基于模擬退火算法的電氣化鐵路橫向連接輔助設計軟件

袁天玉

袁天玉:中鐵第四勘察設計院咨詢公司 助理工程師 430063 武漢

橫向連接是電氣化鐵路采用的一種電路連接及接地方式，在雙線區(qū)段中，利用上、下行兩空心線圈或空扼流變壓器的中心線相連并接地，其作用是平衡兩鋼軌間的牽引電流，減少牽引電流對軌道電路的影響，限制鋼軌與大地之間的電壓，避免對線路附近相關人員的人身傷害，以及用于疏導牽引電流，確保牽引回流的暢通。橫向連接的合理設置是軌道電路正常工作和牽引回流正常溝通的重要保證，直接影響鐵路系統(tǒng)的行車安全及線路附近相關人員的人身安全。

由于橫向連接的設置需要考慮牽引變電所(如果是AT供電，則另含分區(qū)所、AT所)(下文簡稱牽引所亭)位置、線間距離、設置步長、軌道區(qū)段頻率、鋼軌補償電容布置等諸多因素，如果靠人工計算并設置，效率低下且極其容易出現(xiàn)錯誤。為此，在總結工程設計的技術經(jīng)驗和計算機軟件開發(fā)技術基礎之上，開發(fā)了一套橫向連接的輔助設計軟件，以提高橫向連接的工程設計效率和設計質量，滿足鐵路設計和建設的需要。

1 工程設計原則

在軟件開發(fā)過程中，為了簡化軟件算法的設計，將橫向連接布置原則在工程設計原則基礎上進行了簡化。

1．所有橫向連接均為完全橫向連接，且同時提供牽引電流回流線的吸上線連接。

2．為減少牽引回流對軌道電路的影響，區(qū)間所有橫向連接均采用新增空扼流變壓器方案，站內(nèi)橫向連接盡量利用進、出站信號機的機械絕緣節(jié)處的扼流變壓器。

3．橫向連接間距在1200～2000 m之間，盡量控制步長在1400～1600 m左右，且同一個軌道區(qū)段最多設置一處;所連接軌道電路區(qū)段的載頻不得相同。

4．牽引所亭處設置一處橫向連接，左右1200 m處再各設置一處。

5．橫向連接距離區(qū)間電氣絕緣節(jié) BA至少100 m，距離補償電容至少20 m。

2 設計平臺選擇

因算法實現(xiàn)需要輸出大量的CAD圖紙，故考慮采用基于C++的ObjectARX技術，在AutoCAD平臺上進行二次開發(fā)。ObjectARX提供了以C++為基礎的面向對象開發(fā)環(huán)境及應用程序接口，其應用程序是一個DLL，共享AutoCAD的地址空間，對AutoCAD進行直接函數(shù)調用，能真正快速的訪問和操作AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫，并且ARX類庫采用了標準的C++類庫的封裝形式，大大提高了編程的可靠度和效率。

3 算法設計

橫向連接的布置主要考慮目標設置點與下一個橫向連接最近的信號點、最近的鋼軌補償電容，以及最近的牽引所亭之間距離的合適性。

軟件采用模擬退火算法。該算法來源于固體退火原理，將固體加溫至充分高，再讓其徐徐冷卻。加溫時，固體內(nèi)部粒子隨溫升變?yōu)闊o序狀，內(nèi)能增大，而徐徐冷卻時粒子漸趨有序，在某個溫度都達到平衡態(tài)即基態(tài)時，內(nèi)能減為最小。用固體退火模擬組合優(yōu)化問題，將內(nèi)能E模擬為目標函數(shù)值f，溫度T演化成控制參數(shù)t，可得到解組合優(yōu)化問題的模擬退火算法:由初始解i和控制參數(shù)初值t開始，對當前解重復“產(chǎn)生新解→計算目標函數(shù)差→接受或舍棄”的迭代，并逐步衰減t值，算法終止時的當前解即為所得近似最優(yōu)解。這是一種啟發(fā)式隨機搜索過程，具體設計步驟如下。

1.根據(jù)用戶輸入的步長布置第一個橫向連接，記為H0，并計算目標函數(shù)值T0，此目標函數(shù)是滿足最近的牽引所亭、信號點以及鋼軌補償電容之間距離要求的滿意度參考值。

2. 設置初始溫度 T=f(H0，H1，H2，．．．Hk);其中k為當前布置的橫向連接個數(shù)，f函數(shù)為計算當前布置的k個橫向連接數(shù)的綜合滿意度參考值。

3.do while k＜=(布置橫向連接線路長度)/(設置步長)

1)for j=0～n;//盡可能多的迭代確保能找到全局最優(yōu)解;

對當前最優(yōu)解按照鄰域函數(shù)(橫向連接設置規(guī)則約束函數(shù))，產(chǎn)生新解Hnew，并計算新的目標值Tnew;如果random［0～1］＜0.5，則更新最優(yōu)解Hbest=Hnew，否則不做改變;

end for;

2)確定當前最優(yōu)橫向連接布置點Hbest;

4.找到該區(qū)域橫向連接的最優(yōu)布置，結束。

4 橫向連接軟件開發(fā)

4.1 軟件結構

軟件分為5個主要功能模塊:用戶界面模塊、基礎數(shù)據(jù)導入模塊、橫向連接自動布置模塊、工程設計圖表輸出模塊和保護與加密模塊。

1．用戶界面模塊。在AutoCAD環(huán)境下，基于ObjectARX開發(fā)的用戶界面，實現(xiàn)用戶與軟件系統(tǒng)的輸入與輸出操作。

2．基礎數(shù)據(jù)導入模塊。導入橫向連接設計所需要的線路、信號點、橋隧、長短鏈和牽引所亭位置等數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的初始化，將所有數(shù)據(jù)的位置里程轉換成絕對里程存于數(shù)據(jù)庫中。同時，在數(shù)據(jù)初始化的過程中，對導入數(shù)據(jù)可能存在的問題(不合理輸入或原則性錯誤)進行檢查，以友好的方式警告用戶，并提出修改或規(guī)避錯誤的建議。

3．橫向連接自動布置模塊。該模塊基于模擬退火算法，實現(xiàn)了橫向連接的工程最優(yōu)化布置，是核心模塊。

4．工程設計圖表輸出模塊。根據(jù)初始化后的基礎數(shù)據(jù)，及橫向連接自動布置模塊運算的數(shù)據(jù)，繪制橫向連接工程設計施工圖紙、工程數(shù)量表、設計說明及圖表封面目錄。

5．軟件保護與加密模塊?；诩用芄贩绞綄崿F(xiàn)保護軟件的合法分發(fā)和使用。

4.2 軟件應用

為了驗證軟件及算法的可行性，以贛龍鐵路為例，進行橫向連接設計。

1．在用戶界面模塊中打開軟件界面，通過基礎數(shù)據(jù)導入模塊導入基礎數(shù)據(jù)。在此基礎上，橫向連接自動布置模塊經(jīng)過算法運算，在工程設計圖表輸出模塊中，輸出橫向連接設圖紙，如圖1所示。圖1中包括區(qū)間信號設備平面示意圖、信號設備接地防雷示意圖、橫向連接布置示意圖等。

2．結果分析:工程設計中，橫向連接布置效果是否優(yōu)化，重要的衡量標準是橫向連接布置的步長及與最近信號點之間的距離。經(jīng)統(tǒng)計，該軟件的橫向連接步長最小不低于1200 m，步長基本在1400～1600 m之間，且與信號點的間距在100 m以上，滿足設計規(guī)則要求，整體布置效果良好。

圖1 生成的橫向連接設計圖(局部)

5 結束語

橫向連接工程設計質量在鐵路建設期涉及到投資控制，運營期直接關系到行車安全和線路附近的人員安全，故在滿足相關鐵路技術標準和規(guī)范條件下，在工程設計經(jīng)驗總結的基礎上，設計先進合理的橫向連接布置算法具有重要意義?；谀M退火算法的橫向連接自動布置軟件在工程實際中得到應用，極大地提高了橫向連接的工程設計效率和工程設計質量，具有工程實用性。

［1］謝云．模擬退火算法的原理及實現(xiàn)［J］．高等學校計算機數(shù)學報，1999(3):21－32．

［2］項寶衛(wèi)，余雪芬，駱兆文．模擬退火算法在優(yōu)化中的研究進展［J］．臺州學院學報，2005，(27)6:6

［3］中華人民共和國鐵道部．鐵建設［2010］241號.高速鐵路信號工程施工技術指南［S］.2010.