駱 暉，方琪根，王保山

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 線路站場設(shè)計研究院，武漢 430063；2.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

鐵路樞紐位于鐵路網(wǎng)的交匯點，由多條線路、多個車站及其他設(shè)施、設(shè)備組成。若用文本或表格等形式表現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特征和信息，不易表述清晰，且在樞紐車站布局、規(guī)模、聯(lián)絡(luò)線設(shè)置[1]等設(shè)計方案發(fā)生改變時，設(shè)計人員難以直觀地考察各方案的樞紐客貨運輸能力的情況。因此，需要通過圖形化界面向用戶演示樞紐的結(jié)構(gòu)特征，以及線路、車站等實體及其屬性[2]，并對樞紐能力進行計算。根據(jù)不同設(shè)計方案生成鐵路樞紐客貨運輸能力結(jié)果，并通過圖形化界面顯示給用戶，便于用戶查看各種設(shè)計方案對應(yīng)的樞紐能力，從而對樞紐設(shè)計方案有更清晰、直觀的理解[3-4]。

因此，本文結(jié)合我國鐵路樞紐設(shè)計研究的實際情況[5]，利用AutoCAD 的鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)設(shè)計文件，生成數(shù)字化的鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)[6]，為研究鐵路樞紐結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鐵路樞紐布局提供數(shù)據(jù)支撐[7-9]。

1 鐵路樞紐設(shè)計文件格式

AutoCAD 計算機輔助設(shè)計軟件廣泛應(yīng)用于二維繪圖和三維設(shè)計等領(lǐng)域。它的數(shù)據(jù)文件主要有DWG、DWS 和DXF 等格式。其中，DXF 為文本形式，保存了AutoCAD 有關(guān)圖素的詳細信息，是普遍使用的AutoCAD 外部接口文件。

1.1 DXF 文件結(jié)構(gòu)

DXF 文件主要由標題段（Header）、表段（Tables）、塊段（Block）、實體段（Entities）和文件結(jié)束段（Eof，End of file）5 部分組成。

DXF 利用行存儲數(shù)據(jù)，每2 行為1 組，第1 行為組的代碼，第2 行為組的值，1 個組代表1 個數(shù)據(jù)，本文為了表述方便，將DXF 文件的內(nèi)容簡化，如表1 所示。雖然DXF 文件結(jié)構(gòu)復雜，但只要根據(jù)需求獲取建模所需實體段就可以完成相應(yīng)實體的提取。

表1 信息表述樣例

表1 右側(cè)是本文采用的形式，即將左側(cè)DXF 文件中用兩行表示的組碼和組值放在同一行中，并用“::”符號將兩部分分開。

1.2 鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)設(shè)計樣例

圖1 是AutoCAD 軟件繪制的某鐵路樞紐的局部樣例，為展示細節(jié)，將紫色框框定的部分區(qū)域放大。由圖1 可看出，用AutoCAD 設(shè)計的樞紐圖中，主要有2 種圖素：線條和文字。線條都是由多段線（pline）繪制的，包括2 種：用閉合的6 邊形表示車站；用不同顏色的線條表示鐵路線路。文字是單行文字（dtext），是對閉合6 邊形的標注，表示車站名稱。

圖1 AutoCAD 繪制的某鐵路樞紐局部樣例

設(shè)計人員在生成樞紐圖時，利用AutoCAD 圖形分層組織的特性，將不同的線路繪制在不同的圖層上，為樞紐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化建模提供了較大便利。

2 DXF 樞紐網(wǎng)絡(luò)圖信息格式

2.1 線路信息

由于不同的線路存儲在不同的層上，且用線路名命名圖層，所以只需從DXF 中讀出層的定義就可得到樞紐范圍內(nèi)的線路信息。層的定義在表段只出現(xiàn)一次。DXF 文件中的圖層信息格式如下：

其中，“100::AcDbSymbolTableRecord”是符號定義；“100::AcDbLayerTableRecord”表示后續(xù)若干信息是對1 個圖層的描述；“2::京滬鐵路”中“京滬鐵路”是圖層的名稱；“62::7”表示圖層的顏色。第4、6 行信息本文沒有采用，因此沒有給出說明（后面DXF 文件信息格式中沒有用到的信息也一并忽略）。

2.2 車站名稱

車站名稱是單行文字，存儲在實體段，且隸屬于指定圖層。單行文字信息格式如下：

其中，“100::AcDbText”引導一個單行文字信息；“10::2 235.15”表示單行文字的x坐標；“20::1 258.66”表示單行文字的y坐標；“30::0.0”表示單行文字的z坐標；“40::1.35”表示文字的高度；“1::高里”表示單行文本信息是“高里”。

2.3 車站外型

車站外型是用多段線繪制的六邊形，存儲在實體段，且隸屬于指定圖層。車站外型信息格式如下：

其中，“100::AcDbPolyline”引導一條多段線信息；“90::6”表示多段線由6 個點組成；“70::1”表示多段線閉合；組碼10 和組碼20 表示一個點的（x，y）坐標，本文列出了多段線經(jīng)過的2 個點的（x，y）坐標，后面的點省略。

2.4 線路組成

2.4.1 直線繪制

鐵路線路用多段線繪制，存儲在實體段，且隸屬于指定圖層。區(qū)間線路信息格式如下：

其中，“100::AcDbEntity”表示當前在實體段；“8::京滬鐵路”表示后面的信息屬于圖層“京滬鐵路”；“100::AcDbPolyline”表示這是一條多段線；“70::0”表示多段線不閉合；組碼10 和組碼20 給出了多段線的第1 個點的坐標（x，y）的值。

2.4.2 曲線繪制

在繪制多段線時，有時會插入曲線，區(qū)間線路信息中有圓弧的信息格式如下：

其中，“42::0.18”表示一段圓弧，它的凸度是0.18，這個值是該圓弧所對圓心角的1/4 角的正切值，如圖2 所示。

圖2 凸度計算示意

建模時，為了降低模型的復雜度，可把多段線中的曲線部分分割成若干段小的折線，將區(qū)間線路統(tǒng)一用折線表示。

3 數(shù)字化樞紐網(wǎng)絡(luò)模型

建立數(shù)字化的鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)模型，需從DXF 文件中讀取鐵路樞紐有價值的信息，把線路、車站、區(qū)間等實體的特征數(shù)據(jù)合理、有效地組織、關(guān)聯(lián)起來，生成既相對獨立又相互聯(lián)系的有機整體，為后續(xù)研究工作提供數(shù)據(jù)支持。

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

（1）線路索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如表2 所示，線路ID 通過人工分配；線路名稱來自DXF 接口文件，數(shù)據(jù)長度為49；線型和顏色可繼承DXF 中對應(yīng)的涂層的線性和顏色值；年度/車種是否可用信息則需要通過信息加工模塊補充完善。

表2 線路索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（2）車站信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如表3 所示，fPnts 記錄的六邊形頂點坐標來自DXF 文件中的閉合多段線信息；車站名稱來自DXF文件的單行文本信息，數(shù)據(jù)長度為49，但文本信息與車站的綁定需要經(jīng)信息加工模塊人工完成；車站類型需人工定義。

表3 車站信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（3）區(qū)間線路組成信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表4 中所有字段信息都來自DXF 文件相應(yīng)內(nèi)容。

表4 區(qū)間線路組成信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（4）車站區(qū)間連接信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如表5 所示，當AutoCAD 格式的設(shè)計資料較規(guī)范時（區(qū)間線路的端點都落在六邊形內(nèi)），則iStaFID 和iStaTID 可在模型生成時自動填入；區(qū)間線路的運營方向則需通過信息加工模塊后期人工賦值。

表5 車站區(qū)間連接信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.2 鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化模型生成

根據(jù)鐵路樞紐實體的特征數(shù)據(jù)在DXF 文件中不同的表現(xiàn)形式，設(shè)計并編制圖層處理模塊、多段線處理模塊和單行文字處理模塊，提取實體的關(guān)鍵信息，生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型，該方法的架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 樞紐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型生成方法架構(gòu)

模型生成階段，通過批量讀入DXF 接口文件，生成鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化模型的主要數(shù)據(jù)，同時，利用信息加工模塊補充區(qū)間線路運營方向、線路的年度/車種運用屬性等AutoCAD 設(shè)計資料中不能體現(xiàn)的數(shù)據(jù)。

信息加工模塊提供對車站、線路等實體的修改功能，在沒有DXF 文件時也能創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)模型。

3.3 網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用

設(shè)計專業(yè)的人員根據(jù)研究的需要，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化模型基礎(chǔ)上疊加業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，計算評價指標，分析網(wǎng)絡(luò)可能存在的問題，探尋優(yōu)化方案。如圖4 所示，在網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)線路的功能和徑路的費用分配列流，計算并展示線路的能力利用率。

圖4 某鐵路樞紐線路能力利用率局部

圖4 中用顏色定性地表示線路能力利用率，也可以添加標注的形式，定量顯示線路的運量和利用率。該鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化模型數(shù)據(jù)信息主要來自DXF 文件，區(qū)間線路和車站的連接關(guān)系（圖4 紫框部分）由信息加工模塊批量添加，區(qū)間線路的運營方向（圖4 綠框部分）在信息加工模塊經(jīng)人機交互加入。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于DXF 接口文件的鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化模型生成方法，已基于VS2013 編碼實現(xiàn)，并應(yīng)用于鐵路樞紐能力檢算圖形化系統(tǒng)中。使用結(jié)果表明：本文設(shè)計的方法，可以準確地讀取鐵路線路、車站和區(qū)間線路的組成信息，經(jīng)過信息加工模塊的輔助處理，生成完整的鐵路樞紐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化模型，建模便捷、數(shù)據(jù)完整，能夠為研究、評價鐵路樞紐提供數(shù)據(jù)支撐。