CN116502318B - 一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法，包括步骤：获取铁路站场中的设备信息；对铁路站场的矩形控制区域进行网格划分，将设备信息存入对应位置的网格中；判断待交线段经过的网格，获取网格中对应的设备实体集合；计算待交线段与铁路站场中的设备之间的交点并获取交点的空间信息，或读取交点所夹区段设备实体数据。依据几何特征抽象站场设备且建立统一的设备数据结构，并将其信息存入相应的网格中便于索引，并给出站场设备存入网格的具体处理方式，还提出在设备或剖面线涉及的空间范围内，缩小检索范围，提高站场相交设备空间信息的获取效率；针对待交设备的几何特性，建立计算模型，并对不同线型给出求交的处理方式。

Description

一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法

技术领域

本申请涉及铁路站场数字化设计的领域，尤其是涉及一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法。

背景技术

以车站为中心，线路的上行线和下行线两侧都设有进站信号机和出站信号机，以两侧进站信号机为界，里面均属铁路站场。站场设备种类和数量众多，如到发场、候车厅等，设备之间以及设备平面、纵断面、横断面之间存在着复杂的耦合关系，为满足相关设备的空间约束，设计站场设备几何形位或断面时，经常需要精确求解与之相交设备的空间信息。

针对上述问题，目前数字化设计中使用遍历求交的方法，即遍历所有相关设备，依次与指定设备或断面线试求交，交点若存在则保留，不存在则检验下一个。在此过程中，由于大部分试算结果为不存在交点，造成了时间和计算资源的大量浪费。特别需要一种高效准确地获取相交设备空间信息的方法，提高数字化自动设计的效率。

发明内容

为了提高站场相交设备空间信息的获取效率，本申请提供的一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法。

本申请提供的一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法采用如下的技术方案：

一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法，包括依次进行的如下步骤：

S1：获取铁路站场中的设备信息，具体是：将铁路站场中所有设备抽象为点、线、面实体，得到包含点状设备、线状设备以及面状设备的设备信息；其中：铁路站场中，站场线状设备在线型上由三种单线元形式组合或独立构成，三种单线元形式包括线段、圆曲线和缓和曲线；

S2：获取网格中的设备信息，具体是：对铁路站场的矩形控制区域进行网格划分，将设备信息存入对应位置的网格中；判断待交线段经过的网格，获取网格中对应的设备实体集合；

S3：计算待交线段与铁路站场中的设备之间的交点并获取交点的空间信息，或读取交点所夹区段设备实体数据；

步骤S3具体包括：

S3.1：当待交线段经过的网格的设备信息包含点或直线或圆曲线时：

以格网左下角点为原点，转换设备坐标信息：

其中：x_c，y_c表示设备相对坐标，x_a，y_a表示设备绝对坐标，X_LB，Y_LB表示格网左下角点坐标；

针对点，采用下式判断是否相交：

其中，x_s、x_e分别表示待交线段起点的横坐标与终点的横坐标，y_s、y_e分别表示待交线段起点的纵坐标与终点的纵坐标；

当点坐标P_t(x_t,y_t)满足上式时，该点即为交点，否则不为交点；

针对线段：

提取线段端点坐标P₁(x₁,y₁)和P₂(x₂,y₂)，通过直线方程求出待交线段所在直线与线段所在直线的交点P_j(x_j,y_j)：

x_j∈[min(x_s,x_e),max(x_s,x_e)]∩[min(x₁,x₂),max(x₁,x₂)]；

其中，x_s、x_e分别表示待交线段起点的横坐标与终点的横坐标，若线段端点的横坐标满足上式要求，则判断该线段与待交线段存在交点；

针对圆曲线：

提取圆心坐标P₀(x₀,y₀)并计算圆心与圆曲线起终点连线相对于X轴的偏转角fw1与fw2，以及圆心与待交线段起终点连线的偏转角fw3与fw4，通过下式得到圆曲线与待交线段的交点所在的区间：

Φ＝[min(fw1,fw2),max(fw1,fw2)]∩[min(fw3,fw4),max(fw3,fw4)]；

通过联立圆与直线方程可求得交点坐标；

进而计算圆心与交点连线的偏转角fw，通过计算fw是否在区间Ф内判断是否存在交点；

S3.2：当待交线段经过的网格的设备信息包含缓和曲线时，且与缓和曲线的三角包围盒相交时：

读取缓和曲线线型信息变量m_model识别其线型：

当线型为三次抛物线型时，通过联立抛物线与直线方程得到一元三次方程，利用卡丹公式法实现代码求解交点坐标；

当线型对应的方程存在多个次数大于三的高次项时，使用零点定理判断交点个数；

采用二分法迭代求交点；

S3.3：将交点相对坐标或局部坐标系下的坐标转换为绝对坐标，从已存储的设备实体数据中读取该点处空间三维信息，当相交设备为面状设备时，读取交点所夹区段设备实体数据。

进一步地，步骤S1具体包括：

S1.1：将铁路站场中所有设备抽象为点、线、面实体，获得点状设备、线状设备以及面状设备；线状设备在线型上由线段、圆曲线以及缓和曲线组合或独立构成，并对圆曲线和缓和曲线建立三角包围盒；

S1.2：创建数据结构STAENT，STAENT用于存储单个点、线元和面对应的设备信息，设备信息包括设备ID、识别数组、定位点集和实体指针；

设备ID由设备类型和输入编号生成，用CHAR型变量存储；

识别数组为长度为2的整型数组，第一位数表示设备实体的几何类型，设备实体的几何类型包括点状、线状和面状；第二位数表示该几何类型的实体在整个设备实体中的序位；

定位点集用于表达设备本身或设备外围轮廓或设备的三角形包围盒顶点，定位点集的形式为：PtArray＝[Pt₁,Pt₂,...,Pt_n]；

实体指针用于表示设备空间位置信息在计算机中的存储位置；

S1.3：提取并存储设备信息。

进一步地，步骤S2具体包括：

S2.1：针对铁路站场设计的矩形控制区域创建矩形包围格网，计算包围格网的行数和列数：

Row，Col分别表示包围格网的行数和列数；W，L分别为矩形控制范围的宽度和长度，e表示单个网格的宽度；

将格网左下角点坐标设置为：

X_LB，Y_LB分别为包围格网左下角点横纵坐标；X_G，Y_G分别为站场设计的矩形控制区域左下角点横纵坐标；

S2.2：将设备信息存入对应位置的关联网格中；

S2.3：计算待交线段经过的网格，将经过的网格中存储的设备ID和识别数组，与设备STAENT中存储的信息对照，匹配成功则提取实体指针，得到设备实体集合。

进一步地，S2.2中关联网格的具体判断方法为：

与点关联的网格的判断方法：根据该点坐标判断所处网格，将点状设备的信息存入该网格；

与线段关联的网格的判断方法：

计算矩形包围格网中每一个网格中心点到线段的距离，若其中一个网格算得的距离小于网格宽度的一半，则判断该网格与线段有关联并将线段实体信息存入该网格中；对未能存入实体信息的网格，进一步判断网格四条边与线段是否相交，若有任一边与之相交，网格信息即存入线段的相关信息，反之则判断两者无关联；

与面关联的网格的判断方法：

使用线段关联网格判断方法逐一分析闭合多段线的每一线段，得到其穿越的网格，进一步判断矩形包围格网的其余网格中心点是否在闭合多段线内部，若在内部，则将其面状设备对应的设备ID与其识别数组存入网格，反之则不存。

进一步地，S1.2中设备定位点集的表达内容为：

点状设备：以实体信息中存储的该设备在站场平面中的插入点坐标作为点状设备的定位点集；

面状设备：获取存储的封闭多段线的实体信息，读取多线段端点，按照从起点到终点的顺序依次将端点坐标存入点集中；

线状设备：将线状设备分割为若干单线元，处理三种单线元的信息并存入点集；

具体如下：

线段：将线段的起点和终点存入点集；

圆曲线：以起点切线、曲中点切线、终点切线、起点与曲中点连线、曲中点与终点连线构成两个三角形，两个三角形包围圆曲线，并按照起点、切线交点、曲中点、切线交点、终点的顺序将两个三角形顶点存入点集内；

缓和曲线：以起点切线、终点切线、起终点连线构成三角包围盒，并按照起点、切线交点、终点的顺序将三角形顶点存到点集中。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.建立统一的设备数据结构，将站场设备依据几何特征抽象为“点”、“线”、“面”，并将其信息存入相应的网格中便于索引，依据设备的几何特性不同给出站场设备存入网格的具体处理方式，提高后续处理前获取设备信息的效率。

2.提出在设备或剖面线涉及的空间范围内，提取其他关联设备数据的方法，快速定位相交设备所在位置，缩小检索范围，进一步提高站场相交设备空间信息的获取效率；针对待交设备的几何特性，建立不同的计算模型，并对不同线型给出求交的处理方式，采用迭代法求交。

附图说明

图1是本申请实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1对本申请作进一步详细说明。

参照图1，本申请实施例公开的一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法包括依次进行的如下步骤：

S1：获取铁路站场中的设备信息，具体是：将铁路站场中所有设备抽象为点、线、面实体，得到包含点状设备、线状设备以及面状设备的设备信息；其中：铁路站场中，站场线状设备在线型上由三种单线元形式组合或独立构成，三种单线元形式包括线段、圆曲线和缓和曲线。

具体为：

S1.1：将设备抽象为点、线、面实体，具体为点状设备、线状设备以及面状设备。

具体抽象方式为：

(1)点状设备：站场中的点状设备如信号机、警冲标、车挡等，其设备实体形状不同，但在设计时，实体信息中记录着该设备在站场平面中的插入点，该插入点则可表示此点状设备。

(2)面状设备：站场中面状设备如站台、场坪、平过道等，其实体显示为封闭多段线，取多段线各端点表示为该面状设备。

(3)线状设备：站场中线状设备如股道、水沟等，存在由单线元构成和多线元构成两种情况，将多线元设备以最少数量分割为若干单线元实体，最终归纳为线段、圆曲线、缓和曲线三种类型线状实体。

对于线段：将其起点和终点表示该线状设备；

对于缓和曲线：以其起点切线、终点切线、起终点连线构成三角包围盒，选取三角形顶点表示该线状设备；

对于圆曲线：以其起点切线、曲中点切线、终点切线、起点与曲中点连线、曲中点与终点连线构成两个三角形，两个三角形包围圆曲线，选取两个三角形顶点表示该线状设备。

S1.2：创建数据结构STAENT，STAENT用于存储单个点、线元和面对应的设备信息，设备信息包括设备ID、识别数组、定位点集和实体指针。

(一)设备ID：由设备类型和输入编号生成，用CHAR型变量存储。

(二)识别数组：为长度为2的整型数组，第一位数表示设备实体的几何类型，设备实体的几何类型包括点状、线状和面状；第二位数表示该几何类型的实体在整个设备实体中的序位。

(三)定位点集：用于表达设备本身或设备外围轮廓或设备的三角形包围盒顶点，定位点集的形式为：PtArray＝[Pt₁,Pt₂,...,Pt_n]。

设备定位点集的表达内容为：

点状设备：以实体信息中存储的该设备在站场平面中的插入点坐标，作为点状设备的定位点集。

面状设备：获取存储的封闭多段线的实体信息，读取多线段端点，按照从起点到终点的顺序依次将端点坐标存入点集中。

线状设备：将线状设备分割为若干单线元，处理三种单线元的信息并存入点集，具体如下：

线段：将线段的起点和终点存入点集。

圆曲线：以起点切线、曲中点切线、终点切线、起点与曲中点连线、曲中点与终点连线构成两个三角形，两个三角形包围圆曲线，并按照起点、切线交点、曲中点、切线交点、终点的顺序将两个三角形顶点存入点集内。

缓和曲线：以起点切线、终点切线、起终点连线构成三角包围盒，并按照起点、切线交点、终点的顺序将三角形顶点存到点集中。

(四)实体指针：也即实体类对象指针，用于表示设备空间位置信息在计算机中的存储位置。

S1.3：提取并存储的上述设备信息。

S2：获取网格中的设备信息，具体是：对铁路站场的矩形控制区域进行网格划分，将设备信息存入对应位置的网格中；判断待交线段经过的网格，获取网格中对应的设备实体集合。

需要说明的是，除去简单的点状，待求交设备只考虑线、面状，并且面状设备只取其边界线并归入“线段”类中，将两类设备与剖面线一同归纳为“待交线段”。

步骤S2具体为：

S2.1：针对铁路站场设计的矩形控制区域创建矩形包围格网，计算包围格网的行数和列数：

Row，Col分别表示包围格网的行数和列数；W，L分别为矩形控制范围的宽度和长度，e表示单个网格的宽度。

将包围格网左下角点坐标设置为：

X_LB，Y_LB分别为包围格网左下角点横纵坐标；X_G，Y_G分别为站场设计的矩形控制区域左下角点横纵坐标。

需要说明的是，网格是格网的一个单元，一个网格表示一个基础的不再细分的矩形区域，而格网是由多个基础矩形区域(网格)组合成的大矩形区域。

S2.2：将站场设备信息存入对应位置的关联网格中。

关联网格的具体判断方法为：

与点关联的网格的判断方法：根据该点坐标判断所处网格，将点状设备的信息存入该网格。

与线段关联的网格的判断方法：

计算矩形包围格网中每一个网格中心点到线段的距离，若其中一个网格算得的距离小于网格宽度的一半，则判断该网格与线段有关联并将线段实体信息存入该网格中；对未能存入实体信息的网格，进一步判断网格四条边与线段是否相交，若有任一边与之相交，网格信息即存入线段的相关信息，反之则判断两者无关联。

与面关联的网格的判断方法：

使用线段关联网格判断方法逐一分析闭合多段线的每一线段，得到其穿越的网格，进一步判断矩形包围格网的其余网格中心点是否在闭合多段线内部，若在内部，则将其面状设备对应的设备ID与其识别数组存入网格，反之则不存。

S2.3：计算待交线段经过的网格，将经过的网格中存储的设备ID和识别数组，与设备STAENT中存储的信息对照，匹配成功则提取实体指针，得到设备实体集合。

S3：计算待交线段与站场设备的交点并获取交点的空间信息，根据交点读取交点所夹区段设备实体数据。

步骤S3具体包括：

S3.1：当待交线段经过的网格的设备信息包含点或直线或圆曲线时：

以格网左下角点为原点，转换设备坐标信息：

其中：x_c，y_c表示设备相对坐标，x_a，y_a表示设备绝对坐标，X_LB，

Y_LB表示格网左下角点坐标；

针对点，采用下式判断是否相交：

其中，x_s、x_e分别表示待交线段起点的横坐标与终点的横坐标，y_s、y_e分别表示待交线段起点的纵坐标与终点的纵坐标。

当点坐标P_t(x_t,y_t)满足上式时，该点即为交点，否则不为交点。

针对线段：

提取线段端点坐标P₁(x₁,y₁)和P₂(x₂,y₂)，通过直线方程求出待交线段所在直线与线段所在直线的交点P_j(x_j,y_j)：

x_j∈[min(x_s,x_e),max(x_s,x_e)]∩[min(x₁,x₂),max(x₁,x₂)]；

其中，x_s、x_e分别表示待交线段起点的横坐标与终点的横坐标，若线段端点的横坐标满足上式要求，则判断该线段与待交线段存在交点。

针对圆曲线：

首先，提取圆心坐标P₀(x₀,y₀)，并计算圆心与圆曲线起终点连线相对于X轴的偏转角fw1与fw2，以及圆心与待交线段起终点连线的偏转角fw3与fw4，通过下式得到圆曲线与待交线段的交点所在的区间：

Φ＝[min(fw1,fw2),max(fw1,fw2)]∩[min(fw3,fw4),max(fw3,fw4)]；

进一步，通过联立圆与直线方程可求得交点坐标，联立方程为：

当直线的倾斜角为90°时，则改变直线方程形式；

最后，计算圆心与交点连线的偏转角fw，通过计算fw是否在区间Ф内判断是否存在交点。

S3.2：当待交线段经过的网格的设备信息包含缓和曲线时，且与圆曲线或缓和曲线的三角包围盒相交时：

首先，读取缓和曲线线型信息变量m_model识别其线型：

其次，分两种情况进行求解：

第一种情况，当线型为三次抛物线型时，通过联立抛物线与直线方程得到一元三次方程，利用卡丹公式法实现代码求解交点坐标；

第二种情况，当线型对应的方程存在多个次数大于三的高次项时，结合待交线段倾斜角与缓和曲线切线角范围的关系，并使用零点定理判断交点个数。

最后，采用二分法迭代求交点。

S3.3：将交点相对坐标或局部坐标系下的坐标转换为绝对坐标，从已存储的设备实体数据中读取该点处空间三维信息，当相交设备为面状设备时，读取交点所夹区段设备实体数据。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法，其特征在于：包括依次进行的如下步骤：

S1：获取铁路站场中的设备信息，具体是：将铁路站场中所有设备抽象为点、线、面实体，得到包含点状设备、线状设备以及面状设备的设备信息；其中：铁路站场中，站场线状设备在线型上由三种单线元形式组合或独立构成，三种单线元形式包括线段、圆曲线和缓和曲线；

S2：获取网格中的设备信息，具体是：对铁路站场的矩形控制区域进行网格划分，将设备信息存入对应位置的网格中；判断待交线段经过的网格，获取网格中对应的设备实体集合；

S3：计算待交线段与铁路站场中的设备之间的交点并获取交点的空间信息，或读取交点所夹区段设备实体数据；

步骤S3具体包括：

S3.1：当待交线段经过的网格的设备信息包含点或直线或圆曲线时：

以格网左下角点为原点，转换设备坐标信息：

其中：x_c，y_c表示设备相对坐标，x_a，y_a表示设备绝对坐标，X_LB，Y_LB表示格网左下角点坐标；

针对点，采用下式判断是否相交：

其中，x_s、x_e分别表示待交线段起点的横坐标与终点的横坐标，y_s、y_e分别表示待交线段起点的纵坐标与终点的纵坐标；

当点坐标P_t(x_t,y_t)满足上式时，该点即为交点，否则不为交点；

针对线段：

提取线段端点坐标P₁(x₁,y₁)和P₂(x₂,y₂)，通过直线方程求出待交线段所在直线与线段所在直线的交点P_j(x_j,y_j)：

x_j∈[min(x_s,x_e),max(x_s,x_e)]∩[min(x₁,x₂),max(x₁,x₂)]；

其中，x_s、x_e分别表示待交线段起点的横坐标与终点的横坐标，若线段端点的横坐标满足上式要求，则判断该线段与待交线段存在交点；

针对圆曲线：

提取圆心坐标P₀(x₀,y₀)并计算圆心与圆曲线起终点连线相对于X轴的偏转角fw1与fw2，以及圆心与待交线段起终点连线的偏转角fw3与fw4，通过下式得到圆曲线与待交线段的交点所在的区间：

Φ＝[min(fw1,fw2),max(fw1,fw2)]∩[min(fw3,fw4),max(fw3,fw4)]；

通过联立圆与直线方程可求得交点坐标；

进而计算圆心与交点连线的偏转角fw，通过计算fw是否在区间Ф内判断是否存在交点；

S3.2：当待交线段经过的网格的设备信息包含缓和曲线时，且与缓和曲线的三角包围盒相交时：

读取缓和曲线线型信息变量m_model识别其线型：

当线型为三次抛物线型时，通过联立抛物线与直线方程得到一元三次方程，利用卡丹公式法实现代码求解交点坐标；

当线型对应的方程存在多个次数大于三的高次项时，使用零点定理判断交点个数；

采用二分法迭代求交点；

S3.3：将交点相对坐标或局部坐标系下的坐标转换为绝对坐标，从已存储的设备实体数据中读取该点处空间三维信息，当相交设备为面状设备时，读取交点所夹区段设备实体数据。

2.根据权利要求1所述的一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法，其特征在于：步骤S1具体包括：

S1.1：将铁路站场中所有设备抽象为点、线、面实体，获得点状设备、线状设备以及面状设备；线状设备在线型上由线段、圆曲线以及缓和曲线组合或独立构成，并对圆曲线和缓和曲线建立三角包围盒；

S1.2：创建数据结构STAENT，STAENT用于存储单个点、线元和面对应的设备信息，设备信息包括设备ID、识别数组、定位点集和实体指针；

设备ID由设备类型和输入编号生成，用CHAR型变量存储；

识别数组为长度为2的整型数组，第一位数表示设备实体的几何类型，设备实体的几何类型包括点状、线状和面状；第二位数表示该几何类型的实体在整个设备实体中的序位；

定位点集用于表达设备本身或设备外围轮廓或设备的三角形包围盒顶点，定位点集的形式为：PtArray＝[Pt₁,Pt₂,...,Pt_n]；

实体指针用于表示设备空间位置信息在计算机中的存储位置；

S1.3：提取并存储设备信息。

3.根据权利要求2所述的一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法，其特征在于：步骤S2具体包括：

S2.1：针对铁路站场设计的矩形控制区域创建矩形包围格网，计算包围格网的行数和列数：

Row，Col分别表示包围格网的行数和列数；W，L分别为矩形控制范围的宽度和长度，e表示单个网格的宽度；

将格网左下角点坐标设置为：

X_LB，Y_LB分别为包围格网左下角点横纵坐标；X_G，Y_G分别为站场设计的矩形控制区域左下角点横纵坐标；

S2.2：将设备信息存入对应位置的关联网格中；

S2.3：计算待交线段经过的网格，将经过的网格中存储的设备ID和识别数组，与设备STAENT中存储的信息对照，匹配成功则提取实体指针，得到设备实体集合。

4.根据权利要求3所述的一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法，其特征在于：S2.2中关联网格的具体判断方法为：

与点关联的网格的判断方法：根据该点坐标判断所处网格，将点状设备的信息存入该网格；

与线段关联的网格的判断方法：

计算矩形包围格网中每一个网格中心点到线段的距离，若其中一个网格算得的距离小于网格宽度的一半，则判断该网格与线段有关联并将线段实体信息存入该网格中；对未能存入实体信息的网格，进一步判断网格四条边与线段是否相交，若有任一边与之相交，网格信息即存入线段的相关信息，反之则判断两者无关联；

与面关联的网格的判断方法：

使用线段关联网格判断方法逐一分析闭合多段线的每一线段，得到其穿越的网格，进一步判断矩形包围格网的其余网格中心点是否在闭合多段线内部，若在内部，则将其面状设备对应的设备ID与其识别数组存入网格，反之则不存。

5.根据权利要求2所述的一种提取铁路站场相交设备空间信息的方法，其特征在于：S1.2中设备定位点集的表达内容为：

点状设备：以实体信息中存储的该设备在站场平面中的插入点坐标作为点状设备的定位点集；

面状设备：获取存储的封闭多段线的实体信息，读取多线段端点，按照从起点到终点的顺序依次将端点坐标存入点集中；

线状设备：将线状设备分割为若干单线元，处理三种单线元的信息并存入点集；

具体如下：

线段：将线段的起点和终点存入点集；

圆曲线：以起点切线、曲中点切线、终点切线、起点与曲中点连线、曲中点与终点连线构成两个三角形，两个三角形包围圆曲线，并按照起点、切线交点、曲中点、切线交点、终点的顺序将两个三角形顶点存入点集内；

缓和曲线：以起点切线、终点切线、起终点连线构成三角包围盒，并按照起点、切线交点、终点的顺序将三角形顶点存到点集中。