鐵路跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件研究

張高揚(yáng)

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路鐵路具有行車(chē)平穩(wěn)，機(jī)車(chē)車(chē)輛及軌道結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用低，線(xiàn)路使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。無(wú)縫線(xiàn)路被公認(rèn)為20世紀(jì)軌道結(jié)構(gòu)最突出的改進(jìn)和創(chuàng)新[2]。我國(guó)自1957年鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路以來(lái)，無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維修和管理均取得了長(zhǎng)足發(fā)展[3]。目前正線(xiàn)允許速度160 km/h及以上線(xiàn)路均應(yīng)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路，正線(xiàn)允許速度160 km/h以下線(xiàn)路宜鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路。鐵路無(wú)縫線(xiàn)路布置圖是軌道工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是無(wú)縫線(xiàn)路施工的指導(dǎo)性文件，圖中包含了無(wú)縫線(xiàn)路的大量信息。目前鐵路設(shè)計(jì)中主要是手工繪制無(wú)縫線(xiàn)路布置圖和單元軌節(jié)布置表，首先需要進(jìn)行大量繁瑣的重復(fù)性計(jì)算，還需要將計(jì)算成果手工繪制出來(lái)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)都需要耗費(fèi)大量時(shí)間。此外，各個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)和繪制環(huán)節(jié)均容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)效率較低，設(shè)計(jì)人員不能聚焦于無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的合理性和設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化上。因此開(kāi)發(fā)鐵路跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成無(wú)縫線(xiàn)路相關(guān)布置計(jì)算和繪制工作是非常有必要的。

AutoCAD的二次開(kāi)發(fā)工具主要有AutoLISP、VisualLISP、VBA、COM外部接口、ObjectARX、ObjectARX.NET等[4]。Python是由Guido van Rossum在二十世紀(jì)八十年代末和九十年代初，在荷蘭國(guó)家數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所設(shè)計(jì)出來(lái)。Python 是一個(gè)解釋型的、面向?qū)ο蟮?、帶有?dòng)態(tài)語(yǔ)義的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[5]。Python目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)值分析、人工智能、網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)、Web開(kāi)發(fā)、GUI開(kāi)發(fā)以及自動(dòng)化運(yùn)維等領(lǐng)域[6]。Python是一款開(kāi)源軟件，全世界眾多軟件愛(ài)好者基于它開(kāi)發(fā)了數(shù)量龐大的開(kāi)源模塊。

Anaconda是一個(gè)開(kāi)源的Python發(fā)行版本，其包含了conda、Python等180多個(gè)科學(xué)包及其依賴(lài)項(xiàng)。本程序基于Spyder集成開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Python語(yǔ)言對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，分別以車(chē)站和區(qū)間為研究對(duì)象，以站場(chǎng)平面圖、站場(chǎng)道岔相關(guān)表格、線(xiàn)路平面、線(xiàn)路縱斷面、路橋隧工點(diǎn)表等AutoCAD圖紙和表格數(shù)據(jù)作為輸入，讀取并進(jìn)行分析計(jì)算得到跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的相關(guān)信息，生成相關(guān)的中間檢查成果并按照規(guī)范要求進(jìn)行無(wú)縫線(xiàn)路布置圖的繪制。

1 需求分析

為滿(mǎn)足無(wú)縫線(xiàn)路施工的要求，無(wú)縫線(xiàn)路軌條布置圖宜成卷繪制，其中應(yīng)包含鋼軌焊接接頭、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、軌縫、道岔和膠結(jié)絕緣接頭等圖例，線(xiàn)條兩側(cè)應(yīng)繪制位移觀(guān)測(cè)樁圖例，位移觀(guān)測(cè)樁應(yīng)標(biāo)注百米標(biāo)。在軌條上下方標(biāo)注單元軌節(jié)編號(hào)、長(zhǎng)度和鎖定軌溫。道岔區(qū)、緩沖區(qū)、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器附近因比例過(guò)小無(wú)法表述清楚時(shí)，可在圖中適當(dāng)位置繪制局部放大圖樣。復(fù)雜的車(chē)站咽喉區(qū)，位移觀(guān)測(cè)樁可用列表方式明確位置坐標(biāo)或繪制局部放大圖。軌條布置圖需考慮圖面的清晰和布局的合理。由于車(chē)站處無(wú)縫線(xiàn)路布置較為復(fù)雜，與區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路布置的思路和原理不同，將系統(tǒng)分為兩大部分：車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路布置和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路布置。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.1 總體思路

雙線(xiàn)鐵路按照左、右線(xiàn)分別進(jìn)行跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)。無(wú)縫線(xiàn)路布置圖需要站前工程各個(gè)專(zhuān)業(yè)提供輸入資料，其中包含線(xiàn)路、站場(chǎng)、路基、橋梁、隧道、地質(zhì)等專(zhuān)業(yè)的接口資料[7-8]。各個(gè)專(zhuān)業(yè)提供的數(shù)據(jù)格式不同，均需要進(jìn)行相應(yīng)處理后使用，車(chē)站和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路布置遵循的原則不同，數(shù)據(jù)處理方式也不同，因此車(chē)站和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)均按照數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、繪制圖形這4個(gè)模塊開(kāi)展，并針對(duì)車(chē)站和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)分別依據(jù)其設(shè)計(jì)流程進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)據(jù)輸入

各個(gè)專(zhuān)業(yè)提供的接口資料按照數(shù)據(jù)格式可以分為三類(lèi)：doc格式、xls格式和dwg格式。首先需要對(duì)各個(gè)專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一，如路基、橋梁、隧道的工點(diǎn)表制定統(tǒng)一的表格形式，便于匯總，可用Python相應(yīng)模塊直接讀取表格數(shù)據(jù)。線(xiàn)路專(zhuān)業(yè)斷鏈數(shù)據(jù)和地質(zhì)專(zhuān)業(yè)氣象資料數(shù)據(jù)采用自定義的表格形式由設(shè)計(jì)人員從互提資料中讀取和輸入。站場(chǎng)專(zhuān)業(yè)提供的一般為站場(chǎng)平面圖，包含道岔表和道岔坐標(biāo)表，格式為dwg。針對(duì)圖紙格式的資料，可以采用直接讀取AutoCAD圖紙中的數(shù)據(jù)或者人工讀取后按照一定格式輸入兩種方式。為了方便用戶(hù)使用，本程序同時(shí)支持這兩種輸入方式。通過(guò)Python鏈接圖形并讀取數(shù)據(jù)生成圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，將其寫(xiě)入Excel中[9]。讀取數(shù)據(jù)庫(kù)后，按照?qǐng)D元的類(lèi)型和坐標(biāo)屬性將需要的圖形數(shù)據(jù)提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)分析處理后得到最終的道岔或車(chē)擋屬性信息，將這些屬性信息保存至固定格式的Excel中，以供后續(xù)使用。

2.3 數(shù)據(jù)處理與輸出

在車(chē)站和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)中，無(wú)縫線(xiàn)路單元軌節(jié)接頭和位移觀(guān)測(cè)樁的坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算是最重要的內(nèi)容。根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，區(qū)間及車(chē)站的長(zhǎng)軌條布置原則如下。

(1)單元軌節(jié)的布置，應(yīng)考慮線(xiàn)路條件、工點(diǎn)情況、施工工藝及養(yǎng)護(hù)維修等因素綜合研究確定。區(qū)間單元軌節(jié)長(zhǎng)度宜為1 000～2 000 m，最短不應(yīng)小于200 m。

(2)無(wú)縫道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及其前后線(xiàn)路、長(zhǎng)大橋梁及兩端線(xiàn)路護(hù)軌梭頭范圍之內(nèi)、長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m的隧道以及小半徑曲線(xiàn)地段等地段宜單獨(dú)設(shè)計(jì)為一個(gè)或多個(gè)單元軌節(jié)。

(3)工地焊接接頭不應(yīng)設(shè)置在不同軌道結(jié)構(gòu)過(guò)渡段以及不同線(xiàn)下基礎(chǔ)過(guò)渡段范圍內(nèi)，并距離橋臺(tái)邊墻和橋墩不應(yīng)小于2 m。

區(qū)間及車(chē)站的無(wú)縫線(xiàn)路位移觀(guān)測(cè)樁布設(shè)原則如下。

(1)跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路、區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路按單元軌節(jié)等距離設(shè)置位移觀(guān)測(cè)樁，且樁間距離不宜大于500 m。

(2)跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路、區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路距長(zhǎng)軌條起、終點(diǎn)100 m處，應(yīng)分別設(shè)置1組位移觀(guān)測(cè)樁。

(3)無(wú)縫道岔宜在道岔始端和終端、尖軌跟端(或限位器處)分別設(shè)置1組鋼軌位移觀(guān)測(cè)樁，18號(hào)及以上的道岔宜在心軌處加設(shè)1組位移觀(guān)測(cè)樁。

在車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)中，車(chē)站內(nèi)道岔的岔心坐標(biāo)由站場(chǎng)專(zhuān)業(yè)提供。由于單元軌節(jié)布置需要確定道岔的始端和終端位置，因此需要結(jié)合道岔的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，道岔的參數(shù)包含前長(zhǎng)、后長(zhǎng)、尖軌跟端至岔心的距離、心軌至岔心的距離以及轍叉角[10]，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)——道岔參數(shù)表中。結(jié)合道岔相對(duì)于車(chē)站中心的位置及道岔的方向，推算出道岔的關(guān)鍵坐標(biāo)及道岔的焊接接頭位置，并將幾組道岔及其中間的線(xiàn)路組合作為一個(gè)單元軌節(jié)[11]。根據(jù)道岔相關(guān)坐標(biāo)及車(chē)站內(nèi)無(wú)縫線(xiàn)路布置的原則進(jìn)行計(jì)算分析，得到最終的無(wú)縫線(xiàn)路軌條布置數(shù)據(jù)。

跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路單元軌節(jié)接頭的數(shù)據(jù)計(jì)算，需要考慮線(xiàn)路外業(yè)及內(nèi)業(yè)長(zhǎng)短鏈的影響[12]，在里程范圍(a，b)內(nèi)總斷鏈δl按公式(1)計(jì)算

δl=∑δlw+∑δln

(1)

式中 ∑δlw——外業(yè)斷鏈值之和；

∑δln——內(nèi)業(yè)斷鏈值之和。

車(chē)站和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理完成后均保存至Excel文件中，為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)核查和圖形繪制做準(zhǔn)備。

2.4 繪制圖形

通過(guò)Python鏈接AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，并讀取前序步驟生成的跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，調(diào)用通用的無(wú)縫線(xiàn)路圖例圖塊，依次繪制位移觀(guān)測(cè)樁、單元軌節(jié)接頭以及道岔焊接接頭等信息，并進(jìn)行圖面清理。

3 程序詳細(xì)設(shè)計(jì)

鐵路跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)原則和復(fù)雜程度的不同劃分為車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)兩部分，這兩個(gè)部分既有區(qū)別又互相聯(lián)系。一般情況下車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)確定了區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的起終點(diǎn)。下面針對(duì)車(chē)站和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分別進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

鑒于鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)需要涉及的數(shù)據(jù)類(lèi)型較多，按照數(shù)據(jù)的用途分為初始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)3類(lèi)。在初始數(shù)據(jù)中，包含無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和其他專(zhuān)業(yè)提供的數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)如道岔參數(shù)表[13-14]、全線(xiàn)設(shè)計(jì)鎖定軌溫表[15-16]等。不同專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)格式有所不同，如線(xiàn)路斷鏈表、橋梁工點(diǎn)表等，但是不同專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)也有共通之處，如橋梁、隧道工點(diǎn)表的數(shù)據(jù)格式可以統(tǒng)一為一種格式。將初始數(shù)據(jù)按照格式進(jìn)行統(tǒng)一、固定。中間數(shù)據(jù)作為程序處理初始數(shù)據(jù)或者讀入圖紙型數(shù)據(jù)得到的結(jié)果保存，如讀取站場(chǎng)平面圖中所有圖元信息形成的元數(shù)據(jù)文件以及處理形成的道岔信息表，方便用戶(hù)核查數(shù)據(jù)的正確性。結(jié)果數(shù)據(jù)指車(chē)站和區(qū)間范圍內(nèi)無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的成果性數(shù)據(jù)，如車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路布置信息以及為區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路提供接口的車(chē)站單元軌節(jié)起訖點(diǎn)表。

鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)中車(chē)站和區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)涉及到的各種數(shù)據(jù)文件分別如表1和表2所示。以橋梁工點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，其存儲(chǔ)格式如表3所示。

表1 車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件

表2 區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件

表3 橋梁工點(diǎn)表數(shù)據(jù)格式

3.2 模塊劃分

鐵路跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件的主要功能模塊劃分如表4所示。

表4 主要程序模塊

3.3 程序處理流程

為了方便用戶(hù)使用，程序采用了界面化輸入和表格輸入兩種方式作為數(shù)據(jù)輸入方式，數(shù)據(jù)的處理和輸出則采用提示對(duì)話(huà)框、xls格式文件及dwg格式圖形等方式展示。圖形界面采用Tkinter模塊開(kāi)發(fā)[17-18]。

鐵路無(wú)縫線(xiàn)路布置圖作為無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的最終成果，需要包含鋼軌焊接接頭、軌縫、道岔、位移觀(guān)測(cè)樁及其百米標(biāo)，這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在程序中均采用數(shù)組的形式存儲(chǔ)，并按照無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)原則進(jìn)行計(jì)算分析[19-20]。繪制完成的無(wú)縫線(xiàn)路布置圖(局部)及單元軌節(jié)表示意如圖1和圖2所示。

圖1 車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路布置示意(局部)

圖2 車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路布置表示意

無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)首先準(zhǔn)備車(chē)站站場(chǎng)布置圖及各類(lèi)項(xiàng)目輸入數(shù)據(jù)。無(wú)縫線(xiàn)路布置圖的繪制程序流程如圖3、圖4所示。

圖3 車(chē)站無(wú)縫線(xiàn)路繪制流程

圖4 區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路繪制流程

4 結(jié)論

基于Python語(yǔ)言針對(duì)AutoCAD、Excel等軟件開(kāi)發(fā)的鐵路跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件，能夠分析處理線(xiàn)路、站場(chǎng)、路基、橋梁、隧道等多專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)，并繪制符合鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫線(xiàn)路布置圖。相較于國(guó)內(nèi)其他無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)軟件，可實(shí)現(xiàn)普速及高速鐵路中復(fù)雜車(chē)站及區(qū)間內(nèi)不同線(xiàn)下基礎(chǔ)類(lèi)型的跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)成果保存為xls、dwg等常用格式文件，便于設(shè)計(jì)人員校核及修改。

本程序已經(jīng)在西安至延安高鐵、西安至法門(mén)寺城際鐵路以及西安站改等鐵路項(xiàng)目中應(yīng)用，得到了實(shí)際工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)，大大提高了鐵路軌道無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)的正確性和高效性，取得了良好的效果。