多耦合約束條件下鐵路站場總體布置圖自動(dòng)生成方法研究

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多耦合約束條件下鐵路站場總體布置圖自動(dòng)生成方法研究

王許生1, 2，蒲浩1, 2，張?zhí)?, 4，李偉1, 2，王雷1, 2

(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(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075；3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043；4. 軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

針對(duì)鐵路站場總體布置圖繪制時(shí)多耦合約束的難點(diǎn)，基于分階段處理耦合約束的思想，提出“斷面掃描法”處理設(shè)備坐標(biāo)的相對(duì)位置約束，而后將“自適應(yīng)分段多比例法”用于解決比例協(xié)調(diào)約束，在最后的約束調(diào)整過程中，應(yīng)用“相交可行域法”，實(shí)現(xiàn)道岔及股道相關(guān)約束的自動(dòng)處理。該研究可快速建立站場設(shè)備從原方案到總體布置圖的坐標(biāo)映射，實(shí)現(xiàn)滿足所有約束條件的總體布置圖的自動(dòng)生成。研究成果已在若爾蓋、開原西等多個(gè)站場設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用。

鐵路站場；總體布置圖；耦合約束；坐標(biāo)映射

鐵路站場專業(yè)承上啟下，是站后專業(yè)設(shè)計(jì)的“龍頭”。在鐵路站場的設(shè)計(jì)研究中，平面設(shè)計(jì)是關(guān)鍵和核心[1?4]，而站場總體布置圖又是站場平面方案的精髓，反映站場形態(tài)、線路布置情況、道岔坐標(biāo)相對(duì)位置、警信布設(shè)等，是站場方案決策時(shí)的重要參照，行車調(diào)度的重要依據(jù)，站場車站表出圖以及通信信號(hào)等站后專業(yè)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)圖形[5]。站場總體布置圖所要表達(dá)的設(shè)備眾多，設(shè)備之間的耦合約束關(guān)系復(fù)雜，在繪制時(shí)需要滿足多項(xiàng)約束關(guān)系，包括股道交點(diǎn)轉(zhuǎn)向約束，設(shè)備之間在里程和支距方向上的坐標(biāo)相對(duì)位置約束，道岔相對(duì)于所在股道的附著約束，道岔岔心始終與股道起點(diǎn)或終點(diǎn)重合約束，股道間平行關(guān)系約束，非立交股道之間不交叉約束。同時(shí)，總體布置圖需要兼顧美觀性要求，需保證站場上、下行咽喉區(qū)與到發(fā)線有效長段之間的協(xié)調(diào)比例。站場總體布置圖的傳統(tǒng)繪制方式是通過設(shè)計(jì)人員進(jìn)行手工繪制，設(shè)計(jì)效率低，重復(fù)工作多。隨著AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者為了提高總體布置圖的繪制效率對(duì)其繪制方式進(jìn)行了改進(jìn)研究[6?13]。劉實(shí)秋[6]提出了鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)設(shè)想，采用模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了信號(hào)平面圖的自動(dòng)生成；安春蘭[7]基于站場設(shè)備圖元的思想實(shí)現(xiàn)了鐵路車站信號(hào)平面布置圖計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；呂亞輝[8]依據(jù)計(jì)算機(jī)圖形自動(dòng)識(shí)別與判定思想，完成了鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)所需的雙線軌道電路圖的生成。這些研究對(duì)于改善信號(hào)平面圖的繪制方式，提高其繪制效率方面具有非常積極的意義，同時(shí)對(duì)本文的研究也具有一定的參考價(jià)值。然而以上研究主要在于鐵路站場信號(hào)平面布置圖生成方面，主要是依據(jù)站場二維設(shè)計(jì)圖紙，通過人工識(shí)別站場設(shè)備，將站場設(shè)備，如各種類型的信號(hào)機(jī)、道岔、車擋等設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)圖塊的形式，然后采用手工插入設(shè)備圖塊以及手工繪制圖塊間連線的方式繪制，設(shè)計(jì)效率較低。在站場方案修改時(shí)，總體布置圖需要重新手工繪制，操作難度大。隨著鐵路的高速發(fā)展，站場設(shè)計(jì)任務(wù)日益繁重，迫切需要站場總體布置圖的準(zhǔn)確、快速生成，而現(xiàn)有的技術(shù)無法滿足該需求，故開展鐵路站場總體布置圖的自動(dòng)生成方法研究具有很好的工程意義。

1 研究模型及思路

鐵路站場設(shè)備眾多，從形態(tài)上可分為點(diǎn)狀設(shè)備(如：道岔、車擋、信號(hào)機(jī)等)、線狀設(shè)備(如：股道、圍墻等)、面狀設(shè)備(如：站臺(tái)、房屋等)。由于點(diǎn)是構(gòu)成線、面的基礎(chǔ)，比如由股道的交點(diǎn)可以得到股道的幾何線形，由站臺(tái)的邊界點(diǎn)可以得到站臺(tái)邊界線，從而創(chuàng)建出站臺(tái)面。因此總體布置圖繪制的重要目標(biāo)在于得到站場設(shè)備點(diǎn)從原設(shè)計(jì)圖到總體布置圖的坐標(biāo)映射，并且該映射需要滿足多種耦合約束條件，如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)映射及約束

()表示站場原方案中設(shè)備點(diǎn)坐標(biāo)的里程和支距，()表示總體布置圖中對(duì)應(yīng)的設(shè)備點(diǎn)坐標(biāo)的里程和支距。

映射()需要滿足的約束條件如下：

C-1：站場設(shè)備之間在里程和支距方向上的相對(duì)位置約束；

C-2：兼顧美觀性，咽喉區(qū)與到發(fā)線有效長段比例協(xié)調(diào)約束；

C-3：道岔相對(duì)于所在股道的附著約束；

C-4：股道交點(diǎn)轉(zhuǎn)向與站場原方案一致約束；

C-5：道岔岔心始終與股道起點(diǎn)或終點(diǎn)重合 約束；

C-6：股道間平行關(guān)系約束；

C-7：非立交股道間不交叉約束。

圖2 鐵路站場總體布置圖自動(dòng)生成研究思路

由于求解坐標(biāo)映射()時(shí)需要考慮的約束條件較多，并且以上約束條件難以同時(shí)處理，給求解工作帶來了很大的難度。為解決該問題，提出了“三階段約束處理法”，分階段處理復(fù)雜的耦合約束，最終滿足總體布置圖所需考慮的所有約束，保證總體布置圖與站場原方案邏輯關(guān)系的一致性。

第1階段處理C-1約束，即站場設(shè)備之間的相對(duì)位置約束；

第2階段處理C-2約束，即咽喉區(qū)與到發(fā)線有效長段比例協(xié)調(diào)約束；由于在站場原方案中，咽喉區(qū)與到發(fā)線有效長段在長度上可能有很大的差異，為兼顧總體布置圖的協(xié)調(diào)美觀，各段無法采用統(tǒng)一的比例。因此在處理該約束時(shí)，本文對(duì)原方案進(jìn)行分段，提出“自適應(yīng)分段多比例法”，提升了總體布置圖的協(xié)調(diào)性和美觀性。

第3階段處理C-3，C-4，C-5，C-6和C-7約束，該階段約束處理之后，可使生成的站場總體布置圖滿足股道交點(diǎn)轉(zhuǎn)向與原方案一致、滿足道岔相對(duì)于所在股道的附著約束以及股道間不交叉等 約束。

鐵路站場數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是中鐵一院與中南大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的一款站場數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的一大特色便是建立了站場專業(yè)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了圖形與數(shù)據(jù)的雙向聯(lián)動(dòng)，同時(shí)隨著鐵路站場專業(yè)數(shù)據(jù)庫的建立，本文依據(jù)站場設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了總體布置圖的一鍵式自動(dòng)生成，避免了繁瑣的手工繪制操作，并且在站場方案更改時(shí)，可實(shí)現(xiàn)總體布置圖與原方案之間圖形、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確聯(lián)動(dòng)，顯著提高了設(shè)計(jì)效率。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 總體基線生成

在鐵路站場的設(shè)計(jì)過程中，“基線”是站場設(shè)備的坐標(biāo)參照。對(duì)于多條基線存在的站場方案，其中的任一條基線都無法作為所有設(shè)備的坐標(biāo)參照，因此需要設(shè)定新基線，并將其作為站場所有設(shè)備的坐標(biāo)參照基線。讀取站場設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)庫，計(jì)算非渡線股道各交點(diǎn)的方位角，選取方位角最多的方向作為新的基線方向創(chuàng)建站場原方案的新基線baseline-general，并將站場所有設(shè)備轉(zhuǎn)化為相對(duì)于新基線baseline-general的坐標(biāo)參照。

2.2 斷面掃描法建立基線法向支距映射

站場總體布置圖需要保證設(shè)備間在里程和支距方向上正確的相對(duì)位置關(guān)系，故在本階段約束處理時(shí)采用“斷面掃描法”生成樁號(hào)?設(shè)備點(diǎn)(-)數(shù)組，并對(duì)設(shè)備點(diǎn)進(jìn)行分析，生成支距?設(shè)備點(diǎn)(-)數(shù)組。記錄各設(shè)備點(diǎn)的里程和支距，從而在繪制總體布置圖時(shí)保證設(shè)備間正確的相對(duì)位置關(guān)系。

“斷面掃描法”是指匯總站場股道所有交點(diǎn)、站臺(tái)邊界點(diǎn)以及車站中心點(diǎn)相對(duì)于新基線baseline- general的里程樁號(hào)生成樁號(hào)數(shù)組，而后沿各樁號(hào)處掃描設(shè)備生成-數(shù)組。具體步驟如下。

1) 選取站場股道交點(diǎn)樁號(hào)、站臺(tái)邊界點(diǎn)樁號(hào)以及站中心樁號(hào)生成樁號(hào)數(shù)組，中M表示各里程樁號(hào)，表示樁號(hào)數(shù)組中樁號(hào)的總數(shù)目。

由于站場中的股道包括非渡線股道以及渡線股道兩類，道岔是股道的起點(diǎn)或終點(diǎn)，車擋是股道的終點(diǎn)，故所有的股道交點(diǎn)包括了所有的道岔點(diǎn)和車擋點(diǎn)。因此，在總體布置圖繪制時(shí)，數(shù)組中的股道交點(diǎn)樁號(hào)可實(shí)現(xiàn)快速繪制股道幾何形位，同時(shí)可準(zhǔn)確定位道岔和車擋的位置；站臺(tái)邊界點(diǎn)樁號(hào)和站中心樁號(hào)可便于布置圖中站臺(tái)以及站中心標(biāo)志的繪制。

2) 提取斷面設(shè)備，生成-數(shù)組。循環(huán)樁號(hào)數(shù)組，依次沿各里程樁號(hào)處切線方向做掃描線與站場設(shè)備求交(如圖3所示)，生成該里程樁號(hào)處的設(shè)備點(diǎn)數(shù)組，為保證正確的相對(duì)位置，對(duì)中設(shè)備點(diǎn)按支距從小到大排序。其中E表示設(shè)備點(diǎn)，并且記錄其屬性(如股道交點(diǎn)或站臺(tái)點(diǎn)等)，表示設(shè)備數(shù)組中設(shè)備點(diǎn)的總數(shù)目。每個(gè)樁號(hào)均對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備點(diǎn)數(shù)組，最終生-數(shù)組。

對(duì)生成的-數(shù)組中所有的設(shè)備點(diǎn)按照支距進(jìn)行分組，建立-數(shù)組，該操作的目的在于可以將平行股道的交點(diǎn)歸納到一個(gè)支距數(shù)組中，便于平行股道的識(shí)別。

D表示支距；表示支距數(shù)組中支距的總數(shù)目，每一個(gè)支距數(shù)組對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備點(diǎn)數(shù)組。分析建立的-數(shù)組，查找平行股道對(duì)應(yīng)的支距數(shù)組，并根據(jù)總體布置圖相鄰平行股道間的間距標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定平行股道在總體布置圖上的新支距，建立支距映射。

2.3 自適應(yīng)分段多比例法建立基線里程方向映射

總體布置圖需要兼顧美觀性的要求，并且需要考慮上下行咽喉區(qū)與到發(fā)線有效長段的協(xié)調(diào)，因此對(duì)整體方案無法采用統(tǒng)一的比例量化。本文提出“自適應(yīng)分段多比例法”，對(duì)站場原方案進(jìn)行分段處理(如圖4所示)，并依據(jù)總體布置圖圖幅長度計(jì)算各分段對(duì)應(yīng)的比例，創(chuàng)建出站場設(shè)備從原方案到示意圖的里程映射。

圖3 “斷面掃描法”示意圖

圖4 站場原方案分段

區(qū)段S1表示站場下行咽喉區(qū)之外的區(qū)域，Length1表示該段長度；

區(qū)段S2表示站場下行、上行咽喉區(qū)以及站坪區(qū)區(qū)域，Length2表示該段長度；

區(qū)段S3站場上行咽喉區(qū)之外的區(qū)域，Length3表示該段長度。

為兼顧上下行咽喉區(qū)與咽喉區(qū)間到發(fā)線有效長段之間的協(xié)調(diào)，在總體布置圖上對(duì)區(qū)域S2進(jìn)行三等分處理，即：

各分段的比例如下：

原方案中各分段起、終點(diǎn)里程以及對(duì)應(yīng)的長度如表1所示。

表1 原方案各分段信息

2.4 相交可行域法修正初步映射

由于上述過程建立的初步映射1()未考慮股道交點(diǎn)轉(zhuǎn)向約束、道岔相對(duì)于所在股道的附著約束等，因此由1()直接繪制的總體布置圖無法滿足所有的耦合約束條件，因此需要對(duì)初步映射1()進(jìn)行修正從而得到坐標(biāo)最終映射。

1) 將道岔點(diǎn)相對(duì)于所在股道進(jìn)行投影處理，修正道岔點(diǎn)的坐標(biāo)，從而滿足道岔相對(duì)于所在股道的附著約束；

2) 總體布置圖中股道交點(diǎn)轉(zhuǎn)向可能與原方案中不一致，如圖5所示。原方案中股道交點(diǎn)的轉(zhuǎn)向?yàn)樽筠D(zhuǎn)，而總體布置圖中對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)的轉(zhuǎn)向?yàn)橛肄D(zhuǎn)，因而需要對(duì)總體布置圖中的交點(diǎn)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行修正，使其與原方案中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)向一致。

圖5 股道交點(diǎn)轉(zhuǎn)向約束

在修正股道交點(diǎn)轉(zhuǎn)向的過程中需要保證股道間不交叉以及股道之間的平行關(guān)系不變。由于修正股道交點(diǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前股道幾何形位發(fā)生變化，從而會(huì)影響到該股道上的道岔以及道岔的引出股道，為了提高運(yùn)行效率，同時(shí)避免無效的股道交點(diǎn)修正，在股道交點(diǎn)修正時(shí)應(yīng)遵循從中心股道向兩側(cè)的股道修正的順序，約束處理流程如圖6所示。

圖6 約束處理流程

在修正過程中，需要檢測交點(diǎn)轉(zhuǎn)向是否與原方案一致，可先將當(dāng)前交點(diǎn)的里程支距坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)，而后利用式(6)進(jìn)行檢測：

式(6)為檢測總體布置圖中交點(diǎn)轉(zhuǎn)向的公式。其中，點(diǎn)，和為布置圖上某股道相鄰的3個(gè)交點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)與原方案中的交點(diǎn)，和。

交點(diǎn)轉(zhuǎn)向是否滿足一致性要求可用上式檢測：若0則滿足要求，否則不滿足。

當(dāng)轉(zhuǎn)向不滿足要求時(shí)，需要對(duì)交點(diǎn)轉(zhuǎn)向進(jìn)行修正。修正時(shí)，采用“相交可行域法”[14?15]確定滿足轉(zhuǎn)向要求的交點(diǎn)可動(dòng)區(qū)域，考慮到需要兼顧股道不交叉的約束，因此在可動(dòng)區(qū)域內(nèi)查找與修正前點(diǎn)位最接近的點(diǎn)作為修正后的位置。若當(dāng)前交點(diǎn)與前一交點(diǎn)在原方案中處于同一-數(shù)組中，則調(diào)整后的交點(diǎn)在布置圖上的支距也應(yīng)與前一交點(diǎn)相同，從而滿足股道的平行約束。

“相交可域法”是采用可行域相交的方法求解出當(dāng)前交點(diǎn)可動(dòng)區(qū)間的一種方法，具體過程如下：

如圖7中所示，點(diǎn)E為當(dāng)前需要修正的股道交點(diǎn)，其股道的前一交點(diǎn)為點(diǎn)。

1) 根據(jù)點(diǎn)E所在的-數(shù)組可以得到點(diǎn)E相鄰的兩點(diǎn)E?1和E+1對(duì)應(yīng)的支距Dist?1和Dist+1，據(jù)此可得可行域：

4) 計(jì)算交點(diǎn)可行域：

在交點(diǎn)可行域Section內(nèi)選擇與點(diǎn)E位置最接近的點(diǎn)作為修正之后的位置，交點(diǎn)位置修正后，將前一交點(diǎn)與后一交點(diǎn)之間的股道段落上的道岔點(diǎn)重新投影。

圖7 “相交可行域法”示意圖

待所有的股道交點(diǎn)修正完成之后，即可建立起原方案到總體布置圖設(shè)備之間坐標(biāo)的最終映射()。

2.5 總體布置圖繪制

利用式(7)中的()映射將原方案中的設(shè)備點(diǎn)里程支距坐標(biāo)(股道交點(diǎn)坐標(biāo)、道岔坐標(biāo)、車擋坐標(biāo)等)映射出總體布置圖上的里程支距坐標(biāo)，而后根據(jù)總體布置圖基線baseline-local將里程支距坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成經(jīng)緯度坐標(biāo)，而后根據(jù)設(shè)備點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)以及將設(shè)備點(diǎn)之間連線完成總體布置圖的繪制。

3 案例分析

本文研究的總體布置圖自動(dòng)生成方法已在若爾蓋、開原西、新西安南站等65個(gè)鐵路站場算例的車站表出圖以及通信信號(hào)示意圖出圖中測試通過。本文以若爾蓋算例為例，對(duì)總體布置圖的自動(dòng)生成方法進(jìn)行分析，介紹本研究的優(yōu)勢和先進(jìn)性。

若爾蓋車站原方案如圖8所示。

1) 經(jīng)過斷面掃描獲取支距映射之后，可使總體布置圖滿足設(shè)備間的相對(duì)位置約束，如圖9所示；由圖9可知，生成的總體布置圖上下行咽喉區(qū)與到發(fā)線有效長段之間比例不協(xié)調(diào)，因此需要對(duì)總體布置圖進(jìn)行第2階段約束處理，使其滿足比例協(xié)調(diào) 約束。

2) “自適應(yīng)分段多比例法”解決了比例協(xié)調(diào)問題，約束處理后的布置圖如圖10所示；雖然該圖所示的總體布置圖兼顧了比例協(xié)調(diào)約束，提高了布置圖的可觀效果，但是對(duì)布置圖的細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，布置圖中股道的交點(diǎn)轉(zhuǎn)向約束、道岔相對(duì)于所在股道的附著約束等無法滿足，詳細(xì)情況如圖11所示，因此需要對(duì)布置圖進(jìn)行第3階段的約束處理，處理后圖形如圖12所示。

3) 經(jīng)過第3階段約束處理之后，可使總體布置圖滿足所有的約束條件，生成邏輯關(guān)系與站場原方案一致，且比例協(xié)調(diào)的鐵路站場總體布置圖。

“三階段約束處理法”采用分階段處理約束的思想，最終實(shí)現(xiàn)耦合約束的全部滿足，從而生成邏輯關(guān)系與原方案一致，且滿足所有約束的鐵路站場總體布置圖。本次選用的若爾蓋站場算例自動(dòng)生成的站場總體布置圖如圖13所示。經(jīng)檢查，該圖滿足了站場總體布置圖所需滿足的所有耦合約束 條件。

圖8 若爾蓋原方案

圖9 處理相對(duì)位置約束后的布置圖

圖10 滿足比例協(xié)調(diào)后的布置圖

圖11 約束處理前圖形

圖12 約束處理后圖形

圖13 若爾蓋車站總體布置圖

4 結(jié)論

1) 提出了“三階段約束處理法”，將總體布置圖中復(fù)雜的耦合約束進(jìn)行分階段處理，最終實(shí)現(xiàn)所有約束條件的滿足。

2) 提出了“斷面掃描法”、“自適應(yīng)分段多比例法”以及“相交可行域法”，利用“斷面掃描法”初建坐標(biāo)支距映射、“自適應(yīng)分段多比例法”初建坐標(biāo)里程映射，“相交可行域法”修正有誤的股道轉(zhuǎn)向點(diǎn)，最終建立起滿足所有約束條件的坐標(biāo) 映射。

3) 大量站場實(shí)例驗(yàn)證了本文方法可一鍵式生成滿足眾多耦合約束條件的站場總體布置圖，提高了設(shè)計(jì)效率。

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Research on automatic generation of railway station overall layout under multi-coupling constraints

WANG Xusheng1, 2, PU Hao1, 2, ZHANG Tian3, 4, LI Wei1, 2, WANG Lei1, 2

(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 & Design Institute Group Co., Ltd, Xi’an 710043, China; 4. State key Laboratory of Rail Transit Engineering Information, Xi’an 710043, China)

Aiming at the difficulties of multi-coupling constraints when drawing the overall layout of railway station and based on the idea of staging the coupling constraint in the railway station, this paper firstly proposed the method of “cross-sectional scanning” to deal with the relative position constraints of equipment coordinates, then used “adaptive segmentation and multi-proportion method” to solve the scale coordination constraint, and finally, in the process of constraint adjusting, the “intersecting feasible domain” was applied to realize the automatic processing of the turnout and orbit-related constraints. This method can build the coordinate mapping of the railway station equipment from the original plan to the overall layout quickly, and finally, generate the overall layout that satisfies all the constraints automatically. These research results have been applied in the design of several railway stations, such as Kaiyuanxi station and Ruoergai station successfully.

railway station; overall layout; coupling constraints; coordinate mapping

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.032

U291.1

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0239 ? 10

2017?12?20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608543，51778640)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017JJ3382)

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(jì)理論與方法研究；E?mail：leewei@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)