（道路与铁道工程专业论文）铁路路基大修计算机辅助设计系统理论与方法研究.pdf

摘要 铁路路基大修设计是铁路工务的重要内容。在设计过程中， 涉及到输入、输出和中间结果各种纷繁复杂的数据，绘图工作量 很大，工程量统计计算工作也很繁重。手工设计效率低且容易出 错。采用计算机辅助设计能利用计算机的计算速度快、计算准确 和不易出错的特点，可以显著地提高设计的质量、效率及自动化 水平。本文对铁路路基大修计算机辅助设计的实现理论和方法进 行了系统和深入的研究，取得了一些研究成果，最后运用这些成 果开发了铁路路基大修计算机辅助设计系统。论文主要研究内容 及成果如下： 1 在系统的设计和实现过程中，完全运用现代软件工程学的 原理，以面向对象方法作为系统的分析和设计方法，在系统需求 分析和功能定义的基础上，仔细地进行类的设计，架构系统的总 体结构。 2 在系统数据管理上，首先按照工程软件要求对铁路路基大 修设计所涉及的工程数据进行科学分类；然后紧紧围绕用户界面 层、标准数据库访问层和底层数据库三个层次，合理组织数据的 输入、输出界面，以a c c e s s 数据库和表的形式管理数据，采用灵 活、高效的a d o 技术访问底层数据库，对系统数据实现了有效的 管理，并在此基础上预留了其他形式的数据接口。 3 系统在w i n d o w sx p 平台上，应用v i s u a lc + + 6 0 及a r x 技术对a u t o c a d 进行二次开发，实现了设计图的绘制与排版。在 深入研究a r x 二次开发技术的同时，对a u t o c a d 数据库的结构和 操作方法进行研究，以实体、图层、文字标注和填充以及图块等 要素实现了设计图纸的输出。 4 在遵循人机分工和人机交互设计原则基础上，实现了多文 档界面、对话框和控件、菜单与工具条以及位图等多种界面形式， 方便了数据的处理和系统功能的实现。 5 。在v i s u a lc + + 6 0 的环境中采用a c t i v e x 自动化客户技 术操作e x c e l 表格完成工程量统计表的输出，大大提高了设计表 格的输出速度和效率。 6 以工程实例检验系统的稳定性、准确性和高效性，同时也 证实了以上理论、方法和技术的可行性和正确性。 关键词：铁路路基大修设计，a c c e s s 数据库，a d o 技术，a r x 技术 i i a b s t r a c t r a i l w a yr o a d b e dm a j o rr e p a i rd e s i g ni sa l li m p o r t a n tc o n t e n to f r a i l w a ym a i n t e n a n c et e r m s i nt h i sp r o c e s s ，r e f e r r i n gt oa l lk i n d so f n u m e r o u sa n d c o m p l i c a t e dd a t as u c h 豁i n p u t ，o u t p u ta n dm i d d l eo u t c o m e ， t h ed r a w i n gw o r k l o a di sv e r yh u g e ，a n de n g i n e e r i n ga m o u n ts t a t i n ga n d c a l c u l a t i n gi sn o n e r o u s ，s oc o m p l e t e l ym a n u a lw o r k i n gi si n e f f i c i e n t a n dl o ws u c c e s s f u l h o w e v e r a d o p t i n gc a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) c a nm a k eu s eo f c o m p u t e r sm a n ym e r i t ss u c h 祜q u i c ks p e e d p r e c i s ea n d h i g hs u c c e s s f u l t h u si t c a ne v i d e n t l yd e v e l o pt h ed e s i g n sq u a l i t y , e f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o nl e v e l ，t h i st h e s i sh a ss y s t e ma n dd e e p l yd o n e r e s e a r c ho nr e a l i z a t i o nt h e o r ya n dm e t h o do f t h er a i l w a yr o a d b e dm a j o r r e p a i rc a ds y s t e m ，a n da c h i e v e ds o m ep r o d u c t i o n s i nt h ee n d ，t h i s t h e s i sh a sp l i e dt h ep r o d u c t i o n st ot h er e a l i z a t i o no ft h es o f ! t 、】v a r es y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 i nt h i s p r o c e s so ft h es y s t e m sd e s i g na n dr e a l i z a t i o n f u l l y a p p l y i n gp r i n c i p l eo ft h em o d e ms o f t w a r ee n g i n e e r i n gs c i e n c ea n d a p p l y i n g t h e o o m ( o b j e c to r i e n t e dm e t h o d ) t o t h em e t h o do ft h e s y s t e m sa n a l y s i sa n dd e s i g n ，t h es y s t e mh a sc a r e f u l l yd e s i g n e dt h e c l a s s e sa n db u i l tt h ew h o l ef r a m eo ft h es y s t e mb a s e do nd e m a n d s a n a l y s i sa n df u n c t i o nd e f m i t i o no f t h es y s t e m 2 i nm a n a g i n gt h es y s t e m sd a t a t h es y s t e mf i r s t l yh a sc a r r i e d t h r o u g ht h ea l le n g i n e e r i n gd a t ao ft h er a i l w a yr o a d b e dm a j o rr e p a i rt o s o r t s c i e n t i f i c l yf o l l o w i n gt h er e q u e s to ft h es y s t e m t h e nc l o s e l y s u r r o u n dt h r e el a y so f t h eu i ( u s e r i n t e r f a c e ) l a y 、s t a n d a r dd a t a b a s ec a l l l a ya n db o t t o md a t a b a s el a y , t h es y s t e mh a sr e a l i z e de f f i c i e n t l yt h e m a n a g e m e n to ft h es y s t e md a t at h r o u g hr a t i o n a l l yo r g a n i z i n gt h eu io f d a t ai n p u ta n do u t p u t ，m a n a g i n gt h es y s t e md a t ai nf o r m so fa c c e s s d a t a b a s ea n d a d o p t i n gf l e x i b l ea n dh i g h l ye f f i c i e n ta i x ) ( a c t i v e xd a t a o b j e c t ) t e c h n o l o g yt om a n i p u l a t ed a t a b a s e i nt h eb a s ea b o v ea l l ，t h e s y s t e mp r e r e m a i nd a t ai n t e r f a c eo f o t h e rf o r m s 3 o nt h ep l a t f o r mo ft h ew i n d o w sx p , t h es y s t e mh a sa d o p t e d v i s u a lc + + 6 0a n da r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) t e c h n o l o g yt o s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt ot h ec a da n dh a sr e a l i z e dt od r a wa n dl a y o u t o ft h ed r a w i n g s d e e p l yr e s e a r c h i n ga r xt e c h n o l o g y ，a n dp u t t i n gu p r e s e a r c h i n go ns t r u c t u r ea n do p e r a t i o nt e c h n i q u eo ft h ec a d d a t a b a s e ， t h es y s t e mh a se n d l yc a r r i e do u td r a w i n gt h es y s t e mg r a p h i c si ne l e m e n t s o f t h ee n t 【t y 、l a y e r 、d i ma n dh 、t c he t c 4 b a s e l yf o l l o w i n gt h ep r i n c i p l e so fm a l l m a c h i n es e p a r a t i o na n d m a n m a c h i n ea l t e r n a t i o n t h es y s t e mh a sr e a l i z e da l lk i n t i so fi n t e r f a c e f o r m ss u c ha s m d i ( m u l t i p l yd o c u m e n ti n t e r f a c e ) 、d i a l o gb o xa n d c o n t r o l 、m e n ua n dt o o l b a ra n db i t m a p ，t h u st h i ss y s t e mh a so f f e r e d c o n v e n i e n c et ot h ed a t at a k i n ga n dr e a l i t yo f t h es y s t e m sf u n c t i o n s 5 i nt h ee n v i r o n m e n to ft h ev i s u a lc + + 6 0 a d o p t i n ga c t i v e x a u t o m a t i o nc l i e n tt e c h n o l o g yt om a n i p u l a t ee x c e lf o r ma n dp u to u tt h e e n g i n e e r i n ga m o u n tf o r m ，a s ar e s u l tt h e s y s t e mh a se n o r m o u s l y i m p r o v e do u t p u ts p e e da n de f f i c i e n c yo f t h ed e s i g nf o r m s 6 i nt h ee n d t h es y s t e mh a s r a k e da ne n g i n e e r i n ge x a m p l et o a p p r o v es t a b i l i t y 、v e r a c i t ya n dh i g h l ye f f i c i e n t ，i nt h es a m et i m ei th a s a p p r o v e dv a l i d i t yo f t h et h e o r i e s 、m e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e sa b o v ea l i k e yw o r d s ： r a i l w a yr o a d b e dm a j o rr e p a i rd e s i g n ，a c c e s s d a t a b a s e ，a d ot e c h n o l o g y ，a r xt e c h n o l o g y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：殍 日期：三盖年卫月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名3 么兰兰日期：上竺笸年上月互日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 简称c a e ，它是把计算机 应用于工程规划、设计、管理等的统称。它以其巨大的社会和经济效益在工程实 践中占据越来越重要的地位。在我国，道路与铁路c a e 的研究和实践已有4 0 多年的历史，并取得了长足的进步和广泛的应用。 计算机辅助工程所包含的计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 是 近4 0 年发展起来的一门新兴技术。随着计算机硬件和软件技术的巨大进步，c a e 技术已成为工程实施及科学研究不可缺少的组成部分。c a e 技术充分利用计算 机的高速运算、数据处理和绘图模拟等能力，不仅可以缩短工程规划、设计和施 工的周期，减少工程技术人员的繁杂劳动，而且可以提高工程质量、降低成本【“。 1 1 系统研究与开发的意义 铁路路基是铁路线路的重要组成部分，它将桥梁、隧道相连，共同组成一个 线路整体。路基处在各种复杂的变化着的自然条件之下，例如：地质、水、降雨、 气候、地震等条件，因而它时刻受到自然条件变化的侵袭和破坏，其工程性质对 自然条件变化十分敏感。路基同时受轨道荷载和列车动荷载的作用，列车荷载为 多次反复作用，路基土在重复荷载作用下产生累积变形，表现出疲劳的特性，这 会导致路基的加速破坏。我国早期修建的铁路由于受当时的国民经济和技术条件 的限制，技术等级低、设计存在缺陷、施工质量存在问题，路基经常发生破坏。 现在，高速铁路及客运专线在我国大规模建设，轨道的高平顺性对路基的长期稳 定性提出了更高的要求，所以铁路路基大修设计的任务相当繁重嗍。 路基的稳定程度直接影响着轨道的稳定状态，所以路基设备应经常保持完好 状态，以巩固线路质量，保证铁路运输安全畅通。 铁路路基大修设计过程中数据的输入、计算、绘图以及成果输出的工作量很 大，如果采用手工设计的方式效率低、设计质量差、容易出错。路基设计是一项 综合性、经验性很强的工作，这样使得路基在设计过程中需要经常修改。路基设 计既要有自动设计计算、绘图功能，以减少人工设计计算工作量，加快路基设计 速度，又要有很强的灵活性和人机交互功能以适应工程的多变性。这样就有必要 研制路基大修设计的计算机辅助设计软件系统以满足目前设计生产任务繁重的 现状，这就是本论文的现实意义。 系统研发过程除了要具有铁路专业知识以外，更多的是程序实现问题。计算 硕士学位论文第一章绪论 机辅助工程开发和研究涉及到计算机应用学科和其它有关学科很多基础理论，比 如软件工程学、计算机图形学、工程数据库、优化技术以及人工智能和专家系统 等五个方面的知识。本论文研究的重点是：l 、采用面向对象的软件设计方法， 用基于数据库的思想来研发本系统2 、用a d o 技术方便地操作a c c e s s 数据库3 、 设计方便美观的界面来实现数据的输入和输出4 、采用直接操作图形系统 ( a u t o c a d 图形系统) 的方法来绘制图形。其最终结果是形成一个方便实用的 铁路路基计算机辅助设计系统。这些正是本论文研究和开发的重要理论意义。 1 2 国内外研究开发概况 1 2 1 国外研发情况“ 道路与铁道工程计算机辅助设计的研究在国外已有4 0 多年的历史。2 0 世纪 6 0 年代初期，电子计算机开始运用到道路和桥梁设计中，应用于繁冗重复的大 量计算工作，如平面和纵面几何线形的计算、横断面和土石方的计算、结构计算 以及输出数表等。为获得经济效益，英、美、法、德和丹麦等国家首先把注意力 集中在道路路线纵断面优化技术方面，经过一段时间的探索，各国都研制成功了 比较成熟的纵断面优化程序系统。 2 0 世纪7 0 年代，道路路线设计优化技术拓宽到平面和空间( 三维) 选线和 数字地面模型( d t m ) 等领域：计算机绘图技术可以直接提供设计和施工图纸。 到了2 0 世纪8 0 年代，很多国家已建立了由航测设备、计算机( 包括绘图仪、 数字化仪等外部设备) 和专用软件包形成的公路c a d 组合系统。软件包往往包含 从数据采集、建立数字地面模型、优化技术以至进行全套计算机计算、绘图和报 表的完整系统。这一时期国外的最新研究方向主要集中在线路勘测设计中智能 c a d 技术应用、地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 的应 用以及道路设计中的三维c a d 技术应用和可视化技术。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，通过市场竞争，国外逐步出现了若干个较为优秀 的道路c a d 软件，它们试图走向国际化，满足多元化的设计标准，提高柔软性( 适 应性) 。它们克服各国在文字、测设方法、设计标准、技术规范等方面的差别， 满足多种不同要求，开发适应于不同国家的版本。其他高新技术的发展进一步推 动了c a d 技术的现代化。在数据采集上，全站仪、电子手薄、现场绘图电子平板 ( p e n m a pf o rw i n d o w s ) 的新发展，以及g p s - r t k 仪的出现，为通过g i s 、g p s 和c a d 使数据采集、设计绘图、方案优化创造了条件。由于高性能个人计算机的 迅速发展，计算机体系结构向分布式小型化发展。在软件开发技术方面，面向对 象的程序设计方法、软件重用技术，可视化快速应用程序开发环境以及计算机辅 硕士学位论文第一章绪论 助软件工程( c o m p u t e r a i d e ds o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，简称c a s e ) 开发环 境的出现，标志着软件工程进入了崭新的阶段。在研究领域中，开发智能化的道 路c a e ，完善共享的道路交通专用的g i s 和工程数据库等，也都在进行中。目前 国外比较成熟的道路软件主要有：德国的c a l l d l 软件、英国的m x r o a d 软件、美 国i n t e r g r a p h 公司的i n r o a d s 软件、挪威的n o v a c a d 软件和加拿大的g w n r o a d 软件。 在路基横断面设计方面，德国的c a r d 1 软件采用半自动的方法定义横断面， 操作灵活方便，可以形成任意形式的横断面。再者，在两个不同边坡横断面的区 间段内，程序可以提供边坡自动缓和转变的图式，保持准确的用地边界以及与自 然地形相协调的景观。在横断面设计中还可以完成分离式路基和带构造物的断 面。美国i n t e r g r a p h 公司的i n r o a d s 软件可以展现所需多种形式的标准横断面 和模式，并在任何时刻展示所需的横断面图。按所需标准进行超高计算并制成图 表，可以产生土石方计算表、土石方累积曲线和土石方运输图表。国外其它的软 件都有自己各具特色的路基设计模块，基本上都可以完成路基方面的设计计算、 绘图、方案比较等功能。 1 2 2 国内研发情况嘲 我国线路c a d 的研究工作开始于2 0 世纪7 0 年代末，1 9 7 4 年，同济大学在 全国率先收集和翻译国外关于道路路线优化技术和计算机辅助设计方面的资料。 自2 0 世纪8 0 年代中期起，同济大学、重庆交通学院、重庆公路研究所、交通部 第二公路勘察设计院、西安公路学院等单位对公路纵断面优化技术及平面线形优 化技术等进行了研究。随着c a d 技术的迅速发展，国内各高校和公路设计部门开 发和引进了一些公路路线c a d 系统，已有多项成果在生产中得到应用，取得了明 显的经济效益。 铁路方面，1 9 7 9 年铁道部科技司组织铁道部各设计院与铁路高校联合攻关， 进行了铁路线路纵断面优化和数字地面模型两大课题的前期研究，并于1 9 8 4 年 由原长沙铁道学院主持，铁道部专业设计院、第三勘测设计院、西安交通大学加， 共同开发了数字地面模型梯度投影法铁路线路纵断面优化设计系统，该项成 果在国内第一次成功地将数模技术引入到铁路线路c a d 中。1 9 8 9 年由长沙铁道 学院主持，铁道部第二、第三勘测设计院参加，开展了铁路线路平、纵面整体优 化设计的研究，该成果在国内首次将铁路线路作为一条空间曲线进行优化。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着计算机硬件的快速更新和降价以及计算机功能 的日益强大，使得c a d 软件平台从小型机转到了微型计算机上，同时8 0 年代以 来发展起来的图形用户界面( g u i ) 技术已广泛普及，使得计算机辅助线路设计 实现了从一维( 文本) 人机交互形式向二维( 图形) 人机交互形式过渡。国内在 3 硕士学位论文第一章绪论 航测技术的研究与应用、计算机辅助勘测设计及计算机辅助绘图等方面做了大量 的研究与开发工作，出现了一批实用性较强的软件包。应用较广的软件由交通部 第一、第二公路勘察设计院，东南大学各自开发的公路线路辅助设计软件；由长 沙铁道学院开发的“新建单、双线铁路线路计算机辅助设计系统”，该项目首次 将c a d 技术引入双线铁路( 含预留i i 线) 的设计，已在全路推广使用。此时，国 内也开始在路线三维可视化方面进行研究，主要是侧重于某一特定范围的研究 ( 如地形的三维表达) ，对于线路及其线路上的各种建筑物的三维建模，尤其是 将线路三维模型和地形三维模型拼合在一起，形成实用的线路三维景观模型方面 的研究还不够。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，计算机硬件的快速更新和降价，功能的快速提 高，使得在微机平台上开发的道路c a d 软件占有一定的优势。同济大学从1 9 8 6 年起，在十余各省、市级设计院的支持下，于1 9 8 6 至1 9 9 0 年期间开发完成了微 机道路计算机辅助设计t j p , d 软件系统，已在4 0 多个设计单位使用，完成了包括 若干条高速公路在内的大量设计任务，取得了很大的经济和社会效益。 目前，在国内生产中使用的国产软件主要有东南大学开发的道路与互通立 交e i c a d 系统；交通部第二公路勘察设计院开发的微机公路路线设计系统；海德 公司开发德h e a d 软件系统；以及伟地道路计算机辅助设计系统、鸿业道路辅助 设计系统等软件系统。铁道部各单位也研制了一些自己的公路铁路线路计算机辅 助设计系统。中南大学道路与铁道研究所也开发了一系列道路c a d 软件，如“公 路数字地形图机助设计系统”，“公路路线一体化与可视化设计系统”，“铁路新线 实时三维可视化c a d 系统“，新建单双线铁路线路机助设计系统”，“铁路线路三 维可视化设计系统”等，这些成果均己通过了铁道部或湖南省组织的专家鉴定， 且在实际生产中得到了推广应用，产生了显著的经济效益和社会效益。 在路基辅助设计方面，近年来国内公路c a d 软件的开发和应用取得了长足 的发展。如1 9 9 9 年8 月，由北京理正软件设计研究所和铁道部第三勘测设计院 合作开发的路基通用c a d 系统，适用于铁路、公路的一般路基设计，可以根 据线路资料、地质资料自动设计路基形式及边坡坡度：横断面修改后的填挖高度、 土石方量及工程量计算结果在施工图上动态显示。2 0 0 1 年西安立德公司主持开 发德“伟地三维道路c a d 系统”能定制横断面类型、多级填挖方边坡、护坡道、 边沟、排水沟，及路基支挡防护构造物，实现了横断面修改后自动刷新的功能。 该系统是国内较早开发的一套专业且产品化三维道路设计系统，可以方便地应用 于路线方案的汇报展示、比选与优化，线形视距检查、安全性分析和道路景观设 计与评价。2 0 0 2 年11 月，西安海地软件公司开发地海地公路设计优化系统可以 完成加宽超高计算、横断面自动戴帽、挡墙设计、自动完成土石方粗调配；自动 4 硕士学位论文第一章绪论 生成公路各种图表；路线设计完成后能自动生成三维动态仿真效果图”。e i c a d 为用户提供了可应用于多种地形和要求的多套横断面边坡设计模版，设计者在不 建模版的情况下便可直接调用，完成横断面设计。在必要时，亦可对提供的模版 进行修改补充，大大方便了使用者。中南大学开发的v i z r a i l ( 铁路新线实时三 维可视化系统) 采用分段设计的思想，考虑了地层的分层，定义支挡建筑物的模 板，可以灵活地设置支挡建筑物，可以交互设计和自动进行路基土石方的计算和 调配，还可以自动出图和自动排版。 特别值得一提的是，中南大学铁道校区( 原长沙铁道学院) 土木建筑学院道 路与铁道研究所在铁路路基大修设计领域作出了很多研究，提出了很多具有独创 性的设计理念和设计思想，比如：基于数据库的思想、面向对象的软件分析和设 计理念等。本文正是继承这些思想和理念的基础上进一步深入研究，最终编程实 现了本软件系统，并且应用到了实际生产中，得到了各方面的好评。 5 硕士学位论文第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 根据软件工程学的观点，系统总体设计的基本目的是回答系统该如何实现的 问题。首先要采用一种合适的系统分析和设计方法来架构系统宏观的总体结构， 然后是进行系统的需求分析与功能定义，最后还要选择系统开发的环境和所遵循 的一系列标准。 2 1 系统总体结构设计嘲 由于面向对象的系统分析和设计方法具有诸多的优越性，代表了当今软件设 计方法的潮流，所以本系统也采用面向对象的软件分析和设计方法来分析和设 计。 ( 一)面向对象的概念及其特点 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ，简称0 0 ) 这一术语指的是把软件系统看成 一系列离散的对象集合，这些对象中既包括数据结构也包括行为。与传统的程序 设计思想相比，传统程序设计思想中的数据结构与行为只维持一种松散的联系。 一般认为o o 法的基本特性有四种：即标识唯一性、分类性、多态性和继承性。 标识唯一性指的是数据量化进入离散的、可区分的称之为对象的实体中；分类性 指的是具有一致的数据结构( 属性) 和行为( 操作) 的对象抽象成类；多态性指 的是同一操作可以是多个不同的类的行为；而继承性是对具有层次关系的类的属 性和操作进行共享的一种方式。 从概念上讲，0 0 法把设计分成两个层次：一个叫做应用域，一个叫做解决 域。0 0 法在对应用域进行需求分析时寻找的是实体，这些实体最终被抽象成类 型，如图2 一l 所示。图中的实体、类型、对象和种类的概念都是一组实体、一 组类型、一组对象和一组种类这样的概念。 6 硕士学位论文 第二章系统总体设计 具体的+ + 抽象的 实体+ _ 类型 - 域盆蚯：域盆蚯：应圉域 解决域 对象+ 十种类 圈2 10 0 设计关系图 图中虚线箭头表示具有对应的关系。实线箭头表示抽象的概念。实体是具体 的，可以被抽象成类型。对象是具体的，是其抽象体种类的实现。应用域的实体 可以在解决域中找到其对应的对象。同样，类型也可以找到其对应的种类。0 0 法明确地规定其设计是从应用域中的实体研究开始的，然后在解决域中抽象出种 类，再进行编程。这是一个十分严谨的设计过程。可以看出，0 0 法在设计思想 和方法上从开始就提供了十分明确的规范。这种严谨的规范贯穿整个0 0 法的 三个步骤：需求分析、设计和实现。0 0 法从具体到抽象及从应用域到解决域这 种一一对应的解答方法，在其它方法中是没有的。它把从需求分析、设计到实现 这三个过程完整地、有机地、紧密地结合在一起了。0 0 法中需求分析和设计是 重叠的。设计和实现是重叠的，也就是说0 0 法需求分析中产生出来的类型和种 类可以直接在设计中使用。 o o 法具有以下几大特点： a ) 从应用设计到解决方法更加抽象化，而且具有极强的对应性； b ) 在设计中容易和客户沟通； c ) 把信息和操作封装到对象里去； d ) 设计中先产生各种各样的部件，然后由部件组成构架，最后到整个应用程序； e ) 由o o 法设计出来的应用程序具有易重复使用、易改进、易测试、易维护和 易扩充的特性。 ( 二)关于面向对象建模技术( 哪) 对象建模技术( o b j e c tm e t h o d o l o g yt e c h n o l o g y ，简称o m t 法) 是综合了 静态、动态、功能建模的一种方法学，贯穿于软件开发的分析、设计和实现全过 程。它包括三种模型：对象模型( 静态模型) 、动态模型和功能模型。对象模型 描述了系统中对象的静态结构及对象间的关系：动态模型描述了系统中对象的交 互行为；功能模型描述了系统中数据的交换过程。一个典型的软件程序组合了这 7 硕士学位论文第二章系统总体设计 三种性质：数据结构( 对象模型) ，顺序执行操作( 动态模型) ，完成值的变化( 功 能模型) 。这三种模型的建立，将软件系统呈现成一个正交三视图提供给设计人 员，可以使用统一的表示来描述、操纵和把握系统。 o t m 方法学是一种o o 软件构造方法，它不同于传统的软件开发方法。这种 差异影响了软件开发的整个过程乃至软件产品本身。o m t 方法学包括四个阶段： 需求分析阶段、系统设计阶段、对象设计阶段和实现阶段。 需求分析阶段：本阶段涉及对应用域理解及求解域的建模。该阶段是从问题 陈述入手，说明了要解决的问题并提供了对假想系统的概念总览。同用户不断对 话以及背景知识的了解，作为分析的附加输入。分析的结果是一个形式化模型， 该模型概括了系统的三个本质因素：对象及对象之间的关系、动态的控制流以及 带有约束的功能数据变换。 系统设计阶段：本阶段确定整个系统的体系结构。以对象模型为指导，系统 可以由多个小系统组成。把对象成组聚集成并发任务并反映并发性。对动态模型 中处理的相互通讯、数据存储及实现制定全面策略。在权衡设计方案时要建立优 先次序。 对象设计阶段：本阶段精心考虑分析细化模型，然后优化生成各个对象。对 象设计的重点已从应用域概念转化到计算域概念上。首先，选择基本算法来实现 系统中各主要功能。其次，在这些算法的基础上，考虑实现的效率，选择最优的 对象模型结构，兼顾考虑系统设计中已确定的并发性和动态控制流。第三，考虑 怎样实现各种关联及属性。最后，将子系统封装成模块。 实现阶段：本阶段就是编写代码，它是设计阶段的延伸。程序代码是问题求 解的最终体现，因而代码的编写风格对于可维护性、可扩充性来说是十分重要的。 o t m 方法学的主要特点是： a ) 开发重心转移到需求分析阶段； b ) 强调数据结构； c ) 开发过程的吻合性； d ) 0 l t 是重复性的而不是顺序性的。 使用o m t 的主要优点是促进未来系统的可重用性，减少后续阶段的错误，提 高可维护性。在编码之前所花的时间可能比传统方法稍微长些，而开发的后期工 作比传统开发方法要容易和迅速得多，因为0 0 开发方法容易实现对系统的修改， 加之在开发过程中不可避免地会有新问题和修正过去对问题的理解，更多地需要 反复修改目标系统。尤其在涉及需求变化时，使用o m t 方法设计出来的系统将更 加稳定。 8 硕士学位论文第二章系统总体设计 2 2 系统需求分析与功能定义 2 2 1 铁路路基大修设计需求分析 铁路路基是铁路线路的重要组成部分，它与桥梁、隧道相连，共同组成一个 线路整体。路基工程主要由三部分建筑物组成： 1 路基本体 路基本体是直接铺设轨道结构并承受列车荷载的部分，例如：路堤、路堑等。 它是路基工程中的主体建筑物。 2 路基防护和加固建筑物 路基防护和加固建筑物属路基的附属建筑物，例如：挡士墙、护坡等。 3 路基排水设备 排水设备也属于路基的附属建筑物，例如：排除地面水的排水沟、边沟、截 水沟和排除地下水的排水槽、渗水暗沟、渗水隧道等。 在一般铁路路基的设计过程中，要遵循铁路路基设计规范，满足有关的技术 标准，考虑路肩高程、路基面形状和宽度、基床结构类型和加固措施、路堤和路 堑的填料和边坡以及取弃土地点的设置、路基排水、路基坡面防护和冲刷防护、 挡土墙设计和路基土石方的计算和调配等内容。而路基设计最主要的也就是设计 路基横断面，路基横断面的主要设计内容基本是一致的，一般包括横断面设计高 程计算、超高计算、加宽计算、带帽子、计算土石方工程数量，标准路堤、路堑 挡墙设计等“3 。 铁路路基大修和维修工作的基本任务是：经常保持路基及其排水、防护、加 固设备的完好状态，充分发挥其作用，延长设备使用寿命；及时整治路基病害， 预防病害的发生和发展；有计划地改善路基设备状态，不断提高路基整体强度和 抗洪能力，满足铁路运输的需要。 路基大修工作范围包括：整治路基维修工作范围以外地各种崩塌、落石、边 坡溜坍、陷穴、基床下沉外挤、泥石流、基床翻浆冒泥、排水不良、冻害、沙害 及河岸冲刷等路基病害以及加宽路基，改善边坡坡度，翻修、接长或增加防护加 固设备。 路基大修设计文件，主要由设计说明书、设计图、预算三部分组成： a ) 说明书：概述设计依据、病害情况及发生原因、工程及水文地质概况、原有 设备的技术状态、设计方案、施工方法，质量要求、安全措施及其他注意事 项。 b ) 设计图：大修工程必须按规定的图幅、比例绘制平面图、断面图及建筑物的 结构图，各部分尺寸要清晰正确，各工程项目必须在图中完全反应。 预算：预算应根据设计图、工程数量、施工组织设计及有关预算定额和编制 9 硕士学位论文第二章系统总体设计 办法进行编制。 从以上分析可以看出，铁路路基大修设计主要解决铁路路基以上三部分建筑 物的大修设计问题。设计内容主要包括：路肩大修设计、路基边坡大修设计、水 沟及挡土墙与附属建筑物大修设计等。 铁路路基大修设计在遵循一般铁路路基设计原则的基础上，也有它自身的特 点，现归纳如下： a ) 铁路路基大修可能不像新建或改建一样具有很长的连续里程，工程相对零散， 所以这就需要在设计中采用分段设计的思想； b ) 铁路路基大修设计只需要考虑路基的主要方面，像加宽、超高，平、纵断面 线形这些次要的方面就可以较少考虑； c ) 铁路路基大修设计的过程中，要经常的调整路肩、边坡、水沟和挡墙的位置 和参数，这和一般路基的设计是有所区别的。所以，有必要在系统的实现过 程中采用可以灵活修改这些参数的可调模板； d ) 工程设计成果中包含既有线线路设备，所以输入、输出数据和文件中要考虑 线路设备。 根据以上铁路路基大修设计内容及特点，涉及到的工程数据有项目管理数 据、线路数据、地面线数据、设计参数( 包括路肩参数、边坡参数、挡土墙参数 和水沟参数) 、工程量统计参数( 包括边坡补充参数和每平方米材料用量参数) 和绘图参数。 系统中间数据的处理主要包括数据存入数据库、数据的更新、数据的插入、 数据的删除等操作。 系统的结果输出主要有：路基横断面图、边坡正视图和工程量统计表( 用记 事本和e x c e l 电子表格的形式) 。 在系统实现的过程中，数据的合理、有效的管理是本系统考虑的重点问题。 考虑到路基设计过程中数据零散复杂，而且各种数据之间存在各种联系。本系统 采用a c c e s s 关系数据库来管理各种数据。本系统组建了项目数据库( 存放有关 项目信息的数据) 、大修设计数据库( 存放各种路基大修设计数据) 和设计标准 数据库( 存放各种类型挡士墙的尺寸数据、标准形式护坡，水沟，路肩等构造物 的数据) 。 有关数据结构、数据管理与数据库操作的内容将在第三章里详细论述。 当然，作为一个好的设计系统，其交互性是必须考虑的，所以本系统采用横 断面交互设计工具条的形式来实现交互修改设计路基横断面。 硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 2 2 铁路路基大修设计功能定义 本系统适用于铁路路基大修设计的一般边坡设计，应具有以下功能： 1 用户输入路基大修段设计里程、路肩和侧沟几何参数、坡面防护类型( 包 括：自然边坡、植草边坡、干砌片石、浆砌片石、浆砌片石骨架护坡和砂 浆抹面护坡) 的一般设计参数，即可自动完成铁路路基边坡大修设计的设 计图( 包括横断面图和边坡正视图) ，成图应该完全符合相关规范和设计 习惯，完成工程量的统计计算，并且用合适的形式输出统计结果； 2 系统集数据采集、数据处理、图形处理于一体； 3 系统带有坡面防护( 包括：自然边坡、植草边坡、干砌片石、浆砌片石、 浆砌片石骨架护坡) 的标准图几何参数，可供用户选择： 4 系统所有输出、输入数据都由a c c e s s 数据库统一管理，方便编辑、查询； 5 系统留有开放式数据接口； 6 所有功能都集中在a u t o c a d ( r 2 0 0 0 r 2 0 0 2 ) 环境下，系统界面与a u t o c a d 用 户界面完全融合； 7 系统应具有一定的交互设计能力，操作灵活方便，易于使用，具有较强的 实用性； 8 具备一定程度的智能性、容错性和可靠性； 2 3 系统设计 2 3 1 系统模型建立 基于面向对象理论和铁路路基大修设计内容，我们把铁路路基大修设计作为 一个抽象类型。需要建立以下三种模型： 1 对象模型：主要是工程数据和项目标准规范数据的组织： 2 功能模型：主要规定系统要实现的功能； 3 动态模型：指数据交换、数据库设计等内容。 其中功能模型和动态模型是系统设计的实际内容。以这三种模型建立的系统 总体结构流程图如图2 2 所示。 2 3 2 系统对象设计 根据面向对象的理论，系统对象分析的结果就是抽象出封装了属性和操作的 类。表2 一l 所示为系统全部设计类。 硕士学位论文第二章系统总体设计 表2 1 系统类设计 所属的模小类名所实现的功能 型 类 线路g e t e a r t h地面线数据输入 基本b r e a k 断链数据的输入、输出和编辑 数据c r o s e c t i o n路基分段数据输入、输出和编辑 项目 p r o j m a n a g e项目管理数据输入和编辑 管理 水沟 d a s h s e c 水沟分段数据输入、输出和编辑 d a s h t y p e水沟类型及参数输入、输出和编辑 标注d i m s t y l e出图参数输入和编辑 对 s j m m h p p a r a m 砂浆抹面护坡参数输入 路 s t o n e h p p a r a m干砌片石护坡参数输入 基 g j h p p a r a m 骨架护坡参数输入 象 边 g r a s s p a r a m植草边坡参数输入 坡 j q p s p a r a m 浆砌片石护坡边坡参数输入 c r o s s s e c边坡分段数据输入、输出和编辑 sl o p p a r a m边坡参数输入、输出和编辑 模 路 s i d e s e c路肩分段参数输入、输出和编辑 肩 s i d e p a r a m路肩参数输入、输出和编辑 工程 g j c l浆砌片石骨架护坡材料用量参数输入 量统 s j m m c l 砂浆抹面材料用量参数输入 型 计 b c i n p u tl 边坡补充坡长参数输入、输出和编辑 q s h z l j w a l l浸水地区衡重式路肩墙参数输入和编辑 q s z l l j w a l l 浸水地区重力式路肩墙参数输入和编辑 挡 w a l l s e c i n f挡墙分段设计参数输入 土 w a l l s e c t i o n挡墙分段参数输入、输出和编辑 墙 y b h z l j w a l l一般衡重路肩墙参数输入和编辑 y b z l l q w a