高速鐵路站場接觸網(wǎng)輔助設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)

李 歡，何朝明，崔煥星，李 靖

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031)

接觸網(wǎng)是沿電氣化鐵路線上空架設(shè)的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，電氣化鐵路運營的可靠性主要取決于牽引供電設(shè)備的實用性和可靠性，因此對架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)的要求特別高。在傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)平面布置設(shè)計中，設(shè)計人員往往采用手工布置的方式，不僅耗費大量人力和物力，錯誤率還普遍偏高。尤其是在站場附近，由于線路錯綜復(fù)雜，線路交匯形成的道岔、橋梁、站臺等一系列因素使得站場附近的接觸網(wǎng)布置十分繁瑣。國內(nèi)外很多學(xué)者利用了各種方式對簡化接觸網(wǎng)設(shè)計做了大量的研究[1～4]，其中，有基于AutoLisp接觸網(wǎng)平面設(shè)計系統(tǒng)，有基于ObjectARX在VC平臺上的接觸網(wǎng)智能設(shè)計系統(tǒng)，有利用ObjectARX和Visual Lisp開發(fā)的接觸網(wǎng)CAD應(yīng)用系統(tǒng)等。

當前AutoCAD的二次開發(fā)工具主要有：VisualLisp、VBA、ObjectARX和.NET API等。其中VisualLisp和VBA較為簡單，特別是VBA，使用方便且開發(fā)速度較快，但其功能相比Object-ARX有所不足，尤其是面向?qū)ο蟮墓δ苤С植缓?。而ObjectARX是基于VC平臺，在C++的支持下，其功能非常強大，可以很好地運用各種面向?qū)ο蠹夹g(shù)，但其缺點是開發(fā)速度較慢，對開發(fā)人員要求較高。而基于.NET平臺對AutoCAD的二次開發(fā)，可以充分利用.NET的各種優(yōu)勢，在保證C++的強大功能的前提下又具有VBA的開發(fā)速度，是目前較理想的AutoCAD二次開發(fā)工具。論文研究高速鐵路站場接觸網(wǎng)輔助設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，提出利用ObjectARX在.NET平臺上對AutoCAD2008進行二次開發(fā)方法，解決了接觸網(wǎng)布置中支柱布置和錨段劃分中的關(guān)鍵問題，在滿足接觸網(wǎng)需求的前提下簡化系統(tǒng)開發(fā)周期和難度。

1 高速鐵路站場接觸網(wǎng)輔助設(shè)計功能

針對高速鐵路接觸網(wǎng)布置的復(fù)雜性，系統(tǒng)設(shè)定支柱布置、錨段劃分、中心錨結(jié)確定、生成附加導(dǎo)線等主體業(yè)務(wù)流程，然后再計算拉出值、繪制設(shè)備、生成信息表和統(tǒng)計表等附加業(yè)務(wù)流程。

（1）進行數(shù)據(jù)初始化，初始化數(shù)據(jù)包括接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)的初始化、線路數(shù)據(jù)識別、橋隧涵等特殊地段數(shù)據(jù)的導(dǎo)入等；

（2）進行接觸網(wǎng)支柱的布置，支柱布置是接觸網(wǎng)最重要的部分；

（3）根據(jù)不同的布置準則，支柱布置可分為站場正線、站線、橋、隧道、涵洞支柱布置；

（4）錨段劃分和中心錨結(jié)在一個模塊，錨段劃分以后自動進行中心錨結(jié)繪制，并生成附加導(dǎo)線（AF、PW線）。

整理高速鐵路接觸網(wǎng)平面布置設(shè)計工作，輔助設(shè)計系統(tǒng)流程如圖1。

（1）數(shù)據(jù)初始化，支柱布置參數(shù)，橋涵等數(shù)據(jù)導(dǎo)入，線路拾取等；

（2）支柱布置，布置單條線路支柱，以這條線路上的支柱為基準支柱，以這條線路為基準線路；

（3）支柱修改，對基準線路上的基準支柱進行修改，包括增加、刪除支柱和調(diào)整支柱位置；

（4）支柱對稱，以修改好的基準線路為對稱基準，布置整個站場所有線路的支柱；

（5）支柱修改，首先對不滿意的支柱進行修改，然后修改雙肩挑，雙腕臂支柱以及硬橫跨，也可以對局部區(qū)域內(nèi)的支柱進行整體修改，包括局部對稱、局部修改支柱數(shù)目等功能，修改完成以后再對支柱進行編號和標注跨距；

（6）錨段劃分，可以選擇單線錨段劃分和全線錨段劃分，錨段劃分的結(jié)果依據(jù)錨段劃分參數(shù)而變化，錨段劃分完成后自動確定中心錨結(jié)，可對錨段位置進行修改；

（7）生成附加導(dǎo)線，由輸入的導(dǎo)線間距和附加導(dǎo)線錨段長度來生成附加導(dǎo)線AF和PW線，可以對附加導(dǎo)線進行修改；

（8）生成拉出值，確認曲線處五跨非絕緣關(guān)節(jié)和絕緣關(guān)節(jié)拉出值選用表以后，根據(jù)表中內(nèi)容生成拉出值，可對拉出值進行修改；

（9）設(shè)備繪制，繪制避雷器、隔斷開關(guān)、分段絕緣器等關(guān)鍵設(shè)備；

（10）生成信息表，包括支柱基礎(chǔ)編號、支柱類型、硬橫跨類型等；

（11）生成統(tǒng)計表，包括《避雷器設(shè)備表》、《道岔表》等。

2 高速鐵路站場接觸網(wǎng)輔助設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

2.1 高速鐵路站場線路識別

圖1 系統(tǒng)流程圖

站場平面接觸網(wǎng)布置的難點在于線路識別，站場線路數(shù)量大、道岔點多、正線和站線之間相互

過渡等諸多因素對接觸網(wǎng)設(shè)計結(jié)果起到?jīng)Q定性的作用，合理的線路識別技術(shù)，決定了后續(xù)工作的難易程度。

2.1.1 C AD圖紙中的線路情況分析

在高速鐵路CAD圖紙中，線路包含直線、圓弧、多段線和樣條曲線4種線型。其中，樣條曲線在鐵路上不予采用，在這里不做考慮；直線包含起點坐標、終點坐標、線路長度和角度等屬性；圓弧包含起點和終點坐標、弧長、半徑、凸度等屬性；多段線包含起點和終點坐標、多段線長度以及組成多段線的所有線信息等屬性。由于在圖紙設(shè)計過程中，繪圖人員并不是完全按照標準繪制圖紙。這樣導(dǎo)致兩個問題：（1）在一條有多個線段的線路中，并不是所有線路都是按照從左到右的標準繪制，點畫線的方式不同，起點和終點不同，左邊端點并不一定是起點，而右邊端點并不一定是端點；（2）由于繪圖人員的疏忽，需要相交的線路放大之后并沒有相交在一起或者交點不正確，出現(xiàn)繪圖容差，導(dǎo)致線路不連續(xù)。

2.1.2 傳統(tǒng)線路識別方式的弊端

傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)線路識別采用對線路進行賦擴展數(shù)據(jù)的形式，把所選的線路統(tǒng)一進行賦“正線（站線）N”的擴展數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了在后面的工作中難度增加。比如，在添加支柱的時候需要在離“正線（站線）N”左端點處m米添加一個支柱，首先在遍歷當前圖紙空間中所有的實體，找到帶有擴展數(shù)據(jù)為“線路N”的所有線路集，然后根據(jù)從左到右的順序進行排序，從第1個線路左端點開始沿線上距離找點，必須考慮圖紙起點終點的關(guān)系，導(dǎo)致計算線上距離時必須對起點終點進行判斷，是否是線路總長減去一定量的長度，還是線路左端點到右端點一定量的長度，這使得程序復(fù)雜度增加。如果遇到線路不連續(xù)的情況，傳統(tǒng)方法根本無法處理。如果不對傳統(tǒng)的線路識別方式進行改進，則需要花相當大的精力處理獲取線路、線路連續(xù)性和起點終點等問題。

2.1.3 多段線方式的優(yōu)勢

為了解決傳統(tǒng)線路識別的弊端，在用戶手工選取“正線（站線）N”上所有線路的同時，對所選的線賦擴展數(shù)據(jù)“正線（站線）N”，然后對所選線路進行多段線轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換成的多段線存入“PolyLine”圖層，并給多段線賦“正線（站線）N”的擴展數(shù)據(jù)。采用該方式能很好地解決傳統(tǒng)方式所不能解決的線路獲取問題和繪圖容差問題，并降低系統(tǒng)復(fù)雜度和縮短系統(tǒng)運行時間。

2.2 基于實體屬性的數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)

系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)的，所謂數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，即將系統(tǒng)各個流程所需的數(shù)據(jù)都存入圖紙，使整個系統(tǒng)流程不會因為其他原因?qū)е虑懊娴牟僮鹘Y(jié)果數(shù)據(jù)丟失，在后續(xù)流程中只需讀取當前圖紙，即可獲得所需的數(shù)據(jù)信息，該方法提高了系統(tǒng)的魯棒性和運行效率。數(shù)據(jù)驅(qū)動的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)包括初始數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和支柱數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。

2.2.1 初始數(shù)據(jù)存儲

初始數(shù)據(jù)存儲包括設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)存儲和線路數(shù)據(jù)存儲；設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)包括：支柱布置參數(shù)、支柱類型參數(shù)、下錨類型參數(shù)、統(tǒng)計表和信息表參數(shù)。線路信息包含：橋、隧、涵、信號機等信息，該信息通過外界Excel導(dǎo)入獲得，并和設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)一并存入系統(tǒng)默認路徑下的“數(shù)據(jù)初始化.xls”中，方便以后對數(shù)據(jù)的修改和讀取。

2.2.2 支柱數(shù)據(jù)存儲

支柱布置完成之后，后續(xù)流程需要多次利用支柱數(shù)據(jù)，支柱以圖塊的形式存放在“Trut”圖層中，并為每個支柱塊寫25個擴展記錄，包括支柱所在坐標、支柱所屬線路、支柱編號、支柱ID等信息。在后續(xù)的流程中只需要在“Trut”層中找到相應(yīng)的支柱塊，讀取所需的信息。

2.3 線路支柱布置算法

線路支柱布置包括正線支柱布置和站線支柱布置，由于在實際過程中設(shè)計人員往往憑經(jīng)驗去布置支柱，就導(dǎo)致了程序自動布置往往達不到專業(yè)人員的水平，所以必須建立一套算法布置支柱，使得布置出來的效果接近專業(yè)人員水平，專業(yè)設(shè)計人員布置支柱的基本準則如下：

（1）正線支柱布置時，線路有橋，先滿足橋支柱布置；

（2）線路沒橋，先布置道岔附近支柱，道岔附近兩根支柱必須按內(nèi)外側(cè)布置；

（3）從左端最外道岔處開始布置，且左右最外道岔外的區(qū)間按照標準跨距布置；

（4）道岔內(nèi)區(qū)間按照區(qū)間長度布置，如果區(qū)間長度很長，則在滿足道岔附近支柱以后，先按道岔向外一二跨布置支柱，剩余的區(qū)間用標準跨距布置，其中盡量使跨距滿足跨距比，且只能有一個跨距為小數(shù)，其余均為整數(shù)；

（5） 如果區(qū)間長度不能滿足布置道岔向外一二跨，則不必布置第一二跨支柱，只需滿足內(nèi)外側(cè)支柱，將剩余的區(qū)間用標準跨距布置，如果剩余區(qū)間很小，則可以考慮將剩余區(qū)間平分布置，且要滿足只有一個跨距為小數(shù)的標準；

（6）站線支柱布置原理同正線，只是道岔內(nèi)外側(cè)長度以及站線道岔點的判斷方式與正線不同。

2.4 橋支柱布置算法

橋支柱布置準則如下：

（1）如果線路在橋上，則需遵循橋的支柱布置準則；

（2）獲取橋梁數(shù)據(jù)信息，包括橋主表和橋墩表兩個Excel；

（3）橋由連續(xù)梁和箱梁組成，兩種梁布置方式不同，其中，箱梁必須按照箱梁支柱布置準則布置，而連續(xù)梁只需滿足梁縫上左右4 m處不允許布置支柱外，其他地方可以根據(jù)跨距任意布置；

（4）如果橋上有道岔，先滿足道岔處的支柱布置，再滿足普通橋支柱布置。道岔處支柱布置同普通正線道岔處支柱布置準則相同。

2.5 支柱對稱算法

為了滿足支柱基本對稱的需求，設(shè)計了支柱對稱模塊，模塊基本流程如下：

（1）選擇基準線路，獲取該線路上所有支柱布置點，選擇需做對稱的線路，在需做對稱的線路上找到與基準線路支柱布置點對稱的點；

（2）提出避讓區(qū)間概念，即避讓區(qū)間內(nèi)支柱暫時先不布置支柱，避讓區(qū)間外的按照對稱的關(guān)系獲取支柱布置點；

（3）設(shè)計避讓區(qū)間內(nèi)支柱布置。

避讓區(qū)間內(nèi)支柱布置算法：

（1）正線避讓區(qū)間找點；兩種情況：區(qū)間只有一個道岔點；區(qū)間多個道岔點。這里與支柱布置模塊的算法不同的是，避讓區(qū)間的起點與終點不是線路端點，而是距離道岔左端、右端最近的支柱點，道岔點與道岔點之間的區(qū)間按照支柱布置算法找點，道岔點與支柱點的區(qū)間按照優(yōu)先布置道岔點處支柱（包括內(nèi)外側(cè)支柱以及第一二跨支柱，第一二跨支柱必須在外側(cè)的情況），然后對剩余線上距離用剩余區(qū)間支柱點布置。

（2）站線避讓區(qū)間找點：和正線一樣分為兩種情況，但是避讓區(qū)間的起點和終點不是道岔的左邊（右邊）最近支柱點，而是線路的端點。這里設(shè)計程序的時候做了個判定，如果區(qū)間起點在正線上，則從區(qū)間第2個點開始找支柱點，如果不在正線上，則從區(qū)間起點開始找支柱。

3 實例

對某高速鐵路站場平面CAD圖紙進行接觸網(wǎng)設(shè)計，按照系統(tǒng)功能流程，生成圖2的接觸網(wǎng)設(shè)計結(jié)果。該站場一共有10條線路，包括：2條正線、5條站線和3條渡線。通過本系統(tǒng)對站場平面CAD圖紙進行接觸網(wǎng)設(shè)計，設(shè)計時間不超過10 min，與該站場的傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計的一周時間相比，縮減設(shè)計時間，并滿足設(shè)計準則。

圖2 某高鐵路專站場接觸平面布置圖

4 結(jié)束語

系統(tǒng)利用.NET平臺結(jié)合ObjectARX對Auto-CAD2005進行二次開發(fā)，針對高速鐵路站場平面接觸網(wǎng)開發(fā)出輔助設(shè)計系統(tǒng)，在基本滿足設(shè)計人員設(shè)計準則的前提下，具有自動布置支柱、劃分錨段、生成安裝圖等一系列功能，減少接觸網(wǎng)設(shè)計時間。在實際運用中，由于本系統(tǒng)只是對設(shè)計人員提供輔助功能，在特殊地方還需要根據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗進行適當?shù)恼{(diào)整。

系統(tǒng)中提出的轉(zhuǎn)換多段線、數(shù)據(jù)驅(qū)動、支柱布置和支柱對稱算法以及橋處理方式都是其他接觸網(wǎng)設(shè)計系統(tǒng)沒涉及的，實際證明，本系統(tǒng)所提出的方法可行，并取得了良好的效果，期待本系統(tǒng)中提出的方法對其他CAD系統(tǒng)的開發(fā)能有一定的借鑒作用。

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