智能布线技术在公路（改）扩建工程中的应用

智能布线技术在公路（改）扩建工程中的应用（建筑之家）摘要通过多条改扩建公路的路线布设实践，研究和开发出一种新颖、快捷的布线方法。本文就该方法的设计原理、应用步骤及相关的技术创新等情况进行了较详细的介绍。关键词公路改扩建工程、平面设计、布线方法、技术。1目前设计方法与应用技术道路（改）扩建工程设计首先要对旧路平面线形进行准确的拟合，才能做好新旧路基、桥涵的利用与拼接等设计工作。一直以来公路界常用的具体方法有许多，例如常规导线法（交点平面设计法）、积木法、动态优化法、复合导线法、线元法、固定/浮动/自由单元法、控制约束法、参数法、位移法等等；但目前应用较为广泛、较实用的方法主要是导线法和曲线法。11导线法导线法是我国公路设计界传统的设计方法，它是利用已有的若干控制点连成的直线，即导线来控制线形位置，并在导线交点处敷设圆曲线和缓和曲线进行折点过渡，根据圆曲线半径、缓和曲线参数、曲线长度与切线、外距的几何关系，结合公路设计要求进行线形调整，最终使其曲线长度、参数满足行车要求。方法见图198所示。图198此方法计算简单，对与单个交点处曲线的调整也较方便，被广泛的应用于新建路线设计。但是在旧路拟和时有些原有线形元素是不可调整的，导线法因其导线、导线夹角和曲线半径均处于不确定性状态则很难快速得到与原固定曲线完全重合的线形组合，调整过程繁琐，对于低等级公路中回头曲线的拟和则更难。同时导线法一般将缓（和曲线）圆（曲线）缓（和曲线）三曲线元素组合，在线形中调整其中一个元素必受其它两个元素和导线交角的双重限制，调整余地有限。12曲线法曲线法是将路线中的直线、圆曲线、缓和曲线当成一个个独立的、起始相连的基本个体元素，每个元素的连接都可根据相邻元素末点的数据（坐标、切相方位角、曲率半径）进行。在改扩建公路中大部分路段的平面线形因行驶安全性、与周围环境的和谐性好往往是曲线设计较多，而曲线设计法的接线方式常常表现为“积木式”或有一定“模式”概念的接线方式。“积木式”的曲线设计法从事先给定的一段曲线单元开始，根据其终点数据资料作为新单元的起点，再给定设计参数和长度，即得到下一个曲线元素，如同撘积木一样，依次连接不同的曲线元素最终构成路线，同时已形成的线形组合按照事先指定的条件变化，其余部分保持其原有形状不变的状态下，通过鼠标的可视化拖动，动态调整部分元素参数设计。这样的接线方式见前面图197，以我院自主研发的纬地立交平面设计软件为代表，采用的动态可视化的设计模式具有快速、准确、高效、符合设计人员思维方式和设计习惯、易操作等特点。但此接线方式对于改扩建工程也有不足，第一、“积木式”的曲线接线对已完成的路线，如要对局部路线组合或其中个别曲线元素进行调整、拟合工作时，想保持其后面的曲线组合不变较困难，需加辅助曲线，变通完成。曲线设计过程略显繁锁与无奈。第二、“积木式”的曲线接线必须事先给定部分必需的元素参数值，而这部分参数的给定是否合理与设计者的经验和自身因素有必然关系，可能通过多次数据输入与图形生成的“尝试”才能完成，当大部分参数确定了，才能进行其它元素或曲线组合进行动态调整。从而导致设计过程的前期部分不直观、与改扩建公路中某些因线形需要或地形条件限制路段的拟和时不能快速、准确完成。“模式接线”的曲线设计法是当前应用于改扩建项目线性拟和较好的一种方法，它可通过鼠标点选图形界面中相邻的直线、圆曲线进行一一或两一连接形成多线形组合，也可在直圆、圆圆曲线中插入缓和曲线，连接中限定其中一、二个元素的约束条件。这样可以满足在实际工程拟和设计时，根据地形条件或已有线形要求，由设计者初步拟定部分平曲线的控制参数，再用“模式接线”与其它浮动、自由的曲线元素连接形成线形组合。这种接线方式一些国外的设计软件有所使用。它的优点是可进行可视化图形接线设计，接线方式较灵活、方便。但设计思路仍然是交互式，数据修改或元素插入是仍采用数值输入。而且图形元素连接时因遵循一定的接线模式，导致约束条件非常严格，对含有多个缓和曲线的复杂曲线组合实现较困难，对无线形计算基础和设计经验者难于“上手”。2智能布线设计技术的开发21智能布线法的原理与功能我们知道，从曲线单元的角度，公路路线的线形由直线、圆曲线和缓和曲线（回旋线）组成。基于对公路线形的深入研究，从路线的几何特性出发，我们可以认为组成路线的几何元素中直线和圆曲线为“控制单元”，而缓和曲线只是直线与圆曲线、圆曲线与圆曲线之间的连接（过渡）单元“辅助单元”。在通常公路的路线平面设计中尤其是改扩建项目中，我们通常首先能够确定是一些控制位置的路线的走向和位置，然后再根据行车需要和路线规范的要求，确定其他路线走向和位置。那么这首先确定的部分正是我们这里所说的“控制单元”，后确定的连接部分就是“辅助单元”。在我们进行平面设计的过程中，当控制单元确定后，我们所作的大部分工作和时间就是在处理控制单元和辅助单元之间的衔接关系了。如果我们能够使得计算机能够自动识别“控制单元”，并自动创建“辅助单元”，去形成满足规范要求的前后衔接的话，那岂不快哉为了达到上述目标，我们在计算机上开发了“智能布线法”软件技术，该软件技术可以自动识别“控制单元”，创建“辅助单元”，自动形成控制单元与辅助单元之间的衔接关系（缓和曲线）。如图199所示，显示直线与圆曲线、以及圆曲线与圆曲线之间的各种衔接关系图。对于各种衔接情况的识别，软件会通过我们创建“控制单元”的过程和指定的过程来自动判别。图199进一步的是，该技术可以实现在我们修改调整“控制单元”的位置和线形特性的同时，软件实时重新形成新的辅助单元与控制单元的两端衔接，无需我们重新手工建立和指定辅助单元。见图1910，展示拖动过程、或者拖动前后的不同结果。图1910图1911另外，从工程易用性的角度出发，我们又开发了线形基本确定后的曲线参数取整微调功能，即用户直接选取“控制单元”并输入需要取整的数值由软件自动测试完成参数取整任务。布设实例如图1911、图示曲线参数调整的对话框如图1912。图191222智能布线法应用步骤（1）根据路线走向和地形变化，直接确定路线控制位置和走向,如图1913。（使用CAD的创建圆和弧或直线的命令进行路线控制位置曲线单元的确定。）图1913（2）首次指定“控制单元”，由软件在识别后自动创建“辅助单元”，并形成路线的前后自动衔接关系,如图1914。（使用“智能布线工具”的第一项后，根据提示选择前后图形实体（圆、弧或直线），系统自动建立其前后连接关系，生成缓和曲线。）图1914（3）根据路线实地需要和满足规范指标的需要，修改调整“控制单元”的位置的特性（半径、角度、方向等），由软件实时完成“辅助单元”对应调整与衔接，如图1915。（使用CAD的实体拖动、修改、夹点、旋转、缩放等等命令修改控制曲线的位置，系统将实时自动刷新各控制曲线间的衔接关系。）图1915（4）重复第3步的工作，直到认为线形从各个角度均达到设计的最佳目标为止；为了施工方便，通过参数取整功能快速实现对许多破碎曲线参数的取整任务。（用户通过在某图形上的双击便可打开CAD的属性修改窗口，直接在窗口中修改相关的接线参数。）（5）保存布线成果，完成路线设计。应用或者看过智能布线法功能演示的专业人员都可以明显的感觉到，应用该功能进行路线平面设计的过程十分简单快捷，就好像把公路作为一条任由我们摆布的绳索，通过直观的拖拖拽拽便完成了复杂的设计过程。只不过这一拖拖拽拽的摆布过程不是用手，而是用计算机上的鼠标而已。智能布线法也之所以得名。23关键技术和创新点（1）AUTOCAD图形平台的深层次开发技术是实现这一技术的关键技术之一，从而使得整个布线功能内嵌于AUTOCAD图形的基本实体核心，与其图形平台真正无缝连接，浑然天成。用户确定控制单元和对控制单元进行修改调整的过程完全使用CAD的基本图形操作完成，没有附加的命令或方式。（2）曲线元素的实施拖动和自动接线算法是该技术实现的另一关键，否则无法在控制单元被修改的同时实现“辅助单元”的再生成与路线的自动衔接。（3）与目前国内外软件中所实现的曲线定线法相比较，智能布线法的创新点也集中反映在以上两个方面，即第一，实现基于AUTOCAD核心的图形拖动的路线平面设计方式；第二，实现在控制单元调整修改后，前后衔接曲线单元的智能化自动衔接功能。3智能布线设计技术应用的重要意义智能布线法是在对公路路线线形设计深刻理解的基础上对AUTOCAD的深层次开发完成的，该技术没有交点（线）的概念，也没有固定的线形组合，完全由用户直接通过鼠标绘图和对图形实体的拖