计算机软件在铁路选线设计中的应用

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摘要:基于在虚拟的立体地理环境中进行铁路选线设计的目标，构建一个以立体地理环境为基础的铁路选线设计系统。结合信息技术、数字技术、遥感技术、虚拟技术和卫星技术等，创建一个相对真实的铁路地理环境;采取BIM技术，建立铁路基本构造元数据库;利用数据库中的基本元构件，建造铁路选线立体模型，并且能不断检查和维护。实现铁路选线设计的三维立体化。铁路选线系统可让线路设计师在虚拟环境中进行线路考察和分析，快速建造铁路选线立体模型，该模型具有直观性、灵活性等特点，符合地理环境选线、重大铁路工程优先选线、跨国铁路选线等的标准。

关键词:虚拟;立体地理环境;铁路选线;模型;设计

0前言

关于铁路选线设计，其综合性较强、涉及多个专业。在具体线路设计过程中，线路设计师要有效运用其专业知识和技能，深入分析地质、地形等地理环境，从而设计出符合社会进步、经济发展等需求的最优化铁路线路。铁路线路的设计受设计师对地理环境的分析结果影响显著，因此和其他类型的工程设计相比，其对地理环境的依赖性更明显［1－2］。虚拟地理环境，可以定义为是以化身人、化身人群、化身人类为主体的一个虚拟共享空间与环境。其中的化身人、化身人群、化身人类是表示现实世界中的人与虚拟世界中的化身相结合后的集合体。化身是用户在虚拟世界中的三维图形表达，是一种身份表达。通常来讲，虚拟地理环境是由地理环境建模应用程序、硬件和人三者构成的。在这种虚拟地理环境中，人可在计算机虚拟形成的立体地理环境中自由行走和探索，同时感受虚拟地理环境，和其中的物体产生交互作用［3］。基于加强铁路线路设计效率的目标，自1950年来，铁路行业的有关专家和学者着重于对以虚拟地理环境为基础的计算机辅助铁路线路设计体系的研究。至今为止，铁路选线设计体系的发展通过50年的不懈努力，由传统的封闭式专用软件变为以虚拟立体地理环境为基础的数字化铁路线路设计系统，实现了线路设计软件的通用化［4－5］。

1地理环境虚拟建模平台

至今为止，虚拟地理环境有两个发展趋势:第一，以虚拟技术为基础的进入式虚拟地理空间;第二，以网络技术为基础的非进入式虚拟地理空间［6］。其中，进入式虚拟地理空间是设计人员也被看作虚拟空间的构成，可和空间内的物体产生交互，让设计人员感受犹如进入现实地理环境中，参与者通常需要佩戴立体头盔、立体眼镜、虚拟衣服等［7］。一般而言，进入式虚拟空间还可划分成完全进入式虚拟地理空间和半进入式虚拟地理空间两种。完全进入式虚拟地理空间需要线路设计人员佩戴立体头盔，彻底将设计人员和现实环境相隔离，在设计人员头部移动或转动时，三维立体镜像会实时更新。半进入式虚拟地理空间包括屏幕投影、虚拟平台等形式。结合数字化铁路选线设计要求，铁路虚拟地理空间建模平台的构成有硬件设备、地形地势数据生成系统、虚拟视景模型、工程数据库等，虚拟地理空间建模平台系统是由专业软件、硬件设备和自开发的地理空间建模应用程序集成而成［8－9］。铁路线路设计系统的计算机硬件系统是集成了虚拟技术、交互设计和高效计算能力的一个系统，其基础构成有计算机、专业设备、地形地势收集设备和三维可视化设备等,

2铁路三维立体选线设计

2.1总体架构和功能需求一般而言，数字化铁路线路设计系统的构成有线路数据库、立体地理空间建模、铁路线路设计和空间视景仿真四种，该系统通过菜单栏或菜单选项等为用户提供各项功能，具体有工程管理、空间建模、线路设计、方案选择、视图、地形地势管理、初始设置、窗口管理、帮助等菜单功能［10］。铁路线路设计系统的功能需求有数据库管理、地理空间建模、方案设计和选择、线路设计和优化、线路方案对比和选择等［11］。2.2基本中心线确定在铁路线路设计初期，要先设置基础信息，点击菜单栏的“基础信息设置”选项，跳出“线路设计基本信息设置”的对话框，比如线路设计方案名为QJ1、里程单位是m、起始位置里程数为0m、间距为5m、路宽为13m等。铁路线路设计系统可通过界面交互或控制点移动等方式来确定选线的方形，还可通过导入现有资料或交点选定来设计铁路线路。在线路确定之后，可在立体环境中通过不同颜色来表示桥梁、隧道、路基等。通常情况下，可在三维可视界面、平面界面、纵界面中进行协同设计，比如可在三维可视界面将交点移动到新位置［12－14］。2.3根据构造物类型和位置进行三维立体线路设计在铁路线路基本中心线确定之后，可运行菜单栏实体选线功能，对线路上有关构造物(比如桥梁、路堤、隧道等)进行选型和位置确定，再点击构造物建模菜单项，建立实时构造物BIM模型，同时在三维可视界面中展开构造物方案的设计和优化。一般情况下，在三维可视界面中，可点击鼠标来选中铁路线路构造物模型，比如隧道、桥梁、路基等，同时进行详细分析和深入优化。

3结语

目前，国内铁路运输行业正处于快速发展时期，其线路设计关系到铁路建设的全局性工作，而计算机技术的应用对铁路线路设计的优化有重要作用。本研究涉及的数字化铁路线路设计系统是基于C/C++语言和大型关系数据库管理构建的，可虚拟出较大空间的现实地理环境，构建虚拟的三维地理环境模型，便于线路设计人员在室内完成铁路地理环境现场数据的采集和分析。该系统可通过三个可视界面协调工作，提高铁路线路设计效率和质量。通过实时的三维线路建模，可调出数据库中的构造物元模型，建立线路方案立体模型，在虚拟立体空间中，线路设计人员可检查、更新数据，通过对各类型结构模型的对比，选出最优的铁路线路设计方案。综上所述，基于计算机软件的铁路线路设计系统弥补了传统等高线平面线路设计方式的缺陷，通过系统具备的线路方案仿真分析和判断功能，能有效提升铁路线路设计和地理环境的契合度，降低地理环境对铁路线路的影响。至今为止，该系统已被广泛运用于中铁的多项铁路工程建设中，对线路设计的效果和建造效率有显著提升。

参考文献

［1］陈德论．对山区铁路地质选线的深入研究［J］．中国新技术新产品，2012(03)．

［2］王伟冰，张东梅，李玉菊，高伟．CAD实验教学体系的探索与实践［J］．实验室科学，2012(04)

作者:宋尊尧 单位:兰州铁道设计院有限公司