铁路跨区间无缝线路自动设计软件研究

张高扬

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

跨区间无缝线路铁路具有行车平稳，机车车辆及轨道结构的维修费用低，线路使用寿命长等优点[1]。无缝线路被公认为20世纪轨道结构最突出的改进和创新[2]。我国自1957年铺设无缝线路以来，无缝线路设计、施工、养护维修和管理均取得了长足发展[3]。目前正线允许速度160 km/h及以上线路均应铺设跨区间无缝线路，正线允许速度160 km/h以下线路宜铺设跨区间无缝线路。铁路无缝线路布置图是轨道工程设计的重要内容，也是无缝线路施工的指导性文件，图中包含了无缝线路的大量信息。目前铁路设计中主要是手工绘制无缝线路布置图和单元轨节布置表，首先需要进行大量繁琐的重复性计算，还需要将计算成果手工绘制出来，这两个环节都需要耗费大量时间。此外，各个计算环节和绘制环节均容易出现错误，导致无缝线路设计效率较低，设计人员不能聚焦于无缝线路设计的合理性和设计方案的优化上。因此开发铁路跨区间无缝线路自动设计软件来完成无缝线路相关布置计算和绘制工作是非常有必要的。

AutoCAD的二次开发工具主要有AutoLISP、VisualLISP、VBA、COM外部接口、ObjectARX、ObjectARX.NET等[4]。Python是由Guido van Rossum在二十世纪八十年代末和九十年代初，在荷兰国家数学和计算机科学研究所设计出来。Python 是一个解释型的、面向对象的、带有动态语义的高级程序设计语言[5]。Python目前已经广泛应用于数值分析、人工智能、网络爬虫、Web开发、GUI开发以及自动化运维等领域[6]。Python是一款开源软件，全世界众多软件爱好者基于它开发了数量庞大的开源模块。

Anaconda是一个开源的Python发行版本，其包含了conda、Python等180多个科学包及其依赖项。本程序基于Spyder集成开发环境采用Python语言对AutoCAD进行二次开发，分别以车站和区间为研究对象，以站场平面图、站场道岔相关表格、线路平面、线路纵断面、路桥隧工点表等AutoCAD图纸和表格数据作为输入，读取并进行分析计算得到跨区间无缝线路设计的相关信息，生成相关的中间检查成果并按照规范要求进行无缝线路布置图的绘制。

1 需求分析

为满足无缝线路施工的要求，无缝线路轨条布置图宜成卷绘制，其中应包含钢轨焊接接头、钢轨伸缩调节器、轨缝、道岔和胶结绝缘接头等图例，线条两侧应绘制位移观测桩图例，位移观测桩应标注百米标。在轨条上下方标注单元轨节编号、长度和锁定轨温。道岔区、缓冲区、钢轨伸缩调节器附近因比例过小无法表述清楚时，可在图中适当位置绘制局部放大图样。复杂的车站咽喉区，位移观测桩可用列表方式明确位置坐标或绘制局部放大图。轨条布置图需考虑图面的清晰和布局的合理。由于车站处无缝线路布置较为复杂，与区间无缝线路布置的思路和原理不同，将系统分为两大部分：车站无缝线路布置和区间无缝线路布置。

2 系统设计思路

2.1 总体思路

双线铁路按照左、右线分别进行跨区间无缝线路设计。无缝线路布置图需要站前工程各个专业提供输入资料，其中包含线路、站场、路基、桥梁、隧道、地质等专业的接口资料[7-8]。各个专业提供的数据格式不同，均需要进行相应处理后使用，车站和区间无缝线路布置遵循的原则不同，数据处理方式也不同，因此车站和区间无缝线路设计均按照数据输入、数据处理、数据输出、绘制图形这4个模块开展，并针对车站和区间无缝线路设计分别依据其设计流程进行界面设计。

2.2 数据输入

各个专业提供的接口资料按照数据格式可以分为三类：doc格式、xls格式和dwg格式。首先需要对各个专业的数据格式进行统一，如路基、桥梁、隧道的工点表制定统一的表格形式，便于汇总，可用Python相应模块直接读取表格数据。线路专业断链数据和地质专业气象资料数据采用自定义的表格形式由设计人员从互提资料中读取和输入。站场专业提供的一般为站场平面图，包含道岔表和道岔坐标表，格式为dwg。针对图纸格式的资料，可以采用直接读取AutoCAD图纸中的数据或者人工读取后按照一定格式输入两种方式。为了方便用户使用，本程序同时支持这两种输入方式。通过Python链接图形并读取数据生成图形数据库，将其写入Excel中[9]。读取数据库后，按照图元的类型和坐标属性将需要的图形数据提取出来，经过分析处理后得到最终的道岔或车挡属性信息，将这些属性信息保存至固定格式的Excel中，以供后续使用。

2.3 数据处理与输出

在车站和区间无缝线路设计中，无缝线路单元轨节接头和位移观测桩的坐标数据计算是最重要的内容。根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》的要求，区间及车站的长轨条布置原则如下。

(1)单元轨节的布置，应考虑线路条件、工点情况、施工工艺及养护维修等因素综合研究确定。区间单元轨节长度宜为1 000～2 000 m，最短不应小于200 m。

(2)无缝道岔、钢轨伸缩调节器及其前后线路、长大桥梁及两端线路护轨梭头范围之内、长度超过1 000 m的隧道以及小半径曲线地段等地段宜单独设计为一个或多个单元轨节。

(3)工地焊接接头不应设置在不同轨道结构过渡段以及不同线下基础过渡段范围内，并距离桥台边墙和桥墩不应小于2 m。

区间及车站的无缝线路位移观测桩布设原则如下。

(1)跨区间无缝线路、区间无缝线路按单元轨节等距离设置位移观测桩，且桩间距离不宜大于500 m。

(2)跨区间无缝线路、区间无缝线路距长轨条起、终点100 m处，应分别设置1组位移观测桩。

(3)无缝道岔宜在道岔始端和终端、尖轨跟端(或限位器处)分别设置1组钢轨位移观测桩，18号及以上的道岔宜在心轨处加设1组位移观测桩。

在车站无缝线路设计中，车站内道岔的岔心坐标由站场专业提供。由于单元轨节布置需要确定道岔的始端和终端位置，因此需要结合道岔的参数进行计算分析，道岔的参数包含前长、后长、尖轨跟端至岔心的距离、心轨至岔心的距离以及辙叉角[10]，这些数据存储在基础数据库——道岔参数表中。结合道岔相对于车站中心的位置及道岔的方向，推算出道岔的关键坐标及道岔的焊接接头位置，并将几组道岔及其中间的线路组合作为一个单元轨节[11]。根据道岔相关坐标及车站内无缝线路布置的原则进行计算分析，得到最终的无缝线路轨条布置数据。

跨区间无缝线路单元轨节接头的数据计算，需要考虑线路外业及内业长短链的影响[12]，在里程范围(a，b)内总断链δl按公式(1)计算

δl=∑δlw+∑δln

(1)

式中 ∑δlw——外业断链值之和；

∑δln——内业断链值之和。

车站和区间无缝线路设计数据处理完成后均保存至Excel文件中，为设计数据核查和图形绘制做准备。

2.4 绘制图形

通过Python链接AutoCAD图形数据库，并读取前序步骤生成的跨区间无缝线路设计数据，调用通用的无缝线路图例图块，依次绘制位移观测桩、单元轨节接头以及道岔焊接接头等信息，并进行图面清理。

3 程序详细设计

铁路跨区间无缝线路设计按照设计原则和复杂程度的不同划分为车站无缝线路设计和区间无缝线路设计两部分，这两个部分既有区别又互相联系。一般情况下车站无缝线路设计确定了区间无缝线路设计的起终点。下面针对车站和区间无缝线路设计的特点分别进行详细设计。

3.1 数据存储

鉴于铁路无缝线路设计需要涉及的数据类型较多，按照数据的用途分为初始数据、中间数据和结果数据3类。在初始数据中，包含无缝线路设计基础数据库和其他专业提供的数据。基础数据如道岔参数表[13-14]、全线设计锁定轨温表[15-16]等。不同专业的数据格式有所不同，如线路断链表、桥梁工点表等，但是不同专业的数据也有共通之处，如桥梁、隧道工点表的数据格式可以统一为一种格式。将初始数据按照格式进行统一、固定。中间数据作为程序处理初始数据或者读入图纸型数据得到的结果保存，如读取站场平面图中所有图元信息形成的元数据文件以及处理形成的道岔信息表，方便用户核查数据的正确性。结果数据指车站和区间范围内无缝线路设计的成果性数据，如车站无缝线路布置信息以及为区间无缝线路提供接口的车站单元轨节起讫点表。

铁路无缝线路设计中车站和区间无缝线路设计涉及到的各种数据文件分别如表1和表2所示。以桥梁工点数据为例，其存储格式如表3所示。

表1 车站无缝线路设计数据文件

表2 区间无缝线路设计数据文件

表3 桥梁工点表数据格式

3.2 模块划分

铁路跨区间无缝线路自动设计软件的主要功能模块划分如表4所示。

表4 主要程序模块

3.3 程序处理流程

为了方便用户使用，程序采用了界面化输入和表格输入两种方式作为数据输入方式，数据的处理和输出则采用提示对话框、xls格式文件及dwg格式图形等方式展示。图形界面采用Tkinter模块开发[17-18]。

铁路无缝线路布置图作为无缝线路设计的最终成果，需要包含钢轨焊接接头、轨缝、道岔、位移观测桩及其百米标，这些设计数据在程序中均采用数组的形式存储，并按照无缝线路设计原则进行计算分析[19-20]。绘制完成的无缝线路布置图(局部)及单元轨节表示意如图1和图2所示。

图1 车站无缝线路布置示意(局部)

图2 车站无缝线路布置表示意

无缝线路设计时首先准备车站站场布置图及各类项目输入数据。无缝线路布置图的绘制程序流程如图3、图4所示。

图3 车站无缝线路绘制流程

图4 区间无缝线路绘制流程

4 结论

基于Python语言针对AutoCAD、Excel等软件开发的铁路跨区间无缝线路自动设计软件，能够分析处理线路、站场、路基、桥梁、隧道等多专业数据，并绘制符合铁路相关标准的无缝线路布置图。相较于国内其他无缝线路设计软件，可实现普速及高速铁路中复杂车站及区间内不同线下基础类型的跨区间无缝线路设计，并将设计成果保存为xls、dwg等常用格式文件，便于设计人员校核及修改。

本程序已经在西安至延安高铁、西安至法门寺城际铁路以及西安站改等铁路项目中应用，得到了实际工程项目的检验，大大提高了铁路轨道无缝线路设计的正确性和高效性，取得了良好的效果。