高等级公路交通工程计算机辅助设计CAD系统

1、V o l 114 N o 11公路交通科技1997年3月JOU RNAL O F H IGHWA Y AND TRAN SPORTA T I O N RESEA RCH ANDD EV ELO PM EN T高等级公路交通工程计算机辅助设计CAD系统李丁张森林王忠仁（交通部公路科学研究所 北京100088日0概述70年代以来，随着计算机技术的发展，国外发达国家的CAD技术迅速发展并在 许多领域得到了应用。在公路工程的勘察设计中，将航测遥感所拍摄到的地形、地 貌信息数字化后存入计算机，构成准确完整的基础地理信息库。另外，还有其它的一 些如气象资料库等。在高等级公路的交通工程领域，对道路交通进行

2、系统的分析研 究也已有几十年历史，形成了一系列完善的理论模型和统计资料（如美国的道路通行 能力手册，1994年已经完成第3版更新版的研究。丰富的信息系统、完善的理论模 型再加上先进的计算机图形处理技术形成了其完善的计算机辅助设计系统。我国的情况与国外发达国家相比则很不相同，不论计算机技术还是高等级公路 发展都比较晚。 七五”期间，我国道路交通领域计算机辅助设计系统的研究开发开 始起步，路线CAD、桥梁CAD、客车CAD等已取得了可喜的成果。在高等级公 路的交通安全和控制等交通工程领域也进行了一些初步尝试，但还局限少量图纸的 计算机绘制上，整体设计方法和手段还是相当落后的。根据我国公路建设的总体

3、规划，到本世纪末，首先要用高等级公路，贯通两纵、 两横”磔国道主干线，连接100多个大、中城市，全长约1145万km ,高速公路占 29%,汽车专用一、二级公路占40%。另外，还有3条总长3320km的国道主干线也 要在2000年建成汽车专用公路。面对高等级公路迅速发展 ，交通工程设计日益繁重 的局面，必须改变手工或计算机描图等传统设计方法，开发高等级公路交通工程 CAD系统。八五”期间，高等级公路安全控制系统 CAD”作为高等级公路交通安 全控制系统计算机辅助设计软件的第一代产品，已于1996年由交通部公路科学研究 所和清华大学CAD中心联合开发成功，并通过国家级鉴定，鉴定认为该系统已达到

4、当代国际先进水平。目前，此系统已被用于我国高等级公路交通工程系统设计。1系统运行环境111工作站版硬件环境：主机H P 29000 720型工作站；内存32M ;硬盘420M +113G ;高分辨 率彩色 日国家 八五”科技攻关项目852403206204收稿日期 1996208222图形显示器；磁带机；激光打印机H P 24V软件环境:V 910以上版本的U n ix操作系统；V 5以上版本X 2W indow s系统112微机版硬件环境：主机A ST 486及其兼容机；内存16M ;硬盘500M ;软驱315 +5125 激光打印机H P 24V (A 3软件环境:DO SV 610; W

5、 indow s V 3112系统主要组成及功能高等级公路安全控制系统 CAD ”开发由工作站和微机两种版本组成，两者功能 大致相同，均包括交通工程的分析预测模型及软件”，设计数据库和标准图形库”， 国产图形支撑软件”和 应用层绘图软件”等几大模块。具内容涉及交通工程系统的 安全设施、通信、监控和配电几大系统，并已为将开发的收费系统预留了接口。微 机版还有概预算系统。211交通工程的分析预测模型及软件在交通工程设计中，从业主提交的项目工程可行性研究报告中，通常可得到今后 若干年内，每个立交区段交通量变化的预测值,这是一个宏观的预测结果。但在实际 的设计中需要知道从任一立交匝道进入主线的交通量以

6、及从其它各个立交匝道出去 的交通量，即是微观的OD交通量预测。在此基础上，进一步分析在高速公路的各种 不同路段（如:普通路段、匝道区、交织区等 由于受地形、车道宽度、路边障碍物等 因素影响而引起的服务水平的变化，即道路运营分析。从而为收费系统（如收费广场 规模、收费车道数量的设置等、监控系统（监控方案确定、外场设备的布设位置、 数量等提供设计依据。但OD交通预测分析及道路运营分析，国内尚无成熟的模型 本系统通过对美国道路通行能力手册的研究，结合中国的国情，提出高等级公路 上的OD分析模型及道路交通运营分析模型，并编制计算机软件。这样在设计过程 中，当某些影响因素发生变化时，可通过计算机迅速地计

7、算，同时，可以运用计算结果 方便地进行不同设计方案的比选。212设计数据库和标准图形库交通工程专业在我国还是一个年轻的综合性学科 ，该专业涉及土木、通信、电 子、机械等多门学科。在设计过程中，有些内容有国标或行业标准可循，有些则没 有。设计图纸、文件上使用的图形符号不统一，比较杂乱。针对这种情况，本系统通 过对设计人员进行详细的调查和认真的分析、归纳，制定出一系列标准的设计图 形、符号、代码等，作为CAD系统开发中使用的标准；确定了各子系统共享的设计 数据库，其中包括道路、交通、气象、环境等数据，从而减少了系统的冗余，统一了 基础数据的来源。213国产化图形支撑软件国产化图形支撑软件满足如下3

8、种设计方法，即（1用户通过人机交互界面输入 参数，系统自动生成图形文件的形式；（2图形模块集成方式，即从图形库中提取所需 部件，再经过组合、排列、拼接,最终形成所期望的设计图；（3人机交互绘图方式通 过人机交互的方法，调用最基本的绘图工具，如画点、线、圆等绘制设计图。21311二维图形交互界面该界面用于二维图形的人机交互绘图,类似于国际上流行的A u toCad绘图软 件，其主要功能如下：?菜单具有多样性和可重构性；?直观、实时地显示系统的当前设置信息及状态；?命令输入提供两种方式，用户可以用鼠标击活菜单，也可以直接键入命令名；?提供灵活多样的点坐标输入方式；?具有中英文两种界面形式，并提供多

9、种字体的汉字库；?提供自定义线型和填充图案功能，并有多种拾取填充边界方式；?提供方便灵活的图层管理功能；?提供丰富的图形生成和编辑方法；?具有属性和块管理与插入功能；?具有图形符号库管理功能；?提供丰富多样的尺寸标注，机械制图中所用尺寸标注功能均已实现；?提供辅助线、辅助圆功能，便于用户作图；?提供图形数据文件管理和可扩充的外设驱动。21312图形符号库管理子系统根据交通工程专业设计的特点，本系统开发了交通工程专业设计的图形符号库 管理子系统，并建立了相应的图形符号库。对于设计过程中所需要的标准图形，可以通过简单的符号调用来实现，这样使绘图过程变得简单，使所绘制的图形标准化。本 系统包括9个图

10、形符号库,其中安全设施子系统有结合 GB 5768296 '道路交通标志 和标线”国标的修定所建立的安全设施子系统图形符号库：警告标志库、禁令标志 库、指示标志库、指路标志库、辅助标志库、诱导标志库、标线库 ；通信子系统有 通信系统图形符号库；监控子系统有监控系统图形符号库。21313绘图函数库为满足设置参数绘图的要求，本系统开发了 50个专用绘图函数。图形文件以 A SC II码方式存贮。二维图形交互界面可以识别、编辑和打印。21314图像与图形的叠加通过扫描仪录入的图像，可与矢量图形叠加并存贮。21315激光打印机驱动程序本系统的硬件为H P 29000 720工作站，配置了最基本

11、的系统软件：H P 2U X操 作系统的X 2W indow s系统。所用的图形支撑软件全部是自行开发、设计的 ，因此, 与之配套的激光打印机驱动程序也属自行开发产品。21316矢量汉字库包括单线体、宋体、仿宋体、黑体 4种字体的矢量汉字库。21317用户界面管理系统用户界面管理系统系一菜单式的驱动系统。214应用层绘图软件21411通信子系统(1初步设计系统提供初步设计所需要的图形符号库，通过二维图形编辑界面及符号库，可以 绘制干线传输、通信系统结构、紧急电话系统结构、图象传输系统、数据传输系统 设计等图形，并可随时打印输出。(2施工图设计通信系统施工图设计一直是原手工设计中的难点，其设计工

12、作量约占总设计量 的80%左右，图纸量大而且要求精度高。因此，重点放在施工图设计部分，目的是利 用计算机快速、准确的计算能力提高图纸设计的质量，减轻设计人员的劳动强度，缩 短工程设计周期。根据专题合同要求，代五”期间完成了通信电缆管道的全部设计，主要内容如下：?人孔大样图设计 采用参数自动绘图的方式。用户可以通过交互界面输入人孔外形、左右管道、分歧管道、材料选填等设计参数 ，系统按照所输入的参数及邮 电部有关标准，自动计算并绘制人孔的三视图。同时，自动计算并显示该人孔的材料 用量表，用户可以利用二维图形编辑界面对所显示的人孔做局部修改，也可以重新修改输入参数，系统可以根据新的参数重新计算、绘图

13、，直到设计人员满意为止。由于 本系统是根据人孔形状、管道特征进行设计的，具有一定的通用性，因此用户可以完 成几乎所有类型的人孔设计。其中包括：直通人孔、转弯人孔、分歧人孔、局前人 孔、各类两侧人孔等，人孔的大小、管道的形式以及材料等均由用户指定。个别由 邮电部标准的部件，如口圈、积水罐等按照邮电部标准设计。?人孔布设计算人孔布设计算的功能是：在整条高速公路上按最大不超过 150m的原则布直通人孔，遇桥梁、通道、涵洞、隔离带开口、基础构件、隧道等 影响管道通过的构造物，在其两端布设相应的两侧人孔，并计算管道通过构造物时的 高程。人孔布设计算利用缓和曲线计算公式自动计算直通人孔在弯道处的最大人孔

14、间距，以保证通信管道在中央隔离带给定的宽度内铺设。用户在布设前应提供道路 平曲线文件、构造物文件、路基文件并给定布井参数 ，系统将显示布设结果并可打 印人孔布设表。?通信管道图 系统根据所提供的平曲线数据、纵断面、横断面、沿线构造 物、路基、人孔布设数据绘制出通信管道平、纵面图 ，从起点开始，每隔700m绘制 1张，图中包括构造物的位置、每个人孔的中心桩号、人孔间距、井位中心线、口 圈顶部高程、上覆底部高程、管道基础顶部高程、人孔类型及用途等详细信息。?工程量清单统计并打印各类人孔、紧急电话平台及沿线构造物的数量，各 类构造物跨径总计，以及构造物两端人孔的距离总计。用户可以根据系统提供的统 计

15、数字,很方便地计算出各类材料用量，大大节省了计算工程量的时间。21412监控子系统(1利用二维图形编辑界面及图形符号库做图形集成在监控系统的总体设计和初步设计阶段，常常会有一些图形，如监控系统信息流 程图、监控系统构成框图、监控中心设备构成图、监控系统业务流程图等 ，根据不 同的道路情况，常常需要工程师将主要精力集中在方案的构思和研究上 ，方案一旦形 成，几张图纸足以说明问题，所以这时的图纸工作量不太大，而且不同的道路情况下， 其方案构成往往差别较大，且无内在的规律可言，针对这一部分图纸的要求，设计了 专门的图形集成方式，以提高交互绘图的效率。利用二维图形编辑界面对图形符号库强有力的管理功能

16、，将监控系统设计中常 用的一些图形符号(如计算机、CCTV、C M S、VD等,以标准图形符号库的方式 存贮，构成监控系统的专用符号库。这个专用的图形符号库可以两种方式调用，一种是通过二维图形编辑界面，另一种是通过图形接口函数调用，并有缩放、旋转等属 性。这样，在上述图形的绘制过程中，只需要按照方案的要求，将所需要的图形符号 调出来，放在图板上适当的位置，并用几条线将它们合理地联接起来，整个绘制过程 非常简单、快捷。(2监控系统设备布设图在监控系统设计过程中，还要求画出700m一张的监控外场设备布设图，这些图 纸工作量很大，而且又有一定的规律，非常适合计算机自动计算完成，所以采用设置 参数绘图

17、方法。工程师只需要根据交互界面的提示，输入一些参数，如图纸的起点、合同段、所 形成的图形文件名、电缆布设位置等，并根据文件系统的格式要求，将设备布设文件 输入计算机，就可以自动形成监控系统的外场设备布设图。如果工程师对所形成的 图形不满意，可以通过二维图形编辑界面做局部修改，也可以修改设备布设文件，重 新绘制，直到满意为止。所生成的布设图包含如下信息：700m路段的平面图、沿线人孔布设位置、道路 平曲线图以及指示该700m路段所处的位置，所布设的监控外场设备、配电路由 等。另外，本软件在道路基本线型绘制中，增加了对分离路基的处理，可以将分离路 基的不同线型、不同合同段绘制在 1张图纸上。这样，

18、对监控系统来说，可以在一定 程度上检验所布设的外场设备的效果。(3绘制工程量统计表根据监控系统外场设备布设文件提供的数据，自动分类统计各种外场设备的工 程量，并以表格的形式输出。21413交通安全子系统a 1交通标志(1标志版面设计大样图 制作指路、指示标志的版面布设，并生成标志版面设 计。(2标志结构验算 针对常用的几种标志结构形式，如单柱、双柱、单悬臂和双 悬臂及门架等，依据不同的环境条件(如风速、地基承载力等 通过验算选定合适的 结构构件尺寸。并可通过反复迭代运算，求得最满意尺寸组合。(3标志结构设计大样图由标志结构验算得到的标志结构尺寸数据传给结构绘图模块后，软件可按不同设计阶段绘制标

19、志结构图(不包括门架类标志。结构图包括板面结构图、板面与立柱连接图、立柱与基础连接图及基础配筋大样图等几部 分。(4标志结构材料数量表及必要的图纸说明在完成标志结构图同时，程序将自动统计工程数量，并加进预先设置的必要施工说明。这部分将单独作为一张图纸输 出。b 1交通标线利用道路交通标线标准来完成以下大样图的设计，并计算工程量：一般路段交 通标线布设大样图；特大桥交通标线布设大样图；隧道交通标线布设大样图； 导流标线布设大样图；减速标线布设大样图；距离确认标线布设大样图；障碍 物前交通标线布设大样图；互通立交区标线布设大样图，包括互通立交主线交通 标线布设大样图，出入口加减速车道标线布设及三角

20、区导流标线布设。在互通立交区交通标线设计时，根据道路几何要素进行交通标线布设，针对立交 三角区标线布设进行优化，并计算工程量，其布设精度和工程量计算比使用人工完成 都有所提高。用户可通过如下方法来完成上述功能的交通标线设计：直接调用图库中的标 准大样图；调用图库中的标准大样图，通过二维图形交互界面进行修改，直致满足 用户要求；通过调用人机界面修改相应设计参数，利用该子系统生成相应的交通 标线设计大样图。c 1护栏(1主线中央分隔带护拦和路侧护栏的布设计算根据总体方案中所选定的护栏形式，以高速公路交通安全设施设计及施工技 术规范中护栏的布设原则为依据，结合实际设计的要求，自动完成中央分隔带护栏

21、及路侧护栏的布设，同时生成布设表及相应的工程数量表。70 （ 2护栏结构设计 公路交通科技 1997年 第1期 参照交通部J TJ 074294高速公路交通安全设施设计及施工技术规范及交通部高速公路波形梁钢护栏（报批稿的规定，根据交通工程总体设计方案中对护栏结构的要求，用户可根 据不同的道路条件进行护栏结构的设计 （包括初步设计和施工图设计。具体完成 功能如下:? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ?波形梁护栏基本构件的结构设计包括护栏板、护栏立柱、防阻块、紧固件及端头等，其中护栏 板

22、可是等截面，端头可分为圆形端头和地锚式端头。本软件可完成这些基本构件的大样图设计,并对材料的组成及数量加以统计。路侧护栏的 结构设计 包括标准型路侧护栏、地锚式端头处理及紧急电话开口处理结构的设计。其中所采用的基本构件，如波形梁板可以是等截面的，也可以是变截面的，护栏 的防撞等级可以是普通型的，也可以是加强型的。 中央分隔带护栏的结构设计 根据中央分隔带的宽度条件，采用的护拦型式有分设型 和组合型两种，我们分别对 这两种形式进行设计。止匕外，对中央分隔带开口段，可进行活动 护栏的规划与设 计。过渡段结构的设计由于桥梁护栏与路基护栏的结构型式往往不同，为保持护栏结构的连续性以及安全性，软件对其过

23、渡提供了基本的设计方法。其中，路基护栏与大、中桥梁护栏的过渡采用了设置独立翼墙的方法，与小桥护栏的过渡采用 了预埋基础的方法。？混凝土护栏本软件可对常用的混凝土护栏进行结构设计及 工程量计算。d 1视线诱导标一一轮廓标（1轮廓标结构设计 根据交通部J TJ 074294高速公路交通安全设施设计及施工技术规范的规定，以及交通工程总体 设计方案中对轮廓标的要求，用户根据不同的道路条件进行轮廓标结构的设计（包 括初步设计和施工图设计。本软件实现下述功能？绘制附着式轮廓标结构的大样 图,并计算相应的材料数量表。？绘制柱式轮廓标结构的大样图。（2主线中央分 隔带轮廓标及路侧轮廓标布设计算根据总体方案中所

24、选定的轮廓标的形式，以高 速公路交通安全设施设计及施工技术规 范”中轮廓标的布设原则为依据，结合实际 交通工程设计要求，对布设间距做必要的调整，自动完成中央分隔带轮廓标及路侧 轮廓标的布设。同时生成布设表及相应的工程数量表。e1隔离栅（1主线隔离栅的布设 根据总体方案中所选定的隔离栅的形式，通过人机交互界面，由用户确定 端头围封长度等信息，系统可自动完成主线隔离栅的布设，同时生成布设表及相应的工程数量表。（2隔离栅的结构设计用户可通过人机交互界面输入隔离栅的 尺寸，系统可生成编织网、钢板网、焊接网和刺铁丝 4种结构的立面图和侧面图。 对于编织网形式的隔离栅，可以生成挂钩、立柱以及两种类型斜撑的

25、大样图。 可生成隔离栅的端部处理和跨越沟河处理 的示意图。产生材料数量表。f 1 防眩设施的结构设计 用户可通过人机交互界面输入防眩设施的尺寸，系统可生 成高等级公路交通工程计算机辅助设计 CAD系统一一李丁等71安装于混凝土 护栏及波形梁护栏上的防眩设施结构图。防眩板及连接件结构图。 产生材 料数量表。g1交通安全设施主线平面布设图用户可通过人机交互界面，选定道路的标段及起讫桩 号,根据交通安全设计布设计算的结果文件及由人工输入的标志布 设表，系统可自动生成每700米1张的一系列连续的交通安全设施主线平面布设图， 其中包括道路的平曲线、中央分隔带护栏、路侧护栏、中央分隔带轮廓标、路 侧轮廓标

26、、隔离栅、标志等设施位置、 数量、形式、内容及标线布设示意图。 3系统的特点分析该系统及其设计、开发、测试的全过程，我们认为该系统具有 如下特点：（1该系统层次、模块结构清晰，且具有统一的用户接口、 统一的数据结 构、统一的控 制流程、统一的集成环境、 统一的测试标准、 统一的文档规范。 （2该系统是在国内十几条高等级公路 （近2 000km交通工程设计的基础上开发的, 既充分反映以往设计的精华，又在不断的咨询专家、 研究各子系统的数学模型及工 程算法，从而使软件能够确确实实地满足工程设计的需要。（3以当前国际上流行的窗口系统、语言作为开发环境，使系统具有较好的升级性和可 C移植性。（4 CA

27、D系统的全部软件，包括图形支撑软件、应用层软件以及数据结构等 ，全部是自 行开发，我们拥有全部的系统源程序。（5系统界面全部采用 W indow s的标准,符 合应用软件系统的发展潮流，形式统一、美观,使用方便、灵活，用户界面友好。 （6二维图形编辑系统资源开放，如菜单定义、对话框描述、字体库、线型与填充 图案定义等，用户可根据需要，进行扩充，组合出满足自己需要的系统。（7系统的 用户文档资料比较齐全，微机版和工作站版软件同时开发，有利于该系统的 推广应 用。（8根据实际设计的使用需要，提供方便实用的图形资料数据库管理和多种矢 量汉字库。4应用前景与效益分析411应用前景目前我国高等级公路迅速

28、发展更显示出交通工程设计力量不足，安全控制系统CAD的建立必将在高等级公路建 设中得到充分的应用。 同时，随着高等级公路建设的不断发展和完 善，人们对设计 质量的要求必将更高，对设计手段和方法也将追求更加科学化和现代化，因此该系 统的应用前景是相当广阔的。考虑到甲、乙级设计单位具有不同的设计能力，本CAD系统从软件技术上解决了这一问 题，保证系统可以整体推广，也可以单独的子 系统推广。另外，不论是整体系统或单独的子 系统，都同时具备H P 2720型工作站 和微机版。本系统在微机上运行简单地需要 W indow s平台支持,在工作站上运行, 也只要求U n ix操作系统及AN S I C,系统

29、的基础图形支撑软件、应用层软件, 数据结构的研究及定义等，交通部公路所拥有全部源码，便于将来的维护再开发。 目前的系统为CAD的110版本，可以想象，将来的更高级版功能将更加完善。所以CAD系统完善的后期维护将是可能的。？ 1995-2004 Tsinghua Tongfang OpticalDisc Co., Ltd. All rights reserved.72公路交通科技 1997年 第1期综上所述，由于高等级公路建设对 CAD系 统的需求，CAD系统完善的分析、图表功能以 及CAD系统可提供完善的后期服务 CAD系统将有很好的推广应用前景。412效益分析高等级公路安全控制系统 CAD软件微机版的开发，为其推广使用打下良好的基础，我国可承担高等级公路交 通工程设计的单位可分为甲级和乙级设计单位（包括部属和省的公路设计院 （所。这些设计单位都拥有一批高性能的微机，他们客观上已经具备了安全控