（道路与铁道工程专业论文）地铁线路纵断面计算机辅助设计研究.pdf

生塞鱼噩 中文摘要 摘要：本文在研究地铁线路纵断面设计理论和既有地铁线路平面辅助设计 软件系统的基础上，对地铁线路纵断面计算机辅助设计进行了深入地探讨，并 成功地开发了与平面软件系统相配套的纵断面辅助设计系统( m r p c a d ) 。 本文通过对既有地铁线路平面辅助设计软件系统的结构、功能等进行分析， 找出并利用了平面设计系统留给纵断面设计系统的开发接口。通过研究地铁线 路纵断面设计的相关理论，将其作为纵断面计算机辅助设计研究的专业理论依 据。根据地铁线路纵断面设计的一般步骤，建立了纵断面辅助设计软件的系统 结构，指导m r p o 蜘的开发研制。 本文深入细致地分析了实际设计工作对地铁线路纵断面计算机辅助设计的 功能需求，并结合功能需求完成了对m r p c a d 的开发，对m i 冲c a d 系统的技术 实现以算法流程图及程序代码的形式加以表达。 笔者开发的m r p o 如系统采用v b 6 0 作为开发平台，系统运行环境为安装了 a u t o c a d ( 2 0 0 0 0 2 0 4 ) 软件，m i c r o s o f to f f i c e 办公软件的w i n d o w s 系列操作 系统( 9 8 n t 2 0 0 0 x p 0 3 ) 。m r p o 如的功能具有较强的针对性和实用性，其 使用人机交互性强，界面友好，可以帮助设计人员更高效地完成地铁线路纵断 面设计工作。 本文最后详细叙述了m r p c a d 在地铁线路纵断面计算机辅助设计工作中的 应用实例。实践证明，该软件能够较好地辅助设计人员完成地铁线路纵断面的 设计工作。 关键词：地铁；线路：纵断面：c a d 分类号： | e 塞窑通太堂亟堂位i 佥室 a b s t r a ( 了_ r a b 研啊t a c r b a s e do nt h et h e o r yo fm e t r om u t ep r o f i l ed e s i g na n dt h ec x i s t i n gc a d s o f t w a r cs y s t e m0 fm e t mr o u t e p i a n ，t h ec a do fm e t r or o u l ep r o f i i ed e s i g n i s i u c u b r a t e d a n di ti sd c v e l o p e dt h a tt h ec a ds o f t w a r es y s t 锄o fm e t r or o u t ep r o f i l e d e s i l 皿c a i l e dm r p c a dw h i c hm a t c h e sw i t ht h ee x i s t i n gc a ds o f t 、 ，a r es y s t e mo f m e r or o u l ep i a n 1 1 l ea r c h i t e c t u r ea n df u n d i o no ft h ec a ds o f t 、v a r cs y s t e mo fm e t r or o u t ep l a na r c a n a i y z e d ，a n dt h em u t i n ei n t e r f a c ep r e f o 册e df o rt h ed e v e l o p m e n t0 ft h ec a d s o 矗a r c s y s t e m0 fm e t mr o u t ep r o 矗l ei sf o u n da n dm a d eu s eo f b yw a y o fs t u d y i n gt h et h e o r ) ， 0 fm e t r 0m u t ep m f i i ed e s i g n ，“i sa m n g e dt h a tt h ep r o f c s s i o n a l t h e o r c t i c a lb a s i so f c a d d e v e l o p m e n to fm e t mm u t ep m 行l e a c c o f d i n gt ot h eg e n e r a la p p r o a c ho nm e t m m u t ep r o f i l ed e s i g n ，i ti sf o u n d e dt h a tt h ea r c h i i e c t u r eo ft h ec a ds o f t 、】l ，a r cs y s t e mo f m e l r or o u t ep r 0 丘l ew h i c h g u i d et h em r p ( a ds y s t e md e v c l o p m e n t i ti sa n a l y z e dp a n i c u l a r i yt h a tt h ef l l n c t i o nd e m a n d e d0 nc a do fm e t r or o u t e p r o f i l cd e s i 弘i np r a c t i c a lw o r k c o p ew i t ht h ed e m a n d ，l h em r p c a dh a sb e e nw e l l d e v e l 叩e d 趟g o r i t h j n i cn o wc h a na n dc o d eo ft h es y s t e mp r o g r a ma r es h o w e dt o e x p r e s st h ew a yo f t h ed e v e l o p m e n t o f t h es o f t w a f e t 1 i em r p c a di sd e v e i o p e db yv i s u a lb a s i c6 0 1 1 l ec o m p u t e ri sr e q u i r e dt o i i l s t a l ia u t o c a ds e r ! i a l ( 2 0 0 0 0 2 0 4 ) ，m i a d s o f to f ! e i c es e f i a i ( 2 踟) a n dw i n d o w s o ss e 西a l ( 9 8 伦玎徽p ，0 3 ) 1 h em r p ( 1 a dh a s9 0 0 dp e n i n c n a n dp f a d i c a b i l i t yi n m e t r 0r o u t e p r o f i l ed e s i g nw o r k i th a s9 0 0 du s e ri n t e - a c e ，w h i c hc a ns u p p l y n v e n i e n tm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n dh e l pt h ed e s i g i l 、v o r kb ed o n eb yh i 曲 e f f i c i e n c y i ti sd e s c r i b e dt h a tt h em r p c a da p p l i c a t i o ne x a m p l ei np r a c t i c a lw o r ko fm e t r o m u t ep m f i l ed e s i g n i ti sp m v e dt h a tt h es o f t w a r es y s t e md e v e l o p e dc a nw e s a t i s f yt h e f u n c t i o nd e m a l l d e do nc a ds o f t w a r eo fm e t r om u t ep m f j l ed e s j g n k e y w o r d s ：m e t r o ；r o u t e ；p m f i i e ；a 如 c l a s s n 0 ： j e 塞变通盔堂亟竺位论室 致谢 本论文的工作是在我的导师魏庆朝教授和李大勇高工的共同指导下完成的。 在硕士研究生阶段的学习过程中，我的导师魏庆朝教授严谨的治学态度、渊 博的学术知识和积极创新的生活态度给了我极大的帮助和影响。在此，我由衷地 感谢两年多来魏老师对我的关心和指导，给予我参加社会实践的机会，对我的科 研工作和论文提出了许多的宝贵意见。 我于2 0 0 5 年1 1 月起作为学校和北京城建设计研究院联合培养的学生赴北京 城建设计研究院第七设计所实习基地学习。在实习基地的学习和实践工作中，我 的副导师北京城建设计研究院的李大勇高工给予我悉心地指导，其严谨科学的工 作态度和丰富的工作经验对我产生了积极地影响。在我论文的撰写过程中，李大 勇老师也给我提出了很多的宝贵意见，在此向他表示衷心的谢意。 在撰写论文期间，我的同学梁晨、王鼎、魏夏，我的师姐邓亚士、师兄谷永 磊、师弟王英杰，对我论文的研究工作给予了热情帮助，提出了很多好的建议， 在此也由衷地向他们表达我的感激之倩。 特别地，我还要感谢我的爸爸妈妈，他们的理解和支持使我能够在学校专心 完成我的学业，在实习基地认真地工作和学习，并全身心地投入到科研工作和论 文撰写中。 最后，感谢所有给予我帮助的老师和同学们。感谢北京交通大学对我的培养 和教育。 序 任何一种新型交通制式的诞生都是在当时特定的历史背景下应运而生的。地 铁作为一种交通制式，诞生于城市，这和城市的特点密切相关。当今世界范围内 的大趋势是人口向城市集中，城市人口的激增导致一些城市出现了人口分布过于 密集，住房紧缺，交通堵塞，环境污染严重，能源匮乏等一系列的“城市病”。如 今，城市化的进程仍在加速，要解决这些问题，努力改善城市的交通状况是十分 必要的，城市交通问题是城市发展的生命线。而地铁作为一种交通制式，因其运 量大、低能耗、少污染、快速、准时、安全、舒适等优点而被称为“绿色交通”。 它的特点决定了其在城市发展拥有巨大的空间。迄今地铁的发展已经有近1 5 0 年 的历史，在长期的发展过程中，作为一个系统工程，其在机车车辆、自动控制、 通信信号等技术方面取得了很大的进展，一些方面已经达到了当今科技发展的先 进水平。世界上发达国家的经验告诉我们，只有发展大运量、快速、污染少、少 占城市用地、能耗少、安全、准时、舒适的城市轨道交通才是解决城市交通问题 的最佳途径。我国也早在1 9 8 5 年就明确了发展城市轨道交通的政策。进入二十一 世纪，地铁作为城市轨道交通的组成部分，将对本世纪城市交通的发展有非常重 要的意义。 地铁建设本身是一项综合性的工程，它涉及到很多不同专业，在众多专业中， 线路专业是这个庞大工程的龙头。一个地铁工程线路的好坏某种意义上直接反映 了这个工程的优劣，因为线路的空间位置直接控制着地铁建设其它各项工程的设 计和造价。可见，在地铁建设过程中，线路工作的意义何其重大。对于线路工作 者而言，线路的基本走向确定之后，其乎，纵断面设计就成为关键所在，结合对 横断面的考虑，整个设计过程就是一步步地细化地铁线路的空间位置，以期最大 程度地优化线路方案，从而为其它各专业提供后续的设计依据。 线路设计工作是一个具有反复性的过程，一条地铁线路方案的设计从可研开 始到施工图设计结束，整个过程中线路的空间位置是会由于多种因素的控制与影 响而不断发生变化的，这就使得我们设计人员要不断地考虑优化线路方案，修改 线路设计图。在当今计算机科学技术高度发展的时代，出现了许多专业辅助线路 设计的软件，这其中很多都是针对大铁路和公路线路设计开发的，也有少量针对 地铁线路设计开发的软件，这些软件各有特色。本论文要谈的是基于一个优秀的 既有地铁线路平面辅助设计软件，对地铁线路纵断面计算机辅助设计进行研究并 开发配套软件的内容。 1 引言 1 1地铁建设快速发展 世界上第一条用蒸汽机牵引的地下铁道线路在英国伦敦建成通车，至今已有 1 4 0 多年的历史，世界第一条地下铁道的诞生，为人口密集的大都市如何发展公共 交通取得了宝贵的经验，特别是到1 8 7 9 年电力驱动机车的研究成功，使地下客运 环境和服务条件得到了空前的改善。地铁建设显示出强大的生命力。从此以后， 世界上一些著名的大都市相继建造地下铁道，从世界地铁建设发展可以看出，在 2 0 世纪5 0 年代至今，世界范围内的城市地下铁道有了迅速发展。其主要原因是战 后以和平和发展为主流的年代里，亚洲、拉丁美洲、东欧的城市化进程加快，数 百万人口的城市不断增加；二是发达国家中的小汽车激增与城市街道有限通行能 力之间的矛盾日益突出，空气严重污染，使这些城市面临着如何在较长的距离内， 以最有效而快速的方式来输送大量乘客的问题。【1 i 我国地铁的建设最早是从北京地铁开始的。我国第一条地铁线北京地铁l 号 线5 0 年代开始筹划，1 9 6 5 年开工，于1 9 6 9 年建成，当时的指导思想是以战备为 主，主要不是解决城市交通问题。从北京火车站至西郊苹果园，一期全长2 3 6 k m ， 设车站1 6 座。1 9 8 4 年9 月又建成北京地铁2 号线，环北京城区全长1 6 4 k m ，设 车站1 2 座，使北京地铁初具规模，形成一环一线4 0 k m 的运营规模，年运量5 6 亿人次。天津地铁南北线1 9 8 6 年开通，全长7 4 k m ，设8 座车站，年运量o 1 亿 人次。进入9 0 年代后，我国地铁项目陆续建设，进入一个高速发展的时期，先后 有北京、天津、上海、广州等城市建成了地铁线路。其中，上海地铁l 号线于1 9 9 5 年4 月投产，全长1 6 1 l ( i i l ，设1 2 座车站，年运量1 亿人次。目前，全国地铁线路 运营里程约3 2 0 k m ，北京、天津、上海、香港、广州、深圳、南京等城市地铁线 路工程己投入运营，这些项目的建成，承担了大量的客流，在城市交通中逐步发 挥了不可替代的作用，占公共交通运量的比重逐年上升。同时，促进了沿线土地 开发，加快了城市发展，产生了明显的国民经济效益和社会效益。武汉，重庆、 杭州、沈阳、成都、西安等城市也已在拟建城市地铁建设项目。地铁建设作为缓 解城市交通压力的长远战略己受到交通界人士的广泛关注，我国大多省会城市及 经济较发达的中等城市都已进行了轨道交通线网规划。由此可见，地铁建设在中 国拥有巨大的市场和广阔的前景。 j e 哀交通太呈亟堂盆论奎 1 2问题的提出 地铁建设项目是包含多种专业的一项综合性工程，其设计包括线路、轨道、 结构、建筑、供电、通信、信号、通风空调等专业，建设周期长，工程复杂，施 工难度大。我国的地铁建设正处于高速发展时期，国内越来越多的城市加入到地 铁的建设行列，其中很多都是第一次开始傲地铁工程，面对如此复杂的一个系统 工程，完成从规划、设计到施工的一个完整的地铁建设过程势必会遇到这样那样 的问题，如客流预测与实际客流偏差太大，建设标准过高，国产化程度低，造价 偏高，筹资困难等，这些都是地铁建设前期工作力度不够导致的。丽任意一个地 铁项目的修建都是从线路的规划着手的，也就是说，线路专业是龙头也是集结的 中心，其他专业都需要线路专业提供第一手资料，并以此为依据进行设计。由此 可见，地铁线路专业，作为地铁系统设计的龙头专业，在地铁建设过程中，有着 举足轻重的地位。地铁的线路设计具有如下几个特点： ( 1 ) 线路设计的合理性，除了遵循相关规范以外，更重要的是强调设计与城 市周边环境的融合，而城市的周边环境是一个复杂的综合性研究对象，这也给线 路专业在利用计算机技术方面带来了相当的难度； ( 2 ) 与众多专业均具有接口，包括土建专业与设备专业，地铁线路专业是开 展地铁工程建设的基础专业； ( 3 ) 线路专业贯穿整个工程设计全过程，因此合理的管理其动态性非常的重 要。 基于线路专业在整个地铁工程建设中所具有的重要地位及专业特点，设计一 套通用、灵活、针对性强的地铁线路专业软件，不仅会大大方便该专业的设计人 员，节省人力、物力、财力的消耗，缩短设计时间，提高设计效率，更重要的是 可及时提供给其它专业设计资料加快它们的后续设计，使专业的设计流程能够进 行良好高效的衔接，这将使整个项目的设计周期明显缩短。由分析可知，一套好 的地铁线路设计软件，一旦投入实际应用，势必会加快整个工程的建设，带来一 定的社会效益。 1 3国内外线路计算机辅助设计的研究及发展概况 1 国外研究及发展概况 在c a d 技术发展和应用的初期，国外已经开始了道路工程。气d 技术的研究。 西方工业国家的研究工作，主要是在公路设计中如何用优化方法选出公路线路的 最佳设计。公路横断面设计、平纵断面几何线型和土石方量的计算、地形资料的 数字化模型处理等，是计算机在公路设计中最先涉及的问题，路线选择、线型优 化同期在计算机上也取得了一批成果。【2 l 1 9 5 5 1 9 6 0 年之间美国麻省理工学院( m ) 的米勒教授及其同事们便用电子 计算机用数字地形模型进行选线设计，第一个明确提出数字地面模型的概念，并 将它应用于公路设计。1 2 j 六十年代初期，继麻省理工学院之后，许多国家积极开展这方面的研究工作。 随着电子计算机运算时间的节省，创造了可进行线路多方案比选的条件。为获得 经济效益，英、法、美、德和丹麦等国家首先把注意力集中在线路纵断面优化技 术方面，经过一段时间的探索，各国都研制了比较成熟的纵断面优化程序系统。1 1 l 英国运输与道路研究所的h o p s 纵断面选线最优化程序系统，法国s e n 渔公路局 的a p o l l o 纵断面优化程序系统都是长期在计算机上实践的线型优化系统。德国 以数字地面模型作为铁路、公路选线自动化的基础，为解决线路设计中的一些常 见问题，提出了优化线路的e p o s 程序系统。1 2 惭苏联在铁路线路优化设计方面也 做了大量的研究，全苏运输工程研究院等单位编制了一套铁路纵断面设计的计算 机程序系统。【2 j 进入七十年代，线路纵断面优化设计已被证明是成功的。1 9 7 3 年，联合国经 济合作与开发组织在意大利选定1 4 k m 路段，对英、法、西德和丹麦的纵断面优化 程序进行试验，结果表明优化后的线型工程费用降低，在困难地段土石方费用节 省8 1 7 ，平均1 0 左右，优化设计程序对于铁路和道路设计者是很有价值 的。【2 j 在纵断面优化设计技术的基础上，线路设计优化技术拓宽到平面和三维选线。 数字地面模型( d 1 m ) 也进入到了应用阶段。许多国家对宽带和窄带范围内的线 路平面线型和空间线型的优化技术进行了研究，研制了相应的平面线型和空间线 型的优化程序系统，如德国h e u s c h b o e s f e i d t 工程咨询所的e p 0 s i 平面优化程序 系统、美国麻省理工学院o p n d g 空间优化程序系统。1 1 j 由于平面线型和空间线 型的优化需要大量的计算数据、涉及到许多复杂的因素，特别是一些难以定量的 因素，而给研究工作带来了较大困难，优化程序也更复杂，但经过长期的研究与 实践，平面优化和空间线型优化技术正在逐步用于生产，计算机绘图技术可直接 提供设计和施工图。 到了八十年代，很多国家已建立了由航测设备、电子计算机( 包括绘图机、 数字化仪等外部设备) 和专用软件包组成的组合系统。这个组合系统往往是包括 从数据采集、建立数字地面模型、优化技术以及进行全套计算机计算，绘图和报 表的完整功能。i l j 进入九十年代，西方发达国家致力于集成式土木工程设计系统的研究与开发。 铁路线路设计c a d 系统是土木工程设计系统的重要组成部分。国外的最新研究成 3 果主要在于线路勘测设计中智能c a d 技术的应用，地理信息系统在道路等土木工 程类设计中的应用，以及道路设计中的三维o d 与可视化技术。美国和英国的三 维c a d 和可视化的研究处于世界领先水平，设计与研究部门已成功地研制出应用 于公路设计的三维c a d 系统。应用较多的有美国k t e r g i 即h 公司的k r o a d s 和 h l r a i l 系统、英国i n 舶( m o s s ) 公司的m t a i l 和德国q r d l 系统等。h l t e r g f a p h 的应用软件系统中整个设计过程可以统一在一个数据库的基础之上，可以建立三 维的数字地面模型并支持三维的交通基础设施的设计。m ) 氓a i l ( m o s s ) 系统采用了 “串( s t r i n 曲”的概念，建立了多种形式的“串”线，每个串以标签、维和数码来 表达，例如：等高线为二维串，山脚线、山脊线为三维串，测站线、断面串、土方 量串为多维串等。这些系统具有较强的数据采集功能及自动处理的功能、建立地 表面和设计表面的三维模型以及二者的组合模型的功能、完善的图形显示功能、 人机交互设计功能等。q 娘d l 系统采用模块化结构，模块相对独立，构成了通用 的c a d 整体，所有程序之间通过数据进行联结，它可以通过标准格式的数据交换 或d ) 口等接口对外来程序数据传输或对其他程序系统的数据进行处理。这些系统 的共同特点是：( 1 ) 能自动处理、自动测量系统传来的数据；( 2 ) 建立三维地面模型， 生成等高线地形图；( 3 ) 建立构造物曲面模型：( 4 ) 完善的三维图形显示功能：( 5 1 运 用人机交互手段进行设计；( 6 ) 具备多种工程分析与计算方法。( 2 】 2 国内研究及发展概况 我国计算机辅助线路勘测与设计的研究始于1 9 7 6 年。八十年代中期以前为准 备时期，主要工作集中在纵断面优化方法的研究方面。铁路行业的各大设计院和 铁路院校均开展了相关的研究工作。七十年代到八十年代中期，程序多为面向国 产第二代晶体管计算机，计算机主机功能弱，外围设备简单，开发的软件主要是 进行数值计算和分析。由于此时期的图形设备仅具有输出功能，o 如技术处于被 动式的图形处理阶段。1 2 】 八十年中期以来，计算机的硬件设备发展很快，在其支撑下软件也不断丰富， 特别是微型计算机的推广普及，文件系统的使用，使得计算枫辅助设计的软件可 采用模块化程序设计方法分块研制，然后按设计流程的顺序串联起来，形成较完 整的程序系统。此阶段国内线路平纵面联合优化的理论和方法研究取得了批可 喜的成果。文件系统的使用，还使得独立的单项程序的联系以数据文件的形式进 行内外存交换；数据的共享大大减少了数据的准备工作。但是此时国内的研究成 果仍然以数值分析和计算为主，加之数字化勘测信息技术问题尚未解决，研究成 果的推广应用非常缓慢。【2 】 八十年代后期至九十年代中期，随着计算机图形学和软件工程的发展，勘测 设计一体化、智能化研究也随之系统地得以开展。1 2 j 在计算机辅助线路勘测设计的 4 研究开发中，科研单位及设计单位做了大量的卓有成效的工作，并取得了一批很 有价值的成果。其中有些己应用于生产实践。在公路方面，我国公路界各设计单 位运用计算机辅助设计手段经历了2 0 多年的历程，开发了一批实用性软件，如同 济大学与公路设计部门合作于1 9 9 1 年完成公路a 狮软件的研制，东南大学广华 软件开发有限公司的d i a 山等，但那时我国自行开发公路设计软件水平与国外优 秀软件相比较，仍有较大差距。在铁路方面，铁路线路纵断面设计方法与软件己 比较成熟，并在设计院推广试用。在平纵断面联合优化设计方面，也取得了一批 很有价值的研究成果。国内的长沙铁道学院在铁路平、纵断面优化设计方面已取 得一定的研究成果，在三维模型建模和图形显示方面还有待提高。铁路线路计算 机辅助设计技术从单纯的数值计算分析发展为图形交互式自动设计，开发出了集 地形资料处理、工程费计算、图形交互设计、纵断面自动设计以及绘制线路平、 纵断面图为一体的一套完整的计算机辅助设计系统。【2 慵户通过在界面下点菜单的 简单操作，就可以实现线路纵断面优化、线路平纵横断面设计、工程费计算、图 形显示、数据修改和图形自动绘制等功能。1 2 l 同时在此时期，随着现代勘测设计技 术的迅速发展和测量仪器的现代化，地形信息数字化的困难也基本得以解决；空 间地形学的理论和应用研究也有了实用型成果。1 2 j 到9 0 年代中期以后，国内己经能方便地获得供铁路线路计算机辅助设计用的 数值地形信息，现场设计部门在航测技术的研究与应用方面、计算机辅助勘测与 设计方面、以及计算机辅助成图方面均做了大量的研究与开发工作，已研制了一 批实用软件。【2 】广泛推广计算机辅助线路设计技术的条件已经具备。1 2 】 “九五”期间铁路科技发展重大项目“勘测设计一体化、智能化技术研究” 的开展，是铁路计算机d 技术进入蓬勃发展和广泛使用时期的标志。铁道部科 技司按照工程项目管理模式组织路内各大设计院和高等院校联合攻关，开展铁路 勘测设计计算机辅助设计技术的应用研究。按照“铁路勘测设计一体化和智能化 系统”要实现网络化、数字化、数据库化、集成化、智能化的基本要求，对各专 业既有的设计软件进行修改和功能扩充；同时按照甩掉图板的目标，完成勘察设 计技术手段从传统的手工方法向现代化o m 技术转变的要求，大力开发新的软件， 系统地全面地向工程化、综合化，系统化推进，形成专业覆盖面大、可适用于不 同设计阶段、设计要求的功能强大的专业集成化c a d 系统。经过5 年多的努力， 铁路勘测设计一体化项目的研究目标已基本实现，在铁道部一、二、三、四勘测 设计院的共同努力下，取得了十分有价值的研究成果，铁路勘测设计一体化研究 成果已经进入实用阶段。实现铁路选线设计智能化的难度更大，在“九五”期间 要求解决理论难点和关键技术，这一目标也已经达到。【3 】由西南交大主持研究的“铁 路新线智能c a d 系统研究”项目，研究了一个容人工智能与知识工程、工程数据 5 库技术、计算机图形技术与优化方法为一体的铁路新线设计智能c a d 原型系统。 铁路新线智能c a d 系统进入了应用软件开发阶段。 以上所介绍的国内线路计算机辅助设计系统都是针对铁路或公路开发的c a d 设计系统，而国内目前针对地铁线路计算机辅助设计技术的研究和系统开发则相 对不多。在网上查询到的有北京交通大学李家稳博士撰写的地铁线路平、纵c a d 及调线调坡设计技术的研究。在这个论文中，他提到他于2 0 0 4 年2 月，采用v c + + 及o b _ i e c t a r x 开发完成了地铁线路平面、纵断面系统软件包。另外还有李方软件 公司开发的城市轨道交通线路设计1 r i c a d 系统等。 综合国内情况来看，目前国内的地铁线路计算机辅助设计软件有一些是从铁 路或公路的设计软件演化而来，不可避免的带着一定的非针对性因素。即使针对 地铁线路设计开发的软件，不同的软件一般都有自己的开发平台，且开发工具较 为高级，软件产品的实现需要较长的开发周期。模块的标准化及设计的高度自动 化使得设计人员某方面的特殊要求也不一定能得到满足。各单位开发的应用软件 基本是针对不同的目的、各自的设计要求、不同的软硬件环境开发的，在系统的 总体性，软件的通用性，自动勘测系统与平纵断面优化系统之间的接口技术、平 纵断面整体优化系统与个体工程系统的接口、交互式c a d 和可视化技术等方面， 还有许多问题有待于深入研究。 1 4 本文研究的背景 我于2 0 0 5 年1 1 月起作为北京交通大学和北京城建设计研究院联合培养的学 生，进入北京城建设计院线路所参加生产实践，期间参与了沈阳地铁二号线可研、 重庆地铁一号线可研修编、北京地铁十一号线可研等项目的工作。通过一年的学 习和工作，我对地铁线路设计工作的各个阶段要完成的主要工作有了一定的了解， 对地铁线路设计的方法和思路有了一定程度的认识。 在设计院工作过程中，我接触到了院里的线路计算机辅助设计软件。在使用 软件的过程中，我感受到了线路c a d 二次开发成果的魅力。的确，针对专业特点 开发的软件可以简化很多的设计工作，提高工作效率。 北京城建设计院的地铁线路设计软件也经历了一定的发展历程。起初，与西 南交大共同研制开发了a l c a d 软件，该软件的1 0 版编制于1 9 9 4 年，之后由于 种种原因沿用至今一直没有升级。从该软件的功能看，它能较好的完成线路平纵 断面的基本绘图功能，然而对于线路设计来讲，并不能利用程序进行设计的自动 化，只能说是一种较好的专业绘图工具。继a l c a d 之后，北京城建设计院线路 所又主持完成了“轨道交通线路基于a u t o c a d 的平面设计自动化丌发”项目。 该项目完成于2 0 0 0 年，较之原来使用的a l c a d 程序而言，增加了在a u t o c a d 中的计算功能，利用编制的a u t o u s p 程序完成计算与绘图同步进行，无需使用纸 和笔，只需用鼠标点击按钮，就能将原来纸上定线的工作完全在a u t o c a d 中自动 完成，包括大量的图表，大大提高了线路设计的自动化程度，节省了大量的图纸 消耗，使设计人员彻底摆脱了繁重的手工劳动，提高了工作效率。这套软件即为 本文中所说的地铁线路平面辅助设计软件。 目前院里一直使用该软件进行线路设计，其线路平面辅助设计功能开发的比 较完善，具有很强的实用性，但纵断面的设计功能开发则显得有些不足。基于这 种情况，我想做一些地铁线路纵断面计算机辅助设计技术的研究，并开发与平面 系统相配套的纵断面设计系统m r p c a d ，对既有的这个专业设计软件系统的纵断 面设计功能进行一些补充。 本硕士论文的研究及纵断面软件系统的开发将基于这套地铁线路平面辅助设 计软件系统。 之所以考虑选择以这个软件系统为基础，主要是基于以下因素： 1 该软件系统的程序具有专业性。与其他相似的大型软件相比，它的针对性很 强，符合地铁线路专业设计的标准和特殊要求，是实际设计过程中实用性非常强 的地铁线路平面设计软件。 2 该软件系统的源程序代码在考虑进行平面设计的同时，也为纵断面的设计留 有接口，线路、百米标、加标、车站，线路设计数据库等均可包含标蔬设计信息， 平面设计信息均可用于纵断面设计，这非常有利于在此基础上做线路纵断面软件 系统的开发工作。 3 以往所见的应用程序软件，往往将后台的设计封闭起来，本软件将自身定位 于一个开放的、扩展性强的软件系统，公开部分代码，为程序相对于不同设计人 员做二次开发提供了基础。其通用的数据库可以帮助其他专业对线路专业的设计 资料进行查询及选用，从而改变了现在基于a u i o c a d 图形拷贝这种仞级的资料共 享方式。 4 项目文件管理和文件资料打印的设计有利于设计文件的归档和查询，体现了 i s 0 9 0 0 1 项目质量管理的要求。 1 5既有平面辅助设计软件系统介绍 如前文所说，笔者开发的m r p c a d 是在既有的地铁线路平面辅助设计软件系 统的基础上完成的，故下面先介绍既有的地铁线路平面辅助设计软件系统，并分 析找出其为纵断面程序开发提供的接口。 7 1 平面辅助设计软件系统运行环境及开发工具 ( 1 ) 系统的硬件环境 c p u ：p i l l 8 0 0 m h 匕以上 内存：1 2 8 m 以上 1 0 2 4 7 6 8 v g a 视频显示 硬盘：1 0 g ( 2 ) 系统的软件环境 操作系统w i n d a w s 9 5 9 8 n 1 坦0 0 呱p 图形支撑环境a u t o c a d2 0 0 0 及以上版本 办公软件m j c m s o f to c i c e2 0 0 0 ( 3 )开发工具a u t o u s p 语言工具及6 0 2 平面辅助设计软件系统结构 地铁线路平面辅助设计软件系统结构如( 图1 5 1 ) 【4 】： 图1 5 1 地铁线路平面辅助设计软件系统结构图 1 5 1t h ea m h i t e c t l i 件o f t h ec a d 鲫n w a r es y s t e mo fm e t mm u t ep i a 从系统结构图可以看出，首先系统需要用户提供线路沿线地形图及线路设计 基础数据，然后经过系统的线路设计模块和线路平面计算及数据库管理程序模块 形成线路的最终平面设计成果。 ( 1 ) 线路设计基础数据 使用规范：国家标准地下铁道设计规范g b5 0 1 5 7 9 2 计算依据：线路设计手册、地下铁道设计与施工等 ( 2 ) a u t o c a d 环境下的线路平面设计模块 该模块是用a u t o u s p 语言编制的基于实体的二次开发程序，它完成基础资料 的输入与整理，平面线路设计工作，并将线路设计的初步数据( 起点、终点、交 点、曲线、道岔、车站等) 以属性块的形式标注在图上，然后提供给线路平面计 算程序进行计算。 ( 3 ) 线路平面计算及数据库管理程序 该模块是用s u a lb 弱i c 开发的计算及管理软件，它可根据平面设计的相关数 据，计算线路里程、坐标、曲线要素、断链、线间距等，建立相应的线路平面设 计资料数据库，输出线路平面图设计的各项资料到数据库中，完成项目文件管理 及设计资料报表打印。 3 平面辅助设计软件系统功能 ( 1 ) 地铁线路平面辅助设计软件系统界面如下( 图1 5 2 ) ： 图1 5 2 地铁线路平面辅助设计软件系统界面图 f i g 1 5 2t 1 l eu 5 e ri n t e r f a c eo ft h ec a d f h v a r es y s t e mo fm e t r om u t ep l a n 该软件系统采用菜单、图标菜单、命令行的输入方法，在a u t o c a d 环境中使 用，可使设计者基本完成从可研一直到施工图设计各阶段的线路平面设计工作。 软件采用与a u t o c a d 相同的工作界面，熟悉a u t o c a d 的设计人员可很快熟练使 用。 ( 2 ) 地铁线路平面辅助设计软件系统功能 9 正线线路设计 道岔绘制及配线设计正线线路计算 线路直线 单开道岔 线路里程计算 线路平行线 单渡线 点的坐标计算 线路曲线连接 交叉渡线 线路平行线间反向曲线连接 缩短渡线 曲线要素计算 线路不平行线问反向曲线连接 配线直线 断链计算 配线平行线 线间距计算 线路同心圆喇叭口连接 配线曲线 输出到e x c d 堡照拯篷 显示及查询图纸分幅及打印绘图 起点及终点车站站旗里程区域线路标注 图纸绘制图纸比例 断链方位角交点区域方位角 图纸分幅目录打印 坐标里程车站区域线间距 线间距加标里程 点的坐标 打印 图1 5 3 地铁线路平面辅助设计软件系统功能图 f g 1 s 3 1 k l i l n c t i 仰o f t h e c a ds o f t w a n 帮s t e m o f m e b 巾删i t e p h n 由上( 图1 5 3 ) 可以看到，地铁线路平面辅助设计软件系统的功能包括： 正线及配线线路的平面设计 正线及配线的道岔绘制 线路平面设计资料计算 线路平面相关要素的标注 线路平面相关要素的显示及查询 图纸分幅及打印绘图 通过使用既有的地铁线路平面设计软件进行平面线路设计，可以得出较为完 整的地铁线路平面设计成果。 4 平面系统为纵断面系统程序开发提供的接口 地铁线路平面辅助设计软件系统在开发的过程中为线路纵断面系统程序的开 发工作打好了基础。 平面系统除了开发了较为完备的地铁线路平面设计功能外，也为纵断面的程 序开发留有接口，平面线路的百米标、车站等均可包含标高设计信息。同时，平 面系统开发了在平面图上绘制地面标高、相交管线、特殊加标属性块的功能。软 件使用a - u t o u s p 语言编制的程序可使得用户在平面图上绘制地面标高、相交管线、 加标等属性块，在绘制这些属性块的过程中，系统要求用户交互地输入系统要求 的参数信息，如地面标高属性块的绘制要求用户先选择平面线路的某百米标，然 后选择线路上一点，输入该点的地面高程，用户绘制属性块完成，这个属性块本 身作为一个。气d 的对象就包含了该点的里程及对应的地面标高信息。相交管线和 1 0 特殊加标属性块的绘制过程基本类似，相交管线要求用户输入管线的名称、材质、 年代、施工方法、标高、管径等信息，加标里程要求用户输入加标的名称、加标 点的地面标高及加标点的控制标高等。平面图上标注这些载有标高信息的属性块， 是为纵断面图中绘制基础设计资料做准备的。后续的纵断面软件系统开发将利用 这些载有标高信息的属性块来完成纵断面基础设计资料信息的提取工作。 地铁线路平面辅助设计软件系统用v b 开发了读取平面设计数据的程序，将平 面设计成果数据资料读取到线路数据库中，以便于设计人员查询和修改。特别地， 平面线路数据库中包含平面图中标注的地面标高、管线、特殊加标属性块的相关 数据列。此外，该线路数据库还预留了地铁线路纵断面设计资料存放的相应表列。 1 6 本文研究的内容 本文是在既有的地铁线路平面辅助设计软件系统的基础上研究地铁线路纵断 面计算机辅助设计技术，并开发与平面软件相配套的地铁线路纵断面辅助设计软 件系统( m r p q 、d ) 。 1 本文先对既有的平面辅助设计软件系统的结构、功能等进行了分析，找出 平面辅助设计软件系统留给纵断面系统程序开发的接口。 2 总结、归纳了地铁线路纵断面设计的一般理论，特别叙述了关于地铁线路车 站两端合理纵断面坡型的研究理论，通过对这些理论的学习，将其作为对地铁线 路纵断面计算机辅助设计进行研究的专业理论依据。 3 完成了m r p c a d 系统的开发。 阐述了笔者开发的m r p c a d 系统的开发与运行环境，m r p o d 系统是在 w n d o w sx p 操作系统下进行开发的，采用了开发w i n d o w s 应用程序最为迅速、简 捷的开发工具v b 6 0 作为系统开发平台：选用了集绘图和开发为一体的计算机 辅助设计系统a u t o a 如2 0 0 4 作为图形支撑环境。本软件系统可以在各种版本 的w i n d o w s 环境下运行，与既有的平面软件系统运行环境相同。 阐述了系统研制所运用的开发技术理论，主要包括面向对象的编程技术及 a c t i v e x 技术。 在专业理论和开发技术理论的指导下，建立了m r p c a d 的系统结构。经过 深入细致地分析地铁线路纵断面设计工作对系统的功能需求，结合功能需求完成 了对m r p c a d 系统的开发。 以程序算法流程图和程序代码的形式反应了系统开发的技术实现方法。 4 阐述了笔者开发的m r p d 系统的特点，并详细介绍了该系统在地铁线路 纵断面设计工作中的应用过程。 1 1 j k 塞銮煎盔望亟主堂位j 金奎。 2 地铁线路纵断面设计理论综述 线路平纵面设计的任务是在规划路网和预可行性研究的基础上，对拟建的地 下铁道线路的平面和竖向位置，通过不同的设计阶段，逐步由潜入深，进行研究 与设计，达到最佳确定地下铁道线路在城市三维空间的准确位置。l s 】 一个地铁线路工程的设计一般分为四个阶段：即可行性研究阶段、总体设计 阶段、初步设计阶段、施工设计阶段。1 5 】 可行性研究阶段主要是通过线路多方案比选，完善线路走向、路由、敷设方 式，基本确定车站、辅助线等的分布，提出设计指导思想、主要设计标准、线路 平纵断面以及车站的大致位置等。【5 j 总体设计阶段是根据可行性研究报告及审批意见，通过方案比选，初步确定 线路平面、车站的大体位置、辅助线的基本形式、不同敷设方式的过渡段位置， 提出线路纵断面的初步标高位置等。1 5 】 初步设计阶段是根据总体设计文件及审查意见，完成对线路设计原则、技术 标准等的确定，基本上确定线路平面位置、车站位置以及进行右线纵断面设计。罔 施工设计阶段是根据初步设计文件及审查意见，以及有关专业对线路平纵断 面提出的要求，对部分车站位置及个别曲线半径等进行微调，对线路平面及纵断 面( 包括左线) 进行精确计算和详细设计，提供施工图纸说明文件。【5 j 本章对地铁线路纵断面设计相关理论进行综述，并特别论述了地铁线路车站 两端合理纵断面的相关研究理论，这些理论将作为地铁线路纵断面计算机辅助设 计研究及软件开发的专业理论依据。 2 1影响地铁线路纵断面设计的主要因素 影响地铁线路纵断面设计的主要因素包括：设计基本原则、主要设计技术标 准、线路敷设方式、覆土厚度、地下管线、控制性建筑物( 构筑物) 、水文地质条 件、结构施工方法、排水站设置、桥下净高、防洪水位等。 1 设计基本原则【5 1 0 j ( 1 ) 地铁线路纵断面设计要结合不同的地形、地质、水文条件，线路敷设方 式与埋深要求，隧道施工方法，地上地下建筑物与基础情况，线路平面情况等， 进行合理设计，力求保证列车运行的安全、平稳及舒适，方便乘客使用和降低工 程造价。必要时，可建议变更线路平面及施工方法。 ( 2 ) 根据沿线现状、城市规划、城市发展以及环境要求，合理选择线路纵断 面形式。应尽量设计成符合列车运行规律的节能型坡道。车站一般位于纵断面的 高处，区间位于纵断面低处。除车站两端的节能坡道外，区间一般宜用缓坡，避 免列车交替使用制动又给电牵引。需要特别指出的是，对于地下线的明挖地段， 不苛求节能坡设计，以尽量节省工程投资。依据实际情况线路纵坡可设计为非节 能坡，但若有进站下坡、出站上坡的坡型，则设计坡度力求小缓。整个线路纵断 面宜平缓，避免或减少急上急下。 ( 3 ) 根据城市现状和规划要求，因地制宜地确定线路敷设方式。有条件的地 方尽量选择高架线，以控制工程实施条件，降低工程造价和运营成本。 ( 4 ) 地下区间线路的纵断面设计应充分考虑地质条件，考虑到公路、铁路、 人防穿山隧道、市政管线、河流等控制性因素的影响，同时还要考虑地铁本身各 系统( 如防护、防灾、排水、施工竖并、出渣支道等) 的综合要求，合理设计坡 度及坡型，充分考虑沿线的有利地质条件，设法避开地质不良地层，在满足乘客 方便的前提下，将隧道设置在有利于隧道施工和结构稳定的地层中。 ( 5 ) 地下线区间隧道埋深，应根据所处地点的地上地下建筑物( 构筑物) 情 况，合理选择隧道结构，充分考虑土建工程造价和运营经济性。地下区间线路必 须穿