趙鐵柱 崔萬(wàn)里 孟慶宇 陳榮順 王小岑 許 勇

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢，430063

0 引言

我國(guó)高速鐵路具有世界范圍內(nèi)運(yùn)營(yíng)速度最快、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)，行車密度最大，路網(wǎng)規(guī)模最廣等諸多特點(diǎn)，而高速鐵路安全、準(zhǔn)點(diǎn)、高速等目標(biāo)的達(dá)成都需要基礎(chǔ)設(shè)施保持良好狀態(tài)[1-2]作為基本支撐。傳統(tǒng)的鐵路維修作業(yè)采用分專業(yè)維修的模式，工務(wù)、供電、電務(wù)部門相互獨(dú)立，這種維修模式難以適應(yīng)高速鐵路維修天窗時(shí)間短、響應(yīng)速度快、站間距大等現(xiàn)實(shí)需求，因此需要針對(duì)高速鐵路的特點(diǎn)建立全新的維修工藝[3-4]。目前中國(guó)鐵路總公司提倡工務(wù)、電務(wù)、供電合一，推行高鐵綜合維修的工作模式，但在超大規(guī)模線網(wǎng)下，維修布局的合理規(guī)劃直接影響到維修的經(jīng)濟(jì)性以及時(shí)效性[5]。特別是對(duì)于大型鐵路樞紐，如何進(jìn)行維修布局的規(guī)劃，是智能設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。傳統(tǒng)布點(diǎn)方式依據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布點(diǎn)，而規(guī)范上只說(shuō)明了工區(qū)管轄里程為50 km，車間管轄里程為150 km，其他影響維修機(jī)構(gòu)布點(diǎn)的關(guān)鍵因素(如維修機(jī)構(gòu)是否具備時(shí)效性、便利性、利舊條件、可實(shí)施性等)需要依靠設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)考慮判斷。人工進(jìn)行布點(diǎn)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且布點(diǎn)過(guò)程并沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)的計(jì)算，無(wú)法做到最優(yōu)化布點(diǎn)。此外，布點(diǎn)后的綜合維修工藝設(shè)計(jì)也是根據(jù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)和各鐵路局要求進(jìn)行的，資源利用率低；由于傳統(tǒng)的高速鐵路綜合維修設(shè)施設(shè)計(jì)接口繁多、設(shè)計(jì)文件標(biāo)準(zhǔn)不一，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)效果難以滿足目前高速鐵路的發(fā)展需求。

本文運(yùn)用地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)技術(shù)，綜合考慮路網(wǎng)規(guī)劃、管轄能力、既有維修設(shè)施及行政區(qū)劃等因素，設(shè)計(jì)了工務(wù)、供電、電務(wù)維修綜合模式下的最優(yōu)布點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了可視化輸出。開(kāi)發(fā)了高速鐵路綜合維修設(shè)施工藝智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)涵蓋預(yù)可研、可研、初步設(shè)計(jì)、施工圖全設(shè)計(jì)階段，包含站場(chǎng)、線路、橋梁、隧道等14個(gè)協(xié)同專業(yè)接口，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)布局方案、設(shè)計(jì)文件、設(shè)計(jì)圖紙全套資料的一鍵輸出和無(wú)縫對(duì)接。

1 軟件框架

本文在全壽命周期理論以及計(jì)算機(jī)輔助理論的基礎(chǔ)上，研發(fā)了高速鐵路綜合維修設(shè)施工藝智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基于GIS的維修布點(diǎn)優(yōu)化功能、全過(guò)程數(shù)字化設(shè)計(jì)功能，能夠指導(dǎo)綜合維修基地、車間、工區(qū)的全過(guò)程設(shè)計(jì)。

高速鐵路綜合維修設(shè)施工藝智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，包含界面層、業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)層，如圖1所示。界面層用于搭建良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交流，按功能模塊分為可視化布點(diǎn)界面、數(shù)字化設(shè)計(jì)界面、參數(shù)化成圖界面。業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)知識(shí)管理與數(shù)據(jù)層的應(yīng)用，包括智能布點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)、空間地理信息融合、綜合維修數(shù)字化設(shè)計(jì)、基于VBA的二次開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)綜合維修設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括數(shù)字化接口、數(shù)字化輸入、數(shù)字化圖元、標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)、設(shè)備庫(kù)等。

圖1 軟件框架Fig.1 The framework of software

本系統(tǒng)采用智能布點(diǎn)、數(shù)字化設(shè)計(jì)以及二次開(kāi)發(fā)技術(shù)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)可視化布點(diǎn)、綜合維修全過(guò)程數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、參數(shù)驅(qū)動(dòng)成圖等功能。該系統(tǒng)已在武廣、滬漢蓉等高速鐵路干線，廣州、上海、武漢、成都等維修基地得到了推廣應(yīng)用。

2 基于GIS的綜合維修設(shè)施智能布點(diǎn)

GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能，利用GIS技術(shù)將地理信息與綜合維修設(shè)施規(guī)劃數(shù)據(jù)相結(jié)合[6]，生成可視化工區(qū)布點(diǎn)，可實(shí)時(shí)顯示各布點(diǎn)行政區(qū)劃、人口特性、城市規(guī)模、交通狀況等信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的有效管理，達(dá)到圖文并茂，所見(jiàn)即所得的可視化效果，從而有利于對(duì)綜合維修設(shè)施的科學(xué)布點(diǎn)。

由于單個(gè)維修車間的管轄范圍在150～200 km，車間下轄的工區(qū)管轄范圍在0～50 km，并且維修機(jī)構(gòu)之間管轄無(wú)重疊，因此針對(duì)高速鐵路線網(wǎng)維修機(jī)構(gòu)選址這一問(wèn)題，可以采取如下步驟：①基于GIS將大的線網(wǎng)分割成小的區(qū)域進(jìn)行研究，區(qū)域選址結(jié)果對(duì)于整個(gè)線網(wǎng)中其他區(qū)域選址相互獨(dú)立；②從小的區(qū)域中抽離出單條線路，將車站劃分為樞紐、普通車站進(jìn)行研究，在對(duì)選址進(jìn)行求解時(shí)，采用貪心算法的思想，使得所作出的選擇為當(dāng)前最優(yōu)；③將尋找到的局部最優(yōu)解進(jìn)行組合，即為整個(gè)線網(wǎng)維修機(jī)構(gòu)選址的最優(yōu)解。

雖然維修機(jī)構(gòu)管轄范圍由相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了明確，但是維修機(jī)構(gòu)的實(shí)際管轄受車站站間距的影響。根據(jù)各車站行政區(qū)劃、城市規(guī)模、交通狀況、生活便利程度，對(duì)于適合進(jìn)行選址的車站進(jìn)行評(píng)價(jià)并設(shè)置權(quán)重，按照優(yōu)先級(jí)高低對(duì)備選點(diǎn)進(jìn)行排序，優(yōu)先選擇優(yōu)先級(jí)高的備選點(diǎn)，再逐步添加優(yōu)先級(jí)低的備選點(diǎn)進(jìn)行選擇，直到完成選址。在優(yōu)先級(jí)降級(jí)的過(guò)程中，備選點(diǎn)間距發(fā)生變化，需根據(jù)備選點(diǎn)間距自適應(yīng)調(diào)整。以某線路為例，設(shè)站情況如表1所示，其中，DK24+800表示24 km+800 m，其余類推。

表1 設(shè)站情況表

根據(jù)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，利用貪心算法對(duì)表1中10個(gè)車站的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示。

程序優(yōu)先選擇優(yōu)先級(jí)最高的車站組合{1,5,6,10}進(jìn)行計(jì)算，再逐步擴(kuò)充，直到迭代完畢。最終選址結(jié)果及工區(qū)管轄范圍如表3所示。生成的綜合維修設(shè)施布點(diǎn)如圖2所示。

表3 工區(qū)管轄范圍

3 全過(guò)程數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)

對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)接口、設(shè)計(jì)成果、相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范等非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)收集，提取特征，進(jìn)行知識(shí)標(biāo)準(zhǔn)化整理，納入知識(shí)工程系統(tǒng)，作為全過(guò)程設(shè)計(jì)正確性判斷、提示的依據(jù)。知識(shí)工程系統(tǒng)包含知識(shí)管理平臺(tái)與知識(shí)庫(kù)，管理平臺(tái)通過(guò)知識(shí)搜索引擎對(duì)知識(shí)進(jìn)行檢索識(shí)別，知識(shí)庫(kù)包含整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程及設(shè)備配備標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程包含設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)接口、最小標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)單元、標(biāo)準(zhǔn)圖元、標(biāo)準(zhǔn)模板、設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)以及中間成果計(jì)算公式庫(kù)等，綜合維修設(shè)施工藝設(shè)計(jì)知識(shí)工程體系如圖3所示。

圖2 綜合維修設(shè)施布點(diǎn)圖Fig.2 The diagram of comprehensive maintenance facility distribution

圖3 知識(shí)工程系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overall structure of the knowledge engineering system

全過(guò)程設(shè)計(jì)劃分為預(yù)可研、可研、初步設(shè)計(jì)、施工圖全設(shè)計(jì)四個(gè)階段，可以構(gòu)建各階段互提資料、工程概算、說(shuō)明書標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)模板。數(shù)據(jù)模板由單一狀態(tài)固化數(shù)據(jù)、多狀態(tài)參數(shù)化數(shù)據(jù)及中間成果結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組成。

每個(gè)階段以維修設(shè)施布點(diǎn)結(jié)果、管轄范圍、配置標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定定員、房屋面積、停放線數(shù)量、設(shè)備配備等中間成果，通過(guò)中間成果與標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)模板的組合，形成關(guān)于站場(chǎng)、房建、供電、通信、信號(hào)等分項(xiàng)內(nèi)容的專業(yè)的接口資料，并形成綜合維修設(shè)施的概算結(jié)果及說(shuō)明書。

以南昌東綜合維修車間為例，系統(tǒng)共配置工程車停放線4條，大機(jī)停放線1條，辦公房屋面積3 130 m2，占地面積39 200 m2，定員132人，管線能力143.2 km，滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》及現(xiàn)場(chǎng)需求。

同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)變量驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)全套圖紙的參數(shù)化生成。圖紙常量涵蓋維修規(guī)則中綜合維修管理組織、設(shè)備配置、標(biāo)準(zhǔn)圖中房屋參數(shù)、停放線數(shù)量、構(gòu)筑物等設(shè)計(jì)常量,如表4所示。

設(shè)計(jì)單元是設(shè)計(jì)過(guò)程中由設(shè)計(jì)輸入與設(shè)計(jì)常量生成的最小數(shù)據(jù)單元。標(biāo)準(zhǔn)化綜合維修設(shè)施有布點(diǎn)、房屋表、定員表、股道表等二十余項(xiàng)設(shè)計(jì)單元，其中房屋表的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

參數(shù)化成圖過(guò)程如下：①總結(jié)、歸納、融合各專業(yè)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，互提資料組成參數(shù)化成圖所需的設(shè)計(jì)常量和設(shè)計(jì)單元，理順參數(shù)驅(qū)動(dòng)主從關(guān)系，搭建參數(shù)化成圖數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)框架；②通過(guò)設(shè)計(jì)常量和設(shè)計(jì)單元匯總生成參數(shù)表，利用基于VBA的AutoCAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，將記憶圖形結(jié)構(gòu)的參數(shù)和一系列圖形繪制語(yǔ)言相結(jié)合，描述圖形拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙的參數(shù)化繪制。參數(shù)化成圖的具體流程如圖4所示。

表4 設(shè)計(jì)常量(軌道車庫(kù))數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

表5 設(shè)計(jì)單元(房屋表)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

圖4 參數(shù)化成圖流程Fig.4 Parametric mapping process

4 結(jié)語(yǔ)

筆者所提出的高速鐵路維修設(shè)施工藝智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)可滿足工程設(shè)計(jì)的需求，實(shí)現(xiàn)了維修設(shè)施布局方案可視化和全過(guò)程設(shè)計(jì)文件的智能輸出，使得設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度大幅提升。

該系統(tǒng)構(gòu)建了全設(shè)計(jì)階段的綜合維修設(shè)施工藝設(shè)計(jì)知識(shí)工程系統(tǒng)，能夠結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化高鐵綜合維修設(shè)施全過(guò)程設(shè)計(jì)成果(互提資料、投資概算、說(shuō)明書、設(shè)計(jì)圖紙)，采用設(shè)計(jì)變量參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程設(shè)計(jì)成果的智能輸出。