摘 要 對地鐵限界設計、校核工作進行了分析、研究,提出了一種利用計算機技術進行該項工作的新思路,并詳細介紹了適合這種新方法的CAD 系統(tǒng)的建立過程及設計方法。
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,國家整體實力的提高,我國各大城市相繼建造了地下鐵道。為避免地下鐵道的車輛、設備、隧道的斷面形狀和尺寸五花八門造成的混亂,使之統(tǒng)一為幾種形狀和尺寸,上海鐵道大學受建設部的委托編寫出版了《城市地下鐵道限界標準》[1 ] (簡稱《標準》),規(guī)定凡新建的城市地下鐵道、與地下鐵道連成網(wǎng)的地面及高架鐵道均應符合該《標準》,即要進行地鐵限界的納入校核。眾所周知,對于工程技術人員來講,這是一項繁鎖、細致、工作量大的工作。本文就此根據(jù)地鐵限界標準,提出了計算機輔助設計、校核地鐵限界的新思路,并詳細介紹了CAD 系統(tǒng)的建立與實現(xiàn)的方法。
1 地鐵限界設計、校核及其CAD 系統(tǒng)的建立過程
1. 1 地鐵限界標準設計、校核
根據(jù)《標準》,地鐵限界包括地鐵車輛限界、地鐵設備限界和地鐵建筑限界三大部分,每部分又分第一類甲型,第一類乙型和第二類三種,對于建筑限界每種又可分為矩型、圓型、馬蹄型以及車站高架等幾種。第一類地鐵限界適用于第三軌受電的地下鐵道,第二類地鐵限界適用于架空線受電的地下鐵道。新建的城市地下鐵道、與地下鐵道連接成網(wǎng)的地面及高架鐵道應符合本標準;已建的地下鐵道有條件的可按本標準靠近;按本標準施工的地下鐵道維修改建等也應符合本標準。地鐵限界設計、校核的傳統(tǒng)工作方法是: 手工計算、設計地鐵限界,獲取控制點信息后繪制限界圖與同樣是手工繪制的標準限界圖比較校核。由于地鐵限界種類繁多,這種工作方法不但工作量大,而且不宜修改,特別是對于曲線區(qū)段,因不同的曲線半徑將對應不同的標準限界圖,已不能很好地適應當前需要,為此設計了CAD 系統(tǒng)。
1. 2 CAD 系統(tǒng)的建立過程
本文開發(fā)的“地鐵限界設計、校核CAD 系統(tǒng)”是供新建、維修、改建城市地下鐵道時校核所設計的車輛限界、設備限界、建筑限界是否符合標準用的。該CAD 系統(tǒng)建立過程如下:
① 根據(jù)地鐵限界的設計、校核任務,制訂任務書。
② 分析任務特征。按地鐵車輛限界、地鐵設備限界直線區(qū)段、曲線區(qū)段、地鐵建筑限界直線區(qū)段、曲線區(qū)段等劃分成5 組。
③ 編制地鐵限界圖。按照地鐵限界標準,分組建立地鐵圖形庫,為CAD 應用軟件的設計提供依據(jù)。
④CAD 系統(tǒng)支持軟件的選用,如系統(tǒng)軟件、圖形軟件等選用較成熟、應用較廣的軟件。
⑤ 應用軟件的研制。根據(jù)支持軟件提供的條件按應用特點進行二次開發(fā)。
2 CAD 系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)及其各模塊的功能和實現(xiàn)
2 . 1 CAD 系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)
圖1 所示為地鐵限界CAD 系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)。這是一種人機交互方式實現(xiàn)的信息結(jié)構(gòu),它表明地鐵限界CAD 作業(yè)過程是由傳統(tǒng)工作方式在計算機參與下演變而來的。圖1 中間部分為地鐵限界設計、校核流程。人機交互過程步驟如下:
① 輸入原始信息。信息來源于車輛、設備、建筑工程圖,形成斷面控制點坐標。
② 類型選擇。選擇設計、校核的類型并計算或生成斷面控制點坐標數(shù)據(jù)文件。
③ 根據(jù)坐標數(shù)據(jù)文件自動生成地鐵限界圖。
④ 從圖形庫中調(diào)用標準地鐵限界圖與之比較、觀察并測量計算,判斷是否完全納入標準限界圖之中。
⑤ 符合要求則輸出計算結(jié)果和設計地鐵限界圖; 不符合要求則修改原始數(shù)據(jù)后返回③,重新校核或退出系統(tǒng)。
圖1 地鐵限界CAD 系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)
2 . 2 系統(tǒng)各模塊的功能及其實現(xiàn)
本文所設計實現(xiàn)的CAD 系統(tǒng)由4 個模塊2 個庫構(gòu)成。4 個模塊為: 人機界面設計、地鐵車輛限界設計、地鐵限界圖的自動繪制及校核、文檔處理。2 個庫為: 標準地鐵限界圖形庫、數(shù)據(jù)庫。下面將這些模塊的功能及其實現(xiàn)分別作一介紹。
(1) 人機界面設計
人機界面設計是程序設計中的一個重要方面, 它必須向用戶提供一個友好的人機操作環(huán)境, 這個環(huán)境應具有操作的直觀性、靈活性及操作簡易等特點。為圖2 菜單結(jié)構(gòu)此,本系統(tǒng)設計了級聯(lián)式全屏幕菜單,中文顯示,菜單結(jié)構(gòu)如圖2 所示。用戶使用時只需用光標鍵或鼠標來選擇功能,十分簡單易行。
為實現(xiàn)本模塊功能,選用具有簡潔、表達能力強、模塊化結(jié)構(gòu)、可移植性好的Borland C + + 語言編程[2 ] ,采用了由菜單描述數(shù)據(jù)和菜單關系數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),建立了菜單類、窗口類、選項類、PCX 類及其對相應類進行操作的類函數(shù)。
(2) 地鐵車輛限界計算
本模塊為地鐵車輛限界的計算,包括限界尺寸的計算和按照地鐵車輛限界確定新設計車輛的最大斷面輪廓兩部分,其計算方法采用地鐵限界標準推薦的方法,以得到地鐵車輛限界坐標及一些控制點的縮減量,同時生成數(shù)據(jù)文件,為下一模塊生成限界圖服務。
(3) 地鐵限界圖的自動繪制及校核
本模塊主要是圖形支撐軟件AutoCAD 進行的二次開發(fā)。其主要功能是根據(jù)斷面控制點數(shù)據(jù)文件在屏幕上自動生成限界圖,并進行了必要的標注。圖3 為該模塊的結(jié)構(gòu)圖。
圖3 模塊結(jié)構(gòu)
實現(xiàn)本模塊的關鍵在于高級語言與AutoCAD 的接口。AutoCAD 提供了一種從正文文件中讀出和執(zhí)行命令組的工具,利用這種工具可以執(zhí)行預定的命令序列,這個工具就是SCRIPT 文件[ 3 ] ,其格式類似于DOS 操作系統(tǒng)中的批處理,即:命令1 選擇項 命令2 選擇項 ? 命令n 選擇項。
因此設計接口程序就是利用高級語言的處理功能,生成AutoCAD 的SCRIPT 文件,然后轉(zhuǎn)化成Auto2 CAD 下的圖形。為此,用Borland C + + 語言設計了這個接口程序。在接口設計中,公共數(shù)據(jù)的定義放在嵌入文件GSQL . H 中,在調(diào)用時用INCLUDE 包含進去,并在函數(shù)中用extern 說明傳遞數(shù)據(jù),其它的繪圖命令選擇參數(shù),則通過啞實結(jié)合來傳遞。在此基礎上設計了幾十個C 語言函數(shù),調(diào)用這些函數(shù)可以生成具有相應AutoCAD 命令的SCRIPT 文件。
(4) 文檔處理
上述各個模塊所完成的任務可以說是整個系統(tǒng)最主要和最基本的,文檔處理也是一項重要工作,因為它關系到如何保存,并輸出設計、校核工作的結(jié)果,同時也影響到系統(tǒng)工作效率。文檔處理模塊將對圖形及相關數(shù)據(jù)進行整理,并在打印機或繪圖儀上輸出,還可根據(jù)需要保留這些圖形及數(shù)據(jù),建立用戶圖形庫和數(shù)據(jù)庫,以便日后調(diào)閱使用。
(5) 標準地鐵限界圖形庫和數(shù)據(jù)庫
建立標準地鐵限界圖形庫是為校核服務的,根據(jù)《標準》將其涉及的各種限界標準圖全部按比例并編碼繪制后存入計算機,組成圖形庫,供上述模塊調(diào)用。其實現(xiàn)方法是根據(jù)《標準》,輸入數(shù)據(jù)文件,并調(diào)用模塊(3) 繪制限界圖,經(jīng)標注后按一定比例存盤。圖4 為地鐵限界圖。
圖4 地鐵限界圖
3 結(jié)束語
地鐵限界標準設計、校核系統(tǒng)應用了結(jié)構(gòu)化程序設計的方法,使用了鏈表形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),從而使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,程序編制容易,節(jié)省內(nèi)存空間,減少運行時間,提高了系統(tǒng)運行效率。全部程序用Bor2 land C + + 語言編制,并已應用該系統(tǒng)先后為國內(nèi)一些將要建造地鐵的城市做了一些工作。實踐證明,本文所提出的方法是高效可行的。
原文作者：徐博銘 周奇才
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,國家整體實力的提高,我國各大城市相繼建造了地下鐵道。為避免地下鐵道的車輛、設備、隧道的斷面形狀和尺寸五花八門造成的混亂,使之統(tǒng)一為幾種形狀和尺寸,上海鐵道大學受建設部的委托編寫出版了《城市地下鐵道限界標準》[1 ] (簡稱《標準》),規(guī)定凡新建的城市地下鐵道、與地下鐵道連成網(wǎng)的地面及高架鐵道均應符合該《標準》,即要進行地鐵限界的納入校核。眾所周知,對于工程技術人員來講,這是一項繁鎖、細致、工作量大的工作。本文就此根據(jù)地鐵限界標準,提出了計算機輔助設計、校核地鐵限界的新思路,并詳細介紹了CAD 系統(tǒng)的建立與實現(xiàn)的方法。
1 地鐵限界設計、校核及其CAD 系統(tǒng)的建立過程
1. 1 地鐵限界標準設計、校核
根據(jù)《標準》,地鐵限界包括地鐵車輛限界、地鐵設備限界和地鐵建筑限界三大部分,每部分又分第一類甲型,第一類乙型和第二類三種,對于建筑限界每種又可分為矩型、圓型、馬蹄型以及車站高架等幾種。第一類地鐵限界適用于第三軌受電的地下鐵道,第二類地鐵限界適用于架空線受電的地下鐵道。新建的城市地下鐵道、與地下鐵道連接成網(wǎng)的地面及高架鐵道應符合本標準;已建的地下鐵道有條件的可按本標準靠近;按本標準施工的地下鐵道維修改建等也應符合本標準。地鐵限界設計、校核的傳統(tǒng)工作方法是: 手工計算、設計地鐵限界,獲取控制點信息后繪制限界圖與同樣是手工繪制的標準限界圖比較校核。由于地鐵限界種類繁多,這種工作方法不但工作量大,而且不宜修改,特別是對于曲線區(qū)段,因不同的曲線半徑將對應不同的標準限界圖,已不能很好地適應當前需要,為此設計了CAD 系統(tǒng)。
1. 2 CAD 系統(tǒng)的建立過程
本文開發(fā)的“地鐵限界設計、校核CAD 系統(tǒng)”是供新建、維修、改建城市地下鐵道時校核所設計的車輛限界、設備限界、建筑限界是否符合標準用的。該CAD 系統(tǒng)建立過程如下:
① 根據(jù)地鐵限界的設計、校核任務,制訂任務書。
② 分析任務特征。按地鐵車輛限界、地鐵設備限界直線區(qū)段、曲線區(qū)段、地鐵建筑限界直線區(qū)段、曲線區(qū)段等劃分成5 組。
③ 編制地鐵限界圖。按照地鐵限界標準,分組建立地鐵圖形庫,為CAD 應用軟件的設計提供依據(jù)。
④CAD 系統(tǒng)支持軟件的選用,如系統(tǒng)軟件、圖形軟件等選用較成熟、應用較廣的軟件。
⑤ 應用軟件的研制。根據(jù)支持軟件提供的條件按應用特點進行二次開發(fā)。
2 CAD 系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)及其各模塊的功能和實現(xiàn)
2 . 1 CAD 系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)
圖1 所示為地鐵限界CAD 系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)。這是一種人機交互方式實現(xiàn)的信息結(jié)構(gòu),它表明地鐵限界CAD 作業(yè)過程是由傳統(tǒng)工作方式在計算機參與下演變而來的。圖1 中間部分為地鐵限界設計、校核流程。人機交互過程步驟如下:
① 輸入原始信息。信息來源于車輛、設備、建筑工程圖,形成斷面控制點坐標。
② 類型選擇。選擇設計、校核的類型并計算或生成斷面控制點坐標數(shù)據(jù)文件。
③ 根據(jù)坐標數(shù)據(jù)文件自動生成地鐵限界圖。
④ 從圖形庫中調(diào)用標準地鐵限界圖與之比較、觀察并測量計算,判斷是否完全納入標準限界圖之中。
⑤ 符合要求則輸出計算結(jié)果和設計地鐵限界圖; 不符合要求則修改原始數(shù)據(jù)后返回③,重新校核或退出系統(tǒng)。
圖1 地鐵限界CAD 系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)
2 . 2 系統(tǒng)各模塊的功能及其實現(xiàn)
本文所設計實現(xiàn)的CAD 系統(tǒng)由4 個模塊2 個庫構(gòu)成。4 個模塊為: 人機界面設計、地鐵車輛限界設計、地鐵限界圖的自動繪制及校核、文檔處理。2 個庫為: 標準地鐵限界圖形庫、數(shù)據(jù)庫。下面將這些模塊的功能及其實現(xiàn)分別作一介紹。
(1) 人機界面設計
人機界面設計是程序設計中的一個重要方面, 它必須向用戶提供一個友好的人機操作環(huán)境, 這個環(huán)境應具有操作的直觀性、靈活性及操作簡易等特點。為圖2 菜單結(jié)構(gòu)此,本系統(tǒng)設計了級聯(lián)式全屏幕菜單,中文顯示,菜單結(jié)構(gòu)如圖2 所示。用戶使用時只需用光標鍵或鼠標來選擇功能,十分簡單易行。
為實現(xiàn)本模塊功能,選用具有簡潔、表達能力強、模塊化結(jié)構(gòu)、可移植性好的Borland C + + 語言編程[2 ] ,采用了由菜單描述數(shù)據(jù)和菜單關系數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),建立了菜單類、窗口類、選項類、PCX 類及其對相應類進行操作的類函數(shù)。
(2) 地鐵車輛限界計算
本模塊為地鐵車輛限界的計算,包括限界尺寸的計算和按照地鐵車輛限界確定新設計車輛的最大斷面輪廓兩部分,其計算方法采用地鐵限界標準推薦的方法,以得到地鐵車輛限界坐標及一些控制點的縮減量,同時生成數(shù)據(jù)文件,為下一模塊生成限界圖服務。
(3) 地鐵限界圖的自動繪制及校核
本模塊主要是圖形支撐軟件AutoCAD 進行的二次開發(fā)。其主要功能是根據(jù)斷面控制點數(shù)據(jù)文件在屏幕上自動生成限界圖,并進行了必要的標注。圖3 為該模塊的結(jié)構(gòu)圖。
圖3 模塊結(jié)構(gòu)
實現(xiàn)本模塊的關鍵在于高級語言與AutoCAD 的接口。AutoCAD 提供了一種從正文文件中讀出和執(zhí)行命令組的工具,利用這種工具可以執(zhí)行預定的命令序列,這個工具就是SCRIPT 文件[ 3 ] ,其格式類似于DOS 操作系統(tǒng)中的批處理,即:命令1 選擇項 命令2 選擇項 ? 命令n 選擇項。
因此設計接口程序就是利用高級語言的處理功能,生成AutoCAD 的SCRIPT 文件,然后轉(zhuǎn)化成Auto2 CAD 下的圖形。為此,用Borland C + + 語言設計了這個接口程序。在接口設計中,公共數(shù)據(jù)的定義放在嵌入文件GSQL . H 中,在調(diào)用時用INCLUDE 包含進去,并在函數(shù)中用extern 說明傳遞數(shù)據(jù),其它的繪圖命令選擇參數(shù),則通過啞實結(jié)合來傳遞。在此基礎上設計了幾十個C 語言函數(shù),調(diào)用這些函數(shù)可以生成具有相應AutoCAD 命令的SCRIPT 文件。
(4) 文檔處理
上述各個模塊所完成的任務可以說是整個系統(tǒng)最主要和最基本的,文檔處理也是一項重要工作,因為它關系到如何保存,并輸出設計、校核工作的結(jié)果,同時也影響到系統(tǒng)工作效率。文檔處理模塊將對圖形及相關數(shù)據(jù)進行整理,并在打印機或繪圖儀上輸出,還可根據(jù)需要保留這些圖形及數(shù)據(jù),建立用戶圖形庫和數(shù)據(jù)庫,以便日后調(diào)閱使用。
(5) 標準地鐵限界圖形庫和數(shù)據(jù)庫
建立標準地鐵限界圖形庫是為校核服務的,根據(jù)《標準》將其涉及的各種限界標準圖全部按比例并編碼繪制后存入計算機,組成圖形庫,供上述模塊調(diào)用。其實現(xiàn)方法是根據(jù)《標準》,輸入數(shù)據(jù)文件,并調(diào)用模塊(3) 繪制限界圖,經(jīng)標注后按一定比例存盤。圖4 為地鐵限界圖。
圖4 地鐵限界圖
3 結(jié)束語
地鐵限界標準設計、校核系統(tǒng)應用了結(jié)構(gòu)化程序設計的方法,使用了鏈表形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),從而使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,程序編制容易,節(jié)省內(nèi)存空間,減少運行時間,提高了系統(tǒng)運行效率。全部程序用Bor2 land C + + 語言編制,并已應用該系統(tǒng)先后為國內(nèi)一些將要建造地鐵的城市做了一些工作。實踐證明,本文所提出的方法是高效可行的。
原文作者：徐博銘 周奇才
