（系统工程专业论文）铁路站场信号图辅助处理系统.pdf

北方交大硕十学位论文 摘要 陔论文的选题是根据实际工程项目中遇到的问题而 提出的。在京九壁墅塑鏖篁量墨笪( ! ! 兰) 的开发过程 中，需要建立站场信号平面图有关元素的数据库，以供 高级语言进行存取、处理和显示。而现在数据库的建立 完全依靠人工输入，费时、费力，且又易出错。不仅在 调度监督系统中存在这种问题，在诸如实时跟踪等其它 铁路自动化系统中，铁路站场信号平面图的计算机输 入、处理也是不可避免的，因此，很有必要把这一部分 交给计算机来完成。从而，可以节省人力、缩短系统开 发时间、降低系统开发成本，同时，对工程图样的计算 机辅助处理在铁路中应用的发展也有一定的意义。本论 文就是完成这一部分的功能。 本文首先介绍了工程图样处理的现状、特点、发展 趋势以及a u t o c a d 软件技术的发展及现状：然后介绍 了实现本文选题的两种方案及实现方法。 这两个方案为： 第一，应用a u t o c a d 进行二次开发，首先创建图 元库，在图元的基础上，人工绘制站场信号平面图，自 动生成相应于站场图的数据库。 第二，选择合适类型的数字扫描仪，根据扫描进计 算机的图形做相应的处理，生成数据库。 论文的总体思路图如下页图所示：桴 主题词：工程图样、夕氇、辅助处理、多托 州 g o 饕 二 菩 _ 的键。 定制的菜单条移动到右面栏中并出现在a u t o c a d 菜单祭上。 7 。关 l lm e n uc u s t o m i z a t i o n 对话框。 8 在屏幕上画一些股道、僖譬灯、道岔等，试验一下定制菜单。 至此，菜单定制完毕。应用软件的环境己经初具规模，但是， 为了工作方便，再制作自己的工具板。 嚣、工翼板豹霆潮： 为了绘图方便，需要产生自己的绘图工舆板，命名为 d r a w t o o l ，包攒“股道”按镪、“矢量图数据”按钮、吖言号灯” 予工具扳襄“邀岔”子工具投。“信号灯”子工具扳又憩括不同 的信号灯按锺，“遂岔”予工其板又包瑟不同的道岔按镀。这里 以d r a w t o o l 工媳板和“股邀”按钮的生成为例来说明工具板和 按镪的生成过瑕。 l 、建立工具缀瓣步骧： ( 1 ) 在任何工具扳上单击商鼠标键。t o o i b a r s 对话枢出现打开 了。 ( 2 ) 击n e w 键。n e wt o o l b a r s ( 薮工具条 对话框出魏了。 ( 3 ) 在t o o l b a rn a m e 输入稽里键入z 自r a w y o o ，然后穗0 k 。一 个空白的工具板出现在a u t o c a d 的视图区中。 注意a c a d d r a w t o o l 现谯出现在t o o l b a r s 对话框列表中。 现在藏可戮在工獒叛土壤鸯羹簸锾了。 2 、定制按钮的步骤： ( 1 ) 再次打开t o o l b a r s 对话框，然后单港c u s t o m i z e 。 北方交太硕士学垃论文 ( 2 ) 从下拉菜单中选取c u s t o m ( 用户化) 。现在列表框显示两 个空白框，一个炭示单个命令，另一个表示浮出菜单( 袭示浮出 荽攀翡毽豹玄下角有一个小三建) 。 ( 3 ) 单击并撼动单个命令空白钮到新工凝板上。 ( 4 ) 在新工具板上用有鼠标键单击空白钮。b u t t o np r o p e r t i e s ( 镪性能) 对话框出现了。这个对话框可蝴来定义用户按钮。定 义臻户按锈酶步骤鲡下： 首先，在n a m e 输入框，键入6 u d a o 。这将怒此按钮的工舆名。 其次，在h e l p 输入框中，键入“插入股邋”。这将是此按钮的 帮助信息。 第三，在m a c r o 输入框，键入如下一行； 它+ c i n s e r tg u d a o d w g 第翻，建立用户按钮图标。 已经恕按镳缝联毫重要帮努都定义了。凌在只翥要建立一个 用户图标来建立股道钮。 1 在图标滚动橇，向下翻动别表直至看到个空白的图标。 2 攀击空白的潮檬，然后荜豢e d i t ( 编辑) 。b u t t o ne d i t o r ( 按 镊编辑器) 密蕊了。按锤编耩嚣就蒙一个非常篱荜静绘鞫程序。 3 画个股道的豳标。 4 肇击s a v e ( 存盘) ，然厝荤击c l o s e ( 关闭) 。 5 农b u t t o np r o p e r t i e s 怼落摇中，擎壹a p p l y 。耱会器劐震户 图标出现造工舆板中的按钮中。 6 现在单击t o o l b a r s 对话框的c l o s e 键。 现在，“骰道”按钮裁可以使用了，使用时象其它按钮样 操作鄄可。 依次类推，建立所有的工具板和按钮。 在这一节中，我们已经宪成a u t o c a d 的二次开发，建立应用 较传戆巧凌，臻起了整个槎絮。毽是，鬟蘩按锺“数撰生成”是 由一个a u t o l i s p 应用软件完成的，离开它，整个二次开发无任 何意义。因此，下一节介绍该应用程序。 北方交大硕士学位论文 繁二节数摆文件熬生藏 论文的癸求是缮到已绘凄圈澎於数据，镶籍各个图元斡坐标 及名称，生成文本文件，即需要与a u t o c a d 进行数搬交换。 a u t o c a d 中数据交换的方法有三羊幸。下瑟介绍： 、a u t o c a d 数据交换方法 ( 1 ) 数据库方法 在现代c a d 系统中，随藿数据罩中类与数摄总量的急剧增加， 把数据从c a d 系统中独立出来悬一太趋势，也是不同软件系统接 口熬鸯效手段。a u t o c a d 觚r 1 2 舨开始，挺攥了与数据库( 鲡d b a s e i i i 、o r a c l e 、i n f o r m i x ) 的接口，即a s e ( a u t o c a ds q le x t e n s i o n ) 。 这样，不丽鹃痘餍程序都可僭韵数据瘁实现数据交换，藏楚所谓 的数据方法。 数据库方法的优点蹙：把程序和数据相对独立。减少了各程 序模块闯的相互依赖性，修改一个模块或增热一个模块，都不会 影响到其它模块。建立了数据与图形之间的联系，即通过数据库 夔操馋霹敬对强形实瑗壹溜、掺改、复潮、裂除等撩 扛。 箕缺点是：由于需要另外的数据库管理系统，因此增加了系 统斡较硬彳孛湃销，对子开发者要求离，癸； 露熬悉a u t o l i s p 或a d s 和s q l ，编程量大，开发周期长。 ( 2 ) 闰形数据库方法 a u t o c a d 不仅是一个绘图工具，其实a u t o c a d 魂是一个幕后 的数据库管理者。每个实体( e n t i t y ) 作为a u t o c a d 图形数据库 戆一个记录嚣存在，每人记录惫会实体熬名字葶珏尼键售息以及空 间位鼹。另外，a u t o c a d 阁形数据库还包含袭数据和环境设置信 惑鼗罐。这类表数据记录豹是关于整个图形藤与其传静菜令实 体并无直接联系的信息。另外，a u t o c a d 还增加了扩展实体数据 ( e x t e n de n t i t yd a t a ) ，通常称为x d a t a 。x d a t a 使得应用程 序超越了只能将j e 图形信息附加到块上，丽麒只能附加属性数据 北方交大硕士学位论文 这一限制。使用x d a t a ，可以把任何类型的数据附给任何类型的 实体，且x d a t a 存入图形文件中( a s e 不能将这些非图形数据写入 a u t o c a d 图形文件中) 。 使用图形数据库的优点是：1 数据交换更直接、灵活；2 不 增加系统的软件开销。其缺点是：1 数据量有限；2 降低系统运 行速度；3 x d a t a 还需制定数据标准，实现应用程序与数据共享。 ( 3 ) 用数据文件方式实现数据交换 数据文件是不同应用程序间，不同计算机语言程序间数据传 递的最普通方法。 数据文件既可以是二进制文件又可以是文本文件。从运行效 率上看，二进制文件速度快，且节省磁盘空间，但有些计算机语 言不能对二进制进行读写操作。 这种方法的主要优点是：结构简单，应用程序代码相对较少， 编程比较容易，对运行环境要求不高，可用一般文本编辑器建 立和修改数据文件，一个大的系统可用不同的计算机语言进行编 程。 其主要缺点是：各模块要依赖于同一数据结构，在某一模块 中对数据结构的修改必要影响到其它模块，造成程序间的维护相 对不太方便。 在论文中，我采用了a u t o c a d 内部专用编程语言a u t o l i s p 作为工具，利用数据文件进行数据交换，开发应用程序 s l g e t d t i s p ，把应用程序定制为菜单“矢量图数据”，从而实 现论文的目的。 二、程序功能： l 、提取图形中所有图元的数据； 2 、在提取的数据的基础上生成文本文件。 三、程序流程图： 北方交大硕士学位论文 主程序流程图 北方交大硕士学位论文 块数据处理子函数流程图 四、程序源代码：( 见附录b 1 ) 五、系统中的具体应用： 在系统中，通过菜单按钮“数据生成”来实现该应用程序的 功能，也可以通过命令行键入g d a t 命令实现。 兹方交大硕士学位论文 第三节评估该系统对原有系统的改进 募育系统巍可泼宠袋本系统完瘦弱功戆，为劳么还甏菝费气 力来重做一个系统哪? 下面从新系统的可行性、先进性、提高效 率的程度等几个方面阐述一下这个问题。 1 、可行性 该系统是慈立在a u t o c a d 较 孛基磕上黥二次开发，图形赛蘑， 操作简单：a u t o c a d 作为一个广泛应用的软件，为大多数人所熟 愁，可以消除人们对系统的恐惧，易于推行；a u t o c a d 二次开发 麓单抉婕，残本少；a u t o c a d 软件功穗强大，臣它为开发平台， 能满足功能要求，同时，扩鼹容易。因鲍，采用本系绕怒可行的。 2 、先进性 原系统的操作完全采用人工，在现在信息他时代，当然落后。 采震本系统，搡 筝瑟其嚣转韵屈次鬣标，羧咒令按键，帮可完藏 栩闷的功能。因此，本系统其有原系统无法相比的先避性。 3 、效率的提高 缀来豹数攒文终是由人王一孝亍嚣麓入豹，嚣且输入熬数据文 件中部包括各个闰元的坐标，其坐标的生成是通过c 添意绘图中 一次次反复尝试，人工分割界面像素来完成的。因此，效率非常 低。个不大的站场信号平颟图完全完成需要就需要一个人两天 匏瓣阗。纛栗瓣零系统嚣，淄样静蘩场信号早嚣霆翼嚣黉两个，l 、 时的时间绘制，绘制完，只袋单击菜单条“数据生成”，& 口可产 生数据文件，供c 以及其它离级语言存取，不必一次次尝试。比 以藏大大提褰了王 睾效率。 据实际测试，画二& 口站的信号霞，从生成数据到生成c 语言 图形，应用本系统只用了一个操作员两个小时的时间。而应用原 系统，则需要个操作员八个多小时的时间。二郎站只是个较 夺黪菇，较大戆辩效率懿爨麓会更麓饕显。 杖留疆扣。=|髻熬瓷辞 楚方交大疆士攀覆论文 第四章光栅文件矢量化技术 盘子c a d 技本在凌嚣熬应耀不叛深入发震，人们对传统熬图 形输入方法即借助鼠标、键擞或数字化仪点一划的进行图形输 入感到越来越不能满足要求，因此提出了通过工程扫描仪将图纸 彼一次自动输入副计算飒中，蠢经过一定的转换处理，馊其变残 c a d 格式，从_ 瓣经鎏纸静输入、穆改和存麓变褥非常方镬。这藏 对工程图识别技术提出了较邋切的要求。在本章中介绍工程图识 别技术其中之的矢量化技术的现状、发展。首先介绍光栅模式 程矢量摸式静壤念。 第一节光栅模式与矢量模式 无论是圈影静输入、生成、存储、凳溪域输毒，都楚良矢量 模式或光栅模式这两种形式柬表达图形的。以显示器为例，在随 机扫描的c r t 中，电子束像一支快速移动的画笔，实际勾画出要 显承豹墨影，魄予家裰据嚣戮可在荧党器瓣任意方悫上适续扫 擒，没有固定掴摇线和规定扫描顺序的限制，它描绘的图形只熊 悬单线条图形，故称随机扫描，也称矢量j 搿描或轨迹扫描。笔式 绘图枧是典型的矢量设备。 在光撩季j 攘煞c r t 孛，淹予宗依照霾患懿扫接线帮嫂定懿扫 描顺序，自上丽下，从左到右扫描。光栅图形也称点阵阁形，可 以有灰度和色彩，为了保证圈形显示且不闪烁，要将鼹示的图形 不激戳一定频度潮囊，蒡零矮骥缓沣器褥每一象素魏灰发或色彩 慎寄存起来。喷鍪绘图机是藏型的光裰设锯。 矢量式图形输入工作量大，速度慢，但设备成本低，矢量存 储信息量小，对图形干乍进一步处理较灵活方便：光栅式图形输入 王俘鲎小，速痰浚，成豫准确，僵赣天懿德意量太，怼强髟懿逮 步处理复杂，矢量化困难较大，设备成本较高。 随着计算机存储量增大，运算速度加快，图形输入输出设备 4 2 北方交天硕士举位论文 的发展，一个非常明显的趋辫是图形输入输出方法中光栅模式越 来越占据主导地位。而在图形处理中多用矢量模式，因此，由光 攒模式黉矢量援式戆转变就受懿缀重要了。 第二节矢量化技术基本算法简介 所疆矢量诧羧拳，裁霆对涛季王撞缮到戆竞援塑像避行识爱转 换丽生成c a d 系统可以接受的矢量图形的一种技术的总称。 矢量化技术一直是工程髀及国内外专寐学者悉心关注的焦 点，著投入了大整豹人力物力避季亍秘究，墩形成了一些实用的软 件。成熟的箕法宥：基于图形模式快速纲纯算法的工程豳识采方 法( 简称细化法) 、基于中心线跟踪法的工程图识别方法( 简称 中心线法) 、錾于轮廓跟踪鳟法的工程图识别方法( 简称轮廓线 法) 、基于轮辩鼗踩与轮癣矢量匹配算法静互程藿谖剐方法( 笾 称轮廓匹配法) 。下面进彳亍简单的介绍： 图形模式的快速细化算法就是对称删除二值图线点阵上的轮 廓边缘点，使冀变成线竟只巍个像素的露粱圈线。优点是细化 屠静骨粱匿线怒愿有图线懿中心线，较好遗保留了器青鬻线鳐绝 大部分特征，又有利于特征撼取；细化后的骨架图线的信息储存 爨比原来的二德点阵要少得多，降低了图形处理的工作麓；细化 邃缓浃，对诗纂壤戆露存及交换窒阗要求不裹。缺点蔻遵遣缨纯 得到的中心骨浆含有较大的嗓音，甚至会产生新的畸变，增加了 对工程图识别的干扰和困难；常产生交点畸变，不利于精确求交。 基于罄形凝式快速细化冀法熬工程照识剐方法，裁蹩在图形 模式快速缩化法豹基磷上，对褥到翡中心静絮迸罨亍攘索帮藏踩， 根据线段的斜率识别和提取赢线，根据曲率识别和提取圆或圆 弧，根据统计法域结构法识别和提取字符。其优点是算法简单， 甾意曩多，对麓箨环凌要求不寒等。可敬蓼 裂壹线、鞭、援弧、 魔线、中心线、自由曲线( 丽拟台方式) 和字符。缺点楚细化后 的点阵信息较少，误识别率较高；识别出来的线型不具有线宽信 裴方交夫顼学霞论文 息；不能识别实心体及填充隧域；对复杂交线会识别成短线碎片； 产生交点畸变，难于准确求交。 孛心线瑟瑟方法羲是鼹黢、接素二毽嚣线点蓐粒审，玉像素 点，形成一条图线中心多义线。与细化筹法相比其优点楚信息储 存赞更少并且谯以后的分析、解剖和判断中可以直接进行矢量操 睾，提高了诗雾效率。 基于中心线舔踩算法的工程闺识嗣方法，就是在中心线舔踪 算法基础上，敷接对其得到的中心多义线避行解剖、分析和判断， 分别根据各种图索和字符的不同特点进行识别和提取，具有运算 效率裹，线宽臻怠全等谯点；瞧迄有会忽渗，l 、予瑟令豫索宽魏图 线的缺点。 轮廓跟踪算法跟踪图线点阵上的边缘像素点，用多义线表示 彤成，形成点阵蓬线轮廓矢擞，能很好表现各孝中标志、符号、字 体嚣印涮电路舔，有图线特缝信患全等特点，毽龟有僚惑存储量 大，需交换空间大等缺点。 基手轮廓跟踪算法的工稷图识别方法，以轮廓跟黥算法得到 熬埝蘩矢垂为基端，对轮臻矢塞遴蠢适当鹣嫒整帮光溅，能够 导 到较好的视觉效果，并虽可以对轮廓矢量的中空部分避行填充。 缺点是没有识别基本图素，为以后c a d 系统的图形理解惜来困难， 同时，矢量文件也比较大。 基于轮瘠鞭踩与轮瘁矢蘩篷配算法煞王程鋈谖嗣方法，在轮 廓e 艮踪得到的轮廓矢量基础上，首先进行字符轮廓的分割和提 取，用统计法线结构法提取和识别字符；其次，对轮廓矢量进行 亵酝；再次，瓣轮薅矢量匹瓣缍栗进行鳃剃、分撰窥粼凝，透过 闰形矢量拓拎结构的构造等技术，得出其有线宽信息的各种蚕 索，且通过分析它们的矢量拓扑结构进行精确求交。优点是保留 的溷形特征多，具有识别率藤，可以识别实体与填充域簿特点， 懿建，遣其存系统庞大、运繁速度低、鬟鬟懿交换空溺六等袋点。 l l 方交大颐攀使论文 第三节矢量化技术现状及发展趋势 矢量伲技术蹩一f l 多学科交叉技术，主要涉及数字黼像处理 ( i m a g ep r o c e s s ) ，模式识别( p a t t e r nr e c o g n i z i t i o n ) ，人 工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) ，c o c a d 技术等。将矢量 纯懿功麓、葵法鹰软舞技术予以实壬曼，凝残为矢量讫软件。 一、矢量化技术概述 矢量化处理也可称之为矢量识别处理，因为它着眼于将光栅 点蹲信息识别为矢量图形信愍。从识别的角度来讲，矢蹩化可以 分为三个不蘑菇次：圈影谖裂、文字