基于模擬退火算法的電氣化鐵路橫向連接輔助設(shè)計軟件

袁天玉

袁天玉:中鐵第四勘察設(shè)計院咨詢公司 助理工程師 430063 武漢

橫向連接是電氣化鐵路采用的一種電路連接及接地方式，在雙線區(qū)段中，利用上、下行兩空心線圈或空扼流變壓器的中心線相連并接地，其作用是平衡兩鋼軌間的牽引電流，減少牽引電流對軌道電路的影響，限制鋼軌與大地之間的電壓，避免對線路附近相關(guān)人員的人身傷害，以及用于疏導(dǎo)牽引電流，確保牽引回流的暢通。橫向連接的合理設(shè)置是軌道電路正常工作和牽引回流正常溝通的重要保證，直接影響鐵路系統(tǒng)的行車安全及線路附近相關(guān)人員的人身安全。

由于橫向連接的設(shè)置需要考慮牽引變電所(如果是AT供電，則另含分區(qū)所、AT所)(下文簡稱牽引所亭)位置、線間距離、設(shè)置步長、軌道區(qū)段頻率、鋼軌補償電容布置等諸多因素，如果靠人工計算并設(shè)置，效率低下且極其容易出現(xiàn)錯誤。為此，在總結(jié)工程設(shè)計的技術(shù)經(jīng)驗和計算機軟件開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)之上，開發(fā)了一套橫向連接的輔助設(shè)計軟件，以提高橫向連接的工程設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，滿足鐵路設(shè)計和建設(shè)的需要。

1 工程設(shè)計原則

在軟件開發(fā)過程中，為了簡化軟件算法的設(shè)計，將橫向連接布置原則在工程設(shè)計原則基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化。

1．所有橫向連接均為完全橫向連接，且同時提供牽引電流回流線的吸上線連接。

2．為減少牽引回流對軌道電路的影響，區(qū)間所有橫向連接均采用新增空扼流變壓器方案，站內(nèi)橫向連接盡量利用進(jìn)、出站信號機的機械絕緣節(jié)處的扼流變壓器。

3．橫向連接間距在1200～2000 m之間，盡量控制步長在1400～1600 m左右，且同一個軌道區(qū)段最多設(shè)置一處;所連接軌道電路區(qū)段的載頻不得相同。

4．牽引所亭處設(shè)置一處橫向連接，左右1200 m處再各設(shè)置一處。

5．橫向連接距離區(qū)間電氣絕緣節(jié) BA至少100 m，距離補償電容至少20 m。

2 設(shè)計平臺選擇

因算法實現(xiàn)需要輸出大量的CAD圖紙，故考慮采用基于C++的ObjectARX技術(shù)，在AutoCAD平臺上進(jìn)行二次開發(fā)。ObjectARX提供了以C++為基礎(chǔ)的面向?qū)ο箝_發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口，其應(yīng)用程序是一個DLL，共享AutoCAD的地址空間，對AutoCAD進(jìn)行直接函數(shù)調(diào)用，能真正快速的訪問和操作AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫，并且ARX類庫采用了標(biāo)準(zhǔn)的C++類庫的封裝形式，大大提高了編程的可靠度和效率。

3 算法設(shè)計

橫向連接的布置主要考慮目標(biāo)設(shè)置點與下一個橫向連接最近的信號點、最近的鋼軌補償電容，以及最近的牽引所亭之間距離的合適性。

軟件采用模擬退火算法。該算法來源于固體退火原理，將固體加溫至充分高，再讓其徐徐冷卻。加溫時，固體內(nèi)部粒子隨溫升變?yōu)闊o序狀，內(nèi)能增大，而徐徐冷卻時粒子漸趨有序，在某個溫度都達(dá)到平衡態(tài)即基態(tài)時，內(nèi)能減為最小。用固體退火模擬組合優(yōu)化問題，將內(nèi)能E模擬為目標(biāo)函數(shù)值f，溫度T演化成控制參數(shù)t，可得到解組合優(yōu)化問題的模擬退火算法:由初始解i和控制參數(shù)初值t開始，對當(dāng)前解重復(fù)“產(chǎn)生新解→計算目標(biāo)函數(shù)差→接受或舍棄”的迭代，并逐步衰減t值，算法終止時的當(dāng)前解即為所得近似最優(yōu)解。這是一種啟發(fā)式隨機搜索過程，具體設(shè)計步驟如下。

1.根據(jù)用戶輸入的步長布置第一個橫向連接，記為H0，并計算目標(biāo)函數(shù)值T0，此目標(biāo)函數(shù)是滿足最近的牽引所亭、信號點以及鋼軌補償電容之間距離要求的滿意度參考值。

2. 設(shè)置初始溫度 T=f(H0，H1，H2，．．．Hk);其中k為當(dāng)前布置的橫向連接個數(shù)，f函數(shù)為計算當(dāng)前布置的k個橫向連接數(shù)的綜合滿意度參考值。

3.do while k＜=(布置橫向連接線路長度)/(設(shè)置步長)

1)for j=0～n;//盡可能多的迭代確保能找到全局最優(yōu)解;

對當(dāng)前最優(yōu)解按照鄰域函數(shù)(橫向連接設(shè)置規(guī)則約束函數(shù))，產(chǎn)生新解Hnew，并計算新的目標(biāo)值Tnew;如果random［0～1］＜0.5，則更新最優(yōu)解Hbest=Hnew，否則不做改變;

end for;

2)確定當(dāng)前最優(yōu)橫向連接布置點Hbest;

4.找到該區(qū)域橫向連接的最優(yōu)布置，結(jié)束。

4 橫向連接軟件開發(fā)

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件分為5個主要功能模塊:用戶界面模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、橫向連接自動布置模塊、工程設(shè)計圖表輸出模塊和保護(hù)與加密模塊。

1．用戶界面模塊。在AutoCAD環(huán)境下，基于ObjectARX開發(fā)的用戶界面，實現(xiàn)用戶與軟件系統(tǒng)的輸入與輸出操作。

2．基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊。導(dǎo)入橫向連接設(shè)計所需要的線路、信號點、橋隧、長短鏈和牽引所亭位置等數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的初始化，將所有數(shù)據(jù)的位置里程轉(zhuǎn)換成絕對里程存于數(shù)據(jù)庫中。同時，在數(shù)據(jù)初始化的過程中，對導(dǎo)入數(shù)據(jù)可能存在的問題(不合理輸入或原則性錯誤)進(jìn)行檢查，以友好的方式警告用戶，并提出修改或規(guī)避錯誤的建議。

3．橫向連接自動布置模塊。該模塊基于模擬退火算法，實現(xiàn)了橫向連接的工程最優(yōu)化布置，是核心模塊。

4．工程設(shè)計圖表輸出模塊。根據(jù)初始化后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，及橫向連接自動布置模塊運算的數(shù)據(jù)，繪制橫向連接工程設(shè)計施工圖紙、工程數(shù)量表、設(shè)計說明及圖表封面目錄。

5．軟件保護(hù)與加密模塊。基于加密狗方式實現(xiàn)保護(hù)軟件的合法分發(fā)和使用。

4.2 軟件應(yīng)用

為了驗證軟件及算法的可行性，以贛龍鐵路為例，進(jìn)行橫向連接設(shè)計。

1．在用戶界面模塊中打開軟件界面，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，橫向連接自動布置模塊經(jīng)過算法運算，在工程設(shè)計圖表輸出模塊中，輸出橫向連接設(shè)圖紙，如圖1所示。圖1中包括區(qū)間信號設(shè)備平面示意圖、信號設(shè)備接地防雷示意圖、橫向連接布置示意圖等。

2．結(jié)果分析:工程設(shè)計中，橫向連接布置效果是否優(yōu)化，重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)是橫向連接布置的步長及與最近信號點之間的距離。經(jīng)統(tǒng)計，該軟件的橫向連接步長最小不低于1200 m，步長基本在1400～1600 m之間，且與信號點的間距在100 m以上，滿足設(shè)計規(guī)則要求，整體布置效果良好。

圖1 生成的橫向連接設(shè)計圖(局部)

5 結(jié)束語

橫向連接工程設(shè)計質(zhì)量在鐵路建設(shè)期涉及到投資控制，運營期直接關(guān)系到行車安全和線路附近的人員安全，故在滿足相關(guān)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范條件下，在工程設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，設(shè)計先進(jìn)合理的橫向連接布置算法具有重要意義。基于模擬退火算法的橫向連接自動布置軟件在工程實際中得到應(yīng)用，極大地提高了橫向連接的工程設(shè)計效率和工程設(shè)計質(zhì)量，具有工程實用性。

［1］謝云．模擬退火算法的原理及實現(xiàn)［J］．高等學(xué)校計算機數(shù)學(xué)報，1999(3):21－32．

［2］項寶衛(wèi)，余雪芬，駱兆文．模擬退火算法在優(yōu)化中的研究進(jìn)展［J］．臺州學(xué)院學(xué)報，2005，(27)6:6

［3］中華人民共和國鐵道部．鐵建設(shè)［2010］241號.高速鐵路信號工程施工技術(shù)指南［S］.2010.