軌道交通車輛段綜合管線軟碰撞算法及實現

宋叢麗

（武漢大學 信息管理學院，武漢 430063）

軌道交通車輛段綜合管線軟碰撞算法及實現

宋叢麗

（武漢大學 信息管理學院，武漢 430063）

本軟碰撞算法在MicroStation平臺下實現，首先判斷管線的空間位置關系，將空間管線抽象為圓柱體，針對平行管線或垂直管線及其他非平行和非垂直管線間距采用不同算法分別計算管線間最短距離，經測試該算法滿足設計規范平行或垂直不同要求，使無差設計成為可能。

軟碰撞檢查；綜合管線；MicroStation

碰撞檢查是要自動地找出管線之間、管線與建筑物之間在空間位置上是否有重疊發生，管線的空間位置是否滿足檢修要求。目前，三維管線設計軟件中管線碰撞檢查規則單一，各專業管線設計內容、設計遵循的設計規范要求和標準各不相同[1]。在進行軌道交通車輛段（場）室外綜合管線設計時，設計人員需多次查詢、定義、修改管線碰撞檢查規則，才能實現綜合管線設計碰撞點的檢測。針對三維綜合管線設計布置的具體特點和實際需要，將碰撞的含義延伸為管線凈空距離設計要求。

本文分析一種基于集合的管道碰撞檢測的算法，此算法將管道抽象為空間的兩條線段，首先判斷管道的空間幾何位置關系，然后計算兩線段上的最短連線長度，并與相應的設計要求距離比較，判斷是否發生碰撞（軟碰撞）。

空間管線位置關系比較復雜，軟碰撞首先需要判斷管道位置關系：平行、相交、垂直，其他情況如既不平行也不垂直。位置關系在判斷時，由于設計人員作圖精確性存在偏差，對平行和垂直度判定需要留有余量。管線空間最短距離算法目前有很多研究，大多集中研究兩端空間管線最短距離。MicroStation中碰撞檢查實現的主要功能是指定圖層或元素的硬碰撞檢查以及硬碰撞結果顯示和輸出[2]。由于空間中兩根管道并排架設時，要考慮到安裝、檢修等要求，兩者之間必須有一定的間距，如果這個間距不夠，即使兩者未直接碰撞，但其設計也是不合理的。不同類型管線最小水平間距和最小垂直間距在設計規范上都給出了最小間距要求，硬碰撞檢查就無法實現這類碰撞檢查要求。

1 開發平臺簡介

MicroStation是一款面向基礎設施設計的三維CAD基礎軟件，也是集二維繪圖，三維建模和工程可視化（靜態渲染+各種工程動畫設計）于一體的綜合解決方案[2]。包括參數化要素建模、專業照片級的渲染和可視化以及擴展的行業應用。MicroStation具有諸多優勢來滿足各種類型項目的需求，特別是一些工程數據量大的項目。在大型鐵路、建筑設計上應用十分廣泛。MicroStation以MDL（MicroStation Development Language）為主要的開發語言，可提供上萬個應用函數和接口供使用，為車輛段室外綜合管線三維設計軟件開發奠定了基礎。

2 軟碰撞檢查主要功能

在MicroStation平臺下的軟碰撞算法主要可以實現平行和垂直間距數據庫查詢，指定圖層間軟碰撞檢查以及軟碰撞結果顯示和輸出。

在軟碰撞檢查中管線間距數據庫采用Access數據庫，設置在主程序的規則設置操作界面中，間距查詢時調用SQL數據庫指令查詢設計規范中規定的管線水平和垂直敷設間距。軟碰撞結果提供兩種顯示模式：高亮模式和透明模式。高亮模式將軟碰撞管線在圖中以高亮形式顯示，并將視圖自動追蹤到碰撞點。透明模式修改其他管線透明度，突出發生碰撞管線。這種顯示效果較高亮要直觀，但由于參考圖層無法修改管線屬性且計算量大，不適合含參考圖層或者較大圖形。軟碰撞檢查界面如圖1所示。

圖1 軟碰撞檢查界面

碰撞結果除了可以可視化顯示外，還可以將結果導出為Excel格式，如圖2所示。

圖2 軟碰撞結果Excel格式

可以看到導出的Excel文件中，包含管線的類型、碰撞錯誤的類型、管線的直徑、規范距離以及規范的最短距離?？梢郧逦卣故拒浥鲎驳慕Y果，方便設計人員進行精確修改。

3 軟碰撞檢查算法的數學分析

將管道的中心線提取出來，即將管道抽象為兩條線段[3～6]。首先判斷中心線段的空間幾何位置關系，然后計算兩線段上的最短連線長度，減去相應管線的半徑之后，與相應的設計要求距離比較，判斷是否發生碰撞（軟碰撞）。通過比較兩直線的方向向量判斷兩直線是否平行（若兩直線的方向向量相差較小則將兩直線視為平行直線進行計算）。

3.1 兩中心線段所在的直線相交

（1） 如果兩線段相交，則不進行軟碰撞檢測。

（2）交點至少在一條線段的延長線上，計算兩線段端點連線長度（兩兩相連，共4個），并分別從線段的端點到另一線段作垂線（共4個），若垂足在另一線段內，則計算垂距，找出這些端點連線長度和所得垂距中的最小者，若小于管線最小凈距，則警告發生碰撞。如圖3所示，比較AC、AD、BC、BD、CE、BF的長度取出最小值與規定的管線間的最小距離作比較。

圖3 交點在延長線上

3.2 兩線段平行或共線

3.2.1 兩線段共線

（1）兩線段首尾相連，則沒有發生碰撞。如圖4所示，線段AB與線段CD相連，視為沒有發生碰撞。

圖4 兩線段首尾相連

（2）兩線段端點之間存在一定距離，如圖5所示，計算BC的長度與規定的管線間的最小距離作比較。

圖5 共線線段端點存有距離

3.2.2 兩線段平行

（1）如果有一條線段的端點到另一線段的垂線的垂足在另一線段內或端點上，如圖6所示。則計算兩平行線段的間距，若該間距小于管道最小凈距，則認為發生了軟碰撞。這通常發生在兩并排布置的管道，間距不符合設計要求。

圖6 平行線段垂足在線段內

（2）如果垂足均在線段外，則計算兩線段端點距離的最小者，以此判斷是否滿足要求。如圖7所示公垂線的垂足E在線段AB外，故取AC、AD、BC、BD中的最小者與規定的管線間的最小距離做比較，判斷是否滿足軟碰撞的要求。

圖7 平行線段垂足在線段外

3.3 兩線段異面

兩線段異面的處理與兩線段相交類似。直線相交可以看作兩直線異面的特例，沿公垂線拉近兩異面直線，當公垂線段長度為0時，異面直線就變為相交。

4 軟碰撞檢查算法實現步驟

軟碰撞算法在MicroStation v8i平臺下實現分為3個步驟：（1）提取不同圖層的管線信息，包括全部模型（當前模型及當前模型中的附加參考模型）中管線起點、終點、以及管徑信息；（2）軟碰撞計算及結果輸出；（3）軟碰撞結果的自動標注可視化顯示。

4.1 提取不同圖層的管線信息

MicroStation v8i下將管線的組織形式以msdElementTypeCellHeader結構體形式表示。先獲取當前管線的類型，調用元素分解函數獲得該復雜元素下面的子項（組成元素），如果子項仍然是復雜元素t，再繼續分解，得到直線Line的信息[7]。

管徑數據的獲取是通過BBMS（MicroStation中用來創建HVAC和Plumping設備的專業模塊）下的DataGroup Catalog獲取的，每個BBMS下管線數據都對應一個XML的數據庫，包含直徑、材質、廠家等信息。通過屬性獲取函數獲得管線的Catalog數據。打開的MicroStation工程文件，除了當前模型外還包含了不同的附加參考層。在碰撞檢查時，所選取圖層可能在附加參考層中，因此需要遍歷整個當前模型和當前模型下的全部參考。整個獲取管線數據的流程如圖8所示。

圖8 獲取管線數據流程圖

4.2 軟碰撞檢查的結果輸出

將提取出來的圖層數據首先進行數據合并、過濾。將首尾相接平行小線段合并，過濾不滿足要求的線段。首尾相接平行小線段合并好處比較多，能減少相交線段判斷，從而減少軟碰撞計算量。過濾無效點也能減少計算量。過濾規則采用線段長度＜0.01 m的管線忽略不計。定義變量isparral為管線中心線位置關系的判斷標志。碰撞檢查算法流程圖如圖9所示。

圖9 碰撞檢查算法流程圖

4.3 軟碰撞檢查結果的可視化顯示

碰撞檢查結果以列表形式輸出在對話框中，為方便用戶查看碰撞點情況。在雙擊碰撞結果列表時需要將視圖定位到碰撞點，并將碰撞管線與其他未碰管線加以區分，在圖中標示出碰撞點以直線連接并標明距離。該標示在點擊下一條結果或查看退出時自動刪除。設置全局數組記錄臨時添加的element（線段和文字）。

在繪圖前首先判斷是否存在臨時線段和文字是否為空。如果存在則先刪除。判斷是否有管線元素高亮顯示，如果有取消高亮顯示。根據碰撞點位置（兩管線之間最短距離直線）計算視圖窗口和視圖中心，設置視圖。遍歷模型，根據碰撞結果中管線ID，高亮顯示當前碰撞管線。繪制兩管線之間最短直線，并標注距離。碰撞檢測結果輸出信息如圖10所示。

軟碰撞算法可以準確地在測試模型中將發生軟碰撞（設計時不滿足規范）的管線顯示出來，方便對不滿足要求的管線進行修改，而傳統的三維設計軟件僅具備硬碰撞檢查功能，對于空間位置不滿足要求的管線不能進行相應的檢查。圖11采用青龍山停車場測試模型，圖中列出了全部軟碰撞結果，單擊軟碰撞檢查條目，將自動定位到軟碰撞發生位置信息。

圖10 碰撞檢測結果輸出信息

圖11 青龍山停車場測試結果

5 結束語

本文研究實現了滿足設計規范要求的軟碰撞算法，可以檢查不同類型平行、垂直管線和非平行非垂直管線之間闕值?？梢员苊庠谑┕み^程中造成不必要的損失，有利于核查管線綜合設計過程中出現的問題，提高設計效率和質量，使無差錯設計和無碰撞施工成為可能。為各類管線統籌安排合理施工，發現并協調各專業管線設計中潛在的問題提供有效的解決方案。

[1]代 剛.地鐵車輛段室內綜合管線三維設計研究[J]. 現代城市軌道交通，2012.

[2] 趙 偉，張翔宇. MicroStation V8中文版實用手冊[M]. 北京：清華大學出版社，2002.

[3] 于國清. 一種基于幾何的空間管道碰撞檢測算法[J]. 哈爾濱工業大學學報，2003，35（11）： 1363-1365.

[4]王 鵬，劉旭敏，關 永．基于OBB層次包圍盒的碰撞檢測算法改進[J].計算機工程與設計， 2009，30（13）：3196-3198.

[5] EGBERT P K, WINKLERS H. Collision- free object movement using vector fi elds [J]. IEEE Computer Graphics&Applications, 1996, 16 (7): 18-24.

[6] Hubbard P M. Collision detection for intersection graphic application [J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 1995, 1(2): 218-230.

[7] 李 軍，黃 磊，鐘洪德. 基于MicroStation的管線成圖系統設計與開發 [J]. 四川測繪，2007，30（5）：210-212.

責任編輯 方 圓

Integrated pipeline soft-collision algorithm for car depot of Urban Transit

SONG Congli
( School of Information Management, Wuhan University, Wuhan 430063, China )

The soft collision algorithm was implemented on MicroStation platform to determine the pipeline’s spatial relationship. Spatial pipeline was abstracted as cylinder, in view of the parallel or vertical piping as well as other nonparallel and non-vertical line spacing, different algorithms were used to calculate the shortest distance of pipeline. The Algorithm could meet the different requirements of design specif i cation for parallel or vertical.

soft-collision detection; integrated pipelines; MicroStation

U279∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0028-05

2015-01-08

宋叢麗，高級工程師。