公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與開發(fā)

1、公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與開發(fā)（建筑之家）摘 要： 為解決山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中路線方案比選和優(yōu)化等迫切問(wèn)題，在數(shù)字地面模型技術(shù)的基礎(chǔ)上研究和開發(fā)了公路平、縱、橫和三維模型之間實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)互動(dòng)的公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。關(guān)鍵字： 公路優(yōu)化設(shè)計(jì) 公路cad軟件 路線方案必選1背景近年來(lái)隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大，我國(guó)的公路建設(shè)已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，當(dāng)大量新建公路紛紛竣工通車之際，一些公路的維修、擴(kuò)建、改建項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)工作亦愈來(lái)愈多。怎樣準(zhǔn)確快速的擬和原公路的幾何線形、視檢安全、合理的工點(diǎn)拼接改建方案，有效落實(shí)公路建設(shè)的新理念和指導(dǎo)思想，加強(qiáng)改擴(kuò)建公路總體設(shè)計(jì)和路線方案比選、優(yōu)化等等，都對(duì)

2、我們勘察設(shè)計(jì)工作和技術(shù)提出了更多更高的要求。為解決改擴(kuò)建公路上述瓶頸問(wèn)題，我院在數(shù)字地面模型技術(shù)的基礎(chǔ)上研究和開發(fā)了公路平、縱、橫和三維模型之間實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)互動(dòng)的公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。2目前路線方案優(yōu)化的方法和流程2.1 目前利用cad技術(shù)進(jìn)行路線方案優(yōu)化的方法和流程目前國(guó)內(nèi)較為成熟的公路cad 軟件已經(jīng)具備了數(shù)字地面模型（dtm）功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在路線平面方案確定后，從dtm上采集獲得路線縱橫斷面地面高程等功能。目前進(jìn)行具體的路線方案優(yōu)化的流程是：路線平面設(shè)計(jì)定線或修改應(yīng)用dtm插值得到縱橫斷地面線數(shù)據(jù)資料縱斷面設(shè)計(jì)和豎曲線設(shè)計(jì)或修改路基設(shè)計(jì)（超高和加寬設(shè)計(jì)）橫斷面設(shè)計(jì)與繪圖土石方數(shù)量計(jì)算

3、。當(dāng)發(fā)現(xiàn)土石方數(shù)量過(guò)大、橫斷面與實(shí)際地面的組合不夠恰當(dāng)、填挖方邊坡較高或者受不良地質(zhì)情況制約需要優(yōu)化時(shí)，則回到第一步的調(diào)整平面開始，依次進(jìn)行多次的循環(huán)，直至達(dá)到滿意為止。目前優(yōu)化設(shè)計(jì)流程參見圖19-16、19-17、19-18、19-19和圖19-20所示。 圖19-16（平面調(diào)整優(yōu)化） 圖19-17（縱斷面調(diào)整優(yōu)化） 圖19-18（縱橫斷地面線剖切） 圖19-19（橫斷面設(shè)計(jì)修改）平面設(shè)計(jì)定線或修改應(yīng)用dtm插值縱橫斷地面線縱斷面設(shè)計(jì)或修改檢查與評(píng)審不滿意路基設(shè)計(jì)（超高和加寬設(shè)計(jì)）橫斷面設(shè)計(jì)與繪圖土石方數(shù)量計(jì)算完成優(yōu)化過(guò)程滿意重新調(diào)整平面或縱斷面開始設(shè)計(jì)目前的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖19-20在優(yōu)化過(guò)

4、程中，每調(diào)整一次路線平面（或縱斷面）設(shè)計(jì)，都必須重新采集得到一次縱橫斷面的地面高程數(shù)據(jù)，重新作一次路基設(shè)計(jì)，進(jìn)行一次橫斷面設(shè)計(jì)（戴帽子）與繪圖。很明顯，這種循環(huán)是單向的、需要反復(fù)很多次，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間和很多的精力，實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要多名設(shè)計(jì)人員的配合，這就常常導(dǎo)致路線方案必選工作不夠充分，優(yōu)化深度不夠。所以有人說(shuō)：山區(qū)公路路線方案的必選與優(yōu)化工作的深度，取決于設(shè)計(jì)者所花費(fèi)的時(shí)間精力和耐心程度。2.2 三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的專業(yè)應(yīng)用需求如何提高路線優(yōu)化效率和精度，能夠在dtm的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)剖切縱橫斷面，在屏幕上直接任意動(dòng)態(tài)修改調(diào)整平面、縱面的同時(shí)，能實(shí)時(shí)瀏覽到橫斷面以及橫斷面與原始地面的

5、填挖切割等情況，一直是許多路線專業(yè)工程師所夢(mèng)寐以求的愿望。3三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)基于以上背景和需求，我們?cè)谀壳耙呀?jīng)在全國(guó)各專業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用的緯地三維道路cad系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)國(guó)內(nèi)第一套公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和cad軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的公路平、縱、橫和三維模型的可視化、關(guān)聯(lián)式優(yōu)化設(shè)計(jì)。解決公路路線優(yōu)化的難題，提高路線優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率和精度，進(jìn)一步加強(qiáng)公路建設(shè)中的路線方案總體設(shè)計(jì)，貫徹交通部關(guān)于加強(qiáng)地形選線、地地質(zhì)選線等理念。3.1 公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)組成三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要由以下功能模塊組成：u 高速dtm引擎：三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是以高速dtm內(nèi)核引擎為

6、基礎(chǔ)的，保證在平縱面動(dòng)態(tài)調(diào)整的同時(shí)，實(shí)時(shí)地剖切插值，獲得任意坐標(biāo)位置的準(zhǔn)確的地面高程信息。該功能模塊支持公路所特有的海量帶狀dtm數(shù)據(jù)，同時(shí)具備自動(dòng)分段、快速提取等功能。u 多程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)同交換中心：該功能是三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化技術(shù)各功能模塊的數(shù)據(jù)交換中心，請(qǐng)參照后面所附結(jié)構(gòu)圖形，我們可以看出所有功能模塊均要與數(shù)據(jù)交換中心實(shí)時(shí)通訊，通過(guò)數(shù)據(jù)中心交換發(fā)送各功能指令和數(shù)據(jù)。它是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)支撐的，正是這一點(diǎn)使各功能模塊之間可以各自獨(dú)立運(yùn)行（可以分別在不同的計(jì)算機(jī)終端上運(yùn)行），又成為一個(gè)有機(jī)整體，完成三維優(yōu)化設(shè)計(jì)功能；數(shù)據(jù)中心的協(xié)同運(yùn)行功能，解決了本技術(shù)在處理超大數(shù)據(jù)量對(duì)計(jì)算機(jī)的配置的高端要求，第一使各

7、功能模塊的運(yùn)行各自獨(dú)立，互不影響（如不會(huì)因?yàn)槿S模型數(shù)據(jù)量大刷新速度降低而影響平縱面優(yōu)化功能的執(zhí)行），第二使該技術(shù)可以在一般配置的計(jì)算機(jī)上正常運(yùn)行。u 平面動(dòng)態(tài)定線與優(yōu)化模塊： 該功能模塊繼承原緯地路線平面動(dòng)態(tài)定線設(shè)計(jì)的功能，主要完成用戶平面定線和動(dòng)態(tài)調(diào)整，同時(shí)把調(diào)線的信息實(shí)時(shí)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，從而與其他功能模塊協(xié)同工作。u 縱斷面動(dòng)態(tài)拉坡與豎曲線設(shè)計(jì)模塊：該功能主要完成路線縱斷面拉坡設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化和豎曲線設(shè)計(jì)功能，同時(shí)與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息通訊，以達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)功能。u 路基設(shè)計(jì)模塊：該功能響應(yīng)每次從數(shù)據(jù)中心發(fā)送來(lái)的項(xiàng)目平縱面刷新信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行逐樁斷面的路基設(shè)計(jì)計(jì)算，為橫斷面設(shè)計(jì)和刷新提供數(shù)據(jù)支

8、撐。u 橫斷面設(shè)計(jì)與修改模塊：該功能響應(yīng)從數(shù)據(jù)中心發(fā)送來(lái)的項(xiàng)目平縱面和路基設(shè)計(jì)的刷新信息，自動(dòng)計(jì)算并繪制指定優(yōu)化區(qū)間的逐樁橫斷面設(shè)計(jì)圖和數(shù)據(jù)。u 土石方計(jì)算模塊：響應(yīng)從數(shù)據(jù)中心發(fā)送來(lái)的項(xiàng)目刷新信息，自動(dòng)計(jì)算逐樁斷面和整個(gè)優(yōu)化區(qū)間的土石方數(shù)量并發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)中心。u 三維虛擬仿真分析與評(píng)價(jià)模塊：該功能通過(guò)dtm地面模型與衛(wèi)星或航空正射影像圖的準(zhǔn)確疊加和對(duì)公路三維模型的實(shí)時(shí)貼圖與渲染，營(yíng)造出已有道路與新建成公路后的一個(gè)逼真的虛擬顯示環(huán)境；通過(guò)響應(yīng)從數(shù)據(jù)中心發(fā)送來(lái)的刷新信息，自動(dòng)刷新生成公路路基、橋梁、隧道等的實(shí)體三維模型。該功能不僅支持用戶從任意角度位置的縮放瀏覽，使用戶可以直觀地觀察公路幾何設(shè)計(jì)的三

9、維成果（如填挖方情況）等；更為重要的通過(guò)建立的公路行車（或駕駛）、行走、飛行等模型，進(jìn)行虛擬仿真分析，從而得到一系列的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，從而對(duì)公路幾何設(shè)計(jì)成果、公路與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性、行車安全等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為項(xiàng)目方案比選優(yōu)化、景觀設(shè)計(jì)、交通安全審計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。3.2 三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)各功能模塊的協(xié)同關(guān)系三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)各主要功能模塊之間以網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)和windows多線程運(yùn)行技術(shù)為基礎(chǔ)，以平、縱、橫和三維虛擬仿真等四大專業(yè)功能為重點(diǎn)，以數(shù)據(jù)交換中心軟件核心協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)路線三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。見三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)框架圖19-21、三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面圖19-22。平面定線與

10、優(yōu)化縱斷拉坡與豎曲線設(shè)計(jì)路基設(shè)計(jì)與計(jì)算橫斷面設(shè)計(jì)與修改土石方計(jì)算與調(diào)配網(wǎng)絡(luò)多程數(shù)據(jù)協(xié)同 交換中心（數(shù)據(jù)服務(wù)器）三維虛擬仿真與分析評(píng)價(jià)高速dtm引擎 圖19-21三維模型瀏覽窗口平面設(shè)計(jì)窗口網(wǎng)絡(luò)交換中心窗口橫斷面設(shè)計(jì)窗口縱斷面設(shè)計(jì)窗口圖19-223.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)待添加的隱藏文字內(nèi)容2由于三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和cad系統(tǒng)的開發(fā)不僅涉及到公路幾何設(shè)計(jì)方面的理論和方法，而且更多應(yīng)用到許多計(jì)算機(jī)軟件方面的新技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這里限于篇幅原因僅就應(yīng)用到的部分關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)作以簡(jiǎn)述。該技術(shù)開發(fā)應(yīng)用到以下關(guān)鍵技術(shù)：a) 公路數(shù)字地面模型構(gòu)建、優(yōu)化、分層簡(jiǎn)化（數(shù)模金字塔）技術(shù)；b) 長(zhǎng)大公路數(shù)字地面模型

11、的自動(dòng)分段提取技術(shù)；c) 公路平、縱、橫三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；d) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)e) 計(jì)算機(jī)多線程運(yùn)用技術(shù)（雙cpu和多cpu計(jì)算機(jī)運(yùn)用技術(shù)）f) opengl等三維動(dòng)態(tài)影像處理技術(shù)三維關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)參見圖19-23。公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)高速三維建模與優(yōu)化技術(shù)高速數(shù)據(jù)提取與分段技術(shù)高速數(shù)模插值計(jì)算技術(shù)平縱橫三維圖形實(shí)時(shí)刷新技術(shù)計(jì)算機(jī)多程運(yùn)用技術(shù)三維模型建立與顯示技術(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享技術(shù)三維動(dòng)態(tài)影像處理技術(shù)圖19-23本項(xiàng)目研發(fā)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)就在于：通過(guò)對(duì)數(shù)字地面模型自動(dòng)分段、任意切割與縫合、平縱橫關(guān)聯(lián)技術(shù)，和平縱橫三維關(guān)聯(lián)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)和計(jì)算機(jī)多線程運(yùn)行技術(shù)

12、的開發(fā)和集成應(yīng)用，真正意義上實(shí)現(xiàn)三維化關(guān)聯(lián)式的公路智能化設(shè)計(jì)，改變以往兩維或兩維半化的設(shè)計(jì)模式，徹底解決山區(qū)高速公路路線方案優(yōu)化設(shè)計(jì)困難，為大范圍同深度的路線方案比選提供核心技術(shù)支撐。以上關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。4三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)推廣應(yīng)用的重要意義三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和cad軟件系統(tǒng)的推廣應(yīng)用的價(jià)值和意義可以從以下幾個(gè)方面來(lái)總結(jié)：第一、公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，完全改變以往國(guó)內(nèi)兩維或兩維半化的公路勘察設(shè)計(jì)的思路和方法，實(shí)現(xiàn)基于dtm基礎(chǔ)上的全三維化、互動(dòng)式、集成化勘察設(shè)計(jì)，使我國(guó)公路cad技術(shù)達(dá)到一個(gè)全新的更高層面。這一技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，是我國(guó)公路勘察設(shè)計(jì)技術(shù)的新的里程碑。第二、同時(shí)應(yīng)用該技術(shù)將改變我國(guó)公路優(yōu)化設(shè)計(jì)先平后縱再橫的常規(guī)流程和理念，實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，提高了勘察設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，更