編組站線路的綜合選取原則及自動化處理方法

尤西霞，李成名，殷 勇，武鵬達

(中國測繪科學研究院，北京100830)

編組站線路的綜合選取原則及自動化處理方法

尤西霞，李成名，殷 勇，武鵬達

(中國測繪科學研究院，北京100830)

編組站是鐵路樞紐的核心，是車輛集散和解編基地，線路復雜度極高。囿于編組站數(shù)量較少，國內(nèi)外文獻中鮮見探討其綜合選取策略與方法的文章，而大量有關道路的研究成果又不適用。本文在分析編組站結(jié)構(gòu)特性和拓撲特性的基礎上，首先精練出6種地圖特征：斷頭弧、同節(jié)點弧、相似弧、網(wǎng)眼弧、平行弧和主干弧；提出了適合編組站綜合選取的3項基本原則；然后設計了自動化處理方法；最后用實際數(shù)據(jù)測試驗證了這些基本原則的合理性和方法的有效性。

綜合選?。痪幗M站；地圖特征；基本原則；自動化處理

Abstract： The railway marshalling yard is the center of railway hub,where trains are distributed and divided.Railway lines are extremely complex.Meanwhile,as there are only a limited number of marshalling yards in the world,few research articles are devoted to finding a map generalization strategy.Many existing research results on line selection are not applicable to marshalling yard.So,this paper presents a novel automated map generalization method for railway marshalling yard. First,six map patterns are extracted based on the spatial distribution and topological characteristics of marshalling yard,including broken arc,same-node arc,similar arc,mesh arc,parallel arc and main arc.Then,three basic principles suitable for map generalization and automated processing are proposed.Finally,practical data is used to validate the method.The results show that our method is highly reasonable and efficient.

Keywords： map generalization;railway marshalling yard;map pattern;basic principles;automatic processing

選取是地圖縮編的基礎。編組站隸屬交通道路要素，早期的選取通常只考慮道路的等級和屬性，有時按照條件-結(jié)論規(guī)則進行選取[1]；Kreveld等提出在依據(jù)等級取舍的基礎上，通過判斷道路節(jié)點以外點的距離是否小于限差，決定取舍[2]。一般編組站實際地圖數(shù)據(jù)未賦屬性值，顯然依據(jù)以上方法難以奏效。此外，根據(jù)道路網(wǎng)眼節(jié)點強度值和密度[3]、層次骨架控制[4]等進行選取均是交通道路選取的常用方法。但編組站內(nèi)部線路組成網(wǎng)眼的節(jié)點數(shù)量相比道路網(wǎng)眼少，層次結(jié)構(gòu)不突出，實踐證明應用上述方法的取舍效果不理想。

全國范圍內(nèi)編組站數(shù)量不足百個，導致研究者對此缺乏重視，鮮見國內(nèi)外文獻資料探討其綜合選取的方法，而大量有關交通道路[5]和河流水系的研究成果[6-7]又不適用于此。當開展自動化地圖綜合時，編組站這類要素無法回避，因此，本文系統(tǒng)分析編組站空間布局和拓撲特性，精練出6種地圖特征，提出鐵路編組站綜合選取的3大基本原則，并據(jù)此設計自動化處理方法，通過實際數(shù)據(jù)測試，驗證這些基本原則的合理性和方法的有效性。

1 編組站的結(jié)構(gòu)特征、拓撲特征和地圖特征

1.1 結(jié)構(gòu)特征

編組站的結(jié)構(gòu)組成主要包含各種“場”、車輛段、機務段、牽出線、駝峰及相關附屬設施等部分。根據(jù)不同場排列形式的不同，編組站可分為3種基本結(jié)構(gòu)：縱列式、橫列式和混合式，如圖1所示。

圖1 混合式編組站

雖然編組站的類型不盡相同，但線路設計遵循一定規(guī)律。一般來說，各種“場”內(nèi)線路比較密集，網(wǎng)眼強度大，用于辦理列車的解體和編組作業(yè)；駝峰為連接各“場”中間的線路，結(jié)構(gòu)簡單，連通性較強；牽出線整體觀察具有平行特征，線路延展性較好，主要辦理列車的到達和出發(fā)作業(yè)；附屬設施多為零散、短小線路，用于放置長期廢棄或作為零部件的車皮等設備。

1.2 拓撲特征

空間布局及其結(jié)構(gòu)特征確定了編組站內(nèi)部的拓撲特性。根據(jù)內(nèi)部線路節(jié)點與弧段的拓撲關系[8]，將其分解為3種弧段模型[9]：孤立弧、懸掛弧和中間弧。孤立弧首尾結(jié)點不同，且都僅關聯(lián)弧段本身(如圖2中L18、L19)；懸掛弧首尾結(jié)點中有且只有一個結(jié)點僅關聯(lián)弧段本身(如圖2中L1、L2、L3、L7、L8、L17)；中間弧首尾結(jié)點均有除本身外的其他關聯(lián)弧段(如圖2中的L4—L6、L9—L16)。

圖2 空間特征示意

1.3 地圖特征

在透徹分析結(jié)構(gòu)和拓撲特征基礎上，精練出6種地圖特征：斷頭弧、同節(jié)點弧、相似弧、網(wǎng)眼弧、平行弧和主干弧。依據(jù)圖2的拓撲特征，建立結(jié)點拓撲關系樹(如圖3所示)和拓撲信息結(jié)構(gòu)表(見表1)，清晰地表達結(jié)點、弧段之間的拓撲關聯(lián)性及拓撲連通性。

圖3 結(jié)點拓撲關聯(lián)樹

NodeArcNumberArcListA4L1、L2、L3、L4B1L1C1L2D1L3E3L4、L5、L6F3L6、L7、L8G1L7H1L8I3L5、L9、L10J3L9、L0、L11K3L11、L12、L15L3L12、L13、L14M3L14、L15、L16N3L13、L16、L17O1L17P1L18Q1L18R1L19S1L19

(b) 弧段結(jié)構(gòu)表

(Arc：弧段；SNode：首節(jié)點；ENode：尾節(jié)點；LPolygon：左多邊形；RPolygon：右多邊形；Length：實際長度；—表示空)

ArcSNodeENodeLPolygonRPolygonLengthL1AB——148L2AC——157L3AD——149L4AE——25L5EI——30L6EF——46L7FG——85L8FH——79L9IJ—N173L10IJN1—68L11JK——17L12KL—N315L13LN—N2163L14LMN2N3141L15KMN3—158L16MNN2—22L17NO——18L18PQ——13L19RS——42

(c) 網(wǎng)絡多邊形結(jié)構(gòu)表

(NetPolygon：網(wǎng)眼多邊形；ArcNumber：弧段數(shù)；ArcList：弧段列表)

NetPolygonArcNumberArcListN12L9、L10N23L13、L14、L16N33L12、L14、L15

(1) 斷頭弧，即拓撲特征中的孤立弧，主要由編組站中的附屬設施組成。該類弧的首尾結(jié)點連通性為“1”，無左右多邊形，如圖2中L18、L19。

(2) 同節(jié)點弧，編組站中首尾點均相同的兩條中間弧，夾角較小，主要用于兩輛車之間的貨物轉(zhuǎn)送。該類弧首尾結(jié)點的連通性為“3”，左右多邊形其中一側(cè)為空，如圖2中L9、L10。

(3) 相似弧，兩條懸掛弧，由同一結(jié)點連接，兩者間的夾角與間距很小，主要用于多輛車之間的貨物轉(zhuǎn)送。該類弧首尾結(jié)點其中一個連通性為“3”，另一個連通性為“1”，左右多邊形均為空，如圖2中L7、L8。

(4) 網(wǎng)眼弧，編組站中組成閉合多邊形的中間弧段，各種“場”中的弧段一般為網(wǎng)眼弧段，如圖2中多邊形N1、N2、N3的組成弧段。

(5) 平行弧，編組站的牽出線和配套設施中，很多線路都近似平行，并且相鄰弧段之間的差距相差不大，一般由多條懸掛弧段組成。首尾結(jié)點其中一個連通性為“3”，另一個連通性為“1”，左右多邊形均為空，如圖2中L1～L3組成的結(jié)構(gòu)。

(6) 主干線，即駝峰中的弧段，一般由非網(wǎng)眼弧的中間弧構(gòu)成。該類弧首尾結(jié)點連通性不小于“2”，左右多邊形均為空，如圖2中L5、L11。

2 選取基本原則及自動處理方法

綜合選取的長度和間距閾值取決于原始尺度和目標尺度，當幾條弧段同時滿足取舍條件時，取決于對結(jié)構(gòu)健壯性和拓撲延展性的貢獻和價值。因此，綜合選取應滿足視覺可辨析、結(jié)構(gòu)健壯性和拓撲延展性等一些基本原則與要求。

2.1 視覺可辨析原則

通過對大量編組站數(shù)據(jù)的研究分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)車線、調(diào)車線、到達線的有效長度大約為600～1000 m，其余線路(除主干線外)長度多小于600 m，因此，編組站的綜合通常涉及1∶500～1∶25 000，1∶25 000以下圖中只保留編組線主體形狀，內(nèi)部線路已無需表示。參考國內(nèi)外地圖表達規(guī)范，在1∶25 000尺度的地圖中，隧道、臺階、地類界等線狀類長度的約束圖上長度不小于1 mm，站線間距不應小于0.3 mm，否則人眼視覺難以辨識，從信息度量的角度，即使保留此類要素，復雜度劇增且信息量冗余[10]。以此為基礎，推演1∶Scale(Scale>25 000)的長度閾值(式(1)、式(2))和間距閾值確定模型(式(3)、式(4))[11]。

(1) 長度閾值

(1)

式中，T1∶25 000為1∶25 000尺度圖上最小可辨長度，一般取值為1 mm；1∶Scale為某地圖尺度；T1∶Scale為1∶Scale尺度圖上最小可辨長度。

(2)

式中，LT1∶Scale1→1∶Scale2為1∶Scale1尺度圖上長度取舍閾值；1∶Scale1為原始比例尺；1∶Scale2為目標比例尺；T1∶Scale2為1∶Scale2尺度圖上最小可辨長度，由式(1)計算可得。

(2) 間距閾值

(3)

式中，SpaceT1∶25 000為1∶25 000尺度圖上最小可辨間距，一般取值0.3 mm；1∶Scale為某地圖尺度；SpaceT1∶Scale為1∶Scale尺度圖上最小可辨間距。

(4)

式中，Th1∶Scale1→1∶Scale2為1∶Scale1尺度圖上間距取舍閾值；1∶Scale1為原始比例尺；1∶Scale2為目標比例尺；SpaceT1∶Scale2為1∶Scale2尺度圖上最小可辨間距，由式(3)計算可得。

(3) 計算實例

圖2數(shù)據(jù)原始比例尺為1∶500，目標比例尺為1∶10 000，由式(1)計算出圖上1∶10 000最小可辨長度T1∶10 000=2.5 mm，由式(2)計算出長度閾值LT1∶500→1∶10 000=2.375 mm；由式(3)計算出圖上寬度閾值SpaceT1∶10 000=0.75 mm，由式(4)計算出間距閾值Th1∶500→1∶10 000=0.712 5 mm。

2.2 結(jié)構(gòu)健壯性原則

人工綜合時，經(jīng)過直觀定性分析，保留主要的骨架線路，刪除次要的線路；計算機自動化處理時，主要依賴閾值和可定量化的結(jié)構(gòu)特征與拓撲特征，最大可能性保持原結(jié)構(gòu)至關重要。

2.2.1 斷頭弧處理

根據(jù)長度閾值LengthEplison，將所有幾何長度小于LengthEplison的斷頭弧放入容器中，然后從拓撲結(jié)構(gòu)中刪除，并更新拓撲關系。如圖2中L18的幾何長度D18=13 m/10 000=1.3 mm

2.2.2 平行弧處理

找到懸掛弧，選取能表達弧段特征的采樣點組成新的弧段arc；根據(jù)間隔閾值SpaceEplison為緩沖半徑建立arc的矩形緩沖區(qū)，拓撲查詢與緩沖區(qū)相交的所有弧段，得到緩沖區(qū)內(nèi)位于arc兩側(cè)最近的兩條弧段arc1和arc2，計算arc1、arc2的間距，若小于SpaceEplison，則刪除當前弧段，更新拓撲關系。其中，arc1和arc2的間隔Spacearc1→arc2由式(5)進行計算

(5)

式中，N1、N2為分別在兩條弧上取得的采樣點的數(shù)量；Di和Li分別為一條弧上的采樣點到另一條弧上的距離。

圖2中的L2根據(jù)間距閾值SpaceEplison建立緩沖區(qū)后，得到緩沖區(qū)內(nèi)的弧段L1和L3，計算間距值S=14 m/10 000=1.4 mm>SpaceEplison=0.712 5 mm，L1和L2、L2和L3之間的間距值S=7 m/10 000=0.7 mm

2.2.3 同節(jié)點弧和相似弧處理

這兩類地圖特征都具有弧段之間的夾角很小、形狀相似的特點，因此在綜合時只需保留一條弧段用于表達地物特征即可。若由式(5)計算的間距小于間距閾值，則保留長度較大的弧段，刪除長度較小的弧段。

圖2中的同節(jié)點弧L9和L10，相似弧段L7和L8，間隔均在閾值范圍內(nèi)，根據(jù)幾何長度，刪除L8、L10，保留L7、L9。

2.3 拓撲延展性原則

綜合選取要保證線路整體的拓撲延展性，盡管有些弧段長度較小，但對于維持站內(nèi)整體連通性具有重要作用，需要保留。根據(jù)這一原則，完成主線和網(wǎng)眼弧的自動化處理。

2.3.1 主線處理

根據(jù)首尾結(jié)點連通性不小于“2”，且左多邊形均為空的拓撲特性，確定主線。由于主線具有連接各“場”、保持拓撲連通性等關鍵作用，應予以保留。

2.3.2 網(wǎng)眼弧處理

刪除相鄰網(wǎng)眼的共享弧并不影響網(wǎng)眼中其余結(jié)點間的連通性，因此對于網(wǎng)眼弧的處理主要是刪除共享弧。對于單個網(wǎng)眼，若組成弧段個數(shù)等于2，則按照同節(jié)點弧的處理方式進行處理；否則，將按照結(jié)點連通性處理。

根據(jù)圖4(a)，構(gòu)建網(wǎng)眼弧段結(jié)點拓撲關聯(lián)樹(如圖4(b)所示)，從首結(jié)點J開始，依次判斷刪除當前結(jié)點關聯(lián)弧段后是否影響網(wǎng)眼拓撲連通性，若不影響，則從拓撲結(jié)構(gòu)中刪除此條弧段及其關聯(lián)的左右多邊形，直至末結(jié)點O結(jié)束。如圖4(a)中，發(fā)現(xiàn)刪除L、M兩個結(jié)點所關聯(lián)的弧段L14后并不影響連通性，因此刪除L14，并將左多邊形N2和右多邊形N3從拓撲中刪除。

2.4 自動化選取流程

該流程分為3個主要步驟：①根據(jù)原始比例尺和目標比例尺確定長度和間距閾值；②構(gòu)建拓撲關系，對基礎數(shù)據(jù)進行拓撲預處理，包括弧段自相交處理、結(jié)點擬合處理、去除重復線、去除假節(jié)點、刪除冗余節(jié)點、刪除短懸線、構(gòu)建拓撲多邊形等，針對預處理之后的數(shù)據(jù)，建立拓撲關聯(lián)表，以實現(xiàn)對斷頭弧、同節(jié)點弧、相似弧、網(wǎng)眼弧等空間特征的識別；③對編組站的6個地圖特征進行分類處理，先處理斷頭弧，再處理網(wǎng)眼弧段和平行弧段，最后處理上述兩步剩余的同節(jié)點弧和相似弧。圖5為圖2從1∶500到1∶10 000自動化綜合的取舍結(jié)果。

圖4 網(wǎng)眼弧處理

圖5 圖2的1∶500到1∶10 000的綜合結(jié)果

3 試驗與分析

本文以成都東站混合式編組為研究案例，區(qū)域范圍約為30 km2，原始比例尺為1∶500(如圖6(a)所示)，共有609條弧段。這一編組站數(shù)據(jù)具有出發(fā)場、調(diào)車場、到達場等要素，6類地圖特征均蘊含其中。試驗依托中國測繪科學研究院研制的WJ-Ⅲ地圖工作站，首先利用文獻[5]中的道路網(wǎng)選取方法，將地形圖綜合至1∶10 000；然后將本文提出的編組站綜合取舍方法嵌入到工作站中，根據(jù)上文中提到的閾值確定模型，計算出長度閾值為2.375 mm，間隔閾值為0.712 5 mm，按照閾值對編組站中的線路進行選取。應用不同方法進行選取后的結(jié)果對比見表2、圖6(b)、圖6(c)。

表2 選取結(jié)果統(tǒng)計與對比

綜合分析上述統(tǒng)計結(jié)果，并對比前后地形圖，不難看出：①整個自動化處理時間為0.25 s，用時較短，效率較高；②保留的弧段為99個，僅為原弧段的16.3%，選取效果明顯；③編組站的主體結(jié)構(gòu)得到了保留，對比圖6(b)中框選區(qū)域中重要線段丟失導致連通性破壞的情況，本文的選取方法保留了站間重要的連通性，并對密度較大的區(qū)間弧段進行了化簡，刪除了細碎、零星的弧段。

圖6 綜合選取前后結(jié)果對比

4 結(jié) 語

本文在分析編組站空間布局和拓撲特性的基礎上，精練出6種地圖特征，提出了鐵路編組站綜合選取的3大基本原則， 推導了長度和間距閾值的計算公式，并針對以上地圖特征設計了自動化選取處理方法，依托中國測繪科學研究院研發(fā)的WJ-Ⅲ地圖工作站，嵌入上述綜合取舍算法。試驗案例結(jié)果表明：保留弧段僅占原有弧段的16.3%，且編組站的主體結(jié)構(gòu)完整，拓撲連通性好。

本文目前僅實現(xiàn)了編組站自動化綜合取舍，對于弧段的簡化和移位并未涉及，另外也沒有與編組站屬性數(shù)據(jù)結(jié)合，有待進一步探討。

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StudyonPrinciplesandMethodofLinesSelectionandAutomaticProcessingforRailwayMarshallingYardonMapGeneralization

YOU Xixia,LI

Chengming,YIN Yong,WU Pengda(Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing 100830，China)

P208

A

0494-0911(2017)09-0065-05

尤西霞，李成名，殷勇，等.編組站線路的綜合選取原則及自動化處理方法[J].測繪通報，2017(9)：65-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0289

2016-12-29

國家科技支撐計劃(2015BAJ06B01)；測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(201512020)；中國測繪科學研究院基本科研業(yè)務費(7771606)

尤西霞(1991—)，女，碩士生，研究方向為自動化制圖綜合和空間數(shù)據(jù)處理與挖掘。E-mail：yxxgis@163.com

李成名。E-mail： cmli@casm.ac.cn

編組站是鐵路樞紐的核心，是車流集散和列車解編的基地，其內(nèi)部線路設計橫縱交錯、復雜度極高，給大尺度地圖表達的編組站數(shù)據(jù)縮編至小比例尺帶來了較大難度。