一種引導鋪軌機鋪設隧道內有砟軌道的新型測量方法的研究

摘要：鋪軌機在隧道內鋪設有砟軌道的傳統測量方法以“巡線導航”方式進行，該作業方法在測量過程、引導線安置、距離計算等環節對軌道中線有一定影響，造成鋪軌機在隧道內鋪設有砟軌道的精度難以保證且效率低下。目前，采用高精度“智能全站儀+智能終端App”融合測量技術指導鋪軌機在隧道內鋪設有砟軌道作業，該技術除了具有外業操作簡單、成果信息精準、保證軌道鋪設精度、大幅提升作業效率等優點外，還具有較高生產實效性和應用推廣價值。

關鍵詞：智能全站儀 智能APP 通信模塊 App控制模塊 數據傳輸

Research on a New Measuring Method for Guiding Track Laying Machines to Lay Ballasted Track in Tunnels

MA Zijun1 LI Xian2 LI Xiaopeng1 LIANG Ke1

1. Lanzhou Railway Technician College， Lanzhou， Gansu Province， 730050 China;2. Precision Measurement Company of Xinyun Engineering Co. Ltd.， of China Railway First Group， Xi'an， Shanxi Province， 710103 China

Abstract： The traditional measuring method of track laying machine laying ballasted track in tunnel is carried out in the way of "line-guiding navigation"， which has certain influence on the center line of the track in the process of measurement， placement of guide lines， calculation of distance， etc.， making it difficult to guarantee the accuracy of track laying machine laying ballasted track in tunnel and reduces the efficiency. At present， the high-precision “intelligent total station + intelligent terminal App” fusion measurement technology is adopted to guide the track laying machine to lay ballasted track operation in the tunnel， which not only has the advantages of simple field operation， accurate information of results， guaranteeing the precision of track laying and greatly improving the operation efficiency， etc.， but also has the advantages of high productive effectiveness and the promotional value of application.

Key Words： Intelligent total station; Intelligent App；Communication module; App control module; Data transmission

軌道測量放樣是軌道施工過程中非常重要的一個環節，測量放樣的質量和精度直接決定了軌道裝配成果的可靠性與鋪軌施工進度。相較于傳統軌道測量放樣技術，現有的高精度“智能全站儀+智能終端App”融合技術以智能化計算為支撐，突出智能App搭載的具有獨立計算、設計、存儲、控制等功能的模塊，通過網絡終端數據傳輸，實現人機自主對話，是一種融合高精度“智能全站儀+智能終端App”服務于鋪軌機在隧道內鋪設有砟軌道的智慧測量技術。該測量技術通過在App設計模塊內輸入軌道設計數據資料，由App控制模塊操控全站儀完成設站并獲得測站坐標，全站儀觀測鋪軌機機頭位置上方棱鏡，觀測經計算獲得的線路實測成果與已輸入的線路某里程設計數據在App計算模塊內進行比對計算，得到實測結果與設計結果偏差。在全站儀的外掛通信模塊電臺發送比對結果至鋪軌機通信模塊電臺終端后，鋪軌機駕駛室操作平臺根據接收到的終端實時顯示偏差數據作為定位參照，調整和指引鋪軌機走行。該技術以智慧測量為切入點，賦能智能計算，具有高精度、智能化、內外業一體化等優點。此項技術作為鋪設隧道內有砟軌道的一項新技術，隨著其在施工生產中通過驗證，后續在相關領域作業中必將被廣泛推廣、應用。

1 傳統作業模式

保證軌道的高平順性與精確的幾何尺寸是軌道施工測量的重點與難點［1］。軌道測量放樣是軌道施工過程中非常重要的一個環節，測量放樣的質量和精度不僅直接決定了軌道裝配成果是否滿足行車需要，而且測量放樣速度對全線鋪軌工程工期進度也有重要影響。傳統鋪軌機作業采用“巡線導航”方式，該方案通過測量軌道邊樁偏距位置，在線路中心放置白色麻線作為引導線，在鋪軌機走行過程中，由安置在鋪軌機機頭中心位置的攝像頭瞄準該線作為定向參照，通過圖像識別技術計算出攝像頭采集圖像中點離引導線的距離，據此反饋給鋪軌機，間接引導并實現鋪軌機自動駕駛。該作業方法受引導線安放、圖像采集、距離計算等方面誤差影響，不能保證觀測成果與線路中線的準確契合，且鋪軌工作效率低下。

2 現有測量方法

現有測量方法以智能化計算為支撐，通過網絡終端數據傳輸，實現人機自主對話，是一種融合高精度“智能全站儀+智能終端App”服務于鋪軌機在隧道內鋪設有砟軌道的智慧測量技術。測量作業時，首先，全站儀利用無線藍牙模塊連接智能終端App，由App控制模塊操控全站儀，通過對已知坐標CPⅡ、CPⅢ控制點上安置的棱鏡采用后方交會法觀測，可完成設站并獲得測站點坐標。然后，利用全站儀對鋪軌機機頭位置上方的棱鏡頭進行觀測，把觀測數據傳輸至智能終端App，借助App搭載的設計、計算、存儲、控制等功能，通過計算模塊運算，可直觀顯示線路某里程實測坐標值與該里程設計結果間偏差。最后，鋪軌機駕駛室操作平臺通過App傳輸功能同步獲得偏差數據，操控平臺據此信息指導和調整鋪軌機走行，可實現鋪軌機在隧道內精準、快速鋪設有砟軌道。該法信息化程度高、外業操作簡單、成果信息精準、作業速度快，不僅保證了軌道鋪設精度、且大幅提升了作業效率。

3 測量技術原理

該測量方法最核心的技術是：測量技術賦能于智能終端App搭載具有獨立計算、設計、存儲和控制等功能的模塊，App控制模塊操控儀器，可實現全站儀對鋪軌機機頭位置上方棱鏡頭進行觀測并獲取觀測結果；App計算模塊經運算獲得線路某里程實測坐標和線路該里程設計坐標，并可完成同步比對。具體步驟為：在App設計模塊內輸入軌道設計數據資料，通過App控制模塊操控全站儀完成設站并獲得測站坐標；全站儀觀測鋪軌機機頭位置上方棱鏡頭，觀測數據經計算獲得的實測成果與已輸入的線路某里程設計數據在App計算模塊內進行比對計算，得到實測結果與設計結果偏差；通過全站儀外掛通信模塊電臺發送比對結果至鋪軌機通信模塊電臺終端后，鋪軌機駕駛室操作平臺根據接收到的終端實時顯示偏差數據作為定位參照，調整和指引鋪軌機走行。鋪軌機走行時，控制模塊操控全站儀鎖定棱鏡，開啟跟蹤測量模式，實時傳輸觀測數據，顯示鋪軌機偏差。全站儀一次設站可完成500 m范圍內有砟軌道鋪設，通過重復設站、觀測、調整等過程，可完成隧道內全部有砟軌道鋪設。“智能全站儀+終端App”測量工作原理見圖1所示。

4 作業過程

該測量技術作業流程見圖2所示。

4.1 準備工作

準備全站儀與附件（棱鏡組、三腳架、連接件等），測量作業用的全站儀要經過專業機構檢定，且應在檢定有效期限內。在使用全站儀時，要先檢查儀器通訊端口是否開通并進行相關設置，同時，完成智能終端App配置，智能終端App采用無線連接方式與全站儀、鋪軌機組上的接收設備連接。有砟軌道作為鐵路最基本的結構形式之一[2]，在軌道鋪設工程施工過程中，問題的產生是在所難免的，施工人員和管理人員應重視這方面的管理。在測量時，管理人員要為測量工作制訂相關的專業工作管理制度，有效實施管理，杜絕因測量人員作業產生的隱患，嚴格要求測量工作符合規定制度，確保測量工作的準確性[３]。在工作人員方面，所有參與鋪軌施工的測量人員應具有過往同類型工程工作經驗，能夠熟練使用智能全站儀，并在開工前通過對智能終端App功能、連接和應用的全面與系統培訓，且考核合格，具備獨立操作該系統和解決突發技術故障的能力。

4.2 線性編輯

線路測量是對線路設計意圖和結果的具體體現，線路要素、參數和起算數據正確輸入則是線路測量成果準確的重要保證和前提。在智能終端App中輸入相關線性數據之前，首先，需按測繪行業 “先檢核后使用”“雙檢制”要求，采用獨立和平行作業方式對相關圖紙設計參數的正確性進行檢核；其次，確認設計成果符合精度要求后，根據App線路輸入方式，結合線路設計已知數據條件，在終端App內新建項目，打開設計文件輸入菜單，依次輸入平曲線、豎曲線、加寬、超高、軌距等線路相關參數，完成線路編輯；最后，在控制點成果文件內導入設計單位移交的CPⅡ、CPⅢ控制點成果。

4.3 隧道內控制點復測

洞內控制點復測的目的，一方面是對前期控制測量成果按相同等級和測量方法進行檢核，確認成果是否滿足規范要求；另一方面是復測，對因施工過程中保管不善丟失的控制樁點進行恢復，保證后續施工測量需要。施工單位應對特定導線點進行相應測量，對測量結果進行細致復查，將數據和測量計算方法進行結合，得出各項數值，并與之前的數據進行相應的參照對比，檢查兩者之間的數據差異。差異滿足限差要求時，以定測成果為準；如果超限，則需上報設計單位協同解決。目前，洞內控制點復測常用高精度智能全站儀通過導線測量方法進行，導線測量具有點位布設靈活、外業觀測量較小、觀測過程簡單、數據可采用軟件平差等優點。該測量方法現在隧道洞內平面控制測量工作中被廣泛應用。通過導線測量的方法對隧道內的CPⅡ控制點進行復測時，為保證外業觀測成果的可靠性，除采取外業觀測時關閉風機、控制點點位距離隧道側壁應保持一定距離、各導線邊長要大致相等、瞄準目標時保證必要照明條件、外業觀測采用三聯腳架法等有利條件外，洞內導線應布設為由附合導線和附合環組成的導線網，以閉合圖形作為角度，觀測值檢核條件并進行平差，此舉可有效減小測角誤差對導線觀測成果的影響，提高導線橫向精度。導線網布設如圖3所示。

圖3 導線網示意圖

4.3.1 外業觀測

導線外業觀測前，應先將儀器開箱放置20 min左右，讓儀器與洞內溫度保持基本一致。在洞口測站觀測時，為保證洞內外觀測條件一致，觀測宜在傍晚或陰天進行。觀測時，應現場測量和記錄氣壓和氣溫值，并輸入儀器自動進行氣象改正。洞內控制測量時，為了最大限度地消除測站與目標偏心對短邊測量的影響，必須正確選擇和精心校正各種對點標志和設備，采取多次對中且每次將儀器底座與照準的棱鏡底座旋轉 180°再精平對中等措施[4]。同時，為了獲得高精度觀測成果，測量作業時，可采取停運隧道運砟車輛、關停風機等措施，保證洞內無明顯震動，并減小灰塵、遮擋物和光源對測量作業的影響，保證洞內的較好測量觀測條件。

4.3.2 數據處理

高鐵軌道施工測量技術是新時期高鐵項目建設中軌道工程施工測量的重要工藝[5]。在每天的外業觀測結束后，測量人員應立即對當天的觀測數據進行整理、復核和驗算，檢查外業觀測成果的各項指標是否符合規范要求，對超限部分須及時進行外業補測，保證全部合格。觀測數據檢核合格后，首先，把地面觀測值投影到參考橢球面，進行第一次投影改算；然后，把經投影至參考橢球面改正后的觀測值投影到高斯投影面，進行第二次改算。經兩次改算后，若實測導線邊長與坐標反算邊長之差滿足投影變形要求，同時，控制網角度閉合差、方位角閉合差和導線全長相對閉合差均符合規范要求后，可進行下一步嚴密平差。平差后，把CPⅡ控制點復測坐標與設計坐標進行比較，當X、Y坐標差值不大于±15 mm且相鄰點間坐標差之差的相對精度小于1/80 000時，可判定設計單位移交的CPⅡ控制點精度滿足規范要求，并采用該成果。

4.4 全站儀設站

全站儀設站的目的是以地面已有控制點數據為參照，在儀器內部建立實地坐標系。軌道測量時，該項工作通常按后方交會的方法，采用自由設站形式確定測站坐標，采用自由設站控制網測量，可以有效地保護控制網標志，提高軌道平順性，也為運營后維護提供基準，具有相鄰精度高、數量多、永久性好、控制范圍長、易使用等眾多優點 [６]。使用該方法設站時，測站點要大致設置在鋪軌長度500 m中間位置，各后視點間要通視且不能位于危險圓上，以滿足設站觀測的需求。智能終端App連接全站儀后，通過App控制模塊操控全站儀進入設站功能，對鋪軌長度前后250 m范圍內的控制點進行依次順序觀測，獲得測站坐標，偏差在限差范圍內，完成設站。

4.5 鋪軌機上的棱鏡觀測及結果反饋

全站儀設站完成后，在App界面內，利用控制模塊操控全站儀直接觀測鋪軌機組上方的棱鏡，把觀測得到的數據經App計算模塊運算后，與輸入的線性數據比對，得到鋪軌機在線路某里程實際坐標與該里程設計坐標間的偏差，把該偏差數據通過無線傳輸同步到鋪軌機操作室終端顯示平臺，機組駕駛操作人員可按照終端顯示的偏差調整設備走行。鋪軌機組調整鋪設方向，在App界面內可設置調整參數，走行調整按里程從小到大增加方向。正偏差顯示鋪軌機要向左調整，負偏差顯示鋪軌機要向右調整。

4.6 連續觀測

在App界面內，通過控制模塊操控全站儀瞄準觀測并鎖定鋪軌機組上的棱鏡后，打開激光引導線，開啟全站儀連續測量模式，由App計算模塊運算觀測數據，同步計算線路該里程實測坐標與設計坐標間的偏差，把偏差結果無線傳輸到鋪軌機操作室終端顯示平臺，由機組操控人員根據終端顯示偏差調整設備走行，引導鋪軌機組進行有砟軌道鋪設，直至鋪軌機完成500 m長軌鋪設。對于下一段500 m長軌鋪設，可利用拖拉車拖拽鋼軌的時間段同步完成儀器遷站，持續重復該操作過程，直至完成隧道內有砟軌道鋪設施工任務。

5 結語

傳統測量技術引導鋪軌機在隧道內鋪設有砟軌道的作業方法受作業空間、作業條件和作業技術影響和限制，在成果精度、工作效率、作業過程等方面都存在不同程度問題。高精度“智能全站儀+智能終端App”融合技術打破了過去“巡線導航”傳統理念，突出智能App搭載具有獨立計算、設計、存儲和控制等功能的模塊，通過控制模塊，操控全站儀完成建站并進行觀測，根據觀測成果反算，進一步確定測站點與鋪軌機組上棱鏡、鋪軌機所在里程與設計里程間的聯系和相對位置關系，最終計算出機組線路實時位置與設計結果間的偏差，并據此調整和引導鋪軌機精準走行。該技術以智慧測量為切入點，賦能智能計算，具有高精度、智能化、內外業一體化等優點，同時大幅度提升了工作效率，對后期機養施工數據利用也提供了較大便利。該測量方法的產生為鋪軌機在隧道內鋪設有砟軌道高效作業提供了新思路、新理念和新工藝，隨著此項技術在施工生產中通過驗證，其必將在相關領域作業中得到廣泛推廣和應用。

參考文獻

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