智能道岔辅助设计系统的制作方法

本发明涉及道岔辅助设计领域，具体是一种智能道岔辅助设计系统。

背景技术：

道岔是实现列车转线运行的铁路轨道主要结构，其技术水平比较集中地反映了一个国家铁路轨道的发展水平。我国道岔工业从无到有，从小到大发展至今，其水平已基本同步于世界轨道高端水平。随着高速铁路线建设的推进、铁路轨道水平的发展，道岔的重要作用再一次凸现出来。

如今高铁建设规模迅猛提高，传统的道岔产品的研发设计面临许多问题，如道岔产品需要满足多型号要求、交货期缩短、批量加大，以及竞争加剧、供不应求等。因此亟需提高道岔产品的生产效率，缩短设计周期，同时加快对市场变化的反应，增强企业的竞争力。

目前国外在道岔自动化设计方面已经达到较高水准，诸多道岔设计产品也已经投入使用，其中templot最为广泛，这是一款自带预置铁路道岔模型的绘图设计程序，它适用于铁路轨道道岔的规模化设计，并且可以轻松绘制复杂的图型，可提供诸如“绘制1:7.5的右道岔，15英尺直道岔，弯曲半径15”、“在红色背景图纸上打印”等功能，然而该系统只是提供了若干模板，无法基于专家的经验推荐设计方案，在智能程度方面有待提升。

与国外的道岔辅助设计发展水平相比，国内还较为落后，尚未开发出类似的自动化道岔设计系统，基于专家经验的辅助道岔设计系统领域更是空白，导致大部分设计任务皆由人工操作完成，生产效率偏低，无法满足高速发展的铁路产业需求。

在道岔的开发过程中，设计人员已经实现了利用微机进行产品设计等操作。但工作流程一直按照传统方式进行。设计流程缺乏高效的控制与支持手段，整个流程停留在传统的方法进行人为管理。以平面铺设图，材料数量表，设计说明为基础设计总布置图，以理论位置与轨道尺寸计算转辙器与辙岔布置图，导致道岔制造不够精细化、高效化。

道岔作为铁路运输的重要技术设备，对技术的要求很高，需绝对保证安全的特点决定了其设计工作的重要性。目前公司在道岔产品的总布置图设计、辙岔器设计等方面皆采用传统的设计方案，生产效率慢，容错性低，复杂的绘图过程限定了时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种智能道岔辅助设计系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种智能道岔辅助设计系统，包括零件图库与知识库模块、总布置图快速设计模块、部件设计图生成模块、bom表生成模块和系统工作区；零件图库与知识库模块存储道岔设计用标准件、通用件、外购件、外协件、以往产品的图纸和零部件的属性和约束规则，总布置图快速设计模块根据输入的总布置图参数和约束规则计算导出总布置图，部件设计图生成模块读取总布置图参数，再结合输入的各部件参数生成对应的部件布置图，bom表生成模块按照道岔生产文件要求生成零件的工艺路线表、外购件明细表、通用件明细表、整组产品的零件发送明细表，系统工作区将各模块集成于其中，包括设计人员参数交互界面、总体布置图设计界面、部件设计界面。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明采用计算机技术实现道岔的快速设计，以“参数化绘图”的方式取代传统设计方式，打造出半自动化式的绘图技术，将极大提高生产效率，减少设计误差，节省间接开销。

附图说明

图1是本发明详细设计流程图。

图2是本发明参数设计结构图。

图3是本发明系统模块框架图。

图4是本发明图形零部件和线框图生成逻辑图。

图5是60kg/m钢轨12号ii型辙叉及护轨布置图。

图6是本发明图形库和知识库部署结构图。

图7是本发明图形库的数据更新流程图。

图8是本发明专家系统组成架构图。

图9是本发明智能道岔辅助设计系统数据库设计-图像库实体关系图。

图10是本发明智能道岔辅助事件系统数据库设计-知识库实体关系图。

图11是本发明基于rete网络的规则推理机制图。

图12为表示知识规则的数据结构─贝叶斯网络的构建流程图。

具体实施方式

本发明是一款具有参数化绘图功能的辅助设计系统，可根据道岔号数、轨距等主要设计参数以及约束规则生成总布置线条图；根据设计参数自动生成转辙器、辙叉、护轨、本轨、尖轨的参数化图形；利用基于rete算法的推理机引擎，负责完成道岔关键部件的约束分析和约束求解；根据实际使用需求自定义扩充图形库生成新的零件图；还可以根据预设的知识库进行方案对比，由专家决策支持系统选择最优的方案。该智能道岔辅助设计系统是建立在计算机技术与智能化技术上，具有参数化设计及智能向导功能的辅助系统。利用参数化设计与自动化技术，自动生成布置图、提供交互式更改接口与智能向导，用户的工作只是向程序提供必要的参数，由计算机智能地完成其余工作，满足用户对工作效率的需求。

该系统的设计方案如下。

本系统初步的设计流程如图1所示，具体设计流程如下：

第一步，根据技术要求和线路运营条件，由设计人员独立完成总图线形图的设计；

第二步，参数设计结构图见图2，根据总图利用参数化绘图软件绘制转辙器和辙叉及护轨布置图，按照设计原则和方法由计算机读取总图中的信息来自动完成其他布置图的绘制(结合人机交互的干预和优化)；

第三步，利用参数化设计软件实现基本轨、尖轨、铁垫板、橡胶垫板、间隔铁、顶铁、限位器等道岔用零件的施工图设计和绘制；

第四步，建立一个道岔设计用标准件、通用件、外购件、外协件及以往产品的图纸的存储、查询、筛选、调用的数据库，预留erp接口；

第五步，数据库的最终目标是形成道岔产品的知识库，且具有较高准确度的检索和优化建议功能；

第六步，生成零件的bom表，按生产文件要求生成零件的工艺路线表、外购件明细表、通用件明细表、整租产品的零件发送明细表。

第七步，为系统开发一个道岔设计系统的界面，支持多人在统一界面下工作，并可链接打开autocad，在本地计算机或服务器上完成绘图，最终可以上传到数据库中。

在铁路道岔设计中，有些内容如垫板，铁轨断面设计，其几何元素的相对位置(即图形结构)是不变的，使用参数化设计完成对这些内容的设计。

参数化绘图有着不同的表现形式：

其一，参数化绘图是指绘图软件本身具有参数化的功能。在修改一个尺寸后，图形中的相关尺寸会自动更新。

其二，参数化绘图是指由应用程序而不是支撑软件生成的图形具有参数化功能，如ads应用程序，这可理解为图形的所有尺寸是参数化的。可以动态修改，但这一过程是由应用程序完成的。即应用程序负责与用户交互。当用户想修改图形的某一尺寸时，应用程序负责更新这一尺寸及相关的尺寸。

上述两种参数化绘图的手段用于不同的场合。绘图软件本身具有参数化功能可方便地对已生成的图形进行修改，不需要编程，工作量小。而由应用程序实现的参数化功能，理论上可以处理任意复杂关系的图形。但绘图软件本身具有的参数化功能，只是相对而言的，当零件的结构存在着复杂的几何关系时，很难表达清楚，该方法对结构不规则的零件便不适用。而由应用程序实现的参数化绘图在这方面具有较强的优势.因此在开发此系统时，还必须通过编制应用程序把设计、计算、绘图有机地结合起来。

本系统综合上述两种参数化绘图的优点，在进行垫板，铁座等规则图形的参数化方法上采用第一种绘图方法。在进行道岔总布置图和直基本轨、曲基本轨、曲线尖轨、直线尖轨等零件的参数化方法上采用第二种设计方法。

系统模块的划分见图3。本文主要介绍总布置图快速设计模块、转辙器、辙叉及护轨等其它零部件设计图生成模块、直基本轨、曲基本轨、曲线尖轨、直线尖轨设计图生成模块、图形库和知识库推导模块和bom表生成模块。

1.总布置图快速设计模块

本系统总布置图模块要根据道岔号数、轨距、钢轨型号、a，b(道岔前端\后端长度)等参数值自动计算理论导出，确定总布置图的总长度、导曲线半径r；根据枕木在不同位置对间距的不同要求，提供自动和交互布置方法；根据一定的约束规则计算出枕木在不同位置(间距)的长度，为用户提供一个动态布置端面的方法；还具有方便的导轨长度计算工具，可以自动生成总布置线条图；根据所用的材料和数量等物料信息生成物料清单明细表附加于线框图。图形零部件和线框图生成逻辑如图5。

道岔总布置图有多种不同的型号，每种型号的几何形状不完全相同，重新生成时需要修改的地方较多，并且图形几何关系复杂。参数较多，各参数间相关联，在这种情况下单纯采用约束求解的方法进行参数化设计显然力不从心。本系统利用知识推理引擎在案例库中查询到合适的样例模板，借助rete网计算约束关系，基于贝叶斯网络选择合适的装配模块，每种型号的道岔布置图通过一个计算程序来计算与设计参数相关的内部参数，然后调用绘图函数绘制各部分图形，生成总布置图。

此外，随着轨道的发展会出现更多的改进型号，程序不可能将所有的型号都包括在内。本系统提供了应用程序接口，可以以插件形式嵌入到autocad系统，用户可以通过动态链接库(dll)的形式直接调用本系统的核心函效。用户可以在原有系统上增加新的类，实时扩展原有类的函数，随时添加新的计算程序模块。

2.转辙器、辙叉及护轨等其它零部件设计图生成模块

此模块根据总图利用参数化绘制转辙器、辙叉及护轨，通过主要设计参数自动生成转辙器、辙叉及护轨的布置图。还可以根据底板不同长度，铁座的不同位置，自动生成一系列的垫板图形。并实现轨距块、接头轨距块、滑床台、承轨台、弹片、夹板、限位器、销轴等零部件的参数化设计及有关参数的管理。

根据总图的参数化的依据有：(1)总图中的线型图、钢轨断面、关键部位的结构要求(如尖轨的跟端形式、辙叉长度、顶铁、接头铁、间隔铁、限位器等的安装位置。(2)扣件、轨撑、调整楔、垫板的安装方式及位置，整合各零部件的装配关系、结合岔枕的排布方式作出最终的布置图。这些依据都是可以根据设计经验和原则总结出一定的规律和算法，以此为基础来确定编程和绘图规则。

这个模块的关键技术是图形参数化。参数化设计的设计对象结构比较定型，可用一组参数来约束尺寸关系，在参数化设计形式下，用户的工作只是向程序提供必要的参数，或对某些参数提出修改意见，剩下的工作便由计算机去完成了。在道岔产品的设计过程中，同一系列不同型号的转辙器、辙叉、护轨及垫扳等图形通常情况下结构和形状基本不变，因此，可以用一组参数来确定产品的几何尺寸。

参数化设计模拟工程师绘图的方法，对图形的几何形状和尺寸进行约束分析，确定图形各部分尺寸，然后按照画法几何原理和工艺规范允许的方法生成图形，以便在修改尺寸后，按照图形生成步骤重新生成图形。参数化设计分为两个步骤：

(1)约束分析。对几何约束、拓扑结构约束和尺寸约束进行分析，以确定图形的先后次序和定位基准，指示图形中约束关系和正确的标注方法。

(2)约束求解。修改参数值，使图形按照新的参数和原始的约束集来重新生成图形的算法过程。

对图形进行约束分析是实施约束求解的必备条件，约束分析的结果指示了约束求解的步骤。

一个图形绘制完成以后，图形的各个单元(如点、线、圆、圆弧和字符等，一般称之为图元)全部映射到图形数据中。不同的实体类型有不同的数据形式，其内容可分为两类：一类是实体属性数据，包括实体的颜色、线型、类型和所在图层名等；另一类是实体的几何特征数据。对于圆有圆心、半径等，对于圆弧有圆心、半径以及起始角、终止角等。屏幕上图形是图形数据的表象反映，而图形数据的内容才真正确定了图形。系统可记录建立几何的整个历程，不仅记录几何尺寸，同时也记录设计意图，即图元之间的几何关系。当改变参数时，几何关系保持不变。例如，如果一个圆的圆心位于一条直线的端点，那么，无论直线或圆的大小怎样变化，其圆心始终位于直线的端点。

约束传播的基本思想是利用已经定性定位的已知元素，利用未知元素与已知元素的约束关系推导出未知元素。它是参数化设计算法的基本策略。在进行参数化设计时，约束的传播是从寻找适当的基准开始，通过各种约束关系向外传播，该过程递归进行，直至所有图元全部生成。由于参数化cad系统中记录约束时已避免了二义性，所以在进行参数化设计时，可保持图形的拓扑结构不变，避免约束求解时出现多解。

以60kg/m钢轨12号li型辙叉及护轨布置图为例，此布置图主要由辙叉、基本轨、护轨、护轨基本轨组成。辙叉的主要尺寸指辙叉的趾距(辙叉理论尖端至趾端的距离)、跟距(辙叉理论尖端至跟端的距离)，辙叉随着主要尺寸的变化而变化，但主要形状不发生改变。其他零件如基本轨、护轨、护轨基本轨等只是位置发生了改变，结构和尺寸均未改变，因此可以进行参数化处理。

分析图形的生成步骤：

首先根据辙叉号数画出辙叉；

然后根据定位尺寸布置基本轨，护轨和护轨基本轨，布置枕木，插入垫板。

在对辙叉及护轨布置图进行参数化设计时，按照下述步骤生成图形：以辙叉理论尖端为基准，根据跟端、趾端开口，跟端、趾端长度，咽喉宽度，底板宽生成辙叉的参数化图形，记录各约束关系的信息，然后记录护轨、基本轨等的尺寸约束信息，生成护轨和基本轨。

最后布置枕木，插入垫板，在插入垫板时进行消隐处理。

图6是通过参数化生成的辙叉及护轨布置图。修改参数表可以生成不同型号的辙叉及护轨布置图。

道岔零部件图形和转辙器、辙叉及护轨的布置图都可以通过此种方法快速生成。对于这种面向工程应用的复杂图形的参数化设计，采用传统的几何分析、约束求解等参数化方法是难以实现的，而采用本系统提出的方法可以解决这一难题，并且完全符合工程设计规范的要求。

3.直基本轨、曲基本轨、曲线尖轨、直线尖轨设计图生成模块

此模块通过在总图中读取位置、配套尺寸信息，结合人机交互的干预和优化，根据直基本轨、曲基本轨、曲线尖轨、直线尖轨的主要设计参数自动生成直基本轨、曲基本轨、曲线尖轨、直线尖轨的参数化图形。根据尖轨的主视图和俯视图可以得到尖轨的任意截断位置的断面图。

为使尖轨前端呈尖形，能引导车轮从基本轨过渡至尖轨，或从尖轨过渡至基本轨，并保证尖轨与基本轨密贴，尖轨应进行轨头水平刨切和轨底的水平与垂直刨切。为保证尖轨尖端部分不被轧伤和过多地承受车轮垂直荷载，还要进行尖轨轨顶的垂直刨切，使轨顶面较基本轨降低一些。因此尖轨截面断面图图形复杂，结构不规则，如果做成图库工作量太大，通过编程实现可以提高效率，减少工作量，所以通过程序实现各类铁轨的参数化图形生成。

4.图形库和知识库推导模块

图形库和知识库推导模块包括零件图形库、装配经验知识库和专家系统。

图形库的设计，根据实际使用的需求对于新的零部件可以自定义扩充图形库。建立一个道岔设计用标准件、通用件、外购件、外协件及以往产品的图纸的存储、查询、筛选、调用的数据库，并且能够定义或读取各产品及其零部件的属性，数据库的最终目标是形成道岔产品的知识库，具有较高准确度的检索功能，用户可随时调用库文件提高工作效率。

与已有的信息系统对接可以将信息整合，数据库预留erp接口，可以对文档数据进行统一集中式管理，从而提高产品数据的共享性、准确性和产品设计效率，降低工作重复量，缩短研发周期，是进行现代化建设的重要环节。其实现由以下两部分组成。

1.信息集成

实现与已有设计阶段设计信息、管理信息的无缝集成，自动方便地完成数据采集处理及应用，在数据库录入或读取cad图形信息时，根据实际情况确定原有信息读取规则。

2.数据共享

充分利用网络数据库、文件传输等技术，使系统用户可以在安全许的情况下充分利用共享资源。

智能道岔辅助设计系统数据库设计-图形库实体关系图如图6所示。

装备经验知识库是基于图形库经过分析向用户提供方案设计及零部件推荐。

由以下几部分构成：

1.提交图形库数据

由用户根据用户已有数据零件库向服务器提交图形库数据。

2.申请更改

对于图形库数据更改，需要用户向上级申请，批准后方可进行数据更新修改。

3.更改编辑

进行图形库数据更新和修改。

4.更改审查

对更改后的图形库数据进行审查，审查无误后方可确认提交。

知识库推导，根据预设的知识库推导规则，进行方案对比，自动导出合适的候选方案和组件。此模块应用层和数据层分别在客户端和服务器，以实现现有的零件库共享和扩展知识库。智能道岔辅助设计系统数据库设计-知识库实体关系图如图7所示。

图形库和知识库部署结构如图8所示。道岔的设计依赖于图形库的支持，图形库的部署和管理需要服务器和客户端支持，用户需要预先向服务器提交图形库数据，图形库的数据更新需要满足如图9所示的流程。通过不断丰富图形库，可以实现组件的快速设计，知识库是在图形库的基础上，建立知识图谱关联。对于图形库中的组件可以通过专家系统的算法进行方案设计的导出和候选零部件的推荐。

专家系统的构成如图10所示。其主要单元有知识库、综合数据库、推理机、解释器、人机界面、知识获取。

知识库：用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。

综合数据库：专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。

推理机：针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向推理两种。正向推理是从前件匹配到结论，反向推理则先假设一个结论成立，看它的条件有没有得到满足。由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。

解释器：能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选的原因。

人机界面：又称为接口，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。

知识获取：机器能理解的表达形式。

图形库及知识库数据字典见表1至表7,分别为总部署图表，图形组件表，用料清单表，组件约束规则表，事实表，规则表，结论表。

表1总部署图表

表2图形组件表

表3用料清单表

表4组件约束规则表

表5事实表

表6规则表

表7结论表

5.bom表生成模块

在设计信息化的过程中,bom明细表自动生成是一个重要部分，明细表中包含材料定额，生产技术条件等一些基本信息，其自动生成功能由以下三部分实现。1.选择组合方式。根据订单设计要求，以组件、零件为基本模块，通用件为基础，选择需要的组合方式如：渡交组合等；2.文档关联。根据订单要求组合方式，和图纸技术文档关联；3.生成bom明细表。按目前的生产文件要求生成零件的工艺路线表、外购件明细表、通用件明细表、整组产品的零件发送明细表,该功能主要通过数据库和总图中约束完成excel等格式的数据报表导出。

6.基于rete算法的的推理机引擎

设计基于rete算法的推理机引擎，负责完成道岔关键部件的约束分析和约束求解。

rete算法是目前基于正向链推理最有效的算法。给定一个规则“p→c”，前提p表示一组约束，如果这组约束与相应的一个或多个事实对象匹配则规则得到激发从而结论c发生。

在产生式系统中，事实对象可能与多条规则匹配，因此有可能有多个规则需要执行且需要执行的规则之间有可能存在冲突，所以与事实匹配的规则需要进入议程中进行冲突消解。

rete算法的使用主要分成两个阶段，第一阶段是规则编译阶段，在此阶段中生成rete网络，第二个阶段是规则执行阶段，在此阶段中使用第一阶段生成的网络与系统中的事实进行模式匹配。

在rete算法的规则编译阶段，一组规则通常首先由系统分析员或者系统开发人员通过某种高级的规则语言(如ops5、drools中的drl等)定义，然后收集通过规则编译(包括词法分析、语法分析、生成抽象语法树等)转换成rete网络。rete网络的节点形成一个有向无环图(dag)结构，节点是用来评估约束或用来存储部分匹配信息的复杂的实体。为了激活规则，事实需要遍历rete网络，且在遍历过程中可能与其他的事实相结合。在rete网络中主要有两种重要的类型节点：alpha-节点、beta-节点。

●alpha-节点，用来评估涉及单个事实的约束，与关系数据库表中选择操作相似。alpha-节点以线性顺序联接，最后联接到alpha-内存，alpha-内存用来存储满足所有与之相连的alpha-节点约束的事实。

●beta-节点，用来评估对相关联的事实对的约束，与关系数据库表中联接操作相似。在一般情况下，一个来自α-内存的事实与已联接的事实序列(也称为元组)联接以产生新的事实序列(新的元组)，并将新的事实序列(新的元组))保存于beta-内存中。随着元组在beta节点中的传播，其中不断地加入新的事实，直到它到达一个终端节点并激活一个规则。

在rete算法的规则执行阶段，每个事实进入rete网络并传播，直到它到终端节点并激发规则(或者由于事实暂时与网络中某节点不匹配，而存储于网络中某些中间内存中)。

与传统的rete网络类似，默认情况下，每条规则的多个模式之间用and连接，一个模式内部类约束与其它约束也用and连接，因此每一个模式使用一个and类型的节点作为其代表。这些将自身模式内部的约束与其他模式的约束分离and类型节点，称为“模式节点”。一条规则可以构造成一颗抽象语法树(ast)，通过后序遍历ast并将访问次序的序号标记每一个节点，如第k次访问到某个节点n，将这个节点标记为k，基于rete网络的规则推理机制如图11所示。

7.创建精巧的贝叶斯网络数据结构描述知识库

贝叶斯网络是一系列变量的联合概率分布的图形表示，包含两个部分，一部分是贝叶斯网络结构图，这是一个有向无环图(dag)，其中图中的每个节点代表相应的变量，节点之间的连接关系代表了贝叶斯网络的条件独立语义。另一部分，是节点和节点之间的条件概率表(cpt)，由一系列的概率值组成。

贝叶斯网络有一条极为重要的性质，即断言每一个节点在其直接前驱节点的值制定后，这个节点条件独立于其所有非直接前驱前辈节点。这条特性的重要意义在于明确了贝叶斯网络可以方便计算联合概率分布。一般情况下，多变量非独立联合条件概率分布有如下求取公式：

p(x1,x2,...,xn)＝p(x1)p(x2|x1)p(x3|x1,x2)...p(xn|x1,x2,...,xn-1)(1)

而在贝叶斯网络中，由于存在前述性质，任意随机变量组合的联合条件概率分布被化简成等式(2)，从形式上描绘了贝叶斯网络。

s和θs分别代表贝叶斯网络结构和随机变量，p<s,θs>表示该网络的联合概率分布。结构s是dag，s＝(v,e)，其中v＝{x1,x2,...xn}是节点集，e是弧的集合。对每一个xi，条件概率分布可表示为p(xi|parents(xi))，其中，parents(xi)表示变量xi的直接前驱节点的联合，概率值可以从相应条件概率表中查到。

算法1基于贝叶斯网络的参考引擎

输入:dag,不可观察要素节点y

输出:不可观察要素的条件概率

(1)对所有可观察随机变量节点用观察值实例化；对不可观察节点实例化为随机值。

(2)对dag进行遍历，对每一个不可观察节点y，计算

其中wi表示除y以外的其它所有节点，α为正规化因子，sj表示y的第j个子节点。

(3)使用第三步计算出的各个y作为未知节点的新值进行实例化，重复第二步，直到结果充分收敛。

(4)将收敛结果作为推断值。

图12为表示知识规则的数据结构─贝叶斯网络的构建流程图。