CAD技术在铁路站场设计中应用现状与发展趋势.pdf

锨 科 应用 铁路计算机应用第 6 卷第 6期 C AD技术在铁路站场设计中应用现状与发展趋势 一 黄 孝章 黄修 云 U z 7 I 摘要作者 对铁 路站场 C AD技术 的发展丑 我 国铁 路站场 C AD系统的开发状 况作 丁壤 括的介绍 同时对 我 国铁 路站场 CA D 系统 中存在 的同题 及今后 的发 展方向发表 丁 自己的看 法 1 C AD系统的组成 技术及应用现状 1 1 C AD系统的组成与技术 1 CAD系统的组成有硬件和软件两大部分 硬 件部分主要包括 主机 工作站或高档微机 外存储器 磁盘 磁带 光盘 输入设备 键盘 数字化 仪 扫描 仪 鼠标器 输 出设 备 C RT彩 色显示器 打印机 绘 图机 等 C AD系统的软件有三个层次 最基础的是系 统软件 它们为计算机的操作使用 资源管理 应 用开 发提供了全面的 有力的支持 第二层是 CA D支撑软 件 它们以系统软件为基础 用来为开发各种 CAD应 用软件提供公共的 通用的技术基础和支持 C AD系 统的最外层软件是 CAD应用软件 它 们是直接面 向 使用人员的软件 这些软件都是为某类产品或工程专 门设计开发的 有很强的专用性 它们通常 由用户或用 户与 CA D厂商联合开发 一个大型 C AD应用软件研 究与开发往往需要花费几年甚至几十年的时间才能完 成 其 中包含有设计单位长期积累的许多经验和技术 诀窍 2 C AD软件 涉及 的主要技术 有 有 限元分 析 最优化技术 图形软件 工程数据库 网络通信 多媒体 及人工智能技术等 其中最优化技术和图形软件是 C AD技术中最基础而叉最关键的技术 最优化技术 C AD 系统 中把优化设计与交互图形 系统结合起来 使设计时间缩短 设计质量显著提高 优化设计的过程是 C AD系统根据选择 的设计方 案确定设计参数值 然后进行分析计算 若设计特性 已 能满足要求且是最优的 则过程结束i 否则 调整设计 参数甚至修改设计要求 直到取得最优方案为止 近年 来国内外出现 了通 用优化软件 它们包含了 黄孝章北方交通大学模拟中心在读博士研 究生北京市 许向东北方交通大学自动化研究所在读博士研究生北京市 黄修支北方交通大学土建系在读博士研 究生北京市 多种不同的优化算法供用户选择 有很大的适应性 其 结构灵活 增删方便 有前后处理程序 易于与其他软 件模块接 I I 通用优化软件 的发展 将使优化技术得到 更广泛的应用 图形软件 图形软件 是 CAD系统 中最基 础 的一 个软件 无论是几何 建模 有限元分析 优 化设计 都需 要使用图形软件来显示其结果或进行交互处理 图形 软件的功能主要有 图形生成与显示 图形的操作与 处理 随着 C A D 技术 的发展及 功能 的 不断 丰富和 提 高 数据库管理 网络通信 多媒体及人工智能技术等 在 C AD系统中也得到了越来越广泛的应用 1 2 cA D技术的特点及应 用 采用 C AD技术给设计和生产工作带来的好处主 要是提高设计效率 缩短产 品研制 周期 减少设 计错 误 提高设计质量 易于建立标准图及标准设 计库 易 于广泛应用标准图和标准化设计 便于企业 内部 的管 理和对外联系 为采用计算机辅助制造 c AM 技术提 供条件 美国科学研 究院工程技术委员会 曾对 C AD技术 所得到的效果作过 测算指出 采 用 C AD技术 使得工 程设计成本降低了 l 2 3 0 产品设计周期缩短 3 0 6 0 设备利用率 提高 2 3倍 废 品率 可 降低 8 0 9 0 降低人工成本 5 2 0 美 国国家 工程科学院对 人类 2 5年 1 9 6 4 1 9 8 9 年 的工程成就进行 了评 比 c A D c AM 技术 的开 发 和应 用位居 第六 据 伦敦 市场研 究所 预测 近 5年 c AD c AM 技术市场总额将达到 6 0 0亿美元 已形成 一 个新兴产业 目前 CAD技术的应用面已渗透到机 械 电子 航空 航天 汽车 船泊 轻工 纺织 建筑等各 行各业 在美国 日 本等发达国家 飞机 汽车及集成电 路制造几乎全部采用了 C AD C AM 技术 机械工业的 5 0 建筑设计的 3 0 也采用了 CA D 维普资讯 铁路计算机应 用第 6卷第 6期 在一些发展中国家 C AD 在各种工程设计中也起 着非常重要的作用 市政工程 煤气管网设计 自来水 管 设计 等 交通运输工程 高速公路设计 桥梁 涵洞 设 计 铁路站场设 计及铁路选线设计 等 石油化工工 程等 无 论是方 案评估 勘察设 计 工程计算 图纸绘 制 项 目管理等 都离不开 C AD 技术 2 C A D技术在铁路站场设计中的应用现状 2 1 国内外铁路站场 C AD技术的发展状况 2 1 1 国外发展状况 铁路站场设计是铁路工程设计的一个重要组成部 分 早在七十年代 欧美 日本及前苏联等国就已经先 后开始 了铁路 站场 C AD技术方面 的研究 并提 出了 相应的设计模型 开发 了部分应用软件 如 日本为了加 强调车场内的解编能力开发的箭翎 线辅助设计 软件 在美国 开发了相应的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等一系列的站场辅助设计 软件 前苏联在铁路站场计算机辅助设计方面 提 出了 许多有关铁路 站场设计方面的优化理论和优化模型 并开发 了部分有关站 场计算机辅助设计方面的软件 原联邦德国铁路公司 法国等欧洲国家为了各自的目 的也开发 了一些铁路站场计算机辅助设计软件 2 1 2 国内发展状况 在我 国 铁遭部各勘测设计院 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 目前 C AD技术在站场设计 中已用在 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 利用 C AD技术进行 中间站辅 助设计方 面已开发 出 中间站平面图设计系统 地形图设计系统 等 适 用于新建和改建单 双线铁路常用直线及曲线中间站 在站 场路 基横断面设计方面 运用 C AD技术可 以完成车站路基横断面设计 士石方数量计算等功能 通过采用不 同的纵断面和路基断面的形式 以及变化排 水坡的分水点位置 计算机可算 出各方 案的士石方量 供设计者进行方案优选 铁路中间站横断面辅助设计 系统 已应用于工程设计中 取得 了良好的经济效益 应 用 C AD技术进行驼峰设计 主要 包括驼峰头 部平面设计 驼峰纵断面设计及驼峰验算等 主要软件 产品有 现代化驼峰设计通用软件 铁路车站各类型 驼峰头部平面图辅助设计系统 等 3 站场 C A D系统的发展趋势 3 1 建立统一的站场 C AD技术标准 站场 C AD软 件 的标 准化是站场 C AD 产品走向市场的必然要求 目前 铁路各设计 单位及大专 院校等都开发了不 同程 度 的站 场 C AD产 品 但这 些产 品大都是为各 自的生 产 科研及教学服 务 产品之间缺乏统一 的技术标准 对产品的推 广和应 用带来 一定困难 站场 C AD软件 的标准化作者认为主要有 以下几个方面 1 图形符号 标准化 站 场 C AD系统 中 应实现 图形中基本元素的标准化 如道 岔 车档 信号机 客车 进路 货车进种 客货列车进路 机 走线 远期预 留线 设计房屋 平 交道 平 过遭 栅栏等应具有统一的标准 符号 同时对 图形 曲线要素表 道岔车档坐标表 等工 程数量表中的曲线 车档及道岔代号 等也应有统一的 标准 2 图纸内容标准化 为了将站场 图形表达清楚 图纸中除 了含有基本图形外 还应标注各种数字 工程 数量表 技术说 明 框图等文字内容 标注位置应具有 统一的标准 3 交互式绘 图命令标准化 站场 C AD 系统应具有绘制道岔 警冲标 信号机及周围建筑物等 图形元素的基本绘 图命令 这些基本的绘图命令在不 同 的站 场 C AD 系 统 如 中问站 C AD 系统 编组 站 C AD系统等 中应具有统一的标准 2 建立有效 的规划模型 进行优化设计 现有的 站场 C AD系统就其开发方法来说主要有以下几种 零件图形库法 该方法是将站场设计 中各种设 计元素 如各种道岔 道岔配列 梯线 渡线 信号机及 警 冲标 曲线 及转 角 倍角等设计成 图块 在进行站场 各车场设计时 应根据事先构造好的结构示意 图 在计 算机上进行设计 平行线等 然后从 零件图形库 中提 取需要的图块元素 将车场拼凑出来 咽喉布置图图集法 是利用现有 咽喉布置图图 集 中提供的标准化车场咽喉 区比例尺平面图 算出各 道岔中心 曲线角顶 信号机和警 冲标的坐标 并以数 据文件的形式存入计算机里 然后调用这些数据绘出 各个车场的咽喉 布置图 并对这些咽喉 布置 图进行组 合 拼装 最终形成符合设计要求的车场设计 图 自动构模法 计算机根据人工 输入的少量设计 参数 自动进行优化设计 自动生成合理的平面图型模 式 有关 曲线转角 警冲标位置以及需要在平面上标 出 的各种数据 均 由计算机计算确定 最后由计算机 自动 绘出设计图来 模块化设计法 是将车站 车场 平面图结构分 解为若干个结构单元 并分别设计 每个结构单元又有 它 自身不同的图型变化 在各功能模块下又分别设有 维普资讯 铁路计算机应用第 6 卷第 6 期 多个图形模块 进行车站平面图设计 时 按照各个设计 单元调用相应的图型模块进行设计 上述开发方法总的说来缺乏有效的规划模型和优 化设计 没有发挥出 C AD技术的真正优势 由于开发 对象本身的复杂性 要建立有效的数学规划模型 实现 站场最优设计是一件十分复杂而又艰 巨的工作 这就 要求站场 CAD系统的开发者要进一步研究采用高新 技术建立规化模型 实现现代化设计 3 实现铁路站场勘测设计一体化 铁路勘测与 设计一体化 其具体 目标是 将 航测 遥感 GP S 全球 卫星定位 系统 等 自动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 据格式存储于勘测设计工程 数据库管理系统 中 以供 设计部门调用 设计部门运用 C AD系统 根据具体的 设计要求通过计算机网络传输 从工程数据库管理系 统中获取所需的各种数据 并将设计结果 以数据的形 式存储于工程数据库管理系统 中 实现勘测与设计资 源共享 同时 以图形的方式将最终设计方案按标准的 图形数据交换格式存储 于 C AD 系统 中 以供施 工单 位进行预算 概算及施工等使用 计算机 网络通信 多媒体 图形 图象等先进的现 代科学技术为铁路勘测设计一体化提供了基础的技术 支持 而航测 遥感 GP S GI S 地理信息系统 及 C AD 技术则是铁路勘测与设计一体化系统实现的基本技术 保障 铁路站场勘测与设计一体化是铁路勘测与设计一 体化系统的一个重要组成部分 它是集站场勘测数据 自动采集 自动分析与处理 计算机辅助设计于一体的 自动化设计系统 它具 有站型选择 站场布置 站场规 模的确定 站场平 纵断面优化设计及其图形的 自动输 出等 多种功能 铁路站场勘测与设计一体化是铁路站 场 C AD系统的一个重要发展方 向 4 实现站场 C AD系统的智能化 人工智能是研 究如何使计算机去模拟人们的思维推理 利用人类丰 富的知识和经验去对事物进行分析 推理和判断 专 家 系统与 CAD关 系最 密切 也是人工智能 中最先应 用 于 C AD系统 的一个领域 专家系统是一个具有大量 专 门知识与经验的程序系统 它能根据专家所提供 的 专 门的领域知识及经验进行推理 和判 断 模拟专家决 策的过程 来解决那些需要专家才能解决的问题 铁路站场设计除了受地形 地理条件的影响外 还 受气候 路网上流量分布等许多随机因素的影响 其设 计过程是一个反复 多次的 综合与分析交错进行 的过 程 一个好的设计方案往往需要通过专家们的反 复论 证 并且需要多学科 的专 门知识与丰富的经 验才能 获 得 而这些知识和经验比较模糊 不可能通过数值计算 来解决 也不可能用精确的数学模型来描述 而是需要 通过人们的分析 思考 推 理和判断来解决 因此把 C AD技术与人工智能技术相结合 研制开发 智能化的 站场 C AD系统是今后站场 C AD系统的重要发展方 向 智能化的站场 C AD系统通过使用人工智能技术 系统能以权威的知识与用户对话 提供咨询和建议 能 对各类工程问题作出解释和评价 以便 用户作出最优 决策 智能化的站场 C AD系统将较传统的站场 C AD 系统更具有启发性 灵活性 能解决传统 C AD系统所 无法解决 的一些复杂问题 4 结柬语 为使我国站场 C AD系统的研 究 开发与 应用得 到稳步 快速的发展 我们认为 应集中资金 集中各开 发单位的有关专家 加强合作 互相交流 取长补短 共 同开发与提高 避免重复 开发 减少不必要的人力 财 力及物力的浪费 使站场 C AD系统 的开发与 应用朝 着更加科学化 标准化 通用化的方向发展 5 参考文献 1 吴 家 豪 铁 路 编 组站 系 统 设 计 优 化 中 国铁 道 出版 社 1 9 9 4 2 W i n s t o n P H Ar t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e Bu s s i n e s s S e c o n d Ed i t i o n Ad d i s