Open intelligent management and control platform for railway external environment security hidden danger
-
摘要: 铁路外部环境安全是铁路运输安全的基础。针对铁路外部环境隐患治理难点，调研安全隐患管控现状，从“人防”、“技防”、“物防”建设入手，探索隐患监控手段，研究有效管控措施，规范完善整治流程。通过综合利用卫星遥感、车载实景拍摄、无人机、及移动信息采集等技术，基于地理信息系统（GIS，Geographic Information System），建立适用于铁路外部环境安全隐患的开放式智能管控平台，实现对隐患问题的可视化、标签化管理，及时发现和消除外部环境安全隐患。通过数据建模分析、预警预测等方法量化风险点位，解决隐患巡查手段单一、工作量大及覆盖面不全等问题，提升铁路外部环境管控的自动化、智能化水平，提高了整体环境整治工作效率，进一步保障了铁路运输安全。Abstract: The safety of railway external environment is the basis of railway transportation safety. Aiming at the difficulties in the hidden dangers treatment in railway external environment, this paper investigated the current situation of the management and control of hidden dangers, explored the monitoring means of hidden dangers from the construction of "civil defense" "technical defense" and "material defense", studied the effective management and control measures, and standardized and improved the treatment process. This paper used satellite remote sensing, on-board vehicle live-action shooting, Unmanned Aerial Vehicle(UAV), and mobile information collection technologies, based on geographic information system, to design an open intelligent management and control platform suitable for the hidden danger treatment of railway external environment. The core module of the platform has been tested on site. The test results show that the platform can carry out visualization and labeling management of hidden dangers, timely discover and eliminate external environment security risks, quantify risk points through data modeling analysis, early warning prediction and other methods, and solve the problems of single hidden danger inspection means, heavy workload and incomplete coverage, promote the automation and intelligent level of railway external environment management and control, improve the efficiency of overall environment rectification work, and further ensure the safety of railway transportation.
-
信号平面布置图是城市轨道交通信号系统工程设计的重要技术基础图纸，包含信号机、转辙机、计轴、应答器、车地通信设备、站台设备等设计内容。目前，信号平面布置图的设计主要靠手工完成大量数据的处理、计算及绘图，设计任务繁重，导致大量重复劳动和人为错误。另一方面，各地信号系统设计图纸的图面布局、图元表示、画法排版也不尽相同，造成信号系统设计图纸的差异化。为提高设计效率和质量，有必要进行信号平面布置图设计软件的研究与开发。
文献[1]和文献[2]研究基于ObjectArx实现AutoCAD二次开发成图方法，但需安装AutoCAD环境，通过输入命令完成制图；文献[3]和文献[4]研究通过AutoCAD二次开发轨道交通平面信号布置图绘制应用，但其底层数据仅支持信号布置图自动绘制，未考虑其它扩展功能。
在充分调研的基础上，系统、全面地分析信号平面布置图设计软件的相关需求，提出信号平面布置图参数化设计软件（简称：设计软件）方案，所开发的设计软件已应用于多条城市轨道交通线路的信号系统工程设计项目。
1 信号平面布置图设计软件的需求分析
1.1 主要用户与设计目标
设计软件的主要用户是城市轨道交通信号工程参建单位的设计人员。除了满足信号平面布置图自动绘制的基本要求，设计软件需充分考虑兼容性，采用参数化设计方法，适用于不同信号系统方案的设计，兼容国内各地不同图元、图例、图幅布局要求，可脱离AutoCAD环境实现对DWG文件的读写操作[5]；设计软件具有较强的可扩展性，其数据组织与存储设计应考虑对信号设备配线图、电缆径路图、联锁表图、工程量自动生成等后续扩展功能开发的支持[6]；应具有适用性和易用性，符合信号平面设计图的一般设计流程，降低设计人员使用该设计软件的学习难度。
1.2 信号平面布置图设计过程
信号平面布置图是有关信号设备在线路平面上设置情况的图纸，是信号联锁关系、电缆径路、工程数量设计的基础。如图1所示，设计人员根据线路、行车、轨道、车辆、限界等前序专业资料，包括线路平纵断面、线路最高限速及站台限速、运营临时限速、车辆限速参数、道岔参数、曲线超高资料、限界警冲标等数据，进行牵引计算和列车运行模拟后，对联锁区进行划分，再依据信号设备布置规则，在合适位置上设置各类信号设备，绘制出信号平面布置图。
信号相关的行车设备均应纳入信号平面布置图，便于地铁设计、施工、维护及相关人员使用；信号平面布置图包含的主要图元类型见图2所示。
1.3 信号平面布置图设计软件需求概要说明
收集整理国内各地轨道交通信号图纸资料和数据，对各地信号系统工程图纸绘制要求进行研究分析，信号平面布置图设计软件的需求概要说明见表1。
表 1 信号平面布置图设计软件的需求概要说明类目 需求 内容 功能需求 软件数据输入快捷简便 具有友好的数据输入交互方式 数据正确性验证功能 可对输入数据进行正确性校验 兼容不同的信号系统方案 CBTC系统方案 点式ATC方案 联锁系统方案 兼容不同的图元图例 可选择不同的备选标准化模板 信号机、转辙机等轨旁设备图元可一键切换 图幅布局、角标等可一键设置 线路配线绘制 可设置不同的车站配线形式 信号设备布置 根据不同的配线形式绘制线路 根据信号机布置规则进行布置 根据转辙机布置规则进行布置 根据计轴布置规则自动布置 …… 可对设备布置进行增删
改查操作增加相关设备图元 删除相关设备图元 修改相关设备图元 查询相关设备图元 自动生成CAD图纸 可自动生成满足设计需求的CAD图纸 非功能需求 性能需求 快速出图 安全设施需求 内部使用 安全性需求 注册验证方式 扩展性需求 预留配线图设计功能的开发条件 预留电缆径路图设计功能的开发条件 预留联锁表设计功能的开发条件 预留工程量统计功能的开发条件 可移植性需求 兼容不同操作系统使用 采用模块化设计，易维护 软硬件或其它外部
系统接口需求用户界面 易学易用，提供图形化交互式用户界面和友好的操作提示 硬件配置 硬件配置要求适中 接口需求 可导出设备相关数据 可导入设备相关数据 兼容性要求 无需安装AutoCAD环境 兼容不同版本AutoCAD软件 2 软件设计
2.1 操作流程
设计软件主要通过信号平面布置图自动生成模块和信号平面布置图自动绘制模块2个功能模块完成信号平面布置图的设计，其具体操作流程见图3所示。
（1）设计人员整理前序专业接口数据形成前序专业数据库，对其进行规范化处理，建立工程概况数据库，作为设计软件的基础数据源。
（2）调研人员对收集到的国内各地图幅、图例、图元种类进行数据化处理，建立图幅/图例数据库和图形数据库。
（3）设计人员抽取典型信号工程设计方案（例如CBTC、点式ATP、联锁信号系统）的设计要素，定义为各种类型的参数化模板，并在参数化模板数据库中进行配置，作为设计软件的设计构件。
（4）设计人员对图幅/图例数据库和图形数据库中各类图元进行属性特征抽取，建立各种类型的参数化模板，作为设计软件的设计构件。
（5）信号平面布置图自动生成模块根据具体信号系统工程设计项目的工程概况数据库、参数化模板数据库、图幅/图例数据库及图形数据库，基于信号平面布置图自动生成算法创建该项目信号平面布置图的所有图元对象，并将其存储在信号对象数据库中。
（6）设计人员调用信号平面布置图自动绘制模块，从信号对象数据库中提取指定的信号系统工程设计项目所对应的所有图元对象实体数据，自动生成该项目信号平面布置图的DWG格式文件，可选择将信号平面布置图导出为不同版本的DWG格式文件。
2.2 数据库设计
信号专业设计人员从建筑、线路、轨道和车辆等前序专业获取相关资料和数据，利用标准模板完成数据的规范化处理[7]。设计软件的数据库设计包括工程概况数据库、参数化模板数据库、图幅/图例数据库、图形数据库和信号对象数据库。
（1）工程概况数据库：存储描述信号设计工程概况的相关基础数据，包括工程名称、各车站配线形式、车站名称、车站里程、车辆编组、道岔参数、工程名称等。设计软件通过前序专业提供的相关资料进行规范化处理后，建立工程概况数据库。
（2）参数化模板数据库：参数化模板数据库是参数化设计的核心，存储平面布置图的图层、线型、颜色等参数化模板数据，不同线路车站配线形式的参数化模板数据，不同信号系统方案的参数化模板数据，以及不同图形符号、编码规则的参数化模板数据。信号平面布置图的这些构成要素被抽象定义为参数化模板后，设计人员可以根据具体设计项目的要求，在交互式用户操作界面上选用合适类型的模板，通过参数设置来实现设计意图，定制生成该项目的信号平面布置图。
（3）图幅、图例数据库：存储用于生成图纸布局的大小、位置、角标、坐标、图例说明等布局个性化设置数据。对调研收集到的国内各地信号平面布置图的图幅、图例等进行规范化处理， 建立图幅、图例数据库，对其属性特征进行抽象，建立参数化模板。
（4）图形数据库：调研人员收集国内信号平面布置图中要素的各种图形种类，进行规范化处理后，建立存储信号平面布置图所需的各种信号设备图元数据（如信号机、转辙机、计轴、应答器等）及其它类别图元（如列车运行方向、警冲标、防淹门等）数据的图形数据库；图形数据库中存储的图元种类应可满足国内各地信号平面布置图的图形样式设计要求；在此基础上，将图形数据库中各种图元的属性特征进行抽象，定义为各种类型的参数化图元模板。
（5）信号对象数据库：存储信号平面布置图设计软件运行过程中生成的所有信号对象数据，包括信号对象ID、类型、位置、属性及其它扩展数据；信号对象数据库是软件和设计人员对图元进行增删改查操作的基础，保存设备属性和设备间连接关系。
2.3 参数化设计方法
2.3.1 图元类型的定义与实例化
各类图元的形状虽存在较大差异，但有些属性和操作是相同的，如名称、颜色、坐标等基本属性，以及显示、移动、缩放等基本操作。
以信号机为例，说明图元类型定义与实例化方法，信号机类的属性定义见表2。在设计软件中，任何一个信号机对象都是通过信号机类实例化得到的，具有表2的基本属性定义。图形数据库中存储有多种信号机类的块定义，信号机类的实例化通过块参照操作来实现。设计软件自动为一个信号机类的实例化对象分配一个唯一标识ObjectId，完成该信号机对象的属性赋值后，将其存储到信号对象数据库中，通过ObjectId或信号机名称检索该信号机对象实体，对其进行增、删、改操作。
表 2 信号机类的属性定义定义 说明 ObjectId 对象ID position3d 信号机在视图中的位置 signalType 信号机类型 signalName 信号机名称 signalNameId 信号机名称的ID signalNumber 信号机编号 stationNumber 信号机所归属的车站编号 realPosition3d 信号机在轨旁的位置 Track 信号机内方区段 signalOrientation 信号机方向 callOn 引导功能 CBTCorNonCBTC 是否为CBTC pointToBeLocked 保护区段锁闭的道岔 2.3.2 DWG文件的数据解析
设计软件采用开放设计联盟（Open Design Alliance）提供的函数库进行开发。该函数库的数据结构与AutoCAD的数据结构一致，可脱离AutoCAD环境实现DWG文件的解析，支持直接创建和读写不同版本DWG格式文件。
DWG文件解析后可视为一个数据库[8]，该数据库包括命名对象字典、块表、层表、字体样式表、标注样式表、线型表、视口表、UCS表、注册应用表等对象实体，其结构如图4所示。
图幅/图例数据库、图形数据库在创建和完成配置后，调用该函数库可保存为DWG文件；所保存的DWG文件，调用该函数库读入后，解析为设计软件的内部数据；再调用该函数库加载绘图模块，创建绘图驱动器，即可在界面上显示图形。
2.3.3 参数化数据模板的定义与使用
参数化模板数据库是在工程概况数据库、图幅/图例数据库、图形数据库的基础上，通过参数化设计方法创建的信号平面图设计构件的集合。参数化设计将图元、典型信号设计方案、设计规则等信号平面设计图的构成要素抽象为各种类型的参数化数据模板：
（1）对于工程概况数据库，主要将不同线路车站配线形式进行参数化处理，定义为不同类型的车站配线数据模板；
（2）对于图幅/图例数据库，主要将图纸大小、图纸布局、图例形式等进行参数化处理，定义为不同类型的图幅、图例数据模板；
（3）对于图形数据库，主要各种不同种类设备的图元进行参数化处理，定义为不同类型的图元数据模板；
（4）对于信号系统典型设计方案、设备编码规则、联锁区划分规则等，抽取其结构特征进行参数化处理，定义为不同类型的设计方案和设计规则数据模板。
采用参数化设计，设计人员可根据设计项目的具体设计要求，在参数化模板数据库中选用合适类型的数据模板，通过对数据模板的参照和实例化设置，快速实现设计意图，生成定制的信号平面布置图。
2.4 信号平面布置图自动生成算法
从数据处理的角度，信号平面布置图自动生成即为信号对象数据库构建的过程。信号平面布置图自动生成算法主要是生成所有信号设备图元的图形显示信息及设备属性信息：按照信号设备布置规则，生成信号设备图元类实例，为其分配唯一标识Objcet Id，设置该图元在视图中的位置、列车运行方向方向、缩放比例、颜色等图形显示信息；设置信号设备图元在信号平面图中的轨旁编号、位置、列车运行方向、功能参数、设备间关系等轨旁设备属性信息。
将信号设备图元的图形显示属性数据与设备属性数据分离，同时将不同的设备编码规则、图形符号、典型信号系统设计方案定义为参数化模板。按照信号设备布置规则、联锁区划分规则[9]，在构建完数据库后，设计软件自动计算信号平面布置图中各图元的布置信息及图元之间的关系，完成信号对象数据库的构建。信号平面布置图自动生成算法流程如图5所示。
（1）信号设计人员按规范整理录入工程概况数据，根据设计要求，选用合适的参数化模板，并进行参数设置。
（2）设计软件根据用户设置的参数，按照信号平面图设计规则，自动计算生成信号设备布置数据，建立信号对象数据库。
（3）设计人员根据用户设计要求，进行交互式设计图修改，直到满足设计要求。
（4）将生成的信号平面图导出为指定版本的DWG文件。
2.5 关于后续扩展功能开发的考虑
基于设计软件现有数据基础，后续可进一步开发以下扩展功能：
（1）信号平面布置图的所有图元均储存在对象数据库中，通过ObjectId或设备名称可检索所有图元，据此可开发工程数量统计功能；
（2）信号平面布置图是联锁表生成的基础，依据计算机联锁表技术条件等规范，可开发联锁表自动生成功能；
（3）配线图数据中包含有设备之间的配线关系，可开发配线图自动生成功能；
（4）信号平面布置图包含设备间逻辑位置关系，是电缆径路图设计的基础，可开发电缆径路图自动生成功能。
3 设计软件的实现与应用
设计软件采用微软Visio Studio 2010集成开发环境进行开发，编程语言为C#，基于.Net的Panel实现交互式设计的用户操作界面，如图6所示。
设计软件的数据输入和输出为Excel和DWG格式文件，无需安装AutoCAD环境即可实现DWG格式文件的创建和读写，生成的信号平面布置图可导出保存为多个版本的DWG格式文件。
目前，设计软件已应用于洛阳市轨道交通2号线、郑州机场至许昌市域铁路等多个工程项目的正线信号室外平面布置图设计，可满足不同信号系统工程的设计要求，自动化程度达到预期。
4 结束语
全面调查分析信号平面布置图设计软件的用户需求，研究开发了信号平面布置图参数化设计软件，可兼容不同设备编码规则、图形符号等，将信号平面布置图的多种构成要素定义为可配置的参数化模板，通过对模板的参照和实例化设置来实现设计意图。该设计软件提供图形化交互式用户操作界面，易学易用，无需安装AutoCAD环境，设计结果可导出保存为不同版本DWG格式文件，设计过程自动化程度较高，可显著提高设计效率和设计质量，加快信号系统工程项目的设计进度，在适用性、兼容性、可维护性、可扩展性方面均具有一定优势。
今后将结合更多信号系统工程项目的应用，继续优化和完善设计软件，逐步推进扩展功能开发。
-
[1] 张加奇. 铁路外部环境安全隐患治理对策 [J]. 中国铁路,2020(2):66-69. [2] 周红云. 我国铁路快运市场创新发展策略研究 [J]. 铁道运输与经济,2018(3):1-9. [3] 黄录峰. 新时期铁路环境影响评价的发展与问题的研究分析 [J]. 资源节约与环保,2018(7):133. [4] 蒋丽丽,封博卿. 京沪高铁周边环境安全隐患智能监测体系研究 [J]. 铁路计算机应用,2018,27(11):48-51, 59. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2018.11.012 [5] 刘 洋. 铁路信息系统平台集中安全运维综合监管系统设计 [J]. 铁路计算机应用,2018,27(11):35-39. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2018.11.009 [6] 王京元,郑圣旺,曾 敏. 广深港高铁沿线环境综合整治策略 [J]. 现代城市轨道交通,2020(10):25-29. [7] 刘 江,王长林. 基于GPS/INS的列车组合定位关键技术分析 [J]. 铁路计算机应用,2013,22(8):5-7. [8] Hussain S J, Farooq T, Shamsudeen R, et al. Expert Oracle RAC 12c[M]. Berkeley, USA: Apress, 2013.
[9] 王海涌,张津栋,王阳萍,等. 基于增强现实的铁路设备可视化研究与应用 [J]. 铁道科学与工程学报,2018(8):2092-2098. -
期刊类型引用(3)
1. 孙屹枫. 信号设计软件集成平台设计与实现. 铁路技术创新. 2024(06): 64-71 . 
百度学术
2. 郭晨彤. 匈塞铁路联锁数据工程化生成方法与实现. 铁路通信信号工程技术. 2023(03): 91-96 . 百度学术
3. 刘帅，何飞飞，高山. 建设项目施工总平面布置图的设计及管理. 中国住宅设施. 2022(11): 16-18 . 百度学术
其他类型引用(4)
下载:
计量
- 文章访问数: 136
- HTML全文浏览量: 76
- PDF下载量: 45
- 被引次数: 7
