[发明专利]轨道交通车辆段室外三维综合管线设计中管线碰撞检测的方法

权利要求书

1.一种轨道交通车辆段室外三维综合管线设计中管线碰撞检测的方法，其特征在于，将绘制在三维软件平台中的轨道交通车辆段室外三维综合管线设计资料，按以下步骤进行：

(1)提取管线信息，将轨道交通车辆段室外三维综合管线设计资料中当前模型及当前模型中的附加参考模型中管线起点、终点、以及管径信息提取；

(2)采用软碰撞检测算法计算轨道交通车辆段室外三维综合管线设计资料信息；

(3)输出被检测信息的软碰撞结果输出；

(4)软碰撞结果的可视化显示；

所述软碰撞检测算法是将管线碰撞的含义延伸为管线净空距离设计要求，将管道抽象为空间的两条线段，首先通过管线位置关系判断方法判断管道的空间几何位置关系，然后经过求空间中两条线段之间的最短距离方法，计算两线段间的最短连线长度，并与相应的设计要求距离相比较，判断是否发生碰撞。

2.根据权利要求1所述的轨道交通车辆段室外三维综合管线设计中管线碰撞检测的方法，其特征在于，所述管线位置关系判断方法是将管道视为三维圆柱体的管道中心线，判断管道中心线间的最小连线长度，并按以下情况进行判断：

(1)两线段所在的直线相交

A两直线的交点是其中某一线段的端点，这表明两管道相连，不进行碰撞检测；

B交点均在两线段的内部，此时两线段相交，管道发生碰撞，即两水平管道，空间交叉，但标高相同，于是两管道发生碰撞；

C交点均在两线段的延长线上，且两管道间有弯头连接，则不为碰撞；

D交点至少在一条线段的延长线上，计算两线段端点连线长度，端点两两相连，共4个，并分别从一线段的端点到另一线段作垂线，共4个，若垂足在另一线段内，则计算垂距，找出这些端点连线长度和所得垂距中的最小者，若小于管道最小净距，则警告发生碰撞；

(2)两线段平行或共线

A两线段共线，且有端点相接，则为两管道首尾相接，不是碰撞；

B两线段共线，其中有两端点距离小于管道最小净距，若这两个端点有阀门管道附件相连，则不是碰撞，否则认为发生碰撞；

C两线段平行：

①如果有一条线段的端点到另一线段的垂足在另一线段内或端点上，则计算两平行线段的间距，若该间距小于管道最小净距，则认为发生了软碰撞，这发生在两并排布置的管道，间距不符合设计要求；

②如果垂足均在线段外，则计算两两端点距离的最小者，以此判断是否满足要求；

(3)两线段异面

直线相交看作两直线异面的特例，沿公垂线拉近两异面直线，当公垂线段长度为0时，异面直线就变为相交，首先计算两直线的公垂线段的长度，若长度大于要求值，则肯定不会发生碰撞，否则要进行以下分析：

1)公垂线段的两垂足均在两线段内部，则发生碰撞，这发生在两水平管道空间交叉，但其标高差小，使得两管道碰撞，或交叉处的净距不满足设计规范要求；此外，一段水平管道旁，有一竖直管道通过，尽管图纸上两单线表示的管道有一些距离，但实际管道已经碰撞；

2)两垂足至少有一个在一条线段的外部，计算两线段的两两端点连线长度，共4个；并分别从一线段的一端点到另一线段作垂线，共4个，若垂足在另一线段内，计算垂距；找出这些端点连线长度和所得垂距中的最小，若小于管道最小净距离则警告发生碰撞。

3.根据权利要求1所述的轨道交通车辆段室外三维综合管线设计中管线碰撞检测的方法，其特征在于，所述求空间中两条线段之间的最短距离方法是按以下方法进行：

1)设空间中有两条线段为AB线段和CD线段，设AB线段中的A点的坐标为(x₁,y₁,z₁)，B点的坐标为(x₂,y₂,z₂)，设CD线段中的C点坐标为(x₃,y₃,z₃)，D点的坐标为(x₄,y₄,z₄)，设P是直线AB上的一点，P点的坐标(X,Y,Z)表示为:

X=x1+s(x2-x1)Y=y1+s(y2-y1)Z=z1+s(z2-z1)---(1)]]>

当参数0≤s≤1时，P是线段AB上的点；当参数s<0时，P是BA延长线上的点；当参数s>1时，P是AB延长线上的点；

2)设Q是直线CD上的一点，Q点的坐标(U,V,W)表示为:

U=x3+t(x4-x3)V=y3+t(y4-y3)W=z3+t(z4-z3)---(2)]]>

当参数0≤t≤1时，Q是线段CD上的点；当参数t<0时，Q是DC延长线上的点；当参数t>1时，Q是CD延长线上的点；

3)P,Q两点之间的距离为:

PQ=(X-U)2+(Y-V)2+(Z-W)2---(3)]]>

P,Q两点之间距离的平方为:

f(s,t)＝(X-U)²+(Y-V)²+(Z-W)²＝PQ²

＝[(x₁-x₃)+s(x₂-x₁)-t(x₄-x₃)]²+[(y₁-y₃)+s(y₂-y₁)-t(y₄-y₃)]²

+[(z₁-z₃)+s(z₂-z₁)-t(z₄-z₃)]² (4)

4)要求直线AB线段与CD线段之间的最短距离，也就是要求f(s,t)的最小值，对f(s,t)分别求关于s,t的偏导数，并令偏导数为θ：

∂f(s,t)∂s=0∂f(s,t)∂t=0---(5)]]>

展开并整理后，得到下列方程组：

[(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2]s-[(x2-x1)(x4-x3)+(y2-y1)(y4-y3)+(z2-z1)(z4-z3)]t=(x1-x2)(x1-x3)+(y1-y2)(y1-y3)+(z1-z2)(z1-z3)-[(x2-x1)(x4-x3)+(y2-y1)(y4-y3)+(z2-z1)(z4-z3)]s+[(x4-x3)2+(y4-y3)2+(z4-z3)2]t=(x1-x3)(x4-x3)+(y1-y3)(y4-y3)+(z1-z3)(z4-z3)---(6)]]>

如果从这个方程组求出的参数s，t的值满足0≤s≤1，0≤t≤1，说明P点落在线段AB上，Q点落在线段CD上，这时PQ的长度就是线段AB与CD的最短距离；

如果从方程组求出的参数s，t的值不满足0≤s≤1，0≤t≤1，说明不能在线段AB内部找到一点P，在线段CD内部找到一点Q，使得PQ的长度就是线段AB与CD的最短距离；

这时，分别求A点到线段CD的最短距离、B点到线段CD的最短距离、C点到线段AB的最短距离、D点到线段AB的最短距离，然后，比较这4个距离的大小，其中最小的一个，就是线段AB到CD的最短距离；

5)空间中点到空间中一条线段的最短距离，设空间中有一个点为P和一条AB线段，设P点的坐标为(x₀,y₀,z₀)，A点的坐标为(x₁,y₁,z₁)，B点的坐标为(x₂,y₂,z₂)；

这时，直线AB线段为

x=x1+t(x2-x1)y=y1+t(y2-y1)z=z1+t(z2-z1)---(7)]]>

直线上的点(x,y,z)，当参数0≤t≤1时，是AB线段上的点；当参数t<0时，是AB延长线上的点；当参数t>1时，是AB延长线上的点；

通过P点，与直线AB垂直的平面方程为

(x₂-x₁)(x-x₀)+(y₂-y₁)(y-y₀)+(z₂-z₁)(z-z₀)＝0 (8)

下面求这个平面与直线AB的交点Q，显然PQ⊥AB，所以Q点也是从P点向直线AB作垂线的垂足点；

用式(7)代入平面方程，化简后解得:

t=(x1-x0)(x1-x2)+(y1-y0)(y1-y2)+(z1-z0)(z1-z2)(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2---(9)]]>

然后，将上面得到的t的值代入直线方程，得到:

X=x1+t(x2-x1)Y=y1+t(y2-y1)Z=z1+t(z2-z1)---(10)]]>

(X,Y,Z)就是垂足点Q的坐标；

线段PQ的长度，也就是P点到直线AB的垂直距离为:

PQ=(X-x0)2+(Y-y0)2+(Z-z0)2---(11)]]>

如果前面求出的参数t的值满足0≤t≤1，说明垂足Q点落在线段AB上，这时PQ的长度就是P点到线段AB的最短距离；

如果前面求出的参数t的值满足t<0，说明垂足Q点不落在线段AB上，而是落在BA的延长线上，这时，Q点到线段AB的最短距离，就是P点到A点的距离，即:

PA=(x1-x0)2+(y1-y0)2+(z1-z0)2---(12)]]>

如果前面求出的参数t的值满足t>1，说明垂足Q点不落在线段AB上，而是落在AB的延长线上，这时，P点到线段AB的最短距离，就是P点到B点的距离，即:

PB=(x2-x0)2+(y2-y0)2+(z2-z0)2---(13).]]> 4