接觸網設計平臺及基礎數據庫系統的設計與實現

曹小明

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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接觸網設計平臺及基礎數據庫系統的設計與實現

曹小明

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

鐵路勘察設計電氣化接觸網專業在設計過程中，涉及專業、人員、數據量眾多。為提高不同專業間協同設計及具體區間輔助設計效率，確保項目流程的可追溯性，實現多專業數據共享，特開發了接觸網設計平臺及基礎數據庫系統。通過對電氣化接觸網專業業務流程的分析，設計項目管理流程，結合短信提醒與中心數據庫管理技術，實現了項目流程的管理、監控與數據共享。從接觸網輔助設計的數據獲取，中期數據處理、工程設計約束及工程數量統計等方面進行分析、歸納和簡化，采用參數化的設計方法，建立了對應輔助設計子系統的數學模型，并采用“用戶-角色-權限”模式的訪問控制機制保證了應用過程中數據的安全性。

電氣化鐵路；接觸網；協同設計；二次開發；參數化設計；數據共享

鐵路電氣化設計是鐵路工程設計的重要設計內容之一，主要包括電力機車、牽引變電所和接觸網三部分。接觸網設計[1]部分，含平面設計、結構設計、工程數量計算與匯總等內容，需要在接收并處理線路、地質、橋隧等專業提供的數據，進行設計、審核、審定的基礎上，為工經、環設等相關專業提供平面圖紙、工程數量統計等數據。從項目整體管理而言，項目負責人需要及時地了解各子項目的設計進度，對不同專業間的項目、人員進行協調與調度，其間涉及人員復雜、專業眾多、相關數據量大，同時，項目對不同專業及人員間數據流轉實時性及可追溯性要求較高。在輔助設計方面，相關子項目的專冊或者設計人員，在進行輔助設計的時候，需要對站前專業提供的DWG圖紙、Excel表格、文本文件等類型數據，進行深入處理，獲取接觸網區間、車站、隧道等設計需要的小橋涵、信號機、橋墩、地質條件等獨有數據[2]，同時結合項目通用的支柱跨距標準、接觸線拉出值標準、支柱側限標準、支柱類型標準、安裝圖號、附加導線安裝圖號等共用數據，使用接觸網專業設計規范及原則進行設計[3]。

就現實情況[4]而言，接觸網專業CAD技術應用，大部分作業還停留在利用AutoCAD基本命令，進行交互式繪圖，或者使用針對電氣化專業具體設計內容的軟件進行單個專業、單個區段的輔助設計的初級階段，設計效率低、制圖工作量大，設計圖標準無法統一。而且真正意義上的不同專業、同一項目中的協同設計，不同區段、車站、隧道間的計算機輔助設計、數據共享的應用并不多見。因此，鐵路電氣化接觸網工程設計在CAD二次開發方面，應用深度不夠。而近年來，隨著我國鐵路大規模建設，電氣化專業，特別是接觸網國鐵、地鐵設計任務量很大，加之接觸網工程設計內容繁多，工程各部位各工序設計前后關聯、計算量大、繪圖繁雜、工程數量匯總難等自身特點，對電氣化接觸網協同管理與設計效率的要求大大提高。因而，研發接觸網專業協同管理與輔助設計系統，實現對同一項目，不同單元，不同專業間人員的管理監控，數據傳遞、處理及共享的迫切性和重要性不言而喻。

項目以提高接觸網協同與輔助設計效率、實現多專業間數據共享為總體目標，以順應和滿足接觸網專業設計業務需求為導向，進行系統的總體規劃與實施，最大限度地發揮計算機輔助設計的優勢，以縮短接觸網設計周期，實現對項目進度的監控與責任追溯，減輕專業設計人員的部分勞動強度。

1　接觸網設計平臺及基礎數據庫系統邏輯模型分析

1.1數據邏輯結構圖

如圖1所示，數據在邏輯上可劃分為項目信息、專業信息、設計單元信息和數據類4層。

圖1　接觸網設計平臺及基礎數據庫系統數據邏輯結構

其中，項目信息層包含電化處參與的所有設計項目；專業信息層包含項目涉及的所有設計專業；設計單元信息層包含具體專業的所有區間。區間可以按照車站、道岔、隧道等類型劃分，也可根據里程劃分；數據類層，包含每一設計單元的原始資料、中間結果、設計成果等獨有數據和項目中各個單元所使用的流程管理信息、項目設計規范信息等共用數據。一個項目可以涉及多個專業，一個專業可以包括一個或多個設計區間。所有的資源分類存放在圖2中所示的SQL中心數據庫中統一保存，以實現數據的管理與共享。

1.2數據流程(圖2)

圖2　接觸網設計平臺及基礎數據庫系統數據流程

1.3系統功能

接觸網設計平臺及基礎數據庫系統是一個規模較大的軟件研發工程，它涵蓋到了線路、地質、橋梁、電力、接觸網、工經等專業的協調管理與接觸網專業輔助設計等內容，系統功能結構圖如圖3所示。

圖3　接觸網設計平臺及基礎數據庫系統功能結構

系統由4部分組成[5]：系統管理、項目管理、審核處理和輔助設計。主要涉及專業間協調管理及接觸網專業輔助設計。

管理部分，以項目為主體，將站前專業設計人員納入管理體系，實現對項目的設計周期、進度、設計人員分工、權限設置，設計前期數據、中間結果、設計成果等資料的共享與管理；輔助設計部分，以區間、站場、隧道等單元為主體，將輔助設計劃分為站前圖紙數據讀取、接觸網相關表格數據批量讀取、區間輔助設計、地鐵輔助設計、車站輔助設計、平面出圖及數據瀏覽等模塊[6]。該平臺具有可擴充性，可以把電氣化其他專業的輔助設計功能納入管理，利用網絡技術、數據庫技術和CAD二次開發技術，可以有效提高設計效率、實現資源共享。

總之，系統開發目標和功能要層層分解，整體規劃。各子系統需高內聚、低耦合[7]，最終架構一個結構層次清晰、易于維護、易于適應變更的系統。

2　系統設計與實現

2.1系統開發平臺與開發環境

系統采用AutoCAD2014+ObjectARX 2014+VC.Net2010組合的開發平臺與環境，應用平臺為AutoCAD2014，數據庫管理系統采用SQL Server2008，部分輔助設計模塊，采用AutoCAD.Net技術進行開發。

2.2項目協同管理及數據共享

協同管理部分，設定以項目與單元為主體，完成對接觸網項目與單元相關的專業、部門、人員、權限、流程、進度控制等的管理。項目負責人可以對所負責項目進行單元劃分，設置項目流程運轉中相應處理人及處理期限，可以根據項目初始化時設置的計劃完成日期，統計與監控項目進度。系統設定短信提示功能，以及時的提醒相關人員進行文件處理，盡可能地避免文件處理的延誤，設計用戶意見批注與用戶日志功能，可以對項目的數據來源及設計進度進行責任追溯。

創建共享中心數據庫。根據預定設計，基礎數據庫數據可以劃分為DWG文件數據、Excel表格或者文本文件數據以及CAD數據庫與SQL數據庫中新數據庫數據4部分，它們之間的相互關系如圖4所示。

圖4　數據流轉定義

其中站前專業的DWG圖紙，主要為線路數據，通過輔助設計的圖紙數據自動讀取功能錄入SQL中心數據庫；Excel表格與文本文件數據主要為地質、隧道、橋梁、信號機、小橋涵等與區間設計緊密相關數據，可以通過輔助設計的表格自動讀取、文本文件解析功能錄入中心數據庫；這兩部分數據由站前專業相關設計人員錄入。而項目流轉過程中產生的各種監控、短信、批注、日志、統計數據，與項目設計需要的項目共用數據，直接保存在SQL中心數據庫中。輔助設計時，各模塊設計工具直接調用中心數據庫數據，在本地進行CAD二次設計，并將結果保存在中心數據庫中，用戶還可以根據需要，將由輔助設計處理過的數據，由中心數據庫導出為表格或者文本文件，以提高后續用戶對數據的復用率。

2.3數據采集自動化

數據采集模塊主要實現對項目設計需要的信號、地質、站場、線路、路基和橋隧等各個專業提供的前期數據，以及項目各單元需要的支柱跨距標準、接觸線拉出值標準、支柱側限標準、支柱類型標準等共用數據的錄入。

數據采集方法設定為3種，如圖5所示。

圖5　數據采集方式

在這3種數據采集方式中，標準格式數據采集模塊是為了實現對站前專業提供的各種標準格式的Excel文件的錄入工作，該數據采集模式需相關專業提供符合要求的Excel或文本文件；人工錄入數據采集模塊是為了解決在相關專業無法提供標準格式文件與DWG圖紙的情況下，直接對照設計藍圖進行數據錄入的問題，該模式是對其他數據錄入模式的補充；自動獲取數據采集模塊是基于站前專業提供的標準DWG設計圖紙的數據錄入方式，可以區間里程界限為約束，自動批量讀取區間內正線、長短鏈、里程變換、百米標、千米標等數據。

2.4輔助設計參數化

輔助設計部分，依據接觸網項目不同路線的幾何約束和工程約束，結合專業設計的作業工序、設計內容、設計人員習慣等，參考相關設計規范，采用面向對象程序設計技術[8]，將設計元素對象化，實現把大量的一般常規計算設計、繪圖工作計算機程序化。各設計元素采用參數化[9]設計方法，后臺與數據庫動態交互，構造參數化圖形庫。實體模型參數化的建立及其實體間幾何約束關系的確立，其主導思想是通過修改設計參數，按確定的約束關系，自動完成對圖形中支柱、拉出值、錨段關節[10]、中心錨結、附加導線錨結、技術參數、工程數量統計等的同步改動，進而實現對圖形的驅動。

下面以區間輔助設計中支柱批量調整計算為例，說明實體對象參數的確定(圖6、表1)。

圖6　支柱批量調整界面

表1　支柱布置及調整參數

系統數學模型利用尺寸約束和工程約束，建立以符合要求的特征點為變量的非線性方程組，通過對方程組的解析，得出所有特征點(控制點)的坐標值，從而快速地設計出在形狀或功能上符合接觸網設計規范的設計方案。

2.5數據庫安全性設計

本系統為C/S軟件結構模式，SQL Server作遠程數據庫。服務器端與客戶端安全性方面，通過網絡安全技術、軟件口令解決[11]。而由于系統管理與輔助設計的多用戶、多任務性，設計人員在設計過程中由于誤操作、誤刪除或者修改而產生的安全隱患，則通過建立“用戶/角色/權限”模型解決[12]。

權限部分，主要劃分為系統管理、單元管理、短信發送、項目管理、數據處理幾個模塊；角色部分，劃分為系統管理員、項目管理員、設計人員、一般用戶四類。用戶首先要成為項目組成員，然后由系統管理員或者項目負責人，根據具體流程及設計需要，對項目組成員進行任務、角色與權限的分配，以保證數據操作安全性，減小權限管理的負擔和代價，有利于系統的后期維護和擴充。

表2列出了接觸網設計平臺及基礎數據庫系統中用戶角色、相應職責和操作權限。

表2　用戶角色權限分配

3　結語

以接觸網專業管理與設計實際情況為基礎，分析了目前接觸網設計過程中項目協同管理、數據讀取及單元設計等存在的問題及現有輔助設計軟件的不足，探討了接觸網設計平臺及基礎數據庫系統的設計思路。系統采用面向對象的開發方法，實現了以項目及單元為主體，多專業間的協同管理及責任追溯；采用基于標準圖紙的自動化讀取、標準表格的自動錄入等方式實現了數據多模式錄入；以接觸網專業設計規范、工程約束、用戶習慣為基礎實現了輔助設計參數化，最后使用基于角色的安全管理模式實現了數據的安全防護。該系統為接觸網專業項目管理、設計審核以及區間輔助設計、數據共享建立了紐帶，使設計資料在設計環節擺脫了傳統的生產模式，提高了生產效率。系統自使用以來，先后在蘭州至西寧增建二線、蘭新二線等項目設計中得到全面應用。在生產中發揮了重要作用，提高了設計效率和設計質量。

[1]劉康.接觸網CAD/CAE集成系統研究與實現[D].成都：西南交通大學，2012.

[2]劉建福，鄭書慧，劉振華，等.接觸網平面圖計算機輔助設計系統開發與應用[J].鐵道標準設計，2009(5)：94-96.

[3]趙建軍，何寒冰.接觸網智能CAD系統的研究和實現[J].微計算機信息，2007(23)：165-167.

[4]李武.隧道接觸網平面圖CAD軟件研究[J].計算機工程與設計，2003(24)：75-76.

[5]陸薇，劉強，周琛，等.基于組件的開放式系統模型[J].軟件學報，1998(9)：652-653.

[6]張彥水.武廣鐵路客運專線350 km時速接觸網施工關鍵技術探討[J].鐵道標準設計，2010(1)：184-186.

[7]Robert C.Martin，Micah Martin著.敏捷軟件開發：原則、模式與實踐[M].鄧輝，孫鳴，譯.北京:人民郵電版社，2010.

[8]Stanley L B.深度探索C++對象模型[M].侯捷，譯.武漢：華中科技大學出版社，2001.

[9]趙卿松，陳立平.全參數化設計實現機理及約束可視管理[J].計算機工程與應用，2007(13)：124-126.

[10]梁利民.接觸橋隧相連地段接觸網平面布置與安裝圖結合設計要點分析[J].鐵道標準設計，2012(3)：97-98.

[11]王新林.鐵路隧道工程輔助設計系統的設計與實現[J].鐵道工程學報，2011(12)：80-83.

[12]徐啟，劉清欣，張相州.基于角色的用戶權限管理方法的設計與實現[J].華北水利水電學院學報，2005(4)：28-30.

[13]肖澤云.基于Visual C#的AutoCAD開發及其在工程中的應用[M].[出版地不詳]，2010.

[14]李冠億.深居淺出AutoCAD二次開發[M].[出版地不詳]，2012.

[15]孫成波.AutoCAD.NET開發指南(2012版)[M].[出版地不詳]，2012.

[16]宋延杭，王川，李永宣.ObjectARX實用指南[M].北京:人民郵電版社，1998.

The Design and Implementation of OCS Design Platform and Basic Database System

CAO Xiao-ming

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043, China)

A large amount of specialties，personnel and data are involved in the survey and design of electrification overhead contact system (OCS).To improve the collaborative design among different specialties and aided design efficiency in specific sections，to ensure the traceability of project process and to realize data sharing among multiple specialties，an OCS design platform and a basic database system are specifically developed.On the basis of the analysis of business process of electrification OCS specialty，project management process is designed and the management，monitoring and data sharing of project processes are realized in combination of SMS notification and management technology of center database.Moreover，analysis，summary and simplification are performed in perspective of data acquisition of OCS aided design，interim data processing，engineering design constraint and engineering quantity statistics.The parameterized design method is employed to establish a mathematical model corresponding to aided design subsystem，and data security is ensured in application by adopting access control mechanism of “user-character-privilege” model.

Electrified railway; OCS; Collaborative design; Secondary development; Parametric design; Data Sharing

2016-04-20；

2016-04-27

曹小明(1979—)，男，工程師，2003年畢業于西南交通大學計算機科學與技術專業，工學學士，主要從事CAD輔助設計二次開發及辦公自動化的研究工作，E-mail：xxcxm@fsdi.com.cn。

1004-2954(2016)10-0113-05

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.025