防雷保護(hù)范圍的計(jì)算機(jī)可視化輔助設(shè)計(jì)方法研究

陳玲玲， 陳熾坤

（1. 廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520；2. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

防雷保護(hù)范圍的計(jì)算機(jī)可視化輔助設(shè)計(jì)方法研究

陳玲玲1， 陳熾坤2

（1. 廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520；2. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

傳統(tǒng)的防雷保護(hù)范圍設(shè)計(jì)方法在繪圖和計(jì)算方面不僅效率低、準(zhǔn)確度差，而且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。該文針對(duì)華南地區(qū)的雷電和防雷特點(diǎn)，以AutoCAD為平臺(tái)研究了防雷保護(hù)范圍的計(jì)算機(jī)可視化輔助設(shè)計(jì)方法。并以整體設(shè)計(jì)的思路，對(duì)現(xiàn)有算法的不足提出了改進(jìn)方案，跳出現(xiàn)有以兩針為單位和以三針為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)的窠臼，考慮了任意多針、不等高針的保護(hù)范圍計(jì)算及可視化實(shí)現(xiàn)的問題，避免了原有算法中的重復(fù)計(jì)算，提高了計(jì)算效率。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；防雷研究；避雷針設(shè)計(jì)；可視化

傳統(tǒng)的防雷保護(hù)范圍設(shè)計(jì)方法只能憑借個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)積累以及對(duì)行業(yè)技術(shù)的理解來完成，同時(shí)計(jì)算校核也僅能通過手工繪圖和公式進(jìn)行。防雷保護(hù)范圍設(shè)計(jì)要考慮多種因素的交互影響，這些因素包括各支避雷針的位置參數(shù)、針高參數(shù)、針間距離等。對(duì)于這樣一個(gè)多因素影響的復(fù)雜過程，僅憑設(shè)計(jì)者的手工及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和方案的修改都是困難的。同時(shí)，避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等接閃器的任意組合導(dǎo)致的設(shè)計(jì)方案的多樣性，也加大了防雷范圍設(shè)計(jì)的計(jì)算量和復(fù)雜程度。所以，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能滿足當(dāng)今現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需要。

實(shí)現(xiàn)可視化是防雷保護(hù)范圍計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，也是本文的研究重點(diǎn)。可視化是指通過給定的已知條件，在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。實(shí)現(xiàn)保護(hù)范圍的三維模型是可視化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可對(duì)比計(jì)算機(jī)中虛擬的防雷保護(hù)范圍與建筑物模型，判斷防雷設(shè)施是否達(dá)到防雷要求。

1 防雷保護(hù)范圍的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)外關(guān)于防雷保護(hù)的研究主要集中于防雷模型、防雷可靠性等方面 ，關(guān)于防雷保護(hù)范圍的研究特別是保護(hù)范圍設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究并不多見。國(guó)內(nèi)關(guān)于防雷保護(hù)范圍的研究很多，主要涉及簡(jiǎn)單計(jì)算的小程序、查詢保護(hù)范圍半徑之簡(jiǎn)表查詢以及保護(hù)范圍模型的模擬等。它們都實(shí)現(xiàn)了部分可視化設(shè)計(jì)的要求，但仍然存在著明顯的缺陷?？梢暬芯渴欠览妆Ｗo(hù)范圍設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和發(fā)展方向，但目前的可視化系統(tǒng)功能不夠完善等。

由此看來，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的純粹以知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的、以試錯(cuò)為手段的方法，向著以模型化、可視化、系統(tǒng)化、能滿足用戶特殊需求的方法轉(zhuǎn)變，是防雷設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的客觀趨勢(shì)。

2 基于 AutoCAD進(jìn)行防雷保護(hù)范圍可視化輔助設(shè)計(jì)的二次開發(fā)

目前，防雷設(shè)計(jì)工作主要在建筑、氣象以及防雷系統(tǒng)的職能部門等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行，行業(yè)使用的設(shè)計(jì)軟件絕大多數(shù)為AutoCAD，并且在設(shè)計(jì)后需要提供保護(hù)范圍圖以作為防雷設(shè)施施工的指導(dǎo)，這些工作都需要在AutoCAD中完成。

眾所周知，AutoCAD具有強(qiáng)大的二維工程繪圖及部分三維作圖功能。它最顯著的特點(diǎn)莫過于其開放式的體系結(jié)構(gòu)，在大量開發(fā)工具的幫助下，用戶可以對(duì)其菜單結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)命令等進(jìn)行二次開發(fā)。因此，綜合比較之后，筆者認(rèn)為，以AutoCAD作為防雷保護(hù)范圍計(jì)算機(jī)可視化輔助設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)較為理想。

綜上所述，筆者針對(duì)避雷針防雷系統(tǒng)，通過Visual Basic 6.0 編程語(yǔ)言對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，以此進(jìn)行防雷保護(hù)范圍的計(jì)算機(jī)可視化輔助設(shè)計(jì)開發(fā)。

3 新的可視化算法

華南地區(qū)地處亞熱帶，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，氣溫高，瀕臨海洋空氣濕度大，有旺盛的對(duì)流活動(dòng)存在，在熱力、動(dòng)力和地形的相互影響下，極易出現(xiàn)暴雷，整個(gè)地區(qū)雷電活動(dòng)頻繁。華南地區(qū)（本文主要以廣東地區(qū)為研究對(duì)象）雷電活動(dòng)的規(guī)律有：

（1） 一年四季均有雷暴，且初雷早，終雷遲；

（2） 雷暴日數(shù)較多，70%以上的雷暴日數(shù)都在75天以上，遠(yuǎn)高于我國(guó)平均暴雷日數(shù)；

（3） 暴雷分布極不均勻，地區(qū)之間差異較大，由西北往東南逐漸減少；

（4） 日發(fā)生雷電活動(dòng)頻率高于北方[3-4]。

以上華南地區(qū)的雷電活動(dòng)特點(diǎn)決定了防雷工作要比北方地區(qū)面臨更多的挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)華南地區(qū)雷暴和防雷特點(diǎn)，以滾球法原理作為保護(hù)范圍設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，討論了簡(jiǎn)單防雷條件下的防雷保護(hù)范圍模型，具體指以避雷針為研究對(duì)象、建筑物周圍無其它建筑或山地、建筑物屋面無避雷帶等設(shè)施的簡(jiǎn)單防雷模型。

為了避免出現(xiàn)大量的重復(fù)計(jì)算，以達(dá)到設(shè)計(jì)合理、計(jì)算高效的要求，本文提出不劃分小單元進(jìn)行設(shè)計(jì)的新算法，將整個(gè)保護(hù)范圍分為兩個(gè)部分：各單針作用范圍和各針間聯(lián)合作用的范圍。總體思路如圖1所示。

針間聯(lián)合保護(hù)范圍的形成方法是新算法的亮點(diǎn)，具有不劃分設(shè)計(jì)單元、不以避雷針針數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)等特點(diǎn)。其具體的算法流程如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)思路

圖2 針間聯(lián)合保護(hù)范圍的形成的算法流程

1） 滾球球心運(yùn)動(dòng)軌跡

滾球軌跡指的是滾球繞避雷針滾動(dòng)時(shí)的運(yùn)行路線。經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，滾球軌跡是各針在地面上的防護(hù)圓的合集。在平面上產(chǎn)生各防護(hù)圓后，合并為一個(gè)面域，所得的面域圖形曲線就是滾球軌跡圖，如圖3(a)。該軌跡圖距地平面高度為hr。

2） 控制點(diǎn)的獲取

圖3 球心運(yùn)動(dòng)軌跡圖

滾球球心運(yùn)動(dòng)軌跡由多段圓弧組成，各圓弧的交點(diǎn)就是控制點(diǎn)，控制點(diǎn)在兩針間保護(hù)范圍的輪廓形成中起著重要的作用。在程序?qū)崿F(xiàn)中，以圓弧作為句柄搜尋并獲取圓弧相關(guān)信息，所獲取的圓弧端點(diǎn)如圖3(b)。

3） 針間多邊形的形成

針間多邊形是各針之間聯(lián)合保護(hù)范圍在地面上的投影。先計(jì)算交點(diǎn)與各針針心間的距離及該交點(diǎn)兩側(cè)圓弧半徑，如果距離與其中一條圓弧的半徑相等，就連接該交點(diǎn)及針心。以此類推，得出由各交點(diǎn)（或控制點(diǎn)）與各針針心點(diǎn)構(gòu)成的多邊形，如圖3(c)。

4） 拉伸與切除

以滾球半徑 hr為拉伸高度，向下拉伸多邊形，形成一實(shí)體如圖4(a)；在各控制點(diǎn)處生成滾球，并切除，形成各針間的聯(lián)合保護(hù)范圍（頂部保護(hù)范圍曲面暫未產(chǎn)生）如圖4(b)。

圖4 針間保護(hù)范圍的形成

5） 頂部球面的產(chǎn)生

頂部球面的產(chǎn)生完全遵循滾球法原理。滾球在經(jīng)過三支避雷針的針頂時(shí)，將在頂部形成一個(gè)球面，該球面也就是保護(hù)范圍的頂部的曲面。求解該滾球球心位置是該步驟的關(guān)鍵。

以空間任意三點(diǎn)為例，過此三點(diǎn)的滾球球心位置的算法如下（見圖5）：

圖5 過三點(diǎn)求滾球球心位置

為求取球心 O ′(XS,YS,ZS)，必須先求得過三支避雷針頂點(diǎn)的圓的圓心 O ( XO, YO,ZO)，顯然OO ′ ⊥△P1P2P3。設(shè)已知三支避雷針頂點(diǎn)分別為P1(X1,Y1,Z1)、P2(X2,Y2,Z2)、P3(X3,Y3,Z3)，點(diǎn)O為△ P1P2P3的外心。取三邊中點(diǎn)分別為a(Xa, Ya,Za)，b(Xb, Yb,Zb)，c(Xc, Yc,Zc)。則：

在O′點(diǎn)處生成一滾球，運(yùn)用布爾減運(yùn)算切除該滾球，即可獲得保護(hù)范圍的頂部曲面。如圖6所示，過1P、2P、3P三點(diǎn)的滾球因?yàn)槲春捅芾揍?P發(fā)生干涉，進(jìn)行滾球切除后，圖中深色區(qū)域即為形成的保護(hù)范圍的頂部曲面。

圖6 頂部曲面的產(chǎn)生

6） 干涉碰撞檢測(cè)

對(duì)于多支(n≥4)避雷針的情況，經(jīng)過任意 3支避雷針的針頂可產(chǎn)生一滾球，共可產(chǎn)生個(gè)滾球，當(dāng)直接采用現(xiàn)有的一些方法進(jìn)行切除時(shí)，將會(huì)切除部分有效保護(hù)范圍，減少了整個(gè)設(shè)施的保護(hù)范圍，造成不必要的浪費(fèi)。本文提出的碰撞干涉檢測(cè)的原理如下：將經(jīng)過某三支避雷針頂點(diǎn)的滾球向Z軸正向做微量偏移，運(yùn)用AutoCAD提供的干涉檢測(cè)函數(shù)CheckInterference獲取滾球和某支避雷針的重復(fù)區(qū)域，然后刪除該實(shí)體。如果系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)提示，則證明滾球未和該避雷針發(fā)生干涉；反之則說明兩者發(fā)生干涉，并終止和其他避雷針的干涉碰撞檢測(cè)。以此類推，記錄系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)的次數(shù)，如果總的次數(shù)與避雷針數(shù)量相同，則說明滾球未和避雷針發(fā)生干涉，運(yùn)用布爾減運(yùn)算切除該滾球，就獲得了該三支避雷針頂部的曲面，如圖7所示。

圖7 干涉、碰撞檢測(cè)

7） 完整保護(hù)范圍的生成

在建立起針間保護(hù)范圍的模型后，再加入各單針單獨(dú)作用的范圍，同時(shí)運(yùn)用布爾加運(yùn)算，合并各模型形成完整的避雷針保護(hù)范圍的虛擬模型，如圖8所示。

圖8 聯(lián)合保護(hù)范圍

4 結(jié) 論

新算法是在原有傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上提出來的，因此繼承了傳統(tǒng)算法的優(yōu)點(diǎn)，如將保護(hù)范圍一分為二的方法，同時(shí)以整體設(shè)計(jì)的思路針對(duì)現(xiàn)有算法的不足提出了改進(jìn)方案，跳出現(xiàn)有以兩針為單位和以三針為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)的窠臼，考慮了任意多針、不等高針的保護(hù)范圍計(jì)算及可視化實(shí)現(xiàn)的問題。它是一個(gè)整體性的設(shè)計(jì)方法，算法簡(jiǎn)單實(shí)用，避免了原有算法中的重復(fù)計(jì)算，提高了計(jì)算效率。

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Research on Computer Aided Visible Design Method for Lightning Protection Scope

CHEN Ling-ling1, CHEN Chi-kun2
( 1. Guangdong Polytechnic Collecge, Guangzhou Guangdong 510520, China;2. School of Mechanical and Automotive Engineering , South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China )

The traditional method of lightning protection scope design has many disadvantages, such as low efficiency and precision, and mistakes are very easy to be made in the drawing and calculating of the design. According to the characteristics of the thunder and lightning protection in South China, a visible design method of lightning protection scope based on AutoCAD is researched. An improved method is provided in order to avoid the repetitious counting by using the existing algorithm, which covers the cases of any number and different height of lightning rods, and computational efficiency is increased.

computer aided design; lightning protection research; lightning rod design;visualization

TP 391

A

1003-0158(2010)06-0075-05

2010-03-16

陳玲玲（1959-），女，廣東梅州人，副教授，主要研究方向?yàn)楣こ虉D學(xué)及CAD。