楊 震，黃小鋼

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院 設(shè)備處，武漢 430063）

基于VBA的機(jī)車交路圖計(jì)算機(jī)輔助繪圖系統(tǒng)研究

楊 震，黃小鋼

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院 設(shè)備處，武漢 430063）

機(jī)車交路圖是鐵路組織列車運(yùn)行的基礎(chǔ)性文件，采用AutoCAD的原始制圖命令進(jìn)行制圖操作，效率較低且容易出錯(cuò)。本文采用AutoCAD VBA二次開發(fā)，開發(fā)了基于參數(shù)輸入的機(jī)車交路圖計(jì)算機(jī)輔助繪圖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車交路圖的快速生成和修改。

機(jī)務(wù)；機(jī)車交路；輔助繪圖系統(tǒng)

我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)正朝著信息化、規(guī)范化、智能化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，機(jī)務(wù)是鐵路建設(shè)的一個(gè)重要組成部分，而機(jī)車交路圖是機(jī)務(wù)部門組織運(yùn)輸生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)，是繪制機(jī)車周轉(zhuǎn)圖的重要依據(jù)，規(guī)范、清晰的機(jī)車交路圖，對(duì)提高機(jī)車運(yùn)用效率具有重要意義。當(dāng)前設(shè)計(jì)人員多采用通用繪圖軟件AutoCAD進(jìn)行機(jī)車交路圖的繪制，該方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，隨著鐵路運(yùn)輸?shù)念l繁變化，已無(wú)法滿足鐵路信息化的發(fā)展需求[1]。周智勇[2]采用C++ Builder語(yǔ)言開發(fā)了運(yùn)行于Windows 98操作系統(tǒng)下的機(jī)車交路圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新?lián)Q代，該系統(tǒng)的適用性已稍顯不足；李鳴[3]基于MFC類庫(kù)采用C++語(yǔ)言開發(fā)了獨(dú)立于AutoCAD的機(jī)車交路圖設(shè)計(jì)軟件，但由于目前機(jī)車交路圖的設(shè)計(jì)、傳遞、打印、存檔等均以AutoCAD為介質(zhì)，使得該軟件的普及較為困難。

本系統(tǒng)采用VBA語(yǔ)言對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，基于模塊化設(shè)計(jì)思想，以面向?qū)ο蠓绞竭M(jìn)行編程，采用GDI圖形界面技術(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，調(diào)用Windows API接口進(jìn)行預(yù)覽圖顯示，調(diào)用AutoCAD ActiveX接口進(jìn)行圖形自動(dòng)繪制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車交路圖的計(jì)算機(jī)輔助繪制，使用戶只需輸入?yún)?shù)，無(wú)需使用AutoCAD繪圖命令，即可完成機(jī)車交路圖的繪制。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 繪圖內(nèi)容要求

繪制出各種類型的站段，如內(nèi)燃機(jī)務(wù)段、機(jī)務(wù)折返段等，繪制出各種類型的機(jī)車交路，如立折交路、肩回交路等。站段、交路屬性齊全，站段名稱、位置等可修改，交路顏色可變，可添加、修改、刪除途徑站段，交路要素表要素齊全，可修改。需保證交路元素的相關(guān)性，交路的形狀會(huì)根據(jù)途徑站段的變化而變化，圖例內(nèi)容與站段和交路元素始終保持一致。

1.2 繪圖方式要求

一張完整的機(jī)車交路圖包含有站段、機(jī)車交路、交路要素表、圖例、標(biāo)題、圖框等元素，元素種類較少，數(shù)量較多，重復(fù)工作量較大。同時(shí)站段、機(jī)車交路等元素間關(guān)聯(lián)緊密，一處小的修改可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)圖面的變化，使用AutoCAD繪圖及修改較為繁瑣。

通過(guò)軟件開發(fā)，采用圖形界面和參數(shù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式，提供機(jī)車交路圖繪制的全新手段，取代手工繪制的方式。開發(fā)友好的人機(jī)交互界面，提供站段信息、交路信息、邊框、標(biāo)題、圖例、方案數(shù)量等基本信息的規(guī)范輸入格式，并提供預(yù)覽功能，保證用戶交互簡(jiǎn)潔、方便、易懂，如圖1所示。

圖1 軟件用戶界面

2 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)需求分析，以模塊化的思想進(jìn)行軟件框架的設(shè)計(jì)，將軟件分為4個(gè)模塊：用戶交互界面、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、CAD自動(dòng)出圖、文件存取，各模塊之間關(guān)系密切，同時(shí)又相對(duì)獨(dú)立，各模塊之間的聯(lián)系如圖2所示。各模塊又細(xì)分為多個(gè)子模塊，圖3為軟件功能模塊劃分圖。

圖2 軟件框架圖

用戶交互界面：采用GDI圖形界面技術(shù)開發(fā)人機(jī)交互界面，交互界面分區(qū)設(shè)置，包含了站段、交路、邊框、標(biāo)題、圖例、方案等信息，為用戶提供這些參數(shù)的輸入、修改、保存和讀取操作，同時(shí)軟件還會(huì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)錯(cuò)誤的輸入?yún)?shù)進(jìn)行提示。為了方便用戶交互，便于設(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)調(diào)整，用戶界面根據(jù)輸入?yún)?shù)提供預(yù)覽功能，使參數(shù)更加直觀。最終的機(jī)車交路CAD圖形由這些輸入?yún)?shù)所確定，整個(gè)過(guò)程用戶無(wú)需手動(dòng)繪圖。

后臺(tái)數(shù)據(jù)處理：本系統(tǒng)的核心模塊，根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)，在后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行繪圖數(shù)據(jù)的計(jì)算，包括輸入?yún)?shù)分析、站段圖形計(jì)算、交路形狀計(jì)算、站段布局計(jì)算等，該模塊定義了機(jī)車交路圖的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，包含了大量的幾何代數(shù)算法，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)用于預(yù)覽圖和CAD圖的繪制。

CAD自動(dòng)出圖：根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)和后臺(tái)處理數(shù)據(jù)，軟件調(diào)用CAD圖形繪制模塊，進(jìn)行機(jī)車交路圖的繪制，該模塊又包含段所繪制模塊、交路繪制模塊以及其它元素繪制模塊等。CAD圖形繪制模塊調(diào)用AutoCAD ActiveX繪圖指令，使用匿名塊命令繪制站段，使用直線、圓弧、圓角命令繪制交路，使用文字命令繪制標(biāo)題、交路要素表等。使用CAD圖形繪制模塊自動(dòng)生成機(jī)車交路圖，省去手工繪制操作，提高了繪圖效率。

文件存?。悍譃槲谋疚募敵龊臀谋疚募x取，將用戶輸入?yún)?shù)進(jìn)行保存，生成文本文件，并且能夠讀取文件，方便機(jī)車交路圖的修改和重生成。

3 數(shù)據(jù)模型

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路機(jī)務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，站段按其屬性可分為若干類型，且《鐵路工程制圖圖形符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)》給出了其標(biāo)準(zhǔn)圖例。

圖3 軟件功能模塊劃分圖

采用集合結(jié)構(gòu)組織站段參數(shù)數(shù)據(jù)，建立站段參數(shù)矩陣A=（a1, a2, a3, a4），其中

a1=站段編號(hào)；

a2=站段名稱；

a3=站段類型；

a4=站段坐標(biāo)點(diǎn)組合。

機(jī)車交路包含多種屬性，根據(jù)機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)方式，分為肩回交路、循環(huán)交路、半循環(huán)交路；根據(jù)乘務(wù)員駐班性質(zhì)，分為駐班交路、立折交路；根據(jù)機(jī)車類型，分為內(nèi)燃機(jī)車交路、電力機(jī)車交路等。

采用集合結(jié)構(gòu)組織交路參數(shù)數(shù)據(jù)，建立交路參數(shù)矩陣B=（b1, b2, b3, b4, b5），其中

b1=交路編號(hào)；

b2=交路類型；

b3=交路途徑站點(diǎn)；

b4=交路顏色；

b5=交路要素表。

其中，交路要素表為數(shù)據(jù)集合，包括機(jī)車類型、牽引噸數(shù)、交路里程、限制坡度、坐標(biāo)等參數(shù)，在此不再贅述。

交路空間主要由站段、交路構(gòu)成，此外還包括圖例、圖框、標(biāo)題等元素，交路空間數(shù)據(jù)模型如下：

V=(A, B, C,…, R)

其中，R為交路空間集合中所有元素之間關(guān)系的有限集合，數(shù)據(jù)元素之間存在著一對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多的關(guān)系，構(gòu)成了交路空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)算法

（1）站段繪制算法

由上節(jié)可知，機(jī)務(wù)設(shè)備輸入類型較多，不同類型圖例各不相同，針對(duì)各類機(jī)務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)單獨(dú)的繪制算法，調(diào)用不同的圖形塊，各算法之間呈并列關(guān)系，根據(jù)類型參數(shù)一一映射到繪制算法，完成機(jī)務(wù)設(shè)備的計(jì)算和繪制。算法具有線性的時(shí)間復(fù)雜度，針對(duì)相同的機(jī)務(wù)設(shè)備類型，算法只計(jì)算一次，節(jié)省了內(nèi)存空間，具有較好的空間復(fù)雜度。站段算法流程圖如圖5所示。

圖5 站段算法流程圖

（2）交路繪制算法

交路形狀的計(jì)算涉及到二維空間幾何變換，如圖6所示，交路的肩寬與長(zhǎng)度成正比I，當(dāng)機(jī)務(wù)設(shè)備A、B、C三點(diǎn)共線時(shí)，交路上任意一點(diǎn)D的坐標(biāo)[x, y]T可由下式計(jì)算：

其中，λ為0～1的小數(shù)，若坐標(biāo)系橫軸不與交路中心線平行，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣R1將坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至橫軸與交路中心線平行，然后將由式（1）得到的交路坐標(biāo)左乘旋轉(zhuǎn)矩陣R1的逆矩陣即可，旋轉(zhuǎn)矩陣R1由下式計(jì)算：

其中，α為交路中心線到坐標(biāo)系橫軸的夾角。

當(dāng)A、B、C三點(diǎn)不共線時(shí)，可看作BC段繞B點(diǎn)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。圖中列出了3種BC段旋轉(zhuǎn)不同角度的情況，AB段交路坐標(biāo)仍由式（2）計(jì)算，BC’段交路坐標(biāo)[x’,y’]T可由旋轉(zhuǎn)變換獲得：

其中，設(shè)BC’與BC之間的夾角為θ，則旋轉(zhuǎn)矩陣R2為：

圖6 機(jī)車交路示意圖

最后，還需對(duì)折角處進(jìn)行圓角處理，圓角半徑為B點(diǎn)到交路線段的垂直距離。

當(dāng)交路途徑站點(diǎn)多于3個(gè)，后續(xù)交路區(qū)段計(jì)算原理與前面相同。

（3）空間布局算法

用戶輸入?yún)?shù)可以構(gòu)成一幅完整的機(jī)車交路圖，但出圖通常采用標(biāo)準(zhǔn)圖框，且為了保證圖面整潔、布局良好，通常將圖框區(qū)域按適當(dāng)比例劃分為若干個(gè)功能區(qū)，如圖7所示，要將實(shí)際交路空間恰當(dāng)?shù)仫@示在圖紙空間的繪圖區(qū)上，則要經(jīng)過(guò)多重映射。

采用包圍盒算法算出實(shí)際交路空間的長(zhǎng)度L和寬度H，繪圖區(qū)的長(zhǎng)度L’和寬度H’已分配，取L/L’和H/H’的較小值為縮放比例因子，實(shí)際交路空間中心與繪圖區(qū)中心對(duì)應(yīng)，以此進(jìn)行空間映射。映射后實(shí)際交路空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)锳utoCAD圖紙空間坐標(biāo)，方便打印。

圖7 坐標(biāo)空間映射

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車交路圖輔助繪圖系統(tǒng)與AutoCAD緊密結(jié)合且采用簡(jiǎn)單易用的VBA語(yǔ)言開發(fā)，根據(jù)參數(shù)輸入自動(dòng)生成機(jī)車交路圖，用戶界面簡(jiǎn)潔易懂，操作方便，提高了機(jī)車交路圖的繪圖效率，滿足機(jī)務(wù)部門的繪圖需要，軟件預(yù)置有數(shù)據(jù)庫(kù)功能，經(jīng)推廣應(yīng)用和深化開發(fā)可建立全國(guó)機(jī)車交路數(shù)據(jù)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高繪圖效率。

[1] 葉利華. 機(jī)車交路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2005.

[2] 周智勇. 機(jī)車交路圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2003（Z1）：123-126.

[3] 李 鳴，倪智振. 基于MFC的機(jī)車交路圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（8）：133-136.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Computer-aided Drawing System of locomotive routing map based on VBA

YANG Zhen, HUANG Xiaogang
( Department of Equipment Design and Research, China Railway SIYUAN Survey and Design Group CO.,LTD, Wuhan 430063, China )

Locomotive routing map was the base of railway organization. The common drawing operation now was based on AutoCAD. The eff i ciency and accuracy of this method were low. In order to improve the efficiency of locomotive routing mapping, a Computer-aided Drawing System with parameters input was developed by means of AutoCAD VBA.

locomotive servicing and maintenance; locomotive routing; Computer-aided Drawing System

U268∶TP39

A

1005-8451（2014）10-0004-04

2014-04-28

楊 震，助理工程師；黃小鋼，教授級(jí)高級(jí)工程師 。