面向铁路站场平面数字化设计系统的本体建模研究

蒲浩1, 2，严基团1, 2，李伟1, 2，李长淮3，魏方华3

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 4 10075；3. 中铁第一勘察设计院集团，陕西 西安 710043)

摘 要：针对铁路站场平面数字化设计中设备类型众多且空间关联耦合的难点，基于本体建模理论与方法，依据站场设备类型划分各设备的概念，以概念的属性来表达设备的空间约束条件，将设备修改后的联动操作抽象为本体的函数，将站场专业中的规范和标准定义为本体的公理。应用空间一致性检测方法，实现站场平面交互设计中设备的空间约束自动重构及概念的属性同步刷新，开发了站场平面设计原型系统，已在开原西和诺尔盖等多个车站平面设计中成功应用。

关键词：铁路站场；平面系统；空间耦合约束关系；本体建模

站场是铁路站后专业的“龙头”，是连接站前和站后专业的纽带，站场设计的效率和质量对整个铁路的建设和运营具有极其重要的影响。在铁路站场的数字化设计研究中，平面设计是关键和核心[1−2]。开发站场平面数字化设计系统的难度在于：一是因为设备多、设备间平面关联繁杂，导致难以完整地描述出设备间的空间耦合约束关系；二是由于设备间的平面关联约束存在动态性，当站场平面设计中某个设备发生移动、删除、增加等操作时，传统的设计方法很难实时重构设备间的平面约束关系，并且重构后的约束关系一致性难以得到检测。因此，虽然许多科研单位开发了站场平面设计软件[3−7]，但由于未从根本上解决上述2个难题，软件的使用仍存在局限性。本体论的方法为从本源上解决上述难题提供了有效的途径。本体最初为哲学上的一个概念，本体即为“本源”，是对客观存在事实的解释说明。由于本体在关系表达上具有显著优势[8−9]，很多学者将本体的思想应用到铁路领域处理铁路场景建模的问题。孙宝凤等[10]建立了铁路客运枢纽内设施功能与行人行为关系概念模型，揭示了行人在每一设施内的行为特征及设施与行人的交互关系。张恒等[11]提出了一种本体驱动的高速铁路场景建模方法，构建可视化展示与仿真平台。本体包含5个基本建模要素：概念(class)、属性(attribute)、公理(axioms)、函数(function)和实例(instance)[12]。本体间的逻辑关系主要有4种：part-of，kind-of，instance-of，attribute-of。这些可以用来描述站场本体与设备之间，具体设备与抽象设备之间以及设备内的关系，如表1。本文的主要研究思路如图1。

表1 本体间的逻辑关系

Table 1 Logical relationship among ontology

关系名关系说明举例 part-of表达包含关系，即某一概念为另一概念的组成部分 kind-of表达概念间的继承关系，类似予父类与子类的关系 instance-of表达一个概念是另一个概念的实例，类似予类与对象的关系 attribute-of表达一个概念是另一个概念的属性。

图1 基于本体的铁路站场平面设计系统开发思路

Fig. 1 Ontology-based design system for railway station plane

首先将站场中的设备划分为一系列概念，以概念的属性来表达设备的空间约束。然后建立本体的公理和函数，当设备自身发生增加、删除、移动或者设备的某个属性值被修改时，相应的函数被触发，从而自动更新设备概念的属性值。最后，建立的本体公理，对重构设备进行耦合约束关系基于一致性检测，若与公理相悖，则继续调用函数更新，直至满足公理为止。

1 铁路站场本体模型的建立

1.1 站场设备概念的划分

虽然各个铁路车站的性质和功能有所不同，但车站均担负着客货运、养护维修、补给等作用，必然伴随着列车的驶入与驶出。因此，铁路站场设备主要包括股道、道岔、站台、警信设备、跨线设备和电力设施等概念。

1.2 站场设备概念的属性

确定站场本体内划分的概念后，如何确定某个概念的属性则须结合它本身的固有属性和所具有的约束条件来综合考虑。固有属性是指站场某个概念所具有的基本属性。约束条件分为主动约束条件和被动约束条件，主动约束是指该设备对其他设备的约束，被动约束是指其他设备对该设备的约束。

以站台为例，由于站台为立体构造物，它的固有属性包含长、宽、高、材质和空间坐标X，Y和Z。站台的主动约束是站台对跨线设备(天桥地道)、对雨棚等设备的空间位置约束。而站台的被动约束是指股道和站场设计基线等对站台空间位置的约束。设CI为站台总的主动约束，CIk为站台对第k个概念的约束；设CP为站台总的被动约束，CPj为第j个概念对站台的约束，则：

若站台对第k个概念没有约束，则CIk为空，即

；同理，若第j个概念对站台没有约束，则CPj为空，即

。所以，站台的约束条件 C为

确定了站台的约束条件后，下一步就是如何将站台的约束条件转换为它的属性。

以股道对站台的被动约束为例进行说明。站台通常与股道保持一定的间距以保证行车安全并方便旅客乘降或者货物装卸，股道对站台的约束就外在的表现为站台到股道有一定的间距和相对高差。

站台的某些固有属性也可能会表现为站台对其他概念的约束。如站台对雨棚的空间约束表现为雨棚的空间位置需依据站台的空间位置确定，即雨棚受到站台的被动约束为站台各顶点的空间坐标X，Y和Z，而站台的空间坐标又是站台的固有属性。因此，我们就不需要为雨棚这个主动约束额外添加属性。

通过上面的分析，我们可以定义站台概念的属性

class platform

{

double L,D,H; //长、宽、高

CString Material; //材质

vector Vertex; //站台顶点的空间坐标结构体

CStringTrackName; //对站台有约束的股道名称

double DistToTrack; //站台到约束股道的距离

double HToTrack;//站台对股道的高程约束

}

如此我们就将站台所受的约束转化成了站台的属性，站台的属性见图2。同理，可以将站场模型内其他设备概念的空间约束也转化为其各自的属性。站场本体就被分解成一系列带有属性的概念。

1.3 站场本体公理及函数的建立

当对铁路站场内某一设备进行修改时，传统的设计方法需重新构建站场内所有设备的约束关系，设计效率低且浪费大量人力、物理。通过本体建模，建立相应的公理(axiom)和规则，从而实现设备间约束关系随着设备的修改实时更新。基于这些axioms，在站场模型发生变化的时候，相应的设备概念可以依据公理自动调节自身的属性和构建新的约束。

图2 站台属性

Fig. 2 Platform attributes

例如：连接2条股道的必须是道岔，就可以通过建立如下Axiom 1来实现：

Axiom 1：Connecting two tracks must be turnout.

同时公理又可以作为检测条件。如果从某一条股道引出一条牵出线，但没有使用道岔来连接两条股道，那么通过Axiom 1就会检测出这个模型与公理相冲突。

站场本体公理依据作用对象的不同可以分为站场自身的公理、站场概念间的公理、站场概念自身的公理。

表2 公理类型

Table 2 Axioms classification

公理类型作用对象举例 站场自身公理站场本体或者站场本体与站场概念站场本体必须包含股道概念 站场概念间公理2个或者2个以上站场概念直线段站台到股道中心不小于1.75 m 站场概念自身公理单个站场概念高速车站站台必须做阶梯加宽

函数主要是对本体模型中设备概念的修改做出相应的反应，可以用来实现设备约束关系的重构，即实现本体概念属性的刷新。

例如，站台须随着关联股道位置的变化而变化可以通过函数function A来实现：

function A：Track move → related－platform move.

只要约束股道移动了，那么相应的站台就会执行move这个命令，站台的属性数据随着自动更新。自动更新完成后，运用已经建立好的本体的公理对站台新的属性数据做检测，判断改变后的属性数据是否符合公理，如与公理相冲突，又会触发相应的函数对属性数据继续修改直至满足条件为止。

应用同样的方法，可以建立股道、道岔、警信等其他设备的函数以及公理。基于这些函数和公理构建出铁路站场本体模型。

站场本体模型的构造流程如图3所示。

图3 站场本体模型构造流程

Fig. 3 Ontology modeling procedure for railway station

2 车站本体建模实例

运用本体建模的方法，结合ObjectARX技术，我们开发了铁路站场平面数字化设计系统，已成功应用于开原西、诺尔盖和天水等车站设计。现以开原西车站设计中增加股道为例，对系统进行说明，其他设备间的关联约束可以依此类推。

通过站场平面设计原型系统，创建初始模型如图4。下面我们来说明随着约束股道的改变站台的属性发生改变。

初始模型对应的站台属性如图5，由图5可知站台的约束股道为股道Ⅱ，与股道Ⅱ的距离为1.75 m。1.75 m为安全距离，它作为检测公理，如设置的距离小于1.75 m，程序会提醒设计者。

图4 初始模型

Fig. 4 Initial model

图5 初始模型的站台属性

Fig. 5 PlatformAttributesin initial model

随后，我们增加一条股道3，如图6所示。

图6 增加股道3后的模型

Fig. 6 Modelwith adding track 3

股道的增加一方面，会触发系统中“增加股道”的函数，程序就会自动调整相关站台的位置，且刷新站台的属性值；另一方面，股道伸入了站台内与系统的公理“站台到股道中心的距离不小于1.75 m”相悖，系统检测到模型有误，也会自动刷新站台的位置和重构站台的属性值，如图7和图8 。由图7和图8可以发现站台的约束股道已经变成了股道3，距离为1.75 m。

图7 系统自动刷新后的模型

Fig. 7 Model with refreshing system

图8 重构后的站台属性

Fig. 8 Platform attributes after reconstruction

3 结论

1) 通过本体模型，将站场设备简化为本体模型中的概念，将设备的耦合约束以概念的属性来表达和描述，可以方便，直观，清晰的描述站场设备间的平面耦合约束。

2) 基于本体的铁路站场平面数字化设计系统能够在模型发生改变后自动重构平面约束，并对重构后的平面耦合约束做一致性检测。

3) 本研究从根本上解决了站场设备平面耦合约束的问题，为后续更加复杂的平、纵、横时空耦合设计提供了理论基础。

参考文献：

[1] 何安生. 计算机辅助铁路站场平面设计研究[D]. 长沙: 中南大学, 2014. HE Ansheng. Research on plan design of computer aided railway station[D]. Changsha: Central South University, 2014.

[2] 王焕栋, 李海鹰, 苗建瑞, 等. 铁路站场平面辅助设计系统的设计与开发[J]. 铁道标准设计, 2014, 58(12): 51−54. WANG Huandong, LI Haiying, MIAO Jianrui, et al. Design and development of aided plane degisn system for railway station[J]. Railway Standard Design, 2014, 58(12): 51−54.

[3] 刘龙, 张献州, 李伟, 等. 基于AutoCAD的铁路站场平面图绘制系统的设计与实现[J]. 工程勘察, 2013, 41(10): 53−57. LIU Long, ZHANG Xianzhou, LI Wei, et al. The development and implement of the railway plannar graph rendering system based on AutoCAD[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2013, 41(10): 53−57.

[4] 杨健. 铁路站场及枢纽设计理念和方法探讨[J]. 铁道工程学报, 2010, 27(6): 102−108. YANG Jian. Discussion on design concept and method for railway station yard and terminal[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2010, 27(6): 102−108.

[5] 王立强. 铁路站场设计集成系统的开发研究[J]. 铁道运输与经济, 2005, 27(4): 60−62. WANG Liqiang. The design system of railway station[J]. Railway Transport and Economy, 2005, 27(4): 60−62.

[6] 曾志刚. 铁路站场数字化设计系统中纵横断面设计模块的研发[D]. 长沙: 中南大学, 2014. ZENG Zhigang. Reshearch ondigitalized design system of the newly built railway station[D]. Changsha: Central South University, 2014.

[7] 杨冬营. 铁路中间站平纵横集成式CAD系统研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2010. YANG Dongying. Study on the system of computer aided plan, vertical section and transect integration design for railway intermediate station[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2010.

[8] 潘超, 古辉. 本体推理机及应用[J]. 计算机系统应用, 2010, 19(9): 163−167. PAN Chao, GU Hui. Ontology inference engine and application[J]. Computer Systems & Applications, 2010, 19(9): 163−167.

[9] 陈宏. 基于本体的知识表示研究[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2006. CHEN Hong. Research on knowledge representation based on ontology[D]. Changsha: Changsha University of Science & Technology, 2006.

[10] 孙宝凤, 贾洪飞, 韩佳辰, 等. 基于本体的铁路客运枢纽内部设施建模研究[J]. 交通信息与安全, 2009, 27(3): 16−19. SUN Baofeng, JIA Hongfei, HAN Jiachen. Modeling of the internal facilities in railway passenger hub based on ontology concept[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2009, 27(3): 16−19.

[11] 张恒, 朱军, 徐柱, 等. 耦合大系统下本体驱动的高速铁路场景建模[J]. 铁道学报, 2015, 37(6): 26−35. ZHANG Heng, ZHU Jun, XU Zhu, et al. An ontology-driven approach to high-speed railway scenes modeling for general coupling simulation[J]. Journal of the China Railway Society, 2015, 37(6): 26−35.

[12] 陈凯, 何克清, 李兵, 等. 面向对象的本体建模研究[J]. 计算机工程与应用, 2005, 41(2): 40−43. CHEN Kai, HE Keqing, LI Bing, et al. Research on ontology modeling using object-oriented technology[J]. Computer Engineering and Applications, 2005, 41(2): 40−43.

Research on ontology modeling of railway station digitalized horizontal design system

PU Hao1, 2, YAN Jituan1, 2, LI Wei1, 2, LI Changhuai3, WEI Fanghua3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China; 3. China Railway First Survey and Institute Group Co, Ltd, Xi’an 710043, China)

Abstract:To solve the complex constraints among multitudinous railway station equipment in digitalized railway station horizontal design, this paper presented an ontology-based modeling approach—classifying equipment concepts by type, using the attributes of equipment to describe its constraints, abstracting the model changes as ontological functions, defining the railway station specifications and standards as ontological axioms. By applying consistency checking methods, it was realized that the automatic reconstruction of constraints automatically and the synchronous update of concepts’ attributes during the railway station horizontal interact design. We developed the railway station digitalized horizontal design system and applied it to Kaiyuanxi station and Nuoergai station successfully.

Key words:railway station; plan digital system; plan constraint; ontology modeling

中图分类号：U291.1

文献标志码：A

文章编号：1672 − 7029(2018)01 − 0220 − 06

收稿日期：2016−11−22

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378512，51608543)

通信作者：李伟(1984−)，男，江西进贤人，讲师，博士，从事铁路线站数字化设计理论与方法的研究；E−mail：[e-mail]