鐵路貨車5T設備標準化智能設計系統研究

葛紅

摘? 要：針對鐵路貨車5T設備布點設計難度大、耗時長、設計標準不統一等問題，對其標準化和智能化設計系統進行分析和研究。根據設計流程和布點原則，以RETE算法為基礎，結合URule規則引擎工具，實現5T設備自動布點及布點示意圖自動繪制;基于VBA的二次開發技術和數據轉換技術，搭建智能設計平臺，實現“一鍵式”標準化輸出設計成果文件，改變了傳統人工設計方式，統一了設計標準。測試結果表明，系統整體運行可靠，功能滿足設計需求，可有效提高設計效率和質量。

關鍵詞：5T設備;自動布點;標準化;智能設計

中圖分類號：TP311.5? ? ?文獻標識碼：A

Research on Standardized Intelligent Design System of 5T

Equipment for Railway Freight Cars

GE Hong

Abstract： Aiming at the difficult， time-consuming and inconsistent design standards of 5T equipment layout design for railway freight cars， this paper proposes to analyze and study the standardized and intelligent design system. According to the design process and the layout design principles， the RETE algorithm and the URule rule engine tool are used to realize the automatic layout of 5T equipment and the automatic drawing of layout diagrams. Based on the secondary development technology and data conversion technology of VBA， an intelligent design platform is built to realize the "one click" standardized output of design result files， which changes the traditional manual design method and unifies the design standard. The test results show that the overall operation of the system is reliable， the function meets the design requirements， and it can effectively improve design efficiency and quality.

Keywords： 5T equipment; automatic layout; standardization; intelligent design

1? ?引言（Introduction）

鐵路貨車車輛運行安全監控設備（簡稱“5T設備”）采用智能化、網絡化和信息化技術實現對鐵路車輛運行狀態的實時動態監測，是保障車輛運行安全和運輸效率的重要手段，具體包括THDS、TFDS、TPDS、TADS和TWDS[1-2]。貨運鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路設計過程中，需在沿線設置大量5T設備。經過多年的項目和經驗積累，5T設備的設計原則及要求已相對成熟，但設計方法仍采用傳統的人工設計，其煩瑣的人工設計過程不僅增加了設計人員的工作量，也難以保證設計質量和效率。為了改善設計現狀，順應智能化發展需求，十分有必要對智能設計軟件展開研究，輔助設計工作的高效開展。

2 常規設計方法現狀分析（The current situation analysis of conventional design methods）

常規的人工設計流程為：

（1）設計人員根據搜集到的既有車輛設備資料和上游專業輸入的車站、線路平面圖等資料，依據設備布點原則，初步判斷設備布點里程。

（2）結合上游專業輸入的橋梁表、隧道表，逐一核對所布點里程是否位于橋梁或隧道上，如是，進行相應調整，同時核查是否滿足布點原則要求。

（3）經反復核查和調整后，得到較優的設備布點位置，繪制布點示意圖。

（4）根據布點結果編制專業設計細則、對相關專業的要求、總體設計原則、專業說明書等文件，繪制各設備平面布置圖。

常規的人工設計過程存在以下幾方面的問題：

（1）布點設計難度大、耗時多、效率低。

（2）設計人員的設計方法、設計習慣不同，導致設計標準不統一、易出錯，設計質量差。

（3）每個項目包括預可行性研究、可行性研究、初步設計和施工圖四個設計階段，每個階段上游專業的資料需要調整時，本專業設計內容需要同步調整，調整、核查工作量大。

（4）設計過程中大量的時間主要浪費在對布點結果反復核查和調整的過程中，在項目繁多的情況下，此種重復勞動嚴重浪費了設計人員的設計價值。

3? ?研究目標（Research objectives）

（1）利用數據庫和云平臺技術，采用現狀調研、理論研究、項目實踐相結合的方法，以網絡服務器、普通PC機為硬件基礎，以Visual Studio、AutoCAD、Office等為軟件基礎，完成適用于Windows系列操作系統的網絡版軟件開發，搭建5T設備的標準化及智能化設計平臺。

（2）研究5T設備智能布點技術，通過基于不同使用部門、線路條件等設計數據的積累、更新、合并和挖掘，實現5T設備的全局尋優設計，解決輔助設計適應各使用部門個性化特點的問題，形成設計平臺的標準算法。

（3）研究并實現各設計階段5T設備互提資料、文件、圖紙、技術規格書等的標準化和數字化，在設計平臺上實現設計結果一鍵計算、一鍵成圖、一鍵輸出。

4? ?解決思路（Solutions）

根據以上分析，提出一種面向輸入控制的標準化設計思路，最終形成鐵路5T設備標準化智能設計系統，以解決常規設計方法存在的問題。

4.1? ?功能架構

鐵路貨車5T設備設計主要包括預可行性研究、可行性研究、初步設計和施工圖四個設計階段，每個階段的設計內容不盡相同。此外，針對不同項目和不同使用部門，對5T設備軌邊探測站的要求也有所不同。結合各階段設計要求和各使用部門的個性化要求，將系統功能劃分為系統中心模塊、項目中心模塊和數據中心模塊三大部分[3]，系統功能架構如圖1所示。

（1）系統中心模塊

系統中心模塊是應用模塊管理中心，主要面向系統管理人員。角色管理為系統管理人員提供用戶角色新建、編輯、刪除的管理，并為不同角色配置不同的系統權限。用戶管理包括用戶的新增、編輯和刪除。此外，系統中心模塊還應具備設計文件及圖紙中涉及的常量、公式、設備信息資料的修改、刪除及錄入功能，參考資料等相關資料的錄入功能，以及輸出模板的修改功能。

（2）項目中心模塊

項目中心模塊是項目應用與項目資料存儲中心，也是設計內容標準化中心，主要面向項目設計人員。項目中心模塊將項目設計各階段的資料提入、結果計算、設備選型、參數化成圖、互提資料生成等內容進行標準化、模塊化，使項目設計各環節都符合標準要求。同時，項目設計數據輸入與存儲、項目中間數據快速條件計算、結果數據下載與合成、提出資料智能合成、設計圖紙條件調用與生成等過程均在項目中心模塊中實現。

通過系統內部建立的數據算法模型，系統能快速進行里程換算、探測設備布點位置計算與檢測報錯、探測站布點位置及類型計算等，并將設計參數與輸出文件、繪制圖紙中的數據關聯起來，形成標準化、規范化和通用化的輸入、輸出文件，可有效避免標準不一和疏漏差錯導致的工作反復、質量欠缺等問題。

通過基于VBA的CAD、Word、Excel的二次開發技術，利用數據轉換技術，實現輸入參數與設計成果文件的相互關聯。實現“一鍵式”標準化輸出設計成果文件，包括說明書素材、互提資料、圖紙、技術規格書等，達到“一鍵式”標準化輸出設計成果文件的目的。

（3）數據中心模塊

數據中心模塊是設計參考資料管理中心，是項目引用資料的標準資料庫，主要面向系統管理人員，可對項目標準參考資料進行管理，涉及各資料的類型、適用階段、適用范圍等，供項目中心模塊調用。

4.2? ?技術架構

系統基于J2EE平臺的組件進行技術開發，采用B/S結構，以網絡服務器和普通PC機為硬件基礎，以Visual Studio、AutoCAD、Office等為軟件基礎，確保數據安全，保證軟件系統可擴展性[4-5]。系統技術架構示意圖如圖2所示，劃分為界面層、數據層和應用層。

（1）界面層：系統依據設計需要在界面層對項目信息進行新建和補充，同時進行設計階段分類。

（2）數據層：系統配置了適用于5T設備標準化設計的知識體系，利用數據庫技術、云平臺技術建立的標準化、引導式設計平臺對數據進行整合、分類和管理，使數據的實時存儲、調用更加靈活便利，實現項目資料在數據層的計算和資料匯總。

（3）應用層：系統根據設計需要配置相應的模板庫，使得用戶在應用層快速得到計算結果和標準化設計成果。

5? ?關鍵技術（Key technology）

根據研究目標和功能需求，具體從設計資料、設計過程、設計成果三個方面實現標準化智能設計。

面向輸入控制的標準化設計技術，其重點是要最大程度地減少輸入[6]，實現該技術主要體現在自動讀取技術、自動布點技術、設計成果標準化輸出技術三個方面。

5.1? ?自動讀取技術

自動讀取技術的關鍵在于將設計資料的輸入進行標準化處理，包括標準的數據格式、標準的存放路徑等，實現與本專業、上游專業輸入資料的標準化對接，如圖3所示。

將輸入資料進行標準化格式等處理后，設計時只需要按照標準模板輸入相關設計資料，其輸入的全部數據即可由程序自動讀取并作為后續設計計算的依據。各類資料的輸入支持模板格式數據自動導入，最大程度降低了設計人員的數據輸入工作量，如圖4所示。

5.2? ?自動布點技術

5T設備設計過程中，需要考慮的因素眾多，每個因素都對布點方案存在一定的影響。

THDS設備布點技術要求為：

（1）探測站沿鐵路線路平均距離30 km設置，特殊情況不超過35 km。

（2）探測站宜布置在車站兩端咽喉區的外側。

（3）探測站無法布置在車站兩端時，可布置在車站同一端或區間。

（4）在探頭來車前方有不小于50 m的直線段，困難情況下，最小曲線半徑不宜小于800 m。

（5）探頭距離最近道岔岔尖不小于30 m。

（6）盡量避開長大下坡道。

（7）盡量避免布置在橋梁或隧道上。

（8）位置臨近的5T設備探測站宜合并布置。

（9）與既有線路接軌時，需考慮與既有THDS探測站的距離是否滿足要求。

針對布點原則，如何將其轉換為計算機能夠識別的算法是至關重要的。首先需要判斷設計線路是否與既有線路接軌，如是，則需要考慮接軌線上的THDS探測站，并以此探測站里程為布點起始點。為滿足布點時探測站布置在車站兩端咽喉區外側，且探頭距離道岔岔尖不小于30 m，經過對多個項目的布點分析，總結出布點原則為：小里程處探測站布點位置為進站信號機里程加20 m，大里程處探測站布點位置為進站信號機里程減20 m，以上20 m為計算機迭代計算的初始值。基于上述前提，以30 km（也具備20 km、25 km進行布點的選項功能）為布點間距要求，在車站兩端或區間進行自動布點計算。針對布點結果，軟件應對布點間距是否超過35 km、是否處于橋梁或隧道上等進行判斷并提供提示信息。對于存在提示信息的探測站里程可進行人工調整，系統重新判斷調整后的布點是否滿足多種因素的要求，直至得到較優的布點方案。繪制THDS設備自動布點算法流程圖如圖5所示。

TFDS、TPDS、TADS、TWDS設備主要布置在設有列檢作業場的車站或前方車站進站咽喉外、前方線路區間，其中，TFDS設備距列檢作業場距離不小于10 km。這幾類設備的其他要求與THDS設備類似，均有直線段、道岔、坡度和橋隧等要求[7-8]，其算法實現過程與THDS設備類似，此處不再贅述。

根據5T設備布點算法規則，基于輸入的設計資料，以RETE算法為基礎，通過URule規則引擎和將計算理論變成代碼的形式，快速進行輸入資料里程換算、探測設備布點位置計算與檢測報錯、探測站類型計算等，實現5T設備的自動布點，自動生成布點示意圖，且布點結果在后續輸出資料中自動讀取和輸出。

5.3? ?設計成果標準化輸出技術

根據各個階段輸入的設計資料、常量、計算規則等，按照設計成果文件和圖紙要求，可實現所需設計成果的標準化輸出。不同設計階段形成的設計成果有所不同，主要設計成果包括專業設計細則、對相關專業的要求、專業說明書、總體設計原則、總說明書素材、圖紙等，其輸出的文件和圖紙應具有統一的排版格式、字體、字號、制圖標準等。如自動生成的布點示意圖應包含圖框、圖例、說明、角標欄、車站里程、車站距離、5T設備探測站里程等要素，以滿足設計要求。

首先根據設計要求，對各階段設計成果進行整理、分析與討論后，形成一套完整的標準化設計文件。隨后，借助HTML5頁面技術、OFFICE控件、CAD繪圖控件及文件庫等前沿的中間件和產品，涵蓋各個環節的數據處理，設計了一套統一的常量、公式、計算規則，同時自動讀取輸入資料和自動布點結果，最終實現設計成果的標準化輸出。以施工圖階段為例，需要形成的標準化設計成果如表1所示。

6? ?系統測試（System test）

為了檢驗系統是否能夠實現預期的目標，在多個項目中對系統進行測試。測試主要從軟件功能模塊實現、軟件界面設計、軟件使用流程三個方面進行。

在不同設計階段按照軟件使用流程進行設計資料輸入、自動布點、設計資料輸出等內容的測試，測試結果表明軟件界面簡潔直觀，軟件操作流程較為簡單，各個功能模塊均能實現，自動布點生成的布點示意圖準確性高，滿足設計需求，達到了預期的設計目標。圖6為車站資料的輸入界面，圖7為自動生成5T設備分布示意圖界面。

5T設備標準化智能設計系統的關鍵流程如圖8所示。

7? ?結論（Conclusion）

鐵路貨車5T設備標準化智能設計系統通過智能化設計方法取代傳統的人工設計，為設計人員提供了可視化、高效的輔助平臺，在解放工程師雙手的同時，保證了各設計階段設計資料、設計過程、設計成果的標準化和智能輸出。本系統可應用于所有鐵路貨車5T設備設計項目，能夠極大地提高設計效率，確保設計質量。

參考文獻（References）

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作者簡介：

葛? ?紅（1992-），女，碩士，工程師.研究領域：鐵路車輛，系統軟件開發.