1、基于铁路线路设计与技术发展探讨摘要:本文阐述了线路设计技术的进步、创新与发展方向,就铁路线路设计标准的提高和不断发展提出铁路线路设计需解决的关键技术问题分析。 关键词: 铁路; 选线设计; 技术标准; 关键技术 中图分类号： F530.3 文献标识码： A 1、铁路线路设计标准发展和提高 1.1 铁路等级的划分与设计行车速度的提高 铁路等级的划分与线路的性质及其在路网中的作用、旅客列车设计行车速度和年客货运量等因素密切相关, 既要考虑铁路沿线的政治、经济、文化发展水平和近期年客货运量, 还要充分考虑线路在铁路网中地位和作用。列车行车速度关系到铁路的运输能力、机车车辆运用、工程投资、运输成本、经
2、济效益等一系列指标, 旅客列车设计行车速度需根据铁路运输性质、客流密度、地形地质条件并进行技术经济比选确定。一旦铁路等级确定, 旅客列车设计最高行车速度也基本确定。 随着铁路科学技术的发展, 技术装备水平的提高, 设计列车速度不断提高, 以满足人们对铁路运输快捷、舒适的要求, 客货列车共线运行级铁路的旅客列车最高设计行车速度由 120km/h 提高到了 160km/h, 为进一步提高运输质量、适应市场需求提供了保障。 1.2 铁路设计年度的调整 铁路客货运量的增长与国民经济的发展和人民生活水平的提高密切相关, 铁路建筑物和设备的能力应与客货运量相适应, 铁路建设既考虑分阶段加强以节约各期投资、
3、提高经济效益, 又考虑对线下基础设施和不易改扩建的建筑物和设备按一定时期的运输需求一次建成, 以适应发展。 线规明确规定了不同建筑物和设备能力的设计年度。以前的三版线规规定的设计年度为近、远期, 近期为交付运营后 5 年, 远期为交付运营后 10 年, 是根据当时我国国民经济的发展水平、经济增长方式、产业结构布局确定的, 也是符合实际的。近几年来, 随着国民经济的快速增长, 铁路客货运量稳步增长, 运输需求不断提高, 因此, 2006 年版的线规规定铁路设计年度近期为交付运营后第 10 年,远期为交付运营后第 20 年。充分体现了强本简末、服务运输、着眼发展的铁路建设理念, 以适应国民经济的持
4、续快速发展。 1.3 平面最小曲线半径大幅度提高 客货共线铁路平面圆曲线半径的大小是直接影响行车安全、列车速度和旅客乘坐舒适度的重要质量指标, 要结合行车速度、养护维修条件、地形地质条件等合理选用。线路最小曲线半径受铁路运输性质、列车运行安全、地形条件、工程经济等因素影响, 在最大超高、允许欠超高、允许过超高确定时, 一般按满足旅客列车最高行车速度要求和旅客舒适度与内外轨均磨条件要求计算确定。 新建时速 200 km 客货共线铁路设计暂行规定的颁布, 为旅客列车设计行车速度 200km/h、货物列车设计行车速度 120km/h 铁路的设计提供了标准法规, 为我国高标准客货共线铁路的建设奠定了基
5、础。 1.4 线路设计必须确保安全 随着旅客列车行车速度的提高, 对铁路运输的安全性要求也越来越高, 为了确保铁路安全运营, 线路设计要严格执行规范规定安全的强制性条文。 线规规定, 旅客列车设计行车速度 120km/h 及以上的路段, 铁路两侧必须设置隔离栅栏; 通过机动车的道路下穿铁路桥梁、涵洞时, 必须设置车辆通过限高标志和限高防护架; 铁路与道路立交的铁路桥或道路桥的桥上两侧应设置安全防护设施等。充分体现了以人为本的设计理念, 提高了铁路运输的综合效益。 2、线路设计技术的进步 铁路线路是一条由曲线、直线组成的空间三维线段, 传统设计中它被分解为平面、纵断面、横断面分别进行设计, 尤其
6、在地形陡峻、地质复杂的山区, 还需考虑路基横断面对线路位置的控制因素。传统设计手段以人工图板为主, 即采用人工采集地形图、纸上定线、人工点绘线路平面、纵断面、横断面图、描图员描图的设计方法, 劳动强度大、生产效率低、设计周期长, 影响了线路设计质量和铁路建设的进度。随着电子计算机技术的迅速发展, 以及计算方法、优化理论、模糊数学、灰色系统等许多新理论新方法的推陈出新, 给铁路选 线设计注入了新的活力。改革开放以来, 在采用计算机辅助进行选线设计方面取得了一系列突破性进展并广泛用于生产。如利用航测和其他测绘手段采集数据, 建立数字化测图系统, 建立用于选线设计的带状数字地面模型; 应用优化理论进
7、行线路平面、纵断面优化; 通过开发计算机软件系统进行铁路线路辅助设计等, 使线路平面、纵断面、横断面的分项设计都可以在计算机上完成并直接形成设计资料数字化, 真正实现了甩掉图板的梦想, 初步达到平、纵、横一体化设计的水平。对缩短勘测设计周期、提高勘测设计质量、优化设计方案、提高生产效率起到了显著作用。 3、线路设计技术的发展方向 10 多年来, 以 CAD 为主的设计方式在铁路线路设计领域中一直占有重要的地位, 然而 CAD 设计方式缺乏立体直观的效果 , 因而很难评估。一般的做法是借助专家感觉和经验来确定。尤其是在铁路勘测设计中, CAD 更是难以达到设计的立体效果。随着科学技术的不断进步,
8、 铁路选线设计学科也不断向前发展。虚拟现实技术的引入和数字摄影测量技术的广泛应 用, 使得基于三维虚拟地形环境的数字铁路选线成为可能。 今后, 铁路线路设计技术的发展目标, 是由三维设计环境向多维设计环境发展, 由计算机辅助设计向人工智能设计发展, 建成数字铁路选线专家系统。数字铁路选线专家系统以在数字摄影测量基础上建立的三维三角网数字地面模型为载体, 综合设计线路影响域内的政治、经济、国防、文化、城镇规划、工农业布局、自然环境、土地利用、工程地质、人工建筑以及设计项目的安全舒适、运营成本等多方面物理空间和非物理空间的因素, 形成具有多维数字化特征的线路设计仿真环境, 然后模仿工程师的专业设计
9、思维, 自动进行线路的平面、纵断面、横断面设计, 并以多维空间中的若干个目标作为决策因子, 进行线路方案的综合比较评价, 最终提供一个或多个比较优势方案, 包括各方案的主要工程数量、各个决策目标的权重值、各个设计方案的三维仿真效果等。数字铁路选线专家系统是众多行业专家设计经验的集成, 既是一个内容丰富的专业知识库, 又具有一定的人工智能能力。一旦建成数字铁路选线专家系统,能有效地将铁路选线设计与测绘技术、虚拟现实技术结合起来, 将会大大提高铁路选线设计的生产效率, 缩短工程设计周期, 产生重大社会效应和经济效益。数 字铁路选线系统的出现将标志着铁路选线设计技术的一次革新。 4、线路设计的关键技
10、术研究 4.1 各种影响因素的数字化 铁路线路方案的选择, 是一个复杂的对众多因素进行综合定性分析的过程, 在综合分析的基础上, 依据工程师的经验选择一个设计方案, 而计算机只能进行定量计算, 并将计算结果与给定的量化指标进行比较,再筛选一个或几个设计方案。因此, 有必要针对不同 的因素及其对线路设计的影响能力研究不同的数字化机制, 将对客观世界的定性描述转化为数学上的数字描述, 从而使相对于计算机的隐性信息显性化。如, 地球表面是一个非常复杂的曲面, 有起有伏, 有陡有缓,这是其定性特征。为了让计算机能够从铁路工程角度对地面进行数字分析, 我们用地面上的一组三维直角坐标点来表示地形, 这就是
11、地面的数字化。 4.2 建立各种因素的数字模型 数字模型是因素的数学表达形式, 在将各种因素数字化之后, 要使计算机能够快速、准确地使用这些数字化信息, 就必须对数字化信息(数据) 进行排列组织, 建立它们之间的拓扑和空间索引关系, 形成各种因素的数字模型。例如, 使相临的 3 个点形成 1 个三角形, 用该三角形确定的空间平面代表其所在区域的地表曲面, 所有三角形组成 1 个网, 就形成了三角网数字地面模型。 4.3 开发专家选线设计系统的数学模型前两项关键技术的研究为智能选线设计奠定了基础, 初步形成了可用于铁路设计的 GIS 系统。以 GIS系统为基础, 利用当今科技的硬件、软件和通信技
12、术,集成铁路设计规范, 融入众多行业专家丰富的设计经验, 使计算机具有一定的人工智慧, 从而可以自动完成线路方案设计。其中研究的重点是如何把专家的设计 经验转化成计算机程序, 即开发数字专家系统的数学模型, 实现智能化选线设计。 4.4 实现铁路勘测设计一体化 利用网络技术和工程数据库, 将各专业的 CAD 工作站联网, 做到信息互换, 资源共享。需开发勘测设计一体化管理信息系统, 包括具有一套以明确设计中各级审定部门责任的严密的电子文档签署权限功能; 需实现外业勘测资料信息化, 包括地质勘探资料的信息化; 需进行各专业设计软件的集成化, 包括统一各专业之间的技术术语, 建立统一的数据格式标准等; 以达到各专业在同一平台协同设计, 大幅提高设计质量和效率的目的。 参考文献: 1 GB J90 85, 铁路线路设计规范S . 2 铁路工程设计技术手册线路M. 北京: 中国铁道出版社, 1993. 3 詹振炎. 铁路选线设计的现代理论和方法M. 北京: 中国铁道出版社, 2001. 4 易思蓉. 基于虚拟环境系统的铁路选线设计技术J. 中国铁路, 2001(1) 46- 48
