（道路与铁道工程专业论文）公路路线平面设计方法的研究及应用软件的开发.pdf

摘要 公路平面线形设计作为整个公路设计的骨架，要符合地形约束及 各项经济技术指标，如何合理地确定线形单元的位置、拟定单元的各 参数并灵活运用各种线形组合设计，是进行线路线形设计所面对的首 要工作。在设计中尽量利用计算机来完成一些繁琐的计算及绘图工 作，实现设计可视化( 所见即所得) ，可以使设计者将更多的精力集 中于线形组合设计及平纵结合等其它方面。 本文通过对已有的各种道路设计软件关于平面线形设计的研究， 以公路平面线形的合理组合为设计思想，利用o b j e c t a r x 开发工具开 发了公路平面线形辅助设计系统： 1 系统具有多种线形单元设计功能，可设计各种普通曲线、特 殊曲线及曲线单元组合，同时开发了多种单元定位及连接方式，可以 根据实际需要在单元位置固定或稍做移动后将孤立的单元连接成连 续光滑的线路。 2 系统平面线形设计实现了可视化，即所见即所得，在单元设 计和单元修改如平移、修改参数时都实现了动态拖动，可以随时获知 孤立单元的参数或线路的具体位置。 3 曲线单元半径可以根据地形控制点由计算机自动解算，避免 了人工拟定的盲目性。 4 系统具有较完备的平面线形设计查错功能。将平面线形相关 规范纳入到系统中，在设计中出现违规情况时，可随时给出相应提示。 关键词：平面线形设计，线形单元，动态修改，o b j e c t h r x a bs t r a c t t h ed e s i g no fr o a d 、p l a n el i n e t y p ei st h ef r a m e w o r ko ft h e w h o l er o a dd e s i g n ，i tm u s tf i tt h er e s t r i c to f l a n d f o r ma n de v e r y g u i d e l i n eo fe c o n o m ya n dt e c h n i c s o ，h o w t oc o n f i r mt h e p o s i t i o no ft h el i n eu n i tr e a s o n a b l y , s t u d yo u te v e r yp a r a m e t e r a n de x e r ta l lt h el i n e t y p e st oc o m b i n et h ed e s i g na g i l i t ya r et h e c h i e ft a s ko fr o a dl i n e t y p e m a k i n gt h em o s to fc o m p u t e rt o f i n i s hs o m ec o c k a m a m i nc a l c u l a t ea n dp l o tw o r k 、a c h i e v i n gt h e v i e w p i c t u r ew i l lm a k et h ed e s i g n e rh a v em o r ef o r c et o f a s t e no n c o m b i n i n gl i n e t y p e 、d e s i g n i n ga n du n i t i n gt h ev e r t i c a ls e c t i o n r一 一一 一 a n dp l a ne t c ”i nt h i sp a p e r , a f t e rs t u d y i n ga 1 1k i n d ss o f t w a r eo nr o a dp l a n e l i n e t y p ed e s i g n , t h es y s t e mf o c u s o nu n i t i n gt h er o u dp l a n e t i n e t y p el o g i c a l l ya st h ed e s i g ni d e o l o g y , o p e n i n go u ta a s s i s t a n t d e s i g n i n gs y s t e mo nr o a dp l a n et i n e t y p ew h i c hi sb a s e do nt h e t a pt o o l - to b j e c t a r x ： 1 t h es y s t e mi n t h i s ，p a p e rh a st h ef u n c t i o no fd e s i g n i n g m a n i f o l dl i n e t y p eu n i t , i t ，c a nd e s i g na n yk i n d so f ，n o r m a lc u r v e ， s p e c i a l , c u r v ea n dc o m b i n a t i o no fc u r v i l i n e a ru n i t ，a tt h es a m e t i m e ，t h es y s t e ma l s oo p e n s ，u pd i v e r s i f i e dm e t h o d so fu n i t 一 ， o r i e n t a t i o na n dj u n c t u r e ，w h i c hc a n il i n kt h e i s o l a t e du n i t st o 。 一- 一 s l i c kl i n eb yf i x i n g0 rt l l o v l n gt h e mo na c t u a ld e m a n d s 2 t h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ev i e w p i c t u r eo fp l a n e ：l i n e t y p e ，t h a ti sw y s w y g i t a l s om a k e st h ed r a gd y n a m i cc o m e t r u ei nu n i td e s i g na n dm o d i f i c a t i o ns u c ha sp a r a l l e lm o v i n g 、 p a r a m e t e r m o d i f i c a t i o n ，i nt h i sw a y , t h ep a r a m e t e ro fa n yi s o l a t e u n i ta n dt h ei d i o g r a p h i cp o s i t i o no ft h el i n ec a nb eg o t t e n a t a n y t i m e 3 b a s e do nt h ec o n t i = o lp o i n to fl a n d f o r m , t h es t u d y i n g o u to fc u r v i l i n e a ru n i th a sb e e n - d o n eb yc o m p u t e r , w h i c ha v o i d t h eb l i n d f o l do fm a n u a lw o r k 4 t h es y s t e mh a st h es e l f - c o n t a i n e d a c c i d e n t f u n c t i o n o fp l a n el i n e t y p ed e s i g n ，w h i c hc a nb l e nt h ec o r r e l a t i o n c r i t e r i o no fp l a n el i n et y p ei nt ot h es y s t e m , i nt h a tw a y , c o r r e s p o n d i n gc u ew a sg o t t e n ，w h e n e v e rm et h ei n s t a n c et h a t w a ，sf e l ls h o r to fc r i t e r i o nd u r i n gt h ed e s i g n k e yw o r d s ：p l a n el i n e t y p e d e s i g n ，l i n e t y p eu n i t ，d y n a m i c k l i f i e a t i o n ，0 b j ；c t a r x m o d l t l e a t l o n e c ， i n 原戗性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：趁丝丝日期：丑年卫月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 期：堕年生月生日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在道路设计中，地形、地物、地质、水文等自然地理数据是设计的原始依据， 很多经济与交通等动态发展的因素对公路设计有重要的影响，线路设计人员必须 应用自己的经验和专业知识，使用图形来表达大量错综复杂问题的解决方案。因 此，在公路c a d 系统中更多的是运用交互式图形工作方式，设计出的路线不但要 满足地形地物、地质及空间限制的要求，又要满足相应的设计规范要求，必须保 证路线符合舒适、合理、安全、经济、环保等各项经济技术指标。由于路线线形 质量的好坏不仅直接关系到汽车能否安全、舒适、快捷地行驶，还直接影响公路 的造价、与周围环境的协调以及公路各个组成部分工程实体的设计所以线形设 计是公路设计的骨架。在整个公路设计过程中占有非常重要的地位。 1 t 1 公路路线c a d 概况1 1 公路路线c a d 系统往往是现代钡 绘设备、计算机及其外围设备和专用软件包 的组合系统。它一般包括道路几何线形设计及一般路基构造物的设计，可以适用 于公路，城市道路和机场等工程的设计。从六十年代计算机应用于公路设计开始， 公路c a d 就随着计算机技术的发展而发展并逐步走向系统化、集成化、网络化) 商品化，成为道路设计工作中不可缺少的辅助工具。 我国公路c a d 的研究工作开始于2 0 世纪7 0 年代1 9 7 4 年，同济大学在全 国率先收集和翻译国外关于道路路线优化技术和计算机辅助设计方面的资料。自 2 0 世纪8 0 年代中期起矿长沙铁道学院、佩济大学、重庆交通学院、重庆公路研 究所、交通部第二公路勘察设计院、西安公路学院等单位对铁路、公路纵断面优 化技术及平面线形优化技术等进行了研究 随着c a d 技术韵迅速发展，国内各高校和公路设计部门开发和引进了一些公 路路线c a d 系统，并有多项成果在生产应用中取得了明显的经济效益，例如东南 大学开发的道路与互通立交e i c a d 系统、交通部第二公路勘察设计院开发的微机 公路路线设计系统、中国科学院北京软件工程研制中心和交通部第一公路勘察设 计院在p i c a d 系统的基础上联合开发的h e a d 道路设计软件系统、以及纬地 ( h i n t c a d ) 道路计算机辅助设计系统等软件系统。 硕士学位论文第一章绪论 铁道部各高校及设计单位也研制了一些自己的铁路线路计算机辅助设计系 统。这些软件系统都有各自的特色，并随着计算机技术的发展和实际使用中提出 的问题不断完善，不断进行功能补充。中南大学( 原长沙铁道学院) 的詹振炎教 授及其研究小组在铁路选线设计新技术上进行了多方面的开发研究，取得了一批 成果，包括“新建单线铁路施工设计纵断面优化及c a d 系统一、“新建单、双 线铁路线路机助设计系统一、“铁路线路三维可视化设计系统一、“铁路线路平 纵面整体优化系统”等，这些软件的出现，有力地促进了路线c a d 的发展。 1 n h e a d 系统 h e a d 系统( h i g h w a ye n g i n e e r i n ga i d e dd e s i g ns y s t e m ) 是由中国科学院北 京软件工程研制中心和交通部第一公路勘察设计院在p i c a d 系统的基础上联合 开发的道路设计软件，重点在平面线形设计方面，其主要特点是提供的平面设计 方法丰富，包括积木法、交点法、控制法、参数法、位移法等设计线形的方法， 而且这几种方法可以互相补充一种方法无能为力的地方，总可以找到其他方法 来弥补。但正是由于其方法太多，未能对计算方法进行统一，从而缺乏对线位进 行有效的交互修改，两动态的交互修改功能才能真正实现可视化设计的需要。 h e a d 的另一个特点是系统有自己独立的集成化c a d 平台，丽非基于其它商 业化c a d 平台。 2 互通立交i n c a d 系统 g n c a d 为交通部第二公路勘察设计院开发的一套互通立交设计软件，包括互 通立交设计的各方面。主要特点： ( 1 ) 提供了较完备的互通立交出图工具： ( 2 平面设计部分采用线元法定线。 3 b i n t c a d 纬地系统 纬地系统是由中交第一公路勘察设计研究院针对公路路线、互通式立交、城 市道路、平交口等的设计、计算及绘图而开发的。该系统提供两种方法进行平面 设计，曲线法( 积木法) 和交点法。前者用于互通立交设计，后者用于公路设计， 并且二者可穿插使用，其数据可以相互转化。 纬地系统的交点法是传统的线形设计方法，4 在地形复杂地区较难应用，而积 木法又要求事先人工计算取得线形要素。 4 公路路线c a d 与可视化系统d g r o a d d g r o a d 系统是由中南大学道路与铁道研究所、河南省勘、四川省交通厅公 路规划勘察设计研究院联合开发的。系统汲取国内外专业软件在设计计算、处理 成图、数模应用以及三维仿真等方面的优点，以实现公路路线( 含分离式) 与立 交平、纵、横设计与实时三维仿真为核心，使用户完全摆脱以往线路设计中繁琐 的计算与绘图，充分发挥设计者的创造力，实现个人的设计构想。 2 硕士学位论文 第一章绪论 d g r o a d 系统主要针对各等级公路( 含分离式) 、互通立交等路线的设计、计 算及绘图开发。主要功能与特点有： ( 1 ) 广泛应用了实体定制技术，使图形与数据融为一体，实现了基于图形 的交互式设计，图形与数据联动，所见及所得； ( 2 ) 实现了多个平面方案和多个纵坡方案的集成交替设计功能； ( 3 ) 开发了丰富且灵活便捷的图形屏幕布线工具，包括交点法与线元法， 可设计出任意复杂的公路线形； ( 4 ) ，深入研究了大规模公路路线场景的建模与模型视相关简化技术，采用 & o e a g l 开发出了三维实时仿真平台，实现了设计过程中的实时动态交互式浏览。 1 1 2 国外研发情况 2 0 世纪6 0 年代初期，电子计算机开始运用公路设计中，首先对繁冗重复的 大量计算工作，编写成功能独立的程序，如平面和纵面几何线形的计算、横断面 和土石方的计算以及输出数表等为获得经济效益，英、美、法、德和丹麦等国 家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系统。 2 0 世纪7 0 年代，道路路线设计优化技术拓宽到平面和空间( 三维) 选线； 数字地面模型( d t m ) 开始应用；计算机绘图技术可以直接提供设计和施工图纸。 到了8 0 年代，很多国家已建立了由航测设备、计算机( 包括绘图仪、数字化仪 等外部设备) 和专用软件包形成的公路c a d 组合系统。这一时期国外的最新研究 方向主要集中在线路勘测设计中智能c a d 技术应用、地理信息系统g i s 的应用以 及道路设计中的三维c 朐技术应用和可视化技术。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，国外逐步出现了若干个较为优秀的道路c a d 软件， 它们试图走向国际化满足多元化的设计标准，提高柔软性( 适应性 。目前国 外比较成熟的道路软件主要有c 德国的c a r d i 软件，英国的m x r o a d 软件、美国 i n t e r g r a p b 公司的i r r o a d s 软件、挪威的n o v a c a d 软件和加拿大的g 1 l n r o a d 软 件等。 1 德国c a r d i 软件系统 c a r d i 系统特别适用于道路的勘测和设计。在使用中，从测量和数据采集 开始，经数据的传输和处理、中线设计，纵断面和横断面设计、土石方计算，直 到交付使用的施工图纸和文件，都可随时高效的完成任务。主要特点： ( 1 ) 该系统是一个在生产实践中开发并服务于生产实践的系统，比较实用， 界面友好，如w i n i ) o w s 风格界面、弹出式菜单、折叠式边菜单等，操作方便。 ( 2 ) 先进性。该系统是具有先进的工程设计思想和c a d 技术的公路勘察设 硕士学位论文第一章绪论 计一体化系统。采用国际上先进的曲线定线法和横断面开发和编辑的处理方法， 其横断面开发是同类软件中最杰出的，可完成各种形式的横断面设计。 ( 3 ) 开放性。系统可以通过标准格式的数据交换或通过如d x f 等接口对外 来程序数据传输或对其他程序系统的数据进行处理，设计参数也可自己定义，以 适用于不同的国家和地区。另外，还提供了强大的二次开发平台，用户可根据自 己的需要拓展设计功能。 ，韵位置及参数，再在直 线和圆弧之间或者圆弧和圆弧之阀插入缓和瞌线进行连接，从而达到布设平面线 形的目的 优点。、兼容了我国习用的导线法，易于让人接受；，将公路复杂的曲线组合分 为两种基本模式，计算模式简扼方便，。通用性、灵活性非常强； 缺点：直线和圆弧是在地形图上确定的，直线与圆弧、圆弧与圆弧之间的相 对位置会直接影响缓和曲线的参数值及线形的协调性。所以设计中要反复进行试 算。 2 积木法 把每条匝道都看成由一段段独立的直线段、圆弧线段和回旋线拼接而成。只 要已知匝道的起点信息或已设计好盼匝道的终点信息，就从匝道的起点开始利用 上述三种线元之一逐段向前拼接。就象搭积木一样设计出理想的匝道平面线形。 7 硕士学位论文 第一章绪论 积木法适用于曲线要素值已知的公路初步设计和施工图设计阶段的平面线形的 计算和敷设，是典型的曲线设计法。 优点：不受传统线形设计方法中线形组合形式的限制；方法简捷、明确，便 于用计算机进行辅助设计和计算。 缺点：某一线元参数值或位置的变化，将导致整条线路的位置都要变化。曲 线需重新计算与敷设，不利于线形的修改和优化。 3 模式法 把设计中常用到，的线形组合，根据直线一圆曲线、圆曲线一直线、圆曲线一 圆曲线等连接关系，建立了直圆形、卵形、c 形、凸形、s 形等多种基本线形模 式。设计者按照控制条件要求，首先布设圆曲线和直线，圆与直线、圆与圆之间 的连接则由它们之间的几何关系及一些必要的线形控带i 参数来求解。 模式法以圆曲线和直线为控制单元，便于构造线形组合，具有布线手段灵活一 线位控制准确的优点 除上述方法之外，还有拟合法、弦切线法、闭合导线法、端点受限法、b p 神经网络法、c b r ( c a s e - b a s e d - r e a s o n i n g ) 法，圆弧移动法等，这些方法各具 特色，但也都有一定的局限性。例如有些方法利用圆曲线或直线段作为匝道两端 的基本控制线元，然后在其伺布设匝道线形，当匝道两端主线及被交道均为回旋 线时，应用受到限锚有的甚至难以设计出来。再者，线元设计参数的拟定存在 一定的盲目性和随意性，线形调整不便，路线不易满足控制条件要求，难以得到 与规范比较相对合理的数值，设计终点不易控制在理想的范围内。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要研究公路平面线形单元设计、单元参数的拟定和线形组合设计方 法。 在平面设计中，起决定作用的是曲线半径，+ 而由人工拟定半径引起的盲目性 会导致较多的后续修改工作，所以由计算机根据选定的控制点位进行自动解算半 径更为合理。而作为连接直线和曲线的缓和曲线的长度应与其所连接的四曲线的 半径大小相适应，太大或太小都会影响线路的协调和线形的质量，所以缓和曲线 的参数应以人工输入为主将直线和曲线以各种不同的顺序组合在一起即成为线 路，因此，平面设计就是各种线形单元的组合设计，而且能够快捷的对线路进行 修改设计也是对设计系统的必然要求。 本文基于以上思想编制了公路平面设计系统，并参考了德国c a r d 1 线路软 件关于平面设计的思想。 设计流程如图1 1 。 硕士学位论文 第一章绪论 主要有以下一些内容： 1 设计了多种在屏幕上由控制点自动 解算线形单元主参数的工具，能够设计直 线、单个曲线及各种特殊曲线及曲线组合， 包括s 形曲线、卵形曲线、回头曲线等。 2 设计了灵活方便的单元定位连接方 法，以形成基本形、s 形、c 形、卵形、回 头曲线等各种曲线及曲线组合。 3 设计了修改单元参数及位置的工 具，并且具备动态交互功能，即可视化设计。 4 利用动态链表存贮单元数据，并支 持多轴线设计。设计单元时可以先设计小里 程方向的单元，也可以先设计大里程方向的单元， 9 图1 1 设计流程图 可指定某一单元为首单元。 硕士学位论文第二章平面线形设计及定位连接 第二章平面线形设计及定位连接 在本系统中，线路平面设计的基本步骤如下： 根据实际的地形、地物或控制约束条件等在屏幕上布设直线、圆曲线， 控制线路的走向，布设的线形单元都是孤立韵； 区分哪些线形单元的位置可以稍做变动哪些线形单元的位置不能移动， 根据具体情况选用不同的定位方法对各线形单元进行定位； 对连好的路线进行调整修改，使用动态交互操作通过改变曲线或直线的 位置或者参数的办法进行交互调整线位，以使线形设计合理。 最后输出线路直曲表等各种数据成果。 2 1 中线的数据结构 本系统所生成的线形实体有直线和曲线两种，曲线又分为基本形曲线、卵形 曲线和回头曲线等。在a u t o c a d 中所有的线形均以a c d b p o l y l i n c 多义线的形式 存在，多义线的顶点间隔为两个图形单位。线形单元的数据信息使用双向动态链 表结构来储存，每个线形单元对应于链表中的一个数据结点，包含了线形的主要 数据，当鼠标选中了图中的某个线形后，就可通过获取链表中对应的结点，进而 获知该线形的参数信息，以进行线形定位和参数修改计算等操作。 2 1 1 双向动态链表 双向动态链表结构使用动态的内存分配方法，不像数组等静态内存分配方法 那样需要预先分配存储空间，而是由系统根据程序的需要即时分配，分配的内存 大小就是程序要求的大小，动态链表结构可以随意增加、修改或删除结点，也可 调整结点的排列顺序。同时结点有两个指针域( n e x t 和f o m 域) ，其一指向直接 后继，另一指向直接前趋，可以方便地对结点进行操作，既可向前也可向后使用 数据，使得遍历数据结点时更方便，避免了单向链表的单向性。 道路线形设计存在无顺序性、非连续性等特点，需要可以随意增加、插入、 修改或删除线形，而双向动态链表结构恰恰能满足线路设计的这些要求，可方便 地对链表结点数据进行更新修改。 1 0 硕士学位论文第二章平面线形设计及定位连接 2 1 2 数据链表结构 本系统所用的链表结构如下： s t m c td a t a d y d o u b l em i l e g e ；单元起点的里程 ，。a c c _ 把p o i n t 3 dp t b o g ； 起点坐标 d o u b l ea z i 脚g ；、 起点方位角 d o a b l er a d i u s ) 倘线的半径( 有正负号) d o u b l er a d i u s t 彳卵形曲线韵第二个半径 d o l l b l ea l 脯行缓参数值a 。d o u b l ea 2 i后缓参数值a a c g e p o i n t 3 dp t e n d ：终点坐标 d o u b l ea z i e n d t 终点方位角 d o h b l et e n g t h ：曲线总长 s t r e e td a t a d y f o r c p o t ：前继指针 s t r u c td a t a d y 幸n e x t p o t ；后续指针 ) ； 各种线形的数据信息都按标准的链表结构来存贮。系统中的缓和曲线形式均 为常用的回旋线。 缓和曲线作为圆曲线的附属部分，和圆曲线作为一个节点存贮；而文中的卵 形睡线单元仅指卵形线形组合中的不完整回旋线部分，单独存贮；回头曲线则指 回头曲线组合中的主曲线部分。所以在链表中，有直线、圆曲线、卵形曲线和回 头曲线四种形式的节点数据，按如下方法进行各种线形的识别： 直线线形( r a d i u s = r a d i u s t = o ) ： 基本形曲线( r a d i u s ：0 ，r a d i 阻s t = o ) ，并且r a d i u s 为有正负号的数值，当 r a d i u s o 时。线路右转向，反之则左转向； 卵形曲线i 璐0 ，r a d i u s t 舢, r a d i u s ：r a d i u s t ) ： 回头曲线( r a d i u s ：o r a d i a s t ：o ，r a d i u s = r a d i u s t ) 。 2 1 3 链表操作 当进行单元定位或修改线形的操作时，通过鼠标选中某线形单元后，根据该 单元多义线的起点坐标或终点坐标，即可从链表首结点开始遍历，直到搜寻到与 该点坐标相同的结点。获取了单元对应的结点指针后，就可得到单元的半径、缓 硕士学位论文 第二章平面线形设计及定位连接 和曲线参数a 值、起终点方位角、长度等数据信息，并能根据这些信息计算出 该单元的其它主点坐标，如圆缓点、缓圆点及交点等。 1 增加结点 执行各线形设计命令后生成一个线路线形单元的同时，计算机为程序分配一 块固定长度的内存空间，即为链表增加一个结点，然后将该单元的数据信息赋给 结点的各对应项。另外，每一个新生成的结点都会被排列到链表的尾端，最后可 统一调整顺序。 2 插入结点 在两个结点中间插入一个结点，箭头表示结点的前趋和后继指针指向。如图 2 1 。 匡豆 屯窭孓爿圈匡豆 岖匾孓 雯丑暑圈 插入结点4 前插入结点4 后 图2 - 1 插入节点图 插入结点4 后，结点l 的后继指针和结点2 的前趋指针的指向都要调整为指 向结点4 。 3 。更新结点信息 即改变结点的数据信息。 在执行线形定位连接或者修改设计时，各线形的参数或位置等都会发生变 化所以要及时将新的数据信息赋予线形对应的结点，即对各结点进行数据更新， 所有参与到该命令执行过程的线形所对应的结点信息都要进行更新。 4 结点删除 当执行“删除一命令时，在a u t o c a d 当前数据库中删除被选中的线形实体。 与此同时一也要将与该单元对应的链表中的结点删除，并释放该结点占用的内存 空间。 如图2 2 所示( 删除结点2 ) 。首先将该结点2 的前趋指针和后续指针调整指 ，向为空，同时结点i 的后继指针指向结点3 ，结点3 的前趋指针指向结点l ，使 结点2 处于孤立状态；最后将系统为结点2 开辟的内存空间释放掉，删除结点 删除前 删除后 ：图2 - 2 删除节点图 在关闭项目图形时，应该将整个链表删除，以释放程序占用的内存空间。 & 结点顺序调整 系统每生成一个新的线形单元时，新生成的链表结点都会被排列到链表的尾 1 2 硕士学位论文第二章平面线形设计及定位连接 端，但是设计线路时并不是从线路起点顺序设计到线路的终点，而可能是先设计 大里程的线形单元再设计小里程的线形单元，或者先设计后段的线形单元再设计 前段的线形单元，所以链表中的结点的排列顺序并不是与线路中的单元的排列顺 序相一致韵。为了方便线形数据信息及直线、曲线和转角表等数据的输出，需使 各结点按照单元从小里程到大里程的顺序排列，在输出线路单元数据前将结点的 顺序进行调整。 ，当执行“单元数据计算 ，“输出轴线数据，。或者“标注桩号气，等命令肘， ，首先就是进行节点的顺序调整工作。系统会从链表的头指针开始搜索，如果发现 在链表中的某个单元( 结点指针为p t ) 的终点上有符合连接条件的单元( 结点 指针为p n ) ，并且硝一 f o r e p o tl = p t ，就将该单元结点的前趋及后继指针重 新调整，使其在链表中的位置位于p t 之后，这样链表中的结点就是按照从小里 程到大里程的顺序排列的。如下躅： 匝巫k 爿蔓至 堕丑己回匝亘k 爿翌田三屯亟办己圃 调整前调整后 图2 8 调整节点连接顺序图 1 2 1 4 数据输出 在用户1 中断设计工作退出当前设计项目前，应将线形数据信息输出到文件中 存储起来。当再次打开该设计项目时，打开项目的a u t o c a d 图形并将项目文件 中的轴线数据读出后赋给新建的链表，这样图形中的线路线形单元就与其链表结 点对应起来，可以继续进行设计工作。 在执行系统的“输出轴线数据 时，将当前轴线所有的单元数据，包括未连 接的单元的数据信息，全部输出到项目数据库中的“轴线单元数据一中，保存在 项目文件夹中，同时也会保存当前图形，以保证图形与数据的同步。 2 2 线形计算模式 线形计算模式指基本形曲线及各种线形组合的计算方法。在下文中的线形设 计和定位连接、修改设计等都是以这些模式为基础进行计算的。 2 2 1 基本形曲线计算 由直线缓和曲线一圆弧一缓和曲线一直线组成的线形称为基本线形组合， 其曲线部分称为基本形曲线，是公路平曲线中较常用的组合，也是其它各种线形 硕士学位论文第二章平面线形设计及定位连接 组合计算的基础。本文中的缓和曲线均采用回旋形形式。 如果两端缓和曲线参数相等，则为对称基本形曲线，否则即为非对称基本形 曲线。本文中的各种计算模型均以非对称型曲线来建立的。 图2 4 为非对称基本形曲线计算图。 o 图2 - 4 基本形曲线计算图 1 基本公式 缓和曲线上任意点在局部坐标系上的坐标； t i ，l 9 l 1 3 。 x 。l 一4 - 泰a 4 + 3 4 5 6 a s 一5 9 9 0 4 0 a 1 2 十公式( 卜1 ) pl 7 。 l 1 1l 1 5 。 y 。石万一五雨十4 2 2 4 0 a m 一耍磊面砰十“ 公式( 2 2 ) 式中：l 为缓和曲线上任意点到缓和曲线起点( 曲率为o ) 的曲线长。 设缓和曲线终点( 曲率半径为r 的点) 在局部坐标系中的坐标值为x 、y ， 分别由公式( 2 _ 1 ) 和公式( 2 _ 1 ) 7 求得，则 ， 缓和曲线终切线偏角b = 哆磊 半径内移值p = y + r c o sb r 切垂距o - x r s i nb 1 4 公式( 2 3 ) 公式( 2 4 ) 公式( 2 5 ) 硕士学位论文第二章平面线形设计及定位连接 前切线长- - 里! 蔓里雩2 兰型+ q 。 后切线长t 2 - r + p , - ( r + p 2 ) * c o s ( a ) + q ： s l n a 公式( 卜6 ) 公式( 2 7 ) 2 由直缓点( z h ) 和缓直点( h z ) 坐标计算缓圆点( 珊) 和圆缓点( y h ) 的坐标 z h 点和h z 点方位角分别为。和量，曲线转向信息为t u r n 。由公式( 2 1 ) 及公式( 2 以) 得到h y 和y h 在各自的局部坐标系中坐标分别为x 。，5 ， x 2 ，y ：， 两点在大地坐标系中的坐标分别为x l ，y l ，x 2 ，y 2 则有 x l = x l h + x l 术s i n ( 以) - t u r n 木y l 木c o s ( 口) 公式( 2 _ g ) i = x h + x l 爿：c o s ( 叫+ t u r n * y l * s i n ( ) x 2 = x h , + x 2 水s i n ( 0 + p i ) + t u r n * x 2 托o s ( 9 + p i ) 公式( 搠) i = k + x 2 * , c o s ( b + p i ) + t u r , n , * y 2 * s i n ( b + p i ) 在地形条件许可的情况下基本形曲线可以很好地表示路线线形，计算方便， 也最适合汽车行驶同时，由于它是其它各种线形组合计算的基础，所以在进行 程序设计时，将基本形曲线的计算公式构造成相应的函数作为公用的模块，然后 根据各种线形组合的特点分别处理，并调用公用模块完成计算。 2 2 2 线形组合计算模式 常见的线形组合主要有直一圆、s 形、c 形、卵形等。如图2 - 5 。 真一圆 卵形组合 图2 - 5 四种组合模式 1 5 硕士学位论文 第二章平面线形设计及定位连接 的。 道路平面线形都是根据实际需要由这几种基本的线形组合组合连接而成 通用线形计算公式如下： ( r 。+ p 1 2 ) + a 木( r 2 + p 2 1 ) 2 “m 1 2 + b 木m 2 1 ) 2 - - d 2公式( 2 1 0 ) 式中p 。：一前曲线后回旋线半径内移值： p 2 。一后曲线前回旋线半径内移值； m ，。一前曲线后回旋线切垂距； 皿翻一后曲线前回旋线切垂距： d - 两圆圆心距： s 形a - - t ，b = l ： c 形a - - - 1 ，b - - 1 ： 卵形a = 1 ，b = 一l 。 在文中其它地方出现的幽：、p 2 。、m t z 、m z 。，意义同公式( 2 一1 0 ) 中的说明。 2 3 线形设计 利用计算机辅助设计系统直接在屏幕上定线，比传统的手工纸上定线方便、 快捷，所见即所得，而且所有的计算工作都由计算机完成，效率高、误差小。同 时a u t o c a d 可以实现多窗口环境，使观察范围增加，任意局部范围都可在一个 屏幕中显示，缩放、平移图纸的功能更加灵活方便，参数实时显示功能也让设计 者有了“距离感 和“空间感”，这都使得屏幕定线能够实现纸上定线所能完成 的绝大部分功能。 本系统采用直接在屏幕上定线的方法，可设计规范中各种线形组合，也可通 过各种定位连接手段使直线和曲线连接后形成各种线形组合。 2 3 1 直线设计 直线线形具有设计、测设简单，施工方便等优点，而且笔直的道路给人以短 捷、直达的良好印象汽车行驶时受力简单、方向明确、驾驶操作简易并能提供 较好韵超车条件。 但是在地形起伏较大的区域，直线线形很难与地形相协调，易产生高填深挖 路基。另外过长的直线易使驾驶人员感到单调、疲倦、急躁，难以目测车间距离， 易引发交通事故。所以在运用直线线形并决定其长度时，须持谨慎态度。 在本文中有两种直线设计方式： 1 输入直线的起点。然后输入直线方位角和长度定出终点。 1 6 硕士学位论文第二章平面线形设计及定位连接 2 直接输入或者在屏幕上拾取直线的起终点。 2 3 2 基本形曲线设计 设计基本形曲线时，首先确定圆弧的半径、圆心的位置及起终点，然后手工 输入回旋线参数值将两段回旋线加在圆弧两端，生成一个基本形曲线。所以基本 形曲线的设计主要是确定圆弧的位置及参数。 圆曲线半径的确定，最好采用根据地形控制点由计算机自动计算，辅助以人 工选择取整的方式，以避免人工输入所带来的盲目性。由于曲线半径过大会导致 驾驶员感到与直线并无区别，而且也无实际意义，所以曲线半径的最大值被限定 在l0 0 0 0 m 以内。 缓和曲线长度的确定：回旋线形参数由人工输入，为满足视觉、线形连续协 调等要求，宜使回旋线一圆曲线一回旋线 的长度比为i ：1 ：1 1 ：2 ：1 。 确定圆弧有以下几种方法。 1 起终点+ 通过点 通过不在同一条直线上的三点确 定一个圆弧。在屏幕上输入圆弧起终点 后，再输入圆弧经过的第三点，系统根 据三个点位的信息自动计算三点所确 定圆弧的半径，并且当鼠标移动时可以 动态显示生成的圆弧，c a d 下方的命 提示信息输入参数 i 曲线拳径为触，9 7 ；半径，鲫9 6 7 6 , i j 麓强铰酶赣兔3 2 31 蕾一一x = 置 ! 曩奎尉臌长为如： ；旃董参数 0 j ；耋筻：黧受孳2 ： 触擞矗 ：当鼢1 0 0 卫醴时，直a a 如 8 “二一 j 兰墅翌婴嘤直a - r 3 ；转冉；稿0 | 。当r 3 0 耐舛，直a 鹅 ” ：二：二。o 繁铲一吾磊胃吕 ：p ”e 繁t t 8 抽# t t q o o k口半径张厂1 丽 图2 6 “曲线参数输入”对话框示意图 令窗口区实时显示圆弧的半径。当所得半径小于规范规定的最小极限半径或者大 于1 0 0 0 0 m 时会提示设计者。确定圆弧后，将弹出“曲线参数输入”对话框，如 图2 - 6 ，根据圆的半径输入合适的前后缓和曲线的参数值( a 或l s ) ，在圆弧两 端加上缓和曲线即构成一个基本型曲线。 确定圆心方法：因为三角形任意两条边的垂直平分线的交点即为该三角形外 接圆的圆心，所以利用这三个已知点构造两条垂直平分线并求其交点即得圆心。 由于能够动态显示生成的圆弧，所以可以直观的获知圆曲线经过的区域，能 及时判断曲线是否符合地形地物等控制条件。这种方法与采用弯道板定线类似， 但要较弯道板来得方便、快捷和轻松。 2 起终点+ 半径 在屏幕上点选圆弧起终点后，通过对话框输入圆弧半径、转向信息后就可确 定一个圆弧。 选取圆弧起终点后将弹出“曲线参数输入”对话框，输入各参数后生成基本 硕士学位论文 第二章平面线形设计及定位连接 形曲线单元。 3 两点+ 距离 根据两个控制点及线路需要和这两个控制点保持的距离来控制圆弧的位置。 可以此方式来使线路规避一些重要的建筑物等。 通过输入圆心( 躲避点) 和另一点 ( 确定避开的距离) 确定一个圆形区域 ( 图中虚线所示) ，用同样的方法确定第 二个圆形区域。在设计过程中需要指定 待设计的基本形曲线与两个圆形避开区 域的相切方式：内切或者外切。如图2 7 所示 圆弧半径的确定方法： 直接输入半径； 在屏幕上指定一个圆弧经过的点： 方向 图2 7 “两点+ 距离”设计单元示意图 如果是外切方式。则勿需再指定转向 最后需要输入曲线的转向信息、前后缓和曲线参数a 值，生成一个基本形 曲线。 由于此法是为绕避两个控制点而开发的，所以在后面的单元定位连接或修改 操作过程中，用此法生成的曲线的位鹭不宜变动。 4 导线法 为了实际情况需要，本文增加了用导线法设计圆曲线的模块，以适应各种情 况的控制约束条件。即通过确定两条导线后，再输入半径、缓和曲线参数值来生 成一个基本形曲线。另外，这种传统的曲线设计方法也可用在线路起点或终点方 位位置已确定的情况下，来设计线路的首单元或末单元，以与已有线路连接。 5 拟合法嘲 在公路的改扩建工程的平面设计中，运用若干点位m i ( x i ，y 1 ) 。m 2 ( x 2 ，y z ) ，o 1 t m n ( x i l ，h ) 来拟合一条圆曲线的方法，使圆弧尽可能经过所有选定的点，可以 达到部分路段老路利用、减少路基工程量的目的。 拟合圆的方法主要有平均值法、加权平均法和最小二乘法。平均值法过程简 单，在没有计算机辅助的情况下也可进行计算，但要求已知点分布均匀，否则拟 合的误差较大；加权平均法略为复杂，拟合效果好于平均值法。但由于利用相邻 点间的直线距离代替实际弧长，所以误差也较大，只是在一定程度上的近似；最 小二乘法无论是从理论上或是从实际效果看，在这三种方法中都是最好的，复杂 的计算可由计算机来完成。 1 8 硕士学位论文第二章平面线形设计及定位连接 所以本文采用最p b - - 乘法原理进行曲线拟合计算来选取最优的公路圆曲线 半径。 设圆弧方程为x 2 + y 2 + d x + e y + f = q ，由下面公式求得d 、e 、f 三个参数。 a = n o t + 2 q u p - q 2 t n p z d = ( u 2 r n t r + n p v q u v + q t w p u w ) e = ( n p r - q u r + q 2 v - n o v + o u w p q w ) a f ：( q t r p u r + o u v q p v + p z w o t w ) a 公式( 2 - l1 ) 式中：o = zx 2 ，p = x y ，q ：x ，r = zx ( x 2 + y 2 x t = ey 2 ，u = ey ，v = ey ( x 2 + y 2 ) ，w = z & 2 + y 2 ) 圆心坐标及半径计算如下式： x o = - d 2 y o = - e 2 公式( 2 - 1 2 ) 一r = 4 d 2 + e z - 4 f 2 最后以最外侧的两个点相对圆心坐标的方位，将其转为圆弧上的点，作为该 圆弧的起终点。 此法拟合得到的圆弧段的精度，受拟合点位的影响较大，所以在实际中选取 点位时应尽量使点位均匀分布，以提高拟合的精度。 2 3 3s 或c 形曲线组合设计 s 形或c 形曲线组合是两个曲线直接相连、中间没有夹直线的情况。当在两 曲线中间设置夹直线并且夹直线长度过短时，为避免短直线的出现而使两曲线直 接相连。同向曲线形成c 形组合，反向曲线形成s 形组合。 1 设计步骤：首先确定两个圆曲线的位置，然后输入前后两圆曲线的缓和 曲线参数值之比，自动解算两曲线的回旋 线参数a ，最后求