鐵路站場排水設(shè)施數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計方法研究

魏方華

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鐵路站場排水設(shè)施數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計方法研究

魏方華

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

鐵路站場排水設(shè)計成果需要從平面、縱面與橫斷面3個不同的維度進(jìn)行表達(dá)，排水設(shè)計是否合理，取決于排水設(shè)備在平縱橫三者之間能否協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因此，排水設(shè)備的設(shè)計過程往往需要反復(fù)調(diào)整平面、縱面與橫斷面，過程繁瑣?；诖?，在鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)排水設(shè)計中提出分區(qū)與最小影響域的概念，將水溝作為站場分區(qū)設(shè)備，通過數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中建立的設(shè)備間聯(lián)動設(shè)計語義模型與更新算法，檢索水溝變動時的最小影響域，對最小影響域內(nèi)的設(shè)備實時聯(lián)動更新，并實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)在平面和橫斷面之間的雙向聯(lián)動及排水設(shè)備的快速更新。開發(fā)的軟件原型系統(tǒng)，已在站場設(shè)計實例應(yīng)用中得到驗證。

鐵路站場；排水設(shè)施；分區(qū)；最小影響域；語義模型；更新算法；數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計

排水設(shè)備是鐵路站場的重要設(shè)備[1]，常用的排水設(shè)備按照設(shè)置位置可分為線間排水槽、場坪排水槽、公路排水槽、路堤坡腳處排水溝、路塹側(cè)溝和塹頂天溝等類型。傳統(tǒng)的站場排水設(shè)計，一般是先在平面上設(shè)計排水溝槽類型、位置和排水縱坡等數(shù)據(jù)，然后在橫斷面中繪制出對應(yīng)的排水設(shè)備，這個過程，往往需要反復(fù)調(diào)整[2]，比如通過平面與橫斷面的對比，發(fā)現(xiàn)排水設(shè)計并不合理，這時就需要在平面上調(diào)整排水平面與縱坡，然后再修改對應(yīng)橫斷面，或者直接在橫斷面上逐個修改排水及其與之相關(guān)的橫斷面要素，再在平面上修改對應(yīng)排水設(shè)備。由此可見平縱橫作為反映排水設(shè)施的3個維度，本身是緊密關(guān)聯(lián)的。同時，排水設(shè)施與其他相關(guān)設(shè)備還存在緊密的空間約束關(guān)系，如常依據(jù)股道、道路、房屋和圍墻等相關(guān)設(shè)備確定線間或場坪排水槽的中心位置，根據(jù)股道、道路或場坪等相關(guān)基準(zhǔn)設(shè)備高程結(jié)合路面橫坡推算排水槽頂面高程；反之，排水溝槽的平面位置也會影響路面排水橫坡的設(shè)置，并進(jìn)一步影響其他設(shè)備的路面高程和橫斷面填料標(biāo)準(zhǔn)的選用；此外，坡腳排水溝、路塹側(cè)溝以及天溝還會直接影響站場兩側(cè)用地范圍?？梢姡潘O(shè)備與其他相關(guān)設(shè)備的關(guān)聯(lián)約束是站場排水設(shè)計的重要特征，同時這種關(guān)聯(lián)約束關(guān)系不是靜態(tài)恒定的，而是在設(shè)計過程中，隨著排水及其相關(guān)設(shè)備變化而變化的，比如排水溝槽的增減、排水縱坡的變化、幾何形位的改變等。綜上所述，排水設(shè)備與其他相關(guān)設(shè)備的復(fù)雜關(guān)聯(lián)約束關(guān)系是站場排水設(shè)計的重要特征：通過排水平面與排水縱坡的設(shè)計數(shù)據(jù)，驅(qū)動對應(yīng)橫斷面受影響區(qū)域的快速更新，或者通過在橫斷面上直接對某條水溝進(jìn)行的編輯修改，自動更新橫斷面受影響關(guān)聯(lián)區(qū)域以及平面上對應(yīng)的水溝。實現(xiàn)的難點(diǎn)在于：一是如何根據(jù)設(shè)備間關(guān)聯(lián)約束關(guān)系確定排水所影響的最小區(qū)域，在進(jìn)行平縱橫，特別是橫斷面更新時，盡可能保留不受影響區(qū)域的設(shè)計成果；二是在橫斷面上進(jìn)行排水設(shè)計(水溝的增加與刪除、位置的移動、縱坡的調(diào)整等)，如何將設(shè)計成果反向驅(qū)動至平面。目前多家科研單位已認(rèn)識到鐵路站場一體化聯(lián)動設(shè)計的重要性，并據(jù)此開展了相關(guān)研究，孔國梁等[3]重點(diǎn)分析排水的平縱協(xié)同設(shè)計，但未提及橫斷面對平縱的反向驅(qū)動；在鐵路站場輔助設(shè)計系統(tǒng)的研究中，羅宏偉等[4-5]闡述站場平縱橫一體化協(xié)同設(shè)計的思路，但沒有具體分析實現(xiàn)原理與方法。本文基于站場排水設(shè)備與其他設(shè)備的關(guān)聯(lián)約束關(guān)系，結(jié)合最小影響域，建立聯(lián)動模型并通過模型更新算法實現(xiàn)站場排水的雙向聯(lián)動設(shè)計，提高站場排水設(shè)計效率。

1 分區(qū)與最小影響域

1.1 分區(qū)劃分

站場內(nèi)有多種設(shè)備，如股道、排水、道路、場坪和站臺等，根據(jù)各設(shè)備平面位置、路面橫坡、基準(zhǔn)設(shè)備縱向坡度可推算各設(shè)備的路面高程。另外不同類型設(shè)備所要求的填料標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，如何最為合理地推算設(shè)備路面高程與選用路基填筑標(biāo)準(zhǔn)，而不是整個場區(qū)按照一個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行填料填筑與高程推算，這就需要用到分區(qū)的概念。利用路基面排水槽可將車場劃分為多個分區(qū)，即將水溝作為分區(qū)設(shè)備，水溝兩側(cè)的其他設(shè)備分屬于不同的分區(qū)，分屬不同分區(qū)的設(shè)備可采用不同的路基填筑標(biāo)準(zhǔn)，路面高程也可通過各自分區(qū)內(nèi)獨(dú)立的計算基準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行推算[6?7]，圖1為橫斷面分區(qū)示意圖。

圖1 橫斷面分區(qū)示意圖

圖1所示的橫斷面(車場)中的2條排水槽將橫斷面(車場)劃分成3個分區(qū)，排水槽1左側(cè)編號為3的股道位于分區(qū)1，排水槽1和2之間編號為Ⅰ和Ⅱ的股道位于分區(qū)2，排水槽2右側(cè)編號為4的股道位于分區(qū)3。

分區(qū)劃分及其推算流程示意如圖2所示。

圖2 分區(qū)劃分與推算流程示意

1.2 最小影響域

通過分區(qū)的論述可知，無論是平面水溝的增加、刪除、編輯修改，還是在斷面上直接對水溝實體進(jìn)行相應(yīng)操作，其影響的范圍不僅限于水溝本身，還包括與之關(guān)聯(lián)的分區(qū)，甚至影響到遠(yuǎn)離該排水設(shè)備的分區(qū)，而受影響分區(qū)內(nèi)受到影響的具體要素或組件也不盡相同，這些影響與變化最終會反映到橫斷面，特別是對橫斷面的路面變化形式、填料的選取尤為巨大。如果能夠確定對排水設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作時，其受影響的分區(qū)以及分區(qū)內(nèi)的具體要素或組件，就能更為快速地更新設(shè)計數(shù)據(jù)與圖形，并保留不受影響分區(qū)的設(shè)計成果，將大大提高設(shè)計效率。

故排水設(shè)計最小影響域的確定內(nèi)容為：

1) 排水影響的里程范圍；

2) 根據(jù)排水設(shè)計操作類型，確定受影響的 分區(qū)；

3) 確定受影響分區(qū)內(nèi)受到影響的要素，具體包括分區(qū)內(nèi)橫坡、填料、高程等。

排水設(shè)計最小影響域的確定如圖3所示。

圖3 排水設(shè)計最小影響域

Fig. 3 Minimum domain of influence of drainage design

2 聯(lián)動設(shè)計語義模型與更新算法

2.1 語義模型

要實現(xiàn)排水設(shè)計時對受影響分區(qū)與最小影響域的確定與更新，還需要建立相關(guān)模型與算法，在筆者參與研究開發(fā)的鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng) 中[8?9]，通過超圖理論=(,)[10?11]構(gòu)建了以站場設(shè)備為節(jié)點(diǎn)，以設(shè)備間的時空耦合約束關(guān)系為超邊的站場設(shè)備語義模型，=(1,2, …,v)為節(jié)點(diǎn)集，=(1,2, …,e)為邊集，其中邊e=áv,v?，以此對設(shè)備間的復(fù)雜時空耦合約束關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確刻 畫[12?14]，并通過更新算法來實現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)動式設(shè)計。站場整體語義模型框架如圖4所示。

語義模型創(chuàng)建流程如圖5所示。

2.2 更新算法

排水設(shè)備在平、縱、橫三者之間應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，平面中的相關(guān)排水設(shè)備空間位置的更改要能實時傳遞到橫斷面進(jìn)行刷新，同理，在橫斷面設(shè)計過程中，排水設(shè)備的變化信息也要實時反饋到平面中。要實現(xiàn)這種排水聯(lián)動設(shè)計就需要使用更新算法對設(shè)備語義模型進(jìn)行維護(hù)。

2.2.1 算法思想

模型內(nèi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)(排水設(shè)備)發(fā)生變化時，如果對所有設(shè)備的約束都進(jìn)行重構(gòu)，將消耗大量時間，因此需要確定節(jié)點(diǎn)(排水設(shè)備)變化最小影響域，對該影響域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)約束進(jìn)行更新。

圖4 站場語義模型整體框架

圖5 站場語義模型創(chuàng)建流程

2.2.2 算法描述

首先對設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，尋找出與當(dāng)前排水設(shè)備變化節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的分區(qū)節(jié)點(diǎn)，提取出關(guān)聯(lián)分區(qū)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)約束記錄集，根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的變化行為，改變約束記錄集中的相應(yīng)約束，以此類推，直到不再出現(xiàn)相關(guān)分區(qū)與節(jié)點(diǎn)為止[9, 15]。

輸入：已有約束關(guān)系語義模型(,)，約束記錄集，其中每條記錄=áv,V?。

輸出：更新的約束關(guān)系語義模型。

1) 增加排水

For allin//遍歷約束記錄集

{For all(=v, or?V) //遍歷設(shè)備節(jié)點(diǎn)

{If ! (?) Add(v) into.; } //如果該節(jié)點(diǎn)不在原有節(jié)點(diǎn)集合內(nèi)，將該節(jié)點(diǎn)加入到節(jié)點(diǎn)集合

If ?=á v,V??Add(e) into.; //如果邊在約束集中不存在，在邊約束集中增加一條邊

}Return; //返回更新的約束關(guān)系語義模型

2) 刪除排水

For allin//遍歷約束記錄集

{For all(=v, or?V)//遍歷設(shè)備節(jié)點(diǎn)

{If (?) Delete() out of.; }//如果該節(jié)點(diǎn)在原有節(jié)點(diǎn)集合內(nèi)，將該節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)集合中刪除

If=áv,V??Delete() out of.;//如果邊在約束集中存在，在邊約束集中刪除該邊

}Return; //返回更新的約束關(guān)系語義模型

3) 編輯排水

For allin//遍歷約束記錄集

{For all(=v, or?V)//遍歷設(shè)備節(jié)點(diǎn)

{If (?) Edit();}//如果該節(jié)點(diǎn)在原有節(jié)點(diǎn)集合內(nèi)，提取節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編輯

}

Return; //返回更新的約束關(guān)系語義模型

3 實例應(yīng)用

基于上述理論與方法，將其應(yīng)用到鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中，以藍(lán)田車站為例，選取編號為G8的線間排水槽，其平面設(shè)計信息如圖6所示。

由圖6中的平面圖結(jié)合屬性框可詳細(xì)查看與編輯編號為G8的線間排水槽。繪制橫斷面時，根據(jù)平面排水信息，程序會如圖5中所提到的貫穿G8縱向里程范圍的不同樁號斷面，構(gòu)建G8橫斷面縱向排水對象，該算例G8線間排水槽在橫斷面設(shè)計中貫穿了3個樁號斷面。

圖6 線間排水槽平面示例

選取G8水溝所在的具體某個樁號橫斷面，如圖7所示。

由圖7可知，G8排水槽將橫斷面(車場)分為2個分區(qū)，編號為綜1的股道位于分區(qū)1，編號為Ⅰ和Ⅱ的股道位于分區(qū)2，分區(qū)1與分區(qū)2采用了不同的路基填料標(biāo)準(zhǔn)，分區(qū)1與分區(qū)2也各自采用了不同的高程基準(zhǔn)設(shè)備推算路面高程。

用戶可直接對斷面上的G8水溝進(jìn)行編輯修改，如編輯縱坡、調(diào)整溝底高程等，本案例以刪除斷面G8排水對象為例，刪除對話框如圖8所示。

通過數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建的語義模型與更新算法，程序會查找排水設(shè)備的關(guān)聯(lián)分區(qū)，并確定最小影響域進(jìn)行更新。就本案例而言，因G8排水對象被刪除，故程序會通過前述算法首先確定受影響的縱向里程范圍(DK27+480~DK27+618)，在該范圍內(nèi)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，尋找出與當(dāng)前變化節(jié)點(diǎn)(G8線間排水槽)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。通過遍歷，程序很快會確定在如圖7所示的斷面里程處，關(guān)聯(lián)設(shè)備節(jié)點(diǎn)為股道綜1與股道Ⅰ和Ⅱ，它們所在的分區(qū)分別為分區(qū)1與分區(qū)2，程序會進(jìn)一步提取出關(guān)聯(lián)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的相關(guān)約束集(填料標(biāo)準(zhǔn)、填料坡率、路面高程控制基準(zhǔn)等)，根據(jù)當(dāng)前設(shè)備節(jié)點(diǎn)(G8線間排水槽)的變化行為，程序會改變約束記錄集中的相應(yīng)約束，本算例中改變相應(yīng)約束后，G8水溝的關(guān)聯(lián)分區(qū)隨著G8水溝的刪除合并為1個分區(qū)，1個分區(qū)采用統(tǒng)一的填料標(biāo)準(zhǔn)與路面高程推算基準(zhǔn)設(shè)備，因原分區(qū)1的設(shè)備為“綜1”股道，其線路級別低于原分區(qū)2的正線股道“Ⅰ和Ⅱ”，故合并分區(qū)后將統(tǒng)一采用原分區(qū)2的路基填料標(biāo)準(zhǔn)與路面高程推算基準(zhǔn)設(shè)備。確定修改后，程序會以此類推對G8水溝所覆蓋的所有斷面重復(fù)前述對最小影響域內(nèi)的受影響設(shè)備節(jié)點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)約束集進(jìn)行的更新，并同步刪除平面上的G8水溝。

圖7 G8水溝斷面示例

圖8 斷面排水刪除對話框

由更新后的橫斷面(圖9)可知，G8水溝已被刪除，同時整個斷面采用統(tǒng)一的路基填料標(biāo)準(zhǔn)，綜1股道的路面高程經(jīng)重新推算后也進(jìn)行了更新。

由更新后的平面(圖10)可知，平面上的G8水溝也已被同步刪除。

圖9 更新斷面

圖10 更新平面

4 結(jié)論

1) 根據(jù)鐵路站場排水設(shè)計的特點(diǎn)，在鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中引入分區(qū)與最小影響域的概念，將水溝作為站場分區(qū)設(shè)備，圍繞排水設(shè)計對分區(qū)的影響劃分最小影響域。

2) 根據(jù)設(shè)備間的關(guān)聯(lián)約束關(guān)系，在鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中建立基于超圖理論的站場設(shè)備平面—縱斷面—橫斷面的語義模型及其更新算法，實現(xiàn)排水設(shè)計時對關(guān)聯(lián)分區(qū)與最小影響域的動態(tài)維護(hù)以及平縱橫的雙向聯(lián)動設(shè)計。

3) 鐵路站場平縱橫排水雙向聯(lián)動設(shè)計以及只針對關(guān)聯(lián)分區(qū)與最小影響域的自動刷新，能有效避免用戶重復(fù)低效的設(shè)計工作，大大提高設(shè)計效率。

4) 排水聯(lián)動設(shè)計思路可拓展應(yīng)用于鐵路站場設(shè)計時空耦合約束關(guān)系復(fù)雜的其他設(shè)備的設(shè)計過程中。

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(編輯 陽麗霞)

Research on digital linkage design method of drainage in railway station

WEI Fanghua

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China)

The design results of drains in railway station need to be presented in three different dimensions: plane, vertical and cross-section. The rationality of drainage design is determined by the congruity among these three respective aspects. The needs to revise the plane, vertical and cross-section design repeatedly have been brought up during the design procedure of drainage equipment. Therefore, the concepts of segments and minimum domain of influence are proposed in the drainage design of railway station digital design system, in which the drains were tagged as the segmental identification equipment. With the semantic model and updating algorithm for corresponding equipment design established within the digital design system, we were able to query the minimum domain of influence for each change happened to any drain, thereby updating other equipment instances within this area correspondingly, and achieving the bilateral correspondence of design data between plane and cross-section design, while updating the drainage equipment efficiently. The software prototype has been developed and validated in applications of railway station design with real world cases.

railway station; drainage; segments; minimum domain of influence; semantic model; updating algorithm; digital linkage design

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.030

U291.1

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1337 ? 06

2018?07?27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51608543，51778640)；中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科研資助項目(院軟14-01)

魏方華(1979?)，男，四川達(dá)州人，高級工程師，從事鐵路站場設(shè)計研究；E?mail：88197783@qq.com