地铁架空刚性接触网平面设计软件的优化

田升平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



地铁架空刚性接触网平面设计软件的优化

田升平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要:当前地铁设计任务的不断增加对接触网辅助设计软件提出更高的要求。介绍架空刚性接触网平面设计软件的优化内容，采用先进的编程语言实现分布式软件架构，对架空刚性接触网平面设计中的底图处理、锚段智能划分、悬挂点智能布置及冲突检测和调整、拉出值自动计算、汇流排和渡线设计、工程量统计及图幅处理等算法进行优化设计。实际应用表明，本软件提高了地铁架空刚性接触网平面设计的成图质量及设计效率，可满足高质、高效的出图需求。

关键词:地铁;架空刚性接触网;软件;平面设计;智能化;优化

1　概述

随着我国城市化进程的加速进行，地铁建设任务大幅增加。架空刚性悬挂作为地铁接触网的主要悬挂及授流方式，由于其具有零部件少、维护方便、运营成本低等诸多优点而广泛应用。然而地铁架空刚性接触网平面设计工作量大、文件质量要求高、设计工期紧张，成为制约地铁建设的重要因素。

目前国内架空刚性接触网平面设计用的辅助软件主要采用LISP语言并以单机方式运行，基本实现了底图处理、锚段划分、悬挂点布置、图元标注、数量统计等主要功能［1-3］。但LISP语言及相关开发技术已经落后，且单机软件难以实现数据共享，不能满足当前CAD辅助设计的技术升级要求。因此，本软件在总结既有软件特点的基础上，从软件开发技术及架空刚性接触网平面设计的智能化实现两方面进行了优化设计，将架空刚性接触网平面设计流程标准化、规范化，以提高设计文件质量，满足短时、高效的出图需求。

2　地铁架空刚性接触网一般技术标准

软件基于以下主要技术标准开发［4-7］:

(1)架空刚性悬挂为∏型汇流排垂直悬挂方式;

(2)平面布置形式包括类之字和类正弦波两种;

(3)接触网锚段长度不大于250 m;

(4)跨距最大为8 m，跨距比不大于1∶1.25;

(5)分段形式:采用机械分段的绝缘和非绝缘锚段关节方式，非绝缘及绝缘锚段关节两平行汇流排中心线之间的距离分别为200、300 mm;

(6)锚段及跨距:汇流排终端悬臂长为1.8 m，第1跨为2 m，第2和第3过渡跨为5 m和6 m。锚段长度为Lb=2×7.5+12n(n为汇流排根数，每根汇流排长12 m)。如表1所示。

表1　地铁架空刚性悬挂一般跨距值　m

3　软件开发环境、软件架构及主要功能

3.1软件开发环境

采用Visual C#编程语言，.NET 3.0以上托管平台，使用SQL Server 2008以上分布式数据库技术，结合面向对象的ObjectARX 2010以上辅助开发工具，运行在AutoCAD 2010以上图形平台［8-11］，可满足多人同时开展设计工作并共享设计数据。

3.2软件架构

本软件采用分布式架构，服务器端SQL数据库以项目为单位存储设计数据，客户端在AutoCAD图形平台以组件形式运行。同一项目可在多个客户端同时建立不同的设计单元并共享服务器端的项目数据。与既有软件相比，可实现资源共享、协同设计的优化目标。软件具体架构见图1。

图1　软件架构

3.3软件数据结构

3.3.1服务器端数据

主要设计数据分层存储，顶层为项目信息，其次为设计单元信息，底层为设计数据类信息。数据通过SQL数据库管理，包括项目数据库表6个，设计参数与可检索库表;单元数据库表8个，主要包括与设计单元有关的线路、隧道、约束信息及标注信息。数据分层存储的优势在于不同权限的用户可以管理不同层级的设计数据。

3.3.2客户端数据

(1)电子表格数据

对于数据量大且与里程相关的数据，软件提供数据的导入导出功能。导出数据为电子表格格式，经过编辑修改，再导入数据库表。电子表格数据优点在于可批量修改数据并能够快速导入软件。

(2) INI格式数据

包含两类数据:①初始化后的单元设置信息;②标注参数中设置的标注字体大小、颜色、距中线位置、地线线型比例信息。这两类信息保存在客户端.ini文件中，优点在于不同设计单元的用户可独立修改而互不干扰。

3.4设计流程

软件主要设计流程如图2所示。

3.5软件主要功能

(1)导入设计基础数据并进行图纸预处理; (2)锚段划分:实现锚段的智能划分与调整;

(3)悬挂点布置:智能布置悬挂点，包括标准与非标准长度锚段悬挂点布置及其冲突检测与调整;

(4)采用拉出值算法自动计算拉出值并标注;

(5)汇流排设计:根据悬挂点拉出值自动实现选定设计单元的汇流排、悬挂点符号绘制;

(6)渡线设计:自动实现渡线的锚段设置、悬挂点及跨距布置、汇流排及地线绘制;

(7)工程量统计:自动完成工程量分类统计、工程量表插入及填写等功能;

(8)图幅与标注:自动实现图幅分幅、剪裁和拼接，图框绘制、技术栏标注、签署栏填写等。

图2　设计流程

4　主要设计模块与算法

4.1底图处理

4.1.1图纸比例

线路输入图中的“区间隧道结构平面图”比例一般为1∶1 000，“车站结构平面图”比例一般为1∶1。而接触网平面设计图的比例一般为1∶200。软件设置输出图纸的比例尺，导入图纸后自动检测输入图纸的比例并根据所设置的输出图纸比例对输入图纸进行缩放和拼接，满足出图的比例要求。

4.1.2基础图元处理

输入底图中存在大量与接触网平面设计无关的图形实体、图层、图块、文字、线型等信息，为了便于设计，软件可自动清除底图上多余信息，保留有用信息。

用户只需要选择要保留的、有代表性的标注文字、线条实体等，软件将自动查找同类型的匹配的文字或线型提取出来，同时删除其余无关信息。

4.2锚段智能化划分

4.2.1设计单元构成

一个设计项目由多个设计单元构成。一个设计单元可由一个或多个设计区段组成。设计区段的组合包括模式:(1)单一车站; (2)单一区间; (3)区间+车站自由组合。因此，锚段划分模块设计需灵活考虑各种设计单元的组合形式。

4.2.2标准锚段选取

锚段划分的目标是将设计区段划分为n(n≥1)个标准锚段或加1个非标准长度锚段。锚段划分时尽量选取标准长度锚段Lb:12n+2×7.5≤Lb≤250(n≥1)，以减少材料浪费。

区段长度小于250 m时不划分锚段，否则即划分锚段。区段长度减去所有标准锚段长累加后，剩余长度较长时单独成锚段，否则并入其他锚段。

如图3所示，设区段长为Lq，标准锚段长度为Lb，小数部分为d;通过式(1)计算各标准锚段对应的小数值d，再计算剩余长度R(R=dLb)

(1)取Lb较长且小数d大的标准锚段。

(2)取Lb较长且剩余锚段长R小于锚段关节长度的标准锚段。

(3)取Lb较短但剩余锚段长R小于锚段关节长度的标准锚段。

(4)否则，取小数d较大的标准锚段。

为验证实验的可行性，实验进行前本人对相关专家和体育教师在实验前和实验后进行访谈，同时对教学过程中应注意的问题咨询，确保实验的顺利进行。

图3　锚段划分示意(单位:m)

表2中区段长978.55 m，剩余长度均大于6.6 m，故选用小数d最大的标准锚段207 m。

表2　选择小数大的标准锚段(一)

表3中区段长为950.77 m，虽然剩余长度有一个小于6.6 m(2.246 m)，但存在锚段长度较长且小数最大的243 m锚段，故选用243 m作为标准锚段。

4.3悬挂点智能化布置、冲突检测和调整

4.3.1跨距计算

(1)标准长度锚段的悬挂点布置:设锚段长度为Lb，最大跨距为8 m，跨距数目为n，最小跨距为7 m，数目为m;锚段两端从悬臂端至第3跨长14.8 m，经测试发现存在常数跨距S，7＜S＜8，可通过式(2)计算跨距值

表3　选择小数大的标准锚段(二)

跨距选取原则:在满足跨距比不大于1∶1.25的情况下，尽量选用8 m的最大跨距。

(2)非标准长度锚段的悬挂点布置:针对给定的一个非标准锚段长Lf，设最大跨距为Kd，数量为n，最小跨距为Kx，数量为m;当给定一组跨距Kd、Kx时，需找到介于最小跨距与最大允许跨距Kd/1.25间的跨距Kr，通过式(3)计算

经循环计算，找到一组满足条件的Kr、n、m值，即可得到跨距分布。若非标准锚段Lf过小，找不到一组合适的Kr、n、m值，则需手工交互完成跨距划分，但此种可能性较小。

4.3.2悬挂点的冲突检测与调整

检测悬挂点是否与各类设备设施冲突:汇流排中间接头、车站结构风孔、人防门开启范围及其他特殊设施等。软件自动识别冲突内容并根据冲突类型及相对距离给出提示，如无特殊要求，则自动调整当前悬挂点及临近悬挂点位置，保证最大跨距及跨距比满足要求。其中，悬挂点与汇流排中间接头距离一般不小于500 mm。车站内悬挂点布置避开轨顶风孔和人防门或防淹门，悬挂点距离出风口边缘应不小于250 mm。

如图4所示，有4处悬挂点与汇流排接头为300 mm。软件自动给出调整方向及调整距离的建议，如无特殊要求，则自动调整有冲突的悬挂点并满足相关设计要求。软件可批量处理此类冲突。

图4　悬挂点的冲突检测与调整

4.4渡线设计

软件单独设计渡线。渡线设计原则:(1)道岔处的正线、渡线在正线线路中心线同侧布置; (2)渡线第1～3跨的跨距布置要求与锚段关节相同; (3)正线锚段关节最大拉出值不出现在道岔处; (4)道岔关节悬挂点拉出值距正线线路中心线为200 mm。

如图5所示，软件根据道岔数据自动计算渡线首尾里程，只需输入渡线锚段的编号、关节类型等数据，即可自动设计渡线锚段并布置。此功能弥补了既有辅助设计软件对渡线设计支持不足的缺点。

图5　渡线设计

4.5拉出值自动计算

悬挂点的拉出值，除了关节悬挂点、极大值点和中心锚结等处已知外，其他悬挂点的拉出值需根据汇流排的布置形式，采用合适的拉出值算法计算，目前主要有类正弦波和类之字形两种算法［12］。

类正弦波算法是在一个锚段内按正弦波布置，拉出值计算用正弦波形;类之字形算法采用斜直线法。考虑到设计灵活性，将拉出值计算参数化。根据项目要求选择拉出值算法。除锚段关节等关键悬挂点的拉出值可设置外，还可选择关节外E点悬挂点的拉出值作为控制值，如图6所示。

图6　拉出值算法选择与关键点拉出值设置

4.6汇流排布置设计

软件对汇流排布置算法进行了优化，简化了汇流排的设计步骤:

(1)选择作为汇流排基线的线路中心线布置; (2)拾取基线外点，确定该设计单元第一锚段关节的位置(即在基线上侧或下侧)，实际里程位置由软件根据基线自动计算确定; (3)在下一锚段关节的起始位置自动选择基线的另外一侧; (4)结合拉出值计算结果逐锚段根据所选择的类之字形或类正弦波汇流排布置形式绘制汇流排。

4.7安装图号提取与标注、工程量统计及图幅处理

4.7.1安装图号提取与标注

软件根据悬挂点位置、隧道断面、隧道净空高、线路曲直段落和特殊地段信息计算正线悬挂安装图号。标注安装图号时，首先从悬挂点提取扩展信息，随后与数据库数据匹配，将位置信息与图号信息对应。最后从图号中截取部分信息进行标注。

若设计人员在后期修改了图纸，软件可自动检测修改内容并调整图号，并将信息同步到数据库。从而实现安装图号的智能标注与自动更新。

4.7.2工程量统计

本软件对工程量统计功能的优化在于可分类统计，对有安装图号的项可依据安装图号从技术栏分项统计，没有安装图号的项则根据其与其他项的关系计算得出。在设计人员对图纸修改后可自动更新工程量表与数据库信息。

4.7.3图幅处理

某些地铁设计任务会要求地铁架空刚性接触网平面设计图中的锚段按照与线路实际走向一致的方式进行设计，这就导致需要在出图之前对图纸进行分幅、裁剪与拼接。

(1)图纸分幅

软件在平面设计图上沿图幅中心水平方向自动绘制有内外线框的多样线，在多样线无法包含图形的位置设置分幅线，随后依次设置后续分幅线，直到整个图形分幅完成。

(2)图纸裁剪与拼接

软件对已分幅的图形进行剪裁，自动沿分幅线将图形剪裁为独立的图块。随后沿辅助水平线依序拼接分幅的图块并绘制图框完成图幅处理。

软件创新性地实现了设计图的图幅分幅、裁剪与拼接功能，满足了出图的需要。

5　软件特点

(1)可满足地铁区间及车站任意设计组合的架空刚性接触网平面设计任务;

(2)采用智能化锚段划分算法划分锚段;

(3)采用悬挂点智能布置算法进行悬挂点布置及设备冲突检测和跨距调整;

(4)可实现渡线的智能化设计;

(5)采用拉出值自动计算算法进行拉出值的计算、布置和调整;

(6)可自动提取、标注与更新接触网安装图号;

(7)可自动分类统计工程量并进行图纸的分幅、裁剪与拼接。

6　软件测试与应用

对软件各模块及算法分别进行了黑盒及白盒测试，并从单元和系统的角度进行了单元测试、集成测试和系统测试［13］，达到软件设计标准。

本软件在西安地铁1、2号线接触网平面设计中进行了应用，根据应用结果对软件结构和算法进行了进一步的优化和完善，达到了较高的自动化、智能化设计水平。实际应用表明，使用本软件可提高架空刚性接触网平面设计文件质量，满足短时、高效的设计需求及可靠的地铁线路运营要求。

7　结语

地铁架空刚性接触网平面设计软件应用前景广阔。本软件采用标准化设计流程，具备交互式设计手段，通过智能化算法，实现了地铁架空刚性接触网平面设计任务的优化设计，使本软件在行业内处于先进水平，达到了设计图纸的短时、高质、高效的交付目标，可适应新时期的地铁建设需求。

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Optimization of Layout Design Software for Metro Rigid Overhead Contact System

TIAN Sheng-ping
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:More efficient overhead contact system aided design software is required duo to increased metro design.This paper introduces the optimization content of overhead rigid contact system layout software.The software uses advanced programming language to achieve distributed architecture and optimize the design in perspective of input drawing process，intelligent anchoring section division，suspension points arrangement，conflict detection and adjustment，stagger calculation，busbar and crossover，work quantity statistics and drawing frame process related to overhead rigid contact system layout.Practical application shows that the software can improve drawing quality and design efficiency and meet the requirements for high quality and efficient drawing

Key words:Metro; Rigid overhead contact system; Software; Layout design; Intelligence; Optimization

作者简介:田升平(1984—)，男，工程师，2010年毕业于清华大学精密仪器与机械学系，工学硕士，E-mail:283240930@ qq.com。

收稿日期:2015-07-06;修回日期:2015-08-14

文章编号:1004-2954(2016) 03-0134-05

中图分类号:U225.1

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.028