地鐵架空剛性接觸網平面設計軟件的優化

田升平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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地鐵架空剛性接觸網平面設計軟件的優化

田升平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要:當前地鐵設計任務的不斷增加對接觸網輔助設計軟件提出更高的要求。介紹架空剛性接觸網平面設計軟件的優化內容，采用先進的編程語言實現分布式軟件架構，對架空剛性接觸網平面設計中的底圖處理、錨段智能劃分、懸掛點智能布置及沖突檢測和調整、拉出值自動計算、匯流排和渡線設計、工程量統計及圖幅處理等算法進行優化設計。實際應用表明，本軟件提高了地鐵架空剛性接觸網平面設計的成圖質量及設計效率，可滿足高質、高效的出圖需求。

關鍵詞:地鐵;架空剛性接觸網;軟件;平面設計;智能化;優化

1　概述

隨著我國城市化進程的加速進行，地鐵建設任務大幅增加。架空剛性懸掛作為地鐵接觸網的主要懸掛及授流方式，由于其具有零部件少、維護方便、運營成本低等諸多優點而廣泛應用。然而地鐵架空剛性接觸網平面設計工作量大、文件質量要求高、設計工期緊張，成為制約地鐵建設的重要因素。

目前國內架空剛性接觸網平面設計用的輔助軟件主要采用LISP語言并以單機方式運行，基本實現了底圖處理、錨段劃分、懸掛點布置、圖元標注、數量統計等主要功能［1-3］。但LISP語言及相關開發技術已經落后，且單機軟件難以實現數據共享，不能滿足當前CAD輔助設計的技術升級要求。因此，本軟件在總結既有軟件特點的基礎上，從軟件開發技術及架空剛性接觸網平面設計的智能化實現兩方面進行了優化設計，將架空剛性接觸網平面設計流程標準化、規范化，以提高設計文件質量，滿足短時、高效的出圖需求。

2　地鐵架空剛性接觸網一般技術標準

軟件基于以下主要技術標準開發［4-7］:

(1)架空剛性懸掛為∏型匯流排垂直懸掛方式;

(2)平面布置形式包括類之字和類正弦波兩種;

(3)接觸網錨段長度不大于250 m;

(4)跨距最大為8 m，跨距比不大于1∶1.25;

(5)分段形式:采用機械分段的絕緣和非絕緣錨段關節方式，非絕緣及絕緣錨段關節兩平行匯流排中心線之間的距離分別為200、300 mm;

(6)錨段及跨距:匯流排終端懸臂長為1.8 m，第1跨為2 m，第2和第3過渡跨為5 m和6 m。錨段長度為Lb=2×7.5+12n(n為匯流排根數，每根匯流排長12 m)。如表1所示。

表1　地鐵架空剛性懸掛一般跨距值　m

3　軟件開發環境、軟件架構及主要功能

3.1軟件開發環境

采用Visual C#編程語言，.NET 3.0以上托管平臺，使用SQL Server 2008以上分布式數據庫技術，結合面向對象的ObjectARX 2010以上輔助開發工具，運行在AutoCAD 2010以上圖形平臺［8-11］，可滿足多人同時開展設計工作并共享設計數據。

3.2軟件架構

本軟件采用分布式架構，服務器端SQL數據庫以項目為單位存儲設計數據，客戶端在AutoCAD圖形平臺以組件形式運行。同一項目可在多個客戶端同時建立不同的設計單元并共享服務器端的項目數據。與既有軟件相比，可實現資源共享、協同設計的優化目標。軟件具體架構見圖1。

圖1　軟件架構

3.3軟件數據結構

3.3.1服務器端數據

主要設計數據分層存儲，頂層為項目信息，其次為設計單元信息，底層為設計數據類信息。數據通過SQL數據庫管理，包括項目數據庫表6個，設計參數與可檢索庫表;單元數據庫表8個，主要包括與設計單元有關的線路、隧道、約束信息及標注信息。數據分層存儲的優勢在于不同權限的用戶可以管理不同層級的設計數據。

3.3.2客戶端數據

(1)電子表格數據

對于數據量大且與里程相關的數據，軟件提供數據的導入導出功能。導出數據為電子表格格式，經過編輯修改，再導入數據庫表。電子表格數據優點在于可批量修改數據并能夠快速導入軟件。

(2) INI格式數據

包含兩類數據:①初始化后的單元設置信息;②標注參數中設置的標注字體大小、顏色、距中線位置、地線線型比例信息。這兩類信息保存在客戶端.ini文件中，優點在于不同設計單元的用戶可獨立修改而互不干擾。

3.4設計流程

軟件主要設計流程如圖2所示。

3.5軟件主要功能

(1)導入設計基礎數據并進行圖紙預處理; (2)錨段劃分:實現錨段的智能劃分與調整;

(3)懸掛點布置:智能布置懸掛點，包括標準與非標準長度錨段懸掛點布置及其沖突檢測與調整;

(4)采用拉出值算法自動計算拉出值并標注;

(5)匯流排設計:根據懸掛點拉出值自動實現選定設計單元的匯流排、懸掛點符號繪制;

(6)渡線設計:自動實現渡線的錨段設置、懸掛點及跨距布置、匯流排及地線繪制;

(7)工程量統計:自動完成工程量分類統計、工程量表插入及填寫等功能;

(8)圖幅與標注:自動實現圖幅分幅、剪裁和拼接，圖框繪制、技術欄標注、簽署欄填寫等。

圖2　設計流程

4　主要設計模塊與算法

4.1底圖處理

4.1.1圖紙比例

線路輸入圖中的“區間隧道結構平面圖”比例一般為1∶1 000，“車站結構平面圖”比例一般為1∶1。而接觸網平面設計圖的比例一般為1∶200。軟件設置輸出圖紙的比例尺，導入圖紙后自動檢測輸入圖紙的比例并根據所設置的輸出圖紙比例對輸入圖紙進行縮放和拼接，滿足出圖的比例要求。

4.1.2基礎圖元處理

輸入底圖中存在大量與接觸網平面設計無關的圖形實體、圖層、圖塊、文字、線型等信息，為了便于設計，軟件可自動清除底圖上多余信息，保留有用信息。

用戶只需要選擇要保留的、有代表性的標注文字、線條實體等，軟件將自動查找同類型的匹配的文字或線型提取出來，同時刪除其余無關信息。

4.2錨段智能化劃分

4.2.1設計單元構成

一個設計項目由多個設計單元構成。一個設計單元可由一個或多個設計區段組成。設計區段的組合包括模式:(1)單一車站; (2)單一區間; (3)區間+車站自由組合。因此，錨段劃分模塊設計需靈活考慮各種設計單元的組合形式。

4.2.2標準錨段選取

錨段劃分的目標是將設計區段劃分為n(n≥1)個標準錨段或加1個非標準長度錨段。錨段劃分時盡量選取標準長度錨段Lb:12n+2×7.5≤Lb≤250(n≥1)，以減少材料浪費。

區段長度小于250 m時不劃分錨段，否則即劃分錨段。區段長度減去所有標準錨段長累加后，剩余長度較長時單獨成錨段，否則并入其他錨段。

如圖3所示，設區段長為Lq，標準錨段長度為Lb，小數部分為d;通過式(1)計算各標準錨段對應的小數值d，再計算剩余長度R(R=dLb)

(1)取Lb較長且小數d大的標準錨段。

(2)取Lb較長且剩余錨段長R小于錨段關節長度的標準錨段。

(3)取Lb較短但剩余錨段長R小于錨段關節長度的標準錨段。

(4)否則，取小數d較大的標準錨段。

為驗證實驗的可行性，實驗進行前本人對相關專家和體育教師在實驗前和實驗后進行訪談，同時對教學過程中應注意的問題咨詢，確保實驗的順利進行。

圖3　錨段劃分示意(單位:m)

表2中區段長978.55 m，剩余長度均大于6.6 m，故選用小數d最大的標準錨段207 m。

表2　選擇小數大的標準錨段(一)

表3中區段長為950.77 m，雖然剩余長度有一個小于6.6 m(2.246 m)，但存在錨段長度較長且小數最大的243 m錨段，故選用243 m作為標準錨段。

4.3懸掛點智能化布置、沖突檢測和調整

4.3.1跨距計算

(1)標準長度錨段的懸掛點布置:設錨段長度為Lb，最大跨距為8 m，跨距數目為n，最小跨距為7 m，數目為m;錨段兩端從懸臂端至第3跨長14.8 m，經測試發現存在常數跨距S，7＜S＜8，可通過式(2)計算跨距值

表3　選擇小數大的標準錨段(二)

跨距選取原則:在滿足跨距比不大于1∶1.25的情況下，盡量選用8 m的最大跨距。

(2)非標準長度錨段的懸掛點布置:針對給定的一個非標準錨段長Lf，設最大跨距為Kd，數量為n，最小跨距為Kx，數量為m;當給定一組跨距Kd、Kx時，需找到介于最小跨距與最大允許跨距Kd/1.25間的跨距Kr，通過式(3)計算

經循環計算，找到一組滿足條件的Kr、n、m值，即可得到跨距分布。若非標準錨段Lf過小，找不到一組合適的Kr、n、m值，則需手工交互完成跨距劃分，但此種可能性較小。

4.3.2懸掛點的沖突檢測與調整

檢測懸掛點是否與各類設備設施沖突:匯流排中間接頭、車站結構風孔、人防門開啟范圍及其他特殊設施等。軟件自動識別沖突內容并根據沖突類型及相對距離給出提示，如無特殊要求，則自動調整當前懸掛點及臨近懸掛點位置，保證最大跨距及跨距比滿足要求。其中，懸掛點與匯流排中間接頭距離一般不小于500 mm。車站內懸掛點布置避開軌頂風孔和人防門或防淹門，懸掛點距離出風口邊緣應不小于250 mm。

如圖4所示，有4處懸掛點與匯流排接頭為300 mm。軟件自動給出調整方向及調整距離的建議，如無特殊要求，則自動調整有沖突的懸掛點并滿足相關設計要求。軟件可批量處理此類沖突。

圖4　懸掛點的沖突檢測與調整

4.4渡線設計

軟件單獨設計渡線。渡線設計原則:(1)道岔處的正線、渡線在正線線路中心線同側布置; (2)渡線第1～3跨的跨距布置要求與錨段關節相同; (3)正線錨段關節最大拉出值不出現在道岔處; (4)道岔關節懸掛點拉出值距正線線路中心線為200 mm。

如圖5所示，軟件根據道岔數據自動計算渡線首尾里程，只需輸入渡線錨段的編號、關節類型等數據，即可自動設計渡線錨段并布置。此功能彌補了既有輔助設計軟件對渡線設計支持不足的缺點。

圖5　渡線設計

4.5拉出值自動計算

懸掛點的拉出值，除了關節懸掛點、極大值點和中心錨結等處已知外，其他懸掛點的拉出值需根據匯流排的布置形式，采用合適的拉出值算法計算，目前主要有類正弦波和類之字形兩種算法［12］。

類正弦波算法是在一個錨段內按正弦波布置，拉出值計算用正弦波形;類之字形算法采用斜直線法。考慮到設計靈活性，將拉出值計算參數化。根據項目要求選擇拉出值算法。除錨段關節等關鍵懸掛點的拉出值可設置外，還可選擇關節外E點懸掛點的拉出值作為控制值，如圖6所示。

圖6　拉出值算法選擇與關鍵點拉出值設置

4.6匯流排布置設計

軟件對匯流排布置算法進行了優化，簡化了匯流排的設計步驟:

(1)選擇作為匯流排基線的線路中心線布置; (2)拾取基線外點，確定該設計單元第一錨段關節的位置(即在基線上側或下側)，實際里程位置由軟件根據基線自動計算確定; (3)在下一錨段關節的起始位置自動選擇基線的另外一側; (4)結合拉出值計算結果逐錨段根據所選擇的類之字形或類正弦波匯流排布置形式繪制匯流排。

4.7安裝圖號提取與標注、工程量統計及圖幅處理

4.7.1安裝圖號提取與標注

軟件根據懸掛點位置、隧道斷面、隧道凈空高、線路曲直段落和特殊地段信息計算正線懸掛安裝圖號。標注安裝圖號時，首先從懸掛點提取擴展信息，隨后與數據庫數據匹配，將位置信息與圖號信息對應。最后從圖號中截取部分信息進行標注。

若設計人員在后期修改了圖紙，軟件可自動檢測修改內容并調整圖號，并將信息同步到數據庫。從而實現安裝圖號的智能標注與自動更新。

4.7.2工程量統計

本軟件對工程量統計功能的優化在于可分類統計，對有安裝圖號的項可依據安裝圖號從技術欄分項統計，沒有安裝圖號的項則根據其與其他項的關系計算得出。在設計人員對圖紙修改后可自動更新工程量表與數據庫信息。

4.7.3圖幅處理

某些地鐵設計任務會要求地鐵架空剛性接觸網平面設計圖中的錨段按照與線路實際走向一致的方式進行設計，這就導致需要在出圖之前對圖紙進行分幅、裁剪與拼接。

(1)圖紙分幅

軟件在平面設計圖上沿圖幅中心水平方向自動繪制有內外線框的多樣線，在多樣線無法包含圖形的位置設置分幅線，隨后依次設置后續分幅線，直到整個圖形分幅完成。

(2)圖紙裁剪與拼接

軟件對已分幅的圖形進行剪裁，自動沿分幅線將圖形剪裁為獨立的圖塊。隨后沿輔助水平線依序拼接分幅的圖塊并繪制圖框完成圖幅處理。

軟件創新性地實現了設計圖的圖幅分幅、裁剪與拼接功能，滿足了出圖的需要。

5　軟件特點

(1)可滿足地鐵區間及車站任意設計組合的架空剛性接觸網平面設計任務;

(2)采用智能化錨段劃分算法劃分錨段;

(3)采用懸掛點智能布置算法進行懸掛點布置及設備沖突檢測和跨距調整;

(4)可實現渡線的智能化設計;

(5)采用拉出值自動計算算法進行拉出值的計算、布置和調整;

(6)可自動提取、標注與更新接觸網安裝圖號;

(7)可自動分類統計工程量并進行圖紙的分幅、裁剪與拼接。

6　軟件測試與應用

對軟件各模塊及算法分別進行了黑盒及白盒測試，并從單元和系統的角度進行了單元測試、集成測試和系統測試［13］，達到軟件設計標準。

本軟件在西安地鐵1、2號線接觸網平面設計中進行了應用，根據應用結果對軟件結構和算法進行了進一步的優化和完善，達到了較高的自動化、智能化設計水平。實際應用表明，使用本軟件可提高架空剛性接觸網平面設計文件質量，滿足短時、高效的設計需求及可靠的地鐵線路運營要求。

7　結語

地鐵架空剛性接觸網平面設計軟件應用前景廣闊。本軟件采用標準化設計流程，具備交互式設計手段，通過智能化算法，實現了地鐵架空剛性接觸網平面設計任務的優化設計，使本軟件在行業內處于先進水平，達到了設計圖紙的短時、高質、高效的交付目標，可適應新時期的地鐵建設需求。

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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

作者簡介:田升平(1984—)，男，工程師，2010年畢業于清華大學精密儀器與機械學系，工學碩士，E-mail:283240930@ qq.com。

收稿日期:2015-07-06;修回日期:2015-08-14

文章編號:1004-2954(2016) 03-0134-05

中圖分類號:U225.1

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.028