互通式立交动态可视化设计研究.doc

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（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（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。 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