铁路站场排水设施数字化关联设计方法研究

魏方华



铁路站场排水设施数字化关联设计方法研究

魏方华

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

铁路站场排水设计成果需要从平面、纵面与横断面3个不同的维度进行表达，排水设计是否合理，取决于排水设备在平纵横三者之间能否协调统一。因此，排水设备的设计过程往往需要反复调整平面、纵面与横断面，过程繁琐。基于此，在铁路站场数字化设计系统排水设计中提出分区与最小影响域的概念，将水沟作为站场分区设备，通过数字化设计系统中建立的设备间联动设计语义模型与更新算法，检索水沟变动时的最小影响域，对最小影响域内的设备实时联动更新，并实现设计数据在平面和横断面之间的双向联动及排水设备的快速更新。开发的软件原型系统，已在站场设计实例应用中得到验证。

铁路站场；排水设施；分区；最小影响域；语义模型；更新算法；数字化关联设计

排水设备是铁路站场的重要设备[1]，常用的排水设备按照设置位置可分为线间排水槽、场坪排水槽、公路排水槽、路堤坡脚处排水沟、路堑侧沟和堑顶天沟等类型。传统的站场排水设计，一般是先在平面上设计排水沟槽类型、位置和排水纵坡等数据，然后在横断面中绘制出对应的排水设备，这个过程，往往需要反复调整[2]，比如通过平面与横断面的对比，发现排水设计并不合理，这时就需要在平面上调整排水平面与纵坡，然后再修改对应横断面，或者直接在横断面上逐个修改排水及其与之相关的横断面要素，再在平面上修改对应排水设备。由此可见平纵横作为反映排水设施的3个维度，本身是紧密关联的。同时，排水设施与其他相关设备还存在紧密的空间约束关系，如常依据股道、道路、房屋和围墙等相关设备确定线间或场坪排水槽的中心位置，根据股道、道路或场坪等相关基准设备高程结合路面横坡推算排水槽顶面高程；反之，排水沟槽的平面位置也会影响路面排水横坡的设置，并进一步影响其他设备的路面高程和横断面填料标准的选用；此外，坡脚排水沟、路堑侧沟以及天沟还会直接影响站场两侧用地范围。可见，排水设备与其他相关设备的关联约束是站场排水设计的重要特征，同时这种关联约束关系不是静态恒定的，而是在设计过程中，随着排水及其相关设备变化而变化的，比如排水沟槽的增减、排水纵坡的变化、几何形位的改变等。综上所述，排水设备与其他相关设备的复杂关联约束关系是站场排水设计的重要特征：通过排水平面与排水纵坡的设计数据，驱动对应横断面受影响区域的快速更新，或者通过在横断面上直接对某条水沟进行的编辑修改，自动更新横断面受影响关联区域以及平面上对应的水沟。实现的难点在于：一是如何根据设备间关联约束关系确定排水所影响的最小区域，在进行平纵横，特别是横断面更新时，尽可能保留不受影响区域的设计成果；二是在横断面上进行排水设计(水沟的增加与删除、位置的移动、纵坡的调整等)，如何将设计成果反向驱动至平面。目前多家科研单位已认识到铁路站场一体化联动设计的重要性，并据此开展了相关研究，孔国梁等[3]重点分析排水的平纵协同设计，但未提及横断面对平纵的反向驱动；在铁路站场辅助设计系统的研究中，罗宏伟等[4-5]阐述站场平纵横一体化协同设计的思路，但没有具体分析实现原理与方法。本文基于站场排水设备与其他设备的关联约束关系，结合最小影响域，建立联动模型并通过模型更新算法实现站场排水的双向联动设计，提高站场排水设计效率。

1 分区与最小影响域

1.1 分区划分

站场内有多种设备，如股道、排水、道路、场坪和站台等，根据各设备平面位置、路面横坡、基准设备纵向坡度可推算各设备的路面高程。另外不同类型设备所要求的填料标准也不尽相同，如何最为合理地推算设备路面高程与选用路基填筑标准，而不是整个场区按照一个标准进行填料填筑与高程推算，这就需要用到分区的概念。利用路基面排水槽可将车场划分为多个分区，即将水沟作为分区设备，水沟两侧的其他设备分属于不同的分区，分属不同分区的设备可采用不同的路基填筑标准，路面高程也可通过各自分区内独立的计算基准设备进行推算[6−7]，图1为横断面分区示意图。

图1 横断面分区示意图

图1所示的横断面(车场)中的2条排水槽将横断面(车场)划分成3个分区，排水槽1左侧编号为3的股道位于分区1，排水槽1和2之间编号为Ⅰ和Ⅱ的股道位于分区2，排水槽2右侧编号为4的股道位于分区3。

分区划分及其推算流程示意如图2所示。

图2 分区划分与推算流程示意

1.2 最小影响域

通过分区的论述可知，无论是平面水沟的增加、删除、编辑修改，还是在断面上直接对水沟实体进行相应操作，其影响的范围不仅限于水沟本身，还包括与之关联的分区，甚至影响到远离该排水设备的分区，而受影响分区内受到影响的具体要素或组件也不尽相同，这些影响与变化最终会反映到横断面，特别是对横断面的路面变化形式、填料的选取尤为巨大。如果能够确定对排水设备进行相应操作时，其受影响的分区以及分区内的具体要素或组件，就能更为快速地更新设计数据与图形，并保留不受影响分区的设计成果，将大大提高设计效率。

故排水设计最小影响域的确定内容为：

1) 排水影响的里程范围；

2) 根据排水设计操作类型，确定受影响的 分区；

3) 确定受影响分区内受到影响的要素，具体包括分区内横坡、填料、高程等。

排水设计最小影响域的确定如图3所示。

图3 排水设计最小影响域

Fig. 3 Minimum domain of influence of drainage design

2 联动设计语义模型与更新算法

2.1 语义模型

要实现排水设计时对受影响分区与最小影响域的确定与更新，还需要建立相关模型与算法，在笔者参与研究开发的铁路站场数字化设计系统 中[8−9]，通过超图理论=(,)[10−11]构建了以站场设备为节点，以设备间的时空耦合约束关系为超边的站场设备语义模型，=(1,2, …,v)为节点集，=(1,2, …,e)为边集，其中边e=áv,vñ，以此对设备间的复杂时空耦合约束关系进行准确刻 画[12−14]，并通过更新算法来实现设备的联动式设计。站场整体语义模型框架如图4所示。

语义模型创建流程如图5所示。

2.2 更新算法

排水设备在平、纵、横三者之间应协调统一，平面中的相关排水设备空间位置的更改要能实时传递到横断面进行刷新，同理，在横断面设计过程中，排水设备的变化信息也要实时反馈到平面中。要实现这种排水联动设计就需要使用更新算法对设备语义模型进行维护。

2.2.1 算法思想

模型内设备节点数量众多，当某一节点(排水设备)发生变化时，如果对所有设备的约束都进行重构，将消耗大量时间，因此需要确定节点(排水设备)变化最小影响域，对该影响域内的节点及其关联约束进行更新。

图4 站场语义模型整体框架

图5 站场语义模型创建流程

2.2.2 算法描述

首先对设备节点进行遍历，寻找出与当前排水设备变化节点相关联的分区节点，提取出关联分区节点的相关约束记录集，根据当前节点的变化行为，改变约束记录集中的相应约束，以此类推，直到不再出现相关分区与节点为止[9, 15]。

输入：已有约束关系语义模型(,)，约束记录集，其中每条记录=áv,Vñ。

输出：更新的约束关系语义模型。

1) 增加排水

For allin//遍历约束记录集

{For all(=v, orÎV) //遍历设备节点

{If ! (Î) Add(v) into.; } //如果该节点不在原有节点集合内，将该节点加入到节点集合

If ∃=á v,VñÎAdd(e) into.; //如果边在约束集中不存在，在边约束集中增加一条边

}Return; //返回更新的约束关系语义模型

2) 删除排水

For allin//遍历约束记录集

{For all(=v, orÎV)//遍历设备节点

{If (Î) Delete() out of.; }//如果该节点在原有节点集合内，将该节点从节点集合中删除

If=áv,VñÎDelete() out of.;//如果边在约束集中存在，在边约束集中删除该边

}Return; //返回更新的约束关系语义模型

3) 编辑排水

For allin//遍历约束记录集

{For all(=v, orÎV)//遍历设备节点

{If (Î) Edit();}//如果该节点在原有节点集合内，提取节点进行编辑

}

Return; //返回更新的约束关系语义模型

3 实例应用

基于上述理论与方法，将其应用到铁路站场数字化设计系统中，以蓝田车站为例，选取编号为G8的线间排水槽，其平面设计信息如图6所示。

由图6中的平面图结合属性框可详细查看与编辑编号为G8的线间排水槽。绘制横断面时，根据平面排水信息，程序会如图5中所提到的贯穿G8纵向里程范围的不同桩号断面，构建G8横断面纵向排水对象，该算例G8线间排水槽在横断面设计中贯穿了3个桩号断面。

图6 线间排水槽平面示例

选取G8水沟所在的具体某个桩号横断面，如图7所示。

由图7可知，G8排水槽将横断面(车场)分为2个分区，编号为综1的股道位于分区1，编号为Ⅰ和Ⅱ的股道位于分区2，分区1与分区2采用了不同的路基填料标准，分区1与分区2也各自采用了不同的高程基准设备推算路面高程。

用户可直接对断面上的G8水沟进行编辑修改，如编辑纵坡、调整沟底高程等，本案例以删除断面G8排水对象为例，删除对话框如图8所示。

通过数字化设计系统构建的语义模型与更新算法，程序会查找排水设备的关联分区，并确定最小影响域进行更新。就本案例而言，因G8排水对象被删除，故程序会通过前述算法首先确定受影响的纵向里程范围(DK27+480~DK27+618)，在该范围内对节点进行遍历，寻找出与当前变化节点(G8线间排水槽)相关联的设备节点。通过遍历，程序很快会确定在如图7所示的断面里程处，关联设备节点为股道综1与股道Ⅰ和Ⅱ，它们所在的分区分别为分区1与分区2，程序会进一步提取出关联设备节点的相关约束集(填料标准、填料坡率、路面高程控制基准等)，根据当前设备节点(G8线间排水槽)的变化行为，程序会改变约束记录集中的相应约束，本算例中改变相应约束后，G8水沟的关联分区随着G8水沟的删除合并为1个分区，1个分区采用统一的填料标准与路面高程推算基准设备，因原分区1的设备为“综1”股道，其线路级别低于原分区2的正线股道“Ⅰ和Ⅱ”，故合并分区后将统一采用原分区2的路基填料标准与路面高程推算基准设备。确定修改后，程序会以此类推对G8水沟所覆盖的所有断面重复前述对最小影响域内的受影响设备节点及其关联约束集进行的更新，并同步删除平面上的G8水沟。

图7 G8水沟断面示例

图8 断面排水删除对话框

由更新后的横断面(图9)可知，G8水沟已被删除，同时整个断面采用统一的路基填料标准，综1股道的路面高程经重新推算后也进行了更新。

由更新后的平面(图10)可知，平面上的G8水沟也已被同步删除。

图9 更新断面

图10 更新平面

4 结论

1) 根据铁路站场排水设计的特点，在铁路站场数字化设计系统中引入分区与最小影响域的概念，将水沟作为站场分区设备，围绕排水设计对分区的影响划分最小影响域。

2) 根据设备间的关联约束关系，在铁路站场数字化设计系统中建立基于超图理论的站场设备平面—纵断面—横断面的语义模型及其更新算法，实现排水设计时对关联分区与最小影响域的动态维护以及平纵横的双向联动设计。

3) 铁路站场平纵横排水双向联动设计以及只针对关联分区与最小影响域的自动刷新，能有效避免用户重复低效的设计工作，大大提高设计效率。

4) 排水联动设计思路可拓展应用于铁路站场设计时空耦合约束关系复杂的其他设备的设计过程中。

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(编辑 阳丽霞)

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

国家自然科学基金资助项目(51608543，51778640)；中铁第一勘察设计院集团有限公司科研资助项目(院软14-01)

魏方华(1979−)，男，四川达州人，高级工程师，从事铁路站场设计研究；E−mail：88197783@qq.com