摘要：随着铁路运输方案不断优化设计，对于铁路轨道的维修管理技术要求也越来越高，对于铁路的养护问题也不断提高，特别是对于铁路的运行安全需要不断优化管理水平，高效快速的掌握好铁路线路平纵断面的整体状态，最好的办法就是做好一套高效率的测量管理办法，保证快速的掌握好铁路线路病害的发展情况，以提高铁路线路整体状态的检查和作业质量，确保铁路安全正常运行。
关键词：铁路轨道；断面；辅助设计；系统；
一、国内铁路轨道平纵断面优化辅助设计的系统研究
1、随着高铁测量技术的发展，铁路测量技术也日趋成熟，传统的铁路线路拨道计算方法主要有绳正法、偏角法等，其计算原理均基于渐伸线原理。绳正法是通过测量曲线正矢，可在局部范围内以较高的精度调整曲线的圆顺度，但由于其测量累计误差大，且不能反映曲线的整体几何状态，拨道时在曲线头尾位置容易产生鹅头，造成线路的整体不平顺，因此绳正法只能局限于小范围内线路的日常养护维修。
2、随着现代测量仪器的快速发展，特别是智能型全站仪和GPS测量仪器的普及应用，测量线路的三维坐标已变得轻而易举，因此，研究使用快速坐标法进行线路中线三维坐标测量及计算是发展的必然趋势，通过采用全站仪、GPS RTK动态测量技术测量线路中线的三维坐标，并开发优化计算系统，进行线性平纵段面拟合，以及曲线要素、坡度等基础数据优化，对拨道量、起道量计算，将结果实际应用现场，取得了良好的效果。国内对200km/h以下的提速线路及普速线路，由于线路无CPⅢ观测点，对于轨道的测量维修工作基本处于空白状态，只是基于高铁轨道测量系统的发展，进行局部的线路测量工作，绝对计算及相对计算系统均未建立。对于集高铁相对及绝对测量、普铁相对测量、铁路线路大中修设计、线路参数计算于一体的测量计算系统在国内铁路行业尚未建立。
二、铁路轨道平纵断面优化辅助设计案例分析
1、项目基本情况概述从2008年以来，我局工务系统研究应用全站仪及GPS RTK坐标法测量普速线路平面，并进行线路平面优化计算设计，至今已有8年多时间，具备了丰富的现场测量经验及理论计算基础。对普速铁路的相对测量及相对计算已较为成熟，拟应用于高铁线路相对计算及绝对计算，并逐步在高速铁路及普速铁路线路维修及大中修中推广应用。
2、完成了系统的理论设计与计算目前高速铁路轨道偏差计算普遍采用的是绝对偏差计算方法，即在CPⅢ控制网下进行轨道三维绝对坐标测量，根据已知线路参数及轨道中线坐标计算轨道的绝对中线偏差值及高程偏差值，对于有砟轨道，由于前期施工不到位，以及运营变化等原因，要使线路平纵断面恢复到设计位置，难度较大，因此，绝对计算结果往往无法满足线路维修作业要求。
3、利用全站仪（或GPS）采集的线路中心线三维绝对或相对坐标，利用最小二乘法原理重新优化拟合线路平纵断面技术参数（包括曲线半径、缓和曲线长、曲线转角、曲线全长、线路坡度、线路坡长、变坡点里程、竖曲线半径等），根据偏角测量数据及曲线正矢测量数据转化为线路中线相对坐标，再利用最小二乘法原理重新优化拟合线路技术参数，在满足相关线路设计规范的前提下使线路的起、拨道工作量最小，在此基础上进行大机维修作业并保持轨道的平顺性及稳定性。
三、线路平面优化计算理论研究
1、曲线平面坐标法优化计算原理，曲线坐标法计算原理线路平面曲线由前夹直线、前缓和曲线、圆曲线、后缓和曲线和后夹直线5个线形要素组成，分别用直缓、缓圆、圆缓、缓直4个特征点进行分界，平面曲线的优化计算首先要对曲线的4个特征分界点位进行判别。根据直线地段的测点坐标确定曲线的切线方向，切线定向方法有两种，一种是直线拟合定向，直线段所有测点均参与拟合计算；另一种是两点定向，在前直线和后直线上各选择两点，选择两点之间的距离尽可能大，确保直线段的拨道量最小，同时又要兼顾控制点的拨道量。
2、非对称优化计算机程序算法非对称优化是按非对称缓和曲线对缓长和半径同步进行优化，铁路曲线都是以对称缓和曲线进行设计的，除非特别困难条件下，经过长期的运营，其前后缓长可能会发生改变，但其变化范围也不会太大，所以在优化缓和曲线时，可以先按对称优化方法进行缓长和半径优化，对称优化完成后再按非对称优化，并找出拨量平方和为最小的那组缓长和半径就是最终的计算结果。直线优化计算原理单独直线地段优化计算采用最小二乘法原理拟合，即各测点到拟合直线的距离平方和等于最小的情况下，计算出实测点至拟合直线的实际距离，即为现场实际拨道量，以正负号区分线路左拨或右拨。
四、线路纵断面优化计算理论研究
1、纵断面优化计算原理线路纵断面优化计算（即线路起、落道量计算）的基本原理仍然是最小二乘法原理，基本计算理论基本与坐标法平面优化计算相同，这里不再阐述，主要对具体优化步骤描述如，根据实测线路高程数据及里程数据，计算各测点前后设定最小设计坡段长度范围内的线路坡度（用最小二乘法拟合），以及它们的前后坡度差。
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2．比较各侧点前后最小设计坡段长度的相临坡度差，当前后坡度差的绝对值连续大于一定数值时（视最小设计坡段长度而定），从中找出最大值，其所对应的里程被初步确定为变坡点里程。
3．根据初步确定的变坡点里程，用两变坡点之间的测点数据（剔除竖曲线上的测点）重新拟合出各坡段的线路坡度、变坡点里程和高程。新的变坡点里程和高程是根据前坡段直线方程y=k1x+b1和后坡段直线方程y=k2x+b2联合解方程组得到。
五、基础数据库建立
1．建立纵断面数据库，用Excel表格建立，抄平数据表，字段包括：里程、断链序号、既有轨面高程、既有路肩高程、邻线轨面高程、既有道床厚度、特征点说明等。
2、建立内部计算函数：
（1）坡度拟合计算：根据线路抄平数据及计算条件自动拟合线路坡度。
（2）按变坡点拟合：根据给定大概变坡点里程，对线路坡度进行拟合计算，并计算新的变坡点里程和高程。
（3）坡度优化合并：自动删除在坡度拟合中坡段长度小于最小允许坡长的坡段。
（4）坡度取整：按程序给定的取整条件对变坡点里程和坡度进行取整计算，使其符合规范要求，一般里程取整为10m倍数，坡度取整为0.1‰倍数。
（5）竖曲线拟合：对相临坡段坡度差大于给定限值的变坡点加设竖曲线，并拟合计算出最佳竖曲线半径。根据以上基本绘图命令，绘制线路详细纵断面图，包括既有轨面线及高程、设计轨面线及高程、设计线路坡度、竖曲线、断链位置、水准基点位置、大中桥、隧道、控制点文字、抬落道量、既有路肩标高及设计路肩标高、曲线平面等标注。
3．动态修改纵断面图：（1）删除变坡点：在CAD纵断面图中点击要删除的变坡点，程序将自动删除该变坡点，并重新对剩余坡段进行竖曲线拟合及抬落量计算（含里程和坡度取整计算），并更新纵断面图。（2）插入或移动变坡点：在CAD纵断面图中点击要插入或移动的变坡点位置，当新的变坡点位置距离最近的变坡点位置大于最小设计坡段长度时，则为插入，否则为移动最近变坡点位置到新的位置。根据线路实测三维坐标和理论偏差计算模型，利用最小二乘法原理重新优化拟合线路技术参数（包括曲线半径、缓和曲线长、曲线转角、曲线全长、线路坡度、线路坡长、变坡点里程、竖曲线半径等），在满足相关线路设计规范的前提下使线路的起、拨道工作量最小，在此基础上进行大机维修作业并保持轨道的相对稳定性。
4、对于集高铁相对及绝对测量、普铁相对测量、铁路线路大中修设计、线路平纵断断面参数计算于一体的测量计算系统在国内铁路行业尚未建立。利用线路实测三维坐标及最小二乘法原理研究线路平纵断面理论偏差计算数学模型及线路平纵断面线型参数优化拟合方法，通过VB（Visual Basic）计算机编程方法，实现VB与Excel表格、AutoCAD图形数据交换方法等功能。研究200km/h以下的提速线路及普速线路的相对测量及计算办法，由于普速线路无CPⅢ观测点，国内对于轨道的测量计算工作基本处于空白状态，只是基于高铁轨道测量系统的发展，进行局部的线路测量工作，本项目拟研究采用相对坐标测量及平纵断面优化计算解决普速线路精确测量存在的不足。
5、针对国家新建铁路和城市铁路的轨道设计和管理软件要做好系统开发工作，针对系统概况、系统构架分析、轨道设计绘制和实现原理系统高效管理。做好系统编程软件系统标准管理，规范好设计信息输入工作，详细做好设计结果输出，完善好设计绘图轨道，做好良好的计算机绘图工程数量管理，正确引导设计人员做好轨道综合设计管理，进行信息化管理，实现铁路轨道设计良好准确性水平，最终做到标准化和一体化管理模式。保障我国铁路轨道平纵断面优化辅助设计系统良好运行，提高铁路轨道运行的安全性和稳定性。
结论：
综上所述，大多数铁路综合设计系统中，都充分运用了设备软件辅助工作，工程数量的计量、绘制和轨道施工图都依靠轨道设计，进行设计工作，所以需要在实际工作中不断提高计算机编程技术使用，充分运用到铁路轨道综合设计中，提高轨道设计人员工作效率，确保工程量的计算结果的准确性。
参考文献：
[1]李吉林，高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道工程施工质量的管理与控制[D].西南交通大学 2013；
[2]屈文波，城市轨道交通工程多种轨道结构施工技术研究[D].西南交通大学 2013；
[3]韩洪江，无缝线路钢轨的连接与焊接技术研究[D].吉林大学 2012；
[4]刘涛，沪昆线小半径曲线无缝线路铺设养护技术研究[D].西南交通大学 2012；
[5]李吉林，高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道工程施工质量的管理与控制[D].西南交通大学 2013；
[6]屈文波，城市轨道交通工程多种轨道结构施工技术研究[D].西南交通大学 2013。
论文作者:文坚军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/6/4
标签：线路论文; 纵断面论文; 曲线论文; 轨道论文; 测量论文; 坡度论文; 里程论文; 《基层建设》2018年第9期论文;