工程信息技術與選線設計課程體系的融合

關鍵詞：選線設計；工程信息技術；課程體系；優化方案；信息處理；信息利用

摘要：工程信息技術是把計算機信息技術應用于工程規劃、勘測、設計、管理中而發展起來的一門交叉科學技術。而鐵路選線設計則是一個集信息采集、信息處理、信息識別、信息利用和信息管理于一體的綜合設計過程。在選線設計課程建設中，應在課程教學、課程設計、畢業設計各個階段將工程信息技術與選線設計課程的內容進行融合，改革選線設計課程體系和教學內容；將計算機圖形技術、虛擬現實技術、建模技術和仿真技術與鐵路選線理論相融合，以完善現代選線設計理論和技術。

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1009—4474(2011)04—0052—05

國家精品課程——選線設計課程是土木工程、交通運輸、測繪工程等專業的一門重要的專業基礎課和必修課。它主要是研究鐵路選線設計的基本原理和方法，其內容包括鐵路運輸能力、鐵路牽引計算原理、線路平面及縱斷面設計、鐵路定線、方案比選等。

工程信息技術(Enguineering InformationTechnology，EIT)是把計算機信息技術應用于工程規劃、勘測、設計、管理中而發展起來的一門交叉科學技術，主要研究基于計算機及其輔助設備對工程建設與運營中各種信息的采集、識別、再現、利用、設計計算與決策管理的方法，以及探討系統開發原理和方法。目前，工程信息技術以其巨大的社會和經濟效益在鐵路工程實際中占據越來越重要的地位。在我國鐵路勘測設計EIT的研究和實踐中，取得了長足的進步?！熬盼濉逼陂g鐵路科技發展重大項目“鐵路勘測設計一體化、智能化技術研究”的開展，就是工程信息技術在鐵路勘測設計中廣泛應用的一個標志。隨著科學技術不斷發展，將工程信息技術應用于鐵路勘測設計，使鐵路勘測設計全程實現網絡化、數字化、數據庫化、集成化和智能化，勘察設計技術手段也將從傳統的設計方法向現代化信息技術轉變。

基于以上認識，在選線設計課程建設中，應在課程教學、課程設計、畢業設計各個階段中，將工程信息技術與選線設計課程內容進行融合，以改進選線設計課程體系的教學內容，進一步完善現代選線設計理論和技術。

一、選線設計中的信息處理

鐵路選線設計是一項關系到鐵路勘測設計全局的綜合性總體設計，而傳統的選線設計方法是通過選線設計人員進行紙上定線和實地現場勘測，來尋求一條較為經濟合理的路線。但由于選線設計人員的視野有限，而相關的計算和繪圖的工作量又很大，加之地形等其他因素的影響，使得傳統的選線和定線只能在極其有限的范圍內進行，難以做到多方案比選論證。且選線設計方案的好壞完全取決于選線設計負責人員實際經驗的多少和技術水平的高低，這就對選線設計負責人要求很高——不僅要懂得本專業的知識，還要了解其他相關專業的知識，而只有這樣才能設計出一條令人滿意的線路。

鐵路線路選線設計是集決策性、知識性和實踐性為一體的半結構化問題。其影響因素有定量的指標也有定性的因素，有確定性因素也有不確定性因素，且各因素之間的關系錯綜復雜。而這些復雜的影響因素可分為兩類：一是自然條件(主要包括地形、地質、水文、土地價值和土地利用情況，等)會對線路的工程、運營等產生影響；二是根據技術條件和運輸任務，按照選線設計規范、規程和設計原則進行設計。因此，選線設計過程就是選線設計人員在自然條件、技術條件的環境中，綜合分析和協調各項影響因素，采用特定的方法進行鐵路走向規劃、方案設計和方案技術比選的創造性思維活動的過程。

從信息的角度考察，選線設計過程可以看作是一個工程信息處理的過程。在某個具體鐵路工程選線設計中，首先要收集經濟信息、自然信息和人文信息，然后根據一定的選線設計原理對信息進行處理，并提交設計部門進行設計。因此，選線設計本身就是一個信息采集、信息處理、信息識別、信息利用和信息管理的過程。

二、信息技術與選線設計課程教學過程的融合

在選線設計教學環節中，如何將計算機信息技術與教學內容、課程設計和畢業設計較好地融合在一起，以更好的培養和激發學生的創造性，是選線設計教學改革應解決的重要問題。只有成功地融合，才能使畢業生在工作崗位上盡快發揮作用，成為推動和帶領鐵路勘測設計一體化、智能化不斷向前發展的技術中堅力量。

在課堂教學中，應將計算機信息技術應用與開發和有關的專業技術課程內容相結合，才能使教學圖文并茂、信息豐富。同時，還應重視學生手工繪圖的基礎教學工作，以培養學生的平面構圖能力和空間思維能力。目前，我國大部分鐵路選線設計CAD軟件仍屬于交互式繪圖的狀態，只有培養學生既具備扎實的專業知識與繪圖能力，又熟練地掌握線路工程信息技術，才能在這種交互式的系統中設計出較高質量的工程圖形。因此，選線設計教學引入計算機信息技術，并不是對傳統選線設計教學方式的全盤否定，而是為了更好地對其繼承與發展。

那么，如何在選線教學中引入計算機信息技術呢?首先，需明確在選線教學中引入計算機信息技術是為了不斷改進和完善選線教學方式，以培養學生既具有選線專業知識與設計能力，又能熟練地掌握線路工程信息技術，為其將來使用計算機信息技術從事線路選線設計、管理和運營維護打好基礎。目前我國大多數應用CAD軟件仍屬于交互式，而針對選線高級設計人員不足的現狀，這就要求我們培養出來的學生不僅要具有選線專業知識，還應具有一定的線路工程軟件開發能力，以便今后在工作崗位上能進一步完善線路工程領域的應用軟件，使選線設計軟件逐步實現完全自動化與智能化。為達到以上目的，在選線教學中應將選線專業知識教育與計算機應用技術相結合，認真指導學生進行繪圖編程、課程設計和畢業設計，其具體操作如下：

(1)以課堂講授為主，結合幻燈、錄像、現場實習等教學，對學生進行選線專業知識傳授，同時還要利用AutoCAD軟件進行計算機繪圖基礎教學，使學生能熟練應用AutoCAD軟件繪制各種復雜圖形。

(2)在實驗教學中指導學生運用C語言等高級程序設計軟件進行繪圖編程。首先，向學生提供現有、成熟、有參照標準答案的程序，讓其做設計計算；然后，讓學生完成將部分內容抽出的計算程序；最后，規定一個選線設計細部，如繪制線路縱斷面圖，由學生獨立完成其圖形、表、數據、公式、編程以及程序調試等各項工作。

(3)指導學生進行課程設計，如進行新線選線設計。讓學生在紙上完成線路平面定線后，使用AutoCAD軟件繪制線路縱斷面圖，并用C語言完成鐵路能力檢算、工程數量和工程費計算、運營費計算等，最后用Word、Excel完成說明書編寫。

(4)畢業設計。選線畢業設計一般采用某段新建鐵路線勘測資料或既有線改建的資料，讓學生完成包括主要技術標準論證分析、平面定線、建筑物布置、縱斷面設計、工程經濟與技術指標計算、方案比選、繪制線路平縱面圖等工作，其所涉及的專業知識面較廣，設計的工作量很大，可以說是對學生所學專業知識的一次綜合性考察。在設計過程中，首先讓學生根據相關資料進行主要技術標準論證，選定主要技術標準。其次，在1：50000或者1：10000軍用地圖上進行線路走向選擇，并對選定的走向方案在紙質地形圖上進行平面初始定線。第三，在電子地形圖上，利用AutoCAD軟件在計算機上進行平面詳細定線，并基于數字地形模型獲取地面縱斷面和橫斷面數據。第四，采用線路縱斷面利用CAD軟件，完成縱斷面設計。第五，用c語言編制計算機工程經濟和技術指標計算程序，完成工程技術經濟指標計算，并進行方案比選。第六，用選線CAD軟件繪制線路平、縱面圖案。第七，用Word、Excel輔助完成設計說明書編寫工作。所有的畢業設計文檔資料均以光盤形式存儲，并規定學生在畢業設計成果網上提交最后論文定稿的電子文檔。

通過在選線設計教學中引入計算機信息技術，不僅豐富和完善了選線設計教學內容，使培養出的大學生能盡快熟悉設計過程，并能親自體驗設計的艱辛，同時，也是對選線設計教師教學工作的一種促進和挑戰，使選線設計教師更加注重完善自己的知識結構，不斷提高其教學水平。

三、工程信息技術與選線設計教學內容的融合

充分利用計算機的高速運算、數據處理、繪圖模擬等功能將工程信息技術的信息處理、建模技術與選線設計的基本原理和方法相結合，使工程信息技術與選線設計理論體系實現更深層次的融合，是實現更好教學效果、提高教學質量的前提，具體表現在以下幾個方面。

1 計算機圖形和幾何造型技術與線路平縱斷面設計方法相融合

計算機圖形技術就是運用解析數據描述工程實體的點、線、面在空間的位置，然后再運用幾何造型技術構造出工程實體的解析模型。并利用計算機能對大量數據快速處理后，可以形成圖形這一功能，將模擬的解析模型在計算機屏幕上方便而經濟地展現出來，代替了過去利用工程實體進行設計和處理的方法，使得運用幾何造型技術構造解析模型就成了選線CAD系統中的核心技術。目前，計算機幾何造型技術廣泛地應用在選線設計中，而工程實體在屏幕上的可視化和彩色渲染圖，能清晰、直觀地表達設計者多種設計方案，這有助于選線設計人員不斷優化方案、提高選線設計質量。通過將計算機圖形和幾何造型技術與線路平縱斷面設計方法教學相融合，使得學生應用CAD軟件進行選線設計的能力不斷提高，受到廣大學生的稱贊。

2 數字勘測技術與選線地理環境識別技術的融合

鐵路選線設計是一個涉及多個專業的綜合性規劃設計。在鐵路選線設計中，線路工程師必須充分利用已學的專業知識，對地形、地質等自然環境進行認真分析研究，以便確定線路在空間的具體位置，這樣才能設計出一條能既滿足政治、又能滿足經濟、技術等各方面要求的鐵路線路。

二十世紀七八十年代，我國地形圖信息數字化手段還十分落后，這就限制了線路自動化設計技術的發展。直到20世紀80年代后期，隨著計算機技術、微波通訊技術、交互式圖形技術的發展，使測繪儀器和測繪技術進人了現代化的信息技術時代，獲取線路設計所需要的數字化地形信息資料已不成問題。這些從根本上改變選線信息資料獲取包括：GPS定位技術、全站儀測量系統、攝影測量與解析測圖系統、遙感技術等，從而使線路勘測設計一體化技術進入實質性的發展和應用階段。

3 優化技術與線路方案比選理論的融合

在鐵路選線設計的每一項任務中，一般都存在著幾種可供選擇的設計方案。在這些設計方案的理念中，蘊涵著代表線路平面幾何、縱斷面變坡點高程和坡段長度及其他細節的變量。因此，在一個確定的鐵路建設項目中，可以有一系列的線路方案可供選擇，我們最終要從這一系列方案中，推薦出一個合理的方案，使該方案不僅能滿足運輸要求、設計規范的要求，還要在經濟上最合理，并要求在鐵路勘測設計中采用優化技術，以獲得最好的社會經濟效益，于是，這就產生了最優設計的問題。

隨著計算機的普及，計算機能快速運算，可使我們在較短的時間內設計多個方案，然后通過技術經濟評價和優化選出最優方案，來達到降低工程造價、提高工程質量的目的。且隨著優化技術與選線中的方案比選理論的融合，人們從中提煉了優化理論的概念，并利用優化方法來解決線路方案最優設計問題。

4 集成化技術與選線多專業協同設計技術的融合

集成化系統的發展是當今鐵路工程信息技術(Railway Engineering Information Technology，REIT)的主要發展趨向之一。在鐵路建設中，從工程規劃、設計、施工到管理，都可以統一利用地理信息系統和工程數據庫，而在評價、決策、分析、計算、管理等方面也實現了一體化計算機輔助系統，即REIT系統。這也是鐵路工程信息技術今后向網絡化、分布式REIT系統發展的一種趨勢。

5 智能決策與多方案綜合評價技術的融合

專家系統在鐵路勘測設計中的應用是鐵路選線設計智能化的重要標志。比如，在線路方案選擇，復雜橋梁方案擬定，隧道洞口、洞身設計方案確定，工程地質問題評價咨詢，遙感圖像不良地質判識等領域都廣泛應用了專家系統，它對設計方案、設計參數的選擇在某種程度上達到了該領域專家水平。

智能化選線CAD系統是一種引入知識工程、使計算機智能地輔助設計人員解決整個選線設計過程(決策、優化、分析、繪圖)中的各種復雜問題，并能夠達到自動化程度的系統。因此，智能決策技術與選線設計理論相融合，能使選線設計的方案的評價理論更完善，評價方法更科學)。

6 多媒體仿真技術與列車運行分析的融合

多媒體仿真是在科學計算可視化和可視仿真技術基礎上發展起來的。在計算機圖形學和工程研究與設計領域中，科學計算可視化被定義為：對科學計算數據進行可視化加工和三維圖形顯示，并通過系統的交互方式改變其參數，以便觀察計算結果的全貌及其變化。在列車運動仿真系統中，將多媒體仿真技術與列車運行分析相融合，采用不同媒體形態描述不同性質的模型信息，將列車系統行為和形態、數學模型和物理模型以及它們的時空表現模式，有機地統一建模和求解，并運用多媒體系統的多維信息綜合處理平臺進行處理，實現了列車運動的多態信息仿真；使得列車運動過程不僅可視、可聽，還能模擬列車運動中的動力響應。

7 虛擬現實(VR)技術的應用

虛擬現實技術是一種可以創造和模擬體驗現實世界的計算機技術，它將真實世界的各種媒體信息有機地融合進虛擬世界，構造用戶能與之進行各個層次的交互處理的虛擬信息空間。例如：鐵路規劃方案的虛擬漫游及環境評價，鐵路設計方案建成后的效果展示與評價，設計方案的演示與論證；鐵路沿線構造物的虛擬模型和性能測試，鐵路三維可視化動態建模與運動仿真等，都是利用了虛擬現實技術。因此，虛擬現實技術為我們提供了建立鐵路工程多維感知模型的途徑，使得鐵路工程專家獲得了一個先進的認識和改造世界的工具。

綜上所述，隨著計算機新技術、新算法、新成果在選線設計中不斷得到應用和發展，如計算機圖形學、虛擬現實技術、建模技術與仿真技術，特別是多媒體技術和網絡通訊技術的快速發展，使選線設計的理論和技術得到了進一步的發展和完善的同時，也使我校選線設計課程教學過程和教學內容與信息技術進一步融合。

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(責任編輯：舒莉霞)