計算機軟件在鐵路選線設計中的應用

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摘要:基于在虛擬的立體地理環(huán)境中進行鐵路選線設計的目標，構(gòu)建一個以立體地理環(huán)境為基礎的鐵路選線設計系統(tǒng)。結(jié)合信息技術、數(shù)字技術、遙感技術、虛擬技術和衛(wèi)星技術等，創(chuàng)建一個相對真實的鐵路地理環(huán)境;采取BIM技術，建立鐵路基本構(gòu)造元數(shù)據(jù)庫;利用數(shù)據(jù)庫中的基本元構(gòu)件，建造鐵路選線立體模型，并且能不斷檢查和維護。實現(xiàn)鐵路選線設計的三維立體化。鐵路選線系統(tǒng)可讓線路設計師在虛擬環(huán)境中進行線路考察和分析，快速建造鐵路選線立體模型，該模型具有直觀性、靈活性等特點，符合地理環(huán)境選線、重大鐵路工程優(yōu)先選線、跨國鐵路選線等的標準。

關鍵詞:虛擬;立體地理環(huán)境;鐵路選線;模型;設計

0前言

關于鐵路選線設計，其綜合性較強、涉及多個專業(yè)。在具體線路設計過程中，線路設計師要有效運用其專業(yè)知識和技能，深入分析地質(zhì)、地形等地理環(huán)境，從而設計出符合社會進步、經(jīng)濟發(fā)展等需求的最優(yōu)化鐵路線路。鐵路線路的設計受設計師對地理環(huán)境的分析結(jié)果影響顯著，因此和其他類型的工程設計相比，其對地理環(huán)境的依賴性更明顯［1－2］。虛擬地理環(huán)境，可以定義為是以化身人、化身人群、化身人類為主體的一個虛擬共享空間與環(huán)境。其中的化身人、化身人群、化身人類是表示現(xiàn)實世界中的人與虛擬世界中的化身相結(jié)合后的集合體。化身是用戶在虛擬世界中的三維圖形表達，是一種身份表達。通常來講，虛擬地理環(huán)境是由地理環(huán)境建模應用程序、硬件和人三者構(gòu)成的。在這種虛擬地理環(huán)境中，人可在計算機虛擬形成的立體地理環(huán)境中自由行走和探索，同時感受虛擬地理環(huán)境，和其中的物體產(chǎn)生交互作用［3］。基于加強鐵路線路設計效率的目標，自1950年來，鐵路行業(yè)的有關專家和學者著重于對以虛擬地理環(huán)境為基礎的計算機輔助鐵路線路設計體系的研究。至今為止，鐵路選線設計體系的發(fā)展通過50年的不懈努力，由傳統(tǒng)的封閉式專用軟件變?yōu)橐蕴摂M立體地理環(huán)境為基礎的數(shù)字化鐵路線路設計系統(tǒng)，實現(xiàn)了線路設計軟件的通用化［4－5］。

1地理環(huán)境虛擬建模平臺

至今為止，虛擬地理環(huán)境有兩個發(fā)展趨勢:第一，以虛擬技術為基礎的進入式虛擬地理空間;第二，以網(wǎng)絡技術為基礎的非進入式虛擬地理空間［6］。其中，進入式虛擬地理空間是設計人員也被看作虛擬空間的構(gòu)成，可和空間內(nèi)的物體產(chǎn)生交互，讓設計人員感受猶如進入現(xiàn)實地理環(huán)境中，參與者通常需要佩戴立體頭盔、立體眼鏡、虛擬衣服等［7］。一般而言，進入式虛擬空間還可劃分成完全進入式虛擬地理空間和半進入式虛擬地理空間兩種。完全進入式虛擬地理空間需要線路設計人員佩戴立體頭盔，徹底將設計人員和現(xiàn)實環(huán)境相隔離，在設計人員頭部移動或轉(zhuǎn)動時，三維立體鏡像會實時更新。半進入式虛擬地理空間包括屏幕投影、虛擬平臺等形式。結(jié)合數(shù)字化鐵路選線設計要求，鐵路虛擬地理空間建模平臺的構(gòu)成有硬件設備、地形地勢數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)、虛擬視景模型、工程數(shù)據(jù)庫等，虛擬地理空間建模平臺系統(tǒng)是由專業(yè)軟件、硬件設備和自開發(fā)的地理空間建模應用程序集成而成［8－9］。鐵路線路設計系統(tǒng)的計算機硬件系統(tǒng)是集成了虛擬技術、交互設計和高效計算能力的一個系統(tǒng)，其基礎構(gòu)成有計算機、專業(yè)設備、地形地勢收集設備和三維可視化設備等,

2鐵路三維立體選線設計

2.1總體架構(gòu)和功能需求一般而言，數(shù)字化鐵路線路設計系統(tǒng)的構(gòu)成有線路數(shù)據(jù)庫、立體地理空間建模、鐵路線路設計和空間視景仿真四種，該系統(tǒng)通過菜單欄或菜單選項等為用戶提供各項功能，具體有工程管理、空間建模、線路設計、方案選擇、視圖、地形地勢管理、初始設置、窗口管理、幫助等菜單功能［10］。鐵路線路設計系統(tǒng)的功能需求有數(shù)據(jù)庫管理、地理空間建模、方案設計和選擇、線路設計和優(yōu)化、線路方案對比和選擇等［11］。2.2基本中心線確定在鐵路線路設計初期，要先設置基礎信息，點擊菜單欄的“基礎信息設置”選項，跳出“線路設計基本信息設置”的對話框，比如線路設計方案名為QJ1、里程單位是m、起始位置里程數(shù)為0m、間距為5m、路寬為13m等。鐵路線路設計系統(tǒng)可通過界面交互或控制點移動等方式來確定選線的方形，還可通過導入現(xiàn)有資料或交點選定來設計鐵路線路。在線路確定之后，可在立體環(huán)境中通過不同顏色來表示橋梁、隧道、路基等。通常情況下，可在三維可視界面、平面界面、縱界面中進行協(xié)同設計，比如可在三維可視界面將交點移動到新位置［12－14］。2.3根據(jù)構(gòu)造物類型和位置進行三維立體線路設計在鐵路線路基本中心線確定之后，可運行菜單欄實體選線功能，對線路上有關構(gòu)造物(比如橋梁、路堤、隧道等)進行選型和位置確定，再點擊構(gòu)造物建模菜單項，建立實時構(gòu)造物BIM模型，同時在三維可視界面中展開構(gòu)造物方案的設計和優(yōu)化。一般情況下，在三維可視界面中，可點擊鼠標來選中鐵路線路構(gòu)造物模型，比如隧道、橋梁、路基等，同時進行詳細分析和深入優(yōu)化。

3結(jié)語

目前，國內(nèi)鐵路運輸行業(yè)正處于快速發(fā)展時期，其線路設計關系到鐵路建設的全局性工作，而計算機技術的應用對鐵路線路設計的優(yōu)化有重要作用。本研究涉及的數(shù)字化鐵路線路設計系統(tǒng)是基于C/C++語言和大型關系數(shù)據(jù)庫管理構(gòu)建的，可虛擬出較大空間的現(xiàn)實地理環(huán)境，構(gòu)建虛擬的三維地理環(huán)境模型，便于線路設計人員在室內(nèi)完成鐵路地理環(huán)境現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和分析。該系統(tǒng)可通過三個可視界面協(xié)調(diào)工作，提高鐵路線路設計效率和質(zhì)量。通過實時的三維線路建模，可調(diào)出數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)造物元模型，建立線路方案立體模型，在虛擬立體空間中，線路設計人員可檢查、更新數(shù)據(jù)，通過對各類型結(jié)構(gòu)模型的對比，選出最優(yōu)的鐵路線路設計方案。綜上所述，基于計算機軟件的鐵路線路設計系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)等高線平面線路設計方式的缺陷，通過系統(tǒng)具備的線路方案仿真分析和判斷功能，能有效提升鐵路線路設計和地理環(huán)境的契合度，降低地理環(huán)境對鐵路線路的影響。至今為止，該系統(tǒng)已被廣泛運用于中鐵的多項鐵路工程建設中，對線路設計的效果和建造效率有顯著提升。

參考文獻

［1］陳德論．對山區(qū)鐵路地質(zhì)選線的深入研究［J］．中國新技術新產(chǎn)品，2012(03)．

［2］王偉冰，張東梅，李玉菊，高偉．CAD實驗教學體系的探索與實踐［J］．實驗室科學，2012(04)

作者:宋尊堯 單位:蘭州鐵道設計院有限公司