郭家芳

摘? 要：文章解析當(dāng)前公路路線設(shè)計的痛點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出一體化及可視化技術(shù)的解決方案，通過分析一體化及可視化技術(shù)所需的關(guān)鍵技術(shù)和實際運(yùn)用，提升公路路線設(shè)計的效率和精度，全面提高勘察設(shè)計質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：公路;路線設(shè)計;一體化;可視化;三維模型

中圖分類號：U412.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0179-02

Abstract： Based on the analysis of the pain points of the current highway route design， this paper puts forward the solution of integration and visualization technology， andanalyzes the key technologies and practical application of integration and visualization technology， so as to improve the efficiency and accuracy of highway route design and improve the quality of survey and design in an all-round way.

Keywords： highway; route design; integration; visualization; 3D model

當(dāng)前在公路設(shè)計中，大部分基于AutoCAD平臺進(jìn)行二維的設(shè)計模式，而公路是一個帶狀的三維實體，公路路線設(shè)計不僅僅是公路的幾何設(shè)計，需注重平面、縱斷面、橫斷面三者的組合設(shè)計，并同環(huán)境、用路者的感受相協(xié)調(diào)，同時路線方案是一個不斷優(yōu)化的過程，通過三維虛擬模型予以檢驗。常規(guī)的二維設(shè)計難于實現(xiàn)以上功能需求，因此提出基于過程的公路路線設(shè)計的一體化和可視化的研究及應(yīng)用。

1 公路路線設(shè)計現(xiàn)狀痛點(diǎn)分析

現(xiàn)在公路設(shè)計在AutoCAD平臺上，利用基于CAD二次開發(fā)的道路設(shè)計軟件進(jìn)行，相對于傳統(tǒng)的手繪圖時代，依靠人力和個人經(jīng)驗來完善設(shè)計方案，設(shè)計質(zhì)量和精度有明顯改善?，F(xiàn)在公路設(shè)計中，首先利用外業(yè)勘測回來的地形圖進(jìn)行公路路線的平面擬定，然后構(gòu)建建設(shè)場地的曲面4D模型，利用曲面數(shù)字模型獲取擬定平面的縱地面及橫地面線高程，之后根據(jù)平面各節(jié)點(diǎn)的控制填高進(jìn)行縱斷面拉破設(shè)計，在縱斷面設(shè)計完成后根據(jù)平面處的建設(shè)條件、縱斷面填挖高度進(jìn)行橫斷面帶帽設(shè)計，最后完成平面、縱面和橫斷面設(shè)計，計算工程數(shù)量和工程造價，整個過程循序漸進(jìn)。公路是一個三維帶狀實體，尋求的是平面、縱斷面和橫斷面組合系統(tǒng)最優(yōu)，而公路平面設(shè)計是與縱斷面、橫斷面息息相關(guān)的，三者任何一點(diǎn)細(xì)微的變化都相互影響，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某些段落工程規(guī)模偏大、路基填挖過大或者受建設(shè)條件限制需要優(yōu)化路線方案時，則需要從路線平面擬定開始，不斷的重復(fù)以上過程，直到得出最優(yōu)方案。但在復(fù)雜地區(qū)公路設(shè)計中，公路路線方案是不斷優(yōu)化的過程，顯然現(xiàn)狀的優(yōu)化過程效率低下，反復(fù)的循環(huán)容易人為的疏忽平縱橫某個點(diǎn)，設(shè)計方案難于達(dá)到最佳。

2 一體化與可視化是公路路線設(shè)計的必然選擇

在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、超級計算機(jī)”時代，需要用計算機(jī)技術(shù)革新來解決現(xiàn)狀公路路線設(shè)計的痛點(diǎn)。在進(jìn)行平縱橫任一設(shè)計過程中可以平行查看或調(diào)整其他兩個，交互式任意切換，信息共享，避免重復(fù)設(shè)計過程，平縱橫一體化技術(shù)可以實現(xiàn)功能需求。平縱橫設(shè)計一體化在AutoCAD平臺，在地形圖上進(jìn)行路線方案擬定，利用數(shù)字化地面4D模型實時動態(tài)切剖縱地面線和橫地面線，在優(yōu)化平面時可以實時動態(tài)查看中樁的填挖和橫斷面形式占地邊坡高度，優(yōu)化縱斷面時可以查看平面處的建設(shè)環(huán)境和橫斷面形式占地邊坡高度，橫斷面帶帽設(shè)計中可以查看平面的建設(shè)環(huán)境和中樁填挖情況，發(fā)現(xiàn)橫斷面設(shè)計不合理，可在同一工作平臺上調(diào)整平面或縱斷面，實時動態(tài)獲取對應(yīng)的帽子地面線，尋求方案的最佳。在公路平面設(shè)計完成后需要檢驗設(shè)計成果的最優(yōu)性，在與環(huán)境、用路者的感受協(xié)調(diào)上，通過三維虛擬模型予以檢驗，可視化技術(shù)平臺實現(xiàn)設(shè)計成果的過程檢驗，實時查看與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。通過營造公路縱橫一體化可視化設(shè)計可以大大的提高公路路線設(shè)計的效率，加強(qiáng)公路路線設(shè)計在整個公路項目設(shè)計的龍頭引領(lǐng)作用，提高公路勘察設(shè)計的質(zhì)量。

3 如何實現(xiàn)公路路線設(shè)計的一體化與可視化

3.1 數(shù)字化地面4D模型

對公路項目設(shè)計而言，數(shù)字化地面曲面4D模型（主要由DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型）、DRG（數(shù)字柵格地圖）、DLG（數(shù)字線劃地圖）以及復(fù)合模式組成）的應(yīng)用十分必要。通過運(yùn)用數(shù)字形式展現(xiàn)地形、地物情況，并依據(jù)外業(yè)調(diào)查收集的氣象水文環(huán)境等資料，有助于設(shè)計人員方案擬定及優(yōu)化。而三維一體化可視化設(shè)計基礎(chǔ)就是數(shù)字化地面曲面4D模型，路線方案在不斷的調(diào)整和優(yōu)化中，通過數(shù)字化地面4D模型實時動態(tài)獲取縱向和橫向地面線，避免傳統(tǒng)勘察設(shè)計中平面調(diào)整需要重新中樁放樣橫斷面測量或重新“切數(shù)?！?。

目前大部分主流的道路設(shè)計軟件均能利用三維信息構(gòu)建數(shù)字化地面曲面4D模型，但公路為帶狀的線形工程，線長面廣，縱橫向起伏大，三維信息數(shù)據(jù)大，構(gòu)建的4D模型一般都較大，對電腦配置要求較高，在一定程度上會影響工作效率，可二次開發(fā)對模型進(jìn)行自動分段、設(shè)置區(qū)域圍欄、快速提取等滿足效率需求。

3.2 三維一體化

在研究平面、縱斷面及橫斷面三者一體化設(shè)計工作時，首先需要保證各模塊功能完整性和獨(dú)立性，平面設(shè)計模塊、縱斷面設(shè)計模塊、橫斷面設(shè)計模塊、工程量統(tǒng)計模塊、動態(tài)三維虛實場景構(gòu)建模塊，各個模塊功能需要完整，能獨(dú)立準(zhǔn)確進(jìn)行平縱橫設(shè)計，各個模塊又具有獨(dú)立性，避免模塊集中數(shù)據(jù)量巨大影響實時動態(tài)交換的工作效率。其次需要構(gòu)建數(shù)據(jù)交換信息共享協(xié)調(diào)工作平臺，該平臺將獨(dú)立的模塊聯(lián)合起來協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)一體化設(shè)計。所有的功能模塊均要與協(xié)同工作平臺進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換，交互各功能模塊的指令和數(shù)據(jù)，實時動態(tài)信息共享。第三需要在同一屏幕設(shè)置不同視口，用于顯示設(shè)計的平面、縱斷面、橫斷面和三維模型窗口，且各個視口之間可以自如切換，交互式操作，如進(jìn)行縱斷面設(shè)計時，隨時切換到平面查看該處地物地質(zhì)條件，抬高縱斷面時，自如切換到橫斷面，查看邊坡填挖情況，切換到三維模型窗口查看與環(huán)境的協(xié)調(diào)性等。第四，各模塊實時動態(tài)調(diào)整，基于數(shù)字化地面曲面4D模型，動態(tài)獲取空間信息，動態(tài)更新。如調(diào)整優(yōu)化平面設(shè)計后，縱斷面窗口實時更新縱斷面線和橫斷面窗口實時更新橫斷面線，從而達(dá)到協(xié)同一體化設(shè)計。

3.3 三維模型的可視化

三維虛實場景可視化涉及到多模型的識別、分割、歸并、疊加、剖切等。虛擬實體是指正在規(guī)劃或設(shè)計的公路實體，可通過設(shè)計成果的數(shù)據(jù)構(gòu)建;而景物實體是指外業(yè)地形、地物、地質(zhì)分層、植被覆蓋等，一般通過外業(yè)勘測、衛(wèi)星圖片來得到，也可以采用航測的正射影像或傾斜影像構(gòu)建的模型獲取。需要將兩者有效連接，運(yùn)用道路模型和地面模型拼合成整體模型。

實踐運(yùn)用中，利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)，直接利用道路幾何設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建準(zhǔn)確的地面、道路以及橋隧等的三維實體模型，再利用衛(wèi)星或者航空數(shù)字影像進(jìn)行貼模、拼合處理后，營造出公路虛擬現(xiàn)實場景，可實現(xiàn)駕駛、飛行、行走等游歷仿真，從而實現(xiàn)可視化。

4 公路路線設(shè)計的一體化與可視化應(yīng)用

目前大部分的設(shè)計人員還是停留在平面設(shè)計后進(jìn)行縱斷面設(shè)計和橫斷面設(shè)計，未真正通過一體化和可視化技術(shù)來設(shè)計及優(yōu)化路線方案，其主因是設(shè)計習(xí)慣和道路工程軟件需要進(jìn)一步完善。

以西北山區(qū)的某一級公路為例，利用道路軟件緯地道路三維集成CAD系統(tǒng)（HintCAD）進(jìn)行設(shè)計，介紹一體化和可視化技術(shù)在公路路線設(shè)計及優(yōu)化的應(yīng)用。項目設(shè)計速度80km/h，雙向四車道整體式路基寬度為24.5m，路線長約12.5km。沿線地形起伏較大，山高谷深，自然橫坡大，地質(zhì)條件差，滑坡、崩塌、泥石流發(fā)育，路線基本沿山腰展線穿越埡口，路線布設(shè)受限因素多。平面線形的布設(shè)受縱斷面控制，縱斷面設(shè)計需要根據(jù)橫斷面、地質(zhì)條件綜合確定，而橫斷面設(shè)計中地面橫坡較陡處，支擋、橋涵構(gòu)造物布設(shè)困難路段有需要通過調(diào)整平面、縱斷面線形來降低工程施工難度。

4.1 構(gòu)建數(shù)字化地面模型

在公路外業(yè)勘測階段，利用無人機(jī)對沿線測量帶狀地形圖，通過利用傾斜影響構(gòu)建實景模型。在內(nèi)業(yè)階段，首要利用道路軟件緯地道路對地形圖的等高線、高程點(diǎn)三維高程信息進(jìn)行識別讀取，構(gòu)建高精度數(shù)字化三維地面模型。

4.2 公路路線平面、縱斷面、橫斷面設(shè)計

利用緯地道路軟件在地形圖上根據(jù)按照“地形選線、地物選線、地質(zhì)選線、安全選線、環(huán)保選線”的原則，進(jìn)行初次公路路線設(shè)計，然后進(jìn)行根據(jù)地質(zhì)條件、構(gòu)造物的控制高初次擬定縱斷面，最后進(jìn)行超高、邊坡坡率設(shè)計，進(jìn)行橫斷面帶帽子設(shè)計，得出總體的工程數(shù)量和工程規(guī)模。

4.3 公路平面、縱斷面、橫斷面組合設(shè)計的合理性

根據(jù)初步得出的總體工程規(guī)模、平縱橫組合設(shè)計的合理性、方案的實施難易程度、與環(huán)境的協(xié)調(diào)等綜合判斷路線方案優(yōu)化的方向及位置。

4.4 利用一體化及可視化技術(shù)進(jìn)行公路路線優(yōu)化

根據(jù)擬定的總體設(shè)計原則、路線優(yōu)化的方向及位置，利用緯地道路三維互通設(shè)計功能，對平面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，對平面線位明顯走高挖方過大或明顯走低填高過大段落適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，減小填挖高度，調(diào)整平面的時候可以在縱斷面窗口查看調(diào)整后平面對應(yīng)的縱地面線，實時動態(tài)查看平面調(diào)整的位置是否到位，可以在橫斷面設(shè)計窗口中查看邊坡高度、支擋構(gòu)造物、橋涵實施的難易程度;縱斷面優(yōu)化時可以在平面窗口查看附近的地物地質(zhì)條件，橫斷面窗口查看帽子圖;最后通過可視化的三維實體查看檢驗設(shè)計成果的合理性，檢驗視距和檢查環(huán)境協(xié)調(diào)性。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過當(dāng)前公路路線設(shè)計現(xiàn)狀及痛點(diǎn)分析，提出采用一體化及可視化技術(shù)來解決公路路線方案設(shè)計及優(yōu)化過程，提高路線過程設(shè)計的效率、精度和深度。通過分析一體化及可視化技術(shù)所需的關(guān)鍵技術(shù)和實際運(yùn)用，徹底改變現(xiàn)狀低效反復(fù)的路線設(shè)計方法，實現(xiàn)靜態(tài)經(jīng)驗設(shè)計到動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的轉(zhuǎn)變，全面提高勘察設(shè)計質(zhì)量和效率，提升公路品質(zhì)，有助于構(gòu)建我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略落地開花。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐瑞.公路路線設(shè)計的原則及注意要點(diǎn)探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（27）：100.

[2]婁峰，王綏慶.道路三維集成CAD與IBM一體化技術(shù)[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017：4.

[3]郭騰峰，劉建蓓，張明波.公路三維關(guān)聯(lián)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的研究與開發(fā)[J].公路，2005（11）：164-167.