铁路站场设计系统研究与开发

罗宏伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线路站场设计研究处，武汉 430063)

1 研究开发背景

经过铁四院广大工程技术人员和软件开发者的持续攻关，2004年开发了计算机辅助站场设计软件(CASD1.0)，解决了铁路勘察设计中的站场平面、纵断面、横断面计算机辅助设计、工程数量计算等难题，但是，铁路站场既有线改造平面设计和绘图、纵断面辅助出图、工程数量统一计算和管理、综合管线辅助设计等诸多难题还没有根本解决。

由于我国铁路建设呈现大规模、短周期、高标准、高复杂度等特点，对勘察设计单位的设计质量和进度提出了更加严格的要求。而先前开发的计算机辅助站场设计软件已经不能满足铁路建设项目设计要求，迫切需要开发一套集成既有线、新线底层统一设计、工程数量统一计算和管理、综合管线辅助设计和成果输出、站场联络线疏解线纵断面辅助设计和成果输出、三维模型展示和交互等功能于一体的铁路站场设计系统。为此，以既有铁路站场、新建铁路站场为研究对象，研究开发了具有自主知识产权和站场专业特色的铁路站场设计系统软件，并在工程实践中得到推广和使用。

2 系统总体设计

2.1 系统功能和流程

结合站场专业的设计特点，铁路站场设计系统应包括各阶段(规划研究、预可研、可研、初步设计、施工图设计)各等级(高速、城际、普速、重载、客货共线、专用线)铁路改建、新建站场、联络线、疏解线设计。开发的系统功能主要包括：设计原则、规范参数管理和应用；数字地面模型建立和应用；平面辅助设计；纵断面辅助设计；路基横断面辅助设计；排水、用地辅助设计；综合管线辅助设计；工程数量计算和管理；成果资料绘图和输出；三维数据模型接口和展示等。工作流程如图1所示。

图1 系统流程

2.2 开发运行环境

软件系统采用Visual C++编程语言和C#语言、ObjectArx2010(AutoCAD二次开发类库)、OSG(OpenScreenGraph，一套基于C++平台的高级图形渲染、空间结构组织应用程序接口)、ADO接口(Access数据库访问技术)、COM(组件对象模型)接口等技术开发。

系统要求PIII以上处理器，512M以上内存，硬盘256G，512M独立显存以上显示器。系统软件要求Win7及以上windows操作系统。应用软件要求中文AutoCAD2010、2012图形平台，office2010办公系统(Access数据库和Excel电子表格)。

3 系统主要功能

系统充分吸收线路专业、路基专业等国内外专业辅助设计软件在设计计算、定线成图、数模应用以及三维建模等方面的优点，以实现既有、新建铁路站场平、纵、横联动交互设计与三维建模渲染核心，可实现多方案、多时态信息共享设计，具有以下功能。

(1)建立既有、新建线路(包括道岔)的几何拓扑存储结构。

(2)建立并存储站场平面、纵断面、横断面、排水、用地、路基、轨道、设备等设计原则。

(3)基于ObjectArx自定义实体技术，设计车站平面股道实体、动态选线实体、纵断面实体、横断面实体(坡面、分坡线、路肩、水沟等)，用地界及安全保护区标桩实体，平面水沟实体，综合管线实体，可实现数据与图形交互联动设计。

(4)开发了车站平面和纵断面辅助设计工具，可实现“积木法定线”和“交点法定线”，定线过程中建立线路之间的联系，可实现方案组合、拼接复用。

(5)实现了平、纵、横信息共享和联动设计。平面股道位置、高程，设备信息等发生变动时，自动通知横断面和纵断面，同步更新相关数据，横断面实时更新地面线数据，自动修改横断面分坡和坡面设计，更新土石方数量信息。

(6)实现了各等级铁路车站路基横断面自动设计、交互设计及路基土石方数量自动计算功能。

(7)实现了各等级铁路多时态共存条件下，任意时态、任意车场、任意股道的轨道工程数量自动计算。

(8)实现排水沟自动预建、对排水路径和排水能力进行检算。

(9)实现综合管线辅助设计和工程数量自动计算。

(10)实现各种模式视图显示控制(实体别、打印别、股道别、排水系统、用地、综合管线等)和出图控制。

(11)实现基于标准表格的工程数量自动计算、汇总统计。

(12)实现咽喉区旋转、延伸、移动等平面咽喉智能调整功能。

(13)实现基于OSG的铁路站场及枢纽三维场景自动构建、实时动态浏览功能。

4 关键技术

4.1 图形与数据实时联动设计

本项目采用面向对象编程思想，通过CAD的二次开发接口ObjectARX直接创建自定义实体，直接访问AutoCAD数据库结构、图形系统以及CAD几何造型核心，达到“所见即所得”的设计效果，实现图形与数据实时联动设计。

所创建的平面股道实体、平面设备实体、平面排水实体、平面用地界实体、纵断面实体、横断面实体、动态线路实体等实体，均封装了用于描述各实体属性的属性数据用于计算，封装了夹点操作、旋转操作、移动操作等绘图属性，这样实体的几何图形显示与数据封装成了一个整体，实时同步，达到了图形与数据实时联动设计的效果，大大提高了交互设计功效。

4.2 排水沟流量检算与路径检查

本项目创建全新的排水设备数据结构，将原先离散的无法关联的排水沟连接成一个完整的排水系统。按照排水系统的几何拓扑结构，采用一种算法，可以对排水路径进行检查；按照排水系统的流水特点，调整排水沟的沟底高程；根据流量参数和汇水面积，计算每个排水沟截面的流量；根据排水沟截面流量和排水能力，检查排水沟的排水能力是否满足设计要求；实现排水沟自动编号和自动预建沟。

4.3 综合管线设计与工程数量自动计算

本项目创建自定义综合管线实体，包括电缆槽、综合管沟、手孔、排管、过轨管等。通过赋予丰富的设计属性，实现了车站综合管线图绘图设计和工程数量自动计算。

4.4 平面咽喉智能调整

借助矩阵变换技术，实现了咽喉区旋转、延伸、移动等平面咽喉智能调整功能。

项目根据用户选择的调整范围、尾部终止约束直线边集合、调整对象、调整的基点、参考点等信息自动步进计算符合要求的调整量，再根据调整量调整各对象，从而实现平面咽喉的智能调整功能。这一功能尤其适用于前期区段站、编组站设计时调整角度达到优化平面设计功能。

4.5 平纵横信息共享、联动设计

系统将平、纵、横信息进行统一设计和存储，既保留平、纵、横各个模块之间的相对独立，具有平、纵、横单项设计功能，又建立相互之间的紧密联系，具有交互性强、信息量大、界面友好的特点。

系统通过多视口技术，分别建立平面视口、纵断面视口、横断面视口，视口之间可任意切换、调整窗口的大小和位置，各视口之间既相互联系又相对独立，同时各视口之间的数据通过底层自动传递，实现了信息共享、实时联动。平面股道位置、高程，设备信息等发生变动时，自动通知横断面和纵断面，同步更新相关数据，自动修改横断面分坡和坡面设计，更新土石方数量信息；纵断面信息变化时，自动通知平面调整坡度信息，自动通知横断面更新设计高程信息；横断面水沟位置、高程发生变化时，自动通知平面，更新水沟高程和流向信息。

借助上述多视口技术和底层数据库驱动，实现了车站平面、纵断面、横断面信息的共享、联动设计。

4.6 基于标准表格体系的工程数量自动计算

实现了铁路站场工程根据不同的需求定制标准表格体系，完成基于标准表格体系的工程数量自动计算。系统通过分析工程数量计算过程和已有标准模板，建立了基于表格驱动的工程数量自动编码、自动计算体系。只要有计算标准和单位工程数量，就可以套用标准表格体系，实现工程数量自动计算和自动入库。

4.7 联络线、疏解线动态选线设计

通过建立动态线路自定义实体，将平面控制点、纵断面控制点、线路技术标准等设计信息赋予该实体，实现了枢纽内联络线、疏解线等线路积木法定线、交点法定线，可以精准地实现线路绕避指定障碍物。通过指定交点属性，可以实现联络线出岔和接轨点角度和方向不变(道岔角度)，从而达到动态调整联络线、疏解线线路，优化工程设计，节约工程投资的目的。

4.8 车站及枢纽设计三维展示和交互

通过车站及枢纽工程设计平面信息、纵断面信息、横断面信息，将线路及车站的基线位置信息、横断面桩信息、站场边界信息、路基路面和边坡信息、排水沟信息、轨道上部建筑信息、车站设备(警冲标、信号机、站台、仓库、雨棚、道路、场坪等)信息、附属设施(平过道、天桥、地道、桥涵、车挡、围墙、栅栏、龙门吊等)信息导出到三维基础数据库中，建立相应的三维模型，构建漫游场景，达到三维展示和交互的效果。

系统利用OSG技术，进行三维实体建模、模型拼接和裁剪、真实图形渲染绘制、计算机动画技术等开发，实现了铁路车站及枢纽联络线、疏解线三维场景的实时动态显示，并与平纵横交互设计3个模块紧密结合，使得三维场景展示不仅达到了设计成果的立体表达效果，而且将三维设计融入到整个设计过程中，达到了交互设计的效果。

5 结论

在综合分析既有铁路站场、新建铁路站场勘测设计流程的基础上，开发了铁路站场设计系统软件，解决了既有线、新线底层统一建模、平纵横数据联动、站场综合管线辅助设计、站场工程数量统一计算和管理、站场三维场景展示等关键技术。

研究开发的铁路站场设计系统已经在中铁四院集团承担的全部改建、新建铁路站场及枢纽建设项目勘察设计中全面使用。应用实践表明，研究开发的图形与数据实时联动设计、排水沟流量检算与路径检查、综合管线设计与工程数量自动计算、平面咽喉智能调整、平纵横信息共享联动设计、基于标准表格体系的工程数量自动计算、联络线(疏解线)动态选线设计、车站及枢纽设计三维展示和交互等功能，大大加快了铁路

车站及枢纽工程设计功效，据统计分析，可提高设计效率30%，提高了勘察设计质量，使设计人员有精力和时间从事方案优化工作，取得了良好的经济效益和社会效益，值得在工程设计中推广应用。

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