鐵路站場設計系統(tǒng)研究與開發(fā)

羅宏偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線路站場設計研究處，武漢 430063)

1 研究開發(fā)背景

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

由于我國鐵路建設呈現(xiàn)大規(guī)模、短周期、高標準、高復雜度等特點，對勘察設計單位的設計質量和進度提出了更加嚴格的要求。而先前開發(fā)的計算機輔助站場設計軟件已經(jīng)不能滿足鐵路建設項目設計要求，迫切需要開發(fā)一套集成既有線、新線底層統(tǒng)一設計、工程數(shù)量統(tǒng)一計算和管理、綜合管線輔助設計和成果輸出、站場聯(lián)絡線疏解線縱斷面輔助設計和成果輸出、三維模型展示和交互等功能于一體的鐵路站場設計系統(tǒng)。為此，以既有鐵路站場、新建鐵路站場為研究對象，研究開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權和站場專業(yè)特色的鐵路站場設計系統(tǒng)軟件，并在工程實踐中得到推廣和使用。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)功能和流程

結合站場專業(yè)的設計特點，鐵路站場設計系統(tǒng)應包括各階段(規(guī)劃研究、預可研、可研、初步設計、施工圖設計)各等級(高速、城際、普速、重載、客貨共線、專用線)鐵路改建、新建站場、聯(lián)絡線、疏解線設計。開發(fā)的系統(tǒng)功能主要包括：設計原則、規(guī)范參數(shù)管理和應用；數(shù)字地面模型建立和應用；平面輔助設計；縱斷面輔助設計；路基橫斷面輔助設計；排水、用地輔助設計；綜合管線輔助設計；工程數(shù)量計算和管理；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++平臺的高級圖形渲染、空間結構組織應用程序接口)、ADO接口(Access數(shù)據(jù)庫訪問技術)、COM(組件對象模型)接口等技術開發(fā)。

系統(tǒng)要求PIII以上處理器，512M以上內存，硬盤256G，512M獨立顯存以上顯示器。系統(tǒng)軟件要求Win7及以上windows操作系統(tǒng)。應用軟件要求中文AutoCAD2010、2012圖形平臺，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)等國內外專業(yè)輔助設計軟件在設計計算、定線成圖、數(shù)模應用以及三維建模等方面的優(yōu)點，以實現(xiàn)既有、新建鐵路站場平、縱、橫聯(lián)動交互設計與三維建模渲染核心，可實現(xiàn)多方案、多時態(tài)信息共享設計，具有以下功能。

(1)建立既有、新建線路(包括道岔)的幾何拓撲存儲結構。

(2)建立并存儲站場平面、縱斷面、橫斷面、排水、用地、路基、軌道、設備等設計原則。

(3)基于ObjectArx自定義實體技術，設計車站平面股道實體、動態(tài)選線實體、縱斷面實體、橫斷面實體(坡面、分坡線、路肩、水溝等)，用地界及安全保護區(qū)標樁實體，平面水溝實體，綜合管線實體，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖形交互聯(lián)動設計。

(4)開發(fā)了車站平面和縱斷面輔助設計工具，可實現(xiàn)“積木法定線”和“交點法定線”，定線過程中建立線路之間的聯(lián)系，可實現(xiàn)方案組合、拼接復用。

(5)實現(xiàn)了平、縱、橫信息共享和聯(lián)動設計。平面股道位置、高程，設備信息等發(fā)生變動時，自動通知橫斷面和縱斷面，同步更新相關數(shù)據(jù)，橫斷面實時更新地面線數(shù)據(jù)，自動修改橫斷面分坡和坡面設計，更新土石方數(shù)量信息。

(6)實現(xiàn)了各等級鐵路車站路基橫斷面自動設計、交互設計及路基土石方數(shù)量自動計算功能。

(7)實現(xiàn)了各等級鐵路多時態(tài)共存條件下，任意時態(tài)、任意車場、任意股道的軌道工程數(shù)量自動計算。

(8)實現(xiàn)排水溝自動預建、對排水路徑和排水能力進行檢算。

(9)實現(xiàn)綜合管線輔助設計和工程數(shù)量自動計算。

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

(11)實現(xiàn)基于標準表格的工程數(shù)量自動計算、匯總統(tǒng)計。

(12)實現(xiàn)咽喉區(qū)旋轉、延伸、移動等平面咽喉智能調整功能。

(13)實現(xiàn)基于OSG的鐵路站場及樞紐三維場景自動構建、實時動態(tài)瀏覽功能。

4 關鍵技術

4.1 圖形與數(shù)據(jù)實時聯(lián)動設計

本項目采用面向對象編程思想，通過CAD的二次開發(fā)接口ObjectARX直接創(chuàng)建自定義實體，直接訪問AutoCAD數(shù)據(jù)庫結構、圖形系統(tǒng)以及CAD幾何造型核心，達到“所見即所得”的設計效果，實現(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)實時聯(lián)動設計。

所創(chuàng)建的平面股道實體、平面設備實體、平面排水實體、平面用地界實體、縱斷面實體、橫斷面實體、動態(tài)線路實體等實體，均封裝了用于描述各實體屬性的屬性數(shù)據(jù)用于計算，封裝了夾點操作、旋轉操作、移動操作等繪圖屬性，這樣實體的幾何圖形顯示與數(shù)據(jù)封裝成了一個整體，實時同步，達到了圖形與數(shù)據(jù)實時聯(lián)動設計的效果，大大提高了交互設計功效。

4.2 排水溝流量檢算與路徑檢查

本項目創(chuàng)建全新的排水設備數(shù)據(jù)結構，將原先離散的無法關聯(lián)的排水溝連接成一個完整的排水系統(tǒng)。按照排水系統(tǒng)的幾何拓撲結構，采用一種算法，可以對排水路徑進行檢查；按照排水系統(tǒng)的流水特點，調整排水溝的溝底高程；根據(jù)流量參數(shù)和匯水面積，計算每個排水溝截面的流量；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計要求；實現(xiàn)排水溝自動編號和自動預建溝。

4.3 綜合管線設計與工程數(shù)量自動計算

本項目創(chuàng)建自定義綜合管線實體，包括電纜槽、綜合管溝、手孔、排管、過軌管等。通過賦予豐富的設計屬性，實現(xiàn)了車站綜合管線圖繪圖設計和工程數(shù)量自動計算。

4.4 平面咽喉智能調整

借助矩陣變換技術，實現(xiàn)了咽喉區(qū)旋轉、延伸、移動等平面咽喉智能調整功能。

項目根據(jù)用戶選擇的調整范圍、尾部終止約束直線邊集合、調整對象、調整的基點、參考點等信息自動步進計算符合要求的調整量，再根據(jù)調整量調整各對象，從而實現(xiàn)平面咽喉的智能調整功能。這一功能尤其適用于前期區(qū)段站、編組站設計時調整角度達到優(yōu)化平面設計功能。

4.5 平縱橫信息共享、聯(lián)動設計

系統(tǒng)將平、縱、橫信息進行統(tǒng)一設計和存儲，既保留平、縱、橫各個模塊之間的相對獨立，具有平、縱、橫單項設計功能，又建立相互之間的緊密聯(lián)系，具有交互性強、信息量大、界面友好的特點。

系統(tǒng)通過多視口技術，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、調整窗口的大小和位置，各視口之間既相互聯(lián)系又相對獨立，同時各視口之間的數(shù)據(jù)通過底層自動傳遞，實現(xiàn)了信息共享、實時聯(lián)動。平面股道位置、高程，設備信息等發(fā)生變動時，自動通知橫斷面和縱斷面，同步更新相關數(shù)據(jù)，自動修改橫斷面分坡和坡面設計，更新土石方數(shù)量信息；縱斷面信息變化時，自動通知平面調整坡度信息，自動通知橫斷面更新設計高程信息；橫斷面水溝位置、高程發(fā)生變化時，自動通知平面，更新水溝高程和流向信息。

借助上述多視口技術和底層數(shù)據(jù)庫驅動，實現(xiàn)了車站平面、縱斷面、橫斷面信息的共享、聯(lián)動設計。

4.6 基于標準表格體系的工程數(shù)量自動計算

實現(xiàn)了鐵路站場工程根據(jù)不同的需求定制標準表格體系，完成基于標準表格體系的工程數(shù)量自動計算。系統(tǒng)通過分析工程數(shù)量計算過程和已有標準模板，建立了基于表格驅動的工程數(shù)量自動編碼、自動計算體系。只要有計算標準和單位工程數(shù)量，就可以套用標準表格體系，實現(xiàn)工程數(shù)量自動計算和自動入庫。

4.7 聯(lián)絡線、疏解線動態(tài)選線設計

通過建立動態(tài)線路自定義實體，將平面控制點、縱斷面控制點、線路技術標準等設計信息賦予該實體，實現(xiàn)了樞紐內聯(lián)絡線、疏解線等線路積木法定線、交點法定線，可以精準地實現(xiàn)線路繞避指定障礙物。通過指定交點屬性，可以實現(xiàn)聯(lián)絡線出岔和接軌點角度和方向不變(道岔角度)，從而達到動態(tài)調整聯(lián)絡線、疏解線線路，優(yōu)化工程設計，節(jié)約工程投資的目的。

4.8 車站及樞紐設計三維展示和交互

通過車站及樞紐工程設計平面信息、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、車站設備(警沖標、信號機、站臺、倉庫、雨棚、道路、場坪等)信息、附屬設施(平過道、天橋、地道、橋涵、車擋、圍墻、柵欄、龍門吊等)信息導出到三維基礎數(shù)據(jù)庫中，建立相應的三維模型，構建漫游場景，達到三維展示和交互的效果。

系統(tǒng)利用OSG技術，進行三維實體建模、模型拼接和裁剪、真實圖形渲染繪制、計算機動畫技術等開發(fā)，實現(xiàn)了鐵路車站及樞紐聯(lián)絡線、疏解線三維場景的實時動態(tài)顯示，并與平縱橫交互設計3個模塊緊密結合，使得三維場景展示不僅達到了設計成果的立體表達效果，而且將三維設計融入到整個設計過程中，達到了交互設計的效果。

5 結論

在綜合分析既有鐵路站場、新建鐵路站場勘測設計流程的基礎上，開發(fā)了鐵路站場設計系統(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、站場綜合管線輔助設計、站場工程數(shù)量統(tǒng)一計算和管理、站場三維場景展示等關鍵技術。

研究開發(fā)的鐵路站場設計系統(tǒng)已經(jīng)在中鐵四院集團承擔的全部改建、新建鐵路站場及樞紐建設項目勘察設計中全面使用。應用實踐表明，研究開發(fā)的圖形與數(shù)據(jù)實時聯(lián)動設計、排水溝流量檢算與路徑檢查、綜合管線設計與工程數(shù)量自動計算、平面咽喉智能調整、平縱橫信息共享聯(lián)動設計、基于標準表格體系的工程數(shù)量自動計算、聯(lián)絡線(疏解線)動態(tài)選線設計、車站及樞紐設計三維展示和交互等功能，大大加快了鐵路

車站及樞紐工程設計功效，據(jù)統(tǒng)計分析，可提高設計效率30%，提高了勘察設計質量，使設計人員有精力和時間從事方案優(yōu)化工作，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，值得在工程設計中推廣應用。

[1] 朱志國，熊天文，周潮.鐵路站場計算機輔助設計[J].交通與計算機，1995(2)：10-13，17.

[2] 朱志國，葉懷珍.鐵路站場計算機輔助設計系統(tǒng)—咽喉區(qū)優(yōu)化設計[J].西南交通大學學報，1995(2)：194-199.

[3] 李雪婷，倪少權，呂紅霞，等.鐵路站場計算機輔助設計系統(tǒng)的研究[J].交通與計算機，2003(4)：31-33.

[4] 石建文.開發(fā)站場軌道工程數(shù)量計算軟件的新思路[J].鐵道勘測與設計，2004(5)：24-28.

[5] 王立強.鐵路站場設計集成系統(tǒng)的開發(fā)研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2005(4)：60-62.

[6] 羅法水.鐵路站場平面一體化應用的研究及開發(fā)[J].鐵道標準設計，2005(6)：34-40.

[7] 周兵和.鐵路站場橫斷面設計系統(tǒng)的開發(fā)[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2005(10)：95-96.

[8] 黃登.鐵路站場計算機輔助設計系統(tǒng)CASD[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2006(8)：180-181.