铁路隧道智能辅助设计软件的研究与开发

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何守旺

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

摘 要：根据铁路隧道设计业务需求和已有隧道辅助设计软件的现状，提出基于变量化设计技术和专家系统方法开发铁路隧道智能辅助设计软件的方案。介绍变量化设计技术和基于专业知识的智能化设计的原理和实现实质，研究隧道设计对象的组成构件的参数化特征，在对组成构件的5个方面的特征进行详尽描述的基础上，建立参数化特征模型和洞身衬砌标准库，开发铁路隧道辅助设计软件，实现隧道的智能化设计。该软件完成后已在多条铁路干线上进行应用，工程应用表明，技术方案是可行的，提升了隧道设计效率和设计质量。

关键词：铁路隧道；智能辅助设计；变量化设计技术；参数化特征模型；洞身衬砌标准库

铁路隧道工程是铁路工程设计的主要设计对象之一。隧道设计内容繁多，主要包括洞身衬砌设计、纵断面设计、明洞设计、洞门设计、附属设施设计、施工进度设计、工程数量计算与汇总及长大隧道的辅助坑道的相关设计等[1]。隧道设计过程复杂，工程各部位、各工序设计相互关联，计算量大、绘图繁杂、工程数量汇总难。近些年来，国家大力发展铁路工程建设规模，尤其是高速铁路发展日益迅速，隧道设计任务量增大，已有的隧道辅助设计软件已经不能满足当前隧道设计的需求。

CAD技术经历了2D绘图、曲面造型、实体造型、参数化设计、变量化设计几个阶段，前几个阶段主要解决了设计对象的几何图形生成问题，而变量化设计技术，不仅解决了设计对象的图形问题，还解决了设计对象的实际工程含义的处理问题，并且利用其可以建立实际工程设计对象的完整参数化特征模型，实现图形对象与数据之间的双向关联，从而使设计过程更直观、更高效、更方便。因此，更新设计理念，从集成化、智能化方面研发基于变量化技术的铁路隧道辅助设计软件，对缩短设计周期，提高设计效率和设计质量，提升隧道设计标准化、流程化、规范化水平具有重要的意义。

1 现有的隧道辅助设计软件简介

1.1 现有隧道辅助设计软件的特点

20世纪90年代以来，随着CAD技术的发展，针对铁路和公路隧道的特点，我国研制开发了相应的隧道辅助设计软件，有些软件已经在实际的隧道设计项目中得到应用[2]，它们具有以下特点。

(1)以针对隧道单一设计内容而开发辅助设计软件为主，由于各个软件无法集成应用，设计数据难以交换和共享[3]。

(2)以参数化设计为主，主要解决设计对象的几何图形生成问题，设计人员通过调整设计对象的几何属性的关键参数来控制图纸的生成。无法实现图形对象与数据之间的双向关联，也没有解决设计对象的实际工程含义的处理问题。

(3)以CAD自动出图为主，缺少有限元结构分析功能，不能提供隧道荷载计算和受力分析，也无法实现隧道结构分析和设计成果出图在同一平台上进行的需求[2]。

1.2 铁路隧道智能辅助设计软件的开发目标

针对现有隧道辅助设计软件的特点，依据隧道工程设计实际需求，铁路隧道智能辅助设计软件的开发目标是：①对洞身衬砌设计、纵断面设计、材料计算与汇总3个方面进行深入开发，实现时速120～350 km的隧道横断面拟定、复合式衬砌设计、附属设施设计等，以及实现纵断面的标注栏的自定义，自动化绘制纵断面图；实现隧道工点的不同工程部位的主要工程数量计算与汇总；②从设计标准化、流程化、系统化入手，通过专家系统方法，建立基于特征的参数化洞身衬砌标准库，实现软件的集成化和智能化。

2 关键技术

2.1 变量化设计技术

变量化设计是计算机辅助设计的核心技术，它与参数化设计的基础都是尺寸驱动几何模型，通过修改尺寸来更改设计，不同之处是约束自由度的范围不同，变量化设计在约束定义方面做了根本性改变。它将参数化设计中的全尺寸约束细分为尺寸约束和几何约束，尺寸约束控制设计对象的几何形状，而几何约束就可以与设计对象的工程关系进行耦合处理[4]，实现基于装配关系的关联设计，能够更好地表达人的设计思维规则。

变量化设计技术是以设计对象的几何信息为基础，融入了设计对象的实际工程含义的描述、装配关系的描述、功能的描述、材料的描述等，其设计模型具备了设计对象完整的参数化特征信息[5]。对于一个工程设计对象而言，要完整描述它不能仅限于描述它的几何信息，还需要描述它的装配关系、功能特征、材料特征等。所谓特征就是指工程设计对象的参数化信息，而这些特征正是面向对象的设计方法在CAD领域中的应用。因此，特征设计是变量化设计的核心内容，对于不同的应用领域，设计人员面向的设计对象不同，因而描述设计对象所需要的特征信息也是不同的[5]，具体见图1。对于铁路隧道设计对象，一般应该描述其管理特征、几何特征、材料特征、功能特征、装配特征。

图1 基于特征的变量化设计

2.2 参数化特征模型

铁路隧道设计重点主要包括洞身衬砌设计、纵断面设计和洞口设计[6]，在CAD设计平台上对这些设计对象进行表述的过程中，针对每个特定的设计对象的组成构件，都需要详尽描述以下5个方面的特征，包括：①管理特征，用于描述构件的管理信息，如项目信息、衬砌类型、开挖方式等；②几何特征，用于描述构件的几何尺寸信息；③材料特征，用于表达构件的材料类型、性能等信息；④功能特征，用于描述构件的实际工程作用，如单压式明洞的大边墙起抵抗偏压靠山侧的推力和收坡的作用；⑤装配特征，用于描述构件之间的几何拓扑关系。隧道参数化特征模型见图2。

图2 隧道参数化特征模型

为将上述不同的特征信息集成到一个统一的模型当中，需要合理确定和划分所设计对象的组成构件以及其粒度大小，将所有构件的特征信息进行抽象，通过对每个构件的设计参数和工程属性信息的详尽描述，建立基于特征的统一而完备的信息模型。为保证模型数据的一致性，采用工程数据库为存储系统，实现基于项目信息下的隧道设计参数和工程数量存储以及其他相关信息的可视化管理，从根本上解决隧道各个设计环节的数据交换和共享问题。

2.3 基于专业知识的智能化设计

工程设计是面向约束的，涉及个人施加的主观约束和基本自然定律给定的约束等方面，工程设计过程就是要识别相关约束并满足这些约束条件。对约束进行预先有效的处理可以加速设计过程，这正是专家系统可以完成的任务[7]。对于隧道设计来说，要实现基于专业知识的专家系统，重点是建立专业的知识库，并且以洞身衬砌设计的知识库为核心。

洞身衬砌设计是隧道设计的重要内容之一，属于主体工程的范围，主要包括隧道横断面的拟定(断面形状、断面尺寸)、复合式衬砌设计及单位工程数量的计算[8]。由于它与隧道建筑限界、结构受力条件、施工方法等多方面相关，导致其几何图形结构复杂多变，呈不规则性。这主要体现在构成断面图形的点、直线、圆弧基本元素之间存在着相切、共线、平行、垂直、共点等复杂的几何约束关系以及距离、角度、直径等尺寸约束关系。洞身衬砌的工程关系约束就需要与几何约束进行耦合处理，并依靠装配关系来实现各个工程部位的关联设计，这属于变量化设计的范畴，为此，知识库需要建立成为基于特征的参数化洞身衬砌标准库。

搭建基于专业知识的专家系统结构，依据不同速度目标值的隧道衬砌通用图，用户输入内外轮廓拟定参数、复合式衬砌支护参数、附属设施设计参数，完成洞身衬砌设计，以此形成知识库。并且，对已经完成的设计项目，按照入库操作，就能自动充实专家系统的内容。实现对已完成项目或者同一项目已完成阶段的设计成果的引用，新项目在引用成果的基础上再做新的设计。因此，将专业知识融入到工程设计对象中，用专业设计方法来约束设计对象的修改，将减少出错几率，使得设计自动化和智能化。同时，为重复性的工程设计提供大量的实际工程设计信息，可极大地提高设计效率和设计质量。

3 铁路隧道智能辅助设计软件的开发

根据上述技术要点，在AutoCAD平台上，采用Microsoft Visual Studio作为开发工具，利用ObjectARX二次开发方式，引入变量化设计技术，开发铁路隧道智能辅助设计软件，以实现铁路隧道的智能化设计。

3.1 系统组成

铁路隧道智能辅助设计软件涵盖隧道设计的常规内容，其中以衬砌设计、纵断面设计、洞门设计、材料计算与汇总为重点，其系统体系结构如图3所示。

图3 铁路隧道智能辅助设计软件的体系结构

如图3所示，铁路隧道智能辅助设计软件的体系结构由表示层、业务逻辑层、数据访问层和数据层4个层次组成。

(1)表示层：主要作用是向用户提供一个与系统交互的平台，用户进行相应的操作将启用业务逻辑层的相关功能。

(2)业务逻辑层：主要对应软件的各个核心功能模块，如洞身衬砌设计、附属设施设计、拱形明洞设计、工程数量计算与汇总等；通过调用其下层的数据访问层来实现应用数据的读取控制，向上支持表示层功能的实现。

(3)数据访问层：通过文件访问接口、数据访问和操作接口方式实现对底层存储数据的访问，对其上层提供访问接口。

(4)数据层：支持数据库、文本文件及Excel格式文件，提供永久数据支持。

3.2 隧道参数化特征模型建立

对于铁路隧道设计对象而言，需要建立设计对象与各种约束之间的关系。为此，依据构件实体粒度大小对设计对象进行划分，细分各种组成构件，对于每一个构件，都需要分析其5个方面的特征，通过特征描述建立隧道参数化特征模型。在此基础上，通过不断调整输入的特征参数，按确定的尺寸约束和几何约束关系，控制输出图形的生成，从而大幅度地提高工作效率。

下面以单压式明洞的大边墙构件为例，其参数化特征见表1。

3.3 洞身衬砌标准库

基于特征的参数化洞身衬砌标准库是对软件智能设计的支撑，它作为软件的知识库，其中，知识的获取途径主要是通用图和已经完成的设计项目，知识库的内容主要包括5个方面，具体内容见表2，主界面见图4。

表1 单压式明洞的大边墙参数化特征

项目说明管理特征材料特征功能特征装配特征几何特征项目名称当前设计项目名称,如“XXX线增建二线”明洞类型一般结构形式的拱形明洞类型衬砌断面名称当前设计拱形明洞基本衬砌断面名称,如“Ⅳ级加强—有砟—有仰拱—单压式明洞”开挖方式明洞衬砌开挖方式,包括“拱脚”,“最大跨”和“墙脚”外侧边墙建筑材料,如“C30混凝土”内侧边墙建筑材料,如“C30混凝土”,“C35钢筋混凝土”地表铺砌建筑材料,如“M10浆砌片石”大边墙一是抵抗偏压靠山侧的推力,另外起到顶部填土时收坡作用dx大边墙到明洞拱圈底座的距离hTkh2W1W2H1w1w2h1

表2 洞身衬砌标准库内容

标准库内容说明衬砌断面拟定库按照隧道类型、道床类型、速度目标值、围岩级别建立一般断面与锚段断面的拟定库复合式衬砌设计库包含喷锚支护设计、工字钢架设计、H型钢架设计、格栅钢架设计、衬砌配筋设计、底板配筋设计附属设施设计库包含水沟、电缆槽、防排水等拱形明洞衬砌设计库包含路堑对称式、偏压式、单压式明洞的衬砌设计数据接口库包含特殊断面单位工程数量、各种附属洞室的工程数量

图4 洞身衬砌设计主界面

知识表达与推理策略则依靠隧道建筑限界区分，将其与速度目标值断面拟定算法动态关联，不同的隧道建筑限界，映射不同的断面拟定的数学计算模型，完成不同的衬砌横断面的拟定。对整个洞身衬砌标准库的使用，主要实现对已完成项目、同一项目的已完成阶段的设计成果的引用，包括对洞身衬砌设计(内外轮廓拟定、复合式衬砌、工字钢架、格栅钢架、H型钢架、二次衬砌配筋等)、附属设施设计、各种数据接口(附属洞室、超期支护、临时支护等)等设计成果的直接引用，新项目在引用成果的基础上再做新的设计。

3.4 软件系统的主要特点

铁路隧道智能辅助设计软件是基于变量化设计技术的集成化与智能化辅助设计软件，它与传统的隧道辅助设计软件相比，具有以下特点。

(1)隧道建筑限界管理与横断面拟定算法动态关联：收录现有不同速度目标值的隧道建筑限界，将其与速度目标值断面拟定算法动态关联，并预留了添加新的隧道建筑限界的接口，提高了程序的扩展性。

(2)设计对象之间数据无缝衔接：由于隧道衬砌几何约束和工程约束多而复杂，通过合理确定和划分所设计对象的组成构件以及其粒度大小，建立参数化特征模型和隧道组成构件之间数据接口，从根本上解决各个设计环节的数据交换，为实现连续化设计创造了必要条件。

(3)纵断面标注栏自定义设计：通过设计隧道纵断面标注栏控件，实现标注栏内容与数据库的动态关联，完成标注栏的自动填充绘制。

4 结语

将变量化设计技术和专家系统方法应用到铁路隧道辅助设计中，建立参数化特征模型和洞身衬砌标准库，能够实现设计对象的几何约束与工程关系的耦合处理，解决设计对象的图形问题和设计对象的实际工程含义的处理问题。而且，通过铁路隧道智能辅助设计软件在兰合铁路、格库铁路、黔张常铁路等隧道设计工作中的应用，表明该软件符合隧道专业设计的实际需求，实现了铁路隧道的关联设计和智能化设计，提高了设计效率和设计质量，技术方案可供同行参考。

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Research and Development of Intelligence Aided Railway Tunnel Design Software

HE Shou-wang

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：This paper puts forward a solution of developing the intelligence aided software for the design of the railway tunnel based on variational design technology and the expert system according to design business requirements of the railway tunnel and current situation of existing tunnel design software. It introduces variational design technologies and principles and implementation of intelligence design based on professional knowledge and studies the parametric features of the members of the tunnel design objects. It also establishes the parametric feature model and the tunnel lining standard library on the basis of detailed description in five aspects of the members and develops aided railway tunnel design software to fulfill intelligence design of the tunnel. This software has been completed and applied to multiple railroad lines and the engineering applications show that this technical solution is feasible and improves the efficiency and quality of the tunnel design．

Key words：Railway tunnel; Intelligence aided design; Variational design technology; Parametric feature model; Tunnel lining standard

收稿日期：2016-05-18

基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研开发计划项目 (院科12-14)

作者简介：何守旺(1983—)，男，工程师，2006年毕业于兰州大学数学与应用数学专业，主要从事铁路行业计算机辅助设计软件研究与开发，E-mail：[email protected]。

文章编号：1004-2954(2016)12-0085-04

中图分类号：U451

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.019