潘 英，宋桃東

0 引言

在國內(nèi)鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)不斷面向市場的進(jìn)程中，國內(nèi)各大鐵路設(shè)計(jì)院開始了三維設(shè)計(jì)的運(yùn)用和研究，站前專業(yè)已經(jīng)開始采用三維選線、三維橋梁等設(shè)計(jì)系統(tǒng)。國外 Siemens AG,TS、Balfour Beatty Rail、Elpro Bahnstrom Anlagen GmbH、DB Bahnbau和HEICON Service GmbH等鐵路設(shè)計(jì)咨詢公司已經(jīng)運(yùn)用三維技術(shù)進(jìn)行接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)。對(duì)于接觸網(wǎng)專業(yè)，要盡快實(shí)現(xiàn)與國際接軌，達(dá)到和趕超國際先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)水平，最大限度地提高綜合競爭實(shí)力的目標(biāo)，通過廣泛應(yīng)用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)來提高設(shè)計(jì)的技術(shù)含量，節(jié)省項(xiàng)目投資，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為出路之一。

1 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)存在的問題

基于二維的傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)，雖然使用了AutoCAD等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率，但是接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電氣、機(jī)械和結(jié)構(gòu)的混合系統(tǒng)，二維設(shè)計(jì)的最終成果如接觸網(wǎng)平面布置圖、安裝圖等只包含很少或單一層面的信息，不能完整地反應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各部分的電氣、機(jī)械等作用，以及外界氣候、地理?xiàng)l件、受電弓等對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響。同時(shí)各種設(shè)計(jì)文件之間缺少關(guān)聯(lián)，需要人工來協(xié)調(diào)，相關(guān)圖紙修改麻煩且容易出錯(cuò)，增加了設(shè)計(jì)的成本。

隨著接觸網(wǎng)整體技術(shù)要求的提高，在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營階段都需要能夠充分與地理信息結(jié)合，進(jìn)行綜合考慮。在設(shè)計(jì)階段需要根據(jù)地理信息調(diào)整優(yōu)化支柱位置、下錨地點(diǎn)、基礎(chǔ)類型等工作。

2 三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

三維設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)的平面二維圖設(shè)計(jì)模式，使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)程序及設(shè)計(jì)管理等設(shè)計(jì)全過程都發(fā)生了一系列的變革，為工程設(shè)計(jì)人員提供了一種嶄新的設(shè)計(jì)方法和手段。由傳統(tǒng)的繪圖變革為在計(jì)算機(jī)環(huán)境中的虛擬建造、施工和設(shè)計(jì)。接觸網(wǎng)三維數(shù)字模型和地理信息數(shù)據(jù)展現(xiàn)在三維環(huán)境界面下，使工程設(shè)計(jì)人員十分形象地了解施工現(xiàn)場環(huán)境，給設(shè)計(jì)工作帶來便利，并且三維模型數(shù)據(jù)庫的唯一性可以做到在設(shè)計(jì)階段盡可能地全面考慮各種因素，降低設(shè)計(jì)誤差甚至達(dá)到零誤差率。模型中所包含的工程信息，直觀、準(zhǔn)確、詳實(shí)，可直接指導(dǎo)訂貨、加工和安裝，使設(shè)計(jì)和施工的聯(lián)系更加緊密，更加符合工程總承包的發(fā)展要求。

三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)軟件是目前比較流行的一種解決工程建設(shè)問題的設(shè)計(jì)軟件。不同于常規(guī)造型建模軟件，三維數(shù)字模型建模軟件建立的模型可以全部參數(shù)化，有自己的屬性，這樣對(duì)于以后的碰撞檢查，絕緣距離檢查，工程量及材料的統(tǒng)計(jì)，以及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的生命周期管理都是必要的。施工單位使用包含地理信息數(shù)據(jù)的三維模型，可以更加直觀地分析制定準(zhǔn)確的施工計(jì)劃和方案，并能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。三維數(shù)字模型和地理信息數(shù)據(jù)為運(yùn)營維護(hù)單位提供更加直觀的人員培訓(xùn)、更科學(xué)有效的運(yùn)營維護(hù)管理。

基于三維的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)，將地理信息數(shù)據(jù)融入設(shè)計(jì)成果中，接觸網(wǎng)設(shè)施的三維數(shù)字模型與地形地貌等三維模型相結(jié)合，可以更直觀、真實(shí)地反應(yīng)設(shè)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)場景可視化、實(shí)時(shí)漫游等高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)和理念，更好地對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行分析、評(píng)估和決策，這些均是基于二維的傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)所不具備的。

3 接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用

接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)就是利用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建電氣、結(jié)構(gòu)、機(jī)械等多專業(yè)的三維接觸網(wǎng)數(shù)字模型，并通過對(duì)所構(gòu)建的模型進(jìn)行安裝沖突檢查、電氣絕緣距離檢查、優(yōu)化設(shè)計(jì)等，將接觸網(wǎng)系統(tǒng)的整個(gè)模型和整套設(shè)計(jì)文件保存在一個(gè)集成的數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，最終從模型中提取各種施工圖及相應(yīng)的材料報(bào)表。接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)主要根據(jù)站前數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)，建立線路、軌道等站前信息的三維數(shù)字模型，創(chuàng)建接觸網(wǎng)數(shù)字三維模型、腕臂裝配三維模型、基礎(chǔ)三維模型，

生成各種布置圖、安裝圖，進(jìn)行安裝碰撞絕緣檢查等，同時(shí)接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)應(yīng)考慮為接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)仿真軟件提供數(shù)據(jù)接口。接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 建立接觸網(wǎng)三維模型

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以二維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，接觸網(wǎng)平面布置圖、接觸網(wǎng)安裝圖等均為二維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員和審查、審批人員進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢查等工作均很繁雜，不容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，而三維設(shè)計(jì)通過建立電氣、結(jié)構(gòu)、機(jī)械等多專業(yè)的接觸網(wǎng)三維模型，在模型中包含地理信息數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)成果接近實(shí)際的接觸網(wǎng)系統(tǒng)，通過三維渲染技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)場景可視化、實(shí)時(shí)漫游，直觀地進(jìn)行成果審查，方便地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 碰撞絕緣檢查

接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，區(qū)別與其他行業(yè)的碰撞檢查，不僅要考慮系統(tǒng)機(jī)械安裝方面的沖突，還要考慮受電弓及其包絡(luò)線是否會(huì)碰撞支持裝置以及帶電體與接地體的間距是否滿足絕緣要求等其他接觸和非接觸“碰撞”，靠普通的二維圖紙是很難校驗(yàn)這些問題的。三維模型具有精確的立體坐標(biāo)和屬性，所以能夠自動(dòng)檢查出所有的碰撞，而且可以由系統(tǒng)自動(dòng)校驗(yàn)，避免了工程的“碰、漏、缺”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)設(shè)計(jì)。

3.3 自動(dòng)生成施工圖

建立接觸網(wǎng)三維模型之后，系統(tǒng)可以自動(dòng)生成平面圖（如接觸網(wǎng)平面布置圖）、截面圖（如接觸網(wǎng)安裝圖），該圖紙與整個(gè)接觸網(wǎng)三維模型相關(guān)，模型若發(fā)生改動(dòng)，圖紙也會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)改動(dòng)。

3.4 材料和工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由于接觸網(wǎng)模型的組件與實(shí)際系統(tǒng)的組件是對(duì)應(yīng)的，因此可以很準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)材料，尤其是接觸線、承力索等線材長度，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中材料數(shù)量不準(zhǔn)確的問題，同時(shí)統(tǒng)計(jì)可以在初期設(shè)計(jì)階段完成，有效實(shí)現(xiàn)造價(jià)控制。

3.5 協(xié)同設(shè)計(jì)

以三維接觸網(wǎng)模型為核心，各個(gè)專業(yè)的工作人員可以很方便地進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)更新功能保證了數(shù)據(jù)的唯一性，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于分冊(cè)設(shè)計(jì)人員間溝通問題造成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不符，降低了設(shè)計(jì)溝通成本。

3.6 仿真接口

接觸網(wǎng)三維模型包含整個(gè)工程的所有數(shù)據(jù)，通過預(yù)留仿真接口可以很方便地導(dǎo)出設(shè)計(jì)參數(shù)至相關(guān)仿真計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，避免傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中人工整理設(shè)計(jì)參數(shù)繁瑣工作，同時(shí)也提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。

4 接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，更新了接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)過程中主要有以下特點(diǎn)：

（1）可視化。三維設(shè)計(jì)技術(shù)是一種“所見即所得”的設(shè)計(jì)方式，它使設(shè)計(jì)由原本在平面圖紙上布置接觸網(wǎng)設(shè)施，改為在一個(gè)虛擬的三維空間“架設(shè)”一個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工作更直觀，這是三維設(shè)計(jì)方式帶來的最直接優(yōu)勢(shì)，面對(duì)三維模型，設(shè)計(jì)人員能更方便地進(jìn)行溝通、討論和實(shí)施設(shè)計(jì)方案。

（2）地理信息數(shù)字化。在可視化的基礎(chǔ)上，模型中包含地理信息數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)階段就將接觸網(wǎng)三維數(shù)字模型與地理信息數(shù)據(jù)相結(jié)合，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)人員能根據(jù)線路的地理位置和地形地貌等信息對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)運(yùn)營單位可以把包括地理信息數(shù)據(jù)在內(nèi)的接觸網(wǎng)三維模型應(yīng)用于基于 GIS技術(shù)的管理信息系統(tǒng)中，而無需重新創(chuàng)建線路的地理信息模型，提高了設(shè)計(jì)內(nèi)容的可重用性，降低了運(yùn)營成本。

（3）協(xié)調(diào)性。使用三維設(shè)計(jì)可以及時(shí)檢測和發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的“不兼容”現(xiàn)象。在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)工作人員不能有效地溝通，同時(shí)受二維設(shè)計(jì)空間的限制，很難協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)中的沖突，如安裝圖的改動(dòng)對(duì)平面布置圖支柱裝配選型的影響等。在三維模型的支持下，可以實(shí)時(shí)檢測懸掛或其他零件之間的安裝沖突，或新建接觸網(wǎng)設(shè)施與既有設(shè)施之間的影響，減少在普通二維設(shè)計(jì)中很難發(fā)現(xiàn)的不合理的設(shè)計(jì)方案。

（4）模擬性。首先，建立了接觸網(wǎng)三維模型后，能直觀地呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)成果；其次基于三維模型能模擬氣候、受電弓等對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響；再次，能更直觀方便地計(jì)算工程數(shù)量，在工程造價(jià)層面進(jìn)行模擬，有效控制造價(jià)。

（5）可出圖性。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，接觸網(wǎng)施工圖紙的設(shè)計(jì)量在整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所占比重很大，采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型后可自動(dòng)生成接觸網(wǎng)平面布置圖、支柱安裝圖等施工圖、同時(shí)還可導(dǎo)出材料報(bào)表、工程數(shù)量表等施工文件，既節(jié)省了設(shè)計(jì)工作量，又能保證圖紙及文件的準(zhǔn)確、規(guī)范、美觀，有利于減少差錯(cuò)，提高效益。

5 接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

與常規(guī)的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)不同，三維設(shè)計(jì)技術(shù)是一項(xiàng)全新的設(shè)計(jì)技術(shù)，它需要用到龐大的數(shù)據(jù)庫支持和截然不同的設(shè)計(jì)管理方式，主要需要以下技術(shù)作為支持，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2 接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)框圖

5.1 基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的三維建模技術(shù)

接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)的核心在于建立一個(gè)三維數(shù)字化的模型，接觸網(wǎng)三維模型不僅是在幾何參數(shù)層面上來描述接觸網(wǎng)系統(tǒng)，而且是將接觸網(wǎng)工程的整個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)規(guī)則以及行業(yè)知識(shí)封裝于三維模型中，這樣才能解決參數(shù)、規(guī)則對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)與更新機(jī)制問題。建立參數(shù)化的接觸網(wǎng)三維模型是整個(gè)接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

5.2 地理信息系統(tǒng)技術(shù)

將地理信息數(shù)據(jù)融入至接觸網(wǎng)三維模型中，需要地理信息系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)平臺(tái)相結(jié)合，才能在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)地形地貌等地理數(shù)據(jù)的數(shù)字化和可視化，直觀的創(chuàng)建和優(yōu)化接觸網(wǎng)模型，使三維的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)成果與實(shí)際環(huán)境相符，保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

5.3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)框架及信息處理

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)電氣、機(jī)械、結(jié)構(gòu)等多專業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)包含的信息量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分析和建立準(zhǔn)確的接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)框架是接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。同時(shí)，有效地處理這些寵大的數(shù)據(jù)、研究分布式計(jì)算機(jī)環(huán)境和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫也是實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)三維設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

5.4 接觸網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同仿真分析

在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)工程中，需要對(duì)接觸懸掛彈性、弓網(wǎng)耦合關(guān)系等多領(lǐng)域進(jìn)行仿真計(jì)算，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要對(duì)系統(tǒng)的可行性和可靠性等方面進(jìn)行分析。分析與設(shè)計(jì)協(xié)同，需要考慮接觸網(wǎng)三維模型與相關(guān)仿真分析及驗(yàn)證接口，建立分析模型之后，通過相關(guān)分析計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估并向相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。對(duì)設(shè)計(jì)方案利用三維可視技術(shù)進(jìn)行審查，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)。

5.5 并行設(shè)計(jì)管理

以接觸網(wǎng)三維模型為中心的設(shè)計(jì)和分析與傳統(tǒng)分冊(cè)設(shè)計(jì)管理方式不同?；谌S設(shè)計(jì)技術(shù)的接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)需要各專業(yè)人員并行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段需要考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程的生命周期，包括設(shè)計(jì)、仿真分析、施工、維護(hù)、質(zhì)量及成本等方面的因素，強(qiáng)調(diào)各相關(guān)部門協(xié)同工作，因此需要建立信息管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等提供支持。

6 結(jié)語

隨著鐵路電氣化建設(shè)的發(fā)展，業(yè)主要求也在提升，高效率與低誤差是設(shè)計(jì)與業(yè)主共同追求的目標(biāo)，使用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，充分發(fā)揮其在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，提高企業(yè)的競爭力，為實(shí)現(xiàn)與國際接軌，達(dá)到和趕超國際先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)水平奠定了基礎(chǔ)。

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