新建铁路线路设计系统研究

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600

1 新建铁路线路设计特点及必要性

（1）新建铁路线路设计特点。铁路线路工程是铁路设计过程中的龙头专业，其设计是一个由粗到细的过程。在设计过程中，经常发生方案调整[1]，对下游专业的设计影响较大，这就要求线路软件操作方便、灵活；多个方案间的数据可以互通；可以为下游的专业软件提供数据和图形信息。

（2）必要性。目前市场上流行的软件主要是针对公路工程设计的，同类铁路设计院中的软件难以满足新建铁路的生产要求，其更新和后期维护相当困难，生产工具的落后已经成为制约生产效率的主要瓶颈。因此，对于自主研发铁路线路设计系统而言，满足生产需求及提高生产效率已经成为线路专业的迫切需求。

2 系统开发环境及支撑软件

开发环境如表1所示，支撑软件如表2所示。

表1 开发环境

表2 支撑软件

3 系统主要功能

系统吸收了国内专业软件在设计计算、处理成图等方面的优点，以灵活设计、操作快捷简便为原则，其核心功能如下：

（1）三维数模[2]。根据矢量化地形图，程序生成地形点数据文件，并且内部采用R树数据结构建立的索引，显著提高了点的检索效率，为平纵断面联动设计、地面线快速更新创建了必要条件。用户可以根据项目所处的阶段，共享采集时的步长，保证用户设计时的效率和精度。

（2）平面设计[3]。主要包括设计线的创建、交点相关操作、里程相关操作、平面插旗操作、平面数据管理、设计线的打断与合并等功能。系统在AutoCAD中采用自定义实体表示设计线。在设计时，设计信息是保存在AutoCAD实体中的；曲线要素计算公式采用三次抛物线公式[4]，在计算过程中，采用高精度方式进行计算，计算有效结果精度在6位以上。

（3）纵断面设计[5-6]。主要包括纵断面的创建、坡度线设计、控制点操作、纵断面插旗、自动卡桥隧、查询填挖高、平纵设计联动、竖缓重合检查等功能。在设计时，坡度线文件、地面线文件、地形数据文件、控制点文件、平面数据文件是分开的，这样方便数据在多个方案中共享利用。系统最终将设计的成果集中在一个文件中。在设计表达上，将纵断面、坡度线、地面线、控制点、桥隧等信息按不同的自定义实体呈现，这些实体在表达上相互独立，又通过纵断面数据相互关联，较好地解决了独立操作与数据一致性的问题，提高了软件的扩展性和可维护性。

（4）断链控制。新建设计线时，默认冠号为“K”。系统中每个断链是按“前冠号里程|后冠号里程”表示的，并且强制要求长链、等链必须变换冠号。系统引入了“断链控制方式”，分为“里程不变”和“位置不变”。“里程不变”：断链点位置由前里程决定。例如，移动起点时，断链点位置也相应移动（它通过断链前里程来确定断链点位置）。“位置不变”：断链点位置不变化。例如，移动起点时，断链位置不会发生改变，而改变的是断链前里程。当设计人员在进行“修改设计线起点”“修改交点”“删除断链”“增加断链”“修改断链”等操作时，都会导致系统里程发生改变。

（5）数据管理。用于合并数据文件、分离和编辑数据。在设计时，平面数据和纵断面相关数据是独立分开的，这样方便数据共享。形成设计成果时，数据文件过多，比较零散，而数据管理可以对这些文件进行合并。

（6）成果输出。主要包括平面出图、纵断面出图、输出坡度表、填挖高度表、曲线表、逐桩坐标表、线间距表、断链表等。系统在设计时，始终坚持设计和输出是分开独立的思想，完全按方便设计的要求进行操作和显示，出图只不过是对设计成果的一种重新表达。

（7）曲线要素计算。系统内部集成了常用铁路对应的规范，用户可以针对曲线要素进行同心圆或非同心圆计算。在不同缓长的情况下，程序可以列出试算结果，并且可以用图形显示。

4 程序结构框架及基础数据格式说明

4.1 程序结构框架

系统程序结构主要分为通用模块和业务模块，其中，通用模块主要包括Rm Arx（AutoCAD相关操作）、Rm Excel（Excel相关操作）、Rm Core（通用操作）、Rm Sqlite（数据库相关操作）和Rm Src（外部引用文件）；业务模块主要包括Rm Design（AutoCAD绘图）、RmD ata（基础数据管理）、Rm Startup（多版本系统启动管理）和Rm Verfiy（系统加密管理）。

4.2 数据格式

数据文件中，用户导入、导出的文件以Excel格式和文本格式为主，系统保存的成果文件以XML格式为主。

（1）地面高程数据。格式：冠号、里程、地面高程。说明：文本文件，后缀名“.dmx”，中间以跳格键分隔。

（2）控制点数据。格式：冠号、里程、高程、说明。说明：文本文件，后缀名“.kzd”，中间以跳格键分隔。在输入[说明]时，可以输入简化代码（1=“路高”，2=“水位”，3=“通航净高”）。

（3）插旗数据。车站表格式：名称、中心里程、类型、插旗块名。隧道表格式：名称、起点里程、终点里程。桥梁表格式：名称、中心里程、起点里程、终点里程、孔跨样式、桥全长。小桥涵格式：中心里程、孔跨样式、插旗类型、角度。说明：Excel文件，数据可以包含在一个Excel文件中，以Sheet名区分。

（4）线路数据。线路数据是XML格式，按平面数据和纵断面数据分开组织。平面数据包含设计线属性、交点信息、里程信息；纵断面数据包含纵断面属性、坡段线信息、缺口信息、控制点信息和水准点信息。

5 主要解决问题思路

实际设计时主要存在的问题是设计任务本身工作量大，情况复杂；线路专业跟其他专业衔接密集，线路方案调整后，其他专业会受到影响。这就要求线路专业设计要快而灵活，给其他专业提供更多的反应时间。

（1）针对设计工作量大而复杂提供的解决方案。①采用符合设计人员习惯、容易理解的方式进行操作。由系统提供双击操作替代以往的命令操作。例如，双击曲线，直接进行曲线要素的修改；双击坡度线，可以完成对坡度线的大部分操作。②针对特殊复杂的设计提供特殊的设计方式。例如，系统提供合并和打断设计线操作；双击纵断面，可以直接修改相关数据操作。③提供良好的操作界面及交互机制。设计窗口支持停靠方式和浮动方式，并且提供快捷键操作；用户输入参数时，提供智能提示。

（2）针对变更设计提供的解决方案。①将基础数据组织划分清晰，保证数据的独立操作。②将设计成果以文件的形式保存至后台，方便用户复用这些数据。③设计时，图形和设计成果是独立的，可以根据图形生成数据，也可以从数据生成图形。不同方案间可以通过数据管理功能重复利用数据，该操作简单方便。

6 关键技术

（1）采用嵌入式数据库SQLITE。系统采用开源数据库SQLITE作为后台数据库，其操作和数据库源码均被封装在RmSqlite.dll中。这样使得系统结构更紧凑、使用更便捷、运行更独立。

（2）操作界面采用后台配置技术。系统的操作界面包括界板组织、菜单、工具条、按钮，采用配置的方式布局。在增减系统功能时，可以灵活配置。

（3）快速高效的三角网建模和检索。在地形图上进行建立三角网模型时，由于地形图比较大，对整个地形图建网效率低，使用性能差。系统采用步长控制方式，解决了地形图点数量的问题，用户可以根据设计精度，设置一定的步长，满足当前的设计需求。构建三角网时，系统采用局部构网的方式，按设计线进行划分，检索该范围的点时，采用R树结构对点进行检索，显著提高了构网和检索点的效率。

7 结束语

新建铁路线路设计系统是建立在清晰的数据管理与良好的数据组织上的，能够解决变更和复杂设计带来的问题。该系统分别在安庆长风港区铁路专用线、皖河新港铁路专用线、百色至兴义铁路项目中进行了试用。试用结果表明，系统能够显著提高设计效率和质量，取得了良好的经济效益和社会效益。