多耦合约束条件下铁路站场总体布置图自动生成方法研究

王许生，蒲浩，张恬，李伟，王雷



多耦合约束条件下铁路站场总体布置图自动生成方法研究

王许生1, 2，蒲浩1, 2，张恬3, 4，李伟1, 2，王雷1, 2

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；3. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；4. 轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043)

针对铁路站场总体布置图绘制时多耦合约束的难点，基于分阶段处理耦合约束的思想，提出“断面扫描法”处理设备坐标的相对位置约束，而后将“自适应分段多比例法”用于解决比例协调约束，在最后的约束调整过程中，应用“相交可行域法”，实现道岔及股道相关约束的自动处理。该研究可快速建立站场设备从原方案到总体布置图的坐标映射，实现满足所有约束条件的总体布置图的自动生成。研究成果已在若尔盖、开原西等多个站场设计中成功应用。

铁路站场；总体布置图；耦合约束；坐标映射

铁路站场专业承上启下，是站后专业设计的“龙头”。在铁路站场的设计研究中，平面设计是关键和核心[1−4]，而站场总体布置图又是站场平面方案的精髓，反映站场形态、线路布置情况、道岔坐标相对位置、警信布设等，是站场方案决策时的重要参照，行车调度的重要依据，站场车站表出图以及通信信号等站后专业进行工程设计的基础图形[5]。站场总体布置图所要表达的设备众多，设备之间的耦合约束关系复杂，在绘制时需要满足多项约束关系，包括股道交点转向约束，设备之间在里程和支距方向上的坐标相对位置约束，道岔相对于所在股道的附着约束，道岔岔心始终与股道起点或终点重合约束，股道间平行关系约束，非立交股道之间不交叉约束。同时，总体布置图需要兼顾美观性要求，需保证站场上、下行咽喉区与到发线有效长段之间的协调比例。站场总体布置图的传统绘制方式是通过设计人员进行手工绘制，设计效率低，重复工作多。随着AutoCAD二次开发技术的发展，一些学者为了提高总体布置图的绘制效率对其绘制方式进行了改进研究[6−13]。刘实秋[6]提出了铁路信号设计一体化系统设想，采用模块化设计方法实现了信号平面图的自动生成；安春兰[7]基于站场设备图元的思想实现了铁路车站信号平面布置图计算机辅助设计；吕亚辉[8]依据计算机图形自动识别与判定思想，完成了铁路信号设计所需的双线轨道电路图的生成。这些研究对于改善信号平面图的绘制方式，提高其绘制效率方面具有非常积极的意义，同时对本文的研究也具有一定的参考价值。然而以上研究主要在于铁路站场信号平面布置图生成方面，主要是依据站场二维设计图纸，通过人工识别站场设备，将站场设备，如各种类型的信号机、道岔、车挡等设计成标准图块的形式，然后采用手工插入设备图块以及手工绘制图块间连线的方式绘制，设计效率较低。在站场方案修改时，总体布置图需要重新手工绘制，操作难度大。随着铁路的高速发展，站场设计任务日益繁重，迫切需要站场总体布置图的准确、快速生成，而现有的技术无法满足该需求，故开展铁路站场总体布置图的自动生成方法研究具有很好的工程意义。

1 研究模型及思路

铁路站场设备众多，从形态上可分为点状设备(如：道岔、车挡、信号机等)、线状设备(如：股道、围墙等)、面状设备(如：站台、房屋等)。由于点是构成线、面的基础，比如由股道的交点可以得到股道的几何线形，由站台的边界点可以得到站台边界线，从而创建出站台面。因此总体布置图绘制的重要目标在于得到站场设备点从原设计图到总体布置图的坐标映射，并且该映射需要满足多种耦合约束条件，如图1所示。

图1 坐标映射及约束

()表示站场原方案中设备点坐标的里程和支距，()表示总体布置图中对应的设备点坐标的里程和支距。

映射()需要满足的约束条件如下：

C-1：站场设备之间在里程和支距方向上的相对位置约束；

C-2：兼顾美观性，咽喉区与到发线有效长段比例协调约束；

C-3：道岔相对于所在股道的附着约束；

C-4：股道交点转向与站场原方案一致约束；

C-5：道岔岔心始终与股道起点或终点重合 约束；

C-6：股道间平行关系约束；

C-7：非立交股道间不交叉约束。

图2 铁路站场总体布置图自动生成研究思路

由于求解坐标映射()时需要考虑的约束条件较多，并且以上约束条件难以同时处理，给求解工作带来了很大的难度。为解决该问题，提出了“三阶段约束处理法”，分阶段处理复杂的耦合约束，最终满足总体布置图所需考虑的所有约束，保证总体布置图与站场原方案逻辑关系的一致性。

第1阶段处理C-1约束，即站场设备之间的相对位置约束；

第2阶段处理C-2约束，即咽喉区与到发线有效长段比例协调约束；由于在站场原方案中，咽喉区与到发线有效长段在长度上可能有很大的差异，为兼顾总体布置图的协调美观，各段无法采用统一的比例。因此在处理该约束时，本文对原方案进行分段，提出“自适应分段多比例法”，提升了总体布置图的协调性和美观性。

第3阶段处理C-3，C-4，C-5，C-6和C-7约束，该阶段约束处理之后，可使生成的站场总体布置图满足股道交点转向与原方案一致、满足道岔相对于所在股道的附着约束以及股道间不交叉等 约束。

铁路站场数字化设计系统是中铁一院与中南大学联合开发的一款站场数字化设计系统，该系统的一大特色便是建立了站场专业数据库，实现了图形与数据的双向联动，同时随着铁路站场专业数据库的建立，本文依据站场设计成果数据库，实现了总体布置图的一键式自动生成，避免了繁琐的手工绘制操作，并且在站场方案更改时，可实现总体布置图与原方案之间图形、数据的实时准确联动，显著提高了设计效率。

2 实现方法

2.1 总体基线生成

在铁路站场的设计过程中，“基线”是站场设备的坐标参照。对于多条基线存在的站场方案，其中的任一条基线都无法作为所有设备的坐标参照，因此需要设定新基线，并将其作为站场所有设备的坐标参照基线。读取站场设计成果数据库，计算非渡线股道各交点的方位角，选取方位角最多的方向作为新的基线方向创建站场原方案的新基线baseline-general，并将站场所有设备转化为相对于新基线baseline-general的坐标参照。

2.2 断面扫描法建立基线法向支距映射

站场总体布置图需要保证设备间在里程和支距方向上正确的相对位置关系，故在本阶段约束处理时采用“断面扫描法”生成桩号−设备点(-)数组，并对设备点进行分析，生成支距−设备点(-)数组。记录各设备点的里程和支距，从而在绘制总体布置图时保证设备间正确的相对位置关系。

“断面扫描法”是指汇总站场股道所有交点、站台边界点以及车站中心点相对于新基线baseline- general的里程桩号生成桩号数组，而后沿各桩号处扫描设备生成-数组。具体步骤如下。

1) 选取站场股道交点桩号、站台边界点桩号以及站中心桩号生成桩号数组，中M表示各里程桩号，表示桩号数组中桩号的总数目。

由于站场中的股道包括非渡线股道以及渡线股道两类，道岔是股道的起点或终点，车挡是股道的终点，故所有的股道交点包括了所有的道岔点和车挡点。因此，在总体布置图绘制时，数组中的股道交点桩号可实现快速绘制股道几何形位，同时可准确定位道岔和车挡的位置；站台边界点桩号和站中心桩号可便于布置图中站台以及站中心标志的绘制。

2) 提取断面设备，生成-数组。循环桩号数组，依次沿各里程桩号处切线方向做扫描线与站场设备求交(如图3所示)，生成该里程桩号处的设备点数组，为保证正确的相对位置，对中设备点按支距从小到大排序。其中E表示设备点，并且记录其属性(如股道交点或站台点等)，表示设备数组中设备点的总数目。每个桩号均对应一个设备点数组，最终生-数组。

对生成的-数组中所有的设备点按照支距进行分组，建立-数组，该操作的目的在于可以将平行股道的交点归纳到一个支距数组中，便于平行股道的识别。

D表示支距；表示支距数组中支距的总数目，每一个支距数组对应一个设备点数组。分析建立的-数组，查找平行股道对应的支距数组，并根据总体布置图相邻平行股道间的间距标准设定平行股道在总体布置图上的新支距，建立支距映射。

2.3 自适应分段多比例法建立基线里程方向映射

总体布置图需要兼顾美观性的要求，并且需要考虑上下行咽喉区与到发线有效长段的协调，因此对整体方案无法采用统一的比例量化。本文提出“自适应分段多比例法”，对站场原方案进行分段处理(如图4所示)，并依据总体布置图图幅长度计算各分段对应的比例，创建出站场设备从原方案到示意图的里程映射。

图3 “断面扫描法”示意图

图4 站场原方案分段

区段S1表示站场下行咽喉区之外的区域，Length1表示该段长度；

区段S2表示站场下行、上行咽喉区以及站坪区区域，Length2表示该段长度；

区段S3站场上行咽喉区之外的区域，Length3表示该段长度。

为兼顾上下行咽喉区与咽喉区间到发线有效长段之间的协调，在总体布置图上对区域S2进行三等分处理，即：

各分段的比例如下：

原方案中各分段起、终点里程以及对应的长度如表1所示。

表1 原方案各分段信息

2.4 相交可行域法修正初步映射

由于上述过程建立的初步映射1()未考虑股道交点转向约束、道岔相对于所在股道的附着约束等，因此由1()直接绘制的总体布置图无法满足所有的耦合约束条件，因此需要对初步映射1()进行修正从而得到坐标最终映射。

1) 将道岔点相对于所在股道进行投影处理，修正道岔点的坐标，从而满足道岔相对于所在股道的附着约束；

2) 总体布置图中股道交点转向可能与原方案中不一致，如图5所示。原方案中股道交点的转向为左转，而总体布置图中对应的交点的转向为右转，因而需要对总体布置图中的交点的转向进行修正，使其与原方案中对应点的转向一致。

图5 股道交点转向约束

在修正股道交点转向的过程中需要保证股道间不交叉以及股道之间的平行关系不变。由于修正股道交点时会导致当前股道几何形位发生变化，从而会影响到该股道上的道岔以及道岔的引出股道，为了提高运行效率，同时避免无效的股道交点修正，在股道交点修正时应遵循从中心股道向两侧的股道修正的顺序，约束处理流程如图6所示。

图6 约束处理流程

在修正过程中，需要检测交点转向是否与原方案一致，可先将当前交点的里程支距坐标转换成经纬度坐标，而后利用式(6)进行检测：

式(6)为检测总体布置图中交点转向的公式。其中，点，和为布置图上某股道相邻的3个交点，分别对应与原方案中的交点，和。

交点转向是否满足一致性要求可用上式检测：若0则满足要求，否则不满足。

当转向不满足要求时，需要对交点转向进行修正。修正时，采用“相交可行域法”[14−15]确定满足转向要求的交点可动区域，考虑到需要兼顾股道不交叉的约束，因此在可动区域内查找与修正前点位最接近的点作为修正后的位置。若当前交点与前一交点在原方案中处于同一-数组中，则调整后的交点在布置图上的支距也应与前一交点相同，从而满足股道的平行约束。

“相交可域法”是采用可行域相交的方法求解出当前交点可动区间的一种方法，具体过程如下：

如图7中所示，点E为当前需要修正的股道交点，其股道的前一交点为点。

1) 根据点E所在的-数组可以得到点E相邻的两点E−1和E+1对应的支距Dist−1和Dist+1，据此可得可行域：

4) 计算交点可行域：

在交点可行域Section内选择与点E位置最接近的点作为修正之后的位置，交点位置修正后，将前一交点与后一交点之间的股道段落上的道岔点重新投影。

图7 “相交可行域法”示意图

待所有的股道交点修正完成之后，即可建立起原方案到总体布置图设备之间坐标的最终映射()。

2.5 总体布置图绘制

利用式(7)中的()映射将原方案中的设备点里程支距坐标(股道交点坐标、道岔坐标、车挡坐标等)映射出总体布置图上的里程支距坐标，而后根据总体布置图基线baseline-local将里程支距坐标转化成经纬度坐标，而后根据设备点经纬度坐标以及将设备点之间连线完成总体布置图的绘制。

3 案例分析

本文研究的总体布置图自动生成方法已在若尔盖、开原西、新西安南站等65个铁路站场算例的车站表出图以及通信信号示意图出图中测试通过。本文以若尔盖算例为例，对总体布置图的自动生成方法进行分析，介绍本研究的优势和先进性。

若尔盖车站原方案如图8所示。

1) 经过断面扫描获取支距映射之后，可使总体布置图满足设备间的相对位置约束，如图9所示；由图9可知，生成的总体布置图上下行咽喉区与到发线有效长段之间比例不协调，因此需要对总体布置图进行第2阶段约束处理，使其满足比例协调 约束。

2) “自适应分段多比例法”解决了比例协调问题，约束处理后的布置图如图10所示；虽然该图所示的总体布置图兼顾了比例协调约束，提高了布置图的可观效果，但是对布置图的细节进行检查时发现，布置图中股道的交点转向约束、道岔相对于所在股道的附着约束等无法满足，详细情况如图11所示，因此需要对布置图进行第3阶段的约束处理，处理后图形如图12所示。

3) 经过第3阶段约束处理之后，可使总体布置图满足所有的约束条件，生成逻辑关系与站场原方案一致，且比例协调的铁路站场总体布置图。

“三阶段约束处理法”采用分阶段处理约束的思想，最终实现耦合约束的全部满足，从而生成逻辑关系与原方案一致，且满足所有约束的铁路站场总体布置图。本次选用的若尔盖站场算例自动生成的站场总体布置图如图13所示。经检查，该图满足了站场总体布置图所需满足的所有耦合约束 条件。

图8 若尔盖原方案

图9 处理相对位置约束后的布置图

图10 满足比例协调后的布置图

图11 约束处理前图形

图12 约束处理后图形

图13 若尔盖车站总体布置图

4 结论

1) 提出了“三阶段约束处理法”，将总体布置图中复杂的耦合约束进行分阶段处理，最终实现所有约束条件的满足。

2) 提出了“断面扫描法”、“自适应分段多比例法”以及“相交可行域法”，利用“断面扫描法”初建坐标支距映射、“自适应分段多比例法”初建坐标里程映射，“相交可行域法”修正有误的股道转向点，最终建立起满足所有约束条件的坐标 映射。

3) 大量站场实例验证了本文方法可一键式生成满足众多耦合约束条件的站场总体布置图，提高了设计效率。

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Research on automatic generation of railway station overall layout under multi-coupling constraints

WANG Xusheng1, 2, PU Hao1, 2, ZHANG Tian3, 4, LI Wei1, 2, WANG Lei1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China; 3. China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd, Xi’an 710043, China; 4. State key Laboratory of Rail Transit Engineering Information, Xi’an 710043, China)

Aiming at the difficulties of multi-coupling constraints when drawing the overall layout of railway station and based on the idea of staging the coupling constraint in the railway station, this paper firstly proposed the method of “cross-sectional scanning” to deal with the relative position constraints of equipment coordinates, then used “adaptive segmentation and multi-proportion method” to solve the scale coordination constraint, and finally, in the process of constraint adjusting, the “intersecting feasible domain” was applied to realize the automatic processing of the turnout and orbit-related constraints. This method can build the coordinate mapping of the railway station equipment from the original plan to the overall layout quickly, and finally, generate the overall layout that satisfies all the constraints automatically. These research results have been applied in the design of several railway stations, such as Kaiyuanxi station and Ruoergai station successfully.

railway station; overall layout; coupling constraints; coordinate mapping

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.032

U291.1

A

1672 − 7029(2019)01 − 0239 − 10

2017−12−20

国家自然科学基金资助项目(51608543，51778640)；湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ3382)

李伟(1984−)，男，江西进贤人，讲师，博士，从事铁路线站数字化设计理论与方法研究；E−mail：leewei@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)