軌道交通車輛段綜合管線軟碰撞算法及實(shí)現(xiàn)

宋叢麗

（武漢大學(xué) 信息管理學(xué)院，武漢 430063）

軌道交通車輛段綜合管線軟碰撞算法及實(shí)現(xiàn)

宋叢麗

（武漢大學(xué) 信息管理學(xué)院，武漢 430063）

本軟碰撞算法在MicroStation平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)，首先判斷管線的空間位置關(guān)系，將空間管線抽象為圓柱體，針對(duì)平行管線或垂直管線及其他非平行和非垂直管線間距采用不同算法分別計(jì)算管線間最短距離，經(jīng)測試該算法滿足設(shè)計(jì)規(guī)范平行或垂直不同要求，使無差設(shè)計(jì)成為可能。

軟碰撞檢查；綜合管線；MicroStation

碰撞檢查是要自動(dòng)地找出管線之間、管線與建筑物之間在空間位置上是否有重疊發(fā)生，管線的空間位置是否滿足檢修要求。目前，三維管線設(shè)計(jì)軟件中管線碰撞檢查規(guī)則單一，各專業(yè)管線設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)遵循的設(shè)計(jì)規(guī)范要求和標(biāo)準(zhǔn)各不相同[1]。在進(jìn)行軌道交通車輛段（場）室外綜合管線設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需多次查詢、定義、修改管線碰撞檢查規(guī)則，才能實(shí)現(xiàn)綜合管線設(shè)計(jì)碰撞點(diǎn)的檢測。針對(duì)三維綜合管線設(shè)計(jì)布置的具體特點(diǎn)和實(shí)際需要，將碰撞的含義延伸為管線凈空距離設(shè)計(jì)要求。

本文分析一種基于集合的管道碰撞檢測的算法，此算法將管道抽象為空間的兩條線段，首先判斷管道的空間幾何位置關(guān)系，然后計(jì)算兩線段上的最短連線長度，并與相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求距離比較，判斷是否發(fā)生碰撞（軟碰撞）。

空間管線位置關(guān)系比較復(fù)雜，軟碰撞首先需要判斷管道位置關(guān)系：平行、相交、垂直，其他情況如既不平行也不垂直。位置關(guān)系在判斷時(shí)，由于設(shè)計(jì)人員作圖精確性存在偏差，對(duì)平行和垂直度判定需要留有余量。管線空間最短距離算法目前有很多研究，大多集中研究兩端空間管線最短距離。MicroStation中碰撞檢查實(shí)現(xiàn)的主要功能是指定圖層或元素的硬碰撞檢查以及硬碰撞結(jié)果顯示和輸出[2]。由于空間中兩根管道并排架設(shè)時(shí)，要考慮到安裝、檢修等要求，兩者之間必須有一定的間距，如果這個(gè)間距不夠，即使兩者未直接碰撞，但其設(shè)計(jì)也是不合理的。不同類型管線最小水平間距和最小垂直間距在設(shè)計(jì)規(guī)范上都給出了最小間距要求，硬碰撞檢查就無法實(shí)現(xiàn)這類碰撞檢查要求。

1 開發(fā)平臺(tái)簡介

MicroStation是一款面向基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的三維CAD基礎(chǔ)軟件，也是集二維繪圖，三維建模和工程可視化（靜態(tài)渲染+各種工程動(dòng)畫設(shè)計(jì)）于一體的綜合解決方案[2]。包括參數(shù)化要素建模、專業(yè)照片級(jí)的渲染和可視化以及擴(kuò)展的行業(yè)應(yīng)用。MicroStation具有諸多優(yōu)勢來滿足各種類型項(xiàng)目的需求，特別是一些工程數(shù)據(jù)量大的項(xiàng)目。在大型鐵路、建筑設(shè)計(jì)上應(yīng)用十分廣泛。MicroStation以MDL（MicroStation Development Language）為主要的開發(fā)語言，可提供上萬個(gè)應(yīng)用函數(shù)和接口供使用，為車輛段室外綜合管線三維設(shè)計(jì)軟件開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2 軟碰撞檢查主要功能

在MicroStation平臺(tái)下的軟碰撞算法主要可以實(shí)現(xiàn)平行和垂直間距數(shù)據(jù)庫查詢，指定圖層間軟碰撞檢查以及軟碰撞結(jié)果顯示和輸出。

在軟碰撞檢查中管線間距數(shù)據(jù)庫采用Access數(shù)據(jù)庫，設(shè)置在主程序的規(guī)則設(shè)置操作界面中，間距查詢時(shí)調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫指令查詢?cè)O(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的管線水平和垂直敷設(shè)間距。軟碰撞結(jié)果提供兩種顯示模式：高亮模式和透明模式。高亮模式將軟碰撞管線在圖中以高亮形式顯示，并將視圖自動(dòng)追蹤到碰撞點(diǎn)。透明模式修改其他管線透明度，突出發(fā)生碰撞管線。這種顯示效果較高亮要直觀，但由于參考圖層無法修改管線屬性且計(jì)算量大，不適合含參考圖層或者較大圖形。軟碰撞檢查界面如圖1所示。

圖1 軟碰撞檢查界面

碰撞結(jié)果除了可以可視化顯示外，還可以將結(jié)果導(dǎo)出為Excel格式，如圖2所示。

圖2 軟碰撞結(jié)果Excel格式

可以看到導(dǎo)出的Excel文件中，包含管線的類型、碰撞錯(cuò)誤的類型、管線的直徑、規(guī)范距離以及規(guī)范的最短距離。可以清晰地展示軟碰撞的結(jié)果，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行精確修改。

3 軟碰撞檢查算法的數(shù)學(xué)分析

將管道的中心線提取出來，即將管道抽象為兩條線段[3～6]。首先判斷中心線段的空間幾何位置關(guān)系，然后計(jì)算兩線段上的最短連線長度，減去相應(yīng)管線的半徑之后，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求距離比較，判斷是否發(fā)生碰撞（軟碰撞）。通過比較兩直線的方向向量判斷兩直線是否平行（若兩直線的方向向量相差較小則將兩直線視為平行直線進(jìn)行計(jì)算）。

3.1 兩中心線段所在的直線相交

（1） 如果兩線段相交，則不進(jìn)行軟碰撞檢測。

（2）交點(diǎn)至少在一條線段的延長線上，計(jì)算兩線段端點(diǎn)連線長度（兩兩相連，共4個(gè)），并分別從線段的端點(diǎn)到另一線段作垂線（共4個(gè)），若垂足在另一線段內(nèi)，則計(jì)算垂距，找出這些端點(diǎn)連線長度和所得垂距中的最小者，若小于管線最小凈距，則警告發(fā)生碰撞。如圖3所示，比較AC、AD、BC、BD、CE、BF的長度取出最小值與規(guī)定的管線間的最小距離作比較。

圖3 交點(diǎn)在延長線上

3.2 兩線段平行或共線

3.2.1 兩線段共線

（1）兩線段首尾相連，則沒有發(fā)生碰撞。如圖4所示，線段AB與線段CD相連，視為沒有發(fā)生碰撞。

圖4 兩線段首尾相連

（2）兩線段端點(diǎn)之間存在一定距離，如圖5所示，計(jì)算BC的長度與規(guī)定的管線間的最小距離作比較。

圖5 共線線段端點(diǎn)存有距離

3.2.2 兩線段平行

（1）如果有一條線段的端點(diǎn)到另一線段的垂線的垂足在另一線段內(nèi)或端點(diǎn)上，如圖6所示。則計(jì)算兩平行線段的間距，若該間距小于管道最小凈距，則認(rèn)為發(fā)生了軟碰撞。這通常發(fā)生在兩并排布置的管道，間距不符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 平行線段垂足在線段內(nèi)

（2）如果垂足均在線段外，則計(jì)算兩線段端點(diǎn)距離的最小者，以此判斷是否滿足要求。如圖7所示公垂線的垂足E在線段AB外，故取AC、AD、BC、BD中的最小者與規(guī)定的管線間的最小距離做比較，判斷是否滿足軟碰撞的要求。

圖7 平行線段垂足在線段外

3.3 兩線段異面

兩線段異面的處理與兩線段相交類似。直線相交可以看作兩直線異面的特例，沿公垂線拉近兩異面直線，當(dāng)公垂線段長度為0時(shí)，異面直線就變?yōu)橄嘟弧?/p>

4 軟碰撞檢查算法實(shí)現(xiàn)步驟

軟碰撞算法在MicroStation v8i平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)分為3個(gè)步驟：（1）提取不同圖層的管線信息，包括全部模型（當(dāng)前模型及當(dāng)前模型中的附加參考模型）中管線起點(diǎn)、終點(diǎn)、以及管徑信息；（2）軟碰撞計(jì)算及結(jié)果輸出；（3）軟碰撞結(jié)果的自動(dòng)標(biāo)注可視化顯示。

4.1 提取不同圖層的管線信息

MicroStation v8i下將管線的組織形式以msdElementTypeCellHeader結(jié)構(gòu)體形式表示。先獲取當(dāng)前管線的類型，調(diào)用元素分解函數(shù)獲得該復(fù)雜元素下面的子項(xiàng)（組成元素），如果子項(xiàng)仍然是復(fù)雜元素t，再繼續(xù)分解，得到直線Line的信息[7]。

管徑數(shù)據(jù)的獲取是通過BBMS（MicroStation中用來創(chuàng)建HVAC和Plumping設(shè)備的專業(yè)模塊）下的DataGroup Catalog獲取的，每個(gè)BBMS下管線數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)XML的數(shù)據(jù)庫，包含直徑、材質(zhì)、廠家等信息。通過屬性獲取函數(shù)獲得管線的Catalog數(shù)據(jù)。打開的MicroStation工程文件，除了當(dāng)前模型外還包含了不同的附加參考層。在碰撞檢查時(shí)，所選取圖層可能在附加參考層中，因此需要遍歷整個(gè)當(dāng)前模型和當(dāng)前模型下的全部參考。整個(gè)獲取管線數(shù)據(jù)的流程如圖8所示。

圖8 獲取管線數(shù)據(jù)流程圖

4.2 軟碰撞檢查的結(jié)果輸出

將提取出來的圖層數(shù)據(jù)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)合并、過濾。將首尾相接平行小線段合并，過濾不滿足要求的線段。首尾相接平行小線段合并好處比較多，能減少相交線段判斷，從而減少軟碰撞計(jì)算量。過濾無效點(diǎn)也能減少計(jì)算量。過濾規(guī)則采用線段長度＜0.01 m的管線忽略不計(jì)。定義變量isparral為管線中心線位置關(guān)系的判斷標(biāo)志。碰撞檢查算法流程圖如圖9所示。

圖9 碰撞檢查算法流程圖

4.3 軟碰撞檢查結(jié)果的可視化顯示

碰撞檢查結(jié)果以列表形式輸出在對(duì)話框中，為方便用戶查看碰撞點(diǎn)情況。在雙擊碰撞結(jié)果列表時(shí)需要將視圖定位到碰撞點(diǎn)，并將碰撞管線與其他未碰管線加以區(qū)分，在圖中標(biāo)示出碰撞點(diǎn)以直線連接并標(biāo)明距離。該標(biāo)示在點(diǎn)擊下一條結(jié)果或查看退出時(shí)自動(dòng)刪除。設(shè)置全局?jǐn)?shù)組記錄臨時(shí)添加的element（線段和文字）。

在繪圖前首先判斷是否存在臨時(shí)線段和文字是否為空。如果存在則先刪除。判斷是否有管線元素高亮顯示，如果有取消高亮顯示。根據(jù)碰撞點(diǎn)位置（兩管線之間最短距離直線）計(jì)算視圖窗口和視圖中心，設(shè)置視圖。遍歷模型，根據(jù)碰撞結(jié)果中管線ID，高亮顯示當(dāng)前碰撞管線。繪制兩管線之間最短直線，并標(biāo)注距離。碰撞檢測結(jié)果輸出信息如圖10所示。

軟碰撞算法可以準(zhǔn)確地在測試模型中將發(fā)生軟碰撞（設(shè)計(jì)時(shí)不滿足規(guī)范）的管線顯示出來，方便對(duì)不滿足要求的管線進(jìn)行修改，而傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)軟件僅具備硬碰撞檢查功能，對(duì)于空間位置不滿足要求的管線不能進(jìn)行相應(yīng)的檢查。圖11采用青龍山停車場測試模型，圖中列出了全部軟碰撞結(jié)果，單擊軟碰撞檢查條目，將自動(dòng)定位到軟碰撞發(fā)生位置信息。

圖10 碰撞檢測結(jié)果輸出信息

圖11 青龍山停車場測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文研究實(shí)現(xiàn)了滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的軟碰撞算法，可以檢查不同類型平行、垂直管線和非平行非垂直管線之間闕值?？梢员苊庠谑┕み^程中造成不必要的損失，有利于核查管線綜合設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，使無差錯(cuò)設(shè)計(jì)和無碰撞施工成為可能。為各類管線統(tǒng)籌安排合理施工，發(fā)現(xiàn)并協(xié)調(diào)各專業(yè)管線設(shè)計(jì)中潛在的問題提供有效的解決方案。

[1]代 剛.地鐵車輛段室內(nèi)綜合管線三維設(shè)計(jì)研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2012.

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[4]王 鵬，劉旭敏，關(guān) 永．基于OBB層次包圍盒的碰撞檢測算法改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)， 2009，30（13）：3196-3198.

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責(zé)任編輯 方 圓

Integrated pipeline soft-collision algorithm for car depot of Urban Transit

SONG Congli
( School of Information Management, Wuhan University, Wuhan 430063, China )

The soft collision algorithm was implemented on MicroStation platform to determine the pipeline’s spatial relationship. Spatial pipeline was abstracted as cylinder, in view of the parallel or vertical piping as well as other nonparallel and non-vertical line spacing, different algorithms were used to calculate the shortest distance of pipeline. The Algorithm could meet the different requirements of design specif i cation for parallel or vertical.

soft-collision detection; integrated pipelines; MicroStation

U279∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0028-05

2015-01-08

宋叢麗，高級(jí)工程師。