基于模拟退火算法的电气化铁路横向连接辅助设计软件
2014-11-27袁天玉
袁天玉
袁天玉:中铁第四勘察设计院咨询公司 助理工程师 430063 武汉
横向连接是电气化铁路采用的一种电路连接及接地方式，在双线区段中，利用上、下行两空心线圈或空扼流变压器的中心线相连并接地，其作用是平衡两钢轨间的牵引电流，减少牵引电流对轨道电路的影响，限制钢轨与大地之间的电压，避免对线路附近相关人员的人身伤害，以及用于疏导牵引电流，确保牵引回流的畅通。横向连接的合理设置是轨道电路正常工作和牵引回流正常沟通的重要保证，直接影响铁路系统的行车安全及线路附近相关人员的人身安全。
由于横向连接的设置需要考虑牵引变电所(如果是AT供电，则另含分区所、AT所)(下文简称牵引所亭)位置、线间距离、设置步长、轨道区段频率、钢轨补偿电容布置等诸多因素，如果靠人工计算并设置，效率低下且极其容易出现错误。为此，在总结工程设计的技术经验和计算机软件开发技术基础之上，开发了一套横向连接的辅助设计软件，以提高横向连接的工程设计效率和设计质量，满足铁路设计和建设的需要。
1 工程设计原则
在软件开发过程中，为了简化软件算法的设计，将横向连接布置原则在工程设计原则基础上进行了简化。
1．所有横向连接均为完全横向连接，且同时提供牵引电流回流线的吸上线连接。
2．为减少牵引回流对轨道电路的影响，区间所有横向连接均采用新增空扼流变压器方案，站内横向连接尽量利用进、出站信号机的机械绝缘节处的扼流变压器。
3．横向连接间距在1200～2000 m之间，尽量控制步长在1400～1600 m左右，且同一个轨道区段最多设置一处;所连接轨道电路区段的载频不得相同。
4．牵引所亭处设置一处横向连接，左右1200 m处再各设置一处。
5．横向连接距离区间电气绝缘节 BA至少100 m，距离补偿电容至少20 m。
2 设计平台选择
因算法实现需要输出大量的CAD图纸，故考虑采用基于C++的ObjectARX技术，在AutoCAD平台上进行二次开发。ObjectARX提供了以C++为基础的面向对象开发环境及应用程序接口，其应用程序是一个DLL，共享AutoCAD的地址空间，对AutoCAD进行直接函数调用，能真正快速的访问和操作AutoCAD图形数据库，并且ARX类库采用了标准的C++类库的封装形式，大大提高了编程的可靠度和效率。
3 算法设计
横向连接的布置主要考虑目标设置点与下一个横向连接最近的信号点、最近的钢轨补偿电容，以及最近的牵引所亭之间距离的合适性。
软件采用模拟退火算法。该算法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐冷却。加温时，固体内部粒子随温升变为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在某个温度都达到平衡态即基态时，内能减为最小。用固体退火模拟组合优化问题，将内能E模拟为目标函数值f，温度T演化成控制参数t，可得到解组合优化问题的模拟退火算法:由初始解i和控制参数初值t开始，对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代，并逐步衰减t值，算法终止时的当前解即为所得近似最优解。这是一种启发式随机搜索过程，具体设计步骤如下。
1.根据用户输入的步长布置第一个横向连接，记为H0，并计算目标函数值T0，此目标函数是满足最近的牵引所亭、信号点以及钢轨补偿电容之间距离要求的满意度参考值。
2. 设置初始温度 T=f(H0，H1，H2，．．．Hk);其中k为当前布置的横向连接个数，f函数为计算当前布置的k个横向连接数的综合满意度参考值。
3.do while k＜=(布置横向连接线路长度)/(设置步长)
1)for j=0～n;//尽可能多的迭代确保能找到全局最优解;
对当前最优解按照邻域函数(横向连接设置规则约束函数)，产生新解Hnew，并计算新的目标值Tnew;如果random［0～1］＜0.5，则更新最优解Hbest=Hnew，否则不做改变;
end for;
2)确定当前最优横向连接布置点Hbest;
4.找到该区域横向连接的最优布置，结束。
4 横向连接软件开发
4.1 软件结构
软件分为5个主要功能模块:用户界面模块、基础数据导入模块、横向连接自动布置模块、工程设计图表输出模块和保护与加密模块。
1．用户界面模块。在AutoCAD环境下，基于ObjectARX开发的用户界面，实现用户与软件系统的输入与输出操作。
2．基础数据导入模块。导入横向连接设计所需要的线路、信号点、桥隧、长短链和牵引所亭位置等数据，并实现数据的初始化，将所有数据的位置里程转换成绝对里程存于数据库中。同时，在数据初始化的过程中，对导入数据可能存在的问题(不合理输入或原则性错误)进行检查，以友好的方式警告用户，并提出修改或规避错误的建议。
3．横向连接自动布置模块。该模块基于模拟退火算法，实现了横向连接的工程最优化布置，是核心模块。
4．工程设计图表输出模块。根据初始化后的基础数据，及横向连接自动布置模块运算的数据，绘制横向连接工程设计施工图纸、工程数量表、设计说明及图表封面目录。
5．软件保护与加密模块。基于加密狗方式实现保护软件的合法分发和使用。
4.2 软件应用
为了验证软件及算法的可行性，以赣龙铁路为例，进行横向连接设计。
1．在用户界面模块中打开软件界面，通过基础数据导入模块导入基础数据。在此基础上，横向连接自动布置模块经过算法运算，在工程设计图表输出模块中，输出横向连接设图纸，如图1所示。图1中包括区间信号设备平面示意图、信号设备接地防雷示意图、横向连接布置示意图等。
2．结果分析:工程设计中，横向连接布置效果是否优化，重要的衡量标准是横向连接布置的步长及与最近信号点之间的距离。经统计，该软件的横向连接步长最小不低于1200 m，步长基本在1400～1600 m之间，且与信号点的间距在100 m以上，满足设计规则要求，整体布置效果良好。
图1 生成的横向连接设计图(局部)
5 结束语
横向连接工程设计质量在铁路建设期涉及到投资控制，运营期直接关系到行车安全和线路附近的人员安全，故在满足相关铁路技术标准和规范条件下，在工程设计经验总结的基础上，设计先进合理的横向连接布置算法具有重要意义。基于模拟退火算法的横向连接自动布置软件在工程实际中得到应用，极大地提高了横向连接的工程设计效率和工程设计质量，具有工程实用性。
［1］谢云．模拟退火算法的原理及实现［J］．高等学校计算机数学报，1999(3):21－32．
［2］项宝卫，余雪芬，骆兆文．模拟退火算法在优化中的研究进展［J］．台州学院学报，2005，(27)6:6
［3］中华人民共和国铁道部．铁建设［2010］241号.高速铁路信号工程施工技术指南［S］.2010.
