国家创新项目申请书模板三维公路设计技术在初步设计中的运用研究(WORD档).doc

附件2XX大学大学生创新训练项目项 目 申 请 书(理工类)项目名称：三维公路设计技术在初步设计中的应用研究 申 请 人： 所在班级： 土木工程0902 指导教师： 学科专业： 土木工程 所在单位： XX大学土木工程学院 联系电话： E - MAIL： 申请日期： XX 大 学2011年6月填 写 说 明1本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要。2本申请书为大十六开本（A4），左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。3申请人所在学院认真审核，签署意见后，将申请书（一式两份）报送本科生院特色教育办公室。一、简况项目名称三维公路设计技术在初步设计中的应用研究所属学科道路与铁道工程批准经费21000起止年月2011年 7月至 2013年 1月申请人姓名XX性别男民族汉出生年月1991.2.6身份证号电话学号指导教师XX职务博士职称讲师电话项目参与人性别出生年月班级学院学号电话男土木天佑土木工程学院女土木天佑土木工程学院男土木天佑土木工程学院男土木天佑土木工程学院申请人曾参与和本项目相关科研的情况XX大学物理实验竞赛二等奖土木院结构模型大赛一等奖华中数学建模大赛三等奖3DMAX建模基础指导教师承担本项目相关科研课题情况1、 国家自然科学基金项目，多任务并发条件下QoS空间信息服务优化组合方法2、 广东省公路管理局科技项目：三维公路设计技术在初步设计中的应用研究项目情况简介传统公路三维模型只是设计成果的表现，把路线三维模型导入到3DMax渲染生成的，不能与路线设计数据进行实时修改利用建立的三维公路设计方法。本项目在公路设计过程中，模拟公路建设完工后的实际效果，并借助实时动态的公路三维设计技术全面地了解公路与沿线自然环境的协调状况，指导在初步设计时路线选线与方案比较，进一步促进公路与自然环境的协调。其研究三维模型取得的成果对公路三维设计技术的发展具有较大的推动作用。二、课题论证（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）1 立项依据(研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录)1、项目概要随着我国公路建设的迅速发展，日益严重的自然生态环境破坏问题成为人们共同关注的焦点。在公路建设过程中，路基填挖和桥梁、隧道等大型构造物的建设对原始地形、地貌和植被造成了大面积的破坏。有关研究资料表明：每建设1公里高速公路，占用的土地最高可达5-7公顷；在长江中、下游地区，由于公路建设，每年新增水土流失量达5000万吨，仅四川省每年因公路建设新增水土流失2678万吨。特别是当前湖南省的七条国道已经形成了覆盖全省地级城市的数条主干线；省道实现了市到县的连接。而高速公路建设所在的地区大多是峡谷、高山、岩溶等复杂地形的区域。这些地区山恋起伏，峡谷深邃，变化剧烈的高差使公路路线平面蜿蜒曲折，纵坡上下起伏，这种地形条件下的公路建设无疑会对公路沿线的自然环境和生态环境造成更大的影响。目前，湖南省的国道公路发展与本地区的经济和城市化快速发展相比还相对滞后。国道修建时，地方政府出于发展经济的考虑，纷纷要求将公路线位定得离城镇近些，但近年来随着湖南省的不断发展，城市化步伐的加快，城区日益扩大，部分国道公路的近城路段逐渐变成了城市道路，导致公路比较拥挤，混合交通较为严重，交通事故频频发生，影响国道公路的干线公路功能的发挥。湖南省国道还有不少路段公路等级为三、四级，影响了整个公路的通行能力。可见，湖南省未来国省道公路建设的重点是现有道路局部改建或扩建、修建城镇化发展较快的绕城公路。在这样的历史背景下，开展三维公路设计技术研究工作具有十分重要的意义。三维公路将有效的促进公路建设与自然环境相协调。在公路设计过程中，能模拟公路建设完工后的实际效果，借助实时动态的公路三维设计技术能全面地了解公路与沿线自然环境的协调状况，指导在初步设计时路线选线与方案比较，进一步促进公路与自然环境的协调。能够全面真实的了解城镇发展与公路布局的详细情况，对进一步促进公路几何设计具有较大的推动作用。我国虽然对公路CAD的设计做过大量的研究工作，但主要都是针对公路设计过程中繁琐的数据处理与传统设计方法的计算机过程处理。到“九五”末期，全国乙级以上设计院已经实现了百分之百的计算出图，进入“十五”以来，在国内很少进行过公路CAD方面的研究工作，主要是因为二维设计方法已经成熟完善，三维设计的理论还没有建立起来，且对研究人员各方面的要求都非常高，这样给公路三维设计带来了不少难度。但从公路设计体系来讲，急需要展开三维公路设计体系方面的研究。本项目就是在这样的时代背景下提出的。为了更好地进行本项目的研究，先将国内外关于公路CAD技术的相关研究进行调研和归纳。2.1 国外公路设计技术研究英、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HOPS程序；法国的Appo10程序；德国的EPOS程序等。20世纪70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(DTM)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NOAN程序，美国普度大学的GCARS程序，德国的EPOS几程序。美国麻省理工大学把公路路线按三维空间优化开发了OPTLOG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80年代，很多国家己建立了由航测设备、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，配备有道路CAD专用软件，芬兰的ROADCAD程序系统等。进入90年代以来，路线CAD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CAD系统有：突出公路几何设计与排水设计的CARD/l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ROADCAD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Intergraph公司的INROADS系统；英国的MX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。可以看出，公路CAD研究技术较成熟的都在发达中国家，这些国家公路主干线网早已形成，对公路三维技术的研究已经转移到路线与道路景观的和谐性、适应性等方面，通过三维手段表现现有的道路结构模型来评价公路对自然环境、生态保护等方面的影响。2.3国内公路设计技术研究自1979年起，交通部组织有关科研院所和设计单位先后对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，产生了显著的经济效益和社会效益。80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公路路线CAD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。1984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以NDID的软件，配备了Apollo超级微机，从事道路CAD软件的二次开发工作，取得了良好的效果。80年代末期至90年代中期，随着计算机图形学和AutoCAD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。到90年代中期，国内已经能方便地获得供公路路线计算机辅助设计用的数字地形信息，如交通部公路规划设计院推出的“道路集成CAD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IN-CAD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己经具备。从1996年开始由交通部组织实施的国家“九五”重点科技攻关项目GPS、航测遥感及公路CAD集成技术由交通部第二公路勘察设计院、交通部公路研究所、交通部第一公路勘察设计院合作开发完成，于2000年7月通过国家级鉴定。该集成系统由全球卫星定位（GPS）测量系统、数字摄影测量系统、公路数字地面模型、遥感地质图像及解译、公路路线及立交设计集成CAD系统、桥梁设计集成CAD系统等几大部分组成。系统规模庞大，功能全面，充分反映了测量高新技术的最新发展及在公路测设中的应用前景。在CAD系统开发方面充分吸收了国内外先进软件的特点以及计算机软硬件技术的最新成果，技术先进、软件水平高。交通部“九五”科技攻关项目高等级公路数模、路线设计与仿真系统由长沙交通学院与山西省公路局合作完成，并于1999年9月通过部级鉴定。该系统在原有数字地面模型、公路CAD系统研究成果的基础上，以满足实际工程需要为目标，充分反映了有关最新科研成果和计算机技术的发展水平，建立了一个包括数字地面模型、路线设计、挡墙设计、涵洞设计、道路三维工程模型的覆盖从数据采集、处理、初步设计、施工图设计到三维模型生成等全过程的路线设计集成系统。目前有部分项目利用航测数模技术自动提供设计所需的纵横断面地面线数据，配合路线CAD系统，完成高速公路路线方案比选和优化、初步设计，以及施工图设计等工作。在二维设计的基础上，生成了带地形景观的道路三维模型，进行了道路的景观设计和环境评价。这种方法的道路三维模型只是设计成果的表现，是把路线三维模型导入到3DMax渲染生成的，不能与路线设计数据进行实时修改，其研究三维模型取得的成果对公路三维设计技术的发展具有较大的推动作用。2.3 参考文献 1 符锌砂，公路计算机辅助设计，人民交通出版社，1995； 2 朱照宏，陈雨人，道路路线CAD，同济大学出版社，1998； 3 王国强，道路、机场CAD系统三维工程设计模型研究，同济大学博士学位论文，1994； 4 王福建，现代公路线形设计原理与方法的研究及CAD开发，东南大学博士学位论文，1996； 5 张海燕，虚拟现实技术在选线设计应用中的理论与方法的研究，北方交通大学博士学位论文，2001； 6 邓涛，王国锋，数字摄影测量与公路CAD集成技术的研究与应用，中国公路学报，1999； 7 成基华，范玉青，原国平.新一代公路CAD系统及其发展趋势，国外公路，1999，12(2)； 8 蒲浩，宋占峰，蒋红斐等，三角网数字地面模型的生成及其在路线设计中的应用,铁道学报，2000，22(3)； 9 蒲浩，宋占峰，詹振炎，基于Delaunay三角网的路线三维建模方法研究，铁道学报，2001，23(4):81-87； 10 刘学军，赵吉先，符锌砂，三角网数字地面模型的动态修改与编辑，.中国公路学报，2000，13(4)； 11 刘学军，符锌砂，公路数字地面模型整体建立原理及方法，西安公路交通大学学报，2000，20(3)；. 12 王福建，曾学贵，李方，三维表面模型在公路线形设计中的应用研究，中国公路学报，1998，11(3)；13 赵娅丽，方守恩，立交方案设计的三维造型研究，华东公路，1999，(l)； 14 陈杰，徐生明，公路设计实时动态三维可视化系统Realroad，公路，2000，(11)。2 研究的主要内容、研究目标、拟解决的关键问题主要内容 本项目主要利用航测数模技术自动提供设计所需的纵横断面地面线数据，配合路线CAD系统，完成长沙市西二环公路路线方案比选和优化、初步设计，以及施工图设计等工作。在二维设计的基础上，生成带地形景观的道路三维模型，进行道路的景观设计和环境评价。这种方法是把路线三维模型导入到3DMax渲染生成的，能与路线设计数据进行实时修改，其研究三维模型取得的成果对公路三维设计技术的发展具有较大的推动作用。研究的具体内容（1）分析研究国内外公路几何设计体系、方法及其相关的标准与规范，为研究三维公路设计的理论与方法提供经济、技术方面的可行性依据。（2）选择目前三维公路设计中的技术难点三维设计技术作为研究对象，在深入分析初步设计阶段公路三维设计环境下三角网数字地面模型、公路路线三维模型、公路构造物三维模型的快速构建、剖分的基础上，研究各种模型在公路设计中的简化算法，构建实时的、可任意修改路面平、纵、横数据的三维公路设计平台。研究地形数据、路线与构造物几何数据在三维设计环境下的数据组织、实时简化、数据动态调度与三维显示。选取具有代表性的实际工程进行研究，为实现三维公路设计提供有利的条件。（3）通过本项目的深入研究，有效地解决公路设计过程中海量数据与实时的、动态的、交互式设计的不足，建立起初步设计阶段三维公路设计系统平台，使之能快速服务于路线方案比选、设计成果评价、可视化工程量计算。解决大范围地形数据、道路模型、构造物模型的快速调度方式，对不同的数据源进行地形、路线、构造物一体化整合，提出可操作的、性能优化的、适合长沙市道路发展要求的算法。（4）结合项目组成员在三维公路设计研究方面已取得的成果，研究三维公路设计的理论与方法，构建三维公路设计一体化体系。（5）研究计算机辅助路线平、纵、横设计的新方法。传统的二维设计方式虽然不具备三维可视化设计的直观效果，但对于选线设计这一复杂问题的解决起到了合理的简化作用，使设计者能在较短的时间内抓住问题的主要矛盾；二维平面具有三维空间难以实现的可量测性，能精确表达出物体内部各细部尺寸及物体之间的相对关系；三维可视化设计是以二维平、纵、横设计为基础的，如道路三维模型的建立，需要利用二维设计的成果；二维设计符合设计人员的设计习惯，我国现行的设计规范也主要是针对二维设计(即分别按平、纵、横设计)制定标准的。三维可视化设计并不能取代二维平、纵、横设计的地位和作用，而是二者互为补充，相辅相成的。因此本课题将将研究一种二维与三维相结合的设计方法。研究目标利用建立的三维公路设计方法，在公路设计过程中，模拟公路建设完工后的实际效果，并借助实时动态的公路三维设计技术全面地了解公路与沿线自然环境的协调状况，指导在初步设计时路线选线与方案比较，进一步促进公路与自然环境的协调。拟解决的关键问题（1）针对以往路线CAD系统平、纵、横设计分离，不便平纵组合设计及平纵横综合协调的缺点，提出了平、纵、横一体化设计的新方法，并深入研究了其实现机理与方法，开发了相应的软件系统。该系统能彻底改善以往路线CAD软件平、纵、横设计分离的诸多不足，不仅保留了平、纵、横设计的相对独立性，更注重了三者之间的紧密联系，使得设计人员在从事某一方面的设计可以兼顾其它两个方面，因此也更符合路线设计的特点。（2）进行路线三维实体造型的研究，重点解决各地物要素的三维造型算法、桥梁和隧道等实体的三维造型问题；（3）在综合分析各种模型简化技术的基础上，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设计中最复杂的两个要素：地形模型和设计线模型的简化问题。寻求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。（4）综合应用三维实体造型、模型简化、真实感图形绘制、计算机动画等技术，实现初步设计阶段路线方案三维实时动态设计，并与路线平、纵、横一体化设计相结合，使得公路三维设计技术融入到整个设计过程中，实现真正意义上的公路三维设计及二维与三维相结合的设计思想。3采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）本项目将采取产、学、研相结合的道路，对三维公路设计中的关键问题进行分析和研究，采取广泛调研、理论分析、计算机编程实现和实际工程应用相结合的研究方法。本项目坚持“整体和局部并重”的研究思路。在战略上，站在项目的高度，分析国内外在三维公路设计设计方面取得的研究成果，解决公路设计过程中三维公路设计的关键技术；在战术上，选择目前三维公路设计的技术难点三角网数字地面模型、公路路线三维模型、公路构造物三维模型在初步设计环境下的数据组织、实时简化、数据动态调度与工程量计算作为研究对象，重点进行相关技术研发，目标明确，实用性强。4 本项目的特色与创新之处（1）路线三维实体造型的研究中，重点解决各地物要素的三维造型算法、桥梁梁和隧道等实体的三维造型问题；（2）重点解决初步设计阶段路线三维设计中最复杂地形模型和设计线模型的简化问题；（3）综合应用三维实体造型、模型简化、真实感图形绘制、三维动漫等技术，实现初步设计阶段路线三维设计的实时动态交互设计，并与传统的路线平、纵、横设计相结合，实现真正意义上的公路三维设计及二维与三维相结合的设计思想。（4）建立一套完整的集路线三维模型简化、真实感图形绘、三维实时动态交互设计、三维场景信息提取的路线三维设计的理论与方法。5 年度研究计划及预期研究成果（发表论文、申请专利等）（1）2011年7月2011年9月：制定项目方案，向各有关老师征求修改意见；（2）2011年10月2011年12月：根据国内外研究状况，设计课题的研究方案；（3）2012年1月2012年3月：进行系统的详细设计，进行三维公路设计的关键技术研究；（4）2012年4月2012年9月：三维公路设计系统研发；（5）2012年10月2013年1月：进行数据采集、系统调试、完成数据，编写课题结题报告，组织项目验收工作。（二） 研究基础与工作条件1 工作基础（相关的研究积累，已取得的相关学术成果）项目申请人指导老师目前正从事三维GIS研究。为全面顺利完成本课题研究，课题组已进行大量的调研工作，对国内外研究现状进行了深入细致的分析。申请人指导老师研究方向之一“面向任务的空间信息聚焦服务机制”获得国家安全重大基础研究（国防973计划）“*应用服务方法研究”资助（具体见工作基础）。根据课题需求，申请