接触网设计平台及基础数据库系统的设计与实现

曹小明

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



接触网设计平台及基础数据库系统的设计与实现

曹小明

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

铁路勘察设计电气化接触网专业在设计过程中，涉及专业、人员、数据量众多。为提高不同专业间协同设计及具体区间辅助设计效率，确保项目流程的可追溯性，实现多专业数据共享，特开发了接触网设计平台及基础数据库系统。通过对电气化接触网专业业务流程的分析，设计项目管理流程，结合短信提醒与中心数据库管理技术，实现了项目流程的管理、监控与数据共享。从接触网辅助设计的数据获取，中期数据处理、工程设计约束及工程数量统计等方面进行分析、归纳和简化，采用参数化的设计方法，建立了对应辅助设计子系统的数学模型，并采用“用户-角色-权限”模式的访问控制机制保证了应用过程中数据的安全性。

电气化铁路；接触网；协同设计；二次开发；参数化设计；数据共享

铁路电气化设计是铁路工程设计的重要设计内容之一，主要包括电力机车、牵引变电所和接触网三部分。接触网设计[1]部分，含平面设计、结构设计、工程数量计算与汇总等内容，需要在接收并处理线路、地质、桥隧等专业提供的数据，进行设计、审核、审定的基础上，为工经、环设等相关专业提供平面图纸、工程数量统计等数据。从项目整体管理而言，项目负责人需要及时地了解各子项目的设计进度，对不同专业间的项目、人员进行协调与调度，其间涉及人员复杂、专业众多、相关数据量大，同时，项目对不同专业及人员间数据流转实时性及可追溯性要求较高。在辅助设计方面，相关子项目的专册或者设计人员，在进行辅助设计的时候，需要对站前专业提供的DWG图纸、Excel表格、文本文件等类型数据，进行深入处理，获取接触网区间、车站、隧道等设计需要的小桥涵、信号机、桥墩、地质条件等独有数据[2]，同时结合项目通用的支柱跨距标准、接触线拉出值标准、支柱侧限标准、支柱类型标准、安装图号、附加导线安装图号等共用数据，使用接触网专业设计规范及原则进行设计[3]。

就现实情况[4]而言，接触网专业CAD技术应用，大部分作业还停留在利用AutoCAD基本命令，进行交互式绘图，或者使用针对电气化专业具体设计内容的软件进行单个专业、单个区段的辅助设计的初级阶段，设计效率低、制图工作量大，设计图标准无法统一。而且真正意义上的不同专业、同一项目中的协同设计，不同区段、车站、隧道间的计算机辅助设计、数据共享的应用并不多见。因此，铁路电气化接触网工程设计在CAD二次开发方面，应用深度不够。而近年来，随着我国铁路大规模建设，电气化专业，特别是接触网国铁、地铁设计任务量很大，加之接触网工程设计内容繁多，工程各部位各工序设计前后关联、计算量大、绘图繁杂、工程数量汇总难等自身特点，对电气化接触网协同管理与设计效率的要求大大提高。因而，研发接触网专业协同管理与辅助设计系统，实现对同一项目，不同单元，不同专业间人员的管理监控，数据传递、处理及共享的迫切性和重要性不言而喻。

项目以提高接触网协同与辅助设计效率、实现多专业间数据共享为总体目标，以顺应和满足接触网专业设计业务需求为导向，进行系统的总体规划与实施，最大限度地发挥计算机辅助设计的优势，以缩短接触网设计周期，实现对项目进度的监控与责任追溯，减轻专业设计人员的部分劳动强度。

1　接触网设计平台及基础数据库系统逻辑模型分析

1.1数据逻辑结构图

如图1所示，数据在逻辑上可划分为项目信息、专业信息、设计单元信息和数据类4层。

图1　接触网设计平台及基础数据库系统数据逻辑结构

其中，项目信息层包含电化处参与的所有设计项目；专业信息层包含项目涉及的所有设计专业；设计单元信息层包含具体专业的所有区间。区间可以按照车站、道岔、隧道等类型划分，也可根据里程划分；数据类层，包含每一设计单元的原始资料、中间结果、设计成果等独有数据和项目中各个单元所使用的流程管理信息、项目设计规范信息等共用数据。一个项目可以涉及多个专业，一个专业可以包括一个或多个设计区间。所有的资源分类存放在图2中所示的SQL中心数据库中统一保存，以实现数据的管理与共享。

1.2数据流程(图2)

图2　接触网设计平台及基础数据库系统数据流程

1.3系统功能

接触网设计平台及基础数据库系统是一个规模较大的软件研发工程，它涵盖到了线路、地质、桥梁、电力、接触网、工经等专业的协调管理与接触网专业辅助设计等内容，系统功能结构图如图3所示。

图3　接触网设计平台及基础数据库系统功能结构

系统由4部分组成[5]：系统管理、项目管理、审核处理和辅助设计。主要涉及专业间协调管理及接触网专业辅助设计。

管理部分，以项目为主体，将站前专业设计人员纳入管理体系，实现对项目的设计周期、进度、设计人员分工、权限设置，设计前期数据、中间结果、设计成果等资料的共享与管理；辅助设计部分，以区间、站场、隧道等单元为主体，将辅助设计划分为站前图纸数据读取、接触网相关表格数据批量读取、区间辅助设计、地铁辅助设计、车站辅助设计、平面出图及数据浏览等模块[6]。该平台具有可扩充性，可以把电气化其他专业的辅助设计功能纳入管理，利用网络技术、数据库技术和CAD二次开发技术，可以有效提高设计效率、实现资源共享。

总之，系统开发目标和功能要层层分解，整体规划。各子系统需高内聚、低耦合[7]，最终架构一个结构层次清晰、易于维护、易于适应变更的系统。

2　系统设计与实现

2.1系统开发平台与开发环境

系统采用AutoCAD2014+ObjectARX 2014+VC.Net2010组合的开发平台与环境，应用平台为AutoCAD2014，数据库管理系统采用SQL Server2008，部分辅助设计模块，采用AutoCAD.Net技术进行开发。

2.2项目协同管理及数据共享

协同管理部分，设定以项目与单元为主体，完成对接触网项目与单元相关的专业、部门、人员、权限、流程、进度控制等的管理。项目负责人可以对所负责项目进行单元划分，设置项目流程运转中相应处理人及处理期限，可以根据项目初始化时设置的计划完成日期，统计与监控项目进度。系统设定短信提示功能，以及时的提醒相关人员进行文件处理，尽可能地避免文件处理的延误，设计用户意见批注与用户日志功能，可以对项目的数据来源及设计进度进行责任追溯。

创建共享中心数据库。根据预定设计，基础数据库数据可以划分为DWG文件数据、Excel表格或者文本文件数据以及CAD数据库与SQL数据库中新数据库数据4部分，它们之间的相互关系如图4所示。

图4　数据流转定义

其中站前专业的DWG图纸，主要为线路数据，通过辅助设计的图纸数据自动读取功能录入SQL中心数据库；Excel表格与文本文件数据主要为地质、隧道、桥梁、信号机、小桥涵等与区间设计紧密相关数据，可以通过辅助设计的表格自动读取、文本文件解析功能录入中心数据库；这两部分数据由站前专业相关设计人员录入。而项目流转过程中产生的各种监控、短信、批注、日志、统计数据，与项目设计需要的项目共用数据，直接保存在SQL中心数据库中。辅助设计时，各模块设计工具直接调用中心数据库数据，在本地进行CAD二次设计，并将结果保存在中心数据库中，用户还可以根据需要，将由辅助设计处理过的数据，由中心数据库导出为表格或者文本文件，以提高后续用户对数据的复用率。

2.3数据采集自动化

数据采集模块主要实现对项目设计需要的信号、地质、站场、线路、路基和桥隧等各个专业提供的前期数据，以及项目各单元需要的支柱跨距标准、接触线拉出值标准、支柱侧限标准、支柱类型标准等共用数据的录入。

数据采集方法设定为3种，如图5所示。

图5　数据采集方式

在这3种数据采集方式中，标准格式数据采集模块是为了实现对站前专业提供的各种标准格式的Excel文件的录入工作，该数据采集模式需相关专业提供符合要求的Excel或文本文件；人工录入数据采集模块是为了解决在相关专业无法提供标准格式文件与DWG图纸的情况下，直接对照设计蓝图进行数据录入的问题，该模式是对其他数据录入模式的补充；自动获取数据采集模块是基于站前专业提供的标准DWG设计图纸的数据录入方式，可以区间里程界限为约束，自动批量读取区间内正线、长短链、里程变换、百米标、千米标等数据。

2.4辅助设计参数化

辅助设计部分，依据接触网项目不同路线的几何约束和工程约束，结合专业设计的作业工序、设计内容、设计人员习惯等，参考相关设计规范，采用面向对象程序设计技术[8]，将设计元素对象化，实现把大量的一般常规计算设计、绘图工作计算机程序化。各设计元素采用参数化[9]设计方法，后台与数据库动态交互，构造参数化图形库。实体模型参数化的建立及其实体间几何约束关系的确立，其主导思想是通过修改设计参数，按确定的约束关系，自动完成对图形中支柱、拉出值、锚段关节[10]、中心锚结、附加导线锚结、技术参数、工程数量统计等的同步改动，进而实现对图形的驱动。

下面以区间辅助设计中支柱批量调整计算为例，说明实体对象参数的确定(图6、表1)。

图6　支柱批量调整界面

表1　支柱布置及调整参数

系统数学模型利用尺寸约束和工程约束，建立以符合要求的特征点为变量的非线性方程组，通过对方程组的解析，得出所有特征点(控制点)的坐标值，从而快速地设计出在形状或功能上符合接触网设计规范的设计方案。

2.5数据库安全性设计

本系统为C/S软件结构模式，SQL Server作远程数据库。服务器端与客户端安全性方面，通过网络安全技术、软件口令解决[11]。而由于系统管理与辅助设计的多用户、多任务性，设计人员在设计过程中由于误操作、误删除或者修改而产生的安全隐患，则通过建立“用户/角色/权限”模型解决[12]。

权限部分，主要划分为系统管理、单元管理、短信发送、项目管理、数据处理几个模块；角色部分，划分为系统管理员、项目管理员、设计人员、一般用户四类。用户首先要成为项目组成员，然后由系统管理员或者项目负责人，根据具体流程及设计需要，对项目组成员进行任务、角色与权限的分配，以保证数据操作安全性，减小权限管理的负担和代价，有利于系统的后期维护和扩充。

表2列出了接触网设计平台及基础数据库系统中用户角色、相应职责和操作权限。

表2　用户角色权限分配

3　结语

以接触网专业管理与设计实际情况为基础，分析了目前接触网设计过程中项目协同管理、数据读取及单元设计等存在的问题及现有辅助设计软件的不足，探讨了接触网设计平台及基础数据库系统的设计思路。系统采用面向对象的开发方法，实现了以项目及单元为主体，多专业间的协同管理及责任追溯；采用基于标准图纸的自动化读取、标准表格的自动录入等方式实现了数据多模式录入；以接触网专业设计规范、工程约束、用户习惯为基础实现了辅助设计参数化，最后使用基于角色的安全管理模式实现了数据的安全防护。该系统为接触网专业项目管理、设计审核以及区间辅助设计、数据共享建立了纽带，使设计资料在设计环节摆脱了传统的生产模式，提高了生产效率。系统自使用以来，先后在兰州至西宁增建二线、兰新二线等项目设计中得到全面应用。在生产中发挥了重要作用，提高了设计效率和设计质量。

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The Design and Implementation of OCS Design Platform and Basic Database System

CAO Xiao-ming

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043, China)

A large amount of specialties，personnel and data are involved in the survey and design of electrification overhead contact system (OCS).To improve the collaborative design among different specialties and aided design efficiency in specific sections，to ensure the traceability of project process and to realize data sharing among multiple specialties，an OCS design platform and a basic database system are specifically developed.On the basis of the analysis of business process of electrification OCS specialty，project management process is designed and the management，monitoring and data sharing of project processes are realized in combination of SMS notification and management technology of center database.Moreover，analysis，summary and simplification are performed in perspective of data acquisition of OCS aided design，interim data processing，engineering design constraint and engineering quantity statistics.The parameterized design method is employed to establish a mathematical model corresponding to aided design subsystem，and data security is ensured in application by adopting access control mechanism of “user-character-privilege” model.

Electrified railway; OCS; Collaborative design; Secondary development; Parametric design; Data Sharing

2016-04-20；

2016-04-27

曹小明(1979—)，男，工程师，2003年毕业于西南交通大学计算机科学与技术专业，工学学士，主要从事CAD辅助设计二次开发及办公自动化的研究工作，E-mail：xxcxm@fsdi.com.cn。

1004-2954(2016)10-0113-05

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.025