羅宏偉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究處，武漢 430063)

1 研究開發(fā)背景

經(jīng)過鐵四院廣大工程技術(shù)人員和軟件開發(fā)者的持續(xù)攻關(guān)，2004年開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助站場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件(CASD1.0)，解決了鐵路勘察設(shè)計(jì)中的站場(chǎng)平面、縱斷面、橫斷面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工程數(shù)量計(jì)算等難題，但是，鐵路站場(chǎng)既有線改造平面設(shè)計(jì)和繪圖、縱斷面輔助出圖、工程數(shù)量統(tǒng)一計(jì)算和管理、綜合管線輔助設(shè)計(jì)等諸多難題還沒有根本解決。

由于我國(guó)鐵路建設(shè)呈現(xiàn)大規(guī)模、短周期、高標(biāo)準(zhǔn)、高復(fù)雜度等特點(diǎn)，對(duì)勘察設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)度提出了更加嚴(yán)格的要求。而先前開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助站場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)不能滿足鐵路建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，迫切需要開發(fā)一套集成既有線、新線底層統(tǒng)一設(shè)計(jì)、工程數(shù)量統(tǒng)一計(jì)算和管理、綜合管線輔助設(shè)計(jì)和成果輸出、站場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線疏解線縱斷面輔助設(shè)計(jì)和成果輸出、三維模型展示和交互等功能于一體的鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。為此，以既有鐵路站場(chǎng)、新建鐵路站場(chǎng)為研究對(duì)象，研究開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和站場(chǎng)專業(yè)特色的鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，并在工程實(shí)踐中得到推廣和使用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能和流程

結(jié)合站場(chǎng)專業(yè)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)包括各階段(規(guī)劃研究、預(yù)可研、可研、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì))各等級(jí)(高速、城際、普速、重載、客貨共線、專用線)鐵路改建、新建站場(chǎng)、聯(lián)絡(luò)線、疏解線設(shè)計(jì)。開發(fā)的系統(tǒng)功能主要包括：設(shè)計(jì)原則、規(guī)范參數(shù)管理和應(yīng)用；數(shù)字地面模型建立和應(yīng)用；平面輔助設(shè)計(jì)；縱斷面輔助設(shè)計(jì)；路基橫斷面輔助設(shè)計(jì)；排水、用地輔助設(shè)計(jì)；綜合管線輔助設(shè)計(jì)；工程數(shù)量計(jì)算和管理；成果資料繪圖和輸出；三維數(shù)據(jù)模型接口和展示等。工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程

2.2 開發(fā)運(yùn)行環(huán)境

軟件系統(tǒng)采用Visual C++編程語言和C#語言、ObjectArx2010(AutoCAD二次開發(fā)類庫)、OSG(OpenScreenGraph，一套基于C++平臺(tái)的高級(jí)圖形渲染、空間結(jié)構(gòu)組織應(yīng)用程序接口)、ADO接口(Access數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù))、COM(組件對(duì)象模型)接口等技術(shù)開發(fā)。

系統(tǒng)要求PIII以上處理器，512M以上內(nèi)存，硬盤256G，512M獨(dú)立顯存以上顯示器。系統(tǒng)軟件要求Win7及以上windows操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件要求中文AutoCAD2010、2012圖形平臺(tái)，office2010辦公系統(tǒng)(Access數(shù)據(jù)庫和Excel電子表格)。

3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)充分吸收線路專業(yè)、路基專業(yè)等國(guó)內(nèi)外專業(yè)輔助設(shè)計(jì)軟件在設(shè)計(jì)計(jì)算、定線成圖、數(shù)模應(yīng)用以及三維建模等方面的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)既有、新建鐵路站場(chǎng)平、縱、橫聯(lián)動(dòng)交互設(shè)計(jì)與三維建模渲染核心，可實(shí)現(xiàn)多方案、多時(shí)態(tài)信息共享設(shè)計(jì)，具有以下功能。

(1)建立既有、新建線路(包括道岔)的幾何拓?fù)浯鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)。

(2)建立并存儲(chǔ)站場(chǎng)平面、縱斷面、橫斷面、排水、用地、路基、軌道、設(shè)備等設(shè)計(jì)原則。

(3)基于ObjectArx自定義實(shí)體技術(shù)，設(shè)計(jì)車站平面股道實(shí)體、動(dòng)態(tài)選線實(shí)體、縱斷面實(shí)體、橫斷面實(shí)體(坡面、分坡線、路肩、水溝等)，用地界及安全保護(hù)區(qū)標(biāo)樁實(shí)體，平面水溝實(shí)體，綜合管線實(shí)體，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖形交互聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。

(4)開發(fā)了車站平面和縱斷面輔助設(shè)計(jì)工具，可實(shí)現(xiàn)“積木法定線”和“交點(diǎn)法定線”，定線過程中建立線路之間的聯(lián)系，可實(shí)現(xiàn)方案組合、拼接復(fù)用。

(5)實(shí)現(xiàn)了平、縱、橫信息共享和聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。平面股道位置、高程，設(shè)備信息等發(fā)生變動(dòng)時(shí)，自動(dòng)通知橫斷面和縱斷面，同步更新相關(guān)數(shù)據(jù)，橫斷面實(shí)時(shí)更新地面線數(shù)據(jù)，自動(dòng)修改橫斷面分坡和坡面設(shè)計(jì)，更新土石方數(shù)量信息。

(6)實(shí)現(xiàn)了各等級(jí)鐵路車站路基橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)及路基土石方數(shù)量自動(dòng)計(jì)算功能。

(7)實(shí)現(xiàn)了各等級(jí)鐵路多時(shí)態(tài)共存條件下，任意時(shí)態(tài)、任意車場(chǎng)、任意股道的軌道工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算。

(8)實(shí)現(xiàn)排水溝自動(dòng)預(yù)建、對(duì)排水路徑和排水能力進(jìn)行檢算。

(9)實(shí)現(xiàn)綜合管線輔助設(shè)計(jì)和工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算。

(10)實(shí)現(xiàn)各種模式視圖顯示控制(實(shí)體別、打印別、股道別、排水系統(tǒng)、用地、綜合管線等)和出圖控制。

(11)實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)表格的工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算、匯總統(tǒng)計(jì)。

(12)實(shí)現(xiàn)咽喉區(qū)旋轉(zhuǎn)、延伸、移動(dòng)等平面咽喉智能調(diào)整功能。

(13)實(shí)現(xiàn)基于OSG的鐵路站場(chǎng)及樞紐三維場(chǎng)景自動(dòng)構(gòu)建、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)瀏覽功能。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 圖形與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用面向?qū)ο缶幊趟枷?，通過CAD的二次開發(fā)接口ObjectARX直接創(chuàng)建自定義實(shí)體，直接訪問AutoCAD數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、圖形系統(tǒng)以及CAD幾何造型核心，達(dá)到“所見即所得”的設(shè)計(jì)效果，實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。

所創(chuàng)建的平面股道實(shí)體、平面設(shè)備實(shí)體、平面排水實(shí)體、平面用地界實(shí)體、縱斷面實(shí)體、橫斷面實(shí)體、動(dòng)態(tài)線路實(shí)體等實(shí)體，均封裝了用于描述各實(shí)體屬性的屬性數(shù)據(jù)用于計(jì)算，封裝了夾點(diǎn)操作、旋轉(zhuǎn)操作、移動(dòng)操作等繪圖屬性，這樣實(shí)體的幾何圖形顯示與數(shù)據(jù)封裝成了一個(gè)整體，實(shí)時(shí)同步，達(dá)到了圖形與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)的效果，大大提高了交互設(shè)計(jì)功效。

4.2 排水溝流量檢算與路徑檢查

本項(xiàng)目創(chuàng)建全新的排水設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將原先離散的無法關(guān)聯(lián)的排水溝連接成一個(gè)完整的排水系統(tǒng)。按照排水系統(tǒng)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用一種算法，可以對(duì)排水路徑進(jìn)行檢查；按照排水系統(tǒng)的流水特點(diǎn)，調(diào)整排水溝的溝底高程；根據(jù)流量參數(shù)和匯水面積，計(jì)算每個(gè)排水溝截面的流量；根據(jù)排水溝截面流量和排水能力，檢查排水溝的排水能力是否滿足設(shè)計(jì)要求；實(shí)現(xiàn)排水溝自動(dòng)編號(hào)和自動(dòng)預(yù)建溝。

4.3 綜合管線設(shè)計(jì)與工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算

本項(xiàng)目創(chuàng)建自定義綜合管線實(shí)體，包括電纜槽、綜合管溝、手孔、排管、過軌管等。通過賦予豐富的設(shè)計(jì)屬性，實(shí)現(xiàn)了車站綜合管線圖繪圖設(shè)計(jì)和工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算。

4.4 平面咽喉智能調(diào)整

借助矩陣變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了咽喉區(qū)旋轉(zhuǎn)、延伸、移動(dòng)等平面咽喉智能調(diào)整功能。

項(xiàng)目根據(jù)用戶選擇的調(diào)整范圍、尾部終止約束直線邊集合、調(diào)整對(duì)象、調(diào)整的基點(diǎn)、參考點(diǎn)等信息自動(dòng)步進(jìn)計(jì)算符合要求的調(diào)整量，再根據(jù)調(diào)整量調(diào)整各對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)平面咽喉的智能調(diào)整功能。這一功能尤其適用于前期區(qū)段站、編組站設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整角度達(dá)到優(yōu)化平面設(shè)計(jì)功能。

4.5 平縱橫信息共享、聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將平、縱、橫信息進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)，既保留平、縱、橫各個(gè)模塊之間的相對(duì)獨(dú)立，具有平、縱、橫單項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，又建立相互之間的緊密聯(lián)系，具有交互性強(qiáng)、信息量大、界面友好的特點(diǎn)。

系統(tǒng)通過多視口技術(shù)，分別建立平面視口、縱斷面視口、橫斷面視口，視口之間可任意切換、調(diào)整窗口的大小和位置，各視口之間既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)各視口之間的數(shù)據(jù)通過底層自動(dòng)傳遞，實(shí)現(xiàn)了信息共享、實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。平面股道位置、高程，設(shè)備信息等發(fā)生變動(dòng)時(shí)，自動(dòng)通知橫斷面和縱斷面，同步更新相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)修改橫斷面分坡和坡面設(shè)計(jì)，更新土石方數(shù)量信息；縱斷面信息變化時(shí)，自動(dòng)通知平面調(diào)整坡度信息，自動(dòng)通知橫斷面更新設(shè)計(jì)高程信息；橫斷面水溝位置、高程發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)通知平面，更新水溝高程和流向信息。

借助上述多視口技術(shù)和底層數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了車站平面、縱斷面、橫斷面信息的共享、聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。

4.6 基于標(biāo)準(zhǔn)表格體系的工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算

實(shí)現(xiàn)了鐵路站場(chǎng)工程根據(jù)不同的需求定制標(biāo)準(zhǔn)表格體系，完成基于標(biāo)準(zhǔn)表格體系的工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算。系統(tǒng)通過分析工程數(shù)量計(jì)算過程和已有標(biāo)準(zhǔn)模板，建立了基于表格驅(qū)動(dòng)的工程數(shù)量自動(dòng)編碼、自動(dòng)計(jì)算體系。只要有計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和單位工程數(shù)量，就可以套用標(biāo)準(zhǔn)表格體系，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)入庫。

4.7 聯(lián)絡(luò)線、疏解線動(dòng)態(tài)選線設(shè)計(jì)

通過建立動(dòng)態(tài)線路自定義實(shí)體，將平面控制點(diǎn)、縱斷面控制點(diǎn)、線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計(jì)信息賦予該實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了樞紐內(nèi)聯(lián)絡(luò)線、疏解線等線路積木法定線、交點(diǎn)法定線，可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)線路繞避指定障礙物。通過指定交點(diǎn)屬性，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線出岔和接軌點(diǎn)角度和方向不變(道岔角度)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整聯(lián)絡(luò)線、疏解線線路，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，節(jié)約工程投資的目的。

4.8 車站及樞紐設(shè)計(jì)三維展示和交互

通過車站及樞紐工程設(shè)計(jì)平面信息、縱斷面信息、橫斷面信息，將線路及車站的基線位置信息、橫斷面樁信息、站場(chǎng)邊界信息、路基路面和邊坡信息、排水溝信息、軌道上部建筑信息、車站設(shè)備(警沖標(biāo)、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)、倉庫、雨棚、道路、場(chǎng)坪等)信息、附屬設(shè)施(平過道、天橋、地道、橋涵、車擋、圍墻、柵欄、龍門吊等)信息導(dǎo)出到三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，建立相應(yīng)的三維模型，構(gòu)建漫游場(chǎng)景，達(dá)到三維展示和交互的效果。

系統(tǒng)利用OSG技術(shù)，進(jìn)行三維實(shí)體建模、模型拼接和裁剪、真實(shí)圖形渲染繪制、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)等開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了鐵路車站及樞紐聯(lián)絡(luò)線、疏解線三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并與平縱橫交互設(shè)計(jì)3個(gè)模塊緊密結(jié)合，使得三維場(chǎng)景展示不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)成果的立體表達(dá)效果，而且將三維設(shè)計(jì)融入到整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，達(dá)到了交互設(shè)計(jì)的效果。

5 結(jié)論

在綜合分析既有鐵路站場(chǎng)、新建鐵路站場(chǎng)勘測(cè)設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，解決了既有線、新線底層統(tǒng)一建模、平縱橫數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、站場(chǎng)綜合管線輔助設(shè)計(jì)、站場(chǎng)工程數(shù)量統(tǒng)一計(jì)算和管理、站場(chǎng)三維場(chǎng)景展示等關(guān)鍵技術(shù)。

研究開發(fā)的鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)在中鐵四院集團(tuán)承擔(dān)的全部改建、新建鐵路站場(chǎng)及樞紐建設(shè)項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)中全面使用。應(yīng)用實(shí)踐表明，研究開發(fā)的圖形與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)、排水溝流量檢算與路徑檢查、綜合管線設(shè)計(jì)與工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算、平面咽喉智能調(diào)整、平縱橫信息共享聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)、基于標(biāo)準(zhǔn)表格體系的工程數(shù)量自動(dòng)計(jì)算、聯(lián)絡(luò)線(疏解線)動(dòng)態(tài)選線設(shè)計(jì)、車站及樞紐設(shè)計(jì)三維展示和交互等功能，大大加快了鐵路

車站及樞紐工程設(shè)計(jì)功效，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可提高設(shè)計(jì)效率30%，提高了勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量，使設(shè)計(jì)人員有精力和時(shí)間從事方案優(yōu)化工作，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得在工程設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

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