范禮乾，鄧志翔，劉新平

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 通信信號設(shè)計(jì)研究處，武漢 430063）

信號平面布置圖是城市軌道交通信號系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)圖紙，包含信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸、應(yīng)答器、車地通信設(shè)備、站臺設(shè)備等設(shè)計(jì)內(nèi)容。目前，信號平面布置圖的設(shè)計(jì)主要靠手工完成大量數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算及繪圖，設(shè)計(jì)任務(wù)繁重，導(dǎo)致大量重復(fù)勞動和人為錯誤。另一方面，各地信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙的差異化。為提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，有必要進(jìn)行信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件的研究與開發(fā)。

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]研究基于 ObjectArx實(shí)現(xiàn)AutoCAD二次開發(fā)成圖方法，但需安裝AutoCAD環(huán)境，通過輸入命令完成制圖；文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]研究通過AutoCAD二次開發(fā)軌道交通平面信號布置圖繪制應(yīng)用，但其底層數(shù)據(jù)僅支持信號布置圖自動繪制，未考慮其它擴(kuò)展功能。

在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)、全面地分析信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件的相關(guān)需求，提出信號平面布置圖參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件（簡稱：設(shè)計(jì)軟件）方案，所開發(fā)的設(shè)計(jì)軟件已應(yīng)用于多條城市軌道交通線路的信號系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

1 信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件的需求分析

1.1 主要用戶與設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)軟件的主要用戶是城市軌道交通信號工程參建單位的設(shè)計(jì)人員。除了滿足信號平面布置圖自動繪制的基本要求，設(shè)計(jì)軟件需充分考慮兼容性，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，適用于不同信號系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，兼容國內(nèi)各地不同圖元、圖例、圖幅布局要求，可脫離AutoCAD環(huán)境實(shí)現(xiàn)對DWG文件的讀寫操作[5]；設(shè)計(jì)軟件具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，其數(shù)據(jù)組織與存儲設(shè)計(jì)應(yīng)考慮對信號設(shè)備配線圖、電纜徑路圖、聯(lián)鎖表圖、工程量自動生成等后續(xù)擴(kuò)展功能開發(fā)的支持[6]；應(yīng)具有適用性和易用性，符合信號平面設(shè)計(jì)圖的一般設(shè)計(jì)流程，降低設(shè)計(jì)人員使用該設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)難度。

1.2 信號平面布置圖設(shè)計(jì)過程

信號平面布置圖是有關(guān)信號設(shè)備在線路平面上設(shè)置情況的圖紙，是信號聯(lián)鎖關(guān)系、電纜徑路、工程數(shù)量設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。如圖1所示，設(shè)計(jì)人員根據(jù)線路、行車、軌道、車輛、限界等前序?qū)I(yè)資料，包括線路平縱斷面、線路最高限速及站臺限速、運(yùn)營臨時限速、車輛限速參數(shù)、道岔參數(shù)、曲線超高資料、限界警沖標(biāo)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行牽引計(jì)算和列車運(yùn)行模擬后，對聯(lián)鎖區(qū)進(jìn)行劃分，再依據(jù)信號設(shè)備布置規(guī)則，在合適位置上設(shè)置各類信號設(shè)備，繪制出信號平面布置圖。

信號相關(guān)的行車設(shè)備均應(yīng)納入信號平面布置圖，便于地鐵設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)及相關(guān)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?qū)I(yè)相關(guān)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(shè)計(jì)軟件需求概要說明

收集整理國內(nèi)各地軌道交通信號圖紙資料和數(shù)據(jù)，對各地信號系統(tǒng)工程圖紙繪制要求進(jìn)行研究分析，信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件的需求概要說明見表1。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 操作流程

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，其具體操作流程見圖3所示。

（1）設(shè)計(jì)人員整理前序?qū)I(yè)接口數(shù)據(jù)形成前序?qū)I(yè)數(shù)據(jù)庫，對其進(jìn)行規(guī)范化處理，建立工程概況數(shù)據(jù)庫，作為設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

表1 信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件的需求概要說明

（2）調(diào)研人員對收集到的國內(nèi)各地圖幅、圖例、圖元種類進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，建立圖幅/圖例數(shù)據(jù)庫和圖形數(shù)據(jù)庫。

（3）設(shè)計(jì)人員抽取典型信號工程設(shè)計(jì)方案（例如CBTC、點(diǎn)式ATP、聯(lián)鎖信號系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)要素，定義為各種類型的參數(shù)化模板，并在參數(shù)化模板數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行配置，作為設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)構(gòu)件。

（4）設(shè)計(jì)人員對圖幅/圖例數(shù)據(jù)庫和圖形數(shù)據(jù)庫中各類圖元進(jìn)行屬性特征抽取，建立各種類型的參數(shù)化模板，作為設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)構(gòu)件。

（5）信號平面布置圖自動生成模塊根據(jù)具體信號系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的工程概況數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化模板數(shù)據(jù)庫、圖幅/圖例數(shù)據(jù)庫及圖形數(shù)據(jù)庫，基于信號平面布置圖自動生成算法創(chuàng)建該項(xiàng)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(shù)據(jù)庫中。

（6）設(shè)計(jì)人員調(diào)用信號平面布置圖自動繪制模塊，從信號對象數(shù)據(jù)庫中提取指定的信號系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目所對應(yīng)的所有圖元對象實(shí)體數(shù)據(jù)，自動生成該項(xiàng)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(dǎo)出為不同版本的DWG格式文件。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

信號專業(yè)設(shè)計(jì)人員從建筑、線路、軌道和車輛等前序?qū)I(yè)獲取相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)模板完成數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理[7]。設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括工程概況數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化模板數(shù)據(jù)庫、圖幅/圖例數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫和信號對象數(shù)據(jù)庫。

圖3 信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件的操作流程示意

（1）工程概況數(shù)據(jù)庫：存儲描述信號設(shè)計(jì)工程概況的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(shù)、工程名稱等。設(shè)計(jì)軟件通過前序?qū)I(yè)提供的相關(guān)資料進(jìn)行規(guī)范化處理后，建立工程概況數(shù)據(jù)庫。

（2）參數(shù)化模板數(shù)據(jù)庫：參數(shù)化模板數(shù)據(jù)庫是參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心，存儲平面布置圖的圖層、線型、顏色等參數(shù)化模板數(shù)據(jù)，不同線路車站配線形式的參數(shù)化模板數(shù)據(jù)，不同信號系統(tǒng)方案的參數(shù)化模板數(shù)據(jù)，以及不同圖形符號、編碼規(guī)則的參數(shù)化模板數(shù)據(jù)。信號平面布置圖的這些構(gòu)成要素被抽象定義為參數(shù)化模板后，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)項(xiàng)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(shù)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，定制生成該項(xiàng)目的信號平面布置圖。

（3）圖幅、圖例數(shù)據(jù)庫：存儲用于生成圖紙布局的大小、位置、角標(biāo)、坐標(biāo)、圖例說明等布局個性化設(shè)置數(shù)據(jù)。對調(diào)研收集到的國內(nèi)各地信號平面布置圖的圖幅、圖例等進(jìn)行規(guī)范化處理， 建立圖幅、圖例數(shù)據(jù)庫，對其屬性特征進(jìn)行抽象，建立參數(shù)化模板。

（4）圖形數(shù)據(jù)庫：調(diào)研人員收集國內(nèi)信號平面布置圖中要素的各種圖形種類，進(jìn)行規(guī)范化處理后，建立存儲信號平面布置圖所需的各種信號設(shè)備圖元數(shù)據(jù)（如信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸、應(yīng)答器等）及其它類別圖元（如列車運(yùn)行方向、警沖標(biāo)、防淹門等）數(shù)據(jù)的圖形數(shù)據(jù)庫；圖形數(shù)據(jù)庫中存儲的圖元種類應(yīng)可滿足國內(nèi)各地信號平面布置圖的圖形樣式設(shè)計(jì)要求；在此基礎(chǔ)上，將圖形數(shù)據(jù)庫中各種圖元的屬性特征進(jìn)行抽象，定義為各種類型的參數(shù)化圖元模板。

（5）信號對象數(shù)據(jù)庫：存儲信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件運(yùn)行過程中生成的所有信號對象數(shù)據(jù)，包括信號對象ID、類型、位置、屬性及其它擴(kuò)展數(shù)據(jù)；信號對象數(shù)據(jù)庫是軟件和設(shè)計(jì)人員對圖元進(jìn)行增刪改查操作的基礎(chǔ)，保存設(shè)備屬性和設(shè)備間連接關(guān)系。

2.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

2.3.1 圖元類型的定義與實(shí)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(biāo)等基本屬性，以及顯示、移動、縮放等基本操作。

以信號機(jī)為例，說明圖元類型定義與實(shí)例化方法，信號機(jī)類的屬性定義見表2。在設(shè)計(jì)軟件中，任何一個信號機(jī)對象都是通過信號機(jī)類實(shí)例化得到的，具有表2的基本屬性定義。圖形數(shù)據(jù)庫中存儲有多種信號機(jī)類的塊定義，信號機(jī)類的實(shí)例化通過塊參照操作來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)軟件自動為一個信號機(jī)類的實(shí)例化對象分配一個唯一標(biāo)識ObjectId，完成該信號機(jī)對象的屬性賦值后，將其存儲到信號對象數(shù)據(jù)庫中，通過ObjectId或信號機(jī)名稱檢索該信號機(jī)對象實(shí)體，對其進(jìn)行增、刪、改操作。

表2 信號機(jī)類的屬性定義

2.3.2 DWG文件的數(shù)據(jù)解析

設(shè)計(jì)軟件采用開放設(shè)計(jì)聯(lián)盟（Open Design Alliance）提供的函數(shù)庫進(jìn)行開發(fā)。該函數(shù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與AutoCAD的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致，可脫離AutoCAD環(huán)境實(shí)現(xiàn)DWG文件的解析，支持直接創(chuàng)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(shù)據(jù)庫[8]，該數(shù)據(jù)庫包括命名對象字典、塊表、層表、字體樣式表、標(biāo)注樣式表、線型表、視口表、UCS表、注冊應(yīng)用表等對象實(shí)體，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DWG文件的對象結(jié)構(gòu)示意

圖幅/圖例數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫在創(chuàng)建和完成配置后，調(diào)用該函數(shù)庫可保存為DWG文件；所保存的DWG文件，調(diào)用該函數(shù)庫讀入后，解析為設(shè)計(jì)軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)；再調(diào)用該函數(shù)庫加載繪圖模塊，創(chuàng)建繪圖驅(qū)動器，即可在界面上顯示圖形。

2.3.3 參數(shù)化數(shù)據(jù)模板的定義與使用

參數(shù)化模板數(shù)據(jù)庫是在工程概況數(shù)據(jù)庫、圖幅/圖例數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)方法創(chuàng)建的信號平面圖設(shè)計(jì)構(gòu)件的集合。參數(shù)化設(shè)計(jì)將圖元、典型信號設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)規(guī)則等信號平面設(shè)計(jì)圖的構(gòu)成要素抽象為各種類型的參數(shù)化數(shù)據(jù)模板：

（1）對于工程概況數(shù)據(jù)庫，主要將不同線路車站配線形式進(jìn)行參數(shù)化處理，定義為不同類型的車站配線數(shù)據(jù)模板；

（2）對于圖幅/圖例數(shù)據(jù)庫，主要將圖紙大小、圖紙布局、圖例形式等進(jìn)行參數(shù)化處理，定義為不同類型的圖幅、圖例數(shù)據(jù)模板；

（3）對于圖形數(shù)據(jù)庫，主要各種不同種類設(shè)備的圖元進(jìn)行參數(shù)化處理，定義為不同類型的圖元數(shù)據(jù)模板；

（4）對于信號系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)方案、設(shè)備編碼規(guī)則、聯(lián)鎖區(qū)劃分規(guī)則等，抽取其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行參數(shù)化處理，定義為不同類型的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)規(guī)則數(shù)據(jù)模板。

采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)要求，在參數(shù)化模板數(shù)據(jù)庫中選用合適類型的數(shù)據(jù)模板，通過對數(shù)據(jù)模板的參照和實(shí)例化設(shè)置，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)處理的角度，信號平面布置圖自動生成即為信號對象數(shù)據(jù)庫構(gòu)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(shè)備圖元的圖形顯示信息及設(shè)備屬性信息：按照信號設(shè)備布置規(guī)則，生成信號設(shè)備圖元類實(shí)例，為其分配唯一標(biāo)識Objcet Id，設(shè)置該圖元在視圖中的位置、列車運(yùn)行方向方向、縮放比例、顏色等圖形顯示信息；設(shè)置信號設(shè)備圖元在信號平面圖中的軌旁編號、位置、列車運(yùn)行方向、功能參數(shù)、設(shè)備間關(guān)系等軌旁設(shè)備屬性信息。

將信號設(shè)備圖元的圖形顯示屬性數(shù)據(jù)與設(shè)備屬性數(shù)據(jù)分離，同時將不同的設(shè)備編碼規(guī)則、圖形符號、典型信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案定義為參數(shù)化模板。按照信號設(shè)備布置規(guī)則、聯(lián)鎖區(qū)劃分規(guī)則[9]，在構(gòu)建完數(shù)據(jù)庫后，設(shè)計(jì)軟件自動計(jì)算信號平面布置圖中各圖元的布置信息及圖元之間的關(guān)系，完成信號對象數(shù)據(jù)庫的構(gòu)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(shè)計(jì)人員按規(guī)范整理錄入工程概況數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用合適的參數(shù)化模板，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（2）設(shè)計(jì)軟件根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)，按照信號平面圖設(shè)計(jì)規(guī)則，自動計(jì)算生成信號設(shè)備布置數(shù)據(jù)，建立信號對象數(shù)據(jù)庫。

（3）設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)圖修改，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）將生成的信號平面圖導(dǎo)出為指定版本的DWG文件。

2.5 關(guān)于后續(xù)擴(kuò)展功能開發(fā)的考慮

基于設(shè)計(jì)軟件現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，后續(xù)可進(jìn)一步開發(fā)以下擴(kuò)展功能：

（1）信號平面布置圖的所有圖元均儲存在對象數(shù)據(jù)庫中，通過ObjectId或設(shè)備名稱可檢索所有圖元，據(jù)此可開發(fā)工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)功能；

（2）信號平面布置圖是聯(lián)鎖表生成的基礎(chǔ)，依據(jù)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖表技術(shù)條件等規(guī)范，可開發(fā)聯(lián)鎖表自動生成功能；

（3）配線圖數(shù)據(jù)中包含有設(shè)備之間的配線關(guān)系，可開發(fā)配線圖自動生成功能；

（4）信號平面布置圖包含設(shè)備間邏輯位置關(guān)系，是電纜徑路圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可開發(fā)電纜徑路圖自動生成功能。

3 設(shè)計(jì)軟件的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

設(shè)計(jì)軟件采用微軟Visio Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，編程語言為C#，基于.Net的Panel實(shí)現(xiàn)交互式設(shè)計(jì)的用戶操作界面，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)軟件主操作界面

設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)輸入和輸出為Excel和DWG格式文件，無需安裝AutoCAD環(huán)境即可實(shí)現(xiàn)DWG格式文件的創(chuàng)建和讀寫，生成的信號平面布置圖可導(dǎo)出保存為多個版本的DWG格式文件。

目前，設(shè)計(jì)軟件已應(yīng)用于洛陽市軌道交通2號線、鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路等多個工程項(xiàng)目的正線信號室外平面布置圖設(shè)計(jì)，可滿足不同信號系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)要求，自動化程度達(dá)到預(yù)期。

4 結(jié)束語

全面調(diào)查分析信號平面布置圖設(shè)計(jì)軟件的用戶需求，研究開發(fā)了信號平面布置圖參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，可兼容不同設(shè)備編碼規(guī)則、圖形符號等，將信號平面布置圖的多種構(gòu)成要素定義為可配置的參數(shù)化模板，通過對模板的參照和實(shí)例化設(shè)置來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。該設(shè)計(jì)軟件提供圖形化交互式用戶操作界面，易學(xué)易用，無需安裝AutoCAD環(huán)境，設(shè)計(jì)結(jié)果可導(dǎo)出保存為不同版本DWG格式文件，設(shè)計(jì)過程自動化程度較高，可顯著提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快信號系統(tǒng)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)度，在適用性、兼容性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性方面均具有一定優(yōu)勢。

今后將結(jié)合更多信號系統(tǒng)工程項(xiàng)目的應(yīng)用，繼續(xù)優(yōu)化和完善設(shè)計(jì)軟件，逐步推進(jìn)擴(kuò)展功能開發(fā)。