高速鐵路綜合維修設施工藝智能設計系統的開發與應用

趙鐵柱 崔萬里 孟慶宇 陳榮順 王小岑 許 勇

中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，430063

0 引言

我國高速鐵路具有世界范圍內運營速度最快、運營里程最長，行車密度最大，路網規模最廣等諸多特點，而高速鐵路安全、準點、高速等目標的達成都需要基礎設施保持良好狀態[1-2]作為基本支撐。傳統的鐵路維修作業采用分專業維修的模式，工務、供電、電務部門相互獨立，這種維修模式難以適應高速鐵路維修天窗時間短、響應速度快、站間距大等現實需求，因此需要針對高速鐵路的特點建立全新的維修工藝[3-4]。目前中國鐵路總公司提倡工務、電務、供電合一，推行高鐵綜合維修的工作模式，但在超大規模線網下，維修布局的合理規劃直接影響到維修的經濟性以及時效性[5]。特別是對于大型鐵路樞紐，如何進行維修布局的規劃，是智能設計的重難點。傳統布點方式依據《高速鐵路設計規范》和經驗進行布點，而規范上只說明了工區管轄里程為50 km，車間管轄里程為150 km，其他影響維修機構布點的關鍵因素(如維修機構是否具備時效性、便利性、利舊條件、可實施性等)需要依靠設計人員憑經驗考慮判斷。人工進行布點不僅費時費力，而且布點過程并沒有經過科學的計算，無法做到最優化布點。此外，布點后的綜合維修工藝設計也是根據設計人員經驗和各鐵路局要求進行的，資源利用率低；由于傳統的高速鐵路綜合維修設施設計接口繁多、設計文件標準不一，導致設計效率和設計效果難以滿足目前高速鐵路的發展需求。

本文運用地理信息系統(geographic information system, GIS)技術，綜合考慮路網規劃、管轄能力、既有維修設施及行政區劃等因素，設計了工務、供電、電務維修綜合模式下的最優布點，并實現了可視化輸出。開發了高速鐵路綜合維修設施工藝智能設計系統，該系統涵蓋預可研、可研、初步設計、施工圖全設計階段，包含站場、線路、橋梁、隧道等14個協同專業接口，實現了設計布局方案、設計文件、設計圖紙全套資料的一鍵輸出和無縫對接。

1 軟件框架

本文在全壽命周期理論以及計算機輔助理論的基礎上，研發了高速鐵路綜合維修設施工藝智能設計系統，該系統具有基于GIS的維修布點優化功能、全過程數字化設計功能，能夠指導綜合維修基地、車間、工區的全過程設計。

高速鐵路綜合維修設施工藝智能設計系統采用三層架構，包含界面層、業務邏輯層與數據層，如圖1所示。界面層用于搭建良好的人機交互界面，實現用戶與系統的實時交流，按功能模塊分為可視化布點界面、數字化設計界面、參數化成圖界面。業務邏輯層實現知識管理與數據層的應用，包括智能布點算法實現、空間地理信息融合、綜合維修數字化設計、基于VBA的二次開發，從而實現參數驅動綜合維修設計。數據層實現數據存儲，包括數字化接口、數字化輸入、數字化圖元、標準模板庫、設備庫等。

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

本系統采用智能布點、數字化設計以及二次開發技術驅動數據層的數據庫，從而實現可視化布點、綜合維修全過程數字標準化設計、參數驅動成圖等功能。該系統已在武廣、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用。

2 基于GIS的綜合維修設施智能布點

GIS技術具有強大的空間數據管理和分析功能，利用GIS技術將地理信息與綜合維修設施規劃數據相結合[6]，生成可視化工區布點，可實時顯示各布點行政區劃、人口特性、城市規模、交通狀況等信息，從而實現對空間數據的有效管理，達到圖文并茂，所見即所得的可視化效果，從而有利于對綜合維修設施的科學布點。

由于單個維修車間的管轄范圍在150～200 km，車間下轄的工區管轄范圍在0～50 km，并且維修機構之間管轄無重疊，因此針對高速鐵路線網維修機構選址這一問題，可以采取如下步驟：①基于GIS將大的線網分割成小的區域進行研究，區域選址結果對于整個線網中其他區域選址相互獨立；②從小的區域中抽離出單條線路，將車站劃分為樞紐、普通車站進行研究，在對選址進行求解時，采用貪心算法的思想，使得所作出的選擇為當前最優；③將尋找到的局部最優解進行組合，即為整個線網維修機構選址的最優解。

雖然維修機構管轄范圍由相關規范進行了明確，但是維修機構的實際管轄受車站站間距的影響。根據各車站行政區劃、城市規模、交通狀況、生活便利程度，對于適合進行選址的車站進行評價并設置權重，按照優先級高低對備選點進行排序，優先選擇優先級高的備選點，再逐步添加優先級低的備選點進行選擇，直到完成選址。在優先級降級的過程中，備選點間距發生變化，需根據備選點間距自適應調整。以某線路為例，設站情況如表1所示，其中，DK24+800表示24 km+800 m，其余類推。

表1 設站情況表

根據GIS數據庫，利用貪心算法對表1中10個車站的優先級別進行評價，結果如表2所示。

程序優先選擇優先級最高的車站組合{1,5,6,10}進行計算，再逐步擴充，直到迭代完畢。最終選址結果及工區管轄范圍如表3所示。生成的綜合維修設施布點如圖2所示。

表3 工區管轄范圍

3 全過程數字設計技術

對傳統的設計輸入、設計接口、設計成果、相關設計規范等非結構數據進行知識收集，提取特征，進行知識標準化整理，納入知識工程系統，作為全過程設計正確性判斷、提示的依據。知識工程系統包含知識管理平臺與知識庫，管理平臺通過知識搜索引擎對知識進行檢索識別，知識庫包含整個標準化設計流程及設備配備標準。標準化設計流程包含設計標準接口、最小標準設計單元、標準圖元、標準模板、設備配置標準以及中間成果計算公式庫等，綜合維修設施工藝設計知識工程體系如圖3所示。

圖2 綜合維修設施布點圖Fig.2 The diagram of comprehensive maintenance facility distribution

圖3 知識工程系統整體結構Fig.3 The overall structure of the knowledge engineering system

全過程設計劃分為預可研、可研、初步設計、施工圖全設計四個階段，可以構建各階段互提資料、工程概算、說明書標準輸出數據模板。數據模板由單一狀態固化數據、多狀態參數化數據及中間成果結構化數據組成。

每個階段以維修設施布點結果、管轄范圍、配置標準為基礎數據，確定定員、房屋面積、停放線數量、設備配備等中間成果，通過中間成果與標準輸出數據模板的組合，形成關于站場、房建、供電、通信、信號等分項內容的專業的接口資料，并形成綜合維修設施的概算結果及說明書。

以南昌東綜合維修車間為例，系統共配置工程車停放線4條，大機停放線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《高速鐵路設計規范》及現場需求。

同時，系統通過設計變量驅動方式，實現全套圖紙的參數化生成。圖紙常量涵蓋維修規則中綜合維修管理組織、設備配置、標準圖中房屋參數、停放線數量、構筑物等設計常量,如表4所示。

設計單元是設計過程中由設計輸入與設計常量生成的最小數據單元。標準化綜合維修設施有布點、房屋表、定員表、股道表等二十余項設計單元，其中房屋表的數據標準如表5所示。

參數化成圖過程如下：①總結、歸納、融合各專業數字化標準，互提資料組成參數化成圖所需的設計常量和設計單元，理順參數驅動主從關系，搭建參數化成圖數據庫結構框架；②通過設計常量和設計單元匯總生成參數表，利用基于VBA的AutoCAD二次開發技術，將記憶圖形結構的參數和一系列圖形繪制語言相結合，描述圖形拓撲關系，從而實現設計圖紙的參數化繪制。參數化成圖的具體流程如圖4所示。

表4 設計常量(軌道車庫)數據標準

表5 設計單元(房屋表)數據標準

圖4 參數化成圖流程Fig.4 Parametric mapping process

4 結語

筆者所提出的高速鐵路維修設施工藝智能設計系統可滿足工程設計的需求，實現了維修設施布局方案可視化和全過程設計文件的智能輸出，使得設計效率及設計標準化程度大幅提升。

該系統構建了全設計階段的綜合維修設施工藝設計知識工程系統，能夠結構化、標準化、參數化高鐵綜合維修設施全過程設計成果(互提資料、投資概算、說明書、設計圖紙)，采用設計變量參數驅動實現全過程設計成果的智能輸出。