地鐵綜合鋪軌軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韋合導(dǎo)，劉慧芳

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究處，武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063）

地鐵鋪軌是地鐵建設(shè)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，由于鋼軌與地鐵列車車輪直接接觸，其鋪設(shè)精度以及鋪設(shè)質(zhì)量直接影響到日后線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量，甚至直接關(guān)系著地鐵列車的運(yùn)營安全。

目前，國內(nèi)地鐵繪圖多由設(shè)計(jì)人員進(jìn)行手動(dòng)繪制。由于鋪軌環(huán)節(jié)專業(yè)接口復(fù)雜，反應(yīng)的信息繁多等問題，手動(dòng)繪制不僅耗時(shí)耗力，而且容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)的差、錯(cuò)、漏、碰，影響地鐵鋪軌的建設(shè)進(jìn)度和精度。

國內(nèi)現(xiàn)有的地鐵鋪軌軟件編制時(shí)間距今已達(dá)10年，在數(shù)據(jù)輸入、結(jié)果文件輸出等方面與現(xiàn)在的設(shè)計(jì)習(xí)慣和流程存在沖突，并且不能處理很多特殊情況（比如長(zhǎng)鏈比較長(zhǎng)的地段），也沒有建立起一套完整的數(shù)據(jù)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)下主流的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和AutoCAD 版本兼容性有所欠缺，很多方面已經(jīng)跟不上日新月異的地鐵建設(shè)技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)的地鐵綜合鋪軌軟件以新的地鐵設(shè)計(jì)技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，將線路平縱斷面數(shù)據(jù)作為輸入文件導(dǎo)入，通過人機(jī)交互方式，根據(jù)道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器等情況，計(jì)算軌條長(zhǎng)度并進(jìn)行檢驗(yàn)、校核后自動(dòng)繪圖。在圖中不僅反應(yīng)線路、軌道專業(yè)的相關(guān)信息，而且還將其它專業(yè)預(yù)埋管線的布置信息嵌入，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)接口的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)地鐵無砟軌道鋪軌設(shè)計(jì)的數(shù)字化和可視化，并且軟件良好適應(yīng)Win10 及以下各版本的操作系統(tǒng)。

1 地鐵鋪軌技術(shù)特點(diǎn)

在地鐵設(shè)計(jì)中，由于各種原因，比如減震、線下基礎(chǔ)變化等原因，使得扣件類型、道床圖號(hào)等繁多，而且地鐵設(shè)計(jì)往往需要在軌道設(shè)計(jì)圖上反應(yīng)很多相關(guān)專業(yè)的信息。因此，設(shè)計(jì)圖需要反應(yīng)線路各個(gè)點(diǎn)的詳細(xì)信息，滿足相關(guān)專業(yè)開展工作，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)精確鋪軌，并提供與相關(guān)專業(yè)詳盡的接口。在圖上反應(yīng)的信息有：平縱斷面、超高、單元軌節(jié)、鋼軌、扣件、道床、道岔、車站和相關(guān)專業(yè)的過軌里程等，要求每6 m 計(jì)算一處（曲線地段為5 m）精確的實(shí)際軌面標(biāo)高[1-2]。在地下線一般要求超高為半超高，在高架線及地面線為全超高[3]。由于相關(guān)圖紙直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的鋪軌，因此每個(gè)點(diǎn)的標(biāo)高、超高等信息要求必須確保無誤。

2 地鐵綜合鋪軌軟件設(shè)計(jì)研發(fā)

地鐵鋪軌既要在其它線下基礎(chǔ)已經(jīng)完工等情況下進(jìn)行，又在后續(xù)工作中與站后存在錯(cuò)綜復(fù)雜的接口關(guān)系。因此地鐵綜合鋪軌軟件既要在上游與線下基礎(chǔ)無縫對(duì)接，又要為下游專業(yè)預(yù)留足夠的接口[4]。軟件采用C/S（Client/Server）架構(gòu)[5]，利用方便查詢、拷貝、導(dǎo)入導(dǎo)出的Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索，通過ObjectARX 工具對(duì)AutoCAD 進(jìn)行二次開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)繪圖過程中的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、校核和自動(dòng)繪制。ObjectARX 是針對(duì)AutoCAD 平臺(tái)上的二次開發(fā)而推出的一個(gè)開發(fā)軟件包。它提供了面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口，能快速地訪問AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫[6]。

2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程

繪圖過程中，需先輸入線路的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)線路、軌道及其它專業(yè)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行檢驗(yàn)與校核，校核無誤后進(jìn)行圖形繪制。在這一過程中，如果用戶對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改后，與此參數(shù)相關(guān)聯(lián)的其它參數(shù)也要自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)改變，軟件運(yùn)行流程，如圖1 所示。

圖1 軟件運(yùn)行流程

從軟件的運(yùn)行流程圖可以發(fā)現(xiàn)，地鐵綜合鋪軌軟件包含多種類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算過程和結(jié)果數(shù)據(jù)，抽象化后的數(shù)據(jù)層次關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)層次關(guān)系

2.2 軟件架構(gòu)和主要功能

地鐵綜合鋪軌由項(xiàng)目管理、平縱斷面和斷鏈等線路參數(shù)輸入、鋪軌參數(shù)輸入、扣件布置、道岔布置、車站布置、道床布置、預(yù)埋管線布置、配線參數(shù)、鋪軌及管線分段和相關(guān)輔助設(shè)計(jì)工具11個(gè)子模塊組成，如圖3 所示。

圖3 地鐵綜合鋪軌軟件架構(gòu)

根據(jù)地鐵鋪軌的技術(shù)特點(diǎn)，地鐵綜合鋪軌軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）將線路提供的平縱斷面數(shù)據(jù)作為輸入文件導(dǎo)入，并對(duì)軌道幾何可行性進(jìn)行檢查。包括線路平縱斷面數(shù)據(jù)檢查、錯(cuò)誤提示。

（2）通過人機(jī)交互方式，根據(jù)道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器等情況，自動(dòng)計(jì)算軌條長(zhǎng)度，自動(dòng)繪圖，包括平縱斷面和超高點(diǎn)等相關(guān)信息。

（3）通過人機(jī)交互方式，自動(dòng)繪制預(yù)埋管線布置圖，可選擇預(yù)埋管線布置圖嵌入鋪軌圖或者單獨(dú)繪制。

（4）實(shí)現(xiàn)與線路專業(yè)相關(guān)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的無縫對(duì)接。

（5）根據(jù)已有的平縱斷面，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出豎緩重合里程、軌道加強(qiáng)地段表等相關(guān)表格。

2.3 軟件功能算法實(shí)現(xiàn)

2.3.1 項(xiàng)目管理

項(xiàng)目管理包含新建項(xiàng)目、選擇項(xiàng)目2個(gè)功能，主要保存項(xiàng)目數(shù)據(jù)的存放路徑。項(xiàng)目管理流程，如圖4 所示。2.3.2 平縱斷面和斷鏈參數(shù)

地鐵綜合鋪軌軟件在工作前，需先對(duì)線路的平縱斷面和斷鏈等參數(shù)進(jìn)行輸入和處理。平面參數(shù)包括：平面曲線里程、半徑、長(zhǎng)度、編號(hào)、超高值、超高設(shè)置方式、經(jīng)緯距和方位角等。其中，經(jīng)緯距和方位角的作用是對(duì)線路的左偏右偏進(jìn)行校核，線路是否存在反向、碰撞等問題?？v斷面參數(shù)包括里程、長(zhǎng)鏈、高程、豎曲線半徑、切線長(zhǎng)和上升坡度等。參數(shù)輸入后用戶可對(duì)參數(shù)進(jìn)行編輯和存儲(chǔ)。存儲(chǔ)前，軟件自動(dòng)進(jìn)行檢查和勘誤，檢查通過后根據(jù)輸入的里程、曲線半徑、曲線類型、長(zhǎng)短鏈等進(jìn)行經(jīng)緯距和高程計(jì)算，再更新保存，線路參數(shù)流程，如圖5 所示。

圖5 線路參數(shù)管理

經(jīng)緯距、方位角、高程的計(jì)算需要根據(jù)線路類型，分直線、圓曲線、緩和曲線分開計(jì)算。以直線地段軌面高程計(jì)算為例，其計(jì)算公式為：

其中，Si，Hi，Gi分別為第i個(gè)變坡點(diǎn)里程、變坡點(diǎn)高程、設(shè)計(jì)坡度；Rv為變坡點(diǎn)半徑；h為計(jì)算高程。

2.3.3 鋪軌參數(shù)

鋪軌參數(shù)模塊完成鋼軌單元軌節(jié)相關(guān)信息輸入和計(jì)算，包括單元軌節(jié)起終點(diǎn)里程、軌節(jié)名稱及長(zhǎng)度。所需參數(shù)起點(diǎn)里程、長(zhǎng)鏈參數(shù)和軌條名稱。輔軌參數(shù)計(jì)算流程，如圖6 所示。

圖6 鋪軌參數(shù)計(jì)算流程

2.3.4 車站布置

車站布置模塊用于車站中心里程、長(zhǎng)短鏈、車站名稱等參數(shù)的輸入、編輯和存儲(chǔ)。

2.3.5 道岔及調(diào)節(jié)器布置

道岔及調(diào)節(jié)器布置用于完成正線道岔岔心里程、長(zhǎng)短鏈、道岔型號(hào)、開口方向、是否為交叉渡線等參數(shù)的輸入、編輯和存儲(chǔ)。

2.3.6 預(yù)埋管線布置

預(yù)埋管線布置用于完成其他專業(yè)過軌管線參數(shù)的輸入、編輯和存儲(chǔ)，并作為繪制預(yù)埋管線布置圖的參數(shù)依據(jù)[7-9]。所需參數(shù)：管線起點(diǎn)里程、長(zhǎng)短鏈、管線名稱等。計(jì)算和繪制流程，如圖7 所示。

圖7 預(yù)埋管線布置計(jì)算和繪圖流程

2.3.7 配線相關(guān)參數(shù)

配線相關(guān)參數(shù)主要包括配線道岔和配線鋪軌兩部分。其中，配線道岔表用于完成配線道岔岔心里程、道岔型號(hào)、開口方向、是否為交叉渡線等信息的輸入。配線鋪軌表用于完成配線軌條起點(diǎn)里程、重點(diǎn)里程、長(zhǎng)鏈參數(shù)、軌條名稱等參數(shù)輸入。計(jì)算流程可參照正線鋪軌表。

2.4 輸出結(jié)果

當(dāng)上述數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理過程全部完成后，即可在圖紙生成模塊進(jìn)行圖紙自動(dòng)生成[10]。在圖紙輸出過程中，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇圖紙的圖幅、圖名、圖號(hào)、是否同步嵌入過軌管線圖等。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)地鐵軌道鋪設(shè)高精度、高標(biāo)準(zhǔn)的要求，基于C/S 架構(gòu)，利用VC++和ARX 進(jìn)行二次開發(fā)，形成了可靠的、具有良好人機(jī)交互界面的鋪軌繪圖軟件，實(shí)現(xiàn)了與相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的無縫對(duì)接，避免了數(shù)據(jù)輸入過程的人為失誤。該軟件自動(dòng)繪制全超高和半超高地段不同圖幅的正線及配線地鐵鋪軌綜合圖，自動(dòng)繪制預(yù)埋管線布置圖，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)豎緩重合里程等，不僅提升了工作效率，而且通過自動(dòng)預(yù)警超高過多等情況。該軟件已在武漢地鐵、鄭州地鐵、寧天城際等線路中應(yīng)用，應(yīng)用過程中能較好地滿足項(xiàng)目需求，并且良好適應(yīng)當(dāng)下主流的操作系統(tǒng)和AutoCAD 版本，顯著提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。