三維技術在接觸網(wǎng)設計中的運用探討

潘 英，宋桃東

0 引言

在國內(nèi)鐵路設計行業(yè)不斷面向市場的進程中，國內(nèi)各大鐵路設計院開始了三維設計的運用和研究，站前專業(yè)已經(jīng)開始采用三維選線、三維橋梁等設計系統(tǒng)。國外 Siemens AG,TS、Balfour Beatty Rail、Elpro Bahnstrom Anlagen GmbH、DB Bahnbau和HEICON Service GmbH等鐵路設計咨詢公司已經(jīng)運用三維技術進行接觸網(wǎng)設計。對于接觸網(wǎng)專業(yè)，要盡快實現(xiàn)與國際接軌，達到和趕超國際先進的設計技術水平，最大限度地提高綜合競爭實力的目標，通過廣泛應用先進的三維設計技術來提高設計的技術含量，節(jié)省項目投資，統(tǒng)一標準化的設計已經(jīng)成為出路之一。

1 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設計存在的問題

基于二維的傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設計，雖然使用了AutoCAD等計算機輔助設計軟件，一定程度上提高了設計效率，但是接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個復雜的電氣、機械和結(jié)構(gòu)的混合系統(tǒng)，二維設計的最終成果如接觸網(wǎng)平面布置圖、安裝圖等只包含很少或單一層面的信息，不能完整地反應整個系統(tǒng)內(nèi)各部分的電氣、機械等作用，以及外界氣候、地理條件、受電弓等對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響。同時各種設計文件之間缺少關聯(lián)，需要人工來協(xié)調(diào)，相關圖紙修改麻煩且容易出錯，增加了設計的成本。

隨著接觸網(wǎng)整體技術要求的提高，在接觸網(wǎng)設計、施工、運營階段都需要能夠充分與地理信息結(jié)合，進行綜合考慮。在設計階段需要根據(jù)地理信息調(diào)整優(yōu)化支柱位置、下錨地點、基礎類型等工作。

2 三維設計的優(yōu)勢

三維設計技術的實際應用，打破了傳統(tǒng)的平面二維圖設計模式，使現(xiàn)有的設計思想、設計方法、設計程序及設計管理等設計全過程都發(fā)生了一系列的變革，為工程設計人員提供了一種嶄新的設計方法和手段。由傳統(tǒng)的繪圖變革為在計算機環(huán)境中的虛擬建造、施工和設計。接觸網(wǎng)三維數(shù)字模型和地理信息數(shù)據(jù)展現(xiàn)在三維環(huán)境界面下，使工程設計人員十分形象地了解施工現(xiàn)場環(huán)境，給設計工作帶來便利，并且三維模型數(shù)據(jù)庫的唯一性可以做到在設計階段盡可能地全面考慮各種因素，降低設計誤差甚至達到零誤差率。模型中所包含的工程信息，直觀、準確、詳實，可直接指導訂貨、加工和安裝，使設計和施工的聯(lián)系更加緊密，更加符合工程總承包的發(fā)展要求。

三維數(shù)字模型設計軟件是目前比較流行的一種解決工程建設問題的設計軟件。不同于常規(guī)造型建模軟件，三維數(shù)字模型建模軟件建立的模型可以全部參數(shù)化，有自己的屬性，這樣對于以后的碰撞檢查，絕緣距離檢查，工程量及材料的統(tǒng)計，以及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的生命周期管理都是必要的。施工單位使用包含地理信息數(shù)據(jù)的三維模型，可以更加直觀地分析制定準確的施工計劃和方案，并能及時地發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。三維數(shù)字模型和地理信息數(shù)據(jù)為運營維護單位提供更加直觀的人員培訓、更科學有效的運營維護管理。

基于三維的接觸網(wǎng)設計，將地理信息數(shù)據(jù)融入設計成果中，接觸網(wǎng)設施的三維數(shù)字模型與地形地貌等三維模型相結(jié)合，可以更直觀、真實地反應設計信息，實現(xiàn)場景可視化、實時漫游等高級設計技術和理念，更好地對設計內(nèi)容進行分析、評估和決策，這些均是基于二維的傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設計所不具備的。

3 接觸網(wǎng)三維設計的應用

接觸網(wǎng)三維設計就是利用三維設計技術，在計算機上構(gòu)建電氣、結(jié)構(gòu)、機械等多專業(yè)的三維接觸網(wǎng)數(shù)字模型，并通過對所構(gòu)建的模型進行安裝沖突檢查、電氣絕緣距離檢查、優(yōu)化設計等，將接觸網(wǎng)系統(tǒng)的整個模型和整套設計文件保存在一個集成的數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為基礎的設計，最終從模型中提取各種施工圖及相應的材料報表。接觸網(wǎng)三維設計主要根據(jù)站前數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)，建立線路、軌道等站前信息的三維數(shù)字模型，創(chuàng)建接觸網(wǎng)數(shù)字三維模型、腕臂裝配三維模型、基礎三維模型，

生成各種布置圖、安裝圖，進行安裝碰撞絕緣檢查等，同時接觸網(wǎng)三維設計應考慮為接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關仿真軟件提供數(shù)據(jù)接口。接觸網(wǎng)三維設計的主要應用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 建立接觸網(wǎng)三維模型

傳統(tǒng)設計以二維設計為基礎，接觸網(wǎng)平面布置圖、接觸網(wǎng)安裝圖等均為二維設計，設計人員和審查、審批人員進行設計和檢查等工作均很繁雜，不容易發(fā)現(xiàn)設計中的問題，而三維設計通過建立電氣、結(jié)構(gòu)、機械等多專業(yè)的接觸網(wǎng)三維模型，在模型中包含地理信息數(shù)據(jù)，設計成果接近實際的接觸網(wǎng)系統(tǒng)，通過三維渲染技術，可以實現(xiàn)場景可視化、實時漫游，直觀地進行成果審查，方便地進行優(yōu)化設計。

圖1 接觸網(wǎng)三維設計應用結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 碰撞絕緣檢查

接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計時，區(qū)別與其他行業(yè)的碰撞檢查，不僅要考慮系統(tǒng)機械安裝方面的沖突，還要考慮受電弓及其包絡線是否會碰撞支持裝置以及帶電體與接地體的間距是否滿足絕緣要求等其他接觸和非接觸“碰撞”，靠普通的二維圖紙是很難校驗這些問題的。三維模型具有精確的立體坐標和屬性，所以能夠自動檢查出所有的碰撞，而且可以由系統(tǒng)自動校驗，避免了工程的“碰、漏、缺”現(xiàn)象，實現(xiàn)無差錯設計。

3.3 自動生成施工圖

建立接觸網(wǎng)三維模型之后，系統(tǒng)可以自動生成平面圖（如接觸網(wǎng)平面布置圖）、截面圖（如接觸網(wǎng)安裝圖），該圖紙與整個接觸網(wǎng)三維模型相關，模型若發(fā)生改動，圖紙也會自動實現(xiàn)關聯(lián)改動。

3.4 材料和工程數(shù)量統(tǒng)計

由于接觸網(wǎng)模型的組件與實際系統(tǒng)的組件是對應的，因此可以很準確地統(tǒng)計材料，尤其是接觸線、承力索等線材長度，避免傳統(tǒng)設計中材料數(shù)量不準確的問題，同時統(tǒng)計可以在初期設計階段完成，有效實現(xiàn)造價控制。

3.5 協(xié)同設計

以三維接觸網(wǎng)模型為核心，各個專業(yè)的工作人員可以很方便地進行協(xié)同設計，系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動更新功能保證了數(shù)據(jù)的唯一性，避免傳統(tǒng)設計中由于分冊設計人員間溝通問題造成的設計數(shù)據(jù)不符，降低了設計溝通成本。

3.6 仿真接口

接觸網(wǎng)三維模型包含整個工程的所有數(shù)據(jù)，通過預留仿真接口可以很方便地導出設計參數(shù)至相關仿真計算軟件進行仿真計算，對系統(tǒng)進行評估，避免傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設計中人工整理設計參數(shù)繁瑣工作，同時也提高了仿真結(jié)果的準確性和可信度。

4 接觸網(wǎng)三維設計的特點

采用三維設計技術，更新了接觸網(wǎng)設計的設計思想，在設計過程中主要有以下特點：

（1）可視化。三維設計技術是一種“所見即所得”的設計方式，它使設計由原本在平面圖紙上布置接觸網(wǎng)設施，改為在一個虛擬的三維空間“架設”一個接觸網(wǎng)系統(tǒng)，設計工作更直觀，這是三維設計方式帶來的最直接優(yōu)勢，面對三維模型，設計人員能更方便地進行溝通、討論和實施設計方案。

（2）地理信息數(shù)字化。在可視化的基礎上，模型中包含地理信息數(shù)據(jù)，在設計階段就將接觸網(wǎng)三維數(shù)字模型與地理信息數(shù)據(jù)相結(jié)合，接觸網(wǎng)設計人員能根據(jù)線路的地理位置和地形地貌等信息對設計進行優(yōu)化。同時運營單位可以把包括地理信息數(shù)據(jù)在內(nèi)的接觸網(wǎng)三維模型應用于基于 GIS技術的管理信息系統(tǒng)中，而無需重新創(chuàng)建線路的地理信息模型，提高了設計內(nèi)容的可重用性，降低了運營成本。

（3）協(xié)調(diào)性。使用三維設計可以及時檢測和發(fā)現(xiàn)設計中出現(xiàn)的“不兼容”現(xiàn)象。在接觸網(wǎng)設計時，各專業(yè)工作人員不能有效地溝通，同時受二維設計空間的限制，很難協(xié)調(diào)設計中的沖突，如安裝圖的改動對平面布置圖支柱裝配選型的影響等。在三維模型的支持下，可以實時檢測懸掛或其他零件之間的安裝沖突，或新建接觸網(wǎng)設施與既有設施之間的影響，減少在普通二維設計中很難發(fā)現(xiàn)的不合理的設計方案。

（4）模擬性。首先，建立了接觸網(wǎng)三維模型后，能直觀地呈現(xiàn)出設計成果；其次基于三維模型能模擬氣候、受電弓等對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響；再次，能更直觀方便地計算工程數(shù)量，在工程造價層面進行模擬，有效控制造價。

（5）可出圖性。傳統(tǒng)的設計過程中，接觸網(wǎng)施工圖紙的設計量在整個項目設計中所占比重很大，采用三維設計技術，建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型后可自動生成接觸網(wǎng)平面布置圖、支柱安裝圖等施工圖、同時還可導出材料報表、工程數(shù)量表等施工文件，既節(jié)省了設計工作量，又能保證圖紙及文件的準確、規(guī)范、美觀，有利于減少差錯，提高效益。

5 接觸網(wǎng)三維設計關鍵技術

與常規(guī)的接觸網(wǎng)設計不同，三維設計技術是一項全新的設計技術，它需要用到龐大的數(shù)據(jù)庫支持和截然不同的設計管理方式，主要需要以下技術作為支持，驅(qū)動實現(xiàn)接觸網(wǎng)三維設計（圖2）。

圖2 接觸網(wǎng)三維設計關鍵技術框圖

5.1 基于參數(shù)化驅(qū)動的三維建模技術

接觸網(wǎng)三維設計的核心在于建立一個三維數(shù)字化的模型，接觸網(wǎng)三維模型不僅是在幾何參數(shù)層面上來描述接觸網(wǎng)系統(tǒng)，而且是將接觸網(wǎng)工程的整個設計參數(shù)、設計過程、設計規(guī)則以及行業(yè)知識封裝于三維模型中，這樣才能解決參數(shù)、規(guī)則對模型的驅(qū)動與更新機制問題。建立參數(shù)化的接觸網(wǎng)三維模型是整個接觸網(wǎng)三維設計的基礎。

5.2 地理信息系統(tǒng)技術

將地理信息數(shù)據(jù)融入至接觸網(wǎng)三維模型中，需要地理信息系統(tǒng)與基礎設計平臺相結(jié)合，才能在設計中實現(xiàn)地形地貌等地理數(shù)據(jù)的數(shù)字化和可視化，直觀的創(chuàng)建和優(yōu)化接觸網(wǎng)模型，使三維的接觸網(wǎng)設計成果與實際環(huán)境相符，保證設計的準確性。

5.3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)框架及信息處理

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個電氣、機械、結(jié)構(gòu)等多專業(yè)的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)包含的信息量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，分析和建立準確的接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)框架是接觸網(wǎng)三維設計的關鍵。同時，有效地處理這些寵大的數(shù)據(jù)、研究分布式計算機環(huán)境和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫也是實現(xiàn)接觸網(wǎng)三維設計的重要環(huán)節(jié)。

5.4 接觸網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同仿真分析

在接觸網(wǎng)設計工程中，需要對接觸懸掛彈性、弓網(wǎng)耦合關系等多領域進行仿真計算，相關設計人員要對系統(tǒng)的可行性和可靠性等方面進行分析。分析與設計協(xié)同，需要考慮接觸網(wǎng)三維模型與相關仿真分析及驗證接口，建立分析模型之后，通過相關分析計算對設計數(shù)據(jù)進行評估并向相關設計人員提供指導，確保設計的最優(yōu)化。對設計方案利用三維可視技術進行審查，選擇最優(yōu)設計。

5.5 并行設計管理

以接觸網(wǎng)三維模型為中心的設計和分析與傳統(tǒng)分冊設計管理方式不同?；谌S設計技術的接觸網(wǎng)工程設計需要各專業(yè)人員并行設計。在設計階段需要考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程的生命周期，包括設計、仿真分析、施工、維護、質(zhì)量及成本等方面的因素，強調(diào)各相關部門協(xié)同工作，因此需要建立信息管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等提供支持。

6 結(jié)語

隨著鐵路電氣化建設的發(fā)展，業(yè)主要求也在提升，高效率與低誤差是設計與業(yè)主共同追求的目標，使用三維設計技術，充分發(fā)揮其在接觸網(wǎng)設計中的優(yōu)勢，提高企業(yè)的競爭力，為實現(xiàn)與國際接軌，達到和趕超國際先進的設計技術水平奠定了基礎。

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