（交通运输规划与管理专业论文）铁路站场计算机辅助设计系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路站场设计在铁路基础设施建设及改造设计过程中是个承前启后的 重要环宵。随着我国铁路勘测设计技术和计算机技术的发展，计算机辅助设 计在铁路工程设计领域已变得越来越普及。采用c a d 技术是缩短设计周期， 实现站场设计标准化的重要手段，并且可以大大减轻设计人员的劳动强度， 有利于多方案比选，提高自动化设计水平，埘加快设计速度与提高设计质量 有重要意义。运用系统设计原理和方法，本论文对铁路站场计算机辅助设计 系统进行了分析、研究和规划殴训。 本文首先采用系统分析和系统没计手段，以软件工程学的理论和方法， 对系统的目标、原则、性能、功能、实现方法、关键技术及总体结构等进行 了综合分析和探讨，并建立了系统总体结构图和数据流程图； 其次对系统的平面设计于系统进行了重点分析和设计。在提出系统的设 计思想之后，进行了系统的功能设计、结构设计和数据流程分析，对铁路站 场平面图主要图形元素的数据结构进行了详细设计，在分析了站场图元拓朴 结构和道岔问配列方式的基础上，建立了站场平面咽喉区各图形元素间的连 接关系及相关优化模型； 最后建立了系统数字地形模型，对铁路站场纵断面和横断面设计t 子系统 进行了方案设计、功能设计和程序流程设计。 关键词铁路站场；计算机辅助设计；平面；纵断面；横断面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i t i sa ni m p o r t a n ts t a g eb e t w e e nt h ep r e c e d i n ga n dt h e f o l l o w i n g f o r r a i l w a yy a r dd e s i g nd u r i n g t h e p r o c e s s o fc o n s t r u c t i o na n d r e c o n s t r u c t i o no fr a i l w a yh a s i cf a c i l i t je s c o m p u t e ra i d e dd e s i g nh a s b e e ni n c r e a s i n g l yp o p u l a r i z e di nr a i l w a ye n g i n e e r i n gd e s i g nw i t ht h e d e v e l o p m e n t o fr a il w a y s u r v e y a n d d e s i g nt e c h n o l o g y a n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y i ti s a ni m p o r t a n tm e a s u r ef o rs h o r t e n i n gd e s i g nc y c l e ， r e a l i z i n gd e s i g ns t a n d a r d i z a t i o n ，w h i c hc a ng r e a t l yr e l i e v ed e s i g n i n t e n s i t y ，a n di t s a l s ou s e f u lf o rs c h e m e sc o m p a r i n ga n dc h o o s i n g ， d e s i g np r o c e s sa u t o m a t i n g ，a n di ti sm e a n i n g f u lf o rs p e e d i n gu pd e s i g n p r o c e s sa n di m p r o v i n gd e s i g nq u a l i t yb ya p p l y i n gc a dt e c h n o l o g y b a s e d 0 r lt h e o ri e sa n dm e t h o d so f t h es y s t e md e s i g n ，t h ea r t i c l eh a sm a k e n a na n a l y s i s ，r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h es y s t e mo fc o m p u t e ra i d e dr a i l w a y y a r dd e si g n f i r s to fa l l ，b yw a yo fs y s t e ma n a l y s i sa n ds y s t e md e s i g n ，a c c o r d i n g t ot h e o r i e sa n dm e a n so fs o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，t h e a r t i e l eh a s s y s t e m a t i ca n a l y s i sa n dd i s c u s s i n no nt h ea i m ，p r i n c i p l e ，c a p a b i l i t y ， f u r t c t i o n ，i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d ，c r i t i c a lt e c h n i q u e s a n do v e r a l l s t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，t h e ng e t sac h a r to ni t ss t r u c t u r ea n dac h a r t o ni t sd a t af l o w ： s e c o n d l y ，t h ea r t i c l eh a sad e t a i l e dd i s s e r t a t i o no nt h ep l a n e d e s i g no ft h er a i l w a yy a r d a f t e rp u t t i n gf o r w a r dt h ed e s i g ni d e ao f t h es y s t e m ，i th a sf u n c t i o nd e s i g n ，s t r u c t u r ed e s i g na n dt h ea n a l y s i s o nd a t af l o w t h e nc o n c r e t e yd e s i g n st h ed a t as t r u c t u r eo ft h ep r i m a r y g r a p h i ce l e m e n to ft h er a i l w a yy a r dp l a n ，e s t a b l i s h e st h er e l a t i o n s h i p o fe a c h g r a p h i c e l e m e n ti nt h e p l a n e t h r o a t r e g i o n s a n dt h e c o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o nm o d e lo nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so nt h e t o p o l o g ys t r u c t u r e o fg r a p h i ce l e m e n ta n dt h el a y o u tm o d eb e t w e e n s wjt c h e s ； f i n a l l y ，t h e a r t i c l ee s t a b l i s h e sd i g i t a t e r r a i nm o d e l ，m a k e s s c h e m ed e s i g n ，f u n c t i o nd e s ig na n dp r o g r a mf l o wd e s i g no nr a i w a y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l i 页 c o n s i d e r i n ge n t e r p r i s ec u l t u r ei so n e o ft h em a i nf a c t o r st or e a l i z ec u s t o m e ra s s e t v a l u e ，e n t e r p r i s ec u l t u r ew i l lb ed i s c u s s e dh e r e t oad e g r e e a sa ne f f e c t i v et o o lt oi m p r o v ee m e r p r i s e sc o m p e t i t i v ef o r c e ，c u r r e n t l yt h e c u s t o m e rr e l a t i o n s h i pm a n a g e m e n tb a s e do i lc u s t o m e ra s s e tt h e o r yh a sb e e n e m p l o y e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l y a ni m p o r t a n tp r e m i s eo ft h es u c c e s s f u l m a n a g e m e n to fc u s t o m e rr e l a t i o n s h i p i st oa s s e s st h ec u s t o m e ra s s e tv a l u e r e a s o n a b l ya n dc o m p r e h e n s i v e l ya n dt op r o c e s st h ev a l u er e a l i z a t i o na c t i v i t i e s w i t hs n c hv a l u e ，w h i c ha r ed i r e c t e da tt h es e n i o rc u s t o m e r st h ec u r r e n ts m d yi s s i g n i f i c a n tf o r t h e c o r r e c t u n d e r s t a n d i n go ft h e c u s t o m e r sa s s e t v a l u e ，t h e i m p r o v e m e n t o fs u c c e s s f u lc u s t o m e r r e l a t i o n s h i pm a n a g e m e n t a n dt h e r e a l i z a t i o no ft h ee n t e r p r i s ev a l u ei t s e l f k e y w o r d s ：c u s t o m e ra s s e tc u s t o m e ra s s e tv a l u e f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n c u s t o m e r s p e r c e i v e dv a l u e 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 研究的意义 站场担负着铁路客货运输的集中与分散，它的布点除满足设计的通过能 力要求外，对于车站的设旖还必须保证顺利进行各种繁重的技术、商务作业。 因此，车站的设计需要从线路的技术特征，客货运量的性质、流向，当地的 地形、地质条件，配合城乡建设，居民点分布，农田水利，与其他交通运输 系统的衔接以及国防要求等方面进行全面考虑。铁路站场设计在铁路基础设 施建设、改造设计过程中是一个承前启后的重要环节，前有站前专业包括经 调、行车、线路、地质、路基、桥梁、涵洞、隧道，后有站后专业包括机务、 车辆、机械、给排水、通信、电力、电气化、房建、暖通、环保等，其知识 面牵涉广，专业多，内容也很复杂。 产生于六十年代的计算机辅助设计技术，由于它将计算机高速而精确的 计算能力、大容量的储存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，并在近三、四十年得到了飞 速的发展。目前，c a d 技术的推广和更新已成为铁路信息化的重要组成部分， 计算机辅助设计在铁路工程设计领域已变得越来越普及。例如，铁路桥梁、 隧道，铁路选线、定线，铁路机车、车辆等设计都有计算机辅助设计参预的 例子。 同其他领域一样，c a d 技术在铁路站场设计方面也得到了广泛普及和应 用。采用c a d 技术是缩短设计周期，实现站场设计标准化的重要手段，并且 可以大大减轻设计人员的劳动强度，有利于多方案比选，提高自动化设计水 平，对加快设计速度与提高设计质量有重要意义。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 国外研究现状 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。 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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闵素很多， 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丌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。主要目的是为大型企业提供最新的信息，以保证它们对 市场变化作出快速的反应。利用d b - - 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。为了完 成这些信息的输入、输出功能，当然需要相应的软件。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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。丽这种绘图软 件开发与设计软件开发的手段是截然不同的。 另外，国外还有众多的线路c a d 系统的研究成果，比较典型的是英国的 m o s s 软件、i f r a s o f t 公司土木类软件m x 产品，美国i n t e r g r a p h 公司的 i n r o a d 、i n r a i l 软件和德国i b & t 公司的c a r d 软件。” 这里介绍一下m o s s 软件，它是个大型三维道路线路设计计算机辅助设 计分析软件，已被广泛应用在欧美一些发达国家的铁路线路设计工程项目中， 使这些国家的铁路线路设计完全摆脱了图板，实现了无纸化设计。m o s s 可以 连接全站仪等数字记录仪直接接收大地测量的数据，也可以接收航空测量、 交互式数字化仪、地图扫描( 光栅数据) 以及其它系统提供的数据资料形成 三维数字地面模型：然后采用交互式的方法进行分析计算及平面、纵断面和 横断面设计；设计完成后，m o s s 可以自动绘出设计的平面、纵断面、横断面 及土方调配图等设计图。另外还可以生成设计透视图和照片真实的设计渲染 图，供设计人员以及普通人员直观地评估工程项目的设计质量。9 ” 1 2 2 国内研究现状 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 技术在站场设计中己用在：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”1 。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。 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n ”。 同时，由长沙铁道学院与昆明铁路局联合开发的t z s h x 系统是一个面向 我国铁路勘察设计院的站场设计工作需要，在高档微机上进行铁路中间站立占 场设计的计算机辅助设计系统。它用于铁路横列式中间站的站场平面设计( 包 括既有站场的改造) ，为设计人员提供站场平面布置、设计参数训算、轨道工 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 程量计算、设计方案比选、绘制站场平面设计图等方面的支持。其软件开发 思想也为大中型铁路站场平面设计软件的开发起着重要的指导作用，具有较 高的理论价值和参考价值。“”“” 而由长沙铁道学院和广西大学联合开发的“参数化铁路中问站计算机辅 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量。“” 另外，铁道部铁路专业设计院建立了一套从航测、设计到形成各种文件 的辅助设计系统，并与长沙铁道学院合作，使用了纵断面优化技术o ”；铁道 第三勘察设计院也引进了各种先进的辅助设计用硬件设备，包括小型计算机、 大型高级绘图仪、数字化仪、高分辨率的图形显示终端等，同时开发了相应 的铁路辅助设计软件r s d 产品，该产品立足于站场专业设计人员自行开发， 一体化方面的功能考虑较为全面，可以称得上具有一体化的初级产品，设计 人员上手很快，具有一定的实用价值，并实现了计算机附带有信息绘图并能 自动计算统计的功能，做到了将平面图中的股道编号、股道间距、轨面高程 自动传递到横断面中，工程数量也能自动计算统计；而由铁道第一勘察设计 院研究的铁路各类型车站平面图c a d 系统，在平面部分有望实现自动化和智 能化功能，但该系统还没有考虑一体化的功能。车站平面、横断面相对独立， 工程数量的统计自动化程度不高“。 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( 在 文献 5 2 中有所体现) ；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，但由于研究者多为硕士研究生，受软件开发理论、设备以 及时间的限制，距离实用还有一定的差距。 值得注意的是，在铁路系统内部各部门软件开发工作者苦苦探索的过程 中，其它系统的同行也在进行这项工作。由交通部公路规划设计院、东南大 学等6 家单位联合开发的“高等级公路路线综合优化及c a d 系统”实现了从 地形数据采集、建立数字地面模型到路线设计、互通式立交设计、路线优化 设计、工程造价分析等功能“”。；以及按照“勘测设计一体化、智能化系统” 的总体构思，由铁道第一勘察设计院主持，石家庄铁道学院，兰州铁道学院， 铁道第二、三、四勘察设计院，长沙铁道学院参加完成的“铁路线路初步设 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 计方案比选系统”，该系统使线路方案比选工作告别全过程人工定线、手工统 计工程数量的状况，充分利用勘测数字化成果，在整体上拉通了勘测设计一 体化”1 ；还有青岛铁路设计公司与上海铁道大学土木建筑学院联合开发的，一 套基于w i n d o w s 环境的通用的、综合性的铁路线路设计软件“铁路线路讨算 机辅助设计系统”，该系统利用计算机的可视化技术及计算机辅助设计手段， 充分发挥计算机计算速度快、存贮量大的特点，将交互式c a d 技术与优化技 术相结合，运用面向对象的程序设计方法，结合铁路选线工程师的丰富的实 践经验，设计出一条满足线路设计规范要求，技术经济合理的三维空间线路， 从而实现了铁路线路设计的一体化。”。 目前比较新的、还在调试中的一个站场c a d 系统是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 院于2 0 0 0 年联合推出的“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“”。 。此外，还有北方交通大学开发的“车站平面图c a d 系统”，它是在w i n d o w s 2 0 0 0s e v e r 平台上用v i s u a lc + + 6 0 开发的。这个系统除了能绘制车站的各 种线路设备，还能够在此基础上实现车站作业的人工安排和动态显示，自动 生成车站作业进路，从而更有效地起到了辅助设计的作用“”。 铁路站场计算机辅助设计软件不但体现在为了新建以及改造工程进行的 方案设计、计算等方面，在g i s 系统的建立中，我国也有最新的应用软件成 果。由沈阳铁路局吉林科研所为铁道部运输局研制开发的铁路站场示意图以 及铁路枢纽总体布置图辅助绘制系统就是其中一例，并在最近通过了验收并 获得了好评。n 8 1 1 3 已有系统及研究中存在的不足 国外的系统虽然性能优越，但由于各个国家的铁路建设形势相差甚远， 加上c a d 支持系统和硬件设备的限制，应用软件的开发目标各不相同。而且 国外的软件大体上都是以公路为对象进行开发的，他们的作业流程、图式标 准等也与我国的国情很不适应。另外，在综合考虑工程设置和通过能力检算 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 等方面也比较欠缺，要用于我国铁路站场的勘测设计，还需要进行大量的二 次开发工作。 而我国早期开发的软件大多没有分析铁路站场中线路与道岔在配列方式 上的连接关系，只是从绘图的角度来努力完成设计任务，因此，从某种意义 上说，这些系统只能说是计算机辅助绘图系统，没能真正实现计算机辅助设 计。而且目前我国在铁路站场计算机辅助设计方面从事研究开发的较多，真 正用于实际工作的软件成果很少。 1 另外，由于有些用户过分强调“优化”和“自动”的功能，导致了部分 以自动优化为目标的开发面临着绝境。据有些开发者介绍，即使是某些交互 式的软件，为了能更充分地体现设计者的意图，要求用户输入的数据较多， 操作复杂，成果的推广比较困难。 在横纵断面设计以及工程数量计算方面，尽管有很多部门正在进行铁路 站场横纵断面计算机辅助设计软件的开发研究并已取得了初步的研究成果， 但是，这方面的工作仍是一个薄弱环节。主要表现在： 1 混乱的地形数据格式：不规则的数据格式和大量的原始数据存储量不 但导致程序的通用性差、内存占用量大、运算速度慢，而且不便于横纵断面 的自动化以及优化设计软件的开发实现。 2 传统的二维平面设计：三维实体化、可视化的设计将是计算机辅助设 计的主要发展方向之一。而目前大家所进行的工作几乎都局限在二维的平面 设计方面，即将最终的开发目标定义在传统的手工设计的计算机实现上。虽 然在道路工程软件开发上实现了三维造型的研究，但也只不过是为了可视化 的目的，而不是为了精确填挖方计算实现的三维实体。 3 忽略了纵断面开发环节：目前的软件开发工作者花费了大量的时间在 横断面设计方法的研究上。目的是为了尽快实现横断面上填挖方面积的计算 以完成传统手工方法的填挖方工程量的计算工作。但从长远的角度上看，铁 路站场横纵断面的优化设计最终将体现到站坪范围内的纵断面设计上。 1 4 本文研究的主要内容和方法 由于现有铁路站场计算机辅助设计系统存在以下两个方面的不足： 1 过分强调自动化和优化的目的，而使系统开发面临绝境； 2 国内该方面的系统无法真正体现计算机的辅助设计功能。 故本论文将从站场设计的特点出发，将站场平面设计、横断面设计、纵 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 断面设计和土石方工程量的计算等项功能纳入一个系统规划中，以形成综合 生产能力。因此论文的主要内容包括： 1 借鉴国外优秀软件成果，根据我国国情，进行铁路站场计算机辅助设 计系统的整体功能设计。采用系统分析和系统设计手段，以软件工程学的理 论和方法从事系统开发，旨在把握系统的整体功能，对系统的目标、开发原 则、性能、功能划分、实现方法、总体结构及实现平台等进行了综合地分析 和探讨，并建立系统总体结构图和数据流程图； 2 对整个系统中的平面设计子系统进行重点分析和设计。该子系统的建 设思想是：可由站场专业人员通过运用图形生成模块和图形编辑模块进行站 场平面图方案设计，在此基础上由计算机完成站场平丽图各组成元素的自动 推算工作，以自动生成站场平面设计图和各图素的坐标数据。此部分拟建立 系统数据字典，采用系统分析手段进行数据流程分析，应用数据结构分析方 法记录系统内各图形元素的数据关系，并利用计算机图形学进行站场图元结 构的拓朴关系分析，然后利用优化理论在分析了道岔间配列方式的基础上建 立了各图形元素间的连接关系和相关优化模型； 3 建立了系统数字地形模型，并与平面设计结合起来进行纵断面和横断 面的设计。利用系统设计手段对铁路站场纵断面和横断面设计子系统进行了 总体设计、功能模块设计和程序流程设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章铁路站场计算机辅助设计系统分析 系统分析是指针对系统所面临的问题，搜集相关的资料，以了解产生问 题的原因所在，进而提出解决问题的方法与可行的逻辑方案，以满足系统的 需求，实现预定的目标。系统分析的主要工作目标在于运用系统分析方法， 获知用户对新系统确切的需求，从而定义新系统的逻辑特性，并将其转化为 系统分析书，以作为系统设计的准则。所以系统分析意味着提取系统“需 求”的过程即系统必须做什么来满足目标。 2 1 系统开发的总体目标 要对系统进行分析，首先要明确系统的目标，然后从铁路站场计算机辅 助设计系统面向的对象分析着手，以实现系统目标为核心，逐步进行系统分 析、系统设计和系统实现。 铁路站场计算机辅助设计系统开发的总体目标：建立一个体化、自动 化、1 智能化的集成化铁路站场计算机辅助设计系统。采用数据库技术，建立 工程数据库，提供大量的站场设计通用基础资料和方法，实现数据管理和交 换，使数据充分共享以及有较强的通用性，能有机联系各个功能模块，不需 要设计者重复输入。平面设计采用专家系统技术，交互式的产生平面设计方 案图，使平面设计智能化即计算和绘图等都由系统自动完成，设计者的主要 精力可以投入到方案设计与优化上来。实现平面、纵断面、横断面精确图的 自动生成和交互式修改。在站场平面、纵断面、横断面设计的基础上，自动 完成填、挖方工程量的计算工作。实现车站作业的动态模拟。利用最新勘测 手段获取地形数据，建立数字地形模型，实现数据的自动采集、分析和处理， 形成各设计阶段所需的各种数据。 2 2 系统开发的总体原则 铁路站场计算机辅助设计系统的最终目标是通过利用计算机技术、图形 技术、数学方法等来加快铁路站场设计速度和提高设计质量，改革传统手工 方式，实现铁路站场设计的自动化、智能化、一体化。为达到这一目的，铁 路站场计算机辅助设计系统的系统设计一般应遵循以下原则： 1 适应性原则：适应性原则是用户最关心的。信息时代市场经济条件f ， 事情都处于高速发展变化的状态，一切都要适应市场的要求。由于铁路站场 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 站型多种多样、情况复杂，站场设计的灵活性极大，故系统必须采用各种灵 活的方式，提高站场设计的效率和质量，适应当前实际的功能需求，并具有很 强的应变能力，使用户能够掌握它的变化和发展，这是本系统开发研制的一 个基本原则。 2 实用性原则：系统应能完成新建和既有改建铁路的中间站、区段站、 编组站等各种站型平、纵、横一体化设计，能满足初步设计、施工图设计等 各个设计阶段的要求，还能满足高速客运站、城市轻轨站场等设计需要。 3 先进性原则：系统在设计过程中，应充分利用同类型系统的先进经验， 采用先进的系统设计技术、计算机技术，适应现代信息技术的高速发展。能 不断完善、灵活扩展，从而使系统不仅在功能和技术上保持先进性，而且还 要确保系统能够适应未来技术长远发展的趋势。 4 标准化原则：站场c a d 产品要走向市场，必须建立统一的站场c a d 技术标准，并制定相应的数据格式和信息传输方式，使产品具有通用性和可 移植性。 5 整体最优原则：因为站场计算机辅助设计系统涉及到若干子系统，必 须确保各个子系统合理集成，使系统成为一个有机接体，高度统一。充分利 用各个部分之间的联结，取长补短，使总效果最优。 6 可维护性和可扩充性：系统采用集成化、模块化结构，可根据需要修 改某个模块、增加新的功能，使其具有良好的可维护性；系统需留有与其它 铁路勘测设计系统的接口，使系统具有较好的可扩充性。 7 系统简洁性：由于设计人员大多数是非专业计算机操作人员，所以系 统应具有层次清楚、简单易学、便于管理的特点。 8 安全性原则：系统的专业基本数据库对用户是封闭的，只能由专门的 数据库管理人员维护，保证了通用基础数据的正确性和可靠性。而由勘测及 设计得到的数据，用户需输入密码才能调用。 9 信息共享：由于铁路站场设计只是铁路勘测设计的一部分，基础数据 信息除需设计者输入外，还需经其它勘测设计系统导入，其数据也应为其它 系统所用，故应从铁路勘测设计的整体设计出发，与其它系统( 如铁路线路 计算机辅助设计系统、外业勘测自动化测量系统等) 协调配合，这样才能保 证系统的生命力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 系统需求分析 软件工程中包含需求、设计、编码和测试四个阶段，其中需求工程是软 件工程的第一个阶段，也是非常重要的一个阶段，i e e e 软件工程标准词汇表 ( 1 9 9 7 年) 中定义需求为： 1 用户解决问题或达到目标所需的条件或权能。 2 系统或系统部件要满足合同、标准、规范或其它正式规定文档所需具 有的条件或权能。 3 一种反映上面1 或2 所描述的条件或权能的文档说明。 2 3 1 站场设计的工作过程 我国铁路建设项目一般按三阶段设计，即初步设计、技术设计和施工图 设计。工程简单、技术不复杂、有条件的可按两阶段设计，即扩大初步设计 和施工图设计：工程简单、原则明确、有条件的可按一阶段设计，即施工设 计。具体采用的设计阶段，在计划任务书( 或设计任务书) 中规定。在设计 前期还要进行预可行或可行性研究。无论按几阶段设计，设计过程均是从接 受设计任务时起至提供施工需要的图表和必要的设计文档止，均是按踏勘调 查、行车组织设计和站场设计等步骤和内容进行设计的，只是针对不同的设 计项目在不同的设计阶段每一设计步骤的具体任务略有不同而已。从狭义的 站场设计的角度出发，车站及枢纽的设计阶段应与一般铁路建设项目相同， c a d , 在铁路车站及枢纽设计中的作用范围应该包括勘测和设计的全过程；而 从广义的工程设计的角度出发，站场设计尽管只是铁路工程设计中的一部分， 但其应该具有相对完整性。站场设计也是一个根据设计任务和设计要求，在 初步设计的基础上，不断改进和完善直到取得最佳设计结果为止的工作过程。 此时，c a d 的作用范围其实同样是完成一项工程设计任务的全过程。 2 3 2 主要内容 在传统的站场设计中，设计人员除需要在满足运营要求和设计技术条件 的基础上进行方案的优化设计外，还需把设计出来的方案通过a u t o c a d 软件 一点一线的手工绘制出来，非常的浪费时间、人力和物力，没有过多考虑设 计的经济效益问题，h 益不能满足信息时代高速发展的要求。故需开发一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 能方便绘制站场图形、自动计算各设备坐标、自动计算工程数量、能进行运 营模拟的铁路站场计算机辅助设计系统，这样设计人员只需把主要精力投入 到方案设计与优化上即可，设计出来的方案通过系统能很便捷地绘制出来并 得到设计所需的计算图表及说明文档等。 2 4 系统功能分析 根据站场设计的内容和特点，应将站场平面设计、横断面设计、纵断面 设计和土石方工程量的计算等项功能纳入一个系统中，以形成综合生产能力。 在满足系统开发的总体目标、原则以及用户需求的基础上，一个完整的铁路 站场计算机辅助设计系统应具备以下几项功能： 1 系统应能接收和处理不同来源的原始数据资料 系统可以手工或用扫描仪、数字化仪输入由传统测量方法采集的数据， 也可接收和处理航测、地面速测仪等自动化测量系统采集的数据。 2 平面设计应具有自动化和智能化的功能 系统能人机交互地完成平面设计，并能进行坐标自动推算，图表自动处 理，比例尺平面图、设计施工图及有关附表的自动绘制等。如果要对站场平 砸设计进行修改，只需通过交互式人机界面，输入相应的命令和必要的设计 数据，系统就能及时相应用户的要求，根据用户输入的数据，按设计规范和 设计流程自动计算出新值并驱动设计图纸按新的计算结果自动变化，从而使 设计、计算、绘图自动化水平得到了进一步地提高。其中，在坐标自动推算 过程中引入专家系统技术，在此基础上发展智能化站场c a d 系统，同时使其 具备启发性、透明性和灵活性等特点。 3 绘制站场标准图的功能 在站场设计过程中，尤其是在各类型站场的平面设计中，经常需采用已 有标准图作为参考，并按设计要求进行调整，以达到加快设计进度，提高设 计质量和实现站场设计标准化的目的。 4 站场设计一体化功能 将航测、遥感、g p s 等自动化测量系统所获得的地表数据信息，经数据 自动处理系统进行分析、处理，最终形成各阶段设计所需要的各种数据，并 按标准的工程数据格式存储于工程数据库管理系统中，以供平、纵、横断面 设计调用。 在完成平面设计后，进行纵断面设计时，平面信息( 如交点资料、曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 要素等) 和勘测所得的地形数据应能自动传递到纵断面上；在进行横断面设 计时，平面、纵断面信息( 如股道编号、间距、轨面高程等) 及地形数据应 能自动传递到横断面上；在进行土方计算时，平面、纵横断面信息及地形数 据应能自动传递其中，使工程数量的计算自动完成。 5 计算工程数量的功能 土石方工程量的设计计算是站场设计中最为繁重的工作之一。站场c a d 系统应在站场平面、纵断面、横断面设计的基础上，自动完成填、挖方工程 量的计算工作，并达到自动修改的功能，使其计算和统计随着平面、纵断面 和横断面的变化而变化。 同时还有站场工程数量的计算，包括铺轨计算、加强设备计算、道碴计 算、表格输出、标段工程数量汇总等。 6 运营模拟功能 应将车站作业与站场平面图结合起来，实现车站作业的人工安排、列车 进路的自动生成及列车运行的动态显示。 7 系统应能进行驼峰辅助计算 驼峰辅助计算通过分析气象资料，辅助绘制驼峰溜放图解检查图、进行 导线闭合计算等实现。 8 设计说明、表格和附注的输出功能 在站场设计过程中应能自动生成线路表、曲线要素表、道岔车挡坐标表、 路基土石方数量计算表等各种设计表格。通过图形编辑功能，可以把这些报 表与设计说明、附注、图例等一起添加到设计图形中。并在设计完成后用绘 图仪输出各阶段所需的相应图纸，用打印机输出各种工程数量表。 9 系统应能实现工程概预算 工程概预算是确定和控制工程项目投资的文件，是工程设计方案经济合 理的论证依据。概预算模块应能计算相关工程的概预算金额。 1 0 信息反馈功能 在进行设计、计算的过程中，能根据需要显示各种中间结果，包括图形 与数据显示。在出错或违反约束条件时，计算机能及时给出信息。 1 1 数据的管理和维护功能 在各功能模块间有数据的传递和信息的交换，因此，站场c a d 系统还应 具有功能完善的工程数据库管理系统。尽可能统一管理设计时的各种信息， 数据集中处理。采用数据库技术并考虑数据库与各应用子系统间的数据转换 接口。建立并利用数据库，处理站场专业内部及专业问的资料互提。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 2 其他功能 ( 1 ) 在线帮助功能 系统应具有较强的联机帮助功能，提示信息丰富、操作简便，工作中可 以随时在计算机上查阅有关信息，减少翻阅手册的时间，提高工作效率。 ( 2 ) 数据备份和数据恢复功能 ，系统数据量大，采用硬盘存贮数据、软盘备份工作模式，保证硬盘数据 和软盘数据的一致性和完整性。 ( 3 ) 密码与权限设置 为限制非法用户对数据的访问，保证数据的准确、可靠及系统的稳定完 整，进入系统必须提供口令。 2 5 系统性能要求分析 系统是一个集成化的站场设计软件平台，应能完成新建和既有改建铁路 的中间站、区段站、编组站等各种站型平、纵、横一体化设计，能满足初步 设计、旌工图设计等各个设计阶段的要求，还能满足高速客运站、城市轻轨 站场等的设计需要。 开发的系统性能要求除必须满足实际工作的需要外，还应结合计算机的 工作特点，针对本项工作提出更具体的要求嘲1 。因此要求本系统具有如下性 能： 、1 系统功能齐全 系统的功能应当贯穿于整个站场设计的全过程。在站场平面设计方面， 应具有提供一个智能化的交互式方案设计环境。设计方案坐标的生成，设计 图的重画、编辑，基本的文件和图形功能；在站场纵断面设计方面，应具有 纵断面地面线导入、纵断面计算、工程量估算、纵断面交互修改设计、纵断 面设计图的绘制等功能；在站场横断面设计方面，应具有横断面地面线的获 取、分段定义标准横断面、横断面自动设计、横断面交互修改设计、横断面 面积计算、土石方数量计算、土石方调配、横断面设计图的绘制等功能；在 工程数量计算方面，应具有铺轨计算、加强设备计算、道碴计算、标段数量 汇总等功能；在运营模拟方面，应实现车站作业的人工安排、列车进路的自 动生成及列车运行的动态显示：在驼峰辅助设计方面，应包括驼峰头部平面 设计、驼峰纵断面设计及驼峰验算等。系统包含的各项功能为完成铁路站场 设计提供全面的信息支持，通用性强、功能齐全、较好地满足设计者的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 ，用户界面友好、操作简单 常用功能必须具有友好的人机界面。中文菜单引导，具有菜单方式和直 接命令两种交互式操作方式。设计人员经过培训均能方便熟练地使用各种功 能，无需更多的计算机专业知识。系统中的鼠标操作、系统菜单、信息提示、 快捷键、热键、专业化的对话框和中文提示等都有利于实现界面的友好和操 作的简单。而且系统是面向图形操作的，所以要求有所见即所得的设计界面， 即软件打印输出效果和屏幕显示效果完全一致。 3 系统计算精确 系统是辅助站场设计的，它关系到一个站场的合理性甚至是可行性，所 以在系统中对每部分的计算都要求做到十分精确。一切都要按照相关的铁路 规范来做，如距离应当精确到米单位的小数点后3 位，在系统中我们就不能 为了实现的方便而对距离进行简单的类型转换。系统出错时也要求有相应的 措施，或者提醒用户对其进行修改，或者对出错部分进行锁定。 4 系统易于维护和升级 随着铁路行业的发展，铁路站场的设计规则也会随之发生一些变化。国 家质量技术监督局及建设部每隔一定时间就会发布一些新的规则，对铁路站 场、线路等的设计规范做一些适当的修改。这些变化要求系统有自适应的能 力。即当变化发生时，不必重新编写整个系统，而仅仅是改变系统中某些模 块的相关信息就可以完全适应这些变化。一个简单的方法就是把这些规则分 别写在不同的文件中，当某一部分发生变化时，只需修改相应的文件就可以 让系统知道这些变化而对站场设计进行相应的修改。采用面向对象的开发技 术有助于提高系统的可维护性。 5 系统数据库保密性好 系统的专业基本数据库对用户是封闭的，只能由专门的数据库管理人员 维护，保证了通用基础数据的正确性和可靠性。而由勘测及设计得到的数据， 用户需输入密码才能调用。 6 其它性能 系统采用软件工程的方法进行开发，具有较高的可靠性；大量采用专业 化的对话框和中文提示，提高了系统的易操作性。系统结构设计采用集成c a d 系统的思想，充分利用现有环境，在各应用子系统间建立友好界面并考虑方 便扩充新的应用