互通式立交動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)研究

1、互通式立交動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)研究 （建筑之家）摘 要：本文探討利用先進(jìn)的“實(shí)時(shí)拖動(dòng)技術(shù)”在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)互通式立交動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)的途徑和方法，以及其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)約束條件。文中所述理論、方法已在由筆者主持開發(fā)的“緯地道路輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(hintcad )”軟件中得到全面的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：互通式立交 實(shí)時(shí)拖動(dòng)技術(shù) 動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì) 1引言近些年來，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)cad已廣泛應(yīng)用于公路路線及互通立交的設(shè)計(jì)；然而，在其顯著提高計(jì)算與繪圖效率的同時(shí)，許多設(shè)計(jì)人員也在另外一些方面感到了明顯的不足或不便。我們知道，互通立交變速車道和匝道本質(zhì)上是一段平縱面上都受到嚴(yán)格約束的路線，如起（

2、終）點(diǎn)的接線（坡）、流出入角度控制、楔型端的位置、沿線地形地物、構(gòu)造物的標(biāo)高以及技術(shù)指標(biāo)的取用等。早期出現(xiàn)的以預(yù)先建立數(shù)據(jù)文件，利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算和成圖的立交輔助設(shè)計(jì)軟件，好比是一個(gè)黑匣子，一端輸入數(shù)據(jù)文件，另一端輸出數(shù)據(jù)文件（包括圖形轉(zhuǎn)換文件），設(shè)計(jì)的結(jié)果只有在cad平臺將圖形文件中的圖形顯示出來之后方可以看見；究竟中間已知數(shù)據(jù)應(yīng)如何變化才能使整個(gè)線形比較理想，無從得知。后期發(fā)展的軟件可以直接在cad平臺上作圖式地利用積木法等進(jìn)行立交線位設(shè)計(jì)，雖在成圖方面比早期的軟件有了很大的進(jìn)步，但在匝道終點(diǎn)閉合接線上仍然存在很大程度的盲目性，因?yàn)榻泳€部分之前的線位一經(jīng)確定，終點(diǎn)閉合接線的結(jié)果也就相對

3、確定，沒有多少可變化的余地，若要調(diào)整，同樣需要從頭開始。這樣常常使設(shè)計(jì)人員在花費(fèi)了大量的精力和時(shí)間之后，卻在多個(gè)約束條件中顧此失彼。這不僅消減了計(jì)算機(jī)所預(yù)期能夠提高的工作效率，而且使不少設(shè)計(jì)人員在一定程度后失去了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的耐心，大大壓縮了設(shè)計(jì)者的思維活動(dòng)空間。由是，許多工程技術(shù)人員都在探索一條如何在同一圖形界面上實(shí)現(xiàn)互通立交設(shè)計(jì)過程“動(dòng)態(tài)化”、線形調(diào)整“可視化”的途徑。2實(shí)時(shí)拖動(dòng)技術(shù)與動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)仔細(xì)分析最初大家“手工”設(shè)計(jì)互通立交的過程，我們不難發(fā)現(xiàn)：以直尺、彎尺、回旋線板相互搭接，通過手工“推動(dòng)”且不斷地?fù)Q尺、改變搭接位置及方式來動(dòng)態(tài)地捕捉一種或幾種基本符合約束條件的線形組合的粗略

4、定線方法，其實(shí)已經(jīng)具備“動(dòng)態(tài)化”和“可視化”設(shè)計(jì)過程的特點(diǎn)，這一過程雖然缺乏嚴(yán)密的分析計(jì)算，但卻自然而然地成為立交動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)的“仿生”對象。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)和人工智能化的發(fā)展，使得依賴于快速運(yùn)算與操作的許多特別功能得以實(shí)現(xiàn)，我們同樣不難發(fā)現(xiàn)，其中windows操作系統(tǒng)和其他一些應(yīng)用軟件的“拖動(dòng)”其實(shí)就是對于“手工推動(dòng)”的計(jì)算機(jī)模擬，其核心就是“實(shí)時(shí)拖動(dòng)技術(shù)”。所謂“實(shí)時(shí)拖動(dòng)”，就是以指點(diǎn)設(shè)備（如鼠標(biāo)）“可視的”相對位移代表某一自變量的變化值，在指點(diǎn)設(shè)備連續(xù)拖動(dòng)而產(chǎn)生位移的同時(shí)，其他相關(guān)因變量隨之瞬間變化，并表現(xiàn)為由各變量共同確定的可視圖形相應(yīng)連續(xù)而平滑的動(dòng)態(tài)變形過程。顯而易

5、見，對于立交匝道線形這一由若干段線元相互搭接組成的特殊圖形而言，通過“實(shí)時(shí)拖動(dòng)技術(shù)”來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)必須具備以下兩個(gè)基本條件：其一是線形在整個(gè)拖動(dòng)過程中保持相對穩(wěn)定的形狀，不會隨意變形（變化），也就是說，應(yīng)通過一定的約束條件來使線形成為形狀基本穩(wěn)定的“剛體”；其二是線形按照事先指定的條件變化，其余部分保持其原有形狀不變，也就是說可任意取消眾多約束中的一個(gè)而使上述“剛體”局部具有一定的“自由度”。3立交線形的靜態(tài)約束條件我們知道，對于一段復(fù)雜的立交線形而言，它之所以具有一定的外觀形狀和空間位置，是受到若干特定約束的緣故。反過來說，這些特定的約束條件，就是對線形的確定性描述，包括基本的曲線單元

6、（以下稱線元）的參數(shù)、相鄰線元的搭接規(guī)則、線形起（終）點(diǎn)的約束條件等。3.1 基本線元的確定性描述立交線形的基本線元有直線、圓曲線、緩和曲線，對于這三種基本線元，我們可以用以下六項(xiàng)參數(shù)完整的加以描述，使其形狀和位置唯一確定。z基本線元在線形前進(jìn)方向上的左、右轉(zhuǎn)向p基本線元的起始點(diǎn)相對于前一線元的橫向錯(cuò)移值s基本線元的弧長或弦長a基本線元的回旋線參數(shù)值ro 基本線元起始點(diǎn)處的曲率半徑rd 基本線元終止點(diǎn)處的曲率半徑3.2 線元的搭接規(guī)則立交線形是由上述三種基本線元按照特定的規(guī)則相互搭接而構(gòu)成，這些特定規(guī)則就是符合行車軌跡與汽車動(dòng)力學(xué)規(guī)律的道路線形特征，包括方向連續(xù)、特定條件下的曲率連續(xù)和樁號連續(xù)

7、。所謂方向（曲率）連續(xù)就是指前一基本線元的終止方位角（曲率）即為下一基本線元的起始方位角（曲率）。方位角的連續(xù)是無條件的，因而是搭接的必要條件。而曲率連續(xù)則是有條件的。樁號連續(xù)，實(shí)際上是一個(gè)附加的規(guī)則，是因整個(gè)設(shè)計(jì)過程的需要而規(guī)定的，它并不影響線形的形狀與位置。作為立交匝道的平面線形，上述規(guī)則僅是最為基本和必要的條件，還存在其他許多控制條件和規(guī)定，如曲率的變化應(yīng)與逐漸變化的行駛速度相適應(yīng)；線形指標(biāo)應(yīng)與匝道交通量相適應(yīng)等?，F(xiàn)行公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范和公路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中均有較為詳細(xì)的說明。3.3 線形起點(diǎn)接線方式與終點(diǎn)接線方式我們知道，立交匝道功能主要是完成交通流的轉(zhuǎn)換，分（合）流，加（減）速等，而正是

8、匝道的這些功能決定了它必定與其他匝道或公路發(fā)生一定的關(guān)系，從而對其線形的起終點(diǎn)構(gòu)成比較嚴(yán)格的約束。3.3.1 起點(diǎn)接線方式線形的起始方式受到已知條件的控制，歸結(jié)起來可分為：1）點(diǎn)加方位角；2）兩點(diǎn)方向；3）樁號加方位角偏移值；等三種方式，其中3）方式是指由某已知線形的指定樁號位置，在原方向（方位角）附加一定偏移后的起始方式；顯然，通過一定的計(jì)算，三種起始方式均可轉(zhuǎn)化為1）方式。3.3.2 終點(diǎn)接線方式與起始方式的單向約束不同，終點(diǎn)則受到前后兩段線形的雙向控制，其控制條件實(shí)際上是一個(gè)接線的問題，可以分為以下七種方式：1）不接線方式，即最后一段線元的終點(diǎn)即為線形的終點(diǎn)，不與其他線形發(fā)生關(guān)系；2）r

9、+a+t方式，線形的終點(diǎn)接線目標(biāo)為已知的直線段（t），需在已知圓曲線（r）和目標(biāo)直線之間接入回旋曲線（a）；3）t+a+r方式，接線目標(biāo)為圓曲線，在已知直線段（t）和目標(biāo)圓曲線（r）之間插入回旋曲線（a），為r+a+t方式的反向；4）r1+a+r2方式，即需要在兩個(gè)同向圓曲線（r1和r2）之間插入一段回旋曲線（a），使線形的曲率從r1變化至r2；5）r1+a1+a2+r2方式，為反向圓曲線接線方式，形成“s”型曲線，需在兩段反向的圓曲線（r1和r2）之間接入方向的回旋曲線a1和a2，使線形的曲率從r1變化至無窮大，再由無窮大變化至r2；6）r+t方式，即圓曲線與直線直接相切的接線方式；7）r+

10、r方式，是圓曲線（同向或反向）之間直接相切的接線方式；當(dāng)然，線形的起點(diǎn)與終點(diǎn)只是人為的約定而已，上述的起始方式與終止方式顯然是在人為約定的基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)的一般習(xí)慣過程來分析的。4立交線形的動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)4.1 自動(dòng)接線計(jì)算的實(shí)現(xiàn)對于一段匝道線形而言，其起終點(diǎn)接線的約束無疑是最為關(guān)鍵并難以計(jì)算的，當(dāng)起點(diǎn)接線在單向控制的條件下完成之后，終點(diǎn)在雙向控制條件下的接線便成為“關(guān)鍵的關(guān)鍵”。自動(dòng)接線計(jì)算模塊一頭維系著最初一段線形在滿足基本約束時(shí)的成功設(shè)計(jì)，另一頭關(guān)系到動(dòng)態(tài)條件下線形瞬息萬變的每一次成功設(shè)計(jì)。基于如上所述的三種起點(diǎn)接線方式和七種終點(diǎn)接線方式的歸納，我們則可以分別按已經(jīng)指定的接線方式和接線目

11、標(biāo)，分別設(shè)計(jì)插入符合技術(shù)要求的線元組合的子模塊，來適應(yīng)各種不同條件下的接線設(shè)計(jì)。下面僅以“r+a+t”接線方式為例說明這一子模塊的設(shè)計(jì)方法。參見圖19-5所示。首先，根據(jù)給定的點(diǎn)方位角的起點(diǎn)接線方式，確定出匝道線形的起點(diǎn)位置與方向，再由已知回旋曲線的z、p、s、a、ro、rd等參數(shù)，對其進(jìn)行具體的定位計(jì)算，并得到終點(diǎn)位置、方向（方位角）和曲率半徑。接下來由已求出的已知部分的終點(diǎn)位置、方向（方位角）和曲率半徑，可推算出接線部分中圓曲線的圓心位置及半徑，這樣對于接線圓曲線，只有其長度是未知的。而在已知圓曲線與目標(biāo)直線之間接入前進(jìn)方向已知的回旋曲線，使線形曲率從已知r變化至無窮大，終點(diǎn)方位和位置均落

12、于目標(biāo)直線段之上，只有唯一解（如圖中所示）。在回旋曲線確定以后，便可容易地計(jì)算獲得圓曲線的長度值了，這樣自動(dòng)接線便告完成。圖19-54.2 立交線形的動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)如上所述的約束由于是對線形的確定性描述，因而可視為是對線形的靜態(tài)控制條件。我們不難想象，所謂可視化的動(dòng)態(tài)效果實(shí)際上是許多靜態(tài)線形由于連續(xù)不斷的顯示而達(dá)到的。因而以實(shí)時(shí)拖動(dòng)技術(shù)為核心的立交動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)要做到的就是：把某已知線元的某一參數(shù)的變化依附于當(dāng)前鼠標(biāo)的位移，在鼠標(biāo)每一微小位移的瞬間，同時(shí)完成整個(gè)線位計(jì)算及相應(yīng)的接線計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果（數(shù)據(jù)和圖形）隨之在顯示器上顯示出來。圖19-6為立交動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)圖。 判斷自動(dòng)接線結(jié)

13、果是否理想是否起點(diǎn)位置和方位角計(jì)算三種基本線元的計(jì)算模塊終點(diǎn)自動(dòng)接線計(jì)算數(shù)據(jù)存盤退出快速實(shí)時(shí)刷新顯示匝道設(shè)計(jì)線位圖形和接線結(jié)果控制數(shù)據(jù)以鼠標(biāo)實(shí)時(shí)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整起點(diǎn)接線數(shù)據(jù)或中間線元的有關(guān)參數(shù)起點(diǎn)接線方式匝道中間線元的具體定位計(jì)算七種終點(diǎn)接線計(jì)算模塊終點(diǎn)接線方式重復(fù)自動(dòng)接線計(jì)算過程 圖19-64.3 動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)應(yīng)用同樣對于上面的示例，在前述自動(dòng)接線計(jì)算的基礎(chǔ)上，假如需要使終點(diǎn)接線后生成的回旋曲線參數(shù)控制在a=50，我們可以當(dāng)前鼠標(biāo)相對于某一基點(diǎn)的位移變化來代表已知直線段l的長度變化（作為自變量），在鼠標(biāo)移動(dòng)變化的同時(shí)，圖形屏幕上不斷實(shí)時(shí)刷新地顯示出直線長度值的變化，如l=27.460、35.1

14、98、45.787、68.018、76.978等，也同時(shí)使我們直接看到整個(gè)匝道線形和終點(diǎn)接線的變化情況（圖形與數(shù)據(jù)并存）；直到接線參數(shù)a達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，中止拖動(dòng)程序，完成接線計(jì)算。參見圖19-7所示。 圖19-75結(jié)語應(yīng)該說，對于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展而言，動(dòng)態(tài)可視化的設(shè)計(jì)模式具有里程碑的意義。立交平面線形動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)，除具有快速、準(zhǔn)確、高效的一般特點(diǎn)外，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：第一，使得人機(jī)交互式的路線立交cad系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)人員思維方式和設(shè)計(jì)習(xí)慣；第二，由多個(gè)嚴(yán)密約束與隨意控制變化所共同構(gòu)成的核心模塊，使得使用者能在瞬息萬變的動(dòng)態(tài)線形變化中任意捕捉其理想的設(shè)計(jì)方案；第三，使得路線立交cad系統(tǒng)從被動(dòng)機(jī)械地計(jì)算與繪圖，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)地參與線形設(shè)計(jì)及方