（道路与铁道工程专业论文）现代路线CAD系统关键技术研究与应用.pdf

博士学位论文 摘要 本文综合应用计算机图形学、计算几何及几何造型学、科学计算可视化、人 机交互、虚拟现实、计算机动画等理论和技术，针对现代路线c a d 系统中的数字 地面模型、路线交互设计、路线三维实体造型、路线三维模型简化、真实感图形 绘制及路线三维场景的实时动态显示等关键技术进行了深入细致的研究。通过深 入剖析二维平、纵、横设计与三维可视化设计之问的关系，论述了二者不是互相 取代、此消彼长，而是互为补充、相辅相成的关系，应紧密结合、综合运用。基 于这一思想，本文紧紧围绕二维与三维相结合的设计理论和方法展开研究，既注 重了对传统的二维平、纵、横设计方法的改进，又注重了三维可视化、虚拟现实 等新技术的研究与应用；j 主要研究内容及研究成果如下： 1 ) 基于d e l a u n a y 及约束d e l a u n a y 三角网理论，提出并实现了适合于铁路 和公路选线设计的三角网快速整体构建算法。该算法采用整体建网技术，针对海 量地形数据，无需预先分块处理，能一次性构建整体连续无缝的带状三角网，避 免了分块处理的接边问题，建网速度在p i i 微机上达到了4 0 0 0 0 4 5 0 0 0 个三角形 秒，并且考虑了地形特征线的影响，具有一次处理的点数无上限，整体连续无 缝、速度快、网形优、精度高、用途广的特点，在生产中广泛应用，迄今为止， 已完成了超过2 0 0 0 公里的铁路和近千公里的公路设计。 2 ) 针对以往路线c a d 系统平、纵、横设计分离的弱点，提出了将线路的平、 纵、横断面及三维透视集成于同一界面下进行一体化设计的新方法，实现了平、 纵、横的交替设计和关联设计，并提供了丰富的信息查询功能，使设计者在从事 平、纵、横某一方面的设计时，可以兼顾其它两个方面，据此开发的c a d 系统既 保留了平、纵、横之间的相对独立性，更注重三者之间的相互关联，因此也更符 合路线设计的特点。 3 ) 提出了基于分割一归并思想的边界表示法解决了路线三维实体的造型问 题，将路线这一复杂实体划分为若干要素子实体，分别研制了各子实体的三维实 体造型方法完成各自的造型，然后将各子模型拼合成整体。应用约束d e l a u n a y 三 角网理论研制出的“三角网裁剪”算法成功地解决了拼合计算的难题，使拼合计 算过程大为简化，提高了建模的速度和精度。 4 ) 由于路线三维实体模型的复杂性，使得对这一场景的计算、显示及存储均 要耗费巨大的时间和空间，这使得我国以往在道路三维可视化技术方面的研究只 能停留在最终设计成果的表达上而难以融入设计的过程中，为此，本文从路线三 维模型的简化技术入手，深入研究了路线三维实时动态显示的理论与方法。 博士学位论文 提出并实现了一种行之有效的路线三维模型的视点相关简化算法，该算法重 点解决路线三维场景中最复杂的两个要素：地形模型和设计线模型的简化问题。 实践验证，该算法能在保证模型具有较好的视觉效果的前提下，大大降低模型的 复杂度，并且具有较高的执行效率，为进一步研究模型的动态实时显示技术奠定 了基础。 5 ) 综合应用路线三维实体造型、路线三维模型简化、计算机动画、虚拟现实 等技术，采用o p e n g l 三维图形库和v c + + 等开发工具，实现了路线三维虚拟场景的 实时动态显示，并与路线平、纵、横一体化设计相结合，使得三维可视化技术不 仪用于设计成果的直观表达，而且融入整个设计过程中，从而实现本文提出的二 维与三维相结合的设计思想。 6 ) 结合铁道部和湖南省的有关科研课题，在导师的指导和其它同志的协助下， 以本文所述的理论和算法为基础，主持或参加开发了多个铁路和公路路线c a d 软 件包，已在多家生产单位推广，成功地应用于多条铁路和公路路线的设计中。通 过大量实践验证了理论和算法的正确性。 关键词：逛圭些耍模型，堕绩g 嫂，三维可视化，人坦銮罩，_ = 俸t 量耍计， d e l a u n a y 三角化，约束d e l a u n a y 三角化，不规则三角网，勘测设 计一体化、智能化，三维建模，模型简化，细节层次模型，视点 相关 博士学位论文 a b s t r a c t t h ist h e s i sa p p l i e ds y n t h e t i c a l l yt h o s et h e o r i e sa n dt e c h n 0 1 0 9 i e so f c o m p u t e rg r a p h i c s ，c o m p u t a t i o n a lg e o m e t r y a n d g e o m e t r i c a l m o d e l i n g ， s c i e n t i f i c c o m p u t a t i o n v i s u a l i z a t i o n ，i n t e r a c t i v e ，v i r t u a l r e a l i t y ， c o m p u t e e a n i m a t i o ne t c ，t or e s e a r c ht h o r o u g h l ya n dc a r e f u l1 y0 ns e v e r a c r n ic a l t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra i d e d a l jg n m e n td e s i g n s u c ha sd i g i t a l t e r r a i n m o d e l ， i n t e r a c t i v ea li g n m e n t ，3 0m o d e li n go fr o u t e e n t i t y ， s i m p l i f i c a t i o no f3 dm o d e l ，s h o w i n gr e a l i s t i ci m a g ea n dd y n a m i ca n dt e a t i m ed is p l a yo f3 0r o u t es c e n ee t c b yt h o r o u g h l ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n b e t w e e nt h e2 db o r i z o n t a l ，v e r t i c a ta n dc r o s s s e c t i o nd e s i g na n dt h e3 d v i s u a ld e s i g n ，t h ec o n c l u s i o nc o u l db er e a c h e dt h a tb o t ha r en o ts u b s t i t u t e d m u t u a l l y ( t h i sb e i n g a d v o c a t e da n dt h eo t h e rb e i n gc u td o w n ) ，b u ta r e m u t u a ll y r e p l e n i s h i n g ， a n ds u p p l e m e n t i n ga n dc o m p l e m e n t i n ge a c ho t h e r t h e ys h o u l d b ec o m b i n e dc l o s e l ya n da p p l i e ds y n t h e t i c a l l y b a s e do nt b i s i d e a ，t h er e s e a r c hw o r kw a sc a r r i e d o u ta n dc l o s e l yc e n t e r e do nt h et h e o r i e s a n dm e t h o d sw h o s ec h a r a c t e r i s t i cw a sc o m b i n i n g2 0d e s i g nw i t h3 0d e s i g n c o n s e q u e n t l y n o to n l yt h ei m p r o v e m e n to ft r a d i t i o n a lm e t h o d so ft h e2 d h o r i z o n t a l ，v e r t i c a l a n dc r o s ss e c t i o nd e s i g n b u ta l s ot h er e s e a r c h e s a n da p p li c a t i o n so fs o m en e wt e c h n o l o g i e ss u c ha s3 0v i s u a li z a t i o n ，v i r t u a l r e a l i t ye t c h a db e e nl a i d s t r e s so ni nt h i st h e s js t h ec h i e fr e s e a r c h c o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sc o u l db es u n m a r i z e da sf 0 1l o w s ： 1 ) b a s e do nt h et h e o r i e so fd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o na n dc o n s t r a i n e d d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ，t h ea l g o r i t h mf o r f a s ta n d i n t e g r a l l yc r e a t i n g ir r e g u l a rt r i a n g u l a t i o nn e ta d a p t e dt or a i l w a ya n dh i g h w a ya l i g n m e n td e s i g n w a sp u tf o r w a r da n dr e a li z e d i ta d o p t e da ni n t e g r a lc r e a t i n gt i nt e c h n o l o g y w h i c hn e e dn o td i v i d ea ne n o r m o u ss u mo ft o p o g r a p h yp o in t si n t os o m ep i e c e s i na d v a n c ea n dc o u l db u i i daw h o l ec o n t i n u o u ss t r i pt r i a n g l en e tw i t h o u t s e a m s b e n e f i tf r o mt h a t ，t h eq u e s t i o no f b o r d e r i n gc a u s e db yd i v i d i n g t h ep o i n t si n t op i e c e sw a sa v o i d e d t h eb u il d i n gs p e e da c h i e y e d4 0 0 0 0 4 5 0 0 0 t r i a n 9 1 e sp e r s e c o n d0 nn o r m a lp ii c o m p u t e r ，f u r t h e r m o r e ，t h e in i l u e n c e so f t o p o g r a p h y c h a r a c t e r is t i c e d g e s w e r ec o n c e r n e din c o m p u t a t i o nc o u r s e t h ea l g o r i t h mh a ds u c hc h a r a c t e r i s t i c sa st h en u m b e r 博士学位论文 o f p o i n t s i to n c ed e a l tw i t hw a s l i m i t l e s s ，w i t ht h ew h o l et i nb e i n g c o n t in u o u sw i t h o u ts e a m s ，t h eb u i l d i n gs p e e d v e r yh i g h ，t h en e ts h a p et o p e x c e l l e n t t h ep r e c i s i o nv e r yh i g ha n dt h eu s ew i d ee t c i th a sb e e n v e t i f i e db yi t ss u c c e s s f u la p p l i c a t i o n s u pt on o w ，i th a sa c c o m p l is h e d t h e d e s i g n w o r k so fn e a r1 0 0 0k il o m e t e r s h i g h w a y a n dm o r et h a n2 0 0 0 k il o m e t e r sr a il w a y 2 ) i no r d e rt oe l i m i n a t et h ed e f e c t sd r a w nf r o mt h ep r e c e d i n gr o u t e c a ds y s t e m si n t ot h eh e r i z o n t a ld e s i g n ，t h ev e r t i c a l d e s i g na n dt h ec r o s s s e c t i o nd e s i g ns e p a r a t e d ，i nt h et h e s i san e wr o a dd e s i g nm e t h o dh a db e e n p r e s e n t e df o rt h ef ir s t t i m e t h a tw a st o i n t e g r a t et h eh o r i z o n t a lp l a n ， t h ev e r t i c a lp r o f i l em a p ，t h ec r o s s s e c t i o nm a pa n dt h e3 dp e r s p e c t i v e m a po ft h er o u t eo nt h es a m e i n t e r f a c e i tr e a l i z e dt h ea l t e r n a t ed e s i g n a n dt h ei n t e r r e l a t e dd e s i g no ft h eh o r i z o n t a lp l a n ，t h ev e r t i c a lp r o f il e m a pa n dt h ec r o s s s e c t i o nm a pa n dp r o v i d e dag r e a td e a lo f i n f o r m a t i o n q u e r yf u n c t i o n sw h i c hm a d et h ed e s i g n e rg i v ea d e q u a t ec o n s i d e r a t i o n st o t h eo t h e rt w oa s p e c t sw h e nb e i n ge n g a g e di nt h eo n ea s p e c to ft h et h r e e k i n d so fd e s i g n t h ec a ds y s t e m sd e v e l o p e do nt h e s eg r o u n d sn o t o n l y r e t a i n e dt h er e l a t i v e i n d e p e n d e n c e b u ta l s ol a i dm o r es t r e s so n t h e i n t e r r e l a t i o na m o n gt h eh o r i z o n t a ld e s i g n ，t h ev e r t i c a ld e s i g na n dt h e c r o s s s e c ti o l l d e s i g n ，t h e r e f o r e w e r em o r ei n a c c o r d a n c ew it ht h o s e c h a r a c t e r i s t i c so fr o u t ed e s i g n 3 ) t h ep r o b l e mo f3 dm o d e li n go fr o u t ee n t i t i e sw a ss o l v e db yt h e b o u n d a r ye x p r e s s i n gm e t h o db a s e do nt h ei d e ao fd i v i d i n ga n dc o n q u e r t h i s m e t h o dd i v i d e dt h ec o m p l i c a t e dr o u t ee n t i t i e si n t os e v e r a le s s e n t i a lf a c t o r s u b e n t i t i e s t h e3 de n t i t ym o d e l i n gm e t h o do fe a c hs u b e n t i t yw a sw o r k e d o u tr e s p e c t i v e l yt oa c c o m p li s he a c hm o d e l i n g ，t h e na s s e m b l e dt h ev a t i o u s m o d e l s t h et h e o r yo fc o n s t r a i n e dd e l a u n a y t r i a n g u l a t i o nw a sa p p l l e dt o d e v e l o p t h e a l g o r i t h m o f “c u t t i n g o u tt h e t r i a n g l e n e t ”w h i c h s u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ed i f f i c u l tp r o b l e mo ft h ec a l c u l a t i o ni nt h ec o u r s e o fa s s e m b l i n ga n dm a d et h ec o u r s es i m p l i f i e dt oal a r g ee x t e n ta n dp r o m o t e d t h es p e e da n d t h ep r e c is i o no fm o d e l i n g 4 ) t h e3 dr o u t em o d e lw a ss oc o m p l i c a t e dt h a tt h ec a l c u l a t i o n t h e d i s p l a ya n dt h es t o r a g eo fi t ss c e n ew o u l dc o n s u m eal a r g ea m o u n to ft i m e a n ds p a c e w h i c hr e s u l t e di nt h a tt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e so n3 dv is u a l d e s i g no fr o u t ew a so n l yc o n f i n e dt o t h ed e s c r i p t i o 1o ft h ef i n a l d e s i g n i l 博士学位论文 r e s u i t sa n dh a r dt om e r g ei n t ot h ed e s i g nc o u r s e t os o l v et h isp r o b l e m ， t h ea u t h o rs t r jv e dt os i m p lif yt h e3 df o u t em o d e la n dr e s e a r c ho nl h o s e t h e o r ie sa n dm e t h o d so ft h er e a lt j m ea n dd y n a m i cd is p l a yo fr o u t e3 ds c e n e t h o r o u g h ly t h ee f f e c t i v ea l g o r i t h mo fv i e w p o in td e p e n d e n ts i m p l i f i c a t i o nf o rt h e 3 dr o u t em o d e lw a sp u tf m l w a r da n dr e a l iz e d i tc e n t e r e do nt h ep r o b le m o fs i m p l j f ic a t i o n so ft h et e r r a i nm o d e la n dt h er o a d b e dm o d e lw h i c hw e r e 1 h em o s tc o m p l i c a t e de s s e n t i a lf a c t o r si nt h er o u t e3 1 ) s c e n e nc o a l d r e d u c et h ee o m p l e x i t yg r e a t lyo nt h ec o n d i t i o ni ne n s u r i n gt h er e a l js t ic e f f e e to ft h em o d e la n dt h eh i g h e re x e c u t i o ne f f i c i e n c y w h i c he s t a b l is h e d t h ef o u n d a t i o nf o rp r o b i n go nt h er e a lt i m ea n dd y n a m i cd i s p l a yo ft h em o d e l ， 5 ) t h er e a lt i m ea n dd y n a m i cd is p l a yo f3 dr o u t es c e n eh a db e e nr e a l i z e d b ya p p l y i n gs y n t h e t i c a l l yt h o s et e c h n o l o g i e ss u c ha s3 dm o d e l i n go fr o u t e e n t i t i e s ，s i m p li f i c a t i o no f3 dr o u t em o d e l ，c o m p u t e ra n i m a t i o na n dv i r t u a l r e a l i t y e t c a n da d o p t i n go p e n g l3 d g r a p h1 i b r a r y a n dv c + + e t ca s d e v e l o p m e n tt o o l s f u r t h e r m o r ei t w a sc o m b i n e dw i t ht h ei n t e g r a t e dd e s i g n o f t h eh o r i z o n t a l 。t h e v e r t i c a la n d t h ec r o s s s e c t i o nw h i c hm a d et h e t e c h n o l o g yo f3 dv i s u a l i z a t i o nn o to n l yb eu s e dt o1 i v i n g l ye x p r e s sd e s i g n r e s u l t sb u ta l s om e r g e di n t ot h ew h o l ed e s i g nc o u r s e ，t h u st h ei d e a lo f c o m b i n i n g2 dd e s i g n w i t h3 dv i s u a l d e s i g np u tf o r w a r di nt h i st h e s i sw a s r e a li z e d 6 ) c o m b i n i n gw i t h t h ec o n c e r n e dr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o j e c t s s p o n s o r e db yt h er a i l w a y sm i n i s t r ya n dh u n a np r o v i n c es c i e n t i f i cc o n m i t t e e a n di nt h el i g h to ft h o s et h e o r i e sa n da l g o r i t h m ss t a t e di nt h ist h e s i s ， t h ea u t h o rt o o kc h a r g eo fo rp a r t i c i p a r e di nd e v e l o p i n gs e v e r a ls o f t w a r e p a c k a g e s o fr a i l w a y a n d h i g h w a y r o u t ec a du n d e rt h e g u i d a n c eo f t h e s u p e r v i s o ra n dt h ea s s i s t a n c eo fo t h e rc o m r a d e s t h e s es o f t w a r ep a c k a g e s h a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yd e s i g nu n i t sa n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a n y r a il w a ya n d h i g h w a yd e s i g nw o r k s t h e s o u n d n e s so ft h o s et h e o r i e sa n d a l g o r i t h m ss t a t e di n t h i st h e s ish a sb e e nv e r i f i e db yal a r g en u m b e ro f p r a c t i c e s k e yw o r d s ：d i g i t a l t e r r a i nm o d e l ，r o u t ec a d ，3 dv is u a l iz a t i o n 博士学位论文 i n t e r a c t iv ed e s i g n ，i n t e g r a t e dd e s i g n ，d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ，c o n s t r a i n e d d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ，i r r e g u l a rt r i a n g l e n e t ， in t e g r a t i o n a n d i n t e l l e c t u a l i z a t i o no fs u r v e ya n dd e s i g n ，3 dm o d e l ，s i m p l i f i c a t i o no f3 d m o d e l ，1 e v e lo fd e t a i l ，v i e w p o i n td e p e n d e n t v 博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 r 算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 简称c a d ) 技术是研究计算机在工 程设计领域中应用的综合技术，它作为2 0 世纪公认的重大技术成果之，j f ：在深 刻地影响着当今工业界的各个行业和各个工程领域。 自1 9 6 3 年美国麻省理工学院的一位研究生首次提出c a d 的概念至今，各国的 科研、设计部门投入了大量的人力、财力进行开发，伴随着计算机及其外围设备 的飞速发展，c a d 技术也逐渐成熟和完善，成为一门实用的技术，在工程技术领 域得到广泛的应用。 1 1 1 研究目的及意义 铁路和公路路线设计是一个涉及面很广、政策性很强的综合性工作，是一项 关系到交通工程全局的总体性工作，研究c a d 技术在这一领域中的应用具有极其 重要的意义： 1 ) 极大地提高经济效益和社会效益，使人的智慧、经验与计算机的高速、准 确得到充分发挥。 2 ) 显著提高铁路和公路设计的质量，加快设计进度，使铁路和公路建设项目 达到方案优、投资省、工期短、效益好的要求。根据国内外有关统计资料， 在工程设计中采用c a d 技术，一般可使设计效率提高l 2 5 倍，绘图效率 提高2 0 倍、设计周期缩短3 6 倍，工程投资节省3 1 0 。国外已经把 是否具备c a d 系统作为工程咨询公司投标资格必备条件之一。 3 ) 使得传统的铁路和公路设计手段、设计方法产生重大变革，极大地促进铁 路和公路交通行业的技术进步，促进了铁路和公路学科水平的提高。 日f j ，c a d 技术已成为铁路和公路设计中必不可少的重要手段，成为铁路和 公路测设现代化的主要标志之一。 随着计算机技术的发展、各种奇新技术如虚拟现实、科学计算可视化等不断 涌现，各种学科之间如计算机图形学、计算机图象处理、计算几何学等的相互交 叉和渗透、相互影响和促进，铁路和公路的路线c a d 技术也应得到相应的发展。 本文研究的目的是结合生产实际，将上述新的理论和技术与c a d 技术相结合应用 于铁路和公路路线设计中，开发出新一代的数字地面模型和路线c a d 系统，并将 博士学位论文 该系统应用于实践，以进一步提高路线设计的质量和效率，促进测设自动化的发 展，以满足当前铁路和公路交通基础设施建设迅猛发展的需要，同时也为我国铁 路和公路c a d 的开发与应用，提供更先进的理论和技术支持。 1 1 2 路线c a d 的基本概念和特点 作为一个完整的计算机辅助设计系统，路线c a d 的主要内容包括设计方案的构 思和形成，方案的比较和选择，工程的计算与优化、设计图表的绘制与设计文件 的输出等一系列工作。从这个过程来看，c a d 决不是单纯的工程计算分析，也不是 单纯的计算机自动绘图。 在计算机辅助设计工作中，人的聪明刁智、经验、创造性思维与计算机的高速、 准确得到了完美结合。计算机的任务实质上是进行大量的信息加工、管理和交换， 也就是在设计人员初步构思、判断、决策以及提供的各种规范、约束、经验等基 础上，由计算机对大量的设计数据进行检索、提取、根据设计要求进行计算、分 析及优化，并将设计结果以图形或表格的方式显示出来，供设计人员进行决策， 或采用人机交互手段反复加以修改，最终完成工程设计。这个c a d 的工作过程如 图1 1 人 图卜1c a d 系统工作流程示意 一个完备的路线c a d 系统除硬件外，还必须具备：( 1 ) 工程数据库，用来存 博士学位论文 贮与管理设计有关的所有信息，如设计标准与规范、标准设计图集、地形、地质 等原始数据，设计原始数据，设计过程中生成的中间数据及成果数据等，对工程 设计的全过程进行支持；( 2 ) 具有设计所需的工程设计、分析与绘图等各种应用 程序，用以进行工程的计算、分析，生成设计图、表，完成工程设计：( 3 ) 具有 良好界面的高交互性能的图形支撑系统，能对设计过程中二维及三维图形的信息 进行处理，并能在此基础上建立工程设计所需的基本图形库，快速产生设计图纸， 并提供方便灵活、功能强大的图形交互设计、修改的功能。在路线设计中采用c a d 技术，具有以下明显的特点： 提高设计工作效率，缩短设计周期； 提高设计质量，在数据库、程序库、图形系统支撑下，有利于继承原有的设 计经验、设计成果，计算机的高速、准确与人工交互设计相结合，可以方便地进 行设计方案的比选，得到优化的设计结果，从而节省工程投资，提高工程设计质 量； 使设计人员从繁琐重复性的设计工作中解放出来，以便将其聪明才智投入到 创造性的设计工作，集中精力于决策： 有利于设计工作的规范化及设计成果的标准化。 1 2 国内外路线g a d 发展概况 1 2 1 国外发展概况 c a d 技术应用于铁路和公路路线设计，其发展历史在国外可以追溯到6 0 年代， 并可以作如下的归纳。 6 0 年代初期，电子计算机运用到公路设计中，首先针对繁冗重复的大量计算 工作，如平面和纵面几何线形的计算、横断面和土石方的计算以及输出数表等， 编写成单独分开的程序。随着计算时间的节省，创造了可以进行多个方案比较的 条件。为获得经济效益，英、美、法、德和丹麦等国家首先把注意力集中在公路 路线纵断面优化技术方面，经过一段时间的探索，各国都研制成功了比较成熟的 纵断面优化程序系统。例如，英国运输与道路研究所的h o p s 程序；法国的a p p o l o 程序：德国的e p o s 程序等。1 9 7 1 1 9 7 2 年就“计算机进行路线最优化设计”召开 了几次专门性的国际会议，由联合国经济合作与开发组织写了专题总结报告。报 告中曾就意大利西西里岛上一条公路为例，采用以上三个纵断面优化程序进行了 实例计算。试算结果表明：各国程序的优化效果是令人满意的。英、法等国的经 验表明：纵断面优化程序的应用可以带来节省1 5 的土石方量以及5 的经济效益。 博士学位论文 7 0 年代，道路路线设计优化技术拓宽到平面和空间( 三维) 选线；数字地形 模型( d t m ) 开始应用；计算机绘图技术可直接提供设计和施工图纸。例如，在平 面选线优化方面，有英国的n o a n 程序，美国普度大学的g c a r s 程序，德国的e p o s 一1 程序。美国麻省理工大学把公路路线按三维空间优化开发了o p t l o g 程序。由于平 面线形或空间线形的优化涉及到更多复杂因素，需要大量的计算数据，给研究工 作带来较大困难，同时也削弱了程序的实用性。 到了8 0 年代，很多国家已建立了由航测设备、计算机( 包括绘图机、数字化 仪等外部设备) 和专用软件包形成的组合系统。软件包往往包含从数据采集、建 立数字地形模型、优化技术以至进行全套计算机计算、绘图和报表的完整系统。 例如，美国路易斯百杰公司的c a n d i d 系统，德国西门子公司的s i c a d 土地信息 和图形处理系统，配备有道路c a d 专用软件，芬兰的r o a d c a d 程序系统等。 进入9 0 年代以来，路线c a d 技术已发展成集数据采集与处理、设计、分析、 优化于一体的集成化、系统化技术。其软件的适应性大大增强，并开始应用人工 智能解决设计中的一些问题。比较典型的道路c a d 系统有：突出公路几何设计与 排水设计的c a r d i 系统，该系统实用性强，对硬件要求低，界面友好，操作简易； 以数据采集、处理和图象输出为一体的芬兰r o a d c a d 道路系统；具有先进图象处 理、交互设计技术，体现了计算机硬件与公路设计软件的完美结合的美国 i n t e r g r a p h 公司的i n r o a d s 系统；英国的m x 系统更是国际商品化的，能用于铁路、 公路、矿山、排水、机场、港口及其他土木工程设计的著名软件，它采用了不同 于以往的基于横断面进行设计的方法，即用一种全新的“串”的概念来表达构筑 物以及地形表面，对几何形体的表述具有充分的灵活性，适用于各种复杂的土木 工程设计。国外这些软件的共同特点是：建立在功能强大的三维数字地面模型及 结构物模型基础之上，基础牢固；此外都注重可视化技术、用户界面技术( 交互 技术) ，并寻求一定的智能化功能以及系统的集成和设计的一体化。但由于这些软 件普遍存在着价格昂贵，并且不适应中国的设计规范及设计习惯等问题，因此要 想使这些软件能真正用于我国的铁路和公路设计，还有大量的二次开发工作，并 且二次开发也仅仅限于系统的外围难以涉及内核。因此笔者认为我国的路线c a d 系统应以自主开发为主，引进为辅。 1 2 2 国内发展概况 我国铁路和公路c a d 的研究始于7 0 年代后期，虽然起步较晚但发展迅速。 自1 9 7 9 年起，铁道部和交通部组织有关科研院所和设计单位先后对铁( 公) 路 的数字地面模型、纵断面优化技术、平面及空间线形优化技术等进行了研究，取 得了一批实用的研究成果，较为突出的是：长沙铁道学院联合铁道部专业设计院 博士学位论文 及铁道部第三勘测设计院开发完成的“铁路线路纵断面优化设计系统”，及其在此 基础上由长沙铁道学院联合铁道部第二、第三勘测设计院开发完成的“铁路线路 平纵面整体优化设计系统”，这两项成果经工程实践检验，证明优化效果是令人满 意的，并已在国内众多的铁路勘测设计部门应用，产生了显著的经济效益和社会 效益，分别荣获了8 6 年和9 3 年铁道部科技进步二等奖，其中“铁路线路纵断面 优化设计系统”还荣获了“第三届全国优秀工程设计计算机软件”银奖。 8 0 年代中期，国内各高等院校和生产单位自主开发或引进了一些铁路和公路 路线c a d 系统，其中有些投入到实际的工程设计中，取得了良好的经济效益，例 如，同济大学早期制作的微机道路初步设计程序和西安公路学院开发的公路微机 辅助设计系统都在一定的范围内推广应用。1 9 8 4 年底，交通部公路规划设计院以 中美合营的方式成立“华杰工程咨询公司”，引进了美国伯杰公司的c a n d i d 的软 件，配备了a p o l i o 超级微机，从事道路c a d 软件的二次开发工作，取得了良好的 效果。铁道部第三勘测设计院也引进了各种先进的辅助设计用硬件设备，包括小 型机、大型高级绘图机、数字化仪、高分辨率的图形显示终端等，同时开发了相 应的铁路辅助设计软件，并应用于实际的工程设计中，但是此时国内的研究成果 仍以数值分析和计算为主。 8 0 年代末期至9 0 年代中期，随着计算机图形学和a u t o c a d 等图形支撑软件的 发展，线路计算机辅助设计技术也从单纯的数值计算分析发展为图形交互式自动 设计，开发出了集地形资料处理、工程费计算、图形交互设计、纵断面自动设计 以及绘制线路平、纵断面图为一体的一套完整的计算机辅助设计系统。通过在用 户界面下简单的菜单操作，就可以实现线路纵断面优化、平、纵、横断面设计、 工程费计算、图形显示、数据修改和图形自动绘制。在此时期，随着现代勘测设 计技术的迅速发展和测量仪器的现代化，地形信息数字化的困难也基本得以解决； 空间地形学的理论和应用研究也有了实用型成果。到9 0 年代中期，国内已经能方 便地获得供铁路或公路路线计算机辅助设计用的数字地形信息，现场设计部门在 航测技术的研究与应用方面、计算机辅助勘测与设计方面、以及计算机辅助成图 方面均做了大量的研究与开发工作，已研制了一批实用软件，如长沙铁道学院开发 的“新建单、双线铁路线路机助设计系统”不仅适应了新建单线机助设计的要求， 而且在国内首次解决了新建双线或预留二线的机助设计问题，已用于西安一南京、 包头一西安等多条铁路干线的设计，累计超过20 0 0 k m ，并荣获“第六届全国优秀 工程设计计算机软件”金奖，1 9 9 6 年在哈尔滨市召开的公路工程计算机应用年会 上，交通部公路规划设计院推出的“道路集成c a d 系统”及交通部第二公路勘察 设计院推出的“微机互通式立交i n c a d 系统”均达到了新的高度。可见，推广计 算机辅助线路设计技术的条件已经具备。 “九五”期间铁路科技发展重大项目“勘测设计一体化、智能化技术研究”的 博士学位论文 开展，是铁路计算机c a d 技术进入蓬勃发展和广泛使用时期的标志。铁道部科教 司按照工程项目管理模式组织路内各大设计院和高等院校联合攻关，开展铁路勘 测设计计算机辅助设计技术的应用研究。 统”要实现网络化、数字化、数据库化、 按照“铁路勘测设计一体化和智能化系 集成化、智能化的基本要求，对各专业 现有的设计软件进行修改和功能扩充：同时按照甩掉图板的目标，完成勘察设计 技术手段从传统的手工方法向现代化c a d 技术转变的要求，大力开发新的软件， 全面地向工程化、综合化、系统化推进，形成专业覆盖面大、可适用于不同设计 阶段和设计要求的功能强大的