地鐵綜合鋪軌軟件的設計與實現

韋合導，劉慧芳

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路站場設計研究處，武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063）

地鐵鋪軌是地鐵建設中一個非常重要的環節，由于鋼軌與地鐵列車車輪直接接觸，其鋪設精度以及鋪設質量直接影響到日后線路的養護維修工作量，甚至直接關系著地鐵列車的運營安全。

目前，國內地鐵繪圖多由設計人員進行手動繪制。由于鋪軌環節專業接口復雜，反應的信息繁多等問題，手動繪制不僅耗時耗力，而且容易出現數據的差、錯、漏、碰，影響地鐵鋪軌的建設進度和精度。

國內現有的地鐵鋪軌軟件編制時間距今已達10年，在數據輸入、結果文件輸出等方面與現在的設計習慣和流程存在沖突，并且不能處理很多特殊情況（比如長鏈比較長的地段），也沒有建立起一套完整的數據報警系統，對當下主流的計算機操作系統和AutoCAD 版本兼容性有所欠缺，很多方面已經跟不上日新月異的地鐵建設技術。

本文設計的地鐵綜合鋪軌軟件以新的地鐵設計技術為標準，將線路平縱斷面數據作為輸入文件導入，通過人機交互方式，根據道岔、鋼軌伸縮調節器等情況，計算軌條長度并進行檢驗、校核后自動繪圖。在圖中不僅反應線路、軌道專業的相關信息，而且還將其它專業預埋管線的布置信息嵌入，實現各專業數據接口的無縫對接，實現地鐵無砟軌道鋪軌設計的數字化和可視化，并且軟件良好適應Win10 及以下各版本的操作系統。

1 地鐵鋪軌技術特點

在地鐵設計中，由于各種原因，比如減震、線下基礎變化等原因，使得扣件類型、道床圖號等繁多，而且地鐵設計往往需要在軌道設計圖上反應很多相關專業的信息。因此，設計圖需要反應線路各個點的詳細信息，滿足相關專業開展工作，指導現場精確鋪軌，并提供與相關專業詳盡的接口。在圖上反應的信息有：平縱斷面、超高、單元軌節、鋼軌、扣件、道床、道岔、車站和相關專業的過軌里程等，要求每6 m 計算一處（曲線地段為5 m）精確的實際軌面標高[1-2]。在地下線一般要求超高為半超高，在高架線及地面線為全超高[3]。由于相關圖紙直接應用于現場的鋪軌，因此每個點的標高、超高等信息要求必須確保無誤。

2 地鐵綜合鋪軌軟件設計研發

地鐵鋪軌既要在其它線下基礎已經完工等情況下進行，又在后續工作中與站后存在錯綜復雜的接口關系。因此地鐵綜合鋪軌軟件既要在上游與線下基礎無縫對接，又要為下游專業預留足夠的接口[4]。軟件采用C/S（Client/Server）架構[5]，利用方便查詢、拷貝、導入導出的Access 數據庫技術進行數據存儲與檢索，通過ObjectARX 工具對AutoCAD 進行二次開發，最終實現繪圖過程中的數據檢驗、校核和自動繪制。ObjectARX 是針對AutoCAD 平臺上的二次開發而推出的一個開發軟件包。它提供了面向對象的開發環境及應用程序接口，能快速地訪問AutoCAD圖形數據庫[6]。

2.1 數據驅動流程

繪圖過程中，需先輸入線路的相關參數，根據線路、軌道及其它專業設計信息進行檢驗與校核，校核無誤后進行圖形繪制。在這一過程中，如果用戶對某個參數進行修改后，與此參數相關聯的其它參數也要自動進行相應改變，軟件運行流程，如圖1 所示。

圖1 軟件運行流程

從軟件的運行流程圖可以發現，地鐵綜合鋪軌軟件包含多種類型的基礎數據、計算過程和結果數據，抽象化后的數據層次關系，如圖2 所示。

圖2 數據層次關系

2.2 軟件架構和主要功能

地鐵綜合鋪軌由項目管理、平縱斷面和斷鏈等線路參數輸入、鋪軌參數輸入、扣件布置、道岔布置、車站布置、道床布置、預埋管線布置、配線參數、鋪軌及管線分段和相關輔助設計工具11個子模塊組成，如圖3 所示。

圖3 地鐵綜合鋪軌軟件架構

根據地鐵鋪軌的技術特點，地鐵綜合鋪軌軟件主要實現以下功能：

（1）將線路提供的平縱斷面數據作為輸入文件導入，并對軌道幾何可行性進行檢查。包括線路平縱斷面數據檢查、錯誤提示。

（2）通過人機交互方式，根據道岔、鋼軌伸縮調節器等情況，自動計算軌條長度，自動繪圖，包括平縱斷面和超高點等相關信息。

（3）通過人機交互方式，自動繪制預埋管線布置圖，可選擇預埋管線布置圖嵌入鋪軌圖或者單獨繪制。

（4）實現與線路專業相關存儲數據的無縫對接。

（5）根據已有的平縱斷面，自動統計出豎緩重合里程、軌道加強地段表等相關表格。

2.3 軟件功能算法實現

2.3.1 項目管理

項目管理包含新建項目、選擇項目2個功能，主要保存項目數據的存放路徑。項目管理流程，如圖4 所示。2.3.2 平縱斷面和斷鏈參數

地鐵綜合鋪軌軟件在工作前，需先對線路的平縱斷面和斷鏈等參數進行輸入和處理。平面參數包括：平面曲線里程、半徑、長度、編號、超高值、超高設置方式、經緯距和方位角等。其中，經緯距和方位角的作用是對線路的左偏右偏進行校核，線路是否存在反向、碰撞等問題。縱斷面參數包括里程、長鏈、高程、豎曲線半徑、切線長和上升坡度等。參數輸入后用戶可對參數進行編輯和存儲。存儲前，軟件自動進行檢查和勘誤，檢查通過后根據輸入的里程、曲線半徑、曲線類型、長短鏈等進行經緯距和高程計算，再更新保存，線路參數流程，如圖5 所示。

圖5 線路參數管理

經緯距、方位角、高程的計算需要根據線路類型，分直線、圓曲線、緩和曲線分開計算。以直線地段軌面高程計算為例，其計算公式為：

其中，Si，Hi，Gi分別為第i個變坡點里程、變坡點高程、設計坡度；Rv為變坡點半徑；h為計算高程。

2.3.3 鋪軌參數

鋪軌參數模塊完成鋼軌單元軌節相關信息輸入和計算，包括單元軌節起終點里程、軌節名稱及長度。所需參數起點里程、長鏈參數和軌條名稱。輔軌參數計算流程，如圖6 所示。

圖6 鋪軌參數計算流程

2.3.4 車站布置

車站布置模塊用于車站中心里程、長短鏈、車站名稱等參數的輸入、編輯和存儲。

2.3.5 道岔及調節器布置

道岔及調節器布置用于完成正線道岔岔心里程、長短鏈、道岔型號、開口方向、是否為交叉渡線等參數的輸入、編輯和存儲。

2.3.6 預埋管線布置

預埋管線布置用于完成其他專業過軌管線參數的輸入、編輯和存儲，并作為繪制預埋管線布置圖的參數依據[7-9]。所需參數：管線起點里程、長短鏈、管線名稱等。計算和繪制流程，如圖7 所示。

圖7 預埋管線布置計算和繪圖流程

2.3.7 配線相關參數

配線相關參數主要包括配線道岔和配線鋪軌兩部分。其中，配線道岔表用于完成配線道岔岔心里程、道岔型號、開口方向、是否為交叉渡線等信息的輸入。配線鋪軌表用于完成配線軌條起點里程、重點里程、長鏈參數、軌條名稱等參數輸入。計算流程可參照正線鋪軌表。

2.4 輸出結果

當上述數據及數據處理過程全部完成后，即可在圖紙生成模塊進行圖紙自動生成[10]。在圖紙輸出過程中，可根據設計需求選擇圖紙的圖幅、圖名、圖號、是否同步嵌入過軌管線圖等。

3 結束語

本文針對地鐵軌道鋪設高精度、高標準的要求，基于C/S 架構，利用VC++和ARX 進行二次開發，形成了可靠的、具有良好人機交互界面的鋪軌繪圖軟件，實現了與相關專業基礎數據的無縫對接，避免了數據輸入過程的人為失誤。該軟件自動繪制全超高和半超高地段不同圖幅的正線及配線地鐵鋪軌綜合圖，自動繪制預埋管線布置圖，自動統計豎緩重合里程等，不僅提升了工作效率，而且通過自動預警超高過多等情況。該軟件已在武漢地鐵、鄭州地鐵、寧天城際等線路中應用，應用過程中能較好地滿足項目需求，并且良好適應當下主流的操作系統和AutoCAD 版本，顯著提高了設計人員的設計效率和設計質量。