高速鐵路站場接觸網輔助設計關鍵技術研究與開發

李 歡，何朝明，崔煥星，李 靖

(西南交通大學 機械工程學院，成都 610031)

接觸網是沿電氣化鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，電氣化鐵路運營的可靠性主要取決于牽引供電設備的實用性和可靠性，因此對架空接觸網系統的要求特別高。在傳統的接觸網平面布置設計中，設計人員往往采用手工布置的方式，不僅耗費大量人力和物力，錯誤率還普遍偏高。尤其是在站場附近，由于線路錯綜復雜，線路交匯形成的道岔、橋梁、站臺等一系列因素使得站場附近的接觸網布置十分繁瑣。國內外很多學者利用了各種方式對簡化接觸網設計做了大量的研究[1～4]，其中，有基于AutoLisp接觸網平面設計系統，有基于ObjectARX在VC平臺上的接觸網智能設計系統，有利用ObjectARX和Visual Lisp開發的接觸網CAD應用系統等。

當前AutoCAD的二次開發工具主要有：VisualLisp、VBA、ObjectARX和.NET API等。其中VisualLisp和VBA較為簡單，特別是VBA，使用方便且開發速度較快，但其功能相比Object-ARX有所不足，尤其是面向對象的功能支持不好。而ObjectARX是基于VC平臺，在C++的支持下，其功能非常強大，可以很好地運用各種面向對象技術，但其缺點是開發速度較慢，對開發人員要求較高。而基于.NET平臺對AutoCAD的二次開發，可以充分利用.NET的各種優勢，在保證C++的強大功能的前提下又具有VBA的開發速度，是目前較理想的AutoCAD二次開發工具。論文研究高速鐵路站場接觸網輔助設計關鍵技術，提出利用ObjectARX在.NET平臺上對AutoCAD2008進行二次開發方法，解決了接觸網布置中支柱布置和錨段劃分中的關鍵問題，在滿足接觸網需求的前提下簡化系統開發周期和難度。

1 高速鐵路站場接觸網輔助設計功能

針對高速鐵路接觸網布置的復雜性，系統設定支柱布置、錨段劃分、中心錨結確定、生成附加導線等主體業務流程，然后再計算拉出值、繪制設備、生成信息表和統計表等附加業務流程。

（1）進行數據初始化，初始化數據包括接觸網設計參數的初始化、線路數據識別、橋隧涵等特殊地段數據的導入等；

（2）進行接觸網支柱的布置，支柱布置是接觸網最重要的部分；

（3）根據不同的布置準則，支柱布置可分為站場正線、站線、橋、隧道、涵洞支柱布置；

（4）錨段劃分和中心錨結在一個模塊，錨段劃分以后自動進行中心錨結繪制，并生成附加導線（AF、PW線）。

整理高速鐵路接觸網平面布置設計工作，輔助設計系統流程如圖1。

（1）數據初始化，支柱布置參數，橋涵等數據導入，線路拾取等；

（2）支柱布置，布置單條線路支柱，以這條線路上的支柱為基準支柱，以這條線路為基準線路；

（3）支柱修改，對基準線路上的基準支柱進行修改，包括增加、刪除支柱和調整支柱位置；

（4）支柱對稱，以修改好的基準線路為對稱基準，布置整個站場所有線路的支柱；

（5）支柱修改，首先對不滿意的支柱進行修改，然后修改雙肩挑，雙腕臂支柱以及硬橫跨，也可以對局部區域內的支柱進行整體修改，包括局部對稱、局部修改支柱數目等功能，修改完成以后再對支柱進行編號和標注跨距；

（6）錨段劃分，可以選擇單線錨段劃分和全線錨段劃分，錨段劃分的結果依據錨段劃分參數而變化，錨段劃分完成后自動確定中心錨結，可對錨段位置進行修改；

（7）生成附加導線，由輸入的導線間距和附加導線錨段長度來生成附加導線AF和PW線，可以對附加導線進行修改；

（8）生成拉出值，確認曲線處五跨非絕緣關節和絕緣關節拉出值選用表以后，根據表中內容生成拉出值，可對拉出值進行修改；

（9）設備繪制，繪制避雷器、隔斷開關、分段絕緣器等關鍵設備；

（10）生成信息表，包括支柱基礎編號、支柱類型、硬橫跨類型等；

（11）生成統計表，包括《避雷器設備表》、《道岔表》等。

2 高速鐵路站場接觸網輔助設計關鍵技術與實現

2.1 高速鐵路站場線路識別

圖1 系統流程圖

站場平面接觸網布置的難點在于線路識別，站場線路數量大、道岔點多、正線和站線之間相互

過渡等諸多因素對接觸網設計結果起到決定性的作用，合理的線路識別技術，決定了后續工作的難易程度。

2.1.1 C AD圖紙中的線路情況分析

在高速鐵路CAD圖紙中，線路包含直線、圓弧、多段線和樣條曲線4種線型。其中，樣條曲線在鐵路上不予采用，在這里不做考慮；直線包含起點坐標、終點坐標、線路長度和角度等屬性；圓弧包含起點和終點坐標、弧長、半徑、凸度等屬性；多段線包含起點和終點坐標、多段線長度以及組成多段線的所有線信息等屬性。由于在圖紙設計過程中，繪圖人員并不是完全按照標準繪制圖紙。這樣導致兩個問題：（1）在一條有多個線段的線路中，并不是所有線路都是按照從左到右的標準繪制，點畫線的方式不同，起點和終點不同，左邊端點并不一定是起點，而右邊端點并不一定是端點；（2）由于繪圖人員的疏忽，需要相交的線路放大之后并沒有相交在一起或者交點不正確，出現繪圖容差，導致線路不連續。

2.1.2 傳統線路識別方式的弊端

傳統的CAD系統線路識別采用對線路進行賦擴展數據的形式，把所選的線路統一進行賦“正線（站線）N”的擴展數據，這就導致了在后面的工作中難度增加。比如，在添加支柱的時候需要在離“正線（站線）N”左端點處m米添加一個支柱，首先在遍歷當前圖紙空間中所有的實體，找到帶有擴展數據為“線路N”的所有線路集，然后根據從左到右的順序進行排序，從第1個線路左端點開始沿線上距離找點，必須考慮圖紙起點終點的關系，導致計算線上距離時必須對起點終點進行判斷，是否是線路總長減去一定量的長度，還是線路左端點到右端點一定量的長度，這使得程序復雜度增加。如果遇到線路不連續的情況，傳統方法根本無法處理。如果不對傳統的線路識別方式進行改進，則需要花相當大的精力處理獲取線路、線路連續性和起點終點等問題。

2.1.3 多段線方式的優勢

為了解決傳統線路識別的弊端，在用戶手工選取“正線（站線）N”上所有線路的同時，對所選的線賦擴展數據“正線（站線）N”，然后對所選線路進行多段線轉換，把轉換成的多段線存入“PolyLine”圖層，并給多段線賦“正線（站線）N”的擴展數據。采用該方式能很好地解決傳統方式所不能解決的線路獲取問題和繪圖容差問題，并降低系統復雜度和縮短系統運行時間。

2.2 基于實體屬性的數據驅動技術

系統是基于數據驅動實現的，所謂數據驅動技術，即將系統各個流程所需的數據都存入圖紙，使整個系統流程不會因為其他原因導致前面的操作結果數據丟失，在后續流程中只需讀取當前圖紙，即可獲得所需的數據信息，該方法提高了系統的魯棒性和運行效率。數據驅動的關鍵在于數據存儲，數據存儲技術包括初始數據存儲技術和支柱數據存儲技術。

2.2.1 初始數據存儲

初始數據存儲包括設備參數數據存儲和線路數據存儲；設備參數數據包括：支柱布置參數、支柱類型參數、下錨類型參數、統計表和信息表參數。線路信息包含：橋、隧、涵、信號機等信息，該信息通過外界Excel導入獲得，并和設備參數數據一并存入系統默認路徑下的“數據初始化.xls”中，方便以后對數據的修改和讀取。

2.2.2 支柱數據存儲

支柱布置完成之后，后續流程需要多次利用支柱數據，支柱以圖塊的形式存放在“Trut”圖層中，并為每個支柱塊寫25個擴展記錄，包括支柱所在坐標、支柱所屬線路、支柱編號、支柱ID等信息。在后續的流程中只需要在“Trut”層中找到相應的支柱塊，讀取所需的信息。

2.3 線路支柱布置算法

線路支柱布置包括正線支柱布置和站線支柱布置，由于在實際過程中設計人員往往憑經驗去布置支柱，就導致了程序自動布置往往達不到專業人員的水平，所以必須建立一套算法布置支柱，使得布置出來的效果接近專業人員水平，專業設計人員布置支柱的基本準則如下：

（1）正線支柱布置時，線路有橋，先滿足橋支柱布置；

（2）線路沒橋，先布置道岔附近支柱，道岔附近兩根支柱必須按內外側布置；

（3）從左端最外道岔處開始布置，且左右最外道岔外的區間按照標準跨距布置；

（4）道岔內區間按照區間長度布置，如果區間長度很長，則在滿足道岔附近支柱以后，先按道岔向外一二跨布置支柱，剩余的區間用標準跨距布置，其中盡量使跨距滿足跨距比，且只能有一個跨距為小數，其余均為整數；

（5） 如果區間長度不能滿足布置道岔向外一二跨，則不必布置第一二跨支柱，只需滿足內外側支柱，將剩余的區間用標準跨距布置，如果剩余區間很小，則可以考慮將剩余區間平分布置，且要滿足只有一個跨距為小數的標準；

（6）站線支柱布置原理同正線，只是道岔內外側長度以及站線道岔點的判斷方式與正線不同。

2.4 橋支柱布置算法

橋支柱布置準則如下：

（1）如果線路在橋上，則需遵循橋的支柱布置準則；

（2）獲取橋梁數據信息，包括橋主表和橋墩表兩個Excel；

（3）橋由連續梁和箱梁組成，兩種梁布置方式不同，其中，箱梁必須按照箱梁支柱布置準則布置，而連續梁只需滿足梁縫上左右4 m處不允許布置支柱外，其他地方可以根據跨距任意布置；

（4）如果橋上有道岔，先滿足道岔處的支柱布置，再滿足普通橋支柱布置。道岔處支柱布置同普通正線道岔處支柱布置準則相同。

2.5 支柱對稱算法

為了滿足支柱基本對稱的需求，設計了支柱對稱模塊，模塊基本流程如下：

（1）選擇基準線路，獲取該線路上所有支柱布置點，選擇需做對稱的線路，在需做對稱的線路上找到與基準線路支柱布置點對稱的點；

（2）提出避讓區間概念，即避讓區間內支柱暫時先不布置支柱，避讓區間外的按照對稱的關系獲取支柱布置點；

（3）設計避讓區間內支柱布置。

避讓區間內支柱布置算法：

（1）正線避讓區間找點；兩種情況：區間只有一個道岔點；區間多個道岔點。這里與支柱布置模塊的算法不同的是，避讓區間的起點與終點不是線路端點，而是距離道岔左端、右端最近的支柱點，道岔點與道岔點之間的區間按照支柱布置算法找點，道岔點與支柱點的區間按照優先布置道岔點處支柱（包括內外側支柱以及第一二跨支柱，第一二跨支柱必須在外側的情況），然后對剩余線上距離用剩余區間支柱點布置。

（2）站線避讓區間找點：和正線一樣分為兩種情況，但是避讓區間的起點和終點不是道岔的左邊（右邊）最近支柱點，而是線路的端點。這里設計程序的時候做了個判定，如果區間起點在正線上，則從區間第2個點開始找支柱點，如果不在正線上，則從區間起點開始找支柱。

3 實例

對某高速鐵路站場平面CAD圖紙進行接觸網設計，按照系統功能流程，生成圖2的接觸網設計結果。該站場一共有10條線路，包括：2條正線、5條站線和3條渡線。通過本系統對站場平面CAD圖紙進行接觸網設計，設計時間不超過10 min，與該站場的傳統接觸網設計的一周時間相比，縮減設計時間，并滿足設計準則。

圖2 某高鐵路專站場接觸平面布置圖

4 結束語

系統利用.NET平臺結合ObjectARX對Auto-CAD2005進行二次開發，針對高速鐵路站場平面接觸網開發出輔助設計系統，在基本滿足設計人員設計準則的前提下，具有自動布置支柱、劃分錨段、生成安裝圖等一系列功能，減少接觸網設計時間。在實際運用中，由于本系統只是對設計人員提供輔助功能，在特殊地方還需要根據設計人員的經驗進行適當的調整。

系統中提出的轉換多段線、數據驅動、支柱布置和支柱對稱算法以及橋處理方式都是其他接觸網設計系統沒涉及的，實際證明，本系統所提出的方法可行，并取得了良好的效果，期待本系統中提出的方法對其他CAD系統的開發能有一定的借鑒作用。

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