鐵路站場設計系統研究與開發

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 研究開發背景

經過鐵四院廣大工程技術人員和軟件開發者的持續攻關，2004年開發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、工程數量統一計算和管理、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大規模、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。而先前開發的計算機輔助站場設計軟件已經不能滿足鐵路建設項目設計要求，迫切需要開發一套集成既有線、新線底層統一設計、工程數量統一計算和管理、綜合管線輔助設計和成果輸出、站場聯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。為此，以既有鐵路站場、新建鐵路站場為研究對象，研究開發了具有自主知識產權和站場專業特色的鐵路站場設計系統軟件，并在工程實踐中得到推廣和使用。

2 系統總體設計

2.1 系統功能和流程

結合站場專業的設計特點，鐵路站場設計系統應包括各階段(規劃研究、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、聯絡線、疏解線設計。開發的系統功能主要包括：設計原則、規范參數管理和應用；數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；工程數量計算和管理；成果資料繪圖和輸出；三維數據模型接口和展示等。工作流程如圖1所示。

圖1 系統流程

2.2 開發運行環境

軟件系統采用Visual C++編程語言和C#語言、ObjectArx2010(AutoCAD二次開發類庫)、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數據庫訪問技術)、COM(組件對象模型)接口等技術開發。

系統要求PIII以上處理器，512M以上內存，硬盤256G，512M獨立顯存以上顯示器。系統軟件要求Win7及以上windows操作系統。應用軟件要求中文AutoCAD2010、2012圖形平臺，office2010辦公系統(Access數據庫和Excel電子表格)。

3 系統主要功能

系統充分吸收線路專業、路基專業等國內外專業輔助設計軟件在設計計算、定線成圖、數模應用以及三維建模等方面的優點，以實現既有、新建鐵路站場平、縱、橫聯動交互設計與三維建模渲染核心，可實現多方案、多時態信息共享設計，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標樁實體，平面水溝實體，綜合管線實體，可實現數據與圖形交互聯動設計。

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

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

(6)實現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量自動計算功能。

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

(8)實現排水溝自動預建、對排水路徑和排水能力進行檢算。

(9)實現綜合管線輔助設計和工程數量自動計算。

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

(11)實現基于標準表格的工程數量自動計算、匯總統計。

(12)實現咽喉區旋轉、延伸、移動等平面咽喉智能調整功能。

(13)實現基于OSG的鐵路站場及樞紐三維場景自動構建、實時動態瀏覽功能。

4 關鍵技術

4.1 圖形與數據實時聯動設計

本項目采用面向對象編程思想，通過CAD的二次開發接口ObjectARX直接創建自定義實體，直接訪問AutoCAD數據庫結構、圖形系統以及CAD幾何造型核心，達到“所見即所得”的設計效果，實現圖形與數據實時聯動設計。

所創建的平面股道實體、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、動態線路實體等實體，均封裝了用于描述各實體屬性的屬性數據用于計算，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據封裝成了一個整體，實時同步，達到了圖形與數據實時聯動設計的效果，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

本項目創建全新的排水設備數據結構，將原先離散的無法關聯的排水溝連接成一個完整的排水系統。按照排水系統的幾何拓撲結構，采用一種算法，可以對排水路徑進行檢查；按照排水系統的流水特點，調整排水溝的溝底高程；根據流量參數和匯水面積，計算每個排水溝截面的流量；根據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量自動計算

本項目創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，實現了車站綜合管線圖繪圖設計和工程數量自動計算。

4.4 平面咽喉智能調整

借助矩陣變換技術，實現了咽喉區旋轉、延伸、移動等平面咽喉智能調整功能。

項目根據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，再根據調整量調整各對象，從而實現平面咽喉的智能調整功能。這一功能尤其適用于前期區段站、編組站設計時調整角度達到優化平面設計功能。

4.5 平縱橫信息共享、聯動設計

系統將平、縱、橫信息進行統一設計和存儲，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系，具有交互性強、信息量大、界面友好的特點。

系統通過多視口技術，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系又相對獨立，同時各視口之間的數據通過底層自動傳遞，實現了信息共享、實時聯動。平面股道位置、高程，設備信息等發生變動時，自動通知橫斷面和縱斷面，同步更新相關數據，自動修改橫斷面分坡和坡面設計，更新土石方數量信息；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據庫驅動，實現了車站平面、縱斷面、橫斷面信息的共享、聯動設計。

4.6 基于標準表格體系的工程數量自動計算

實現了鐵路站場工程根據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量自動計算。系統通過分析工程數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量自動編碼、自動計算體系。只要有計算標準和單位工程數量，就可以套用標準表格體系，實現工程數量自動計算和自動入庫。

4.7 聯絡線、疏解線動態選線設計

通過建立動態線路自定義實體，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，實現了樞紐內聯絡線、疏解線等線路積木法定線、交點法定線，可以精準地實現線路繞避指定障礙物。通過指定交點屬性，可以實現聯絡線出岔和接軌點角度和方向不變(道岔角度)，從而達到動態調整聯絡線、疏解線線路，優化工程設計，節約工程投資的目的。

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據庫中，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，實現了鐵路車站及樞紐聯絡線、疏解線三維場景的實時動態顯示，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，開發了鐵路站場設計系統軟件，解決了既有線、新線底層統一建模、平縱橫數據聯動、站場綜合管線輔助設計、站場工程數量統一計算和管理、站場三維場景展示等關鍵技術。

研究開發的鐵路站場設計系統已經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，研究開發的圖形與數據實時聯動設計、排水溝流量檢算與路徑檢查、綜合管線設計與工程數量自動計算、平面咽喉智能調整、平縱橫信息共享聯動設計、基于標準表格體系的工程數量自動計算、聯絡線(疏解線)動態選線設計、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，據統計分析，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化工作，取得了良好的經濟效益和社會效益，值得在工程設計中推廣應用。

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