（道路与铁道工程专业论文）既有单、双铁路正线基床封闭大修机助设计系统研制.pdf

摘要 近年来随着西部开发的进一步深入，地区经济日趋活跃，地 区经济发展要求迅速提高既有线铁路运输能力。在贵州省内的湘 黔、黔桂、滇黔、川黔等干线均是修建较早的山区铁路，由于受 历史、地质条件以及当时施工技术条件的限制，现有的线路设备 和线路状况很难满足重载高速的要求。作为线路大修设计的主要 内容之一的基床处理工作，贵州省内每年都要完成几十公里线路 的基床病害整治工作。在病害整治设计过程中，涉及到输入、输 出和中间结果各种纷繁复杂的数据，基床整治所要完成的设计绘 图工作量是相当大的。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 路基床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，并应用研究成果开发了既有单双线铁路基床封闭大修计 算机辅助设计系统。论文主要研究内容及成果如下： 1 运用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，进行线路横断面中基床类的设计和 存储，架构系统的核心结构。 2 采用现代数据库技术管理系统所有工程数据。首先对铁路 基床病害整治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 系统采用a r x 技术对a u t o c a d 进行二次开发，绘制铁路 基床病害整治设计的横断面、纵断面图。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。 4 在遵循人机分工、人机交互设计原则的基础上，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 以工程实例检验系统的稳定性、准确性和高效性，同时也 实证了以上理论、方法和技术的可行性和正确性。 关键词：铁路线路大修设计，基床，a d o 技术，a r x 技术 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sw i t hf u r t h e r d e v e l o p m e n ti nw e s t e r no fc h i n a , t h e r e g i o ne c o n o m yb e c o m e sg r a d u a l l ya c t i v e w h i c hr e q u i r e si m p r o v i n g t r a n s p o r tc a p a c i t y o ft h ec u r r e n tr a i l w a y s q u i c k l y i ng u i z h o u ，a m o u n t a i n o u sp r o v i n c e ，m a n y r a i l w a y s ，s u c h a s x i a n g q i a nr a i l w a y ( h u n a nt og u i z h o u ) ，q i a n g u ir a i l w a y ( g u z h o ut og u a n g 】【i ) ，d i a n q i a n r a i l w a y ( y u n a a nt og u i z h o u ) ，c h u a n q i a nr a i l w a y ( s i c h u a nt og u i z h o u ) a n ds oo n ，a r eb u i l ti ne a r l yt i m e s h e n c e ，s u b j e c t e dt oh i s t o r y , g e o l o g y c o n d i t i o na n dt h er e s t r i c t i o no ft e c h n i c a lc o n d i t i o na tt h a tt i m e ，a l lt h e s e e x i s t i n ge q u i p m e n t so fr a i l w a y sa n dt h ec o n d i t i o no fr a i l w a y sc a n n o t m e e tt h en e e d so ft h eh e a v y - c a r r i e da n dh i g h - s p e e dt r a i n s a so n eo ft h e m a i nc o n t e n t si nr 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 , t h ed i s e a s e r e p a i r i n gw o r ko fr o a d b e d ss h o u l db ec o m p l e t e di nal a r g er a n g ei n g u i z h o up r o v i n c ee v e r yy e a r 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 d d a t as u c ha si 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 u m 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 s i 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 r lm a k eu s eo fc o m p u t e r sm a n ym e r i t ss u c ha sq 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 l le 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 印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 w 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 gt h eo o m ( o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ) t ot 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 r o a d b e di nc r o s ss e c t i o n so fr m l w a y sa n db u i l tt h ew h o l ef r a m eo ft h e s y s t e mb a s e do nd e m a n d sa n a l y s i sa n d f u n c t i o nd e f m i f i o no ft 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 , u s i n ga l le n g i n e e r i n gd a t ai n m a n a g e m e n ts y s t e mo fm o d e md a t a b a s e ，t h es y s t e mh a sc a r r i e dt h r o u g h t h ea l le n g i n e e r i n gd a t ao fr a i l w a yr o a d b e dd i s e a s er e p a i rd e s i g nt o s o r tt h e ms c i e n t i f i c a l 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 i i s u r r o u n dt h r e el a y so f t h eu i ( u s e ri 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 佑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 # ar 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 f a 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 d o ( 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 n sd a t ai n t e r f a c eo f o t h e rf o r m s 3 t h es y s t e mh a sa d o p t e 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 os 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 o d r a wc r o s ss e c t i o n sa n dp r o f i l e so fr a i l w a yr o a d b e dd i s e a s er e p a i r d e s i g n i td e e p l yr e s e a r c h e sa r xt e c h n o l o g ya n dp u t sr e s e a r c h i n go n s 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 f t h ec a dd a t a b a s e 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 n - 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 d so fi n t e r f a c e f o r m ss u c ha sm 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 d ，t h es y s t e mh a st a k e na 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 he f f i c i e n c y , 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 1 1 k e yw o r d s ：r a i l w a ym a j o rr e p a i rd e s i g n ，r o a d b e d ，a d o t e c h n o l o g y ，a r xt e c l l i l 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： 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：导师签名三羔竺兰! ，日期：盟年月竺日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nc a d ) 是一门多学科、综合性的新技 术。一个c a d 的软件系统一般包括图形技术、数值分析和软件技术三个方面【2 】。 图形技术包括曲线、曲面、二维图形及三维立体造型功能，就是要在c a d 硬件系统的基础上完成图形的生成及对图形的几何处理，自动产生用户所需的各 种图形设计。实践经验告诉我们，搞设计离不开图纸，“图纸是工程师的语言”， 绝大部分的计算机辅助设计的最终结果是一份清晰正确的设计图纸，所以计算机 的图形处理功能是c a d 技术的一个重要组成部分。图形软件可称为c a d 软件 韵基础软件或支撑软件。 数值分析包括设计计算、优化设计等，是专门为某一领域的工程设计、计算、 分析服务的程序系统，是c a d 技术应用于工程实践的保证。 软件技术包括人机界面和数据库等。人机界面是人和计算机进行信息交换的 桥梁，良好的人机界面可以大大缩短人们与计算机之间的距离，方便用户学习、 理解及使用，从而可提高工作效率并减少错误的发生。随着c a d 系统功能的日 益完善，传统的用文件管理设计数据的模式己不能适应c a d 技术一体化的要求。 主要表现在以下四个方面： 1 数据不能共享，难以适应多用户的环境： 2 数据缺少独立性，从而使得程序的逻辑结构和数据结构相互影响，增加 了程序设计的复杂性； 3 数据过于分散，难以保证数据的完整性和一致性； 4 数据冗余度太大，从而造成许多不必要的存储。 综上所述，在c a d 系统中采用数据库技术是势在必行。采用数据库技术可 达到数据共享，避免数据重复的目的，对系统采用模块化结构和开发网络功能都 是至关重要的。 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 硕士学位论文 第一章绪论 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，所以维持铁路路基稳定的任务相当繁重l g j 。 所有路基的破坏中，发生在路基基床的病害破坏最为常见。 基床是指路基上部受列车动力作用和水文、气候变化影响较大的一层“ 铁路路基设计规范第6 1 1 规定：路基基床应分为表层及底层，表层厚度为 0 6 m ，底层厚度为1 9 m ，总厚度为2 5 m 。由于上述工作条件，基床极易产生变 形与病害”。主要病害有：道碴槽、道碴箱、道碴囊或道碴袋、路肩剪切挤起， 路基翻浆冒泥等，在我国南方多雨地区基床病害尤其严重。目前，处理这些病害 的方法主要有：基层换填、设置沥青粘土、土工纤维布、p v c 塑料排水板封闭 层、水泥固结、水泥砂浆压浆处理等。由于基床病害整治工作必然涉及线路轨道 结构的调整，所以在大修设计、施工中，基床病害整治属于铁路线路大修设计内 容。 铁路线路设备大修规则第1 0 2 条规定铁路线路设备大修的基本任务， 是根据运输需要及线路设备损耗规律，周期性地、有计划地对损耗部分更新和修 理，恢复和提高设备强度，延长设备使用寿命，恢复和增强轨道承载能力。 我国每年都有数百公里既有线路发生基床病害，必须进行基床病害整治。在 贵州省内的湘黔、黔桂、滇黔、川黔等干线均是修建较早的山区铁路，由于受历 史、地质条件以及当时施工技术条件的限制，现有的线路设备和线路状况很难满 足重载高速的要求。作为线路大修设计的主要内容之一的基床处理工作，贵州省 内每年都要完成几十公里线路( 依据成都局提供资料) 的基床病害整治工作。由 于还必须保障既有铁路的正常运营，所以既有线的基床病害整治设计、施工工作 相当繁重。 铁路线路设备大修规则第1 0 5 条要求：铁路线路设备大修必须加强管 理，积极发展施工机械化，采用新技术，改革施工方法，开展标准化作业，不断 提高职工素质，提高劳动生产率和施工质量，降低成本，减轻劳动强度，改善职 工生活条件。本课题的研究内容就是要提高铁路基床病害整治设计出图的生 产效率，降低设计人员的劳动强度，并通过工程数据库设计，统一工程数据格式， 有利于设计标准化建设。 鉴于以上原因，成都铁路局委托中南大学土木建筑学院铁道工程系研发基于 数据库的既有单双线铁路正线基床封闭大修机助设计系统。最终目的是要求自动 绘制符合现行相关规范和满足生产需要的路基基床横断面图、纵断面图，设计过 程中必须保证数据共享，数据格式规范。 在铁路路基基床病害整治设计过程中，涉及到输入、输出和中间结果各种纷 2 硕士学位论文第一章绪论 繁复杂的数据，基床整治所要完成的设计绘图工作量是比较大的。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。本文对铁路基 床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。并应用研究 成果开发了既有单双线铁路正线基床封闭大修机助设计系统。 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 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：1 、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 铁路正线基床封闭大修机助设计系统。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。1 。 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 豫) 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， 3 硕士学位论文 第一章绪论 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 助软件工程( c o m p u t e ra i d e ds o f t w a r ee 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 1 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、方案比较等功能阱1 。 1 2 2 国内研发情况 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一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 4 硕士学位论文 第一章绪论 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问曲线进行优化。 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 ) 技术己广泛普及，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 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 r 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，这些成果均已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 5 硕士学位论文 第一章绪论 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1 1 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口订。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。中南大学铁道校区( 原长沙铁道学院) 土木建筑学院铁道工程系与广州铁路 ( 集团) 有限公司合作，在铁路路基大修设计领域作出了很多研究，完成了“铁 路路基大修机助设计系统”研发。 本文正是继承以上软件开发的思想和理念进一步深入研究，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。 6 硕士学位论文 第二章面向对象的总体设计 第二章面向对象的总体设计 2 1 系统总体结构设计 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征 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 是以对象为中心的一种软件开发方法，它的出 发点和基本原则是：模拟客观世界的事物状况，使开发软件的过程与方法尽可能 接近程序所要描述的客观事实。面向对象技术具有以下基本特征旧。 ( 1 ) 对象是数据和有关操作的封装体。这种编程思想突破了传统的将数据与操作 分离的模式，较好地实现了数据的抽象。 ( 2 ) 面向对象具有继承性。在对象继承结构上，下层对象可以继承上层对象的特 征( 属性和操作) ，因而面向对象的方法便于软件的演化和增量式扩充。 ( 3 ) 面向对象是用消息将所有对象动态地连接在一起。与传统的模块调用不同， 面向对象技术采用了灵活的消息传递方式，从而便于在程序中实现并行和分布式 结构。 ( 4 ) 面向对象技术具有信息隐藏性。对象将其实现细节隐藏在它的内部，因此无 论是对象功能的完善扩充，还是对象实现过程的修改，其影响仅限于该对象内部， 而不会在对象以外产生影响。这就保证了面向对象软件的可构造性和易维护性。 ( 二) 关于面向对象建模技术( o 盯) 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、功能建模的一神方法学，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 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 m t 方法是一种0 0 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。0 9 r 方法包括四个阶段：需求 分析阶段、系统设计阶段、对象设计阶段和实现阶段。 7 硕士学位论文第二章面向对象的总体设计 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 m t 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 ) o m 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。 2 2 系统需求分析与功能定义 2 2 1 铁路基床大修设计需求分析 1 ) 适用范围 a ) 国家、地方、工矿企业各级铁路的正线基床封闭大修设计。 b ) 对线路站场的基床封闭设计也有辅助设计功能。 2 ) 设计内容 8 硕士学位论文第二章面向对象的总体设计 铁路线路设备大修规则第2 2 1 条规定铁路线路设备大修主要内容为： a ) 按设计校正、改善线路纵断面和平面。 b ) 全面更换新钢轨及配件、钢轨伸缩调节器以及不合规定的护轮轨，更换绝缘 接头及钢轨接续线。 c ) 更换失效的轨枕和扣件，补足轨枕配置根数，修理伤损轨枕，线路上原来铺 木枕地段。凡有条件的应尽量改铺混凝土枕。 d ) 彻底清筛道床、补充道碴，改善道床断面，原铺砂子或天然级配卵石道床改 铺为碎石道床。对基床翻浆冒泥地段进行整治。( 清筛道岔时应包括长岔枕范 围内侧线。) e ) 线路大修地段，应同时成组更换新道岔和新岔枕，如不需更换时，应整修道 岔并抽换失效岔枕。 f ) 安装轨道加强设备。 g ) 铲平或填补路肩，整修基面排水横坡，清理侧沟，清除路堑边坡弃土。 h ) 整修道口。 i ) 因线路大修需要而抬高邻线上道岔、道口、抬高桥梁，有碴桥上加高两侧挡 碴墙。 j ) 补充、修理和刷新工务管理的线路标志、信号标志、钢轨纵向位移观测桩及 备用钢轨架。 k ) 回收旧料，清理场地，设置常备材料。 由以上条文可知，铁路基床大修就是线路设备大修中第4 、第7 项的内容， 是铁路线路设备大修的重要组成部分，对处理基床翻浆冒泥、水沟、路肩病害有 重要意义。 线路大修设计文件，主要由设计说明书、设计图、预算三部分组成嘲： 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。 c ) 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 办法进行编制。 在一般铁路基床病害整治的设计过程中，要遵循铁路线路、路基设计规范， 满足有关的技术标准，考虑路肩高程、路肩类型、路基面形状和宽度、基床结构 类型和加固措施、路基排水等内容。从大修设计文件构成可知；基床病害整治的 主要设计内容包括，横断面设计高程计算、超高计算、加宽计算、基床结构类型 9 硕士学位论文第二章面向对象的总体设计 设计、加固措施设计、路肩类型设计、侧沟改建设计等嘲。 3 ) 系统特点 结合实际大修设计情况，总结基床病害整治设计特点如下； a ) 铁路基床大修设计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 ) 铁路基床大修设计需要考虑路基面形式( 如：加宽、超高，平、纵断面线形 等) ，这就要求在设计过程中必需考虑线路平纵面原始资料； c ) 铁路基床大修设计的过程中，要经常调整路肩、边坡、水沟和基床结构形式 及参数，所以，在系统应具有可以灵活修改这些参数的功能； d ) 基床大修属于线路设备大修工作范围，因此，基床大修设计与线路其他设备 参数相关，工程设计成果中应包含线路其他设备参数。 4 ) 数据管理要求 根据铁路基床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 路平、纵面数据、地面线数据、基床结构形式及其设计参数、路肩、侧沟类型及 其尺寸和绘图参数等。 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。 系统的主要结果输出文件为：路基基床横断面图、纵断面图。 在系统实现的过程中，对数据合理、有效的管理是本系统考虑的重点问题。 考虑到基床大修设计过程中数据零散复杂，各种数据之间又存在一定关联，就单 个工程项目而言，涉及的工程数据相对较少。因此，系统采用关系数据库m s a c c e s s 来管理各种数据，组建了项目管理数据库( 存放项目有关信息的数据) 、 大修设计数据库( 存放基床大修设计数据) 和设计标准数据库( 存放线路曲线加 宽、超高参数、各种基床结构类型及其参数数据、标准形式水沟，路肩等构造物 的类型和尺寸数据) 。 当然，作为一个好的设计系统，其交互性是必须考虑的。本系统采用横断面 交互设计工具条实现了基床横断面参数交互修改设计。 2 2 2 铁路基床大修设计功能定义 系统适用于铁路正线基床封闭大修设计，具有以下功能： a ) 可以依据用户输入数据自动完成既有线大修设计中基床病害整治所要求的 纵、横断面图，成图完全符合相关规范和设计习惯。 b ) 系统集数据采集、数据处理、图形处理( 包括代表横断面和纵断面简图) 于一 体。 c ) 系统可以自动导入实测的横断面地面线数据。 l o 硕士学位论文第二章面向对象的总体设计 d ) 系统可以按标准自动完成曲线加宽、超高、断链等计算。 e ) 系统所有输出、输入数据都由数据库统一管理，方便编辑、查询。 f ) 所有功能都集中在a u t o c a d 2 0 0 0 ( 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。 g ) 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。 h ) 具备一定程度的智能性、容错性和可靠性。 i ) 系统所有功能的实现均由中文菜单控制，界面友好。系统的数据输入有直接 输入方式和文件导入方式。 2 3 系统设计 2 3 1 系统流程设计 基于面向对象理论和铁路基床大修设计内容，我们把铁路基床大修设计作为 一个整体的抽象类型。系统总体结构流程图如图2 2 所示。 2 3 ，2 系统对