城市軌道交通車輛段總平面布置圖輔助設計系統

楊 震

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢//工程師)

車輛段是對城市軌道交通車輛進行運營管理、停放、維修及保養的重要場所，是車輛安全運行的基本保障。城市軌道交通車輛段的總平面布置圖(以下簡為“總圖”)設計，需綜合考慮段址、布置形式及出入線方案等因素，進行多次優化調整[2]。總圖圖形復雜，內容繁多。據統計，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，設計效率較低，重復工作量大。

城市軌道交通車輛段總圖輔助設計系統，是在.NET環境下對AutoCAD進行的二次開發，其基于模塊化設計思想，以面向對象的方式進行編程，結合.NET Framework組件、API接口以及相關算法，從而實現了圖形化設計。該系統可用于車輛段總圖的輔助繪制、修改及統計等，使總圖設計更加智能化、科學化，能提高總圖繪圖效率及設計質量。

1 功能模塊的劃分

城市軌道交通車輛段總圖輔助設計系統適用于大架修車輛段、定修車輛段和停車場等的總圖設計，需遵循相應的技術規范及制圖標準。系統的開發，應先根據總圖設計的特點，結合相關設計經驗及工程實例，深入分析總圖設計工作內容及系統需求，采用模塊化的思想進行總圖輔助設計系統的功能開發[4]。

城市軌道交通車輛段總圖輔助設計系統具有重復圖形快速繪制、復雜圖形參數化繪制、圖表智能繪制、圖形標準化與信息化等功能。總圖輔助設計系統功能模塊劃分如圖1所示。

1.1 重復圖形快速繪制功能

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，數量較多，需重復繪制、修改，其工作量很大，設計效率低。總圖輔助設計系統根據重復圖形的特征，可簡化用戶的操作，甚至能一鍵完成所有同類圖形的繪制和編輯，可有效減少重復工作量。

車輛段道路有通行、消防及運輸等用途，其寬度一般為4 m和7 m，其轉彎半徑一般為6 m、9 m、12 m。總圖輔助設計系統的道路命令只需用戶選擇道路的起點、拐點和終點，指定道路的寬度、外角半徑、內角半徑，即可快速繪制道路，并且，在繪制過程中操作者能夠隨時修改道路的寬度等參數。道路繪制流程如圖2所示。

圖1 總圖輔助設計系統功能模塊劃分圖

圖2 總圖輔助設計系統的道路繪制流程

彎道頭和曲線符號是車輛段總圖中常用的曲線股道輔助標記，由數條小短線及圓弧或圓組成，較為復雜。車輛段的咽喉區由大量曲線股道組成，彎道頭和曲線符號數量繁多。如逐一繪制修改，則工程量巨大。總圖輔助設計系統能自動識別曲線股道，能同時生成所有彎道頭和曲線符號，也能同時刪除所有彎道頭和曲線符號，大大減少了繪制修改的工作量。彎道頭和曲線符號的繪制流程見圖3。

1.2 復雜圖形參數化繪制功能

總圖中的庫房(含股道)、道岔及反向曲線等圖形較為復雜。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系，相應的圖形繪制工作繁重。總圖輔助設計系統能將復雜圖形進行內部建模，并提供參數化界面。用戶只需輸入簡單的參數，即可自動完成圖形的繪制。

圖3 彎道頭和曲線符號繪制流程

庫房是車輛段總圖中的重要組成部分，庫房的布置對總圖布局至關重要，庫房包括檢修庫、運用庫、洗車庫、鏇輪庫及調機工程車庫等，庫房圖形由墻體輪廓線、庫內股道中心線、車擋線及股道編號等組成，庫房的尺寸及股道線間距等參數取值均有規范規定。

圖4 檢修庫操作界面

通過總圖輔助設計系統針對不同庫房的參數化操作界面，用戶可以選擇庫房組成部分，輸入股道數量、線間距等數據(部分數據可自動計算)。例如，圖4為檢修庫的參數化操作界面。參數設置完成后，用戶在CAD中選擇基點，即可自動生成完整的庫房圖形(見圖5)。

圖5 檢修庫自動繪圖效果

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

總圖輔助設計系統提供咽喉區自動連接功能。用戶只需選擇主線和需要連接的股道線，即可根據內部算法計算出連接路徑，并自動完成咽喉區的繪制(如圖6所示)。

1.3 圖表智能繪制功能

圖形繪制完成后，總圖還需添加標準格式的圖框和“三表”。其中，圖框包括邊框、會簽欄、角標等，“三表”為城市軌道交通車輛段總圖的重要元素，包括設計主要指標表、房屋表及股道表等。

圖6 咽喉區的自動連接繪制

總圖輔助設計系統可提供參數化界面。用戶只需輸入圖框尺寸、圖名、圖號及設計人員等信息，即可自動生成完整的圖框。“三表”數據較多，總圖輔助設計系統可直接讀取總圖中的相關數據(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)，經用戶編輯修改及確認后，在CAD中進行自動繪制。

圖7 房屋表的操作界面

1.4 圖形標準化與信息化

城市軌道交通車輛段總圖中的圖形種類眾多，線條瑣碎且數量龐大，增加了總圖繪制及修改的難度。總圖輔助設計系統不僅制定了圖形標準，可自動對不同種類的圖形進行分類處理，使總圖層次分明，便于用戶分類操作，而且還在此基礎上加了統計、篩選等功能。

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

總圖輔助設計系統生成的不同種類圖形自帶特定的圖層、顏色、線寬及附加的擴展信息等，圖層均以GY_開頭，擴展信息包括圖形種類名稱、類型、編號及幾何尺寸等。圖形信息通過懸浮窗的形式顯示，相關數據可以修改。如用戶將鼠標停留在庫房輪廓線上，即會出現懸浮窗，顯示此庫房的名稱、建筑面積及軸線尺寸等信息。

不同種類圖形元素的統計信息是總圖的重要設計指標。總圖輔助設計系統提供了各類圖形的統計功能(例如，可統計寬度4 m道路的總長度、圍墻的總長度等)，并可進行分類篩選。

2 幾何算法模型

幾何算法模型是總圖輔助設計系統的核心。總圖輔助設計系統建立了總圖中各類圖形的幾何算法模型，能根據用戶輸入參數，在后臺自動計算繪圖數據，從而實現復雜圖形及圖表的快速繪制。總圖輔助設計系統的幾何算法模型包括彎道頭算法模型、曲線符號算法模型、道路算法模型、庫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行介紹。

某道路算法模型如圖8所示。道路算法模型的輸入參數為道路中心線起點(x1,y1)、拐點(x2,y2)、終點(x3,y3)、寬度W及轉角半徑RNB。根據輸入參數，可計算道路的端點坐標(xA1,yA1)及夾角t，計算式為：

式中：

L1——起點到拐點的距離；

L2——終點到拐點的距離。

同理可求道路其他端點坐標(xB1,yB1)及(xC1,yC1)。

根據端點、夾角及轉角半徑等數據，可計算出轉角圓弧的端點(xB11,yB11)和圓心(xo21,yo21)：

式中：

L11——道路輪廓線起點至拐點的間距;

LRB1——圓弧端點與道路輪廓線拐點距離。

同理可求圓弧另一端點(xB12,yB12)及其他圓弧數據。當用戶輸入后續的道路中心線端點位置、寬度及轉角半徑等參數后，道路算法模型還能進行迭代計算。

圖8 道路算法模型

3 開發技術

總圖輔助設計系統采用C#編程語言對AutoCAD進行二次開發。C#語言具有功能強大、易用的特點，可以非常快速地開發出功能強大的AutoCAD程序[5]。

AutoCAD數據庫由9類符號表和命名對象字典組成。總圖輔助設計系統具體的開發技術結構圖如圖9所示。

圖9 開發技術結構圖

總圖輔助設計系統使用圖形數據庫的塊表來創建圖形對象，實現各類圖形的繪制功能；使用層表來創建標準圖層；使用線型表來創建標準線型；使用命名對象字典為圖形對象附加各種擴展數據，實現圖形的信息化。

友好的用戶交互是總圖輔助設計系統的重點功能之一。總圖輔助設計系統使用.NET交互操作服務來獲取用戶在AutoCAD的輸入信息(如圍墻

的端點、道路的寬度等)，使用選擇集來實現同類圖形的篩選，使用鼠標監視事件來實現圖形信息的實時顯示等，使用AutoCAD .NET API來創建自定義對話框，使用CUI文件來創建自定義菜單欄與工具欄等。

此外，總圖輔助設計系統對于道路、道岔等需多步操作完成的圖形，使用Jig類功能來實現動態拖拽效果。在用戶操作過程中，隨著鼠標移動，圖形實時出現動態更新，給用戶帶來更加生動直觀的視覺效果。

4 結語

城市軌道交通車輛段總圖輔助設計系統根據總圖設計的內容及特點，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AutoCAD進行二次開發，實現了重復圖形快速繪制、復雜圖形參數化繪制、圖表智能繪制、圖形標準化與信息化等關鍵功能。

本文介紹的總圖輔助設計系統成功應用于金義東市域城市軌道交通及寧波地鐵3號線等多個項目設計中，將車輛段總圖設計時間縮短至原計劃的1/4。經實踐驗證，總圖輔助設計系統界面友好，操作簡便，能有效提高設計效率。