防雷保护范围的计算机可视化辅助设计方法研究

陈玲玲， 陈炽坤

（1. 广东工程职业技术学院，广东 广州 510520；2. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

防雷保护范围的计算机可视化辅助设计方法研究

陈玲玲1， 陈炽坤2

（1. 广东工程职业技术学院，广东 广州 510520；2. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

传统的防雷保护范围设计方法在绘图和计算方面不仅效率低、准确度差，而且容易出现错误。该文针对华南地区的雷电和防雷特点，以AutoCAD为平台研究了防雷保护范围的计算机可视化辅助设计方法。并以整体设计的思路，对现有算法的不足提出了改进方案，跳出现有以两针为单位和以三针为单位进行设计的窠臼，考虑了任意多针、不等高针的保护范围计算及可视化实现的问题，避免了原有算法中的重复计算，提高了计算效率。

计算机辅助设计；防雷研究；避雷针设计；可视化

传统的防雷保护范围设计方法只能凭借个人的经验积累以及对行业技术的理解来完成，同时计算校核也仅能通过手工绘图和公式进行。防雷保护范围设计要考虑多种因素的交互影响，这些因素包括各支避雷针的位置参数、针高参数、针间距离等。对于这样一个多因素影响的复杂过程，仅凭设计者的手工及经验进行设计和方案的修改都是困难的。同时，避雷针、避雷线、避雷网等接闪器的任意组合导致的设计方案的多样性，也加大了防雷范围设计的计算量和复杂程度。所以，传统的设计方法不能满足当今现代设计的需要。

实现可视化是防雷保护范围计算机辅助设计的核心内容，也是本文的研究重点。可视化是指通过给定的已知条件，在计算机中建立虚拟的三维场景，实现人机互动。实现保护范围的三维模型是可视化设计的重点，设计者可对比计算机中虚拟的防雷保护范围与建筑物模型，判断防雷设施是否达到防雷要求。

1 防雷保护范围的计算机辅助设计研究现状

目前国外关于防雷保护的研究主要集中于防雷模型、防雷可靠性等方面 ，关于防雷保护范围的研究特别是保护范围设计系统的研究并不多见。国内关于防雷保护范围的研究很多，主要涉及简单计算的小程序、查询保护范围半径之简表查询以及保护范围模型的模拟等。它们都实现了部分可视化设计的要求，但仍然存在着明显的缺陷。可视化研究是防雷保护范围设计的热点和发展方向，但目前的可视化系统功能不够完善等。

由此看来，实现由传统的纯粹以知识和经验为依据的、以试错为手段的方法，向着以模型化、可视化、系统化、能满足用户特殊需求的方法转变，是防雷设计行业发展的客观趋势。

2 基于 AutoCAD进行防雷保护范围可视化辅助设计的二次开发

目前，防雷设计工作主要在建筑、气象以及防雷系统的职能部门等相关领域进行，行业使用的设计软件绝大多数为AutoCAD，并且在设计后需要提供保护范围图以作为防雷设施施工的指导，这些工作都需要在AutoCAD中完成。

众所周知，AutoCAD具有强大的二维工程绘图及部分三维作图功能。它最显著的特点莫过于其开放式的体系结构，在大量开发工具的帮助下，用户可以对其菜单结构、系统命令等进行二次开发。因此，综合比较之后，笔者认为，以AutoCAD作为防雷保护范围计算机可视化辅助设计的开发平台较为理想。

综上所述，笔者针对避雷针防雷系统，通过Visual Basic 6.0 编程语言对AutoCAD进行二次开发，以此进行防雷保护范围的计算机可视化辅助设计开发。

3 新的可视化算法

华南地区地处亚热带，太阳辐射强，气温高，濒临海洋空气湿度大，有旺盛的对流活动存在，在热力、动力和地形的相互影响下，极易出现暴雷，整个地区雷电活动频繁。华南地区（本文主要以广东地区为研究对象）雷电活动的规律有：

（1） 一年四季均有雷暴，且初雷早，终雷迟；

（2） 雷暴日数较多，70%以上的雷暴日数都在75天以上，远高于我国平均暴雷日数；

（3） 暴雷分布极不均匀，地区之间差异较大，由西北往东南逐渐减少；

（4） 日发生雷电活动频率高于北方[3-4]。

以上华南地区的雷电活动特点决定了防雷工作要比北方地区面临更多的挑战。

本文针对华南地区雷暴和防雷特点，以滚球法原理作为保护范围设计的理论基础，讨论了简单防雷条件下的防雷保护范围模型，具体指以避雷针为研究对象、建筑物周围无其它建筑或山地、建筑物屋面无避雷带等设施的简单防雷模型。

为了避免出现大量的重复计算，以达到设计合理、计算高效的要求，本文提出不划分小单元进行设计的新算法，将整个保护范围分为两个部分：各单针作用范围和各针间联合作用的范围。总体思路如图1所示。

针间联合保护范围的形成方法是新算法的亮点，具有不划分设计单元、不以避雷针针数作为设计参数等特点。其具体的算法流程如图2所示。

图1 总体设计思路

图2 针间联合保护范围的形成的算法流程

1） 滚球球心运动轨迹

滚球轨迹指的是滚球绕避雷针滚动时的运行路线。经过研究分析发现，滚球轨迹是各针在地面上的防护圆的合集。在平面上产生各防护圆后，合并为一个面域，所得的面域图形曲线就是滚球轨迹图，如图3(a)。该轨迹图距地平面高度为hr。

2） 控制点的获取

图3 球心运动轨迹图

滚球球心运动轨迹由多段圆弧组成，各圆弧的交点就是控制点，控制点在两针间保护范围的轮廓形成中起着重要的作用。在程序实现中，以圆弧作为句柄搜寻并获取圆弧相关信息，所获取的圆弧端点如图3(b)。

3） 针间多边形的形成

针间多边形是各针之间联合保护范围在地面上的投影。先计算交点与各针针心间的距离及该交点两侧圆弧半径，如果距离与其中一条圆弧的半径相等，就连接该交点及针心。以此类推，得出由各交点（或控制点）与各针针心点构成的多边形，如图3(c)。

4） 拉伸与切除

以滚球半径 hr为拉伸高度，向下拉伸多边形，形成一实体如图4(a)；在各控制点处生成滚球，并切除，形成各针间的联合保护范围（顶部保护范围曲面暂未产生）如图4(b)。

图4 针间保护范围的形成

5） 顶部球面的产生

顶部球面的产生完全遵循滚球法原理。滚球在经过三支避雷针的针顶时，将在顶部形成一个球面，该球面也就是保护范围的顶部的曲面。求解该滚球球心位置是该步骤的关键。

以空间任意三点为例，过此三点的滚球球心位置的算法如下（见图5）：

图5 过三点求滚球球心位置

为求取球心 O ′(XS,YS,ZS)，必须先求得过三支避雷针顶点的圆的圆心 O ( XO, YO,ZO)，显然OO ′ ⊥△P1P2P3。设已知三支避雷针顶点分别为P1(X1,Y1,Z1)、P2(X2,Y2,Z2)、P3(X3,Y3,Z3)，点O为△ P1P2P3的外心。取三边中点分别为a(Xa, Ya,Za)，b(Xb, Yb,Zb)，c(Xc, Yc,Zc)。则：

在O′点处生成一滚球，运用布尔减运算切除该滚球，即可获得保护范围的顶部曲面。如图6所示，过1P、2P、3P三点的滚球因为未和避雷针4P发生干涉，进行滚球切除后，图中深色区域即为形成的保护范围的顶部曲面。

图6 顶部曲面的产生

6） 干涉碰撞检测

对于多支(n≥4)避雷针的情况，经过任意 3支避雷针的针顶可产生一滚球，共可产生个滚球，当直接采用现有的一些方法进行切除时，将会切除部分有效保护范围，减少了整个设施的保护范围，造成不必要的浪费。本文提出的碰撞干涉检测的原理如下：将经过某三支避雷针顶点的滚球向Z轴正向做微量偏移，运用AutoCAD提供的干涉检测函数CheckInterference获取滚球和某支避雷针的重复区域，然后删除该实体。如果系统出现报错提示，则证明滚球未和该避雷针发生干涉；反之则说明两者发生干涉，并终止和其他避雷针的干涉碰撞检测。以此类推，记录系统出现报错的次数，如果总的次数与避雷针数量相同，则说明滚球未和避雷针发生干涉，运用布尔减运算切除该滚球，就获得了该三支避雷针顶部的曲面，如图7所示。

图7 干涉、碰撞检测

7） 完整保护范围的生成

在建立起针间保护范围的模型后，再加入各单针单独作用的范围，同时运用布尔加运算，合并各模型形成完整的避雷针保护范围的虚拟模型，如图8所示。

图8 联合保护范围

4 结 论

新算法是在原有传统算法的基础上提出来的，因此继承了传统算法的优点，如将保护范围一分为二的方法，同时以整体设计的思路针对现有算法的不足提出了改进方案，跳出现有以两针为单位和以三针为单位进行设计的窠臼，考虑了任意多针、不等高针的保护范围计算及可视化实现的问题。它是一个整体性的设计方法，算法简单实用，避免了原有算法中的重复计算，提高了计算效率。

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Research on Computer Aided Visible Design Method for Lightning Protection Scope

CHEN Ling-ling1, CHEN Chi-kun2
( 1. Guangdong Polytechnic Collecge, Guangzhou Guangdong 510520, China;2. School of Mechanical and Automotive Engineering , South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China )

The traditional method of lightning protection scope design has many disadvantages, such as low efficiency and precision, and mistakes are very easy to be made in the drawing and calculating of the design. According to the characteristics of the thunder and lightning protection in South China, a visible design method of lightning protection scope based on AutoCAD is researched. An improved method is provided in order to avoid the repetitious counting by using the existing algorithm, which covers the cases of any number and different height of lightning rods, and computational efficiency is increased.

computer aided design; lightning protection research; lightning rod design;visualization

TP 391

A

1003-0158(2010)06-0075-05

2010-03-16

陈玲玲（1959-），女，广东梅州人，副教授，主要研究方向为工程图学及CAD。