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1、互通式立交动态可视化设计研究 （建筑之家）摘 要：本文探讨利用先进的“实时拖动技术”在计算机上实现互通式立交动态可视化设计的途径和方法，以及其实现的基础约束条件。文中所述理论、方法已在由笔者主持开发的“纬地道路辅助设计系统(HintCAD )”软件中得到全面的实现和应用。关键词：互通式立交 实时拖动技术 动态可视化设计 1引言近些年来，伴随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计系统CAD已广泛应用于公路路线及互通立交的设计；然而，在其显著提高计算与绘图效率的同时，许多设计人员也在另外一些方面感到了明显的不足或不便。我们知道，互通立交变速车道和匝道本质上是一段平纵面上都受到严格约束的路线，如起（
2、终）点的接线（坡）、流出入角度控制、楔型端的位置、沿线地形地物、构造物的标高以及技术指标的取用等。早期出现的以预先建立数据文件，利用计算机程序进行计算和成图的立交辅助设计软件，好比是一个黑匣子，一端输入数据文件，另一端输出数据文件（包括图形转换文件），设计的结果只有在CAD平台将图形文件中的图形显示出来之后方可以看见；究竟中间已知数据应如何变化才能使整个线形比较理想，无从得知。后期发展的软件可以直接在CAD平台上作图式地利用积木法等进行立交线位设计，虽在成图方面比早期的软件有了很大的进步，但在匝道终点闭合接线上仍然存在很大程度的盲目性，因为接线部分之前的线位一经确定，终点闭合接线的结果也就相对
3、确定，没有多少可变化的余地，若要调整，同样需要从头开始。这样常常使设计人员在花费了大量的精力和时间之后，却在多个约束条件中顾此失彼。这不仅消减了计算机所预期能够提高的工作效率，而且使不少设计人员在一定程度后失去了进一步优化设计的耐心，大大压缩了设计者的思维活动空间。由是，许多工程技术人员都在探索一条如何在同一图形界面上实现互通立交设计过程“动态化”、线形调整“可视化”的途径。2实时拖动技术与动态可视化设计仔细分析最初大家“手工”设计互通立交的过程，我们不难发现：以直尺、弯尺、回旋线板相互搭接，通过手工“推动”且不断地换尺、改变搭接位置及方式来动态地捕捉一种或几种基本符合约束条件的线形组合的粗略
4、定线方法，其实已经具备“动态化”和“可视化”设计过程的特点，这一过程虽然缺乏严密的分析计算，但却自然而然地成为立交动态可视化设计的“仿生”对象。另一方面，随着计算机软、硬件技术和人工智能化的发展，使得依赖于快速运算与操作的许多特别功能得以实现，我们同样不难发现，其中Windows操作系统和其他一些应用软件的“拖动”其实就是对于“手工推动”的计算机模拟，其核心就是“实时拖动技术”。所谓“实时拖动”，就是以指点设备（如鼠标）“可视的”相对位移代表某一自变量的变化值，在指点设备连续拖动而产生位移的同时，其他相关因变量随之瞬间变化，并表现为由各变量共同确定的可视图形相应连续而平滑的动态变形过程。显而易
5、见，对于立交匝道线形这一由若干段线元相互搭接组成的特殊图形而言，通过“实时拖动技术”来实现动态可视化设计必须具备以下两个基本条件：其一是线形在整个拖动过程中保持相对稳定的形状，不会随意变形（变化），也就是说，应通过一定的约束条件来使线形成为形状基本稳定的“刚体”；其二是线形按照事先指定的条件变化，其余部分保持其原有形状不变，也就是说可任意取消众多约束中的一个而使上述“刚体”局部具有一定的“自由度”。3立交线形的静态约束条件我们知道，对于一段复杂的立交线形而言，它之所以具有一定的外观形状和空间位置，是受到若干特定约束的缘故。反过来说，这些特定的约束条件，就是对线形的确定性描述，包括基本的曲线单元
6、（以下称线元）的参数、相邻线元的搭接规则、线形起（终）点的约束条件等。3.1 基本线元的确定性描述立交线形的基本线元有直线、圆曲线、缓和曲线，对于这三种基本线元，我们可以用以下六项参数完整的加以描述，使其形状和位置唯一确定。Z基本线元在线形前进方向上的左、右转向P基本线元的起始点相对于前一线元的横向错移值S基本线元的弧长或弦长A基本线元的回旋线参数值RO 基本线元起始点处的曲率半径RD 基本线元终止点处的曲率半径3.2 线元的搭接规则立交线形是由上述三种基本线元按照特定的规则相互搭接而构成，这些特定规则就是符合行车轨迹与汽车动力学规律的道路线形特征，包括方向连续、特定条件下的曲率连续和桩号连续
7、。所谓方向（曲率）连续就是指前一基本线元的终止方位角（曲率）即为下一基本线元的起始方位角（曲率）。方位角的连续是无条件的，因而是搭接的必要条件。而曲率连续则是有条件的。桩号连续，实际上是一个附加的规则，是因整个设计过程的需要而规定的，它并不影响线形的形状与位置。作为立交匝道的平面线形，上述规则仅是最为基本和必要的条件，还存在其他许多控制条件和规定，如曲率的变化应与逐渐变化的行驶速度相适应；线形指标应与匝道交通量相适应等。现行公路路线设计规范和公路工程设计标准中均有较为详细的说明。3.3 线形起点接线方式与终点接线方式我们知道，立交匝道功能主要是完成交通流的转换，分（合）流，加（减）速等，而正是
8、匝道的这些功能决定了它必定与其他匝道或公路发生一定的关系，从而对其线形的起终点构成比较严格的约束。3.3.1 起点接线方式线形的起始方式受到已知条件的控制，归结起来可分为：1）点加方位角；2）两点方向；3）桩号加方位角偏移值；等三种方式，其中3）方式是指由某已知线形的指定桩号位置，在原方向（方位角）附加一定偏移后的起始方式；显然，通过一定的计算，三种起始方式均可转化为1）方式。3.3.2 终点接线方式与起始方式的单向约束不同，终点则受到前后两段线形的双向控制，其控制条件实际上是一个接线的问题，可以分为以下七种方式：1）不接线方式，即最后一段线元的终点即为线形的终点，不与其他线形发生关系；2）R
9、+A+T方式，线形的终点接线目标为已知的直线段（T），需在已知圆曲线（R）和目标直线之间接入回旋曲线（A）；3）T+A+R方式，接线目标为圆曲线，在已知直线段（T）和目标圆曲线（R）之间插入回旋曲线（A），为R+A+T方式的反向；4）R1+A+R2方式，即需要在两个同向圆曲线（R1和R2）之间插入一段回旋曲线（A），使线形的曲率从R1变化至R2；5）R1+A1+A2+R2方式，为反向圆曲线接线方式，形成“S”型曲线，需在两段反向的圆曲线（R1和R2）之间接入方向的回旋曲线A1和A2，使线形的曲率从R1变化至无穷大，再由无穷大变化至R2；6）R+T方式，即圆曲线与直线直接相切的接线方式；7）R+
10、R方式，是圆曲线（同向或反向）之间直接相切的接线方式；当然，线形的起点与终点只是人为的约定而已，上述的起始方式与终止方式显然是在人为约定的基础上，按照设计的一般习惯过程来分析的。4立交线形的动态可视化设计4.1 自动接线计算的实现对于一段匝道线形而言，其起终点接线的约束无疑是最为关键并难以计算的，当起点接线在单向控制的条件下完成之后，终点在双向控制条件下的接线便成为“关键的关键”。自动接线计算模块一头维系着最初一段线形在满足基本约束时的成功设计，另一头关系到动态条件下线形瞬息万变的每一次成功设计。基于如上所述的三种起点接线方式和七种终点接线方式的归纳，我们则可以分别按已经指定的接线方式和接线目
11、标，分别设计插入符合技术要求的线元组合的子模块，来适应各种不同条件下的接线设计。下面仅以“R+A+T”接线方式为例说明这一子模块的设计方法。参见图19-5所示。首先，根据给定的点方位角的起点接线方式，确定出匝道线形的起点位置与方向，再由已知回旋曲线的Z、P、S、A、RO、RD等参数，对其进行具体的定位计算，并得到终点位置、方向（方位角）和曲率半径。接下来由已求出的已知部分的终点位置、方向（方位角）和曲率半径，可推算出接线部分中圆曲线的圆心位置及半径，这样对于接线圆曲线，只有其长度是未知的。而在已知圆曲线与目标直线之间接入前进方向已知的回旋曲线，使线形曲率从已知R变化至无穷大，终点方位和位置均落
12、于目标直线段之上，只有唯一解（如图中所示）。在回旋曲线确定以后，便可容易地计算获得圆曲线的长度值了，这样自动接线便告完成。图19-54.2 立交线形的动态可视化设计如上所述的约束由于是对线形的确定性描述，因而可视为是对线形的静态控制条件。我们不难想象，所谓可视化的动态效果实际上是许多静态线形由于连续不断的显示而达到的。因而以实时拖动技术为核心的立交动态可视化设计要做到的就是：把某已知线元的某一参数的变化依附于当前鼠标的位移，在鼠标每一微小位移的瞬间，同时完成整个线位计算及相应的接线计算，并将计算结果（数据和图形）随之在显示器上显示出来。图19-6为立交动态可视化设计模块结构图。 判断自动接线结
13、果是否理想是否起点位置和方位角计算三种基本线元的计算模块终点自动接线计算数据存盘退出快速实时刷新显示匝道设计线位图形和接线结果控制数据以鼠标实时拖动实现调整起点接线数据或中间线元的有关参数起点接线方式匝道中间线元的具体定位计算七种终点接线计算模块终点接线方式待添加的隐藏文字内容2重复自动接线计算过程 图19-64.3 动态可视化设计应用同样对于上面的示例，在前述自动接线计算的基础上，假如需要使终点接线后生成的回旋曲线参数控制在A=50，我们可以当前鼠标相对于某一基点的位移变化来代表已知直线段L的长度变化（作为自变量），在鼠标移动变化的同时，图形屏幕上不断实时刷新地显示出直线长度值的变化，如L=
14、27.460、35.198、45.787、68.018、76.978等，也同时使我们直接看到整个匝道线形和终点接线的变化情况（图形与数据并存）；直到接线参数A达到目标值时，中止拖动程序，完成接线计算。参见图19-7所示。 图19-75结语应该说，对于计算机辅助设计系统的发展而言，动态可视化的设计模式具有里程碑的意义。立交平面线形动态可视化设计，除具有快速、准确、高效的一般特点外，其优势主要表现在：第一，使得人机交互式的路线立交CAD系统符合设计人员思维方式和设计习惯；第二，由多个严密约束与随意控制变化所共同构成的核心模块，使得使用者能在瞬息万变的动态线形变化中任意捕捉其理想的设计方案；第三，使得路线立交CAD系统从被动机械地计算与绘图，转变为主动地参与线形设计及方案的调整变化；第四，避免了因大量复杂而琐碎的具体线位计算对设计人员有限精力的低层次的消耗。从而，使设计人员可以通过对曲线要素的宏观控制，而将工作的重点转移到合理方案的研究和线形优化等内容上来，充分体现设计者的思想，充分发挥设计者个人的创造力。显然，实时拖动的一般技术原理同样可用于立交纵断面、横断面以及公路主线的几何设计，并与其各自的设计特点相结合，进而基本实现公路立交几何设计CAD系统的全方位动态可视化，同时为系统的人工智能化进程奠定基础。
