轨道交通CAD体系研究范文

引言

我国的城市轨道交通建设正处于高速发展时期，国内越来越多的城市加入到城市轨道交通的建设行列。利用CAD技术进行城市轨道交通线路设计对于提高设计水平和设计效率、减轻设计人员工作强度都有很大的帮助，它可以保证设计成果符合规范的要求，对于顺利实施城市轨道交通建设具有积极的意义。

1平面线形设计方法

仔细研究路线平面设计过程可以看出，线路中线的设计过程就是在两边约束条件下布置1~n个线元的组合过程，这之间可能布置一个线元，也可以布置两个、三个甚至n个线元的组合，这要根据具体工程要求以及技术标准来确定。为此，本文采用了以边界约束作为驱动的平面中心线设计模型，通过边界约束来建立线形设计的统一的数学表达[1~2]。线路线形由直线、圆曲线和缓和曲线三种基本线元组合而成，可采用下面的数学模型统一表达：k(s)=a×s+b式中，k为距起点曲线长为s处的曲率，对于直线来说各点的曲率为零，圆曲线上各点的曲率相同，为圆曲线半径的倒数，回旋线上各点曲率呈线性变化。为处理方便，将曲率作以下规定：沿着线路前进方向，曲线向左转的曲率为正（k>0）,曲线向右转的曲率为负（k<0）。a、b为两个任意常数，有：当a=0，b=0时，k(s)=0，表示该线元为一段直线；当a=0，b≠0时，k(s)=b（常数），表示该线元为一段圆曲线；当a≠0，b≠0时，k(s)=a×s+b，表示该线元为一段回旋线；如图1所示，AB为一段线元（可能是直线、圆曲线和回旋线中的任一种），P为线元上任意一点，这里定义（x,y,,k）为P的几何参数，x,y为该点的平面坐标。为该点的切线与x轴正方向的夹角（规定以逆时针方向为正），k为该点处的曲率。若定义该线元起点处的几何参数为（x0,y0,0,k0），则该线元上任意一点的几何参数（x,y,,k）可以这样计算：其中，s为距起点的曲线长度。上述各式是线路中心线的一种几何样条数学表达式，以此为基础可以处理线路中心线中曲线的计算问题。对应直线、圆曲线和回旋线，可以具体表达为表1的情况：

2Ⅱ线的设计

Ⅱ线平面设计时，设计人员通常不直接给出交点坐标，而是给出Ⅱ线与基线的相对关系。Ⅱ线与基线的相对位置可分为：并行等高、并行不等高、绕行、并行不平行、S弯等[3]。相对位置不同，设计人员给定的对应关系也有所差别，例如：对于并行段交点，设计人员通常给定交点前后两条切线边与基线的线间距；在并行不平行地段，设计人员通常给定Ⅱ线交点在基线上的投影里程和交点与基线的支距等等。另外，在Ⅱ线的绕行段需设置外业断链，其它地段（并行等高地段、S弯地段、并行不平行地段）要设置内业断链。在进行预留Ⅱ线设计时，还会出现左线和右线的换边设计，根据具体情况，换边可分为曲线换边和直线换边两种。因此解决Ⅱ线平面设计的关键问题是：（1）设计出符合设计习惯的Ⅱ线交点相对关系数据表，要求所采用的数据描述必须是设计人员较易获取的数据，并且能适应于并行、绕行及换边等各种Ⅱ线设计情况。（2）依据设计人员给定的Ⅱ线交点相对关系数据表快速解算出Ⅱ线控制点表，该表的数据结构与基线一致，如此可确保后续的平面线位计算沿用基线的方法。（3）Ⅱ线特有的平面基本计算，如：线间距，内业断链等计算问题。下面详细介绍Ⅱ线断链的处理：线路上有些点设计里程（也叫“现场里程”）不连续的现象称为断链。断链分为内业断链和外业断链两种。由于线路的局部改线或分段测量等原因造成的里程桩号不连续的现象称外业断链，里程桩号重叠称长链，里程桩号间断称短链，如图2所示。铁路复线设计中，在并行、S弯、并行不平行地段，Ⅱ线与一线不等长的现象称内业断链，如图3所示。

2.1“断链表”

本文采用“断链表”来记录平面外业断链，内业断链则记录在Ⅱ线交点结构中。“断链表”是线路上所有断链的集合。在断链表中，从线路的起点开始，断链依次排列，第一个断链对应线路的起点，最后一个断链对应线路的终点。因此，断链表中至少有两个断链。断链表的组织如表2所示。断链表相关的数据结构如下：structDLBZ//断链{CStringBGH,EGH;//断前、断后里程冠号doubleBLC,ELC;//断前、断后里程数};CArray<DLBZ,DLBZ>DLArray;//断链表变长数组

2.2插入、删除外业断链

进行设计时，设计人员有时会删除某个外业断链，有时会在线路某个位置插入一个外业断链。删除一个外业断链时，要保证该外业断链前面相邻外业断链之前的线路里程和后面相邻外业断链之后的线路里程保持不变；同样，插入一个外业断链时，要保证插入位置前面外业断链之前的线路里程和后面外业断链之后的线路里程保持不变。在断链表指定位置插入一个外业断链的实现方法如下：①在断链表中指定位置插入一个新的断链。②再作以下调整：{新插入的断链}.[断前里程冠号]={前面相邻断链}.[断后里程冠号]{后面相邻断链}.[断前里程冠号]={新的插入断链}.[断后里程冠号]{新插入的断链}.[断链值]＝{新插入的断链}.[断后里程]－{新插入的断链}.[断前里程]{后面相邻断链}.[断前里程]＋={新插入的断链}.[断链值]删除断链表中某一外业断链的实现方法如下：①先作以下调整：{后面相邻断链}.[断前里程冠号]={前面相邻断链}.[断后里程冠号]{后面相邻断链}.[断前里程]－={删除断链}.[断链值]②再删除指定的断链。

2.3Ⅱ线断链自动计算原理

城市轨道交通的Ⅱ线断链需要在每个区间都设置一个断链，以保证车站中心的左右线里程一致。系统实现了自动设置断链，并且在各个断链插旗处设置了夹点，使得断链可以拖动修改，断链能始终保持车站中心的左右线里程一致和断后里程取整。实现自动设置断链功能的算法步骤如下：（1）根据Ⅱ线交点性质分段，区分出“有里程段”和“无里程段”(因为并行等高段Ⅱ线没有里程)（2）在“有里程段”的段落起终点各加一个断链。（3）如果车站在“有里程段”范围内，判断车站是否与前一个车站在同一夹直线上(因为在同一夹直线上前一个断链就可以保证车站中心左右里程一致)。（4）从车站的中心里程向前搜索插入断链的位置，要满足既不在曲线范围内，也不在车站范围内，并且里程要取整。（5）得到车站中心左线的现场里程，根据该里程计算插入断链位置的断后里程，同时根据前一个断链计算出断前里程，增加该断链。为实现断链可以拖动修改，拖动过程中始终保持车站中心的左右线里程一致和断后里程取整，在自定义实体类的moveGripPointsAt()函数里做了如下处理：①判断激活的夹点是否是断链的夹点②根据移动的夹点坐标投影到线路上得到投影里程③根据投影里程找到处于哪两个车站内④搜索满足条件的位置（既不在曲线范围内，也不在车站范围内，并且里程要取整）⑤计算满足条件的位置的断链值。Ⅱ线断链自动计算的流程图如图4。

3站位CAD

与一般铁路不同，城市轨道交通的车站和线位的关系非常紧密，往往是车站决定线位。城市轨道交通的设计一般是“先定点，再定线，点线结合”[4]。因此，提供方便的站位CAD辅助设计就显得特别重要。绘制站位关键要处理了以下几个问题（1）当车站位于曲线范围内时要绘制成曲线车站。（2）支持各个车站的动态拖动，拖动的过程中要沿线路滑动。为绘制曲线车站，必须根据平面线位计算车站轮廓，具体实现绘制站位的代码如下：intsize=m_Station.GetSize();charchrtemp[80];charGH[8];doubledml;for(i=0;i<size;i++){//重新计算现场里程dml=XLC1(m_Station[i].statylc,GH,pm1_sta->NDL,pm1_sta->DLB);dmltockml(GH,dml,chrtemp);m_Station[i].Mileage.Format“(%s”,chrtemp);//根据里程计算站台坐标和方位角CalStatCenterByML(m_Station[i]);//计算前后站间距m_Station[i].Disb=m_Station[i].statylc-m_Station[i-1].statylc;//绘图AcGePoint3dpt1,pt2,pt3,pt4;//站台矩形框的四个顶点if(m_Station[i].Num==1){......}……为实现车站拖动过程中的动态显示，要在moveGripPointsAt()函数中根据激活的夹点号找到车站编号，再根据当前鼠标位置重新计算车站中心坐标和里程，更新车站数组。

4辅助线CAD实现方法

辅助线是为保证正常运营，合理调度列车而设置的线路，最高运行速度限制在35km/h。辅助线按其使用性质可以分为折返线、存车线、渡线、联络线、车辆段(车场)出入线[5]。本文借鉴铁路站场CAD的方法，采用了单元法和模块法相结合的办法，基本满足了地铁辅助线CAD的要求。

4.1模块法

模块法是对一些常用的辅助线类型，用户指定辅助线的一些关键尺寸，计算机自动反算出每个线元的位置，使得设计更加方便快捷，算法步骤为：（1）用户指定模块类型、关键尺寸和接入位置（2）计算接入位置的坐标和方位角（3）计算机自动反算出每个线元的位置（4）绘制所有线元缩短渡线是一种常用的辅助线形式，它的计算也相对较为复杂，在此以缩短渡线为例，阐述模块法实现缩短渡线的算法：①用户需输入缩短渡线的几个参数：线间距，交点曲线要素，夹直线长。②根据输入的参数，计算最优转角，计算原理于是可列出下面这样一个最具有一般性的渡线计算公式：co（s1+1+）＝11+22+11+22－1+2＝co（s2+2+）③根据最优转角计算出各个交点位置JD[1].x=Xo+(11+T1)×sinaJD[1].y=Yo+(11+T1)×cosaJD[2].x=JD[1].x+(f+T1+T2)×sinaJD[2].y=JD[1].y+(f+T1+T2)×cosa④计算出各个线元位置，并绘出图5。

4.2单元法

单元法模仿铺轨的过程进行单元组装（图6），辅助线可视为股道的集合，股道可视为由直线线路、曲线线路、单开道岔、复式交分道岔、车挡等实体的集合。将这些实体设计为构件对象,使具有相应的专业设计信息及行为特征，通过对它们的连接编缉等操作，形成辅助线股道，最终可形成任意复杂的辅助线平面图。由于单元法和模块法采用了通用的数据结构——线元结构，使得单元法和模块法能够结合互补，在模块法的基础上可以使用单元法进行局部修改，也可以使用单元法设计一些不常见线形之后利用模块法快速地加入一些常用模块。采用单元法和模块法基本满足了城市轨道交通辅助线CAD的要求，能够快速准确地实现辅助线设计。

5结语

利用CAD技术进行城市轨道交通线路设计对于提高设计水平和设计效率、减轻设计人员工作强度都有很大的帮助，它可以保证设计成果最大程度地符合《规范》的要求，对于顺利实施城市轨道交通建设具有积极的意义。总结本文的研究工作，主要取得以下成果：

（1）建立了平面线形模型，解决了基线，Ⅱ线的动态交互式设计问题，该模型通用性好、线位易控制，可方便地应用于计算机屏幕定线。

（2）定制了车站自定义实体，实现了诸如岛式、侧式等各种车站类型的站位设计功能，考虑了车站与正线线形的相互关系，能与线形保持较好的联动。

（3）提出了单元法和模块法结合的辅助线设计通用算法，对一些常用辅助线的平面结构布置进行了模块化处理，可以快速地实现诸如双折返线、存车线、缩短渡线等辅助线设计，同时采用了基于线元结构的单元法，增强了辅助线设计的通用性。

（4）以本文所述的理论和方法为基础，开发了城市轨道交通线路CAD软件，并将其应用于实际工程项目的设计中，通过大量实践验证了理论和方法的正确性。