地铁线路CAD图形处理系统.pdf

曰办9巧曰g曰g晒巧叼9 9 乡9分9 9心旧叼g白习泊仑日分9巧 石l殉g荀必叼g白g白巧白必白分自办9 9白分9 巧 叼 分日g石19石 分白巧曰分日g巧 巧 曰巧曰g召19白勿 霉昌 禽昌 地铁线路 CAD 图形处理系 统 铁道部科学院西南研究所张宏 汤61灼份场公丙丙颐灼J份颐均 曾昌 弓6它临 它白g份多它它旧 它曰巧吩它序g份 叼峥g旧叼曰g右它旧它日 它曰g日叼右它旧它旧它白g旧它白多右它白g 99呀它吩它吩它 日仑吵多 叼它它必呜它吩它睁g仑巧钩 摘要 本文论述了为广州地铁 研制的线 路 CA D图形处理系统的功能 结构 以及 各 相关模块的建立和其 中的求算方法 该系统 用F O R T RAN语言编程 不依赖支撑绘图 软件 能方便地移植到各型微机和绘图仪上 运行 且该系统还适用于铁路线路设计 支撑软件 如A uto CA D 为基 础进行 开发 二是采用高级语言根据工程专业要求 编程 具有独立性的专用软件 我们研制的 本系统 就是采用FO R T RAN语 言编程 一个C AD软件中 占重要组成部分的是其 图形输出系统 本文将阐述本C A D 中图 形 系统的功能和结构 前言 在地铁或铁路线路设计 中 线路纵断面 和平面设计是其主要内容之一 为了全面 正确地反映设计的成果 有效地指导实际施 工 应该分别绘制出线路纵断面图及线路平 面图 纵断面图和平面图的绘制 是线路设 计 中最繁琐的工作 随着计算机科学的不断 发展 计算机辅助 设计 CAD 已 逐渐 应用到工程设计 中 这使其工程设计 特别 是在有关图纸绘制的质量和速度上 都有大 幅度提高 大大减少了许多机械的重复 工 作 增大 了设计人员的工作效率 基于上述 思想 广州地铁筹建处委托我们研制了广州 地铁线路设计C AD 专用系统 要求系统在 微型机上运行 且系统移植性强 cAD系 统软件的 开发方法主要有两种 一是以某个 二 系统功能 本系统主要根据广州地铁需要和铁路技 术规范来研制 系统除满足地铁线路设计需 要外还可适用于一般铁路线路设计 系统主 要输出 线路纵断面图和线 路平面 图 本系统 中可以按需要任意改变图形 比例 对于纵断 面图 其横向和纵向比例可以不一样 可以 输出整个线 路视图中任意窗口区 内的纵断面 图或平面图 输出 的图形可以 是按任意方位 旋转的 本系统对图形还能自动裁剪 该系 统在IBM及兼容微机上运行 以DMP型绘 图仪为主要输出 设备 输出的 图形 按一号 或二号图纸大小尺寸为 谁 三 系统的结构 根据系统功能要求 本系统采用模块化 程序集合的方法编程 有四个模块组成该系 2 7 窗口图形裁剪等 绘图模块根据纵断面图或 平面图的要求具有如图一 2 所示的流程 框 图 下面几部分将就绘图模块中有关图形处 理方法进行说明 毛全飞见图 边 根 红 断 乙 末医图 L t 丫丐 图 才认 飞 歌 统 即初始化模块 数据处理模块 地质柱 状图块库模决 以及绘 图模块 结构流程如图 一 1 所示 初始化模块的作用是完成数据的输入和 组织 使绘 图 仪及系统初始化 连接其他模 块 控制整个系统的运行 数据处理模块 主要针对纵断面图和平 而图要求 对输人的数据加以整理 按线路 设计有关原理进行计算处理 地质柱状图块库模块 是根据铁路技术 规范关于地质岩性描述图样设计的图样库 绘定位置 岩层高程和高度后 可调用图样 库绘出相应的地质柱状图 绘图模块的作用 是根据绘图仪有关指 令将有关图形信息传送到绘图仪上 同时对 图形进行相应的窗口比例变换 旋转变换和 进找 戒 T 一一一 一 一 一 一一 一一 一 蚤 进 竹 图形 知 宝铸 白旨效 誉 林林 岛 区乡1岌化化 图图 区勺与坐耘饭 嵌嵌 l 一 二 立 一 书 一劝 引 一 俘 一 屯 次 又 左 喊 一 一 l l l 由 诚诚 才尾尾 处处 谓 钱缺 缺 令令 乃乃乃乃乃乃乃乃乃 魏魏魏魏晓压棍长图图 化化化化 谈良板 谈谈 禅禅禅禅禅禅禅禅禅禅 七七大 大 一 1 一一 一 一 一 图 一 四 基本图素的改造 本图形系统中需要基本图素 主要 的 是 点 直线 圆弧 和 曲线 一般绘 图仪都配备 有这 些图素包括各种线型 的实现功能 但作 为线路设计C A D的 图形输出 上述图素 在 线型种类和线条厚度方面还达不到要求 为 此我们对直线 圆弧和曲线等图素作 了如下 改造 1 直线 已 知直线 段两个端点坐标 图一 3 则该线 段的方向余 弦和方 向正 弦 为 卜 r ls ee ee e l 产尸 了 1 仁 K飞 气 线 且对单笔绘 图仪讲 所绘的 线 条厚度一 定 不同线 型的线 段都可归结为实线 段和 虚 线 段的组合 确 定各 线型的实线 段和虚线 段 长度后 就可由 2 式求得各实 线段和虚 线 段两端坐标值 然后依次调 用子 程 序 LINE Xl Yl XZ YZ 就可绘 制各 种不同线 型的直线 如果希望所绘线 段厚度为t 则将t分成 长度为绘图笔宽度的几 段 各段长 t 已 知 线段 两端点坐标后 通过 3 式可分别 求 出与此线段平行的距离为 n t的假想线 段两端点坐标 然后依 次调 用LINE Xl Y l X Z YZ 就可绘制出厚度为 t的 直 线段 2 圆弧 给定圆心坐标 圆弧起点坐标 圆心 角 和旋转方向 图一4 根据 绘 图仪有关 指 令 可编 写 出绘制圆弧段的子程序 A Rc 甲以 丫 O 图一 3 C OSa XZ 一 Xl 2 x 丫 份 尸 1 公 飞 一 5Ina 侧 X Z一Xl YZ 一 Yl 2 Y Z 一Y i 训 X Z一Xl YZ 一Y l 对线 段中距 Pl 点l的 P点 其坐标为 X Xl l eo s a 弓 2 Y Yl l 5 in a 过P点作该直线的垂线 设垂 线 段端点 厂 丫 牛电八 l 吞e s e s K由 冷 ls e 匕 自 距P点 t 则垂 线端点坐标为 X 产 X 一 t 5in a 嘴 3 Y 二 Y t co s a 根据绘 图仪有关指令 可编写已知两端 点坐标的直线段的子程序L INE xl YI XZ YZ 该子程序绘制的直线段是实 图一4 XO YO Xl Y l A NG L E DIRE 该子程序 绘 制的 圆弧是实线 且 厚度一定 弧段中任一点 P的 坐标值可按 下式 计 算 X o R Y o R S I C O l 一 R n S李 Yl 一 Y o s客 xl 一x 允 L 允 李 xl 一x 允 L一贪 一 Y卜Y 一 贵 卜卜 S I C O1 e sl ij l e s 几 其中R为圆弧半径 1为P点到 圆孤始 点 Pl的距离 过 Pl点作圆弧的法线 法 线端 点距 P l 点么t 则法线端点坐标值为 X 二Xl t Xl 一Xo R 6 Y YI t Yl 一 Yo R 给定点划线各实线段和虚线段长度 由 4 式求出各实线 段起点坐标和相应的 圆 心角后 调用子程序A RC 就可绘制各种 线型的圆弧段 要绘制厚度为 t的圆弧 则 可通过 5 式和前面绘厚度为t的直线的 方法来完成 3 曲线 本系统采 用三次抛物线型参数方程来拟 合曲线 此方程也是 线 路平面设计中表示缓 和曲线的参数方程 即 厂 t 尸 4 一一一 一 弓 户 X 回 五 图形变换 X 二 Y 二 2 1 一 壳 潇 3 合 篇 一 一 鑫 一 渝 6 厂l l 此方程是局部坐标方程 图一 5 其 中l o 为曲线总长 R为曲线的曲率 半径 l为曲线上 所求 点距曲线起点的距离 由 6 式求出的结果 是局部坐标值 还应通过平 移和旋转坐标变换后才能得到所求点的实际 坐标值 采用前面介绍绘制各种线型的方法 通 过 6 式计算相应实线段各拟合点坐标 就可完成各种线型的 曲线绘制 绘制厚度为 t的曲线时 采用与绘制厚度为t的圆弧同样 的方法及同样的计算公式 5 1 窗口区和视图区的坐标变换 由于绘 图仪的限制 我们每次要输到 绘 图仪中去的 图形 只是整个图形域的一部分 此部分区域称作为窗口 绘 图仪初始化后 定义了图幅的最大尺寸或区域 任何小于或 等于该区域的部分区域叫视图区 视图区一 般定义成矩形 由左下角点坐标和右上角点 坐标来定义 若窗口区中的内容要在绘图仪中一定视 图区上输出 其坐标应该变换如下 X 二S二 X 一Xm in Y S夕 Y 一 Ym in 7 Xm in Ymin 表示窗口在用 户坐 标系下的左下角点坐标 X Yw 是 窗口内的任一点坐标 S二 Sy是把用户坐 标系下的点在绘图仪视图区上显示时 其X 和Y向的 比例系数 采用上述方 法 我们可 以 通过改 变 Xmi n 和Ymi n来输出任何线段的线路纵断 面图和平面图 2 图形 的裁剪 当我们把窗口区内的 图形输出到视图区 上时 应该排除掉窗口处的图形 从图一 6 中可以看出 不 同线段被窗口区边界分成一 条或几条线 段 但其中只有一段落在窗口内 可 见 而裁剪法就是要找出该段落在窗口区 内的起点和终点坐标 本系统采用矢量法来 裁剪 肠 窗口的四边把X OY平面分成九个区 令O区是窗口区 则矢 量裁剪法的算法步骤 如下 1 若线段a满足下述条件之一 则 a 不在0区 内 即 X o m ax ao a X s m a x b o b Y m in bo b 2 若 a 满足 X o ao 戈X s l 且 Y 簇b 簇 Y 则 a 始点在O区内 新始点 坐标x a Y b 否则 a 与窗口的关系 及其新始点 X Y 坐标的求解公式讨论 如下 3 若 a Y 或YY 且 b o Y 5 1 或 Y Y 且b Y s 或当 起点在 5 区且b Y s o时 a 与窗口无 交 点 B 若b Y X ao Y s Y Y s i 则 一b ala 八b 一b 10 用 9 式和 10 式求出的X X s 图一 7 x s 则 x Y 有效 否则犷与窗口仍 无交点 当 a 卜X 时 可类似地求 出 a 与窗口 右边框的交点 4 若 a b o 在 i 2 除 i 的情况 即可用 1 1 式求解 a 与窗口边框 的交点 区时 排 1 2 X 二a Y s 一 b a 一a 八b l Y si Y 二 或 X a 一 Y 一b n a 一a n b 一b n 铭 12 Y Y o 用 1 1 1 2 式求得的X X s X 时 才有效 否则 a 不在窗口内 同理 可 求解出 a 在窗口内新的终点坐 标 3 字符裁剪 本系统 采 用字裁剪法 即凡是与窗口边 框相交的字均被裁 剪掉 只保留完全在窗口 内的字符 4 几何变换 本系统 中采用的 几何变换 包括变比变 换 平移变换和旋转变换 有关公式参见清 华大学 计算机图形学 1 9 86版 六 小结 采用 E面论述的方法 我们通 过 FORTR AN编程 研制出了广州地铁线路 CAD 图形系统 该系统不依靠任何支撑绘 图软件 移植性强 除了在IBM系列及兼容 微机和DM P型 绘 图仪上运行外 对其 他微 机和绘 图仪 稍加修改有关指令也能运行 目前本系统已经验收并已投 人使用 此系统 不但适用 于地铁线路