羅 慶，張少軒

（1.中鐵電氣化局集團有限公司，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)施工主要包括測量、打孔、預(yù)埋螺栓及安裝等工作，而接觸網(wǎng)隧道測量工作是所有后續(xù)工序的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)測量儀器主要包括全站儀，水準(zhǔn)儀，鋼卷尺等配合測量，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，暫無有線和無線結(jié)合的通信方式；軟件系統(tǒng)的開發(fā)和人機界面設(shè)置缺失；機械機構(gòu)的穩(wěn)定性和便攜性能有待提高。

為解決以上問題，設(shè)計出接觸網(wǎng)隧道自動測量儀，可提升測量穩(wěn)定性，測量精度高，不存在多種測量儀器的相互間配合，整體的機械結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，且方便攜帶。

1 接觸網(wǎng)隧道自動測量儀設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

接觸網(wǎng)隧道自動定位測量儀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)計電源采用DC12V 進(jìn)行充電，內(nèi)嵌鋰電池，充電電流設(shè)計為1A～2A，電池容量為：4×3600mA，具備電源切換功能及放電保護功能。

1.1.2 通信模塊 整個控制板采用無線網(wǎng)（WIFI）與手機進(jìn)行通信，采用一體化WIFI模組加輔助保護電路作為移動端與主機的通信接口，采用貼片天線，內(nèi)置于機體內(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 中的嵌入式程序來處理各種接收或發(fā)送的指令，嵌入式程序設(shè)計包括看門狗程序，針對程序死機、連接不上等問題會自動處理并重連。

1.1.3 中央處理器模塊主控芯片型號為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 實現(xiàn)的需求，同時減少引腳數(shù)量和降低功耗，并提供卓越的計算性能和對中斷的高效響應(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)字信號處理（DSP）指令，可實現(xiàn)高效的信號處理和復(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 電機控制模塊 電機控制部分，選用的是高精度步進(jìn)電機，通過控制保護電路來對電機的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制管理，可以實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動和慢速轉(zhuǎn)動等。電機控制模塊原理圖如圖4所示。

圖4 電機控制模塊

1.2 外部機械設(shè)計

1.2.1 支架 由于現(xiàn)場使用環(huán)境比較復(fù)雜，因此機殼設(shè)計過程中要充分考慮現(xiàn)場環(huán)境因素及地面不平等問題，設(shè)計時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)有鐵路上的一些測量儀器，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)場高低不平坦的地面，測試人員需要對設(shè)備的垂直度進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計在支架上方安裝一個調(diào)整裝置，工作人員通過選擇轉(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 主機機體設(shè)計 主機整體設(shè)計采用U型設(shè)計，一側(cè)為主機控制電路板，另一側(cè)設(shè)計為減速步進(jìn)電機，底部連接底座，中間位置為中空，設(shè)計高精度激光測距探頭，可以進(jìn)行360 度自由旋轉(zhuǎn)，同時為方便攜帶，還設(shè)計有提手。主機機體設(shè)計如圖8所示。

圖8 主機機體設(shè)計

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

圖9 整機機構(gòu)示意圖

2 方案實施

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275.8km，全線新設(shè)車站12 個，本段線路含隧道17座共175.524km，占正線長度63.64%；隧道吊柱9428 根。隧道內(nèi)測量壓力較大，本測量儀可以根據(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)，自動測量出固定孔對應(yīng)的隧道壁高度，并計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)記的參考點位置，打開設(shè)備電源，等待完成儀器初始化設(shè)置。此時激光頭處于垂直向下，將激光頭射出的紅點對準(zhǔn)參考點，通過調(diào)平支架對儀器進(jìn)行調(diào)平。測出一個遠(yuǎn)離基準(zhǔn)點的參考點G 點，保證該點與參考點在同一條直線，并與激光頭垂直。（2）將手機App 通過WIFI與設(shè)備進(jìn)行連接。（3）打開激光探頭。點擊查找G點按鈕，激光自動掃描。調(diào)整儀器，使激光光柵與G點重合，當(dāng)G點找到后，按“設(shè)為零點”按鈕則停止G點查找，激光回到原點位置。輸入支柱號、距離數(shù)值，開始測量，激光自動進(jìn)行相關(guān)找點動作。當(dāng)完成找點工作后，“輸出數(shù)據(jù)欄”輸出測量數(shù)據(jù)。點擊“保存”按鈕，測量數(shù)據(jù)存入列表中，設(shè)備進(jìn)行回原點動作，待激光回到原點后即可進(jìn)行下一次測量工作。

可以通過手機App 的測距記錄查看測量結(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)道床施工后材料運輸困難，要求測量定位精準(zhǔn)，從而計算出吊柱長度。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、吊柱底部外露長度h2為設(shè)計已知量。

現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)為：通過引樁測得紅線標(biāo)的標(biāo)高H、激光測量儀標(biāo)高H2、激光測量儀測得吊柱中心位置高度H3。

傳統(tǒng)測量計算方法：

先計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)計算出吊柱長度：

7.184-6=1.184m。

接觸網(wǎng)隧道自動測量儀測量計算方法：

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

近年來，雖然高等教育投入在逐年增長，但有些高校仍舊持續(xù)面臨辦學(xué)經(jīng)費緊缺的窘境，諸多教學(xué)問題難以得到顯著優(yōu)化，其中實踐教學(xué)問題尤為突出。部分高校雖然開始逐步優(yōu)化實踐教學(xué)，嘗試應(yīng)用“理實一體化”教學(xué)模式，但是應(yīng)用經(jīng)驗不足，難以在短時間內(nèi)顯著提升實踐教學(xué)質(zhì)量［1］。因此，基于多元智能理論探究高校實踐教學(xué)困境與出路，是加快優(yōu)化高校實踐教學(xué)、提升綜合型人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要選擇。

通過接觸網(wǎng)隧道自動測量儀一次測量得出高程：

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)計高度的換算高程：

2015.6248-（H+h-h1-h2）=1.184m。

通過兩種計算方式對比，采用接觸網(wǎng)隧道自動測量儀可直接使用設(shè)計高程，消除了多臺儀器造成的測量誤差。

傳統(tǒng)測量方式與隧道自動測量儀通過在不同支柱處進(jìn)行測量比較，結(jié)果對比如圖12 所示，實線為傳統(tǒng)測量方式，虛線為隧道自動測量儀，兩種方式測量結(jié)果基本一致，僅在個別支柱處存在誤差，證明接觸網(wǎng)隧道自動測量儀可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量方式。

圖12 測量結(jié)果對比

3 結(jié)束語

接觸網(wǎng)隧道自動測量儀使得操作簡化，滿足操作人員可一人完成測量工作，減少數(shù)據(jù)反復(fù)記錄帶來的誤差，利用激光進(jìn)行距離、角度的測量，減少人工。在產(chǎn)品性能方面，實現(xiàn)了自動計算功能，系統(tǒng)可根據(jù)激光檢測的數(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量點之間的高度及橫向位置的偏差，以滿足現(xiàn)場對吊柱限界的控制及計算吊柱長度計算所用數(shù)據(jù)的采集。同時可以進(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)，自動計算結(jié)果。此外添加了無線傳輸功能，通過無線傳輸功能達(dá)到手機與儀器的連接，使用手機進(jìn)入儀器的數(shù)據(jù)輸入頁面，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)濟效益方面，使用此測量儀器簡化了測量步驟，提高了測量效率及測量精準(zhǔn)度，大幅度縮減了人工成本。