中國鐵道學會會刊
2000年第22卷，第20-24頁
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鐵路線路局部走向選擇的智能CAD方法
易思蓉鄧育才
摘要:將知識庫技術、交互式圖形技術、優化方法和數據庫技術相結合，開發了鐵路新線設計智能CAD原型系統。本文介紹了利用該系統進行鐵路線路局部走向選擇的智能CAD方法。
關鍵詞:鐵路選線；趨勢選擇；智能CAD；知識庫
中國圖書館分類號:U212.32文獻識別碼:b。
貨號:1001-8360(2000)S0-0020-05。
鐵路局部選線的智能CAD方法
伊斯-鄧榮育才
(土木工程學院；建築工程。西南交通大學，成都，610031，中國)
文摘:通過集成知識庫、交互式圖形、優化方法和數據庫技術，我們開發了壹個鐵路選線智能CAD系統原型。本文將詳細介紹壹種用PIRLCAD進行鐵路線路局部選線的智能CAD方法。
關鍵詞:鐵路選址；路線選擇；智能CAD知識庫
我國鐵路線路計算機輔助設計的研究已經開展了20多年，取得了重要成果。特別是在計算機輸出的平面和縱斷面詳細設計中，各單位都取得了實際效果。但目前基本都是以手工設計線路平面為主，有些甚至是縱坡線形都是由設計人員在圖紙定位中完成，將結果輸入電腦，設計圖紙由電腦輸出，很少或不做任何修改。但是，在可行性研究的方案研究階段，大量的選線工作尚未取得相應的成果。勘測設計壹體化的實施，證明了為新建鐵路開發智能CAD系統的必要性。大區域鐵路選線問題極其復雜。為探索方法，將研究目標定在主要控制點、主要技術標準和良好地形條件的秋蘋地區，采用智能CAD方法解決局部選線問題。根據所提出的研究方法，開發了壹個鐵路新線設計智能CAD原型系統，簡稱PIRLCAD。
1鐵路選線智能CAD系統模型
對於路線平面方案選擇這壹復雜問題，為了完成從路線方案的生成到最佳方案的選擇的全部工作，采用了包括知識庫、數據庫、優化方法、多目標決策方法、曲面建模與運動仿真、計算機圖形學技術等多種技術和方法。
這些計算機技術通過面向對象技術進行集成，從而形成鐵路選線設計智能CAD系統的虛擬設計環境，如圖1所示。
圖1面向對象的鐵路選線智能CAD系統模型
2線局部趨勢選擇
在PIRLCAD中，通過在虛擬線路設計環境中模擬人工紙張定位過程來實現線路選擇。分析傳統的對齊過程，趨勢選擇過程可以分為:(1)將地質填圖數據與圖形設計環境相結合(作為方法研究，PIRLCAD目前只考慮壹些簡單的地質條件)；(2)選擇控制點；(3)生成合理的趨勢計劃；(4)線路的水平和垂直平面設計；(5)綜合選擇方案。
2.1地質測繪數據與圖形設計環境的集成
為了確定合理的路線方案，路線工程師經常需要查詢地質和其他路線測繪資料，了解地質、水文、資源和土地利用信息。PIRLCAD系統的智能調查工具(ⅱT)將上述信息與虛擬線路設計環境(2D等高線地形圖或三維地形仿真模型)相結合。在ⅱT的幫助下，工程師可以在必要時動態修改線映射信息。ⅱT還可以為工程師提供“對準指導”。
ⅱT的主要功能如下:
(1)在“電子地形圖”上用多邊形繪制線調整區(不良地質區)，生成多邊形頂點數據子串；
(2)輸入相應區域的知識信息，包括區域的類型、名稱、危險系數、屬性和描述；
(3)編輯所選區域的知識。
上述“線映射”信息將自動存儲在動態知識庫中。基於這個動態知識庫，借助相應的查詢和推理機制，設計人員可以在選線過程中方便地查詢線路通過區域的地質信息。動態知識庫還可以用來獲取方案生成所需的信息和生成約束。
2.2選定的二級控制點
選線的第壹步是在“電子地形圖”上確定線路可能的控制點。選線控制點可分為兩類:初始控制點和附加控制點。初始控制點包括線路的起點和終點、大型中間運輸中心等。這些點是在預可行性研究階段確定的。PIRLCAD系統的任務是確定規劃可行區域內的其他控制點，如關口和主要地形控制點、房屋、橋位中心、涵洞中心、隧道中心、道路交叉口、不利地形和地質區域、中惠站中心等。基於PIRLCAD系統確定控制點的步驟如下:
(1)分析“電子地形圖”，選擇可能的控制點；
(2)捕捉所選點的平面坐標，修改動態數據庫；
(3)確定所選控制點的屬性(如控制點的類型、所選控制點周圍現有物體的信息等。);
(4)系統捕獲設計者選擇的信息，查詢相應的數據庫，獲得控制信息；
(5)激活相應的控制信息設計界面，設計者選擇設計參數；
(6)最後，修改知識庫和動態數據庫。
2.3擬定折線趨勢備選方案。
在虛擬設計環境中，工程師將初始控制點和其他控制點進行不同的組合，並用直線連接成不同的鏈式折線，從而生成幾種可能的路線定線方案。這個過程在PIRLCAD中稱為“屏幕對齊”。屏幕校準過程包括以下功能:
(1)用直線連接所有控制點，生成折線組；
(2)確定單項工程的位置和結構型式；
(3)建立約束。
由於計算機顯示屏的限制，屏幕對齊的圖形分析範圍被限制在控制點周圍的壹定範圍內。借助電子投影設備，這個範圍可以大大擴大。在目前的條件下，在屏幕上分析壹幅大比例尺的地形圖只能是非常粗略的，詳細的分析還需要紙質地圖的幫助。
2.4趨勢方案合理性的初步調查
根據擬定的線路通道和控制點，通常可以擬定許多線路方案。線路方案的最終選擇是基於多條線路方案的綜合評價。如果壹個方案在技術上明顯不合理，再詳細設計也純粹是浪費。因此，有必要在方案選擇的初始階段進行壹些技術可行性分析和初步評估。這個原型系統主要考慮站間距的合理性和橋址的合理性的初步調查，不良地質區域的檢查和縱坡試驗。
(1)站間距離檢查
任意兩個站之間的距離應符合下列要求
Li≥Lmin
其中Lmin是站與站之間允許的最小距離。
(2)橋梁現場檢查
主要是檢查線路中心線與河道中心線的交角，控制標高。
(3)不良地質區域的檢查
判斷該線的折線是否與不良地質區域的多邊形相交。如果是，則線路經過不良地質區，根據不良地質區的屬性和風險系數可以推斷出不良地質區的整治措施，並將單位面積的工程單價疊加在地價模型上。
(4)縱剖面拉坡試驗
為了幫助設計人員分析擬建線路方案的合理性，系統提供了快速便捷的測試分析功能，包括縱坡自動繪制、工程費用近似計算、近似縱斷面顯示等。如果不能按照擬定的路線方案拉出合理的縱斷面，系統會給出拔坡失敗的原因，並提示設計者修改方案計劃。
3知識表達過程中的選擇
在選線知識庫中，路線方案與地質不利區的關系用特征表和語義網絡表示，路線方案及其特征表可以定義為壹個網絡。虛線及其相鄰的控制點、地質不利區及其大小都是圖中的節點，所有相關的特征都作為弧的標記。圖2示出了對應於路由方案選擇的問題域中的幾個狀態的語義網。
圖2線路方案選擇狀態的語義網
同時，在知識庫中，“避開地質不良區”問題的狀態由地質不良區、河流、控制點的特征表描述，如表1所示。
表1線避開右側不良地質段的特點
不良地質地段的AF線
特征標稱值
滑坡類型
河流的位置權
山崩
度中間十字-
通過-
麻煩-
有人-
後部錯誤
穩定假跨河真
通行證-
粗糙-
逐行錯誤
在智能CAD設計過程中，設計人員在屏幕上移動鼠標進行選點、畫線、選擇菜單項等簡單操作，而方案的生成、約束檢查和對象操作則由內部智能流程自動完成。
為了表達趨勢選擇問題中方案的初始狀態、運算和算子，應用了謂詞邏輯的表達式。圖3顯示了要建模的問題域。
通過給出每個謂詞的實例來定義所需的謂詞。
起點(A) A是起點。
終點(B) B是終點。
G是河的左岸最突出的部分。
橋(D) D是橋的位置控制點。
在(河，D)
控制點(F)
控制點(G)
路過(麻煩
地理區域，F) F在不良地質地段的外側。
通過(麻煩
地理區域，C)C點經過不良地質地段。
鏈接(A，c)點A與點c相連。
使用命題表描述路線方向問題的當前狀態。如果描述圖3所示的狀態，線路從A點開始，在D點架橋過河，從F點繞過地質不利地段，然後與B終端連接..描述該狀態的數據庫如下:
起點(A)
終點(B)
鏈接(A，D)
鏈接(D，F)
鏈接(F，B)
路過(麻煩某區地理，F)
橋(D)
在(河，D)
控制點(F)
控制點(G)
圖3線方向公式
在上面的數據庫中，大多數語句保持不變。在問題域中采取的每個動作只改變數據庫中的壹些語句。
以航空線路方案為線路初始狀態，此時線路通過不良地質。如果線路要繞過不良地質段，並通過不良地質段的右點F，則線路方案選擇過程可用以下語句描述:
刪除:直通(故障)
地理區域，C)
鏈接(A，C)
鏈接(C，B)
補充:路過(麻煩)
地理領域，F)
橋(D)
在(河，D)
鏈接(A，D)
鏈接(D，F)
鏈接(F，B)
在這個問題中，您想要執行的每個操作都可以用壹個添加表和壹個刪除表來表示。刪除表指示要從數據庫中刪除哪些語句以完成指定的動作，而添加表指示要將哪些語句添加到數據庫中。通過同樣的原理，可以表達趨勢選擇中其他問題的設計知識。
4平縱線形及線路方案的綜合比選
首先模擬人工定線的“引導線”原理，以平面航空折線為準平面生成鏈線平面，作為設計平面的輪廓線。以鏈線平面為“引導線”，用約束曲線擬合方法生成設計平面的初始值。基於線平面初始值，通過交互設計進行線平面和垂直面的交替設計。首先，設計線平面。根據設計的線路平面，計算機自動完成縱斷面坡度定線，顯示縱斷面，檢查平面定線效果。開挖量大的地方，把線移到地勢低的地方，否則，把線移到地勢高的地方。移動完成後，拉動縱坡，再次進行對中。重復以上過程，直到設計者滿意為止。在設計過程中，設計人員還可以在某壹階段調用平面和縱向平面的聯合優化模塊[3]，對線路方案進行局部優化。
基於線路設計智能CAD系統，提出了壹種考慮方案偏好信息的多方案多目標灰色關聯度決策模型。首先構建選線多方案綜合評價系統的多目標關聯度判斷矩陣，計算各方案的偏好信息量和客觀信息熵方案值。然後，基於方案的多目標關聯度判斷矩陣，考慮方案的主觀偏好和客觀真實性，建立最優決策模型。最後，采用層次分析法的思想，解決了自下而上的多層指標綜合選擇問題。
5示例
為了驗證所提出的方法的正確性和原型系統的功能，經過幾個實例的驗證，結果是令人滿意的，現列出其中壹個實例的壹節。
該段為平坦丘陵區，地形信息包括數字地形數據和地形圖位圖。首先，系統建立了壹個可視化的圖形交互設計環境。PIRLCAD系統可以通過打開位圖、打開DWG圖形和直接繪制等高線地形圖三種方式生成電子圖形。在本例中，在制定方向方案時使用位圖模式，在為局部方案詳細設置線條時使用DWG模式。本段共選取三個二級控制點，包括兩個車站控制點和壹個橋址控制點。在控制點A和B之間擬定了三個趨勢方案，分別命名為A1、A2和A3。各方案綜合比較見表2和表3，推薦方案為方案三(0.8775438+001)。
表2航空折線方案
序列號方案a1方案A2方案A3
x/m y/m x/m y/m x/m y/m
0 957 3 345 1 012 3 356 976 3 297
1 2 726 3 647 3 075 3 858 3 904 4 171
2 5 009 7 736 5 139 3 438 5 488 4 371
3 13 152 3 170 7 404 3 880 7 883 3 740
4 13 152 3 181 13 188 3 170
表3工程數量綜合比較
A1方案A2方案A3方案
項目單位數量轉換費/104元數量轉換費/104元數量轉換費/104元。
挖方104 m3 23.18 159.94 14.86 102.52 15.42 106.39。
填104 m3 22.33 154.08 19.44 134.11 23.16 159.82。
固定器104m 319.18 19.18 0.15 15.28 0.23 23.43333338+0.2004338
大中橋橋臺~ ml ~ 116 87.81 1 117 88.56 1 ~ 103 77.97
軌道km 12 725 254.50 12 368 247.37 12 854 257.10。
占地面積655.1.458.59，637.67，446.37，659.5338+0.68。
工程總造價為1.549 1.034 . 21.1.086 . 5438+07。
營業費用/萬元。年份-1 92.69 107.87 88.09
轉換項目運行費242.84 216.33 195.06。
隸屬向量為0.298 782 0.775 35 0.877 101。
6結束語
PIRLCAD系統是集圖形交互設計、優化分析、知識庫技術、數據庫技術和決策功能於壹體的集成系統。該系統采用面向對象編程語言開發，圖形處理、知識查詢推理、信息捕捉和線路優化設計可以同時進行。由於采用了面向對象和原型技術，這對於以後修改算法、擴展功能、完善系統和維護都非常方便。基於知識的智能CAD系統已被證明是實現計算機輔助鐵路選線設計的最佳選擇。
基金項目:鐵道部“九五”重點項目(96G30-G)
作者簡介:易思蓉(1957—)，女，四川成都人，教授，博士。
易思榮(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)
鄧育才(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)
[參考文獻]
〔1〕Rumbaugh J，Blaha M，Premerlani w，等.面向對象建模與設計〔M〕新澤西州恩格爾伍德克利夫斯:普倫蒂斯霍爾，1991。
〔2〕面向對象分析〔M〕。Yourdon出版社，1990:67~73。
鄧育才，易思蓉。鐵路線形平面與縱斷面聯合優化方法研究[J].西南交通大學學報，1988，(1)。