城市軌道交通車輛段總平面布置圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

楊 震

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢//工程師)

車輛段是對(duì)城市軌道交通車輛進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理、停放、維修及保養(yǎng)的重要場(chǎng)所，是車輛安全運(yùn)行的基本保障。城市軌道交通車輛段的總平面布置圖(以下簡(jiǎn)為“總圖”)設(shè)計(jì)，需綜合考慮段址、布置形式及出入線方案等因素，進(jìn)行多次優(yōu)化調(diào)整[2]?？倛D圖形復(fù)雜，內(nèi)容繁多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某車輛段總圖中的道路由410條多段線組成，另含36組道岔及170條股道等。目前，總圖繪制多采用通用繪圖軟件AutoCAD，設(shè)計(jì)效率較低，重復(fù)工作量大。

城市軌道交通車輛段總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是在.NET環(huán)境下對(duì)AutoCAD進(jìn)行的二次開發(fā)，其基于模塊化設(shè)計(jì)思想，以面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行編程，結(jié)合.NET Framework組件、API接口以及相關(guān)算法，從而實(shí)現(xiàn)了圖形化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可用于車輛段總圖的輔助繪制、修改及統(tǒng)計(jì)等，使總圖設(shè)計(jì)更加智能化、科學(xué)化，能提高總圖繪圖效率及設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 功能模塊的劃分

城市軌道交通車輛段總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)適用于大架修車輛段、定修車輛段和停車場(chǎng)等的總圖設(shè)計(jì)，需遵循相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范及制圖標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的開發(fā)，應(yīng)先根據(jù)總圖設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)例，深入分析總圖設(shè)計(jì)工作內(nèi)容及系統(tǒng)需求，采用模塊化的思想進(jìn)行總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能開發(fā)[4]。

城市軌道交通車輛段總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有重復(fù)圖形快速繪制、復(fù)雜圖形參數(shù)化繪制、圖表智能繪制、圖形標(biāo)準(zhǔn)化與信息化等功能?？倛D輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊劃分如圖1所示。

1.1 重復(fù)圖形快速繪制功能

城市軌道交通車輛段總圖中，股道、道路、圍墻等圖形的線條單一，數(shù)量較多，需重復(fù)繪制、修改，其工作量很大，設(shè)計(jì)效率低?？倛D輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)重復(fù)圖形的特征，可簡(jiǎn)化用戶的操作，甚至能一鍵完成所有同類圖形的繪制和編輯，可有效減少重復(fù)工作量。

車輛段道路有通行、消防及運(yùn)輸?shù)扔猛?，其寬度一般? m和7 m，其轉(zhuǎn)彎半徑一般為6 m、9 m、12 m?？倛D輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的道路命令只需用戶選擇道路的起點(diǎn)、拐點(diǎn)和終點(diǎn)，指定道路的寬度、外角半徑、內(nèi)角半徑，即可快速繪制道路，并且，在繪制過程中操作者能夠隨時(shí)修改道路的寬度等參數(shù)。道路繪制流程如圖2所示。

圖1 總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊劃分圖

圖2 總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的道路繪制流程

彎道頭和曲線符號(hào)是車輛段總圖中常用的曲線股道輔助標(biāo)記，由數(shù)條小短線及圓弧或圓組成，較為復(fù)雜。車輛段的咽喉區(qū)由大量曲線股道組成，彎道頭和曲線符號(hào)數(shù)量繁多。如逐一繪制修改，則工程量巨大?？倛D輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別曲線股道，能同時(shí)生成所有彎道頭和曲線符號(hào)，也能同時(shí)刪除所有彎道頭和曲線符號(hào)，大大減少了繪制修改的工作量。彎道頭和曲線符號(hào)的繪制流程見圖3。

1.2 復(fù)雜圖形參數(shù)化繪制功能

總圖中的庫(kù)房(含股道)、道岔及反向曲線等圖形較為復(fù)雜。這類圖形由多種線條組成，且不同線條之間存在一定的幾何關(guān)系，相應(yīng)的圖形繪制工作繁重。總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)能將復(fù)雜圖形進(jìn)行內(nèi)部建模，并提供參數(shù)化界面。用戶只需輸入簡(jiǎn)單的參數(shù)，即可自動(dòng)完成圖形的繪制。

圖3 彎道頭和曲線符號(hào)繪制流程

庫(kù)房是車輛段總圖中的重要組成部分，庫(kù)房的布置對(duì)總圖布局至關(guān)重要，庫(kù)房包括檢修庫(kù)、運(yùn)用庫(kù)、洗車庫(kù)、鏇輪庫(kù)及調(diào)機(jī)工程車庫(kù)等，庫(kù)房圖形由墻體輪廓線、庫(kù)內(nèi)股道中心線、車擋線及股道編號(hào)等組成，庫(kù)房的尺寸及股道線間距等參數(shù)取值均有規(guī)范規(guī)定。

圖4 檢修庫(kù)操作界面

通過總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)針對(duì)不同庫(kù)房的參數(shù)化操作界面，用戶可以選擇庫(kù)房組成部分，輸入股道數(shù)量、線間距等數(shù)據(jù)(部分?jǐn)?shù)據(jù)可自動(dòng)計(jì)算)。例如，圖4為檢修庫(kù)的參數(shù)化操作界面。參數(shù)設(shè)置完成后，用戶在CAD中選擇基點(diǎn)，即可自動(dòng)生成完整的庫(kù)房圖形(見圖5)。

圖5 檢修庫(kù)自動(dòng)繪圖效果

車輛段總圖中的咽喉區(qū)是連接庫(kù)房與出入線、牽出線間的股道線群，由大量道岔、曲線和直線段短軌組成。繪制咽喉區(qū)是總圖設(shè)計(jì)中最繁瑣的工作之一。

總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供咽喉區(qū)自動(dòng)連接功能。用戶只需選擇主線和需要連接的股道線，即可根據(jù)內(nèi)部算法計(jì)算出連接路徑，并自動(dòng)完成咽喉區(qū)的繪制(如圖6所示)。

1.3 圖表智能繪制功能

圖形繪制完成后，總圖還需添加標(biāo)準(zhǔn)格式的圖框和“三表”。其中，圖框包括邊框、會(huì)簽欄、角標(biāo)等，“三表”為城市軌道交通車輛段總圖的重要元素，包括設(shè)計(jì)主要指標(biāo)表、房屋表及股道表等。

圖6 咽喉區(qū)的自動(dòng)連接繪制

總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可提供參數(shù)化界面。用戶只需輸入圖框尺寸、圖名、圖號(hào)及設(shè)計(jì)人員等信息，即可自動(dòng)生成完整的圖框?！叭怼睌?shù)據(jù)較多，總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可直接讀取總圖中的相關(guān)數(shù)據(jù)(如總圖中的房屋尺寸及面積等)，并顯示在“三表”操作界面中(如圖7所示)，經(jīng)用戶編輯修改及確認(rèn)后，在CAD中進(jìn)行自動(dòng)繪制。

圖7 房屋表的操作界面

1.4 圖形標(biāo)準(zhǔn)化與信息化

城市軌道交通車輛段總圖中的圖形種類眾多，線條瑣碎且數(shù)量龐大，增加了總圖繪制及修改的難度?？倛D輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅制定了圖形標(biāo)準(zhǔn)，可自動(dòng)對(duì)不同種類的圖形進(jìn)行分類處理，使總圖層次分明，便于用戶分類操作，而且還在此基礎(chǔ)上加了統(tǒng)計(jì)、篩選等功能。

總圖中的圖形種類有庫(kù)房、股道、道岔、車擋、道路、圍墻及各類輔助標(biāo)志等。其中股道又分為停車列檢線、月檢線、靜調(diào)線、牽出線、洗車線等。

總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成的不同種類圖形自帶特定的圖層、顏色、線寬及附加的擴(kuò)展信息等，圖層均以GY_開頭，擴(kuò)展信息包括圖形種類名稱、類型、編號(hào)及幾何尺寸等。圖形信息通過懸浮窗的形式顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)可以修改。如用戶將鼠標(biāo)停留在庫(kù)房輪廓線上，即會(huì)出現(xiàn)懸浮窗，顯示此庫(kù)房的名稱、建筑面積及軸線尺寸等信息。

不同種類圖形元素的統(tǒng)計(jì)信息是總圖的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了各類圖形的統(tǒng)計(jì)功能(例如，可統(tǒng)計(jì)寬度4 m道路的總長(zhǎng)度、圍墻的總長(zhǎng)度等)，并可進(jìn)行分類篩選。

2 幾何算法模型

幾何算法模型是總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心。總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立了總圖中各類圖形的幾何算法模型，能根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)，在后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算繪圖數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形及圖表的快速繪制?？倛D輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的幾何算法模型包括彎道頭算法模型、曲線符號(hào)算法模型、道路算法模型、庫(kù)房算法模型及道岔算法模型等。下面以道路算法模型為例進(jìn)行介紹。

某道路算法模型如圖8所示。道路算法模型的輸入?yún)?shù)為道路中心線起點(diǎn)(x1,y1)、拐點(diǎn)(x2,y2)、終點(diǎn)(x3,y3)、寬度W及轉(zhuǎn)角半徑RNB。根據(jù)輸入?yún)?shù)，可計(jì)算道路的端點(diǎn)坐標(biāo)(xA1,yA1)及夾角t，計(jì)算式為：

式中：

L1——起點(diǎn)到拐點(diǎn)的距離；

L2——終點(diǎn)到拐點(diǎn)的距離。

同理可求道路其他端點(diǎn)坐標(biāo)(xB1,yB1)及(xC1,yC1)。

根據(jù)端點(diǎn)、夾角及轉(zhuǎn)角半徑等數(shù)據(jù)，可計(jì)算出轉(zhuǎn)角圓弧的端點(diǎn)(xB11,yB11)和圓心(xo21,yo21)：

式中：

L11——道路輪廓線起點(diǎn)至拐點(diǎn)的間距;

LRB1——圓弧端點(diǎn)與道路輪廓線拐點(diǎn)距離。

同理可求圓弧另一端點(diǎn)(xB12,yB12)及其他圓弧數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶輸入后續(xù)的道路中心線端點(diǎn)位置、寬度及轉(zhuǎn)角半徑等參數(shù)后，道路算法模型還能進(jìn)行迭代計(jì)算。

圖8 道路算法模型

3 開發(fā)技術(shù)

總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用C#編程語言對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)。C#語言具有功能強(qiáng)大、易用的特點(diǎn)，可以非?？焖俚亻_發(fā)出功能強(qiáng)大的AutoCAD程序[5]。

AutoCAD數(shù)據(jù)庫(kù)由9類符號(hào)表和命名對(duì)象字典組成?？倛D輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)具體的開發(fā)技術(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 開發(fā)技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的塊表來創(chuàng)建圖形對(duì)象，實(shí)現(xiàn)各類圖形的繪制功能；使用層表來創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)圖層；使用線型表來創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)線型；使用命名對(duì)象字典為圖形對(duì)象附加各種擴(kuò)展數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖形的信息化。

友好的用戶交互是總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重點(diǎn)功能之一。總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用.NET交互操作服務(wù)來獲取用戶在AutoCAD的輸入信息(如圍墻

的端點(diǎn)、道路的寬度等)，使用選擇集來實(shí)現(xiàn)同類圖形的篩選，使用鼠標(biāo)監(jiān)視事件來實(shí)現(xiàn)圖形信息的實(shí)時(shí)顯示等，使用AutoCAD .NET API來創(chuàng)建自定義對(duì)話框，使用CUI文件來創(chuàng)建自定義菜單欄與工具欄等。

此外，總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于道路、道岔等需多步操作完成的圖形，使用Jig類功能來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)拖拽效果。在用戶操作過程中，隨著鼠標(biāo)移動(dòng)，圖形實(shí)時(shí)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新，給用戶帶來更加生動(dòng)直觀的視覺效果。

4 結(jié)語

城市軌道交通車輛段總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)總圖設(shè)計(jì)的內(nèi)容及特點(diǎn)，提出了各功能模塊的具體需求，建立了總圖圖形的幾何模型及算法，采用C#編程語言對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)圖形快速繪制、復(fù)雜圖形參數(shù)化繪制、圖表智能繪制、圖形標(biāo)準(zhǔn)化與信息化等關(guān)鍵功能。

本文介紹的總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)成功應(yīng)用于金義東市域城市軌道交通及寧波地鐵3號(hào)線等多個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，將車輛段總圖設(shè)計(jì)時(shí)間縮短至原計(jì)劃的1/4。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，總圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)便，能有效提高設(shè)計(jì)效率。