基于数据库技术的信号平面布置图智能设计技术研究

基于数据库技术的信号平面布置图智能设计技术研究

朱越吾

（中铁第一勘察设计院集团有限公司）

摘要：为填补信号专业铁路平面图智能设计软件方面的空白，解决传统设计模式效率低下等问题，结合信号专业设计的需求分析和铁路平面图的特点，建立基于数据库技术的信号平面布置图智能设计技术路线。整合新技术与现有辅助设计软件成果，利用三层架构、数据库、云服务等关键技术及自动布线、自动站型设计，开发基于AutoCAD的铁路平面图智能设计平台。

关键词：铁路信号；智能设计；数据库；云平台

0 引言

利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。

1 现状

智能设计是一种利用计算机技术和人工智能技术来辅助设计人员进行设计的方法，智能设计软件是智能设计在铁路行业进行落地应用的主要方式，是设计人员进行绘图工作的主要工具。Autodesk（欧特克）公司所开发的AutoCAD软件在业界处于领先地位，占有市场的主要份额。它具有良好的二维绘图能力。但在铁路信号设计行业，AutoCAD并没有提供相应专业的功能支持，还需在平台原生功能的基础上结合标准与专业特点进行二次开发，国内各家铁路设计院已陆续开展对路基、桥涵、隧道、站场等站前专业及电力、通信等站后专业的AutoCAD二次开发和应用的研究工作，针对铁路信号专业智能设计技术的研究尚处于空白阶段，因此，研究基于铁路信号专业标准与需求的智能设计技术是十分有必要的。

不同于以空间场景设计为主的土建、桥梁、隧道等专业，铁路信号专业设计更多注重的是逻辑连接关系，通过相关标准，将逻辑连接关系转化为计算机算法成为可能。目前，铁路室外信号施工图主要有信号平面图、DCS设计图、电缆径路图、轨旁设备接地图、配线图这五种图纸，现有辅助设计软件中没有针对这几种图纸进行“从无到有”生成的技术手段，通过CAD二次开发与数据库技术，解决铁路信号施工图设备快速布放、线路绘制等关键问题。

2 铁路交通信号正线室外设计

2.1 传统设计与智能设计

在业内，传统设计手段中施工图主要通过人工绘制而成，图块与图块之间缺少关联关系，彼此相互独立，导致数据无法复用、绘图工作量巨大。且由于工期紧张、缺少人力等问题，容易出现人工错误。因此，研究一种既可以取代传统设计模式，提高设计效率与准确率，又可以推进铁路信号数字化发展的智能设计技术有很大的实现价值。

2.2 既有成果利用

传统设计手段经过长时间的应用，已经形成完善的设计规范，通过对现有规范的数字化转换，可以形成标准算法。且二维信号辅助设计软件起步较早，经过多年的技术积累和沉淀，已经形成完善的信息化辅助设计系统，既有辅助设计系统主要包括线路辅助设计系列软件，计算机联锁设计系列软件、区间自动闭塞设计系列软件、列控设计系列软件等软件体系。

既有辅助设计软件主要应用PDM（产品数据管理）技术对系统数据进行统一管理，数据的存储基于字典表与数据库进行导入与导出，当软件生成图纸时，同时会将图纸数据进行入库处理，通过接口技术等手段，可以直接提取相关数据，如线路、长短链、坡度等，为信号正线室外设计软件的开发提供了数据支持。

2.3 数据驱动核心技术路线

以地铁平面图的智能设计为例，将站前专业（主要是站场专业）的设计图纸中的相关信息（线路和道岔），按照特别制定的站场信息数据编制规则，编制成“站型数据”;创建完整、清晰的数据表格；自动计算设备坐标和里程；自动绘制铁路线路，调用信号专用图例（道岔、信号机、绝缘节等）设备绘制在恰当的位置；在图纸上自动标注设备编号、名称、坐标值和里程等需要标注的全部信息。

3 软件架构及关键技术

3.1 软件总体架构

为了提高代码复用率，降低系统耦合度，软件选用了三层构架模式。其中表示层为用户交互界面，位于三层构架的最上层，在此层中不进行逻辑判断，主要用于平面图展示，数据导入与导出。业务逻辑层在三层构架中位于表示层与数据层中间位置，同时也是表示层与数据层的桥梁，实现三层之间的数据连接和指令传达，导入的数据在此层进行逻辑运算。数据访问层为三层架构的底层，在此层对数据库进行增、删、改、查等操作，并将操作结果返回到逻辑层。

3.2 关键技术

3.2.1 数据库技术

以实现信号专业设计信息化为目标，建立了完善的信号专业数据库。信号专业数据库以设备、线路、线缆作为基础，构建多种字典表。创建设备、线路、线缆之间的关联关系图，打破设备与设备、线路与线路、设备与线路之间的数据隔离，使三者相互关联、动态地构成了一个整体。实现了设计资源复用、提升系统响应速度的目的。

3.2.2 站型自动布局技术

铁路信号设备平面布置图设计是信号专业开展工程设计工作的核心，是承接站前专业与信号专业的重要图纸，需要采集线路、道岔信息，计算设备坐标、轨道区段长度、坡度标等，绘制线路、道岔、信号机、轨道区段等，标注设备编号、名称、坐标值和里程等信息，工作量巨大且繁琐。目前，各设计院都是借助电脑计算功能，在AutoCAD下人工绘制铁路信号设备平面布置示意图（不带比例尺绘制），费时费力，效率低下，准确性差，图例符号不标准、不统一，虽经过设计者、复核者、审核者等多人把控，仍然难以提高设计质量。

将室外设备、道岔、股道等连接关系的数据化，是解决上述问题的主要手段，软件通过信号机、绝缘节设置原则和铁路信号设计规范建立股道、道岔、设备之间的关联关系数学模型，通过拓扑排序算法和 Floyd－Warshall算法计算每一个图块的最优坐标，最终做到无图块重叠、间距合理的信号站型布局。

3.2.3 线缆自动布线技术

电缆径路图是进行室外信号设备安装的重要图纸，它包括轨道电路极性的配置，轨道电路送、受电端的布置，室外电缆网络连接设备的类型和位置，室外信号设备的串接顺序和电缆径路，以及每根电缆的长度和芯数。既有设计手段自动化程度低，主要通过手工进行线缆的计算与布设，已有数据得不到有效应用，影响出图效率。

车站信号室外电缆径路设计的重难点主要包括: 电缆种类多、连接关系复杂，电缆路径选择多、最优路径不宜选择，电缆弯曲半径控制和避免交叉等方面，将室外设备连接关系数据化，是解决以上重难点问题的有利条件。通过自动布线技术，对平面图进行预处理，删除多余图块，保留、添加所需图块；根据铁路专业配线规则和蚁群算法规划室外设备电缆最优路径，形成最优路径图；对规划后的路径信息进行数据化处理，与已有设备数据相关联，生成工程量表，以备后续绘图与统计工作使用。

4 结语

从技术路线、需求分析、背景情况、等方面研究了铁路交通信号正线室外智能设计相关内容，针对铁路信号专业的特殊性，充分利用现有科技成果，解决铁路信号设计标准化、信息化和自动化的问题。基本实现了铁路信号专业智能设计、协同设计的目标，填补了国内外各主流辅助设计软件铁路信号专业化和本地化的空白，对铁路信号智能设计技术的发展有一定推动作用。

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