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研究生:曹雅珺
研究生(外文):Ya-chun Tsao
論文名稱:應用GIS與GPS建立軌道養護管理系統之研究
論文名稱(外文):Using GIS and GPS to establish the railway maintenance system
指導教授:葉名山葉名山引用關係
指導教授(外文):Ming-Shan Yeh
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:交通工程與管理所
學門:運輸服務學門
學類:運輸管理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:123
中文關鍵詞:即時動態測量(RTK)地理資訊系統(GIS)路線養護系統全球衛星定位(GPS)
外文關鍵詞:Network Real-Time KinematicGeographical Information systemGlobal Positioning SystemRoute maintenance system
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在發展大眾運輸政策,軌道運輸為重點發展項目之ㄧ,因為軌道運輸載運量大、安全性高並且具有準點性相當高的特性。雖然軌道運輸具有眾多優點,但是一但發生事故,則其所帶來之傷亡也相對非常嚴重。因此,藉由平日之軌道養護即扮演重要角色以維持軌道運轉之安全。本研究針對目前台鐵軌道養護系統進行研究,希望藉由增加GPS、GIS與資料庫建構等先進科技,改善原有以紙上作業為主的作業系統,以增加軌道養護效率。
本研究GPS定位方法分別採用單點定位與網路即時動態系統(Network Real-Time Kinematic,RTK),定位路段為台鐵台中工務段至太原站之軌道,約4.2公里。在電子地圖部分,本研究採用比例尺為一千分之一的台中市電子地圖,並將電子地圖上擷取軌道部份,並呈現一條400公尺寬之軌道廊帶。再利用GIS軟體MapInfo,將兩次實測資料與台中市軌道電子地圖相結合,並將兩次實測之結果加以作比較分析。此外,本研究採用Visual Basic .NET撰寫系統程式,並以Microsoft Office Access 2003為資料庫,構建台鐵養護系統,並結合第一期所建立之台鐵路線管理系統,期整合文字與圖檔資料,以利於資料分析與管理。
本研究結果顯示運用網路RTK測量所得之軌道精度確實較單點定位測量佳,其軌道定位精度平均約3.5公分。且網路RTK之實測結果與台中市電子地圖相套疊,發現其定位地點與圖上之地點相符合。故本研究評估運用GPS與GIS進行軌道養護並建立管理系統是在技術上已達可行階段。
In the development of the mass transportation system, the railway transportation will play an important role. For the railway transportation has many advantages such as high transportation capacity, better safety, and punctuation and so on. Although railway transportation has many advantages, but if an accident occurs, it would create tremendous fatality, injures, and property damages. Therefore, the daily routine track maintenance will play an important role in order to maintain the safety of railway operation. This study will review the present track maintenance system of Taiwan Railway Administration (TRA), and then try to implement the GPS, and GIS, and data base to improve the present track maintenance system by using the paper works.
The positioning methods of GPS will select the single point positioning and Network Real-Time Kinematic (RTK), and surveying route will choose the track from Taichung Engineering Section to Tai-Yuan station about 4.2 kilometers. Meanwhile, in the 1:1000 digital map of Taichung City, we cut a width of 400 meters along tracks as the route corridor. Then we use the MapInfo software to mapping the surveying data from two surveys into the corridor, and to analyze the results. In addition, this study utilizes Visual Basic. NET to be the computer program language, and to use Microsoft Office Access to be database to construct the route management system of TRA. Furthermore, this study will combine mapping data with digital data, and those digital data were developed from the previous study. Therefore, the new route maintenance system will increase its functions.
The results of this study show that surveying accuracy of Network RTK is better than the single point positioning, the average accuracy of network RTK is within 3.5 centimeters. Also, we use the surveying data from network RTK and mapping with the digital map of Taichung City, and we find the positioning locations will totally match with the locations of the digital map. Therefore, this study shows that implement GIS with GPS to construct the route maintenance system for TRA is feasible in technical point of view.
目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究範圍 4
1.4 研究內容與研究流程 5
第二章 文獻回顧 7
2.1 全球衛星定位系統(GLOBAL POSITIONING SYSTEM,GPS) 7
2.1.1 GPS之定義 7
2.1.2 GPS組成 8
2.1.3 GPS定位原理 11
2.1.4 GPS誤差來源 12
2.1.5 坐標系統 13
2.1.6 差分定位 15
2.2 地理資訊系統(GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM,GIS) 20
2.2.1 地理資訊系統介紹 20
2.2.2 GIS軟體選擇 23
2.3 即時動態測量(REAL TIME KINEMATIC) 24
2.4 全球衛星定位系統與地理資訊系統與運輸系統之整合 25
2.5 軌道養護 32
2.6 資料庫 36
2.7 文獻評析 37
第三章 實測與研究方法 38
3.1 實測與研究方法流程 38
3.2 人工軌道實地測量之方法 38
3.2.1. GPS定位方法 39
3.2.2. 實地測量之內外業使用方法 43
3.2.3. 坐標轉換 47
3.3 軌道破壞種類之篩選 47
3.4 建構人工養護資料庫 50
3.4.1. VB .NET之介紹 51
3.4.2. 資料庫 52
第四章 台鐵軌道實地測量 55
4.1 實測流程 55
4.2 第一次台鐵軌道實測 57
4.2.1 第一次軌道實測相關資訊 57
4.2.2 鐵路實測內容與資料 57
4.2.3 第一次軌道實測數據於電子地圖上之呈現 62
4.3 第二次台鐵軌道實測 64
4.3.1 第二次軌道實測相關資訊 64
4.3.2 鐵路實測內容與資料 65
4.3.3 第二次軌道實測數據於電子地圖上之呈現 70
4.3.4 網路RTK精度檢視 73
4.4 兩次實測內容比較 75
4.5 單點坐標投影內容 79
4.6 小結 82
第五章 系統構建 83
5.1 路線管理系統之介紹 83
5.2 人工軌道養護系統分析與需求 86
5.3 系統建構軟體之選擇與系統物件建立 87
5.4 資料庫構建 95
第六章 結論與建議 97
6.1 結論 97
6.2 建議 97
參考文獻 99
附錄一 102
附錄二 106

圖目錄
圖1-1 EM80軌道檢查車 2
圖1-2 車內螢幕顯示軌道狀況 2
圖1-3 EM80軌道檢查車之儀器 2
圖1-4 列車動搖測定器 2
圖1-5隨乘機車巡查路線記錄表 2
圖1-6 路線巡查記事表 3
圖1.7研究流程圖 6
圖2-1 GALILEO SYSTEM組成的三大單元 8
圖2-2 GPS組成三部份 9
圖2-3 全球衛星定位系統之軌道分佈 9
圖2-4 GPS衛星主控站與監測站分部位置圖 10
圖2-5 晶片型GPS接收儀 11
圖2-6精密型GPS接受器 11
圖2-7 GPSMAP 60CS 全中文彩色掌上型衛星定位儀 11
圖2-8 GARMIN航海型GPS接收儀 11
圖2-9 後方交會法 12
圖2-10 大地基準轉換流程圖 15
圖2-11 近域DGPS示意圖 17
圖3-1 實測與研究方法流程圖 38
圖3-2 GPS相對定位方法之分類 39
圖3-3 RTK架構圖 41
圖3-4 傳統RTK 42
圖3-5 網路RTK 43
圖3-6 LEICA500系列 44
圖3-7控制面板與天線 44
圖3-8主機與記憶卡 44
圖3-9 IPQA PDA一台、具GPRS功能之SIM卡一張 44
圖3-10 LEICA500系列、 PDA與具GPRS功能之SIM組裝後之型態 45
圖3-11實地測量之方式 45
圖3-12擷取之台鐵軌道廊帶 46
圖3-13電子地圖之地標 46
圖3-14台鐵路線構造 47
圖3-15軌道構造(直線軌道) 48
圖3-16軌道構造(曲線軌道) 48
圖3-17.NET FRAMEWORK的架構圖與VISUAL STUDIO 2005關係圖 52
圖4-1 軌道實測流程 56
圖4-2軌道枕木損壞 58
圖4-3圓曲線終點半徑610 58
圖4-4 軌道里程標 58
圖4-5平交道防護裝置 58
圖4-6地面煞車板 58
圖4-7 平交道與平交道防護裝置 58
圖4-8 長焊軌伸縮接頭 59
圖4-9 千分之13.3坡度標 59
圖4-10 實地測量狀況 59
圖4-11 太原站 59
圖4-12 實測資料與電子地圖之套疊 63
圖4-13 實際測得與地圖上太原站之差別 63
圖 4-14 實際興進路與定位興進路 64
圖4-14 實測資料與電子地圖之套疊 71
圖4-15實際與實測之興進路平交道相對位置 72
圖4-16 實際與實測之精武路地下道相對位置 72
圖4-17實際與實測之十甲路平交道相對位置 73
圖 4-18 GPS定位於軌距之差異圖 75
圖 4-19 坐標差異圖 78
圖4-20 N坐標差異圖 78
圖4-21 H坐標差異圖 78
圖4-22 單點定位投影距離 79
圖4-23 單點定位投影距離 81
圖5-1 台鐵路線管理系統系統架構圖 86
圖5-2 系統架構圖 88
圖5-3 台鐵路現管理系統之起始畫面 88
圖5-4 軌道基本資料 89
圖5-5軌道結構 89
圖5-6 動態路線檢查 90
圖5-8 道班人員隨車巡察路線 91
圖5-9 養護規劃 91
圖5-11 例行性養護工作 92
圖5-12 軌道管理 93
圖5-13 歷年軌道缺陷記錄 93
圖5-14 GPS 94
圖5-15 GPS軌道檢查資料之內容 94
圖5-16 台鐵路線檢查資料庫 96

表目錄
表2-1 TWD67與TWD97之比較 14
表2-2GPS定位與近域DGPS定位誤差 18
表2-3 GIS之定義 21
表2-4 地理資訊應用軟體比較表 24
表2-5 軌道不整之種類 33
表2-6 軌道結構之破壞型式及影響 35
表3-1全測站經緯儀、GPS 靜態測量、即時動態測量比較表 40
表3-2 台鐵路線巡查記事表中之路況編號對照表 48
表3-3 軌道破壞種類之內容與編碼 50
表3-4 ACCESS使用之限制 54
表4-1 軌道破壞種類之編碼 56
表4-2 GPS軌道實測資料內容 60
表4-3 GPS軌道實測資料內容 66
表4-4 軌距差異情形 74
表4-5 兩次實測內容之比較表 76
表4-5 單點定位之投影坐標距離與原始距離表 80
表5-1 軌道基本資料各工務段 84
表5-2 軌道檢查資料輸入 84
表5-3 養護工作規劃 85
表5-4 軌道管理 85
表5-5 路線管理系統起始表單 88
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