)送的指令，嵌入式程序設(shè)計(jì)包括看門(mén)狗程序，針對(duì)程序死機(jī)、連接不上等問(wèn)題會(huì)自動(dòng)處理并重連。

1.1.3 中央處理器模塊主控芯片型號(hào)為STM32F40 5RG，該處理器是最新一代用于嵌入式系統(tǒng)的微處理器（ARM），以滿足MCU 實(shí)現(xiàn)的需求，同時(shí)減少引腳數(shù)量和降低功耗，并提供卓越的計(jì)算性能和對(duì)中斷的高效響應(yīng)。該處理器具有良好的編碼效率，提供了在內(nèi)存大小為8 位和16 位處理器中的ARM 內(nèi)核所期望的高性能。該處理器支持一套數(shù)字信號(hào)處理（DSP）指令，可實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理和復(fù)雜算法執(zhí)行。中央處理器模塊引腳使用情況如圖3所示。

圖3 中央處理器模塊

1.1.4 電機(jī)控制模塊 電機(jī)控制部分，選用的是高精度步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)控制保護(hù)電路來(lái)對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制管理，可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動(dòng)和慢速轉(zhuǎn)動(dòng)等。電機(jī)控制模塊原理圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)控制模塊

1.2 外部機(jī)械設(shè)計(jì)

1.2.1 支架 由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境比較復(fù)雜，因此機(jī)殼設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素及地面不平等問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)首選采用三角支架的方式，三角支架采用通用的儀器支架與現(xiàn)有鐵路上的一些測(cè)量?jī)x器，三角支架俯視圖與三角支架總體示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 三角支架俯視圖

圖6 總體示意圖

1.2.2 底座調(diào)平 考慮到現(xiàn)場(chǎng)高低不平坦的地面，測(cè)試人員需要對(duì)設(shè)備的垂直度進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)在支架上方安裝一個(gè)調(diào)整裝置，工作人員通過(guò)選擇轉(zhuǎn)軸即可進(jìn)行設(shè)備調(diào)平處理。底座調(diào)平裝置如圖7所示。

圖7 底座調(diào)平

1.2.3 主機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì) 主機(jī)整體設(shè)計(jì)采用U型設(shè)計(jì)，一側(cè)為主機(jī)控制電路板，另一側(cè)設(shè)計(jì)為減速步進(jìn)電機(jī)，底部連接底座，中間位置為中空，設(shè)計(jì)高精度激光測(cè)距探頭，可以進(jìn)行360 度自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)為方便攜帶，還設(shè)計(jì)有提手。主機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 主機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)

1.2.4 整機(jī)結(jié)構(gòu) 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 整機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

2 方案實(shí)施

成都至川主寺（黃勝關(guān)）段位于四川省境內(nèi)，起于成都鐵路局青白江站，經(jīng)茂縣到川主寺（黃勝關(guān)），正線全長(zhǎng)275.8km，全線新設(shè)車(chē)站12 個(gè)，本段線路含隧道17座共175.524km，占正線長(zhǎng)度63.64%；隧道吊柱9428 根。隧道內(nèi)測(cè)量壓力較大，本測(cè)量?jī)x可以根據(jù)預(yù)先輸入的吊柱中心的限界值的理論參數(shù)，自動(dòng)指示出隧道內(nèi)吊柱的安裝位置；根據(jù)預(yù)先輸入的相應(yīng)吊柱安裝板固定孔與吊柱中心距離的理論參數(shù)，自動(dòng)測(cè)量出固定孔對(duì)應(yīng)的隧道壁高度，并計(jì)算出吊柱安裝底板與水平面的夾角。具體操作步驟：（1）儀器擺放及調(diào)平設(shè)置：將儀器放置在標(biāo)記的參考點(diǎn)位置，打開(kāi)設(shè)備電源，等待完成儀器初始化設(shè)置。此時(shí)激光頭處于垂直向下，將激光頭射出的紅點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)參考點(diǎn)，通過(guò)調(diào)平支架對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)平。測(cè)出一個(gè)遠(yuǎn)離基準(zhǔn)點(diǎn)的參考點(diǎn)G 點(diǎn)，保證該點(diǎn)與參考點(diǎn)在同一條直線，并與激光頭垂直。（2）將手機(jī)App 通過(guò)WIFI與設(shè)備進(jìn)行連接。（3）打開(kāi)激光探頭。點(diǎn)擊查找G點(diǎn)按鈕，激光自動(dòng)掃描。調(diào)整儀器，使激光光柵與G點(diǎn)重合，當(dāng)G點(diǎn)找到后，按“設(shè)為零點(diǎn)”按鈕則停止G點(diǎn)查找，激光回到原點(diǎn)位置。輸入支柱號(hào)、距離數(shù)值，開(kāi)始測(cè)量，激光自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)找點(diǎn)動(dòng)作。當(dāng)完成找點(diǎn)工作后，“輸出數(shù)據(jù)欄”輸出測(cè)量數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“保存”按鈕，測(cè)量數(shù)據(jù)存入列表中，設(shè)備進(jìn)行回原點(diǎn)動(dòng)作，待激光回到原點(diǎn)后即可進(jìn)行下一次測(cè)量工作。

可以通過(guò)手機(jī)App 的測(cè)距記錄查看測(cè)量結(jié)果。具體的操作流程如圖10所示：

圖10 操作流程圖

隧道內(nèi)吊柱施工一般在站前單位隧道貫通測(cè)量調(diào)線后至道床施工前最佳，為避免隧道內(nèi)道床施工后材料運(yùn)輸困難，要求測(cè)量定位精準(zhǔn)，從而計(jì)算出吊柱長(zhǎng)度。隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集示意圖如圖11所示。

圖11 隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集

圖11 中，上底座高度h、底座間距h1、吊柱底部外露長(zhǎng)度h2為設(shè)計(jì)已知量。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得數(shù)據(jù)為：通過(guò)引樁測(cè)得紅線標(biāo)的標(biāo)高H、激光測(cè)量?jī)x標(biāo)高H2、激光測(cè)量?jī)x測(cè)得吊柱中心位置高度H3。

傳統(tǒng)測(cè)量計(jì)算方法：

先計(jì)算出吊柱底部距軌面高度：

h-h1-h2=6.925-0.725-0.2=6m。

再換算出吊柱中心處對(duì)軌面的凈空高度：

H-H2+H3=0.869-0.746+7.061=7.184m。

用以上數(shù)據(jù)計(jì)算出吊柱長(zhǎng)度：

7.184-6=1.184m。

接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量計(jì)算方法：

已知：h=6.925mm、h1=0.725m、h2=0.2m、H=2008.4405m。

近年來(lái)，雖然高等教育投入在逐年增長(zhǎng)，但有些高校仍舊持續(xù)面臨辦學(xué)經(jīng)費(fèi)緊缺的窘境，諸多教學(xué)問(wèn)題難以得到顯著優(yōu)化，其中實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題尤為突出。部分高校雖然開(kāi)始逐步優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)，嘗試應(yīng)用“理實(shí)一體化”教學(xué)模式，但是應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，難以在短時(shí)間內(nèi)顯著提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量［1］。因此，基于多元智能理論探究高校實(shí)踐教學(xué)困境與出路，是加快優(yōu)化高校實(shí)踐教學(xué)、提升綜合型人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要選擇。

通過(guò)接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x一次測(cè)量得出高程：

H2=2008.5638m、H3=7.061m。

先換算吊柱底座中心處隧道二襯高程：

地面高程+ 測(cè)得數(shù)據(jù)=2008.5638+7.061=2015.6248。

再用換算高程依次減去各設(shè)計(jì)高度的換算高程：

2015.6248-（H+h-h1-h2）=1.184m。

通過(guò)兩種計(jì)算方式對(duì)比，采用接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x可直接使用設(shè)計(jì)高程，消除了多臺(tái)儀器造成的測(cè)量誤差。

傳統(tǒng)測(cè)量方式與隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x通過(guò)在不同支柱處進(jìn)行測(cè)量比較，結(jié)果對(duì)比如圖12 所示，實(shí)線為傳統(tǒng)測(cè)量方式，虛線為隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x，兩種方式測(cè)量結(jié)果基本一致，僅在個(gè)別支柱處存在誤差，證明接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方式。

圖12 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

接觸網(wǎng)隧道自動(dòng)測(cè)量?jī)x使得操作簡(jiǎn)化，滿足操作人員可一人完成測(cè)量工作，減少數(shù)據(jù)反復(fù)記錄帶來(lái)的誤差，利用激光進(jìn)行距離、角度的測(cè)量，減少人工。在產(chǎn)品性能方面，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)算功能，系統(tǒng)可根據(jù)激光檢測(cè)的數(shù)據(jù)，儀器內(nèi)置程序準(zhǔn)確判斷儀器本身的水平面與測(cè)量點(diǎn)之間的高度及橫向位置的偏差，以滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)吊柱限界的控制及計(jì)算吊柱長(zhǎng)度計(jì)算所用數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出，可以將已知數(shù)據(jù)輸入，激光采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。此外添加了無(wú)線傳輸功能，通過(guò)無(wú)線傳輸功能達(dá)到手機(jī)與儀器的連接，使用手機(jī)進(jìn)入儀器的數(shù)據(jù)輸入頁(yè)面，便于數(shù)據(jù)的輸入輸出，免去儀器調(diào)整好后受按鍵的外力影響而失去水平度。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，使用此測(cè)量?jī)x器簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，提高了測(cè)量效率及測(cè)量精準(zhǔn)度，大幅度縮減了人工成本。