接触网三维模型 · 零件算子库

Railway Overhead Catenary System — Parametric 3D Models & Part-Operator Library

面向铁路接触网（OCS）参数化三维建模的开源交付：一套零依赖的零件算子库，以及由该算子库生成的四个单文件、离线可用的三维模型。

English abstract — An open-source toolkit for parametric 3D modelling of railway overhead catenary systems: a dependency-free part-operator library together with four self-contained, offline-capable single-file WebGL models. No build step, no external library, no network access required.

一、概述

铁路接触网零部件种类繁多、装配约束强、尺寸受多部技术标准与图纸交叉限定。本项目的技术路线为 零件 → 装配 → 布局 三级递进：将零件建模抽象为可复用的 零件算子，再由算子装配成柱型单元，最终布局成完整锚段。

全部模型为单文件 HTML，采用自研微型 WebGL 引擎渲染，双击即可用浏览器打开，无需服务器、无需构建、无需联网。

二、模型清单

文件	内容
`模型/接触网四跨锚段关节3D模型.html`	四跨非绝缘锚段关节 · 五柱四跨 · 简单链形悬挂
`模型/接触网四跨锚段关节3D模型_受电弓视角版.html`	同上，附受电弓第一人称骑乘视角
`模型/接触网四跨锚段关节3D模型_受电弓视角版_低配.html`	同上，面向无独立显卡设备的降载版本
`模型/接触网中间柱3D模型.html`	柱型可切换模型：内置中间柱、转换柱、中心柱、锚柱四种柱型的完整几何与装配，界面内一键切换

关于命名：接触网中间柱3D模型.html 沿用早期命名，实际内容不限于中间柱。该模型内置四种柱型（colType = M 中间柱 / X 转换柱 / C 中心柱 / A 锚柱），以及五种柱型配方，可在界面左侧「柱型（锚段）」处直接切换，无需另开文件。

模型规模实测

模型	零件数	顶点数	三角面数
四跨锚段关节	84	1,550,238	516,746
├ 其中承力索（单件）	1	709,320	236,440
└ 其中拉线（单件）	1	159,312	53,104
中间柱（默认柱型）	84	298,596	99,532
受电弓（骑乘视角）	—	—	1,312

三、技术特色

3.1 承力索按绞线建模（非光滑圆柱）

承力索采用 strandCable 算子建模：中心股＋外层 6 股沿轴线螺旋缠绕，具有真实的绞线外观与外包络尺寸，而非简化为光滑圆柱。

模型内坚持单一事实来源：绞线外包络半径 = 0.92 × 传入半径，故调用点统一传入 msgR / 0.92，使绞线外包络严格等于承力索设计外径 φ11。

拉线（钢绞线）、供电线与回流线（铝包钢芯铝绞线）同样按螺旋绞线建模，其中附加导线按「降股降段」处理以控制面数，但仍保持螺旋绞线形态。

3.2 接触线按异型断面建模（含悬吊沟槽）

接触线并非圆截面，而是按 CT-120 异型断面（TB/T 2809-2017 表2） 以 CON_PROF 轮廓常量沿导线中心线挤出成型，其头部左右两侧开有悬吊沟槽、槽口朝外。

线夹亦按该断面建模：线夹片体的突出部伸入同侧沟槽腔，以啮合方式夹持，而非以包围圆截面的方式简化处理。

3.3 线夹布置不侵入受电弓动态包络线

接触线上的各类线夹按不侵入受电弓动态包络线的原则布置与建模，以满足受电弓取流的安全限界要求，保证弓网受流面不被线夹侵占。

3.4 技术标准符合性

模型的关键尺寸均以现行技术标准为依据，并在代码内逐条登记出处：

对象	依据
接触线 CT-120 异型断面	TB/T 2809-2017 表2
棒形腕臂瓷绝缘子结构高度 H = 760 mm	TB/T 3199.1-2018 表1
承力索座型号 GDB1（适用管径 60）	TB/T 2075.1E 表6
附加导线悬挂金具（吊环／杵座鞍子／双耳鞍子）	TB/T 2075.20-2010
补偿滑轮组 G1:3（1:3 传动比）	TB/T 2075.12A(G1:3)—10
定位环、锚支定位卡子	TB/T 2075.3B / 3C / 3D 系列
补偿滑轮间距 ≥ 500 mm	《接触网运行维修规则》§114(四)4

模型内置合规审计表（dumpScene() 内 compliance 段），对中心柱接触线等高、中心柱拉出值 200 mm、中心柱承力索高差 300 mm、上下底座竖向间距 1700 mm、双腕臂底座沿线间距 1200 mm、线夹座至导线中心线闭合等指标逐项判定 pass / fail。

3.5 零件算子库开源（本项目核心价值）

这是本项目最主要的开放内容。

交付的不只是四个成品模型，更是生成这些模型的零件算子库：

算子/零件算子/parts.js —— 零件算子（参数进 → 几何出）
算子/算子核心/geom.js —— 几何核心
算子/样板/空白中间柱.html —— 空白样板，不含任何算子源码，入库即用
算子/接口规范_零件资产.md —— 零件资产接口规范（见 §4）

使用者可基于算子库自行搭建新的柱型、新的锚段、乃至新的线路区段，而不必从零复刻几何；亦可将算子库接入自身的批量建模流程。

四、三条硬接口契约

「可拼接」的前提，不是零件画得多细，而是每个零件都遵守同一份契约。

单一事实来源 —— 一个几何量只在一处算出，其它所有地方引用它。
不得依赖隐式前提 —— 语义必须写进代码，不能靠"当前数据恰好满足"。
无模块级可变状态 —— 零件函数必须是"参数进 → 几何出"的纯函数。

上述三条并非理论设计，每一条均源自一次真实事故，规范文档内附四例反面实证。

五、技术实现

自研微型 WebGL 引擎（不依赖 three.js 等任何第三方库）：

BUF 顶点缓冲 → part() 分组 → withM() 真矩阵栈 → upload() 交错打包（14 个 float / 顶点）→ drawArrays 提交；
内置阴影通道（SHADOW_SIZE = 2048 深度贴图）、屏幕拾取、剖面、三维标注层；
设备像素比自适应，窗口尺寸变化时重建画布。

受电弓为真三维几何，非贴图或二维叠加层：

受电弓与模型共用同一 WebGL 上下文与深度缓冲，在模型本帧绘制完成后，以同一套投影／视图矩阵提交绘制。因此导线、腕臂、支柱与受电弓之间的遮挡关系真实正确 ——受电弓被导线遮挡的部分即被正确遮挡。

六、审计接口

模型暴露 window.__CAT，供自动化核验几何，避免以目测代替验收：

__CAT.PT              // 零件类型表
__CAT.PARTNAME        // 零件 id → 名称
__CAT.partGeom(id)    // → { id, name, verts, tris, points[] }
__CAT.dumpScene()     // 全场景快照（含合规审计段）
__CAT.pick(x, y)      // 屏幕坐标拾取

骑乘视角版另有 window.__RIDE：

__RIDE.enter() / exit()
__RIDE.state          // { on, x, v, mult, off, panto, ... }
__RIDE.project(p)     // 世界坐标 → 屏幕 { x, y, w }
__RIDE.glInfo()       // → { ok, tris, ctx, size }

验收口径：几何结论一律以工具回读为准，不以截图目测为准。算子库附带 verify_parts_lib.py，采用 Möller–Trumbore 三角级求交、逐件顶点哈希、帧内 gl.readPixels 回读进行比对，并内置负控（故意注入偏差，必须报错方证明校验器本身有效）。

七、低配模式（无独立显卡设备）

针对 Windows 7 ＋低主频 CPU ＋小内存＋无独立显卡 （浏览器退回 SwiftShader 纯 CPU 光栅）的部署环境，低配版做了三组降载：

组别	措施
像素	设备像素比上限 2 → 1；设像素预算 1280×720，超出则等比缩减画布（CSS 仍铺满窗口）
三角	顶点按 10 m 线路分块重排，每帧仅提交相机 ±60 m 范围内的块；默认关闭阴影通道
面数	圆柱／球／多段管段数折半

关键约束：分块重排仅重排送往 GPU 的副本数组，原始顶点缓冲保持不变，故 partGeom、审计与拾取的语义完全一致。

实测（开发机 RTX 4060，非目标机；每帧量以 drawArrays 插桩、3 帧采样）：

指标	标准版	低配版	变化
全场景三角（逐件合计）	516,746	289,234	−44%
全场景顶点	1,550,238	867,702	−44%
画布像素	2400×1401 = 3.36 Mpx	1256×733 = 0.92 Mpx	−73%
每帧提交三角	1,060,725	169,139	−84%
每帧光栅像素（含阴影通道）	3.36 ＋ 4.19 = 7.55 Mpx	0.92 Mpx	−88%
每帧 draw call	3	15	＋12
阴影通道	开（2048²）	关	—

draw call 由 3 增至 15，系分块剔除将单次全场景提交拆分为多个小批次所致，由此换取 84% 的三角削减。

内存为低配设备的主要瓶颈：顶点 JS 数组约占 150–200 MB，连同交错 Float32Array 约 89 MB 与 GPU 副本约 89 MB。因此降低面数为必要措施，而非可选项。

兼容性：全部代码为 ES5 语法（不使用箭头函数、模板字符串、let/const）， Windows 7 上可用的最高版本 Chrome 109 可直接运行。若设备使用较新版本 Chrome 且无独立显卡，可能需以 --enable-unsafe-swiftshader（或 --use-angle=swiftshader）参数启动方可建立 WebGL 上下文。

八、已知偏差与未闭合项

本节如实登记当前版本尚未达到设计要求或尚未闭合的事项。 相关结论不得用于施工、下料或作为设计依据。

8.1 平腕臂套管双耳与承力索座的间距

部分柱型下，平腕臂上的套管双耳与承力索座在几何上被并入同一区段， 未保持规定的 300 mm 间距。该偏差在本次发布中未予修正。

8.2 补偿装置的线索缠绕方式

补偿装置的滑轮组绕绳为已知未闭合项，模型内已有明确登记：

定滑轮与动滑轮之间的两股绳，系按「轮半径＋绳半径」的几何切线推求而得，未与 G1:3 补偿滑轮组（TB/T 2075.12A(G1:3)—10）产品图或厂家穿绳图的 绳槽走向核对；
所据立面图仅标注轮位与间距「≥600」，未画绳；产品级穿绳图本期未取得；
因此「哪一股绳压哪一股、死端锚于哪一块夹板、绳在轮槽内绕几圈」属未证实；死端锚点亦为推定。

⇒ 不得据本档施工或下料，须待设计方或厂家穿绳图确认后回改。

8.3 模型自报的未闭合审计项

模型合规审计表内以 pending 状态登记的项：

审计项	期望	登记原因
`dropper-rope-path-eye-clearance`	吊弦绳路径与耳环管无干涉	附着坐标闭合不足以确立绳路径间隙
`locator-clamp-profile`	74×35 mm、52 mm 孔距、M10	仅有零件库外形尺寸，断面与啮合未核
`anchor-output-drawing-basis`	图纸依据的终端点与引出几何	自定义终端几何连通，但未与终端图纸核对

此外，dropper-eye-closure、base-vertical-spacing 等项在部分柱型下亦为 pending 而非 pass。

九、运行方式

# 直接打开（推荐）
双击「模型/」下任一 .html

# 或启动本地静态服务器
python -m http.server 8000
# → http://localhost:8000/模型/

算子库自校验（需模型文件位于同级 模型/ 目录）：

python 算子/零件算子/verify_parts_lib.py            # 正控：应返回 0
python 算子/零件算子/verify_parts_lib.py --negctl   # 负控：应返回非 0

若模型不在默认位置，可用环境变量指定仓库根目录：

CATENARY_ROOT=/path/to/catenary-3d-model python 算子/零件算子/verify_parts_lib.py

十、关于本仓库

本仓库仅包含算子与模型本体。 项目所依据的参考资料（内部图纸、技术标准扫描件、现场照片、装配数据台账等） 均未包含，亦不在版本历史中。

发布副本已作去内部出处处理：

移除模型内嵌图纸索引中的内部文件路径与文件哈希；
内部图号统一替换为中性代号（R-M# / R-J# / R-A# 系列）；
移除内部线路名、内部图册名与内部文档目录引用；
移除开发机绝对路径。

验证结论：替换前后逐件几何签名完全一致 （84 件、1,550,238 顶点、516,746 三角面，逐件顶点哈希逐位相同），四个模型的渲染与交互行为一致。

予以保留：TB/T 等国家／行业公开标准的引用，属正常工程实践，非内部资料。

使用与授权

本仓库内容用于技术交流与参考。代码与模型可供学习、研究及内部评估使用；如需用于商业用途或再分发，请先联系作者。模型中涉及的铁路零部件标准归各自标准发布机构所有。

附录：目录树

catenary-3d-model/
├── README.md
├── 模型/
│   ├── 接触网四跨锚段关节3D模型.html
│   ├── 接触网四跨锚段关节3D模型_受电弓视角版.html
│   ├── 接触网四跨锚段关节3D模型_受电弓视角版_低配.html
│   └── 接触网中间柱3D模型.html          （含 M / X / C / A 四种柱型）
└── 算子/
    ├── 接口规范_零件资产.md
    ├── 零件算子/
    │   ├── parts.js
    │   └── verify_parts_lib.py
    ├── 算子核心/
    │   ├── geom.js
    │   ├── test_geom.js
    │   ├── verify_migration.py
    │   ├── audit_nesting.py
    │   ├── _ccheck.py
    │   └── _det_check.py
    └── 样板/
        └── 空白中间柱.html

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