（地图学与地理信息系统专业论文）铁路勘测设计一体化系统的研究与开发.pdf

摘要 铁路勘测一体化设计是以数字化信息为基础，以计算机应用技术 接通勘测设计全过程为主要特征的新的生产作业模式。所以，该系统 应将使用各种勘察手段所采集的铁路线路及其相关的地形、地理、地 质、水文等资料加工成数字化信息，通过接口界面进行信息处理并传 输到工程数据库中。在一体化新的作业模式下，勘测设计的全过程可 以理解为对一般数字化信息流的采集、加工和扩充的过程。外业的勘 测和勘探资料是这股数字化信息流的源头，各专业的设计工作是对信 息流的加工和扩充。最终完成的数字化信息就是设计成果和归档资 料。 本文主要是基于铁路勘测一体化辅助设计的基本原理，应用计算 机技术、数字图像处理技术、数据库技术与地理信息系统等多学科的 理论和方法，结合m i c r o s o f t 公司提供的面向对象的可视化编程语言 v i s u a lb a s i c6 0 与a u t o d e s k 公司提供的图形数字化软件 a u t o c a d 2 0 0 2 ，探讨铁路勘测设计一体化辅助设计的全过程。本文主 要解决的问题有： 1 建立了基于原始离散点和规则格网点数据的数字地面模型 ( d t m ) 。 2 。建立了基予中小型的关系型数据库( r d b m s ) 管理系统的勘测设 计工程数据库。 3 利用c a d 系统来实现g i s 的主要功能，完成对图形及其属性的 查询与分析。 4 在分析传统横断面测量方法的基础上，在独立坐标系的约定 下，采用坐标平移的方法将全站仪坐标测量引入铁路横断面测量，内 业数据处理采用v b 6 0 与图形软件h u t o c a d 2 0 0 2 相结合，成功实现了 横断面测量的数据自动化成图 5 从软件工程思想出发，结合可视化编程语言v i s u a lb a s i c 6 0 与图形软件a u t o c a d 2 0 0 2 ，设计开发了铁路勘测一体化辅助设计的软 件。 关键词：勘测，一体化，数字地面模型。关系型数据库管理系统， 地理信息系统 a b s t r a c t t h ed e s i g no fi n t e g r a t i v ei nt h es u r v e yo fr a i l w a yi san e ww o r k m o d e ，w h i c hi sb a s e do nd i g i t a li n f o r m a t i o na n di s c h a r a c t e r e dw i t h a p p l y i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g yt oa l lt h es u r v e ya n dd e s i g nc o u r s e h e n c e ， s y s t e ms h o u l dt r a n s f o r mt h ed a t aw h i c hi n c l u d et h er a i l w a yl i n e , g e o m o r p h o l o g y , g e o g r a p h y , g e o l o g i c a n d h y d r o l o g y t o d i g i t a l i n f o r m a t i o n , t h e nd e a lw i t ht h ei n f o r m a t i o ni n 也ei n t e r f a c ea n dt r a n s m i ti t t ot h ee n g i n e e r i n gd a t a b a s e i nt h en e wi n t e g r a t i v ew o r km o d e ，a 1 1t h e s u r v e ya n dd e s i g nc o u r s ec a nb ec o n s i d e r e da sac o u r s eo fg a t h e r i n g ， p r o c e s s i n ga n de x t e n d i n gt h ed i g i t a li n f o r m a t i o n t h eh e a d s t r c a mo ft h e d i g i t a li n f o r m a t i o ns t r e a mi st h es u r v e y i n ga n dp r o s p e c t i n gd a t ai nt h e f i e l ds u r v e y , t h ed i g i t a li n f o r m a t i o ns t r e a ma r ep r o c e s s e da n de x t e n d e db y a l lt h e p r o f e s s i o n a ld e s i g n e r 硼地f i n a ld i g i t a l i n f o r m a t i o ni st h e p r o d u c t i o na n dp i g e o n h o l ed a t a 1 1 鸲p a p e ri sm a i n l yb a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fi n t e g r a t i v et h e s u r v e ya n dd e s i g no fr a i l w a y , i tt a k e sf u l la p p l i c a t i o n so ft h e o r y sa n d t e c h n i q u e s s u c ha s c o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g ya n dg i s ，a tt h es a m et i m e ，i tc o m b i n e d v i s u a lb a s i c6 0o fo b j e c t - o r i e n t e dl a n g u a g ea n da u t o c a d 2 0 0 2o f f i g u r es o f t w a r e f i n a l l y , i td i s c u s s e st h ef u l lp r o c e s so ft h es u r v e ya n d d e s i g no f i n t e g r a t i v e t h i sp a p e rm a i n l ys o l v e ss o m ep r o b l e m sa sf o l l o w ： 1 e s t a b l i s hd t mw h i c ha r eb a s e do no r i g i n a ld i s c r e t ep o i n t sa n d r e g u l a rg r i d d i n gp o i n t sd a t a 2 e s t a b l i s hs u r v e ya n dd e s i g ne n g i n e e r i n gd a t a b a s ew h i c ha r eb a s e d o nt h em i d d l e - s m a l lr e l a t i v ed a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m 3 u s ec a dt or e a l i z et h em a i nf u n c t i o no fg i sa n dc o m p l e t et h e i n q u i r ya n da n a l y s i so f t h ef i g u r e sa n dt h e i ra t t r i b u t e s 4 b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h em e t h o d so f t r a d i t i o n a lt r a n s e c ts u r v e y , c o o r d i n a t e ss u r v e yo ft o t a ls t a t i o nw h i c ht a k e sn s eo fc o o r d i n a t e s s h i f tu n d e rt h ec o n t r o lo f i n d e p e n d e n tr e f e r e n c e f r a m ei s i n t r o d u c e di n t or a i l w a yt r a n s e c ts u r v e y v i s u a lb a s i c6 0b a n d i n g t o g e t h e rw i t hf i g u r es o f t w a r ea u t o c a d2 0 0 2i nt h ei n d o o rw o r k s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t sa u t o - m a p p i n go fd a t ai nt h et r a n s e c t 珏 s u r v e y 5 b a s e do nt h es o r w a r ee n g i n e e r i n gt h o u g h t s ，c o m b i n e dv i s u a l b a s i c6 0a n da u t o c a d2 0 0 2 ，w ed e s i g na na s s i s t a n ts o f t w a r e i n t e g r a t i v eo f t h es u r v e yo f r a i l w a y k e y w o r d s ：s u r v e y , i n t e g r a t i v e ，d t m ，r d b m s ，g i s m 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着市场经济的逐步建立和各铁路勘测设计院改企建制的深入进行，国际、 国内两个市场的竞争越来越激烈，铁路勘测设计行业面临一系列新的挑战，具体 表现为：顾客对设计周期的要求越来越短；因此各设计院争取市场占有率的竞争 越来越激烈【_ 田 铁路勘测设计一体化是以数字化信息为基础，以计算机应用技术接通勘测设 计全过程为主要特征的新的生产作业模式。所以，该系统应将使用各种勘察手段 所采集的铁路线路及其相关的地形、地理、地质、水文等资料加工成数字化信息， 通过接口界面进行信息处理并传输到工程数据库中先进的计算机网络必须覆盖 各专业c a d 终端，各专业在集成化设计环境中共享工程数据的信息，完成本专 业设计，同时输出数字化和可视化的设计成果，供后序专业应用。设计与管理所 面向的不再是原来的书面资料和图纸，而是在工程数据库统一管理下，在网络的 终端上有序受控流动的数字化信息流。所以，实现勘测设计一体化的过程就是从 以非数字化为基础的现有作业模式向以数字化为基础的新的作业模式转化的过 程。 目前，我国铁路勘测设计的传统方法和手段随着社会生产和科学技术的发 展，在装备和技术应用水平上有较大的进步和提高，但从整体上看，仍然以分散 作业、单机操作为主，各工序、各专业彼此分开，以图纸、表格、文字互提资料， 转抄传递，不但效率低，资料共享性差，而且错漏现象时有发生，距离铁路勘测 设计一体化的目标还有一定的差距。本文将结合勘测设计一体化软件开发过程的 一些思想和体会，介绍地理信息系统与测量、计算机辅助设计之间密切的联系。 以及如何在铁路勘测设计一体化软件开发过程中充分利用地理信息系统 ( 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 ) 由上述可知：如果设计院能够结合自身特点，以信息技术改造传统的勘测设 计作业模式，走出一条以信息化推进勘测设计现代化，大幅度提高生产力的新路 子这是勘测设计和市场竞争的现实需要，是计算机应用技术和现行作业模式发 展的必然。因此，本研究对现行规模不大的设计院开发具有自主产权的勘测设计 一体化系统具有一定的实用价值 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 系统开发平台简介 1 2 1 系统开发语言平台v i 8 u 8 ib a s i o 自从1 9 9 1 年v i s u a lb a s i c 在m i c r o s o f t 公司推出以来, v i s o a lb a s l e 以其程序 设计语言简单易用的特点和在编程系统中采用了面向对象、事件驱动的编程机 制，而身受广大非计算机专业人员的喜好。鉴于此，本系统开发则以v i s u a lb a s i c 6 0 为基础平台。 v i s u a lb a s i c 主要功能特点如下： 1 具有面向对象的可视化设计工具 2 事件驱动的编程机制 3 提供了易学易用的应用程序集成开发环境 4 结构化的程序设计语言 5 支持多种数据库系统的访问 6 支持动态数据交换( d d e ) 、动态链接库( d u 0 和对象的链接与嵌入( o l e ) 技术 7 创建a c t i v e x 控件 8 i n t e r a c t 的开发 9 完备的h e l p 联机帮助功能 1 ，2 ，2 系统并发数据库平台a c c e s s 数据库技术是计算机应用技术中的一个重要部分，对于大量的数据，使用 数据库来存储比通过文件来存储有更高的效率，v i s u a lb a s i c 的数据控件( d a t a ) 及相关的网格控件等提供了访问数据库的方法。除了使用数据控件访问数据库 外，还可以用数据访问对象( d a o ) 来创建并维护d a t a b a s e 、t a b l e 、f i d d 和i n d e x 等对象，这些对象分别对应于物理数据库的各个组成部分。利用这些对象的属性 与方法即可对数据库进行各种操作。这种创建和访阀结构化数据库系统的能力给 编程带来了许多方便： 1 允许在程序中使用已存在的数据库。 2 允许应用程序和其他程序共享数据。 3 简化编程，不必再处理低级文件访问和查找。 1 2 3 系统开发后台打印平台a u l o c a d 用v b 进行a u t o c a d 的二次开发是基于新的a c t i v e x 自动化界面技术。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 a u t o c a da c t i v e 汰技术使用户可以通过a u t o c a d 显示的信息，用其他应用程序 ( 如v b ) 通过编程从a u l o c a d 内部或外部来控制和操纵a u t o c a d 。a u t o c a d a c t i v e x ( r 1 4 版以后) 技术就是通过a u t o c a d 显示的对象，编程引用这些对象， 操作这些对象的属性和方法等来达到二次开发的目的【1 9 】。 a u t o c a d 对象根据它们的不同功能，具有一定的层次和隶属关系。最上 面一层是a u 幻a 山应用程序对象( a p p l i c a l i ) ，其下有一个对象和3 个集合对象， 在这些下级对象中各自有它们的下级对象，可以通过a p p l i c a t i o n 对象的属性或 方法逐级向下访问a u t o c a d 对象模型树的层次见图1 1 图1 - 1a u t o c a d 对象模型树的层次 应用v b 进行c a d 二次开发，需要将c a d 整体作为对象，通过 o e t o b j e c t , c r e a t e o b j e c t 方法来外部驱动c a d ，才能对c a d 内部的对象进行控制。 1 3 国内外道路0 a d 的现状与发展 1 3 1 国外道路c 柏的发展概况 在铁路方面，道路c a d 的研究在国外已有4 0 多年的历史6 0 年代初，国 际上一些发达国家在公路设计领域展开了计算机辅助勘测设计的研究，相继研制 3 中南大学硕士学位论文第一章绪硷 了各自的勘测设计软件。到了8 0 年代后期，国外的计算机辅助勘测设计开始由 单向开发转向整体开发及系统开发，从此就产生了勘测设计一体化、智能化的概 念和研究体系。这个阶段在线路勘测设计一体化、智能化研究开发方面的主要成 果有：线路设计中的智能c a d 技术：地理信息系统( g i s ) 在勘测设计中的应用：基 于航测、遥感和g p s 的数据自动采集和数字地面模型( d t m ) 的研究和实现：道路 设计中的三维可视化技术等等。其中。有代表性的系统有：英国的m o s s 公路 设计系统和美国b r e n t w o o d 公司开发的三维公路设计系统。9 0 年代后，面对信 息时代的挑战，国家上勘测设计的一体化、智能化的研究开发主要是在勘测设计 中应用网络技术、信息技术、多媒体技术以及灰色理论，模糊理论和神经理论i 硼。 在公路方面，道路设计领域应用计算机已有4 0 多年的历史了。计算机最初用 于道路设计主要是完成繁重的计算任务，如路线平面、纵断面设计计算、路面结 构分析计算等 从7 0 年代开始，随着研究的深入，西方国家相继进行了纵断面优化方面的 研究与软件研制工作。英国、日本、联邦德国、丹麦、法国等国先后推出了纵断 面优化设计的成果。较有代表性的有英国的h o p s 纵断面选线最优化系统、法国 的a p o l l o 纵断面优化系统。纵断面优化程序的应用，在一定程度上提高了设计 质量并相应降低了工程费用。根据联合国经济合作与开发组织进行的联合实验， 通过对各国成果的鉴定表明：纵断面优化设计可以节约1 5 以上的土石方量。这 使得整个道路建造费用大大降低嘲 在纵断面优化设计技术的基础上，许多国家对一定宽度范围内的道路平面线 形和空间立体线形的优化技术进行了研究。但是，平面优化设计要比纵断面优化 困难的多。首先，评价平面方案优劣的指标不易确定。在平面设计时，除了考虑 纵断面因素以外，还要考虑一些非技术因素，如社会因素等其次，从技术上来 看，计算机内存有限，数学处理困难。所以，尽管国外一些发达国家早已着手这 方面的研究，但是进展不大。 随着计算机绘图技术的发展，从7 0 年代末开始，在道路工程设计中引入了 计算机辅助设计( c a d ) 系统。由计算机自动完成判断和设计计算，直接提供设计 图表。使用c a d ，可以使设计人员从繁琐、重复且易于出错的工作中解放出来， 集中精力从事带有创造性的工作 目前，许多国家建立了由航测设备、计算机和专用软件包形成的组合系统。 可以完成从数据采集、建立数字地形模型( d t m ) 、线形优化和道路平、纵、横设 计的计算机辅助设计的全过程，从而大大提高了道路工程设计的速度和质量。如 美国l o u i sb e r e g e r 公司的e s pa d d 系统、英国的m o s s 系统与德国的c a r d l 等。e s pa d d 系统可用于铁路、公路、涵洞、桥梁及建筑工程的设计与绘图；英 4 中南大学硕士学位论文第章绪论 国的m o s s 系统等，广泛地应用于地形的三维显示，土石方填挖体积和运距计算、 测量资料的处理、公路工程设计和其他一些土建设计 道路c a d 在国外已经历了4 0 多年的研究和实践，除平面与空间优化技术尚 待进一步研究与完善外，c a d 的其余部分已进入了实用阶段，使得道路设计无论 是在提高工效、质量或降低成本方面都已达到了新的水平。 1 3 2 国内道路c a d 的应用概况 在铁路方面，计算机辅助勘测设计的研究开发是于, 1 9 7 6 年开始的，而系统 地开展勘测设计一体化、智能化研究则是8 0 年代后期的事情在勘测设计一体 化、智能化研究开发中，同济大学、西南交通大学和许多铁路设计院做了大量卓 有成效的工作，并取得一批很有价值的成果，有的已用于生产实践。铁路部分从 8 0 年代到现在，相继研究开发了许多站前或站后专业的单项c a d 软件特别值 得一提的是，线路纵断面优化设计的软件已比较成熟，已在各铁路勘测设计院推 广使用；平纵断面联合优化的方法研究和软件开发，也取得了关键性的突破。 另外，在原铁道部直属的几家大的勘测设计院和一些铁路高等院校近几年也 相继研制开发出几套铁路设计c a d 应用软件这些软件的功能多集中在纵断面、 横断面辅助设计，以及平、纵、横设计图的绘制，在这些范围内大大地提高了设 计效率和质量。然而，这些应用软件多没有建立数字地面模型，引入数字地面模 型概念的少数软件也是直接输入地形等高线的方式建立地形数字地面模型的，而 在大多数实际情况下，数字地面模型的建立是通过对地形测量数据进行三角化分 析，然后再形成等高线而实现的勘测设计一体化，数字地面模型的建立是必不 可少的一个环节，其建立的方式直接影响到数字地面模型的好坏我们在这方面 的研究开发比较薄弱，还有待于深入进行这些应用软件中多没有线路平面设计 部分，一般考b 是人工在图纸上设计好线路平面之后，将线路平面设计输入系统中， 再利用系统的功能进行纵断面，横断面设计直到9 0 年代末期，由铁道部第一 勘测设计院主持，石家庄铁道学院，兰州铁道学院，铁道部第二、三、四设计院， 长沙铁道学院参加，完成了。铁路线路初步设计方案比选系统”项目的研究工作 后；也就是r l c a d 系统的出现，标志着国内铁路勘测设计一体化系统的研究上 了一个新的台阶。 在公路方面，应用计算机起步较晚7 0 年代中后期，有关公路科研单位、 高等院校和公路测设部分开始研制与开发道路设计计算与优化程序，并取得了初 步成果。由于当时开发环境( 硬件与支持软件) 的限制，开发的程序主要是替代设 计人员进行数据处理与计算这一阶段开发的程序，功能单一，应用面较窄，还 s 中南大学硕士学侥论文 第一章绪论 不是一个完整的程序系统，是道路设计应用计算机的探索阶段。 8 0 年代，随着计算机硬件的迅速发展，特别是微型机的推广与普及，绘图 支持软件的不断丰富与完善，计算机在道路设计中的应用越来越广，真正成了辅 助设计工具。 1 9 8 4 年底，中美合营华杰公司引迸美国l o u i sb e r e g e r 公司的e s p a d - c a n d i d 软件系统，根据我国的技术标准和要求，在a p o l l o 超级微机上进行 了二次开发，投入了实际工程设计 1 9 8 6 年，道路和桥梁c a d 被列入国家”七五”攻关项目，在交通部公路规 划设计院，东南大学，西安公路交通大学等单位的通力协作下，开发的“高等级 公路综合优化及计算机辅助设计系统”，予1 9 9 0 年1 0 月通过了匿家鉴定。该系 统以a p o l l o 超级微机为主机，可以接收航测设备、数字化仪、带有自动化记录 装置的速测仪或常规测量仪器采集的地形数据，系统以数字地面模型为基础，在 给定路线方案后，可以进行平面线形与纵面线形的优化，完成路线勘测设计计算 并绘制公路线形和全景透视图，同时完成挡墙、中小桥和涵洞等人工构造物的设 计与绘图。在这一阶段，随着大量高档次微机和绘图设备不断涌入市场，为微机 专门配备的图形软件也更趋完善，给道路微机c a d 软件的开发提供了良好的软、 硬件环境。有关大专院校和设计单位推出的各具特色的微机c a d 软件也更加完 善。微机系统由于其人机会话性能良好，无需专门的机房，可以让设计人员随身 携带，从而方便了设计人员在野外作业，以及低廉的价格而得到广泛的应用。标 志着我国道路计算机辅助设计技术已进入推广应用阶段嘲。 可以预计：在不久的将来，随着计算机技术的迅速发展，图形编程系统、人 工智能技术和专家系统在道路工程中的应用越来越广泛，计算机辅助设计将步入 一个新的高度。目前，我国铁路勘测设计的方法和手段，虽然部分实现了一体化 作业，但从整体上看，仍然以分散作业、单机操作为主，各工序、各专业彼此分 开，以图纸、表格、文字互提资料，转抄传递，这样使得勘测设计效率低资料共 享性差，而且错漏现象时有发生。 1 4 本文研究的主要内容 结合铁路勘测设计一体化的理论和方法的研究现状，本文的研究目标是：应 用现有的计算机技术，设计一个全面的线路勘测一体化的处理流程，针对各个专 业不同的数据建立不同的工程数据库，最后根据研究结果设计和开发具有自主产 权的线路勘测一体化辅助设计软件，使其最终形成实用化的技术成果，支持铁路 勘测设计一体化、智能化的国产化进程 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本文的研究内容主要包括以下几个方面： l 根据铁路勘测一体化的设计方法和原理，建立实用的数字地面模型( d t m ) ， 并对由逐点插入算法实现的d e l a u n a y 三角网建立一种t i n 拓扑结构的存储方式， 以便采用三角网线性内插的方法对线路特征点断面商程数据的自动提取时，作为 格网点的检索条件。 2 在分析平面设计数据来源多样性的基础上，提出利用中小型的关系型数据 库管理系统( r d b m s ) 来建立勘测设计工程数据库。勘测设计工程数据库正是通过 组织和管理这些结构复杂的图形、属性、设计等数据建立起来的图形库、属性库 和设计数据库并且，借助g i s 的空间数据管理功能，形成g i s + m i s 的数据库管 理系统。来完成勘测设计数据的集成和交换。组织数据结构如图1 - 2 ： 勘 测 设 计 工 程 数 据 库 图卜2 工程数据库数据结构图 3c a d 系统的图形功能较强而属性数据库功能较弱；g i s 系统通过图形与属 性数据库的链结功能，来完成对图形及属性的查询、分析等功能。 4 在分析传统横断面的测量作业流程的基础上，提出了运用坐标平移的方法 将全站仪坐标测量引入铁路横断面测量，采用v b 6 0 与图形软件a u t o c a d 2 0 0 2 相结合，成功实现了横断面测量的数据自动化成图。 5 从软件工程思想出发，结合结构化和面向对象方法，并深入分析工程应用 的需求，研究设计与开发具有自主产权的铁路线路勘测一体化系统的辅助设计软 件 1 5 技术路线 本文的研究以工程应用为目的，研究成果以技术可行、工程安全和经济合理 为前提，理论、技术、方法紧密结合应用和铁路线路勘测一体化系统开发及工程 实践开展技术路线如图卜3 所示 7 器旦；i矧；。!： 团 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 区互圃 图1 - 3 论文研究的技术路线示意图 0 ，-liiii!i- 中南大学硕士学位论文第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 铁路线路经过初测之后，根据野外获得的地形、地质和水文资料，即可在室 内进行线路的初步设计，其中包括线路的平面设计和线路的纵断面设计两项内 容 线路平面与纵断面的设计必须严格遵守铁路工程技术规范的要求，使设 计的线路在行车方面平顺安全，并且力求适应地形、地质条件，使工程数量少， 运营指标优越，保证设计的新线在技术经济上最为合理。 铁路平面与纵断面的设计，对铁路的工程指标或运营指标都有很重要的意 义。就工程指标而言，希望线路随着地势的起伏修筑，这样工程量小，但在运营 的过程中，必然产生困难，增加运营开支；从运营的角度出发，线路最好是又直 又平，以利于增加牵引重量。提高行车速度，但由于地形、地质与其他一些条件 的限制。线路必然要经过垭口，跨越河流，绕过村镇和工厂，这就不得不设置弯 道，采用陡坡，甚至迂回展线。因此，线路的平面和纵断面的设计必须同时考虑 工程和运营两个方面的要求，即工程的技术要求和运营的经济要求，把当前利益 和长远利益结合起来，达到工程建设的最佳效果。 2 1 线路的平面设计概念 线路的平面设计就是要确定线路中心线的平面位置。初测时在野外选定的线 路位置，由于选线人员的视野受到地形条件的限制，加之目测判断的不精确性， 因此还不能作为最后的位置由于带状地形图上任意两点间的距离和高差均可读 出，两且相当范围的地形直接显示在设计者眼前，视野不受限制，对于研究和改 善线路位置十分有利。故初测之后，还要在带状地形图上设计线路位置这一工 作称为纸上定线 纸上定线时首先要确定线路必须的控制点，包括起点、终点、越岭垭口、桥 渡位置，以及必须的城镇、工矿企业。相邻两控制点之间原则上应引直线，但由 于地形的限制一般不可能引直线在地面坡度小于限制坡度的地段，即所谓自由 导线地段。只有为了绕避平面上的障碍物，才允许线路转向。在地面坡度大于限 制坡度的地段，即所谓紧迫导线地段，需要进行展线，借以增长线路，克服高差 假定a 、b 两点的水平距离为2 公里，高差为3 0 米，则两点问的地面平均坡度 9 中南大学硕士学位论文第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 为j 生：1 5 o 上例大于1 2 的限制坡度。因此，a 、b 两点问的线路不能走直线， 2 0 0 0 必须展长线路，以降低坡度。为了使线路按1 2 的限制坡度由a 点定线至b 点， 必要的线路长度应为3 0 + 二生= 2 5 0 0 米。事实上，考虑到由于设置曲线而引起的 1 0 0 0 坡度折减，所需要的展线长度还要增加一些。 纸上定线时，通常所用的方法是两脚规法。两脚规法的本质是在地形图上找 出等于定线坡度的线路，即所谓不填不挖的线路或称零点线路。设带状地形图的 比例尺为l ：m ，基本等高线的间隔为h ，即两等高线问的高差是确定的，垂直 于等高线方向上的地面坡度也最大；与等高线交角越小的方向上相应的地面坡度 越小。可见两等高线之间的不同方向上，相应的地面坡度不同两等高线闻等于 定线坡度的倾斜直线的水平投影距离d 应为d = 兰苎考虑到带状地形图的比例 l 尺，化换到地形图上的长度d 应为： d ：旦：旦( 2 一1 ) mm t 式( 2 - 1 ) 中，五为基本等高线的间距；m 为带状地形图的比例尺分母；f 为 定线的坡度( 应是考虑到各种折减后的实际定线坡度) 2 2 纵断面的一般概念 纵断面图是以线路平面设计的结果，沿着线路中心线根据带状地形图剖绘而 成的。初步设计阶段的纵断面设计是在纵断面图上进行的。其水平比例尺一般采 用1 ：1 0 0 0 0 ，垂直比例尺采用1 ：1 0 0 0 。剖绘时，由指定的线路起点开始，沿线路 中心线方向将每个百米标的高程和变坡点的高程根据等高线内插出来，然后将相 邻两点的图上距离按比例尺化算后，转换到纵断面图上。在地面高程栏内，填注 各点相应的地面高程。根据各点的水平位置和高程，确定每个点在纵断面图上的 位置，断面图上这些相邻点的连接就是沿线路中心线的地面剖面线，它反映了纵 向的坡度变化情况。 纵断面图绘制以后，设计人员即可根据铁路工程技术规范的有关规定进 行纵断面设计。设计的主要任务就是根据地面起伏情况确定线路中心线的设计坡 度和高程，合理地配置上坡道、平坡道、下坡道和竖曲线。 线路中心线般系指路肩标高，常称为路基标高。路基标高应在最高洪水位 之上0 5 米，此外还应加上波浪爬高和水壅高度。 设计的坡度不得超过限制坡度。在曲线地段、冰冻地段和隧道内，还应考虑 曲线折减及粘着系数降低的影响。相邻坡段的坡度代数差不得超过限制坡度。同 中南大学硕士学位论文第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 一坡度的坡度长度应尽量长些，一般不短于远期货物列车长度的一半，特殊情况 下，i 、级铁路及可减至2 0 0 米，级和限期使用的铁路可减至1 0 0 米。 当相邻两坡度代数差i 、级铁路大于4 、级及限期使用的铁路大于5 时，应设置圆曲线型竖曲线连接两个坡道，其半径分别为5 0 0 0 米和3 0 0 0 米。 纵断面拉坡设计之后，根据设计图即可计算路基的填挖高度、布置桥涵和隧 道。结合路基的横断面设计，采用平均断面法即可计算路基工程的土石方量。 各比较线的初步设计完成后，将每条比较线的线路总长、总转角、平均半径、克 服的高差以及工程费用进行比较，从中选出一条技术指标最好、造价最小的线路， 报上级批准后作为定测依据。 2 3 纵断面图的绘制 纵断面图是沿线路中心线的竖直削面图。在纵断面图上除反映铁路中心线经 过处的地面起伏、地质变化、本线路与其他线路相交的情况外，还将线路的纵向 坡度、路肩高程、桥涵分布、隧道位置的设计以及线路直线与竖曲线的设计表示 出来图幅的宽度规定为2 8 8 毫米，其长度不限，以使用方便为准图的左上角 的方框内是设计标准的说明，图的上半部分表示地面线和设计坡度线的起伏变化 情况，图的下半部左端是图标栏，右端填注测量与设计的数据。图标栏的尺寸均 以毫米为单位标出 纵断面原图一般绘在毫米方格纸上水平方向代表线路的长度，竖直方向代 表地面的高程水平方向比例尺常取1 ：1 0 0 0 0 ，为了充分显示线路方向上地面坡 度的变化，竖直方向的比例尺一般为l ：1 0 0 0 这样绘制的纵断面图对拉坡设计 是十分方便的。 纵断面图绘制一般按下列步骤进行： 绘百米标及加标 根据中线标桩间的距离，在纵断面图的距离栏内，由左至右绘出百米标及加 标的位置( 以竖直线代表) 。两百米之间的距离一般不需要注出。但由于改移线路 或分段定线的原因，前后两段线路在接点处造成里程间断，即形成“断链”这 时两相邻百米标之间的距离不足1 0 0 米，为了绘图时使酉米标的位置都绘在毫米 方格纸的粗线上，大于5 0 米的仍按百米间距绘制，短于5 0 米的则并入下一个百 米标中t 不再另绘。前者称为“短链”( 亦称欠标) ，后者称为“长链”( 亦称超标) 凡属断链，均需按规定的超、欠标符号( 在两百米标之问上下加绘粗实线) 表示出 来，并将实际距离填入超欠标符号内 填写地面高度 距离栏内的标注桩绘制完成后。紧接着在地面高程栏内，于各个标桩的相当 中南火学硕十学 i ) = 论文第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 位置上填写地面高程，数字取位至0 0 1 米。 绘制高程坐标线及纵断面线 由于纵断面图的图幅尺寸有限，高程坐标线不宣绘得太长。一般将图标栏的 最上面的水平基线( 土壤栏的顶线) 定为某一初始高程，使坐标线的高度适宜。一 般要求纵断面线的最低点至水平基线不少于4 0 毫米，不大于11 0 毫米。否则应 在变坡点上断开，重迭起始高程接续绘制。当水平基线高程介子4 0 毫米至1 1 0 毫米之间时。在与各点标桩相应的位置上按l ：1 0 0 0 的比例尺绘出地面点的高程 位置，然后将相邻的地面点用直线连接，连接后的折线即为路中心线的地面线。 绘制沿线地貌 为了清楚地显示线路沿线的地貌特征，以及线路与河流、道路交叉跨越的情 况，在纵断面图的地貌栏内还须绘出线路中心线两侧各1 0 0 米范围内的地貌。绘 图的依据是线路带状平面图，绘图的比例尺与纵断面图的水平比例尺相同。 2 4 横断面测量与横断面图的绘制 垂直线路中心线方向的断面称为横断面，它表示垂直线路中线方向上自然地 面的坡度变化。铁路线路在地形复杂地段定线时，特别是傍山坡通过的线路，为 了研究合理的线路位簧，均需测绘横断面，以便确定线路通过的位置。此外在进 行路基设计、路基边坡设计、路基排水设计、计算土石方数量以及桥涵、挡土墙、 站场设计时，都需要有横断面图。 2 4 1 横断面图施测的宽度和密度 铁路测量技术手册规定，横断面施测的密度和宽度应根据线路的地形、 地质情况和设计要求丽定。一般在曲线控制点、公里标、百米标以及线路纵、横 向地形明显变化处均应测绘横断面。在大中桥头、隧道洞口、挡土墙等重点工程 地段，横断面的测绘应适当加密。 横断面测绘的宽度以满足设计要求及考虑弃土、取土和排水的需要而定，一 般每侧不少于3 0 米。 2 4 2 横断面方向的标定 在直线段上，横断面的方向与线路中心线垂直，标定方向常采用十字方向架。 在曲线段上，横断面的方向与该点处曲线的切线方向相垂直，标定的方法常 采用两种方法：经纬仪法和方向架法。 中南大学硕士学位论文第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 2 4 3 横断面测量的方法 横断面测量的方法主要有以下三种： 水准施测法 当横向坡度变化较小、测量精度要求较高时，横断面测量常采用水准施测法 水准法施测横断面的精度较高，但在横向坡度大或地形复杂的地区则不宜采用。 经纬仪施测法 当横向坡度变化较大，地形比较复杂时，横断面的施测常采用经纬仪进行。 全站仪施测法 全站仪施测法是把经纬仪施测法的距离高差分开作业的过程合并为一个整 体，一次性测出测点至中线标桩点的水平距离与垂直高差。 2 4 4 横断面图的绘制 横断面图是路基设计的依据资料，绘图的比例尺一般取1 。2 0 0 为宜。考虑 到要根据横断面图计算断面面积，故在横断面图上纵向和横向取相同的比例尺 如图2 - 1 为一横断面图，图上的尺寸均以米为单位注记在图上 3 1 6 ：k o + 也5 i 田2 - 1 横断面图 其绘图方法如下； 根据外业测量的资料，计算出各测点至线路中线标桩的水平距离和高程。 在毫米方格上根据横断面的宽度，在距离栏内定出中线标桩的位置，并 在它的正下方写明中线标桩的里程然后。由中线标桩向左右两侧绘出各测点， 1 3 留瞄 面步 一 地笋汀 j 一 ， 中南大学硕士学位论文 第二章铁路勘测设计的一般概念与线譬 绘制 相邻两点问的距离取位至0 1 米 在地面高程栏内填写各测点的高程 根据中桩高程、填挖高度和断面情况选定初始高程( u p 设计高程栏的顶线 高程) 。为了便于绘图，最好使毫米方格纸上的粗线高程为整米。由各测点的相 应位露绘制高程坐标线，各顶点的连线即为横断线。为了防止差错。地面线宣在 现场点绘。 地面线绘出后，设计人员依据路基设计高程和有关设计资料进行路基设 计，并在图上注明填( 咄) 、挖( + h ) 高度和横断面面积( a ) 。 在铁路设计中有大量的横断面需要绘制，这时常将许多横断面图绘制在一张 透明方格纸上，而且中心线均在同一条竖直线上，图标栏也不画出。但每个断面 图上均需注明所在里程，路基宽度，填挖高度和断面面积。 2 5 路基土方量的计算 线路进行纵、横断面设计以后，为了估算工程造价和编制施工组织计划，需 要计算出路基工程的土石方量。填土部分的土石方量称为填方，挖土部分的土石 方量称为挖方。 路基工程的土石方量计算，常将两相邻横断面所夹路基士石方体积看成柱 体，取两个横断面的面积平均数作为柱体的底面积，两横断面之间的距离作为柱 体的高。因此，要计算路基土石方量就必须首先计算路基的横断面面积。 2 5 1 计算横断面面积 路基横断面面积为不规则的几何图形，计算方法有积距法、几何图形法、求 积仪法、坐标法、方格法等多种方法。一般常用积距法和坐标法。 图2 - 2 横断面面积计算( 积距法) 如图2 - 2 所示，积距法的原理是：按单位宽度b ，把断面积切割成若干个梯 形与三角形条块，则每一小块面积为其平均高度i 与b 的乘积，即4 = 6 岛， 1 4 中南大学硕士学位论文第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 4 = 6 屯，4 = 6 以总面面积a 为： 彳= 4 + 鸣+ + 4 = 6 呜+ 6 。| | j 2 + + 6 ( 2 2 ) = 6 危 l - i 几何图形法 当横断面面积较大，应用积距法不方便时，常将该横断面分划成一个规则的 几何图形，如正方形，长方形和梯形，用简单的公式求算其面积。其余部分用积 距法求出，两者之和即为该横断面的面积。 求积仪法 对于形状极不规则，且面积较大的横断面，其面积可用求积仪量测 坐标法【1 l 见图2 3 ，由解析几何公式很容易推出面积计算公式如下： = 去瓴一以) ( z - a ) y 。 ( 矗，) ，) z a 逸， f b t 洲。 g 磊? 一 ( 而i ) x 7 图2 - 3 横断面面积计算( 坐标法) 式( 2 2 ) 中： ( 而，乃) 分别为设计线和地面线围成面积的各折点的坐标( m ) 坐标法的精度较高，但方法较繁，适宜于用计算机计算 2 5 2 计算土石方量 路基土石方计算工作量较大，加之路基填挖变化的不规则性，要精确计算土 石方体积是十分困难的在工程上通常多采用近似计算。 假定两相邻断面间为一棱柱体，如图2 _ 4 所示，按平均断面法计算，其公式 为： 中南人学硕十学位论文第二章铁路勘测设计的一般概念与线路绘制 ，。终丝 2 ( 2 - 4 ) 图2 - 4 平均断面法 式( 2 - 3 ) 中： v 两相邻断面间体积； a 。、 厂一两相邻断面的断面面积( m 2 ) ； l 两相邻断面的间距( m ) ，即两相邻断面的桩号差。 平均断面法计算简便、实用，是铁路上目前常采用的方法。但其精度较差， 该法只有当两相邻断面面积a 。、a 2 相差不大时才较准确。当凡、a ：相差较大丑寸， 则按棱台公式则更为接近，其公式如下：y = ；( 4 + 以) 乜( 1 4 - 善) ，式中：= a t 如，其中a 。 a l 。由上式可知，当a 产a i 时，矿= ( 4 + 刍) ；若a 1 = o ，则矿= 鸣l 由此可知，平均断面法的计算结果是偏大的。 两条不挖线之间的路基总体积为 = 粤4 - 华。厶+ - - - - - 4 - 每( 2 - 5 ) 在实际工作中，土石方数量的计算一般采用列表( 路基土石方数量计算表) 计算法或图( 路基土石方数量计算图) 解计算法，并根据填挖平衡和运输距离最短 的原则，尽可能移挖作填，减少废方，做好士石方量的调配。 1 6 中南大学硕士学位论文第三章数字地面模型及其应用 第三章数字地面模型及其应用 3 1 数字地面模型定义 数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l 简称数模、d t m ) 是地形表面形态属 性信息的