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基于Web的铁路站场CAD系统的设计与开发

2022-05-29 来源:欧得旅游网
计算机辅助设计 4 l— I l t《l、ll-l¨K、lI)¨)I】 I【.N 、 (’I。l 7 、f1.I l ; :1005—8451(2oo8)1 1-oo46-o4 基于Web的铁路站场CAD系统的设计与开发 何 军 ,赵建国 ,蒋学兵 ,乐逸祥 ,周磊山 (1.大秦铁路股份有限公司 湖东车务段,大同037300; 2.北京交通大学 交通运输学院,北京 100044) 辅 - .介绍采用Browse/Server结构构建的基于Web的铁路站场CAD系统。介绍CAD技术概况和 发展趋势,设计组件化的CAD图元,并就系统实现中的自动径路生成、施工影响分析等关键技术进行探讨, 为研究网络化和智能化的铁路站场CAD系统进行相关技术探索。 火她 :站场设计;CAD;图元;可视化 lI-r刊分类1, I,:U291:TP391.72 殳献杯|J 5:A Design and development of Railway Station CAD System based on Web HE Jun‘.ZHAO Jian—guo ,JlANG Xue bing1,YUE Yi—xiang:,ZHOU Lei—shah (1.Hudong Train Operation Depot of Daqin Railway CO.,LTD,Datong 037300,China; 2.School of Trafifc and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China) Abstract:CAD System based on Web for railway station plan graph was established by Browse/Server structure.It was ifrst briefly introduced the technology and application development of CAD System,and hten designed hte units of meta—graph ofr Railway Station CAD System.The key technologies such as searching train running routes,analyzing maintenance influence automatically in station graphs were also discussed,the basic technologies research was important to the intelligent railway station CAD System based on Web. Kev wOrds:design of railway station;CAD;meta—graph;visualization 计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD) 析可知,我国铁路站场CAD技术的进一步突破面临 是以计算机系统为工具,综合应用多学科专业知 两个挑战:(1)从单机版到网络化的发展;(2)从 识,根据实际问题的需要进行模型设计、分析和优 图形的绘制到智能辅助决策的发展。本文阐述的基 化等过程的数字化信息处理技术。CAD技术在铁路 于Web的铁路站场CAD系统正是基于这种思想设 站场设计方面也得到了广泛普及和应用,采用CAD 计和开发的,并在这两个问题上做了一些前期研究 技术是提高站场设计质量,减轻设计强度,实现站 和技术积累。 场设计直观化和标准化的重要手段。 在我国,站场设计采用CAD技术经历了由单纯 1 膳J Web的铁路站场CAD系统 架设}I 数值计算到辅助设计决策的发展过程。许多专家、 学者和科研人员都开展了计算机辅助站场设计方面 在传统的单机用户系统中,CAD系统各个功能 的研究,并在设计实践中取得了一些成果。目前,国 模块是位于同一台计算机上的不同进程,因而是封 内的大部分站场CAD应用软件都是在Auto CAD环 闭的。而利用目前已经广泛应用的Internet相关技 境下二次开发而成,所完成的成果是一份静态的平 术,完全可以将不同的系统模块分别放置于Internet 面图形,主要图形元素是线条,所绘制的图形主要 环境中的不同的计算机上,应用相应的通信协改进 用于显示,对车站设备的逻辑关系,作业优化和辅 行数据的输入输出,从而建立基于Internet的开放 助决策作用不大,从这个意义上说,并没有超越人 式CAD系统,使用户可以进行远程操作。 工绘图。 由于B/S模式具有使用简单、易于维护和扩展 结合国内外其它行业CAD的发展趋势综合分 性好等特点,因此我们设计了一个B/S模式下的站 收稿日期:2008—09-23 场平面CAD系统,授权用户可以通过Web浏览器 作者简介:何军,工程师;赵建国,技术员。 远程访问数据库,并修改和完善站场平面图;服务 0— 丽__ 一 l_ 蚕面 计算机辅助设计 器端则负责数据安全,施工和调度信息发布等。该 2 纰f,卜化J 无的设计 系统总体框架如图1,后台数据库采用SQL Server 2000,开发工具采用Java语言。 图1基于Web的站场平面CAD系统总体结构 基于Web的交互技术,采用Applet和Servlet技 术。Applet是一种用Java编写的运行在Web浏览器 端的小应用程序,Servlet是一种用Java编写的运行 在服务器端的小程序,客户端采用Applet来完成与 用户交互,Servlet与Applet通过隧道(tunneling)技 术进行通信,服务器端采用Servlet来完成服务器端 的底层操作。 作为普通二维图形,确定了点的位置以及点与 点之间的连接线的形状,就可以描画出该图形。而 与普通二维图形不同的是,铁路站场的二维平面图 中的点和边作为线路设备的抽象表示,不仅需要表 示它们之间的定位关系,更重要的是要表示它们之 间的逻辑关系,例如联锁关系、进路走向关系等。因 此,智能化CAD系统的关键是在普通CAD图形的 基础上实现基本图元和参数的组件化,能描述车站 设备之间的逻辑属性和逻辑关系,在此基础上实现 站线使用方案,列车和调车进路的管理,结合列车 运行信息、设备施工信息就可以进行动态列车作业 仿真和调度辅助决策。图2为智能站场CAD系统功 能示意图。 图2 智能铁路站场CAD系统功能示意图 铁路站场平面图在二维图形显示中主要由点、 线等图形元素来描述,而实际站场中这些点和线表 示了具体的设备。与行车相关的固定设备主要由轨 道、道岔、交叉渡线、站台和信号机等设备,要实 现智能化站场CAD,关键在于寻找一种合理的抽象 方法,构建车站网络拓扑图。我们把铁路站场平面 图定义为由锚点和边组成的无向图G(V,E),IVI为 该车站内轨道单元的个数,lE J为车站内锚点的个 数,其中锚点包括轨道电路绝缘节、岔心、曲线交 点、交叉渡线中心和到发线中心点等,边为锚点之 间的连接轨道。为了便于计算机识别设备之间的联 锁关系,自动计算列车和调车进路,将某些锚点和 边定义成一个图元,并将相关的联锁信息、图元的 参数信息以及标识信息等用面向对象的方法,构造 成不同的类,形成组件化的图元。主要的图元包括: 轨道单元、道岔、曲线、交叉渡线、站线、信号机、 站台、边界点、驼峰和复式交分道岔等。 限于篇幅,本文主要介绍以下几种图元的参数 和描画方法。 2.1 . 锚点在实际站场图中是不存在的,在抽象的网 络拓扑图中,它是所有的图元结构定位的控制点。 锚点是站场线路图中任意一段不可分割的轨道线路 的端点,每个轨道单元都有两个锚点,相邻的轨道 单元共用一个锚点。其主要参数是定位坐标。锚点 的描画以定位坐标为圆心,以轨道单元的宽度为直 径画圆。 2.2轨逝 厄 不可分割的轨道线路为轨道单元,表现在图形 上就是边或弧,如图3。 轨道单元采用Bezier曲线来拟合,其主要参数 是定位坐标和长度,定位坐标包括两个锚点(P 1, p2)和两个中间控制点(c1,c2),其描画方法通过 锚点坐标和轨道单元的宽度计算相应的边界点 (b1 ̄b8),由4条边界线合围成该图元。 {)_ } }) }) 图3轨道图元 计冀机辅助设计 ‘ 逆 二.(1 式 分 复式交分图元由1个交叉渡线和4个道岔组成, 股道(站线)是列车停放和作业的主要地点,股 道图元由两条直线轨道单元组成,它们共用一个锚 点,共用的那个锚点代表该站线中心,将该站线的 名称标注在锚点上,如图4。主要参数是该股道的 属性信息,描画方法是在中间锚点P 处画一矩形 《拳………一一 一…*一镕 框,井在矩形框内标注股道名,然后根据股道属性 : 享≤誊: 曩j 参数画上表示方向的箭头。 , 二 翟2 l…  二] 图4股道图元 ; i 道岔是由一组共用一个锚点的3条(或4条)轨 道单元组成,如图5。道岔的主要参数包括定位的 轨道单元(P。,P ,P ,P ,区分道岔尖端的直线轨 道单元和道岔根部的直线轨道单元),道岔走向约 束(在自动计算进路时使用)。其描画方法是根据锚 点坐标和轨道单元宽度计算相应的边界点(b  ̄b ), 并将这些边界点依次连起来合围成该图元。 图5道岔图元 :. ,==c=义渡线 交叉渡线图元由一组共用一锚点的4条直线轨 道单元组成,如图6。交叉渡线的主要参数包括定位 的轨道单元(P。,P ,P ,P ,P ),交叉渡线走向约 束。其描画方法也是先计算相应边界点(blab..),将 这些边界点依次连起来合围成一个图元。 图6交叉渡线图元 I 羲茹 i n 囊 【 警 … 图7复式交叉遒岔图元 如图7。复式交分的主要参数包括4个道岔的位置信 息和联动关系,进路走向约束等。其描画方法是根 据锚点的坐标依次画出所包含的道岔和交叉渡线, 然后将它们组合而成。 其它图元同样包括参数信息和图形描画信息, 把这些图元按照一定的顺序组合起来,就构成了一 个完整车站平面图,而该车站平面图由于定义了组 件化的图元,将相关参数信息和描画信息集成为一 体,为进路的自动生成、作业仿真和辅助决策提供 了数据基础。 系统 睨的 父 技术 3.1 工!}路『l lJ戈"法 用无向图来描述车站平面图,列车(调车)进 路的生成实际上就是在图G的两个锚点(起始点和 目标点)之间寻找一条可行的最短路径,如图8。 图8基于Web的站场平面图 例如,接车进路是从进站边界点到股道的最短 路径;发车进路是从股道到出站边界点的最短路 计算机辅助设计 径;通过进路是经过同一条股道的接车进路和发车 进路的组合,实质是从某一个进站边界点到另一个 间断地进行列车实时定位显示,并根据图元所定义 的参数同步进行相应设备占用或空闲状态的更新。 出站边界点的最短路径,该最短路径必须经过指定 的股道;调车进路则是从站内某一条股道到另一条 股道的最短路径。 3.3 Java实现客广J端和服务器端 J 由于Java Applet是在支持Java的Web浏览器 中运行,所以它们具有Web浏览器所提供的优良结 虽然将站场平面图抽象为图G,但是由于铁路 构,如:窗口、事件处理机制、图形上下文以及环 行车设备的特点,其可行的径路有限制,如图4,道 境uI(用户界面)。Applet的字节码是在客户端解 岔的可行径路走向为图中箭头所示(P ,P。,P 和P,, P ,P ),而如果这3个轨道单元没有被定义为道岔 图元,则可行的径路还包括(P ,P。,P )。同样,在 图5和图6的图元中,可行的径路也比没有定义图 元的径路少。因此,铁路站场图进路自动生成算法 实质是计算以图元可行的径路走向为约束的改进最 短路算法。图元的径路走向约束在算法实现过程中 有两种方法:一是构建图元的可行径路列表,在搜 索最短路时,以图元的可行径路列表为搜索范围, 如图4中箭头所示的两个锚点序列为道岔图元的可 行径路,一旦搜索到P,或P,点,那么下一个搜索点 自动跳到P.;图5中箭头为交叉渡线图元的可行径 路,如果搜索到P ,那么下一个搜索点自动跳到P 点,这样既保证了径路的有效性,又加快算法搜索 速度。另一种方法是构建图元的不可行径路列表, 如图4中的(P ,P ,P )路径为不可行径路,图 5中的任意顶点P;(i-1,2,3,4)经P 去往相邻 顶点的径路为不可行径路,这样在搜索最短路的 时候遇到不可行径路则跳过。本系统采用的第2种 方法。 3.2施丁=影响分析算法 站线的属性按实际情况确定为以下几种:上行 站线、下行站线、车站正线、车站侧线、货车线路 和客车线路等几种,这几种属性除了车站正线和车 站侧线是互斥的外,其余属性均可兼容。由于本系 统的图元还包含相关设备的联锁关系等参数,因此 在某些设备施工维修的时候,可以自动检索到相关 锚点和轨道单元,并将该锚点和轨道单元标记为施 工状态,在站线属性和列车运行信息已知的条件 下,轮询接发车进路,如果该进路包含的锚点和轨 道单元有被标示为施工状态的,则给出施工影响的 预警信息,并可根据进(出)站边界点和列车种类, 自动计算变更进路,为调度辅助决策提供支持。 在已经确定列车进路的车站平面图基础上可以 方便地实现列车在站内作业的动态模拟,列车运行 的动态模拟实际上就是系统按照一定的时间步长不 释执行的,在其生命周期内能响应不同的事件,因 此它给www增强了交互式的动态功能,能够满足 基于Web的交互式CAD的需求。 本系统的服务器端就是在HttpServlet类的基础 上开发的,其主要功能是管理数据,解释用户请求, 进行相关图形计算和决策信息处理并返回客户端。 4结束沿 本系统在传统CAD技术的基础上,对铁路站场 CAD中的基本图元进行精确设计,构建图形描画信 息与联锁参数综合集成的组件化图元,使得车站平 面图从纯粹的静态点线图形变成为内含各图元之间 逻辑关系的矢量图。该矢量图为车站调度辅助决 策、行车设备施工影响分析以及作业仿真提供方便 可控的图形工具和数据平台。 上述设计思想和算法在Eclipse SDK平台上实 现,为基础数据的远程维护提供了一个工具,并作 为基础数据子系统嵌入行车设备施工管理系统和车 站调度计算机辅助决策系统中,在北京铁路局、哈 尔滨铁路局得到实际应用,取得很好的实用效果, 同时也为网络化、智能化的铁路站场CAD系统做了 充分的前期探索和技术积累。 参考文献: [1】周磊山,马建军.计算机编制网状线路列车运行图方法研 J】_铁道学报,1998(5):l5—21. 【2】张 晶,周磊山,乐逸祥.车站平面图CAD系统的设计与 实现【Jl_北方交通大学学报,2002(1):93—96. 【3】曾建江,陈文亮.基于Web的CAD系统研究与实现….南 京航空航天大学学报,2002(2):145—150. 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