摘要:基于在虛擬的立體地理環(huán)境中進行鐵路選線設(shè)計的目標，構(gòu)建一個以立體地理環(huán)境為基礎(chǔ)的鐵路選線設(shè)計系統(tǒng)。結(jié)合信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、遙感技術(shù)、虛擬技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)等，創(chuàng)建一個相對真實的鐵路地理環(huán)境;采取BIM技術(shù)，建立鐵路基本構(gòu)造元數(shù)據(jù)庫;利用數(shù)據(jù)庫中的基本元構(gòu)件，建造鐵路選線立體模型，并且能不斷檢查和維護。實現(xiàn)鐵路選線設(shè)計的三維立體化。鐵路選線系統(tǒng)可讓線路設(shè)計師在虛擬環(huán)境中進行線路考察和分析，快速建造鐵路選線立體模型，該模型具有直觀性、靈活性等特點，符合地理環(huán)境選線、重大鐵路工程優(yōu)先選線、跨國鐵路選線等的標準。

關(guān)鍵詞:虛擬;立體地理環(huán)境;鐵路選線;模型;設(shè)計

0前言

關(guān)于鐵路選線設(shè)計，其綜合性較強、涉及多個專業(yè)。在具體線路設(shè)計過程中，線路設(shè)計師要有效運用其專業(yè)知識和技能，深入分析地質(zhì)、地形等地理環(huán)境，從而設(shè)計出符合社會進步、經(jīng)濟發(fā)展等需求的最優(yōu)化鐵路線路。鐵路線路的設(shè)計受設(shè)計師對地理環(huán)境的分析結(jié)果影響顯著，因此和其他類型的工程設(shè)計相比，其對地理環(huán)境的依賴性更明顯［1－2］。虛擬地理環(huán)境，可以定義為是以化身人、化身人群、化身人類為主體的一個虛擬共享空間與環(huán)境。其中的化身人、化身人群、化身人類是表示現(xiàn)實世界中的人與虛擬世界中的化身相結(jié)合后的集合體?；硎怯脩粼谔摂M世界中的三維圖形表達，是一種身份表達。通常來講，虛擬地理環(huán)境是由地理環(huán)境建模應(yīng)用程序、硬件和人三者構(gòu)成的。在這種虛擬地理環(huán)境中，人可在計算機虛擬形成的立體地理環(huán)境中自由行走和探索，同時感受虛擬地理環(huán)境，和其中的物體產(chǎn)生交互作用［3］。基于加強鐵路線路設(shè)計效率的目標，自1950年來，鐵路行業(yè)的有關(guān)專家和學(xué)者著重于對以虛擬地理環(huán)境為基礎(chǔ)的計算機輔助鐵路線路設(shè)計體系的研究。至今為止，鐵路選線設(shè)計體系的發(fā)展通過50年的不懈努力，由傳統(tǒng)的封閉式專用軟件變?yōu)橐蕴摂M立體地理環(huán)境為基礎(chǔ)的數(shù)字化鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了線路設(shè)計軟件的通用化［4－5］。

1地理環(huán)境虛擬建模平臺

至今為止，虛擬地理環(huán)境有兩個發(fā)展趨勢:第一，以虛擬技術(shù)為基礎(chǔ)的進入式虛擬地理空間;第二，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的非進入式虛擬地理空間［6］。其中，進入式虛擬地理空間是設(shè)計人員也被看作虛擬空間的構(gòu)成，可和空間內(nèi)的物體產(chǎn)生交互，讓設(shè)計人員感受猶如進入現(xiàn)實地理環(huán)境中，參與者通常需要佩戴立體頭盔、立體眼鏡、虛擬衣服等［7］。一般而言，進入式虛擬空間還可劃分成完全進入式虛擬地理空間和半進入式虛擬地理空間兩種。完全進入式虛擬地理空間需要線路設(shè)計人員佩戴立體頭盔，徹底將設(shè)計人員和現(xiàn)實環(huán)境相隔離，在設(shè)計人員頭部移動或轉(zhuǎn)動時，三維立體鏡像會實時更新。半進入式虛擬地理空間包括屏幕投影、虛擬平臺等形式。結(jié)合數(shù)字化鐵路選線設(shè)計要求，鐵路虛擬地理空間建模平臺的構(gòu)成有硬件設(shè)備、地形地勢數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)、虛擬視景模型、工程數(shù)據(jù)庫等，虛擬地理空間建模平臺系統(tǒng)是由專業(yè)軟件、硬件設(shè)備和自開發(fā)的地理空間建模應(yīng)用程序集成而成［8－9］。鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)的計算機硬件系統(tǒng)是集成了虛擬技術(shù)、交互設(shè)計和高效計算能力的一個系統(tǒng)，其基礎(chǔ)構(gòu)成有計算機、專業(yè)設(shè)備、地形地勢收集設(shè)備和三維可視化設(shè)備等,

本文作者：李海洲1楊天鴻1陳仕闊1李楊1王航2于慶磊1作者單位：1東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院2中國煤炭科工集團沈陽設(shè)計研究院

礦區(qū)概況及采礦方法

1礦區(qū)概況

孟家崗鐵礦位于黑龍江省樺南縣城北20km孟家崗鎮(zhèn)境內(nèi)。孟家崗鐵礦分為孟南和孟北2個礦區(qū)。牡佳線鐵路于孟北礦區(qū)和孟南礦區(qū)之間穿過，孟南礦區(qū)三維圖如圖1所示。其中，A點、A1點、A2點、A4點、A5點為安設(shè)的地表沉降監(jiān)測點。孟南礦區(qū)不屬于鐵路下采礦，而是在鐵路線一側(cè)，留有鐵路永久保安礦柱，符合原來的三下采礦技術(shù)規(guī)范。但是，根據(jù)2004年12月27日中華人民共和國國務(wù)院令第430號《鐵路運輸安全保護條例》第十八條規(guī)定“在鐵路線路兩側(cè)路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起各1000m范圍內(nèi)，禁止從事采礦、采石及爆破作業(yè)。在規(guī)定的范圍內(nèi)，因修建道路、水利工程等公共工程，確需實施采石、爆破作業(yè)的，應(yīng)當與鐵路運輸企業(yè)協(xié)商后，采取必要的安全防護措施?！睘楸ＷC牡佳線鐵路還有臨近公路的安全運營，本文對影響孟家崗鐵礦開采方案的研究就有了充分的意義。

2采礦方法

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和結(jié)合現(xiàn)場實際，鐵路線路保安礦柱錯動角與地表巖體錯動角相同，即礦體下盤為65°，地表第四系松散沉積巖45°，鐵路線路保安礦柱范圍內(nèi)的1―4#勘探線間的Ⅰ號礦體，不開采，留作鐵路線路永久保安礦柱。在保留現(xiàn)有采空區(qū)的前提下，設(shè)計提出該礦群5#，6#勘探線鐵路下開采有2種可行方案，分別為：方案一采用房柱法，礦房回采高度為階段高度60m，厚度為礦體厚度，考慮經(jīng)濟效益，最后確定沿礦體走向礦方之間留設(shè)15m永久間柱。方案二礦房用上向分層全尾砂膠結(jié)充填采礦法，經(jīng)過對比研究確定充填料配比為“尾砂+普通水泥+粉煤灰+水”配比模式，質(zhì)量濃度為75%，水泥200kg/m3，粉煤灰300kg/m3?；夭筛叨葹殡A段高度60m，厚度為礦體厚度，不留設(shè)間柱。礦房隨采隨充，礦房采完后不形成空區(qū)。

第一章總則

第一條為了加強鐵路運輸安全管理，保障鐵路運輸安全和暢通，保護人身安全、財產(chǎn)安全及其他合法權(quán)益，根據(jù)《中華人民共和國鐵路法》和《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》，制定本條例。

第二條中華人民共和國境內(nèi)的鐵路運輸安全保護及與鐵路運輸安全保護有關(guān)的活動，適用本條例。

第三條鐵路運輸安全管理堅持安全第一、預(yù)防為主的方針。

第四條國務(wù)院鐵路主管部門負責全國的鐵路運輸安全監(jiān)督管理工作。

國務(wù)院鐵路主管部門設(shè)立的鐵路管理機構(gòu)（以下簡稱鐵路管理機構(gòu)）負責本區(qū)域內(nèi)的鐵路運輸安全監(jiān)督管理工作。

第一章總則

第一條為了加強鐵路運輸安全管理，保障鐵路運輸安全和暢通，保護人身安全、財產(chǎn)安全及其他合法權(quán)益，根據(jù)《中華人民共和國鐵路法》和《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》，制定本條例。

第二條中華人民共和國境內(nèi)的鐵路運輸安全保護及與鐵路運輸安全保護有關(guān)的活動，適用本條例。

第三條鐵路運輸安全管理堅持安全第一、預(yù)防為主的方針。

第四條國務(wù)院鐵路主管部門負責全國的鐵路運輸安全監(jiān)督管理工作。

國務(wù)院鐵路主管部門設(shè)立的鐵路管理機構(gòu)（以下簡稱鐵路管理機構(gòu)）負責本區(qū)域內(nèi)的鐵路運輸安全監(jiān)督管理工作。

1概述

7年12月27日，工業(yè)和信息化部與中國鐵路總公司聯(lián)合下發(fā)（鐵總發(fā)改[7]3號）《關(guān)于鐵路沿線公網(wǎng)覆蓋合作建設(shè)指導(dǎo)意見》，支持和鼓勵中國鐵路總公司將鐵路紅線內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施資源向公網(wǎng)覆蓋開放，支持鼓勵中國鐵塔股份有限公司（以下簡稱“中國鐵塔”）等基礎(chǔ)電信商進行鐵路公網(wǎng)覆蓋建設(shè)，并向鐵路開放其通信基礎(chǔ)設(shè)施資源[1]。中國鐵路總公司和中國鐵塔在北京簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方深化資源共享，強化戰(zhàn)略協(xié)同，共同打造“高速鐵路+移動寬帶”精品工程，確?！案哞F開通之日，就是通信暢通之時”，為廣大旅客提供更好的出行體驗和網(wǎng)絡(luò)體驗[2]。在此背景下，探索鐵路沿線通信塔及配套設(shè)施合作共贏的技術(shù)方案可行性勢在必行。本文將從技術(shù)可行性、共享可行性、經(jīng)濟可行性等三個方面詳細分析鐵路沿線通信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享技術(shù)方案的可行性。此外，文章在不考慮公網(wǎng)通信設(shè)備上車的技術(shù)方案的前提下提出的通信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享技術(shù)方案。

2鐵路沿線通信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享方案可行性研究

根據(jù)TB088-5《鐵路移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計規(guī)范》，GSM-R系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、工程設(shè)計范圍、無線子系統(tǒng)的覆蓋要求及設(shè)計、系統(tǒng)的工作頻段、對天線桿塔的要求、運行維護支撐系統(tǒng)等方面與公眾移動通信GSM系統(tǒng)高度相似，中國鐵塔成立以來，多年來一直為運營商的GSM系統(tǒng)提供通信基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

2.1技術(shù)可行性分析

根據(jù)鐵路的無線通信業(yè)務(wù)需求，GSM-R系統(tǒng)主要覆蓋鐵路正線、聯(lián)絡(luò)線的車站及區(qū)間，解決上述生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的移動通信業(yè)務(wù)需求。根據(jù)無線通信業(yè)務(wù)需求，GSM-R系統(tǒng)可提供以下業(yè)務(wù)功能：（1）調(diào)度通信：列車調(diào)度、牽引變電調(diào)度電話和調(diào)度命令傳送和車次號校核等；（2）行車指揮與列車控制數(shù)據(jù)傳輸；（3）區(qū)間維護作業(yè)通信：提供工務(wù)、供電、水電、電務(wù)等部門的區(qū)間維護作業(yè)通信業(yè)務(wù)；（4）應(yīng)急移動通信：提供公安、搶修、救援等多部門、多工種的應(yīng)急移動通信業(yè)務(wù)；（5）各類公務(wù)移動電話。GSM-R系統(tǒng)要求在普速鐵路沿線約6-7km處設(shè)置一個站址，在高速鐵路沿線約3.5km處設(shè)置一處站址，當前公眾通信系統(tǒng)在鐵路沿線大約是0m-1km一處站址（市區(qū)場景）和2-3km（郊區(qū)和農(nóng)村場景）設(shè)置一處站址。考慮到未來5G通信系統(tǒng)的站址需求，密集區(qū)域?qū)⑦_到0m一處站址。因此，公眾移動通信系統(tǒng)的站址密度遠大于GSM-R系統(tǒng)的要求，可滿足鐵路GSM-R系統(tǒng)對于站間距和覆蓋的要求。參考GSM-R設(shè)計規(guī)范及以往建設(shè)經(jīng)驗，GSM-R站址偏移不應(yīng)大于0m，考慮到視頻監(jiān)控對于沿線的業(yè)務(wù)要求，站址距軌道中心線的垂直距離應(yīng)在0m范圍內(nèi)，普速鐵路無視頻監(jiān)控要求，站址距軌道中心線的垂直距離應(yīng)在m范圍內(nèi)。對于公網(wǎng)而言，站址偏移不應(yīng)超出m，站址距軌道中心線的垂直距離應(yīng)在m范圍內(nèi)。中國鐵塔新建的GSM-R站址按照鐵路標準：站址偏移不應(yīng)大于0m，高鐵線路的站址距軌道中心線的垂直距離應(yīng)在0m，普鐵線路的站址距軌道中心線的垂直距離應(yīng)在m。根據(jù)GSM-R系統(tǒng)的覆蓋能力和交織覆蓋的要求，經(jīng)過測算，在確保傳播環(huán)境無嚴重遮擋的情況下，無線基站距離鐵路中心線米以內(nèi)均可滿足GSM-R系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋要求。影響鐵路行車安全的風險因素主要包括：（1）鐵路征地界或安全保護區(qū)外建設(shè)的通信塔距離線路較遠（一般米以上），鐵塔上高清攝像機的視頻監(jiān)控可能被阻擋或出現(xiàn)盲區(qū)。（2）由線路引出至鐵路征地界或安全保護區(qū)內(nèi)機房的光纜管道存在安全隱患。（3）因供電不穩(wěn)定導(dǎo)致鐵路GSM-R系統(tǒng)斷站，影響鐵路行車安全。（4）因通信塔的質(zhì)量和施工工藝問題導(dǎo)致桿塔傾斜，影響鐵路行車安全。（5）因不能及時處理鐵路通信基站故障，影響鐵路行車安全。鐵路對于通信基礎(chǔ)設(shè)施合作方案實施的安全性高度重點，參考以往建設(shè)技術(shù)標準，在保障鐵路運行安全的前提下，本報告重點關(guān)注選址（含桿塔）、供電、傳輸、維護的安全要求。通過論證，中國鐵塔可滿足鐵路運營的安全保障要求。根據(jù)《鐵路安全管理條例》第二十七條規(guī)定：鐵路線路兩側(cè)應(yīng)當設(shè)立鐵路線路安全保護區(qū)。鐵路線路安全保護區(qū)的范圍，從鐵路線路路堤坡腳、路塹坡頂或者鐵路橋梁（含鐵路、道路兩用橋，下同）外側(cè)起向外的距離分別為：城市市區(qū)高速鐵路為米，其他鐵路為8米；城市郊區(qū)居民居住區(qū)高速鐵路為12米，其他鐵路為米；村鎮(zhèn)居民居住區(qū)高速鐵路為15米，其他鐵路為12米；其他地區(qū)高速鐵路為20米，其他鐵路為15米。鐵路用地地界：高鐵橋梁區(qū)段，用地界為7.2（預(yù)留施工便道一側(cè)線路中心至用地界）+5.8（另一側(cè)線路中心至用地界）+5（線路中心間距）=18米。普速橋梁區(qū)段，用地界為7.2（預(yù)留施工便道一側(cè)線路中心至用地界）+5.8（另一側(cè)線路中心至用地界）+4（線路中心間距）=17米。路基段征地界根據(jù)具體橫斷面計算。根據(jù)某高鐵用地界，路塹區(qū)域征地界約為路塹邊坡外9米，路基區(qū)域征地界約為坡腳外7米。（1）選址安全要求：應(yīng)保證倒塔距離的要求，和防電磁干擾的要求；站址應(yīng)滿足年一遇的防洪要求。（2）選址安全保障措施：若站址設(shè)置在倒桿距離內(nèi)，通過增加附加風壓（按照TB1-4《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》7.2.23節(jié)的要求）、提升安全等級和抗震重點設(shè)防級別等技術(shù)手段設(shè)計鐵塔；機房墻內(nèi)建設(shè)法拉第籠，屏蔽電氣化電路的電磁干擾；公網(wǎng)移動通信系統(tǒng)選址規(guī)范滿足年一遇的防洪要求。若站址設(shè)置在倒桿距離外，根據(jù)當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)選址，滿足年一遇的防洪要求；站址距離線路中心線m以上，滿足倒塔距離。供電安全要求和保障措施包括：（1）供電安全要求：針對GSM-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)不能中斷要求，需保證供電全時穩(wěn)定。（2）供電安全保障措施：共享鐵路電力，原則上采用雙路供電、一級負荷、蓄電池備電等措施保障電力供應(yīng)。根據(jù)TB008-5《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》，承載列控的高鐵通信基站應(yīng)為一級負荷，其他線路基站可作為二級負荷，二級負荷可由雙路電源供電，條件困難可由單路電源供電。傳輸安全要求和保障措施包括：（1）傳輸安全要求：針對GSM-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)不能中斷要求，需確保鐵路傳輸路由全程暢通。（2）傳輸安全保障措施：鐵路征地界外的站址盡量貼近線路，減少路由長度，并且采取雙路由、增加埋深、套鋼管和水泥包封等保護措施。維護安全要求和保障措施包括：（1）維護安全要求：故障發(fā)現(xiàn)、響應(yīng)、閉環(huán)的及時性要求高。（2）維護安全保障措施：中國鐵塔可提供7*24小時集中監(jiān)控平臺、上萬的維護辦公駐點、近十萬的通信專業(yè)代維人員提供高等級的維護服務(wù)。經(jīng)分析，鐵路通信塔及配套設(shè)施與公網(wǎng)的建設(shè)標準有一定差異。一方面，中國鐵塔可以按照國鐵集團的建設(shè)需求調(diào)整相應(yīng)建設(shè)標準；另一方面，在滿足安全和技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，國鐵集團和中國鐵塔可以共同商議優(yōu)化建設(shè)標準，實現(xiàn)集約化建設(shè)。因此，中國鐵塔具有為鐵路提供通信塔及配套設(shè)施服務(wù)的優(yōu)勢。中國鐵塔新建的鐵路通信站址將滿足鐵路的以上要求，同時兼顧公網(wǎng)共享的要求。鐵路通信塔及配套設(shè)施對于GSM-R系統(tǒng)安全起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)分析，影響鐵路行車安全的風險因素主要包括：（1）鐵路征地界或安全保護區(qū)外建設(shè)的通信塔距離線路較遠（一般超過米），鐵塔上高清攝像機的視頻監(jiān)控可能被阻擋或出現(xiàn)盲區(qū)。（2）由線路引出至鐵路征地界或安全保護區(qū)內(nèi)機房的光纜管道存在安全隱患。（3）因供電不穩(wěn)定導(dǎo)致鐵路GSM-R系統(tǒng)斷站，影響鐵路行車安全。（4）因通信塔的質(zhì)量和施工工藝問題導(dǎo)致桿塔傾斜，影響鐵路行車安全。（5）因不能及時處理鐵路通信基站故障，影響鐵路行車安全。鐵路對于通信塔及配套設(shè)施合作方案實施的安全性高度重視，參考以往建設(shè)技術(shù)標準，在保障鐵路運行安全的前提下，需重點關(guān)注選址（含桿塔）、供電、傳輸、維護的安全要求。通過論證，中國鐵塔可滿足鐵路運營的安全保障要求。