何守旺
(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)
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鐵路隧道智能輔助設計軟件的研究與開發(fā)
何守旺
(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)
根據(jù)鐵路隧道設計業(yè)務需求和已有隧道輔助設計軟件的現(xiàn)狀,提出基于變量化設計技術和專家系統(tǒng)方法開發(fā)鐵路隧道智能輔助設計軟件的方案。介紹變量化設計技術和基于專業(yè)知識的智能化設計的原理和實現(xiàn)實質,研究隧道設計對象的組成構件的參數(shù)化特征,在對組成構件的5個方面的特征進行詳盡描述的基礎上,建立參數(shù)化特征模型和洞身襯砌標準庫,開發(fā)鐵路隧道輔助設計軟件,實現(xiàn)隧道的智能化設計。該軟件完成后已在多條鐵路干線上進行應用,工程應用表明,技術方案是可行的,提升了隧道設計效率和設計質量。
鐵路隧道;智能輔助設計;變量化設計技術;參數(shù)化特征模型;洞身襯砌標準庫
鐵路隧道工程是鐵路工程設計的主要設計對象之一。隧道設計內容繁多,主要包括洞身襯砌設計、縱斷面設計、明洞設計、洞門設計、附屬設施設計、施工進度設計、工程數(shù)量計算與匯總及長大隧道的輔助坑道的相關設計等[1]。隧道設計過程復雜,工程各部位、各工序設計相互關聯(lián),計算量大、繪圖繁雜、工程數(shù)量匯總難。近些年來,國家大力發(fā)展鐵路工程建設規(guī)模,尤其是高速鐵路發(fā)展日益迅速,隧道設計任務量增大,已有的隧道輔助設計軟件已經不能滿足當前隧道設計的需求。
CAD技術經歷了2D繪圖、曲面造型、實體造型、參數(shù)化設計、變量化設計幾個階段,前幾個階段主要解決了設計對象的幾何圖形生成問題,而變量化設計技術,不僅解決了設計對象的圖形問題,還解決了設計對象的實際工程含義的處理問題,并且利用其可以建立實際工程設計對象的完整參數(shù)化特征模型,實現(xiàn)圖形對象與數(shù)據(jù)之間的雙向關聯(lián),從而使設計過程更直觀、更高效、更方便。因此,更新設計理念,從集成化、智能化方面研發(fā)基于變量化技術的鐵路隧道輔助設計軟件,對縮短設計周期,提高設計效率和設計質量,提升隧道設計標準化、流程化、規(guī)范化水平具有重要的意義。
1.1 現(xiàn)有隧道輔助設計軟件的特點
20世紀90年代以來,隨著CAD技術的發(fā)展,針對鐵路和公路隧道的特點,我國研制開發(fā)了相應的隧道輔助設計軟件,有些軟件已經在實際的隧道設計項目中得到應用[2],它們具有以下特點。
(1)以針對隧道單一設計內容而開發(fā)輔助設計軟件為主,由于各個軟件無法集成應用,設計數(shù)據(jù)難以交換和共享[3]。
(2)以參數(shù)化設計為主,主要解決設計對象的幾何圖形生成問題,設計人員通過調整設計對象的幾何屬性的關鍵參數(shù)來控制圖紙的生成。無法實現(xiàn)圖形對象與數(shù)據(jù)之間的雙向關聯(lián),也沒有解決設計對象的實際工程含義的處理問題。
(3)以CAD自動出圖為主,缺少有限元結構分析功能,不能提供隧道荷載計算和受力分析,也無法實現(xiàn)隧道結構分析和設計成果出圖在同一平臺上進行的需求[2]。
1.2 鐵路隧道智能輔助設計軟件的開發(fā)目標
針對現(xiàn)有隧道輔助設計軟件的特點,依據(jù)隧道工程設計實際需求,鐵路隧道智能輔助設計軟件的開發(fā)目標是:①對洞身襯砌設計、縱斷面設計、材料計算與匯總3個方面進行深入開發(fā),實現(xiàn)時速120~350 km的隧道橫斷面擬定、復合式襯砌設計、附屬設施設計等,以及實現(xiàn)縱斷面的標注欄的自定義,自動化繪制縱斷面圖;實現(xiàn)隧道工點的不同工程部位的主要工程數(shù)量計算與匯總;②從設計標準化、流程化、系統(tǒng)化入手,通過專家系統(tǒng)方法,建立基于特征的參數(shù)化洞身襯砌標準庫,實現(xiàn)軟件的集成化和智能化。
2.1 變量化設計技術
變量化設計是計算機輔助設計的核心技術,它與參數(shù)化設計的基礎都是尺寸驅動幾何模型,通過修改尺寸來更改設計,不同之處是約束自由度的范圍不同,變量化設計在約束定義方面做了根本性改變。它將參數(shù)化設計中的全尺寸約束細分為尺寸約束和幾何約束,尺寸約束控制設計對象的幾何形狀,而幾何約束就可以與設計對象的工程關系進行耦合處理[4],實現(xiàn)基于裝配關系的關聯(lián)設計,能夠更好地表達人的設計思維規(guī)則。
變量化設計技術是以設計對象的幾何信息為基礎,融入了設計對象的實際工程含義的描述、裝配關系的描述、功能的描述、材料的描述等,其設計模型具備了設計對象完整的參數(shù)化特征信息[5]。對于一個工程設計對象而言,要完整描述它不能僅限于描述它的幾何信息,還需要描述它的裝配關系、功能特征、材料特征等。所謂特征就是指工程設計對象的參數(shù)化信息,而這些特征正是面向對象的設計方法在CAD領域中的應用。因此,特征設計是變量化設計的核心內容,對于不同的應用領域,設計人員面向的設計對象不同,因而描述設計對象所需要的特征信息也是不同的[5],具體見圖1。對于鐵路隧道設計對象,一般應該描述其管理特征、幾何特征、材料特征、功能特征、裝配特征。
圖1 基于特征的變量化設計
2.2 參數(shù)化特征模型
鐵路隧道設計重點主要包括洞身襯砌設計、縱斷面設計和洞口設計[6],在CAD設計平臺上對這些設計對象進行表述的過程中,針對每個特定的設計對象的組成構件,都需要詳盡描述以下5個方面的特征,包括:①管理特征,用于描述構件的管理信息,如項目信息、襯砌類型、開挖方式等;②幾何特征,用于描述構件的幾何尺寸信息;③材料特征,用于表達構件的材料類型、性能等信息;④功能特征,用于描述構件的實際工程作用,如單壓式明洞的大邊墻起抵抗偏壓靠山側的推力和收坡的作用;⑤裝配特征,用于描述構件之間的幾何拓撲關系。隧道參數(shù)化特征模型見圖2。
圖2 隧道參數(shù)化特征模型
為將上述不同的特征信息集成到一個統(tǒng)一的模型當中,需要合理確定和劃分所設計對象的組成構件以及其粒度大小,將所有構件的特征信息進行抽象,通過對每個構件的設計參數(shù)和工程屬性信息的詳盡描述,建立基于特征的統(tǒng)一而完備的信息模型。為保證模型數(shù)據(jù)的一致性,采用工程數(shù)據(jù)庫為存儲系統(tǒng),實現(xiàn)基于項目信息下的隧道設計參數(shù)和工程數(shù)量存儲以及其他相關信息的可視化管理,從根本上解決隧道各個設計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)交換和共享問題。
2.3 基于專業(yè)知識的智能化設計
工程設計是面向約束的,涉及個人施加的主觀約束和基本自然定律給定的約束等方面,工程設計過程就是要識別相關約束并滿足這些約束條件。對約束進行預先有效的處理可以加速設計過程,這正是專家系統(tǒng)可以完成的任務[7]。對于隧道設計來說,要實現(xiàn)基于專業(yè)知識的專家系統(tǒng),重點是建立專業(yè)的知識庫,并且以洞身襯砌設計的知識庫為核心。
洞身襯砌設計是隧道設計的重要內容之一,屬于主體工程的范圍,主要包括隧道橫斷面的擬定(斷面形狀、斷面尺寸)、復合式襯砌設計及單位工程數(shù)量的計算[8]。由于它與隧道建筑限界、結構受力條件、施工方法等多方面相關,導致其幾何圖形結構復雜多變,呈不規(guī)則性。這主要體現(xiàn)在構成斷面圖形的點、直線、圓弧基本元素之間存在著相切、共線、平行、垂直、共點等復雜的幾何約束關系以及距離、角度、直徑等尺寸約束關系。洞身襯砌的工程關系約束就需要與幾何約束進行耦合處理,并依靠裝配關系來實現(xiàn)各個工程部位的關聯(lián)設計,這屬于變量化設計的范疇,為此,知識庫需要建立成為基于特征的參數(shù)化洞身襯砌標準庫。
搭建基于專業(yè)知識的專家系統(tǒng)結構,依據(jù)不同速度目標值的隧道襯砌通用圖,用戶輸入內外輪廓擬定參數(shù)、復合式襯砌支護參數(shù)、附屬設施設計參數(shù),完成洞身襯砌設計,以此形成知識庫。并且,對已經完成的設計項目,按照入庫操作,就能自動充實專家系統(tǒng)的內容。實現(xiàn)對已完成項目或者同一項目已完成階段的設計成果的引用,新項目在引用成果的基礎上再做新的設計。因此,將專業(yè)知識融入到工程設計對象中,用專業(yè)設計方法來約束設計對象的修改,將減少出錯幾率,使得設計自動化和智能化。同時,為重復性的工程設計提供大量的實際工程設計信息,可極大地提高設計效率和設計質量。
根據(jù)上述技術要點,在AutoCAD平臺上,采用Microsoft Visual Studio作為開發(fā)工具,利用ObjectARX二次開發(fā)方式,引入變量化設計技術,開發(fā)鐵路隧道智能輔助設計軟件,以實現(xiàn)鐵路隧道的智能化設計。
3.1 系統(tǒng)組成
鐵路隧道智能輔助設計軟件涵蓋隧道設計的常規(guī)內容,其中以襯砌設計、縱斷面設計、洞門設計、材料計算與匯總為重點,其系統(tǒng)體系結構如圖3所示。
圖3 鐵路隧道智能輔助設計軟件的體系結構
如圖3所示,鐵路隧道智能輔助設計軟件的體系結構由表示層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)層4個層次組成。
(1)表示層:主要作用是向用戶提供一個與系統(tǒng)交互的平臺,用戶進行相應的操作將啟用業(yè)務邏輯層的相關功能。
(2)業(yè)務邏輯層:主要對應軟件的各個核心功能模塊,如洞身襯砌設計、附屬設施設計、拱形明洞設計、工程數(shù)量計算與匯總等;通過調用其下層的數(shù)據(jù)訪問層來實現(xiàn)應用數(shù)據(jù)的讀取控制,向上支持表示層功能的實現(xiàn)。
(3)數(shù)據(jù)訪問層:通過文件訪問接口、數(shù)據(jù)訪問和操作接口方式實現(xiàn)對底層存儲數(shù)據(jù)的訪問,對其上層提供訪問接口。
(4)數(shù)據(jù)層:支持數(shù)據(jù)庫、文本文件及Excel格式文件,提供永久數(shù)據(jù)支持。
3.2 隧道參數(shù)化特征模型建立
對于鐵路隧道設計對象而言,需要建立設計對象與各種約束之間的關系。為此,依據(jù)構件實體粒度大小對設計對象進行劃分,細分各種組成構件,對于每一個構件,都需要分析其5個方面的特征,通過特征描述建立隧道參數(shù)化特征模型。在此基礎上,通過不斷調整輸入的特征參數(shù),按確定的尺寸約束和幾何約束關系,控制輸出圖形的生成,從而大幅度地提高工作效率。
下面以單壓式明洞的大邊墻構件為例,其參數(shù)化特征見表1。
3.3 洞身襯砌標準庫
基于特征的參數(shù)化洞身襯砌標準庫是對軟件智能設計的支撐,它作為軟件的知識庫,其中,知識的獲取途徑主要是通用圖和已經完成的設計項目,知識庫的內容主要包括5個方面,具體內容見表2,主界面見圖4。
表1 單壓式明洞的大邊墻參數(shù)化特征
表2 洞身襯砌標準庫內容
圖4 洞身襯砌設計主界面
知識表達與推理策略則依靠隧道建筑限界區(qū)分,將其與速度目標值斷面擬定算法動態(tài)關聯(lián),不同的隧道建筑限界,映射不同的斷面擬定的數(shù)學計算模型,完成不同的襯砌橫斷面的擬定。對整個洞身襯砌標準庫的使用,主要實現(xiàn)對已完成項目、同一項目的已完成階段的設計成果的引用,包括對洞身襯砌設計(內外輪廓擬定、復合式襯砌、工字鋼架、格柵鋼架、H型鋼架、二次襯砌配筋等)、附屬設施設計、各種數(shù)據(jù)接口(附屬洞室、超期支護、臨時支護等)等設計成果的直接引用,新項目在引用成果的基礎上再做新的設計。
3.4 軟件系統(tǒng)的主要特點
鐵路隧道智能輔助設計軟件是基于變量化設計技術的集成化與智能化輔助設計軟件,它與傳統(tǒng)的隧道輔助設計軟件相比,具有以下特點。
(1)隧道建筑限界管理與橫斷面擬定算法動態(tài)關聯(lián):收錄現(xiàn)有不同速度目標值的隧道建筑限界,將其與速度目標值斷面擬定算法動態(tài)關聯(lián),并預留了添加新的隧道建筑限界的接口,提高了程序的擴展性。
(2)設計對象之間數(shù)據(jù)無縫銜接:由于隧道襯砌幾何約束和工程約束多而復雜,通過合理確定和劃分所設計對象的組成構件以及其粒度大小,建立參數(shù)化特征模型和隧道組成構件之間數(shù)據(jù)接口,從根本上解決各個設計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)交換,為實現(xiàn)連續(xù)化設計創(chuàng)造了必要條件。
(3)縱斷面標注欄自定義設計:通過設計隧道縱斷面標注欄控件,實現(xiàn)標注欄內容與數(shù)據(jù)庫的動態(tài)關聯(lián),完成標注欄的自動填充繪制。
將變量化設計技術和專家系統(tǒng)方法應用到鐵路隧道輔助設計中,建立參數(shù)化特征模型和洞身襯砌標準庫,能夠實現(xiàn)設計對象的幾何約束與工程關系的耦合處理,解決設計對象的圖形問題和設計對象的實際工程含義的處理問題。而且,通過鐵路隧道智能輔助設計軟件在蘭合鐵路、格庫鐵路、黔張常鐵路等隧道設計工作中的應用,表明該軟件符合隧道專業(yè)設計的實際需求,實現(xiàn)了鐵路隧道的關聯(lián)設計和智能化設計,提高了設計效率和設計質量,技術方案可供同行參考。
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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)
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.
Railway tunnel; Intelligence aided design; Variational design technology; Parametric feature model; Tunnel lining standard
2016-05-18
中鐵第一勘察設計院集團有限公司科研開發(fā)計劃項目 (院科12-14)
何守旺(1983—),男,工程師,2006年畢業(yè)于蘭州大學數(shù)學與應用數(shù)學專業(yè),主要從事鐵路行業(yè)計算機輔助設計軟件研究與開發(fā),E-mail:xxhsw@fsdi.com.cn。
1004-2954(2016)12-0085-04
U451
A
10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.019