信號平面布置圖參數化設計軟件的研究與開發

范禮乾，鄧志翔，劉新平

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 通信信號設計研究處，武漢 430063）

信號平面布置圖是城市軌道交通信號系統工程設計的重要技術基礎圖紙，包含信號機、轉轍機、計軸、應答器、車地通信設備、站臺設備等設計內容。目前，信號平面布置圖的設計主要靠手工完成大量數據的處理、計算及繪圖，設計任務繁重，導致大量重復勞動和人為錯誤。另一方面，各地信號系統設計圖紙的圖面布局、圖元表示、畫法排版也不盡相同，造成信號系統設計圖紙的差異化。為提高設計效率和質量，有必要進行信號平面布置圖設計軟件的研究與開發。

文獻[1]和文獻[2]研究基于 ObjectArx實現AutoCAD二次開發成圖方法，但需安裝AutoCAD環境，通過輸入命令完成制圖；文獻[3]和文獻[4]研究通過AutoCAD二次開發軌道交通平面信號布置圖繪制應用，但其底層數據僅支持信號布置圖自動繪制，未考慮其它擴展功能。

在充分調研的基礎上，系統、全面地分析信號平面布置圖設計軟件的相關需求，提出信號平面布置圖參數化設計軟件（簡稱：設計軟件）方案，所開發的設計軟件已應用于多條城市軌道交通線路的信號系統工程設計項目。

1 信號平面布置圖設計軟件的需求分析

1.1 主要用戶與設計目標

設計軟件的主要用戶是城市軌道交通信號工程參建單位的設計人員。除了滿足信號平面布置圖自動繪制的基本要求，設計軟件需充分考慮兼容性，采用參數化設計方法，適用于不同信號系統方案的設計，兼容國內各地不同圖元、圖例、圖幅布局要求，可脫離AutoCAD環境實現對DWG文件的讀寫操作[5]；設計軟件具有較強的可擴展性，其數據組織與存儲設計應考慮對信號設備配線圖、電纜徑路圖、聯鎖表圖、工程量自動生成等后續擴展功能開發的支持[6]；應具有適用性和易用性，符合信號平面設計圖的一般設計流程，降低設計人員使用該設計軟件的學習難度。

1.2 信號平面布置圖設計過程

信號平面布置圖是有關信號設備在線路平面上設置情況的圖紙，是信號聯鎖關系、電纜徑路、工程數量設計的基礎。如圖1所示，設計人員根據線路、行車、軌道、車輛、限界等前序專業資料，包括線路平縱斷面、線路最高限速及站臺限速、運營臨時限速、車輛限速參數、道岔參數、曲線超高資料、限界警沖標等數據，進行牽引計算和列車運行模擬后，對聯鎖區進行劃分，再依據信號設備布置規則，在合適位置上設置各類信號設備，繪制出信號平面布置圖。

信號相關的行車設備均應納入信號平面布置圖，便于地鐵設計、施工、維護及相關人員使用；信號平面布置圖包含的主要圖元類型見圖2所示。

圖1 信號平面布置圖所需的前序專業相關資料

圖2 信號平面布置圖的主要圖元類型

1.3 信號平面布置圖設計軟件需求概要說明

收集整理國內各地軌道交通信號圖紙資料和數據，對各地信號系統工程圖紙繪制要求進行研究分析，信號平面布置圖設計軟件的需求概要說明見表1。

2 軟件設計

2.1 操作流程

設計軟件主要通過信號平面布置圖自動生成模塊和信號平面布置圖自動繪制模塊2個功能模塊完成信號平面布置圖的設計，其具體操作流程見圖3所示。

（1）設計人員整理前序專業接口數據形成前序專業數據庫，對其進行規范化處理，建立工程概況數據庫，作為設計軟件的基礎數據源。

表1 信號平面布置圖設計軟件的需求概要說明

（2）調研人員對收集到的國內各地圖幅、圖例、圖元種類進行數據化處理，建立圖幅/圖例數據庫和圖形數據庫。

（3）設計人員抽取典型信號工程設計方案（例如CBTC、點式ATP、聯鎖信號系統）的設計要素，定義為各種類型的參數化模板，并在參數化模板數據庫中進行配置，作為設計軟件的設計構件。

（4）設計人員對圖幅/圖例數據庫和圖形數據庫中各類圖元進行屬性特征抽取，建立各種類型的參數化模板，作為設計軟件的設計構件。

（5）信號平面布置圖自動生成模塊根據具體信號系統工程設計項目的工程概況數據庫、參數化模板數據庫、圖幅/圖例數據庫及圖形數據庫，基于信號平面布置圖自動生成算法創建該項目信號平面布置圖的所有圖元對象，并將其存儲在信號對象數據庫中。

（6）設計人員調用信號平面布置圖自動繪制模塊，從信號對象數據庫中提取指定的信號系統工程設計項目所對應的所有圖元對象實體數據，自動生成該項目信號平面布置圖的DWG格式文件，可選擇將信號平面布置圖導出為不同版本的DWG格式文件。

2.2 數據庫設計

信號專業設計人員從建筑、線路、軌道和車輛等前序專業獲取相關資料和數據，利用標準模板完成數據的規范化處理[7]。設計軟件的數據庫設計包括工程概況數據庫、參數化模板數據庫、圖幅/圖例數據庫、圖形數據庫和信號對象數據庫。

圖3 信號平面布置圖設計軟件的操作流程示意

（1）工程概況數據庫：存儲描述信號設計工程概況的相關基礎數據，包括工程名稱、各車站配線形式、車站名稱、車站里程、車輛編組、道岔參數、工程名稱等。設計軟件通過前序專業提供的相關資料進行規范化處理后，建立工程概況數據庫。

（2）參數化模板數據庫：參數化模板數據庫是參數化設計的核心，存儲平面布置圖的圖層、線型、顏色等參數化模板數據，不同線路車站配線形式的參數化模板數據，不同信號系統方案的參數化模板數據，以及不同圖形符號、編碼規則的參數化模板數據。信號平面布置圖的這些構成要素被抽象定義為參數化模板后，設計人員可以根據具體設計項目的要求，在交互式用戶操作界面上選用合適類型的模板，通過參數設置來實現設計意圖，定制生成該項目的信號平面布置圖。

（3）圖幅、圖例數據庫：存儲用于生成圖紙布局的大小、位置、角標、坐標、圖例說明等布局個性化設置數據。對調研收集到的國內各地信號平面布置圖的圖幅、圖例等進行規范化處理， 建立圖幅、圖例數據庫，對其屬性特征進行抽象，建立參數化模板。

（4）圖形數據庫：調研人員收集國內信號平面布置圖中要素的各種圖形種類，進行規范化處理后，建立存儲信號平面布置圖所需的各種信號設備圖元數據（如信號機、轉轍機、計軸、應答器等）及其它類別圖元（如列車運行方向、警沖標、防淹門等）數據的圖形數據庫；圖形數據庫中存儲的圖元種類應可滿足國內各地信號平面布置圖的圖形樣式設計要求；在此基礎上，將圖形數據庫中各種圖元的屬性特征進行抽象，定義為各種類型的參數化圖元模板。

（5）信號對象數據庫：存儲信號平面布置圖設計軟件運行過程中生成的所有信號對象數據，包括信號對象ID、類型、位置、屬性及其它擴展數據；信號對象數據庫是軟件和設計人員對圖元進行增刪改查操作的基礎，保存設備屬性和設備間連接關系。

2.3 參數化設計方法

2.3.1 圖元類型的定義與實例化

各類圖元的形狀雖存在較大差異，但有些屬性和操作是相同的，如名稱、顏色、坐標等基本屬性，以及顯示、移動、縮放等基本操作。

以信號機為例，說明圖元類型定義與實例化方法，信號機類的屬性定義見表2。在設計軟件中，任何一個信號機對象都是通過信號機類實例化得到的，具有表2的基本屬性定義。圖形數據庫中存儲有多種信號機類的塊定義，信號機類的實例化通過塊參照操作來實現。設計軟件自動為一個信號機類的實例化對象分配一個唯一標識ObjectId，完成該信號機對象的屬性賦值后，將其存儲到信號對象數據庫中，通過ObjectId或信號機名稱檢索該信號機對象實體，對其進行增、刪、改操作。

表2 信號機類的屬性定義

2.3.2 DWG文件的數據解析

設計軟件采用開放設計聯盟（Open Design Alliance）提供的函數庫進行開發。該函數庫的數據結構與AutoCAD的數據結構一致，可脫離AutoCAD環境實現DWG文件的解析，支持直接創建和讀寫不同版本DWG格式文件。

DWG文件解析后可視為一個數據庫[8]，該數據庫包括命名對象字典、塊表、層表、字體樣式表、標注樣式表、線型表、視口表、UCS表、注冊應用表等對象實體，其結構如圖4所示。

圖4 DWG文件的對象結構示意

圖幅/圖例數據庫、圖形數據庫在創建和完成配置后，調用該函數庫可保存為DWG文件；所保存的DWG文件，調用該函數庫讀入后，解析為設計軟件的內部數據；再調用該函數庫加載繪圖模塊，創建繪圖驅動器，即可在界面上顯示圖形。

2.3.3 參數化數據模板的定義與使用

參數化模板數據庫是在工程概況數據庫、圖幅/圖例數據庫、圖形數據庫的基礎上，通過參數化設計方法創建的信號平面圖設計構件的集合。參數化設計將圖元、典型信號設計方案、設計規則等信號平面設計圖的構成要素抽象為各種類型的參數化數據模板：

（1）對于工程概況數據庫，主要將不同線路車站配線形式進行參數化處理，定義為不同類型的車站配線數據模板；

（2）對于圖幅/圖例數據庫，主要將圖紙大小、圖紙布局、圖例形式等進行參數化處理，定義為不同類型的圖幅、圖例數據模板；

（3）對于圖形數據庫，主要各種不同種類設備的圖元進行參數化處理，定義為不同類型的圖元數據模板；

（4）對于信號系統典型設計方案、設備編碼規則、聯鎖區劃分規則等，抽取其結構特征進行參數化處理，定義為不同類型的設計方案和設計規則數據模板。

采用參數化設計，設計人員可根據設計項目的具體設計要求，在參數化模板數據庫中選用合適類型的數據模板，通過對數據模板的參照和實例化設置，快速實現設計意圖，生成定制的信號平面布置圖。

2.4 信號平面布置圖自動生成算法

從數據處理的角度，信號平面布置圖自動生成即為信號對象數據庫構建的過程。信號平面布置圖自動生成算法主要是生成所有信號設備圖元的圖形顯示信息及設備屬性信息：按照信號設備布置規則，生成信號設備圖元類實例，為其分配唯一標識Objcet Id，設置該圖元在視圖中的位置、列車運行方向方向、縮放比例、顏色等圖形顯示信息；設置信號設備圖元在信號平面圖中的軌旁編號、位置、列車運行方向、功能參數、設備間關系等軌旁設備屬性信息。

將信號設備圖元的圖形顯示屬性數據與設備屬性數據分離，同時將不同的設備編碼規則、圖形符號、典型信號系統設計方案定義為參數化模板。按照信號設備布置規則、聯鎖區劃分規則[9]，在構建完數據庫后，設計軟件自動計算信號平面布置圖中各圖元的布置信息及圖元之間的關系，完成信號對象數據庫的構建。信號平面布置圖自動生成算法流程如圖5所示。

圖5 信號平面布置圖自動生成算法流程

（1）信號設計人員按規范整理錄入工程概況數據，根據設計要求，選用合適的參數化模板，并進行參數設置。

（2）設計軟件根據用戶設置的參數，按照信號平面圖設計規則，自動計算生成信號設備布置數據，建立信號對象數據庫。

（3）設計人員根據用戶設計要求，進行交互式設計圖修改，直到滿足設計要求。

（4）將生成的信號平面圖導出為指定版本的DWG文件。

2.5 關于后續擴展功能開發的考慮

基于設計軟件現有數據基礎，后續可進一步開發以下擴展功能：

（1）信號平面布置圖的所有圖元均儲存在對象數據庫中，通過ObjectId或設備名稱可檢索所有圖元，據此可開發工程數量統計功能；

（2）信號平面布置圖是聯鎖表生成的基礎，依據計算機聯鎖表技術條件等規范，可開發聯鎖表自動生成功能；

（3）配線圖數據中包含有設備之間的配線關系，可開發配線圖自動生成功能；

（4）信號平面布置圖包含設備間邏輯位置關系，是電纜徑路圖設計的基礎，可開發電纜徑路圖自動生成功能。

3 設計軟件的實現與應用

設計軟件采用微軟Visio Studio 2010集成開發環境進行開發，編程語言為C#，基于.Net的Panel實現交互式設計的用戶操作界面，如圖6所示。

圖6 設計軟件主操作界面

設計軟件的數據輸入和輸出為Excel和DWG格式文件，無需安裝AutoCAD環境即可實現DWG格式文件的創建和讀寫，生成的信號平面布置圖可導出保存為多個版本的DWG格式文件。

目前，設計軟件已應用于洛陽市軌道交通2號線、鄭州機場至許昌市域鐵路等多個工程項目的正線信號室外平面布置圖設計，可滿足不同信號系統工程的設計要求，自動化程度達到預期。

4 結束語

全面調查分析信號平面布置圖設計軟件的用戶需求，研究開發了信號平面布置圖參數化設計軟件，可兼容不同設備編碼規則、圖形符號等，將信號平面布置圖的多種構成要素定義為可配置的參數化模板，通過對模板的參照和實例化設置來實現設計意圖。該設計軟件提供圖形化交互式用戶操作界面，易學易用，無需安裝AutoCAD環境，設計結果可導出保存為不同版本DWG格式文件，設計過程自動化程度較高，可顯著提高設計效率和設計質量，加快信號系統工程項目的設計進度，在適用性、兼容性、可維護性、可擴展性方面均具有一定優勢。

今后將結合更多信號系統工程項目的應用，繼續優化和完善設計軟件，逐步推進擴展功能開發。