城市轨道交通车辆段总平面布置图辅助设计系统

杨 震

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉//工程师)

车辆段是对城市轨道交通车辆进行运营管理、停放、维修及保养的重要场所，是车辆安全运行的基本保障。城市轨道交通车辆段的总平面布置图(以下简为“总图”)设计，需综合考虑段址、布置形式及出入线方案等因素，进行多次优化调整[2]。总图图形复杂，内容繁多。据统计，某车辆段总图中的道路由410条多段线组成，另含36组道岔及170条股道等。目前，总图绘制多采用通用绘图软件AutoCAD，设计效率较低，重复工作量大。

城市轨道交通车辆段总图辅助设计系统，是在.NET环境下对AutoCAD进行的二次开发，其基于模块化设计思想，以面向对象的方式进行编程，结合.NET Framework组件、API接口以及相关算法，从而实现了图形化设计。该系统可用于车辆段总图的辅助绘制、修改及统计等，使总图设计更加智能化、科学化，能提高总图绘图效率及设计质量。

1 功能模块的划分

城市轨道交通车辆段总图辅助设计系统适用于大架修车辆段、定修车辆段和停车场等的总图设计，需遵循相应的技术规范及制图标准。系统的开发，应先根据总图设计的特点，结合相关设计经验及工程实例，深入分析总图设计工作内容及系统需求，采用模块化的思想进行总图辅助设计系统的功能开发[4]。

城市轨道交通车辆段总图辅助设计系统具有重复图形快速绘制、复杂图形参数化绘制、图表智能绘制、图形标准化与信息化等功能。总图辅助设计系统功能模块划分如图1所示。

1.1 重复图形快速绘制功能

城市轨道交通车辆段总图中，股道、道路、围墙等图形的线条单一，数量较多，需重复绘制、修改，其工作量很大，设计效率低。总图辅助设计系统根据重复图形的特征，可简化用户的操作，甚至能一键完成所有同类图形的绘制和编辑，可有效减少重复工作量。

车辆段道路有通行、消防及运输等用途，其宽度一般为4 m和7 m，其转弯半径一般为6 m、9 m、12 m。总图辅助设计系统的道路命令只需用户选择道路的起点、拐点和终点，指定道路的宽度、外角半径、内角半径，即可快速绘制道路，并且，在绘制过程中操作者能够随时修改道路的宽度等参数。道路绘制流程如图2所示。

图1 总图辅助设计系统功能模块划分图

图2 总图辅助设计系统的道路绘制流程

弯道头和曲线符号是车辆段总图中常用的曲线股道辅助标记，由数条小短线及圆弧或圆组成，较为复杂。车辆段的咽喉区由大量曲线股道组成，弯道头和曲线符号数量繁多。如逐一绘制修改，则工程量巨大。总图辅助设计系统能自动识别曲线股道，能同时生成所有弯道头和曲线符号，也能同时删除所有弯道头和曲线符号，大大减少了绘制修改的工作量。弯道头和曲线符号的绘制流程见图3。

1.2 复杂图形参数化绘制功能

总图中的库房(含股道)、道岔及反向曲线等图形较为复杂。这类图形由多种线条组成，且不同线条之间存在一定的几何关系，相应的图形绘制工作繁重。总图辅助设计系统能将复杂图形进行内部建模，并提供参数化界面。用户只需输入简单的参数，即可自动完成图形的绘制。

图3 弯道头和曲线符号绘制流程

库房是车辆段总图中的重要组成部分，库房的布置对总图布局至关重要，库房包括检修库、运用库、洗车库、镟轮库及调机工程车库等，库房图形由墙体轮廓线、库内股道中心线、车挡线及股道编号等组成，库房的尺寸及股道线间距等参数取值均有规范规定。

图4 检修库操作界面

通过总图辅助设计系统针对不同库房的参数化操作界面，用户可以选择库房组成部分，输入股道数量、线间距等数据(部分数据可自动计算)。例如，图4为检修库的参数化操作界面。参数设置完成后，用户在CAD中选择基点，即可自动生成完整的库房图形(见图5)。

图5 检修库自动绘图效果

车辆段总图中的咽喉区是连接库房与出入线、牵出线间的股道线群，由大量道岔、曲线和直线段短轨组成。绘制咽喉区是总图设计中最繁琐的工作之一。

总图辅助设计系统提供咽喉区自动连接功能。用户只需选择主线和需要连接的股道线，即可根据内部算法计算出连接路径，并自动完成咽喉区的绘制(如图6所示)。

1.3 图表智能绘制功能

图形绘制完成后，总图还需添加标准格式的图框和“三表”。其中，图框包括边框、会签栏、角标等，“三表”为城市轨道交通车辆段总图的重要元素，包括设计主要指标表、房屋表及股道表等。

图6 咽喉区的自动连接绘制

总图辅助设计系统可提供参数化界面。用户只需输入图框尺寸、图名、图号及设计人员等信息，即可自动生成完整的图框。“三表”数据较多，总图辅助设计系统可直接读取总图中的相关数据(如总图中的房屋尺寸及面积等)，并显示在“三表”操作界面中(如图7所示)，经用户编辑修改及确认后，在CAD中进行自动绘制。

图7 房屋表的操作界面

1.4 图形标准化与信息化

城市轨道交通车辆段总图中的图形种类众多，线条琐碎且数量庞大，增加了总图绘制及修改的难度。总图辅助设计系统不仅制定了图形标准，可自动对不同种类的图形进行分类处理，使总图层次分明，便于用户分类操作，而且还在此基础上加了统计、筛选等功能。

总图中的图形种类有库房、股道、道岔、车挡、道路、围墙及各类辅助标志等。其中股道又分为停车列检线、月检线、静调线、牵出线、洗车线等。

总图辅助设计系统生成的不同种类图形自带特定的图层、颜色、线宽及附加的扩展信息等，图层均以GY_开头，扩展信息包括图形种类名称、类型、编号及几何尺寸等。图形信息通过悬浮窗的形式显示，相关数据可以修改。如用户将鼠标停留在库房轮廓线上，即会出现悬浮窗，显示此库房的名称、建筑面积及轴线尺寸等信息。

不同种类图形元素的统计信息是总图的重要设计指标。总图辅助设计系统提供了各类图形的统计功能(例如，可统计宽度4 m道路的总长度、围墙的总长度等)，并可进行分类筛选。

2 几何算法模型

几何算法模型是总图辅助设计系统的核心。总图辅助设计系统建立了总图中各类图形的几何算法模型，能根据用户输入参数，在后台自动计算绘图数据，从而实现复杂图形及图表的快速绘制。总图辅助设计系统的几何算法模型包括弯道头算法模型、曲线符号算法模型、道路算法模型、库房算法模型及道岔算法模型等。下面以道路算法模型为例进行介绍。

某道路算法模型如图8所示。道路算法模型的输入参数为道路中心线起点(x1,y1)、拐点(x2,y2)、终点(x3,y3)、宽度W及转角半径RNB。根据输入参数，可计算道路的端点坐标(xA1,yA1)及夹角t，计算式为：

式中：

L1——起点到拐点的距离；

L2——终点到拐点的距离。

同理可求道路其他端点坐标(xB1,yB1)及(xC1,yC1)。

根据端点、夹角及转角半径等数据，可计算出转角圆弧的端点(xB11,yB11)和圆心(xo21,yo21)：

式中：

L11——道路轮廓线起点至拐点的间距;

LRB1——圆弧端点与道路轮廓线拐点距离。

同理可求圆弧另一端点(xB12,yB12)及其他圆弧数据。当用户输入后续的道路中心线端点位置、宽度及转角半径等参数后，道路算法模型还能进行迭代计算。

图8 道路算法模型

3 开发技术

总图辅助设计系统采用C#编程语言对AutoCAD进行二次开发。C#语言具有功能强大、易用的特点，可以非常快速地开发出功能强大的AutoCAD程序[5]。

AutoCAD数据库由9类符号表和命名对象字典组成。总图辅助设计系统具体的开发技术结构图如图9所示。

图9 开发技术结构图

总图辅助设计系统使用图形数据库的块表来创建图形对象，实现各类图形的绘制功能；使用层表来创建标准图层；使用线型表来创建标准线型；使用命名对象字典为图形对象附加各种扩展数据，实现图形的信息化。

友好的用户交互是总图辅助设计系统的重点功能之一。总图辅助设计系统使用.NET交互操作服务来获取用户在AutoCAD的输入信息(如围墙

的端点、道路的宽度等)，使用选择集来实现同类图形的筛选，使用鼠标监视事件来实现图形信息的实时显示等，使用AutoCAD .NET API来创建自定义对话框，使用CUI文件来创建自定义菜单栏与工具栏等。

此外，总图辅助设计系统对于道路、道岔等需多步操作完成的图形，使用Jig类功能来实现动态拖拽效果。在用户操作过程中，随着鼠标移动，图形实时出现动态更新，给用户带来更加生动直观的视觉效果。

4 结语

城市轨道交通车辆段总图辅助设计系统根据总图设计的内容及特点，提出了各功能模块的具体需求，建立了总图图形的几何模型及算法，采用C#编程语言对AutoCAD进行二次开发，实现了重复图形快速绘制、复杂图形参数化绘制、图表智能绘制、图形标准化与信息化等关键功能。

本文介绍的总图辅助设计系统成功应用于金义东市域城市轨道交通及宁波地铁3号线等多个项目设计中，将车辆段总图设计时间缩短至原计划的1/4。经实践验证，总图辅助设计系统界面友好，操作简便，能有效提高设计效率。