面向鐵路站場平面數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的本體建模研究

蒲浩，嚴(yán)基團，李偉，李長淮，魏方華

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面向鐵路站場平面數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的本體建模研究

蒲浩1, 2，嚴(yán)基團1, 2，李偉1, 2，李長淮3，魏方華3

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 4 10075；3. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團，陜西 西安 710043)

針對鐵路站場平面數(shù)字化設(shè)計中設(shè)備類型眾多且空間關(guān)聯(lián)耦合的難點，基于本體建模理論與方法，依據(jù)站場設(shè)備類型劃分各設(shè)備的概念，以概念的屬性來表達(dá)設(shè)備的空間約束條件，將設(shè)備修改后的聯(lián)動操作抽象為本體的函數(shù)，將站場專業(yè)中的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)定義為本體的公理。應(yīng)用空間一致性檢測方法，實現(xiàn)站場平面交互設(shè)計中設(shè)備的空間約束自動重構(gòu)及概念的屬性同步刷新，開發(fā)了站場平面設(shè)計原型系統(tǒng)，已在開原西和諾爾蓋等多個車站平面設(shè)計中成功應(yīng)用。

鐵路站場；平面系統(tǒng)；空間耦合約束關(guān)系；本體建模

站場是鐵路站后專業(yè)的“龍頭”，是連接站前和站后專業(yè)的紐帶，站場設(shè)計的效率和質(zhì)量對整個鐵路的建設(shè)和運營具有極其重要的影響。在鐵路站場的數(shù)字化設(shè)計研究中，平面設(shè)計是關(guān)鍵和核心[1?2]。開發(fā)站場平面數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的難度在于：一是因為設(shè)備多、設(shè)備間平面關(guān)聯(lián)繁雜，導(dǎo)致難以完整地描述出設(shè)備間的空間耦合約束關(guān)系；二是由于設(shè)備間的平面關(guān)聯(lián)約束存在動態(tài)性，當(dāng)站場平面設(shè)計中某個設(shè)備發(fā)生移動、刪除、增加等操作時，傳統(tǒng)的設(shè)計方法很難實時重構(gòu)設(shè)備間的平面約束關(guān)系，并且重構(gòu)后的約束關(guān)系一致性難以得到檢測。因此，雖然許多科研單位開發(fā)了站場平面設(shè)計軟件[3?7]，但由于未從根本上解決上述2個難題，軟件的使用仍存在局限性。本體論的方法為從本源上解決上述難題提供了有效的途徑。本體最初為哲學(xué)上的一個概念，本體即為“本源”，是對客觀存在事實的解釋說明。由于本體在關(guān)系表達(dá)上具有顯著優(yōu)勢[8?9]，很多學(xué)者將本體的思想應(yīng)用到鐵路領(lǐng)域處理鐵路場景建模的問題。孫寶鳳等[10]建立了鐵路客運樞紐內(nèi)設(shè)施功能與行人行為關(guān)系概念模型，揭示了行人在每一設(shè)施內(nèi)的行為特征及設(shè)施與行人的交互關(guān)系。張恒等[11]提出了一種本體驅(qū)動的高速鐵路場景建模方法，構(gòu)建可視化展示與仿真平臺。本體包含5個基本建模要素：概念(class)、屬性(attribute)、公理(axioms)、函數(shù)(function)和實例(instance)[12]。本體間的邏輯關(guān)系主要有4種：part-of，kind-of，instance-of，attribute-of。這些可以用來描述站場本體與設(shè)備之間，具體設(shè)備與抽象設(shè)備之間以及設(shè)備內(nèi)的關(guān)系，如表1。本文的主要研究思路如圖1。

表1 本體間的邏輯關(guān)系

圖1 基于本體的鐵路站場平面設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)思路

首先將站場中的設(shè)備劃分為一系列概念，以概念的屬性來表達(dá)設(shè)備的空間約束。然后建立本體的公理和函數(shù)，當(dāng)設(shè)備自身發(fā)生增加、刪除、移動或者設(shè)備的某個屬性值被修改時，相應(yīng)的函數(shù)被觸發(fā)，從而自動更新設(shè)備概念的屬性值。最后，建立的本體公理，對重構(gòu)設(shè)備進(jìn)行耦合約束關(guān)系基于一致性檢測，若與公理相悖，則繼續(xù)調(diào)用函數(shù)更新，直至滿足公理為止。

1 鐵路站場本體模型的建立

1.1 站場設(shè)備概念的劃分

雖然各個鐵路車站的性質(zhì)和功能有所不同，但車站均擔(dān)負(fù)著客貨運、養(yǎng)護(hù)維修、補給等作用，必然伴隨著列車的駛?cè)肱c駛出。因此，鐵路站場設(shè)備主要包括股道、道岔、站臺、警信設(shè)備、跨線設(shè)備和電力設(shè)施等概念。

1.2 站場設(shè)備概念的屬性

確定站場本體內(nèi)劃分的概念后，如何確定某個概念的屬性則須結(jié)合它本身的固有屬性和所具有的約束條件來綜合考慮。固有屬性是指站場某個概念所具有的基本屬性。約束條件分為主動約束條件和被動約束條件，主動約束是指該設(shè)備對其他設(shè)備的約束，被動約束是指其他設(shè)備對該設(shè)備的約束。

以站臺為例，由于站臺為立體構(gòu)造物，它的固有屬性包含長、寬、高、材質(zhì)和空間坐標(biāo)，和。站臺的主動約束是站臺對跨線設(shè)備(天橋地道)、對雨棚等設(shè)備的空間位置約束。而站臺的被動約束是指股道和站場設(shè)計基線等對站臺空間位置的約束。設(shè)I為站臺總的主動約束，Ik為站臺對第個概念的約束；設(shè)P為站臺總的被動約束，Pj為第個概念對站臺的約束，則：

確定了站臺的約束條件后，下一步就是如何將站臺的約束條件轉(zhuǎn)換為它的屬性。

以股道對站臺的被動約束為例進(jìn)行說明。站臺通常與股道保持一定的間距以保證行車安全并方便旅客乘降或者貨物裝卸，股道對站臺的約束就外在的表現(xiàn)為站臺到股道有一定的間距和相對高差。

站臺的某些固有屬性也可能會表現(xiàn)為站臺對其他概念的約束。如站臺對雨棚的空間約束表現(xiàn)為雨棚的空間位置需依據(jù)站臺的空間位置確定，即雨棚受到站臺的被動約束為站臺各頂點的空間坐標(biāo)，和，而站臺的空間坐標(biāo)又是站臺的固有屬性。因此，我們就不需要為雨棚這個主動約束額外添加屬性。

通過上面的分析，我們可以定義站臺概念的屬性

class platform

{

double,,; //長、寬、高

CString Material; //材質(zhì)

vector Vertex; //站臺頂點的空間坐標(biāo)結(jié)構(gòu)體

CStringTrackName; //對站臺有約束的股道名稱

double DistToTrack; //站臺到約束股道的距離

double HToTrack;//站臺對股道的高程約束

}

如此我們就將站臺所受的約束轉(zhuǎn)化成了站臺的屬性，站臺的屬性見圖2。同理，可以將站場模型內(nèi)其他設(shè)備概念的空間約束也轉(zhuǎn)化為其各自的屬性。站場本體就被分解成一系列帶有屬性的概念。

1.3 站場本體公理及函數(shù)的建立

當(dāng)對鐵路站場內(nèi)某一設(shè)備進(jìn)行修改時，傳統(tǒng)的設(shè)計方法需重新構(gòu)建站場內(nèi)所有設(shè)備的約束關(guān)系，設(shè)計效率低且浪費大量人力、物理。通過本體建模，建立相應(yīng)的公理(axiom)和規(guī)則，從而實現(xiàn)設(shè)備間約束關(guān)系隨著設(shè)備的修改實時更新?；谶@些axioms，在站場模型發(fā)生變化的時候，相應(yīng)的設(shè)備概念可以依據(jù)公理自動調(diào)節(jié)自身的屬性和構(gòu)建新的約束。

圖2 站臺屬性

例如：連接2條股道的必須是道岔，就可以通過建立如下Axiom 1來實現(xiàn)：

Axiom 1：Connecting two tracks must be turnout.

同時公理又可以作為檢測條件。如果從某一條股道引出一條牽出線，但沒有使用道岔來連接兩條股道，那么通過Axiom 1就會檢測出這個模型與公理相沖突。

站場本體公理依據(jù)作用對象的不同可以分為站場自身的公理、站場概念間的公理、站場概念自身的公理。

表2 公理類型

函數(shù)主要是對本體模型中設(shè)備概念的修改做出相應(yīng)的反應(yīng)，可以用來實現(xiàn)設(shè)備約束關(guān)系的重構(gòu)，即實現(xiàn)本體概念屬性的刷新。

例如，站臺須隨著關(guān)聯(lián)股道位置的變化而變化可以通過函數(shù)function A來實現(xiàn)：

function A：Track move → related－platform move.

只要約束股道移動了，那么相應(yīng)的站臺就會執(zhí)行move這個命令，站臺的屬性數(shù)據(jù)隨著自動更新。自動更新完成后，運用已經(jīng)建立好的本體的公理對站臺新的屬性數(shù)據(jù)做檢測，判斷改變后的屬性數(shù)據(jù)是否符合公理，如與公理相沖突，又會觸發(fā)相應(yīng)的函數(shù)對屬性數(shù)據(jù)繼續(xù)修改直至滿足條件為止。

應(yīng)用同樣的方法，可以建立股道、道岔、警信等其他設(shè)備的函數(shù)以及公理?；谶@些函數(shù)和公理構(gòu)建出鐵路站場本體模型。

站場本體模型的構(gòu)造流程如圖3所示。

圖3 站場本體模型構(gòu)造流程

2 車站本體建模實例

運用本體建模的方法，結(jié)合ObjectARX技術(shù)，我們開發(fā)了鐵路站場平面數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于開原西、諾爾蓋和天水等車站設(shè)計。現(xiàn)以開原西車站設(shè)計中增加股道為例，對系統(tǒng)進(jìn)行說明，其他設(shè)備間的關(guān)聯(lián)約束可以依此類推。

通過站場平面設(shè)計原型系統(tǒng)，創(chuàng)建初始模型如圖4。下面我們來說明隨著約束股道的改變站臺的屬性發(fā)生改變。

初始模型對應(yīng)的站臺屬性如圖5，由圖5可知站臺的約束股道為股道Ⅱ，與股道Ⅱ的距離為1.75 m。1.75 m為安全距離，它作為檢測公理，如設(shè)置的距離小于1.75 m，程序會提醒設(shè)計者。

圖4 初始模型

圖5 初始模型的站臺屬性

隨后，我們增加一條股道3，如圖6所示。

圖6 增加股道3后的模型

股道的增加一方面，會觸發(fā)系統(tǒng)中“增加股道”的函數(shù)，程序就會自動調(diào)整相關(guān)站臺的位置，且刷新站臺的屬性值；另一方面，股道伸入了站臺內(nèi)與系統(tǒng)的公理“站臺到股道中心的距離不小于1.75 m”相悖，系統(tǒng)檢測到模型有誤，也會自動刷新站臺的位置和重構(gòu)站臺的屬性值，如圖7和圖8 。由圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)站臺的約束股道已經(jīng)變成了股道3，距離為1.75 m。

圖7 系統(tǒng)自動刷新后的模型

圖8 重構(gòu)后的站臺屬性

3 結(jié)論

1) 通過本體模型，將站場設(shè)備簡化為本體模型中的概念，將設(shè)備的耦合約束以概念的屬性來表達(dá)和描述，可以方便，直觀，清晰的描述站場設(shè)備間的平面耦合約束。

2) 基于本體的鐵路站場平面數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)能夠在模型發(fā)生改變后自動重構(gòu)平面約束，并對重構(gòu)后的平面耦合約束做一致性檢測。

3) 本研究從根本上解決了站場設(shè)備平面耦合約束的問題，為后續(xù)更加復(fù)雜的平、縱、橫時空耦合設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

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Research on ontology modeling of railway station digitalized horizontal design system

PU Hao1, 2, YAN Jituan1, 2, LI Wei1, 2, LI Changhuai3, WEI Fanghua3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China; 3. China Railway First Survey and Institute Group Co, Ltd, Xi’an 710043, China)

To solve the complex constraints among multitudinous railway station equipment in digitalized railway station horizontal design, this paper presented an ontology-based modeling approach—classifying equipment concepts by type, using the attributes of equipment to describe its constraints, abstracting the model changes as ontological functions, defining the railway station specifications and standards as ontological axioms. By applying consistency checking methods, it was realized that the automatic reconstruction of constraints automatically and the synchronous update of concepts’ attributes during the railway station horizontal interact design. We developed the railway station digitalized horizontal design system and applied it to Kaiyuanxi station and Nuoergai station successfully.

railway station; plan digital system; plan constraint; ontology modeling

U291.1

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0220 ? 06

2016?11?22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378512，51608543)

李偉(1984?)，男，江西進(jìn)賢人，講師，博士，從事鐵路線站數(shù)字化設(shè)計理論與方法的研究；E?mail：leewei@csu.edu.cn