（道路与铁道工程专业论文）铁路中间站平纵横集成式CAD系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 手两斐 铁路中间站辅助设计系统的研究作为铁路勘测设计一体化的重要部分，对提高铁 路勘测设计一体化、集成化和智能化有着重要意义。 既有铁路车站设计系统大都仅对车站平面辅助设计进行深入的研究，纵断面与横 断面设计则需其他辅助设计软件来完成，而纵横断面设计的地面线数据还需通过测量 或者纸上读取等方式才能得到。本文的主要研究目标是在建立数字地形模型( d i g i t a l t e r r a i nm o d e l ) 的基础上，对既有平面设计系统的功能进行拓展，以平面系统为核心， 采用联邦集成的方式，集成既有的横断面和纵断面系统，从而构成一个平、纵、横一 体的车站三维设计系统。 系统以实现车站平纵横的集成设计为目的，主要内容包括数字地形模型的建立、 坐标点高程内插、平纵横集成设计、工程数量输出等内容。系统利用边界生长法，并 充分应用格网化的思想，实现了数字地形模型的快速建立与内插；在拓展平面设计功 能模块功能的过程中，利用o b j e c t a r x 提供的定制实体技术进行平面图形的设计与修 改，从而摆脱了对外部数据库的依赖，建立了基于数字地形模型的平面交互设计系统， 增加了咽喉区自动优化的功能，并在继承既有平纵横独立模块的基础上，实现了中间 站的平纵横集成设计；在工程数量计算模块，利用定制实体的特性，采用组字典对实 体进行管理，自动生成生成轨道、道岔、道碴、站场设备等设计信息。 本系统采用面向对象的系统开发方法，在w i n d o w sx p 操作系统上进行开发，采用 v i s u a l c + + 6 0 作为系统开发平台，以a u t o c a d2 0 0 2 作为图形支撑环境，采用a d o 数据库 访问技术，用o b j e c t a r x2 0 0 2 进行系统开发。 经过具体的实例验证，证明了系统功能的有效性。 关键词铁路中间站：数字地形模型；平纵横集成式；c a d ；o b j e c t a r x 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t s t u d yo nt h es y s t e mo fc o m p u t e ra i d e dd e s i g nf o rr a i l w a yi n t e r m e d i a t es t a t i o nw h i c hi s a l li m p o r t a n tp a r to ft h ei n t e g r a t i o no fr a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g n ，h a sa ni m p o r t a n te f f e c to n i m p r o v i n gt h ei n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n c eo fr a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g n a tp r e s e n t , m o s to fe x i s t i n gd e s i g ns y s t e m sf o rr a i l w a ys t a t i o no n l ya i ma tt h ep l a n d e s i g n ，w h i l et h ev e r t i c a ls e c t i o na n dt r a n s e c td e s i g n sn e e do t h e rs o f t w a r et oa c c o m p l i s h ，a t t h es a m et i m et h ed a t af o rv e r t i c a ls e c t i o na n dt r a n s e c td e s i g n sc a r lb eg e to n l yb ym e a s u r i n g o rr e a d i n go n am a p t h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i si st oa c h i e v eat h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g n s y s t e mw i t hp l a n ，v e r t i c a ls e c t i o na n d t r a n s e c td e s i g n s f i r s t l y , t h ed i g i t a lt e r r a i nm o d e lw i l l b ef o u n d e d s e c o n d l y ，s o m ef u n c t i o n si nt h eg i v e ne x i s t i n gd e s i g nf o rp l a nw i l lb ee x p a n d e d f i n a l l y , t h eg i v e ne x i s t i n gd e s i g ns y s t e m sf o rv e r t i c a ls e c t i o na n dt r a n s e c td e s i g n ss y s t e m w i l lb ee n c l o s e di nm ys y s t e m t h i st h e s i sa i m sa ta c h i e v i n gt h ei n t e g r a t i o nd e s i g nw i t hp l a n ，v e r t i c a ls e c t i o na n d t r a n s e c tf o rr a i l w a ys t a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si n c l u d e sf o u n d i n gd i g i t a lt e r r a i n m o d e l ，c a l c u l a t i n ge l e v a t i o nf o rc o o r d i n a t ep o i n t ，i n t e g r a t i o nd e s i g nf o rp l a n ，v e r t i c a ls e c t i o n a n dt r a n s e c t ，e x p o r t i n gp r o j e c tq u a n t i t y t h es y s t e mc o u l de s t a b l i s hd i g i t a lt e r r a i nm o d e lq u i c k l y t h r o u g ht h ei m p r o v e d b o u n d a r yg r o w t hm e t h o da n dt h eg r i d o r i e n t e dt h i n k i n g ，a tt h es a n l et i m et h es p e e df o r c a l c u l a t i n ge l e v a t i o nf o rc o o r d i n a t ep o i n ti n c r e a s e s w h e nt h eg i v e ne x i s t i n gp l a nd e s i g n s y s t e m sf u n c t i o n sa r ee x p a n d e d ，c u s t o m i z a t i o ne n t i t yt e c h n i q u eg i v e nb yo b j e c t a r xi s u s e df o rp l a ng r a p h sd e s i g na n dm o d i f i c a t i o n , a c c o r d i n g l yt h er e s t r i c t i o nt oe x t e r n a li sc a s t o f f , w h a t sm o r ei st h a tam u t u a la i d e dp l a nd e s i g nb a s e do nd i g i t a lt e r r a i nm o d e li ss e tu p a n dt h et h r o a ta r e aa u t o m a t i co p t i m i z a t i o nf u n c t i o nw a si sa c h i e v e d t h r o u g hi n h e r i t i n gt h e g i v e ne x i s t i n gd e s i g ns y s t e m sf o rv e r t i c a ls e c t i o na n dt r a n s e c ta n du s i n gd i g i t a lt e r r a i nm o d e l ， t h ei n t e g r a t i o nd e s i g no np l a n , v e r t i c a ls e c t i o na n dt r a n s e c tf o rr a i l w a ys t a t i o ni sa c h i e v e d i n t h es u b s y s t e mo fe x p o r t i n gp r o je c tq u a n t i t y ，t h r o u g hm a k i n gf u l lu s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f c u s t o m i z a t i o ne n t i t ya n dt h em e a n so fg r o u pd i c t i o n a r y , t h ei n f o r m a t i o no fo r b i t ，s w i t c h ， b a l l a s t , s t a t i o ne q u i p m e n te t ec a nb ee x p o r t e da u t o m a t i c a l l y t h i ss y s t e mu s e st h eo b j e c to r i e n t e dd e v e l o p m e n tm e t h o da n di sd e v e l o p e do nt h e w i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m v i s u a lc + + 6 0d e v e l o p m e n tp l a t f o r mi su s e di nt h e d e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e m a u t o c a d2 0 0 2i st h eg r a p h i c ss u p p o r te n v i r o n m e n t ，a d oi s t h i ss y s t e m sd a t a b a s e sv i s i tm e a n sa n do b j e c t a r x2 0 0 2i su s e di nt h ep r o c e s so fs y s t e m d e v e l o p m e n t t h i ss y s t e m se f f e c t i v e n e s sh a sb e e np r o v e db yt h es p e c i f i ce x a m p l e s k e yw o r d s ：r a i l w a yi n t e r m e d i a t es t a t i o n ；d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ；p l a n ，v e r t i c a ls e c t i o na n d t r a n s e c ti n t e g r a t i o nd e s i g nc a d ；o b j e c t a r x 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“妒，) 学位论文作者签名：杨冬鼍指刷嗽：场略 ，l 一，y ， 日期：2d d 一争一2 日期：z o o 一一z ， 西南交通大学博士学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文研制了基于数字地形模型的平面交互设计系统，并采用联邦集成的方式， 集成既有的纵断面与横断面系统，通过设置纵断面与横断面设计所需数据源的接口， 构成了平纵横一体的三维车站设计系统。 在数据预处理中采用了偏角法对数据点进行压缩，并对其进行栅格化处理，从而 加快了三角网的构网和内插速度。在数字地形建模中利用改进过的边界生长法，成功 实现了非凸多边形区域离散点的三角形构网。在平面设计功能模块，利用o b j e c t a r x 提供的定制实体技术进行平面图形的设计与修改，从而摆脱了对外部数据库的依赖， 更方便了工程数量的计算与输出。最后通过布置在数字地形模型中平面图形的内插计 算，得到了既有纵断面和横断面设计系统所能识别的地面线数据，再利用既有纵断面 和横断面设计系统进行设计，从而实现了铁路中间站的平纵横集成设计。 学位论文作者签名桶冬量 日期：20 ( 0 一锣一一2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究意义 计算机辅助设计技术的发展已有很多年的历史。随着社会需求的发展，计算机的 新技术、新算法、新成果不断得到应用和发展。实践证明，将计算机技术应用到铁路 勘察设计中，所能带来的经济与社会效益是不可估量的。目前我国铁路建设快速发展， 促使计算机与铁路建设紧密结合，推动了计算机技术的发展和铁路勘测设计手段的进 一步改进与完善。为满足新时期铁路建设发展的需要，有必要对现有铁路设计系统进 行开发研究。 车站设计是铁路勘察设计的重要部分之一。铁路站场专业承上启下，向上承接线 路、桥梁、地质等专业，向下承接房建、信号、接触网、通信、机车、车辆、机械、 给排水、供电、牵引变电、电力等专业。站场平面布置图是各专业设计的基础。在利 用站场布置图的过程中，各专业需进行二次再加工，生成本专业的设计成果。站场在 铁路建设投资方面占很大比重。目前全国约有5 7 0 0 多个车站，全部车站的站线长度， 约占通车里程的4 0 。为了有效地使用国家资金，努力降低造价，少占农田，必须高度 重视车站的规划和设计。 鉴于站场设计和投资的重要地位，站场辅助设计系统的开发与应用必然对铁路勘 测设计的发展有着重要意义。虽然铁路站场计算机辅助设计已经有近四十年的发展历 史，但是现有系统大都仅对站场的平面，或者平面设计中的某一方面设计进行研究， 无法满足目前我国铁路设计项目多、设计要求质量高的现实需求。开发车站平纵横集 成c a d 系统是适应铁路勘测设计一体化、集成化和智能化发展的必然要求。 本论文的主要目标是开发基于数字地形模型的平面交互系统。系统实现在不同的 图形文件中对数字地形模型和平面方案进行独立设计，再将平面方案调入数字地形模 型，并输出纵断面和横断面设计所需的基础数据。本文对既有平面系统进行了功能拓 展，主要包括咽喉区优化和工程数量计算。系统以平面系统为核心，利用数字地形模 型，采用联邦集成的方式，集成既有的横断面和纵断面系统，构成了一个平、纵、横 一体的车站三维设计系统。 1 2 研究现状分析 计算机辅助设计技术( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 简称c a d ) 出现于2 0 世纪6 0 年代。由 于这一技术将计算机高速而精确的计算能力，大容量存储和数据处理能力与人的逻辑 判断，综合分析及创造性思维能力结合起来，从而产生了巨大的威力，并得到了飞速 的发展。c a d 技术在铁路站场设计中应用，则出现于上世纪7 0 年代。经历了由单一功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍。i a mi i i 。e _=-,i i 曼曼鼍寡 辅助设计，到多功能、集成化的发展过程。 本论文可分为两部分内容：数字地形建模和在此基础上实现的平纵横集成设计。 要开发平纵横集成式的铁路站场辅助设计系统，必须利用具有良好内插精度和速度的 数字地形模型作为基础。在数字地形模型上布置站场平面方案，就可以十分方便的得 到纵断面和横断面设计所需的基础数据。因此以下分别对数字地形模型和铁路站场设 计的发展分别加以叙述。 1 2 1 数字地形模型发展与研究现状 人们生活在地球上并与地球表层处处发生联系。千百年来，人们为了认识自然和 改造自然，不断地尝试着用各种方法来描述、表达周围的环境信息，希望用一种既方 便又准确的方法来表达实际的地表现象。 地图是一种古老而有效并一直沿用至今的精确表达地表现象的方式。从本质上讲， 地图是对客观存在的特征和变化规则的一种科学的概括( 综合) 和抽象。对于地图中最 典型也是最重要的地形图而言，由于其描述的客观世界是丰富多彩、千姿百态的三维 空间实体，其二维空间的表达与所表示的三维现实世界之间，有着不可逾越的鸿沟。 正因为如此，千百年来地图学者们一直致力于地形图的立体表示，试图寻求到一种能 既符合人们的视觉生理习惯，有能恢复真实地形世界的表示方法。在此过程中曾先后 出现过写景法、地貌晕渝法、地貌晕渲法、分层设色法、等地图表示方法。 进入2 0 世纪中叶后，伴随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各 种数字地形表达方式也得到了迅猛的发展。电子计算机为自然科学的发展提供了能够 进行严密计算和快速演绎的工具。使用计算机和计算技术是当今信息时代的一个重要 标志，其在测绘方面的应用使得测绘学科逐步向数字化与自动化、实时处理与多用途 的方向发展。计算机技术在很大程度上改变了地图制图的生产方式，同时也改变着地 图产品的样式和用图概念。借助于数字地形表达，现实世界的三维特征能够得到充分 而真实的再现。 数字的技术被引入到地形建模主要应归功于土木工程领域的摄影测量专家。2 0 世 纪5 0 年代中期，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任c h a i r e s l m i l l e r 教授首次 将计算机与摄影测量技术结合在一起，比较成功地解决了道路工程的计算机辅助设计 问题。同时，他还提出了一个一般性的概念和理论：数字地面模型( d t m ：d i g i t a l t e r r a i nm o d e l ) ，即使用采样数据来表达地形表面。他们的原始定义为：数字地面模 型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知x ，y ，z 的坐标点对连续地面的一个简单的 统计表示，或者说，d t m 就是地形表面简单的数字表示。 测绘学从地形测绘的角度来研究数字地面模型，一般仅把基本地形图中的地理要 素，特别是高程信息作为数字地面模型的内容。测绘学家心目中的数字地面模型是新 一代的地形图，地貌和地物过储存在磁性介质中的大量密集的地面点的空间坐标和地 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 i 一一一一i i _ ii i i i 。； i i i ；i ；i 曼曼舅曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼 形属性编码，以数字的形式描述。正因为如此，很多测绘学家把“t e r r a i n 一词理解 为地形，称d t m 为数字地形模型。本文多采用数字地形模型这一概念。 上世纪6 0 年代开始出现的地理信息系统，由于具有众多用户共享的特点，数字地 形模型中所包含的地面特性信息类型就更加丰富了，这些信息一般可分为下列四组：踞1 ( 1 ) 地貌信息，如高程、坡度、坡向、坡面形态以及其他描述地表起伏情况的更为 复杂的地貌因子； ( 2 ) 基本地物信息，如水系、交通网、居民点和工矿企业以及境界线等； ( 3 ) 主要的自然资源和环境信息，如植被、地质、气候等； ( 4 ) 主要的社会经济信息，如一个地区的人口分布、工农业产值、国民收入等。 数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简称d e m ) 是d t m 中最基本的部分，它是 对地球表面地形地貌的一种离散的数学表达。d e m 表示区域d 上的三维向量有限序列， 用函数的形式描述为： u = ( x ，z ，z ，) i = 1 ，2 ，o o o 9n 式中，x i ，z 是平面坐标，互是( x ，z ) 对应的高程。 数字高程模型的理论与技术由数据采集、数据处理与应用三部分组成。对它的研 究经历了四个时期。1 2 0 世纪5 0 年代末，m i l l e r 和l a f l a m m e 除了将d t m 弓i 入上木工程设计和计算外，还用 于监视地球表面的变化( 如下沉、侵蚀和冰川等) 、地球表面的分析( 如发射台覆盖范围 和功率分析等) 或军事应用。提出采用自动化方法和利用航空像片的立体像对全自动化 扫描的方法获取数据。当时的设想和目标至今还适用，有些问题还没有解决至少还没 有完全解决。 2 0 世纪6 0 年代，人们致力于发展地形高程的存储和插值方法。大部分科技工作者 通过研究数学插值方法来减少为建立数字高程模型所必需的数据采样的点数，并逐步 形成了一种观点，即数字高程模型的精度与原始数据点的分布和密度、地貌类型有关。 2 0 世纪7 0 年代初，数字高程模型的研究和应用迅猛发展，除了工程应用之外，主 要利用离散点或断面线高程数据自动绘制等高线图。离散点高程数据主要由全站仪获 取，沿断面线的高程数据采用航测内业的方法获取。 2 0 世纪8 0 年代以来，对d e m 的研究已涉及d e m 系统的各个环节，其中包括用d e m 表示 地形的精度、地形分类、数据采集、d e m 的粗差探测、质量控制、d e m 数据压缩、研究 d e m 应用以及不规则三角网t i n 的建立与应用等。 2 0 世纪9 0 年代，随着地理信息系统( g i s ) 的发展，d e m 成为空间信息系统的一个重 要组成部分，是工程建设、军事指挥、战场环境仿真、决策支持等各种系统中最为重 要的底层数据。因此，系统地建立大区域的数字高程模型是当时的迫切任务。 进入2 1 世纪，随着科学技术特别是计算技术的迅速发展，在d e m 的数据获取方法、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 数据存储和数据处理速度等方面己经取得了一些突破性进展。数字地形模拟已经成为 地球科学重要的分支之一。在美国、中国、德国、英国等国家，d e m 作为数字地形模拟 的重要成果已经成为国家空间数据基础设施( n a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ， n s d i ) 的基本内容之一，并被纳入数字化空间数据框架( d i g i t a ls p a t i a ld a t a f r a m e w o r k ，d s d f ) 进行规模化生产。目前，d e m 己成为各勘测部门的基本任务和日常 工作之一。d e m 作为地球空间框架数据的基本内容，是各种地理信息的载体，在国家空 间数据基础设施的建设和数字地球战略的实施进程中都具有十分重要的作用。 1 2 2 铁路站场设计发展与研究现状 1 2 2 1 国外发展与研究现状 早在七十年代，前苏联、日本及欧美等国就已经先后开始了铁路站场c a d 技术方 面的应用研究，并提出了相应的设计模型，开发了部分应用软件。州 1 前苏联 前苏联的铁路站场设计人员试图以铁路站场的优化设计作为计算机辅助设计软件 开发的主要目标，因此，在早些时间他们提出了很多的有关铁路站场设计方面的优化 理论和优化模型。但是，影响铁路站场布局的因素很多，很难用定量的数学模型加以 描述，所以从目前所掌握的资料上看，还没有发现有关前苏联铁路站场设计优化的软 件成果。 2 日本 在日本编组站现代化改造高潮时期，为了加快设计进度，先后开发研制了调车场 内某局部辅助设计软件，最典型的是为了加强调车场内的解编能力而对箭翎线进行研 究的过程中开发出的箭翎线辅助设计软件。其目的不是在于铁路站场设计软件的开发， 而是为了科学研究的需要，利用计算机辅助设计的手段，以最快的速度设计出各种箭 翎线的平面布置方案和纵断面，供计算机模拟试验使用。 3 美国 在美国，国家铁路网及站场布局已成定局，新站建设不可能形成规模。因此，有 关的铁路站场设计多以适应新形势下的旧站改造为主，尤其是基于现代化的车场平纵 断面改造。另外，美国的勘测设计过程与我国的有所不同，即设计方案在施工之前必 须结合运营后远期的条件，进行运营模拟试验。所以必须为试验开发出铁路站场平面 以及横纵断面设计方案输入的软件。因此，其开发出的铁路站场计算机辅助设计软件， 如p r o f i l e 纵断面辅助设计系统，包含于c a p a c i t y 局部改造及能力计算软件中的铁 路站场平面辅助设计系统和一系列的运营模拟软件都是以此为目的开发完成的。其软 件的目标功能是在施工改造和实际运营之前对设计方案的效果进行模拟，而软件中的 铁路站场平面及纵断面辅助设计功能，其目的是为了更快地进行方案输入。 4 德国 从某种意义上讲，地理信息系统也可称为图形数据库，主要功能之一是为用户提 供一种可视化的图形信息。得到i n t e r g r a p h 和c a d i s 系统公司支持，由德国联邦铁 路公司开发的“创新的铁路c a d 和数据库 ( d b g i s ) 系统就属于这种类型。利用d b 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 - - g i s 系统把德国铁路公司与各地区和线路相关的数据存储在一个系统中，为各种各样 的应用提供服务，这些数据是：线路网、股道网、地面固定设备、不动产、地形等。 其中就包括以卡片和平面图表示的铁路站场总体布置图、专业图以及概要图的图解信 息。虽然系统对布置图所具有的信息有严格的要求，但其目的毕竟是一个地理信息系 统，因此数据库中的图形是依靠专业的部门绘制而不是依靠设计而得到结果。而这种 绘图软件开发与设计软件开发的手段是截然不同的。 1 2 2 2 国内发展与研究现状 我国应用c a d 技术进行铁路站场设计酝酿于七十年代，到了八十年代中期逐渐有 成果出现。由于软件开发者对铁路站场计算机辅助设计软件开发的认识不同，软件开 发的目的、目标不同造成软件开发的结果也各不相同。 在我国，铁道部各勘察设计院、各铁路局设计院、铁路各大专院校在站场计算机 辅助设计方面做了大量的研究工作，并在设计实践中取得了显著的成果。目前已有许 多针对站场平面图设计的c a d 系统，这些系统分担了站场图绘制的大部分工作量。c a d 技术在站场设计中已应用在：中间站设计、区段站设计、站场路基横断面设计、调车 驼峰设计等方面。它们已经在各自的工作中发挥了重要作用，减少了设计强度，缩短 了设计周期，提高了设计质量。 2 0 世纪9 0 年代初，由北方交通大学秦作睿教授研制的驼峰平纵断面优化设计通用 软件首次引进了优化理论和连接关系的思想，为大中型铁路站场计算机辅助设计开辟 了一条新的设计思想和方法。同一时期，由长沙铁道学院与昆明铁路局联合的铁路站 场平面设计与绘图系统t z s h x 是面向我国铁路勘测设计部门的站场设计工作需要，在高 档微机上研制开发的、能进行铁路中间站平面设计的c a d 系统。该系统可用于铁路横列 式中间站的标准轨直线及曲线站场的新站平面设计与既有站场的平面改建设计，为设 计人员提供站场咽喉布置、线路布置、设计参数计算、轨道工程量计算、初步设计和 施工设计等方面的支持，并能编制设计说明书和绘制站场平面设计图。9 0 年代末由长 沙铁道学院和广西大学联合开发的“参数化铁路中间站计算机辅助设计系统w s c a d p 是一个基于草图和参数化设计的铁路中间站c a d 系统，它为铁路站场设计人员提供了 符合实际设计方式的设计概念与手段，大大提高了铁路中间站站场设计效率和设计质 旦 7 】 里。 除此之外，在铁路各个高校，以研究为目的的工作也在不断地进行着。由西南交 通大学交通运输学院叶怀珍教授领导的铁路站场c a d 研究小组，主要对智能化铁路站 场计算机辅助设计系统的开发理论特别是咽喉区的优化设计和连接关系进行了探讨， 在区段站、编组站设计方面取得了一定的成果；另外由西南交通大学倪少权为代表的 对铁路站场计算机辅助设计系统作了理论研究，主要对铁路站场计算机辅助设计系统 进行了系统分析和设计，特别针对平面设计子系统进行了详细地分析和设计。系统在 智能化方面只解决了平面设计中咽喉区优化的问题，引入了专家系统应用于站场c a d 系 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 统的概念。 在北方交通大学，研究领域也曾经扩展到大型的铁路编组站平面设计，由黄孝章 博士研制的编组站计算机辅助设计系统，简称b z z c z d ，实现了各种类型、各种规模驼 峰平面网络结构图到设计图的自动拓扑变换，实现了编组场尾部线束式平面网络结构 图到设计图的自动拓扑变换，从而进一步提高了编组站c a d 系统的设计质量和设计效 率。系统在编组站c a d 系统中还实现了警冲标与信号机位置的自动计算及其图形的自动 生成等功能。在对站场c a d 系统可视化的具体内容和实现站场c a d 系统可视化的实现方 法在理论上作了初步探讨，从而为我国铁路站场c a d 系统实现可视化迈出了可喜的一 步。陋1 进入2 1 世纪，铁路各专业设计院联合相关部门，开发出了更为有效的站场辅助设 计系统。由铁道第二勘察设计院和武汉捷力商务有限公司、铁道第四勘察设计院、河 南交通规划勘察设计院联合推出的“新建铁路站场平纵横勘测设计一体化辅助设计系 统( j l s s s 2 0 0 0f o rw i n 9 5 n t ) ，该软件设计的思路包括了实现铁路车站勘测设计一 体化、数字化、网络化。这套系统的站场勘测设计一体化系统包含了四个子系统：铁 路站场平面辅助设计系统、铁路站场纵断面辅助设计系统、铁路站场横断面外业勘测 数据采集系统和铁路站场路基横断面及支挡防护辅助设计系统。h ， 由铁道第四勘察设计院研制的铁路站场辅助设计系统c a s d 是为我国铁路勘测设计 部门的站场设计工作需要而研制开发的，它可运行于w i n d o w s 0 8 w i n d o w s 2 0 0 0 w i n d o w s x p 操作系统上，是利用a u t o c a d 提供的o b j e c t a r x - f 具包进行二次开发完成的。该系 统为站场设计人员提供了站场平面、纵断面、工程数量计算、横断面设计、站场设计 规范等方面的支持，可用于普速、客运专线、高速铁路各种速度目标值铁路站场设计， 适用于预可研、可研、初步设计、施工图设计的各个阶段，可完成站场专业涉及的复 杂枢纽各种站型、站段、疏解线的设计工作。系统已经在客运专线修改初步设计等项 目中使用，运行稳定、结果正确，社会经济效益显著。呻3 以上系统在不同时期，不同工程设计研究阶段得到了应用，大大提高了我国站场 设计水平和效率。在我国铁路发展的各个时期发挥了巨大作用在今后相当长的一段时 间内，我国的铁路交通事业仍将处于高速发展阶段，所面临的任务将十分艰巨。但是 从整体上看，这些辅助设计系统大都针对于站场的平面设计功能的完善与提高，或者 将平面设计与纵断面、横断面设计进行简单集成，对平纵横设计的相互关系，数据共 享考虑不足。目前，国内开发的软件与国外优秀软件相比较，仍处于较低水平，与当 前任务多、时间紧的发展形势不相适应，迫切需要有快速高效的中间站c a d 软件系统来 替代。 在这种时代背景下，西南交通大学易思蓉教授带领其研究生团队，勇于创新，对 铁路线路勘测设计现代化技术进行了多方面的深入研究。其中包括现代线路勘测技术、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 i 一 i i i i_ii ii i i i i i 一一一量曼曼曼! 曼曼蔓曼曼皇曼曼曼曼曼 数字地形建模、工程数据库系统设计、铁路线路设计优化技术、铁路新线设计c a d 系统、 铁路既有线改建计算机辅助设计系统、铁路工程智能决策技术、铁路工务管理系统、 虚拟环境选线系统等多方领域。在研究过程中提出了丰富的线路工程信息技术理论， 为我国铁路线路勘测设计技术的发展做出了卓越的贡献。其中在其著作线路工程信 息技术中，详细介绍了车站设计系统开发的原理和方法。本论文就是在此原理和方 法的指导下，继承和发展前人的研究成果，并建立必要的联系过程，对铁路中间站平 纵横集成设计进行研究。其中利用的主要成果有：大型带状数字地形模型建模方法、 铁路中间站c a d 系统、城市轨道交通纵断面c a d 系统和铁路一般路基排水系统。n 1 1 3 论文研究技术路线、内容和方法 1 3 1 研究技术路线 本论文的研究，是在西南交通大学易思蓉教授的研究群体多年的研究成果基础上， 通过理论方法实现，现有铁路中间站c a d 系统( r s c a d ) 、铁路纵断面c a d 系统( r v c a d ) 和铁路路基横断面c a d 系统的集成与拓展，研究铁路中间站平、纵、横集成式系统开发 方法，并基于所提出的研究思想和方法，开发相应的c a d 软件系统。 论文采用的大型带状数字地形模型建模方法是结合铁路选线设计的特点对呈带状 分布的地形数据处理所作的研究。此方法以快速、自动为目标，研究一种建立大型带 状数字地形模型的方法。通过在建模过程中对空白区域和分块边界的处理，探讨了基 于约束d e l a u n a y - - - 角网建立并顾及地形特征的大型带状三角网( t i n ) 的快速建模方法。 但与区间线路相比，站场线路处在面状分布范围内。因此，本论文在数模结构方面需 要对面状分布的地形数据分块处理问题进行研究。 作为本论文前期研究基础的铁路中间站c a d 系统是利用积木法思想，采用临时站型 库与成果库的管理方法，使用a u t o c a d 的o b j e c t a r x i 具包进行二次开发完成的。主要 实现了以下功能。 ( 1 ) 站型库的建立； ( 2 ) 道岔库的设计实现； ( 3 ) 临时数据库对应示意图的实现； ( 4 ) 成果数据库对应施工图的实现； ( 5 ) 临时数据库转化成成果数据库的实现； ( 6 ) 人机交互进行设备的编辑和修改； ( 7 ) 设计成果的标准输出； 此系统交互过程完全在屏幕显示的图上进行，直观明了，操作方便；输出成果满 足有关图式、标注的要求；系统也因此而更加完善，实用性更强。但是此系统仅仅对 站场设计过程中的平面设计过程进行了研究，缺乏一些必要的辅助设计功能。本文要 在继承其主要思想的基础上，拓展其咽喉区优化和工程量计算两个重要功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 杨利开发的城市轨道交通纵断面设计系统是一套完全适用于城市轨道交通纵断面 设计的系统。实现了动态拖动及对话框交互式的拉坡功能，用户可以自由的按两种方 式插入、移动、修改变坡点来达到坡段设计的目的；同时利用m i c r o s o f ta c c e s s 数据 库对纵断面设计的基础数据及设计成果资料进行管理，使数据库与系统邦定起来；系 统适应用户的要求进行图形、图表的输出，设计成果以a u t o c a d 的d w g 格式保存，并将 设计数据资料存于a c c e s s 数据库中。由于站场纵断面设计的原理，与此城市轨道交通 纵断面设计原理基本相同，因此本论文将城市轨道交通纵断面设计系统集成到中间站 c a d 系统中，完成站场的纵断面设计。 庄海珍开发的铁路新线路基与排水c a d 系统主要用于新线的路基横断面与排水用 地设计。此系统可实现横断面批量设计、交互式修改、工程数量计算、成果输出、路 肩线、坡脚线、示坡线绘制、排水沟设计、用地界设计、成果图及成果表的输出。本 论文就是通过数据库集成方式，利用此系统进行横断面设计。 以上各系统或理论方法都是对铁路线路或车站勘测设计所涉及的某一方面所作的 深入研究，而物体的空间位置，及其平纵横断面都是是相互制约和联系的。开发铁路 车站的三维设计系统，是计算机应用于铁路车站设计的发展目标。本文的研究路线是 将既有成果与系统功能拓展相结合，通过建立数字地形建模，并重点对平面系统功能 拓展的基础上，以平面系统为核心，采用联邦集成的方式，集成既有的横断面和纵断 面系统，从而构成一个平、纵、横一体的车站三维设计系统。 1 3 2 研究内容 根据上述研究技术路线，本文的研究主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 数字地形建模方法研究 ( 2 ) 基于数字地形模型的中间站平面c a d 设计方法研究 ( 3 ) 车站工程数量计算方法 ( 4 ) 车站平面、纵断面、横断面系统集成方法研究 ( 5 ) 平、纵、横集成式车站c a d 系统研制 1 3 3 研究方法 ( 1 ) 面向对象技术口町 面向对象的基本方法认为：客观世界是由许多各种各样的对象所组成的，每种对 象都有各自的内部规律和运动规律，不同对象相互间的作用和联系构成了各种不同的 系统，构成我们所面对的客观世界。 面向对象技术是当代软件开发的主要方法，是以对象为中心的一种开发方法。它 的出发点和基本原则是：模拟客观世界的事物状况，使开发的过程和方法尽可能接近程 序所描述的客观事实。面向对象技术己形成了一整套开发软件的方法，包括面向对象 分析、面向对象建模、面向对象设计和面向对象编程4 个阶段。 面向对象分析的系统分析和设计，主要是进行系统应用坏境的分析和用户对系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 需求的分析，了解问题域内该问题所涉及的对象、对象间的关系和作用。面向对象建 模时面向对象技术的核心内容，它是在对客观事实具体分析的基础上，对客观事实进 行符合实际的规划、建模，然后才能针对不同的模块功能进行编程设计。面向对象设 计是在面向对象建模的基础上，实现各个对象的方法和属性。面向对象编程实现是建 立各个对象的通信方式，确定并实现系统的控制机理、界面和输出形式等。 参照面向对象的设计方法，本文分析了铁路中间站的设计的基本原理和辅助设计 系统的功能；然后对各功能模块的原理进行了深入分析，设计出了各功能模块的具体 实现途径；再针对各模块的具体情况设计模块内部的具体对象和对象的属性和方法， 最后分阶段对各模块进行编程。 ( 2 ) 数据组织 数字地形模型的研究对象是大量的地形数据，而平纵横断面设计则是结合数字地 形模型的基本功能实现平纵横设计过程中数据的自由传输。由此决定在其研究过程中 首先要考虑数据在数据库中的存储与查找，再对特定的数据进行几何运算得到所需的 计算结果，然后将计算结果进行存储，计算结果又会成为新的计算对象。所以，数据 的合理组织与管理是系统开发成败的关键，系统必须以数据的存储、查找、几何计算 为中心，充分考虑用户的需求，增加必要的功能模块来完成系统的研制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章铁路中间站设计原理与系统分析 铁路车站设计是工程师进行创造性思维活动的过程，包括领域知识的利用、专家 经验的学习、既有案例的分析与借鉴、技术资料的利用等。铁路中间站计算机辅助设 计系统是利用计算机现代技术将车站设计所涉及的知识、信息和数据存储起来，并与 交互式设计过程相集成，以便工程师进行创造性的铁路中间站设计活动。本论文是基 于铁路车站设计基本原理和铁路车站c a d 系统理论所做的研究，重点是利用这些原理 与理论研制铁路中间站平纵横集成式c a d 系统，因此本章首先对铁路中间站的设计基 本原理进行了详细阐述，然后论述了系统的需求分析、结构设计、以及设计思想。其 间参考了易思蓉的著作铁路选线设计和线路工程信息技术中有关铁路中间站 的内容。 2 1 中间站设计基本原理 2 1 1 中间站的作业和布置图形 1 中间站的作业 在铁路区段内，为满足区间通过能力及客货运业务需要而设有配线的分界点称为 中间站。其作业可分为两类：商务作业和技术作业。商务作业包括：出售客票，旅客 升降；行李和包裹的收发和保管；货物的承运保管和交付。技术作业包括：办理列车 会让、越行和通过，摘挂、零担列车的调车、取送车及装卸作业；在双线铁路上还办 理调整反方向运行列车的转线作业；在机车折返站的中间站及补机始终点的中间站尚 需办理补机的摘挂、待班和机车的转向和整备等作业。 2 中间站的布置图形 中间站一般都采用横列式布置图形。单线和双线铁路上中间站常见的形式如图 2 - 1 、图2 - 2 所示。 图2 - 1 单线中间站图型n 1 图2 - 2 双线中间站图型n 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 | ；mm m m mm m 曼苎皇曼 双线铁路车站两端咽喉区各设置两条渡线，是为了满足调车作业、列车反方向运 行以及双方向接发列车的需要，或因区间线路大修、线路临时发生故障和其他情况下 采取运行调整措施，以便使一条正线上运行的列车转入另一条正线上继续运行。 2 1 2 中间站主要设备的配置 1 客运设备 客运设备包括旅客站房、旅客站台以及平过道或跨线设备。 旅客站房位置应配合城市和方便旅客进出站，应与城镇规划和车站总布置图相配 合。旅客站房一般设在靠近城乡居民区的一侧，并尽量设在站场中部，以方便旅客升 降。旅客站房与最近的股道中心线应保持一定距离，使站房一侧