三维技术在接触网设计中的运用探讨

时间：2024-07-28

潘英，宋桃东

0 引言

在国内铁路设计行业不断面向市场的进程中，国内各大铁路设计院开始了三维设计的运用和研究，站前专业已经开始采用三维选线、三维桥梁等设计系统。国外 Siemens AG,TS、Balfour Beatty Rail、Elpro Bahnstrom Anlagen GmbH、DB Bahnbau和HEICON Service GmbH等铁路设计咨询公司已经运用三维技术进行接触网设计。对于接触网专业，要尽快实现与国际接轨，达到和赶超国际先进的设计技术水平，最大限度地提高综合竞争实力的目标，通过广泛应用先进的三维设计技术来提高设计的技术含量，节省项目投资，统一标准化的设计已经成为出路之一。

1 传统接触网设计存在的问题

基于二维的传统接触网设计，虽然使用了AutoCAD等计算机辅助设计软件，一定程度上提高了设计效率，但是接触网系统是一个复杂的电气、机械和结构的混合系统，二维设计的最终成果如接触网平面布置图、安装图等只包含很少或单一层面的信息，不能完整地反应整个系统内各部分的电气、机械等作用，以及外界气候、地理条件、受电弓等对接触网系统的影响。同时各种设计文件之间缺少关联，需要人工来协调，相关图纸修改麻烦且容易出错，增加了设计的成本。

随着接触网整体技术要求的提高，在接触网设计、施工、运营阶段都需要能够充分与地理信息结合，进行综合考虑。在设计阶段需要根据地理信息调整优化支柱位置、下锚地点、基础类型等工作。

2 三维设计的优势

三维设计技术的实际应用，打破了传统的平面二维图设计模式，使现有的设计思想、设计方法、设计程序及设计管理等设计全过程都发生了一系列的变革，为工程设计人员提供了一种崭新的设计方法和手段。由传统的绘图变革为在计算机环境中的虚拟建造、施工和设计。接触网三维数字模型和地理信息数据展现在三维环境界面下，使工程设计人员十分形象地了解施工现场环境，给设计工作带来便利，并且三维模型数据库的唯一性可以做到在设计阶段尽可能地全面考虑各种因素，降低设计误差甚至达到零误差率。模型中所包含的工程信息，直观、准确、详实，可直接指导订货、加工和安装，使设计和施工的联系更加紧密，更加符合工程总承包的发展要求。

三维数字模型设计软件是目前比较流行的一种解决工程建设问题的设计软件。不同于常规造型建模软件，三维数字模型建模软件建立的模型可以全部参数化，有自己的属性，这样对于以后的碰撞检查，绝缘距离检查，工程量及材料的统计，以及接触网系统的生命周期管理都是必要的。施工单位使用包含地理信息数据的三维模型，可以更加直观地分析制定准确的施工计划和方案，并能及时地发现可能存在的问题。三维数字模型和地理信息数据为运营维护单位提供更加直观的人员培训、更科学有效的运营维护管理。

基于三维的接触网设计，将地理信息数据融入设计成果中，接触网设施的三维数字模型与地形地貌等三维模型相结合，可以更直观、真实地反应设计信息，实现场景可视化、实时漫游等高级设计技术和理念，更好地对设计内容进行分析、评估和决策，这些均是基于二维的传统接触网设计所不具备的。

3 接触网三维设计的应用

接触网三维设计就是利用三维设计技术，在计算机上构建电气、结构、机械等多专业的三维接触网数字模型，并通过对所构建的模型进行安装冲突检查、电气绝缘距离检查、优化设计等，将接触网系统的整个模型和整套设计文件保存在一个集成的数据库中，实现以数据为基础的设计，最终从模型中提取各种施工图及相应的材料报表。接触网三维设计主要根据站前数据和地理信息数据，建立线路、轨道等站前信息的三维数字模型，创建接触网数字三维模型、腕臂装配三维模型、基础三维模型，

生成各种布置图、安装图，进行安装碰撞绝缘检查等，同时接触网三维设计应考虑为接触网系统相关仿真软件提供数据接口。接触网三维设计的主要应用结构如图1所示。

3.1 建立接触网三维模型

传统设计以二维设计为基础，接触网平面布置图、接触网安装图等均为二维设计，设计人员和审查、审批人员进行设计和检查等工作均很繁杂，不容易发现设计中的问题，而三维设计通过建立电气、结构、机械等多专业的接触网三维模型，在模型中包含地理信息数据，设计成果接近实际的接触网系统，通过三维渲染技术，可以实现场景可视化、实时漫游，直观地进行成果审查，方便地进行优化设计。

图1 接触网三维设计应用结构示意图

3.2 碰撞绝缘检查

接触网系统设计时，区别与其他行业的碰撞检查，不仅要考虑系统机械安装方面的冲突，还要考虑受电弓及其包络线是否会碰撞支持装置以及带电体与接地体的间距是否满足绝缘要求等其他接触和非接触“碰撞”，靠普通的二维图纸是很难校验这些问题的。三维模型具有精确的立体坐标和属性，所以能够自动检查出所有的碰撞，而且可以由系统自动校验，避免了工程的“碰、漏、缺”现象，实现无差错设计。

3.3 自动生成施工图

建立接触网三维模型之后，系统可以自动生成平面图（如接触网平面布置图）、截面图（如接触网安装图），该图纸与整个接触网三维模型相关，模型若发生改动，图纸也会自动实现关联改动。

3.4 材料和工程数量统计

由于接触网模型的组件与实际系统的组件是对应的，因此可以很准确地统计材料，尤其是接触线、承力索等线材长度，避免传统设计中材料数量不准确的问题，同时统计可以在初期设计阶段完成，有效实现造价控制。

3.5 协同设计

以三维接触网模型为核心，各个专业的工作人员可以很方便地进行协同设计，系统数据自动更新功能保证了数据的唯一性，避免传统设计中由于分册设计人员间沟通问题造成的设计数据不符，降低了设计沟通成本。

3.6 仿真接口

接触网三维模型包含整个工程的所有数据，通过预留仿真接口可以很方便地导出设计参数至相关仿真计算软件进行仿真计算，对系统进行评估，避免传统接触网设计中人工整理设计参数繁琐工作，同时也提高了仿真结果的准确性和可信度。

4 接触网三维设计的特点

采用三维设计技术，更新了接触网设计的设计思想，在设计过程中主要有以下特点：

（1）可视化。三维设计技术是一种“所见即所得”的设计方式，它使设计由原本在平面图纸上布置接触网设施，改为在一个虚拟的三维空间“架设”一个接触网系统，设计工作更直观，这是三维设计方式带来的最直接优势，面对三维模型，设计人员能更方便地进行沟通、讨论和实施设计方案。

（2）地理信息数字化。在可视化的基础上，模型中包含地理信息数据，在设计阶段就将接触网三维数字模型与地理信息数据相结合，接触网设计人员能根据线路的地理位置和地形地貌等信息对设计进行优化。同时运营单位可以把包括地理信息数据在内的接触网三维模型应用于基于 GIS技术的管理信息系统中，而无需重新创建线路的地理信息模型，提高了设计内容的可重用性，降低了运营成本。

（3）协调性。使用三维设计可以及时检测和发现设计中出现的“不兼容”现象。在接触网设计时，各专业工作人员不能有效地沟通，同时受二维设计空间的限制，很难协调设计中的冲突，如安装图的改动对平面布置图支柱装配选型的影响等。在三维模型的支持下，可以实时检测悬挂或其他零件之间的安装冲突，或新建接触网设施与既有设施之间的影响，减少在普通二维设计中很难发现的不合理的设计方案。

（4）模拟性。首先，建立了接触网三维模型后，能直观地呈现出设计成果；其次基于三维模型能模拟气候、受电弓等对接触网系统的影响；再次，能更直观方便地计算工程数量，在工程造价层面进行模拟，有效控制造价。

（5）可出图性。传统的设计过程中，接触网施工图纸的设计量在整个项目设计中所占比重很大，采用三维设计技术，建立接触网系统模型后可自动生成接触网平面布置图、支柱安装图等施工图、同时还可导出材料报表、工程数量表等施工文件，既节省了设计工作量，又能保证图纸及文件的准确、规范、美观，有利于减少差错，提高效益。

5 接触网三维设计关键技术

与常规的接触网设计不同，三维设计技术是一项全新的设计技术，它需要用到庞大的数据库支持和截然不同的设计管理方式，主要需要以下技术作为支持，驱动实现接触网三维设计（图2）。

图2 接触网三维设计关键技术框图

5.1 基于参数化驱动的三维建模技术

接触网三维设计的核心在于建立一个三维数字化的模型，接触网三维模型不仅是在几何参数层面上来描述接触网系统，而且是将接触网工程的整个设计参数、设计过程、设计规则以及行业知识封装于三维模型中，这样才能解决参数、规则对模型的驱动与更新机制问题。建立参数化的接触网三维模型是整个接触网三维设计的基础。

5.2 地理信息系统技术

将地理信息数据融入至接触网三维模型中，需要地理信息系统与基础设计平台相结合，才能在设计中实现地形地貌等地理数据的数字化和可视化，直观的创建和优化接触网模型，使三维的接触网设计成果与实际环境相符，保证设计的准确性。

5.3 接触网系统数据框架及信息处理

接触网系统是一个电气、机械、结构等多专业的复杂系统，系统包含的信息量大，数据结构复杂，分析和建立准确的接触网数据框架是接触网三维设计的关键。同时，有效地处理这些宠大的数据、研究分布式计算机环境和面向对象的数据库也是实现接触网三维设计的重要环节。

5.4 接触网系统协同仿真分析

在接触网设计工程中，需要对接触悬挂弹性、弓网耦合关系等多领域进行仿真计算，相关设计人员要对系统的可行性和可靠性等方面进行分析。分析与设计协同，需要考虑接触网三维模型与相关仿真分析及验证接口，建立分析模型之后，通过相关分析计算对设计数据进行评估并向相关设计人员提供指导，确保设计的最优化。对设计方案利用三维可视技术进行审查，选择最优设计。