圖形與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的橫斷面交互設(shè)計(jì)方法

王婉秋，莊國方，蒲 浩

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092;2.上海建科建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，上海200032;3.中南大學(xué)土建學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷進(jìn)步，公路交通事業(yè)不斷向縱深發(fā)展，既有公路不斷升級(jí)改造為高等級(jí)公路，新建的高等級(jí)公路不斷向山區(qū)、荒漠延伸擴(kuò)展，在此過程中分離式路基越來越得到廣泛的應(yīng)用。路基橫斷面形式的復(fù)雜多樣性使得橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)難以完成設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖，橫斷面交互設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

國內(nèi)路基設(shè)計(jì)軟件提供的交互設(shè)計(jì)功能從實(shí)際應(yīng)用情況來看存在以下不足:

1)人機(jī)交互設(shè)計(jì)時(shí)，大多采用編輯橫斷面設(shè)計(jì)模板的方式，由系統(tǒng)運(yùn)算后刷新圖形對(duì)象，而不能實(shí)現(xiàn)直接操作圖形對(duì)象，由系統(tǒng)根據(jù)圖形的實(shí)時(shí)變化自動(dòng)更新橫斷面數(shù)據(jù)，即圖形驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的方式。

2)不能實(shí)現(xiàn)橫斷面某一部分的圖形修改自動(dòng)觸發(fā)與其相關(guān)的其他圖形的自動(dòng)更新。

針對(duì)以上不足之處，筆者提出了一種基于圖形和數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)思想。該思想基于圖形與數(shù)據(jù)是一個(gè)整體的思想，注重圖形和數(shù)據(jù)的有機(jī)聯(lián)系，即數(shù)據(jù)的修改可使圖形同步變化;反之，圖形的編輯也能使數(shù)據(jù)自動(dòng)刷新，從而實(shí)現(xiàn)操作過程的高效、自動(dòng)化。

為了實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)思想，筆者在研究路基橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，引入與常規(guī)路基CAD軟件不同的編制思想:采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，?yīng)用ObjectARX的實(shí)體定制技術(shù)構(gòu)造橫斷面實(shí)體。通過巧妙應(yīng)用響應(yīng)器和通知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)功能。

1 路基橫斷面的自動(dòng)設(shè)計(jì)

公路路基橫斷面的數(shù)量龐大，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量研究，探討了簡(jiǎn)潔、靈活和通用的橫斷面幾何描述和定義模型及其CAD開發(fā)實(shí)現(xiàn)方法［1］、研究了將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2］、數(shù)據(jù)庫技術(shù)［3－5］應(yīng)用于道路路基橫斷面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法。然而這些研究方法大多只針對(duì)整體式路基的設(shè)計(jì)，對(duì)分離式路基橫斷面的設(shè)計(jì)研究不多。鑒于路基橫斷面形式的復(fù)雜多樣性，筆者采取“化繁為簡(jiǎn)”的思路，首先引入特征點(diǎn)將全線劃分成多段具有相同特征橫斷面形式的局部段落，通過從面到線再到點(diǎn)(面:全線;線:某段線路;點(diǎn):特定的斷面形式)層層細(xì)化的方式，最終將設(shè)計(jì)方法的研究重點(diǎn)鎖定至具有共同特征的橫斷面設(shè)計(jì)方法的研究上。

1.1 路線段落劃分及相關(guān)路基類型

公路路基橫斷面形式由于受地形、地質(zhì)條件限制，一條主線逐漸分成左右兩幅路，路基形式從整體式路基過渡到分離式路基，路基形式漸變過程如圖1。路基橫斷面形式復(fù)雜，路基形式從整體式路基變化至部分分離式路基，直至路基完全分離。

圖1 過渡段橫斷面漸變過程Fig.1 Gradual process of cross-section

根據(jù)路基橫斷面形式的變化特點(diǎn)，引入2個(gè)特征點(diǎn):路面分離點(diǎn)和路基分離點(diǎn)。路面分離點(diǎn)即整體式路基路面分離的臨界點(diǎn)斷面;路基分離點(diǎn)指左右路幅路基所夾邊坡不相交的臨界點(diǎn)斷面。利用這2個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行段落劃分:①整體式路基段，即里程小于路面分離點(diǎn)里程段，此時(shí)橫斷面形式為整體式路基;②部分分離段，即介于路面分離點(diǎn)和路基分離點(diǎn)之間的路段，路基按2個(gè)互相關(guān)聯(lián)的路基來進(jìn)行設(shè)計(jì)，橫斷面形式為部分分離式路基。

左右兩幅路合為一幅路的路基橫斷面形式漸變過程與分出端類似。

1.2 各段落路基機(jī)助設(shè)計(jì)方法

基于以上段落劃分，橫斷面設(shè)計(jì)歸結(jié)為3種路基的設(shè)計(jì):整體式路基、部分分離式路基和完全分離式路基的設(shè)計(jì)。根據(jù)每種路基不同的橫斷面特點(diǎn)，提出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。

1.2.1 整體式路基機(jī)助設(shè)計(jì)方法

整體式路基的自動(dòng)設(shè)計(jì)方法即計(jì)算機(jī)依據(jù)設(shè)計(jì)者給定的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面模板，自動(dòng)完成逐樁橫斷面設(shè)計(jì)及土石方工程數(shù)量計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面模板的定義依地形、地質(zhì)等情況的不同采取分段定義的方式 。依據(jù)定義好的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面模板進(jìn)行橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)的方法與人工常規(guī)設(shè)計(jì)方法一致，在程序中分左、右側(cè)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.2 分離式路基機(jī)助設(shè)計(jì)方法

1)部分分離式路基機(jī)助設(shè)計(jì)方法。部分分離式路基一般在整體式路基和完全分離式路基的過渡段出現(xiàn)，此時(shí)左幅路基和右幅路基互相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)方法是先對(duì)左幅路采取整體式路基橫斷面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，然后沿左幅路的法線方向?qū)τ曳坊鶛M斷面進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，最后依據(jù)左幅路基右側(cè)和右幅路基左側(cè)邊坡的相交形式，將兩個(gè)橫斷面進(jìn)行拼合設(shè)計(jì)。

2)完全分離式路基機(jī)助設(shè)計(jì)。完全分離式路基分別對(duì)兩幅路基采取與整體式路基設(shè)計(jì)方法相同的設(shè)計(jì):分段設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)橫斷面模板，依據(jù)定義好的模板進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)。

2 定制路基橫斷面實(shí)體

2.1 相關(guān)研究

如何將設(shè)計(jì)好的路基橫斷面實(shí)體高效地存儲(chǔ)到AutoCAD的數(shù)據(jù)庫中，是實(shí)現(xiàn)橫斷面高交互性能的前提條件。

在早期研究中，橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)生成的若干橫斷面子實(shí)體以無序的方式存儲(chǔ)于AutoCAD數(shù)據(jù)庫的模型空間(MODEL_SPACE)中。這種存儲(chǔ)方式，當(dāng)模型空間中實(shí)體很多時(shí)，即使是簡(jiǎn)單的查詢操作也將變得費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為了找到一種效率更高的圖形存儲(chǔ)方法，文獻(xiàn)［3］中提出了應(yīng)用面向?qū)ο蟮膲K表技術(shù)，減化了在圖形數(shù)據(jù)庫中記錄橫斷面實(shí)體的工作量。然而，由于模型空間中記錄的是圖塊的塊引用，橫斷面交互設(shè)計(jì)過程中首先必須將圖塊解塊(explode)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)各實(shí)體的交互操作，而且在交互設(shè)計(jì)完成后，還需將各實(shí)體重新組合成圖塊存入數(shù)據(jù)庫中。交互設(shè)計(jì)過程繁瑣，效率不高。

文獻(xiàn)［3］提出了面向?qū)ο蟮乃枷?，然而在?shí)際應(yīng)用中，橫斷面的各組成實(shí)體卻是相互獨(dú)立分散的，僅僅通過塊表技術(shù)將它們生硬地聯(lián)系在一起，沒有從根本上貫徹面向?qū)ο蟮乃枷耄磳⒙坊鶛M斷面看成客觀“對(duì)象”，在對(duì)象的內(nèi)部定義屬性和操作或方法來完成對(duì)象內(nèi)部私有狀態(tài)的描述。為此，筆者提出了對(duì)象－屬性的思想，將路基橫斷面看成一個(gè)“對(duì)象”，為橫斷面對(duì)象添加屬性以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，并運(yùn)用ObjectARX的實(shí)體定制技術(shù)，將橫斷面構(gòu)造成與AutoCAD內(nèi)部實(shí)體一樣易于操作的自定義實(shí)體。

2.2 面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用于路基橫斷面設(shè)計(jì)

對(duì)象－屬性思想就是將路基橫斷面視為“對(duì)象”，其組成實(shí)體視為屬性實(shí)體，屬性實(shí)體包括幾何屬性實(shí)體和標(biāo)注屬性實(shí)體。各屬性實(shí)體又作為單獨(dú)的對(duì)象分別定義相應(yīng)的屬性參數(shù)和行為函數(shù)。分類和層次關(guān)系如圖2。

圖2 路基橫斷面屬性分類及層次關(guān)系Fig.2 Attribute classification and hierarchical relationship of crosssection section

通過對(duì)象－屬性思想設(shè)計(jì)的路基橫斷面對(duì)象封裝了對(duì)象的屬性實(shí)體及屬性實(shí)體的參數(shù)與操作，突破了傳統(tǒng)的將數(shù)據(jù)與操作分離的模式，該對(duì)象具有繼承性。將一般路基橫斷面作為一種典型的實(shí)體對(duì)象，特殊路基的設(shè)計(jì)即可采用“繼承”的方式在典型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上添加各自的屬性，如在一般路基的基礎(chǔ)上分別添加矮墻、護(hù)肩、擋墻、砌石、護(hù)腳等“屬性”即可派生出相應(yīng)的路基橫斷面對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)象增量式的擴(kuò)充。

2.3 自定義實(shí)體技術(shù)

根據(jù)對(duì)象－屬性思想，一個(gè)橫斷面可以視為屬性實(shí)體組合成的復(fù)合實(shí)體。因此在AutoCAD數(shù)據(jù)庫中定制橫斷面實(shí)體的關(guān)鍵是解決各屬性實(shí)體的定制問題。ObjectARX類層次結(jié)構(gòu)的AcDbEntity類是所有具有圖形表現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫對(duì)象的基類，通過AcD-bEntity類繼承派生的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)屬性實(shí)體內(nèi)部屬性和行為的定制。以橫斷面邊坡屬性實(shí)體的定義為例，說明實(shí)體的定制方法［6－7］:

1)從AcDbEntity類派生新的邊坡實(shí)體類Side-Slop，可借助工具軟件ObjectARX Wizard實(shí)現(xiàn)，它生成派生類SideSlop的框架;

2)定義SideSlop的數(shù)據(jù)成員，數(shù)據(jù)成員包括邊坡級(jí)數(shù)，邊坡系數(shù)，邊坡高度，平臺(tái)寬度，邊坡的圖形顯示坐標(biāo)點(diǎn)等;

3)定義數(shù)據(jù)成員的行為函數(shù)，包括查詢、繪制、對(duì)象捕捉、編輯等。定義邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算的私有成員函數(shù)，它完成邊坡屬性數(shù)據(jù)修改后，邊坡點(diǎn)坐標(biāo)的重新設(shè)計(jì)與計(jì)算工作;

4)定制實(shí)體還必須完成4個(gè)filer函數(shù)，才能使對(duì)象歸檔:

其余屬性實(shí)體的定制參照邊坡屬性實(shí)體的定制方法，將定義好的各屬性實(shí)體作為橫斷面實(shí)體的屬性成員進(jìn)行橫斷面實(shí)體的定制，就可構(gòu)造出完整的橫斷面實(shí)體。

3 響應(yīng)器與通知技術(shù)

橫斷面交互設(shè)計(jì)過程實(shí)際是設(shè)計(jì)人員對(duì)橫斷面屬性實(shí)體進(jìn)行交互修改的過程。對(duì)某一屬性實(shí)體的修改，勢(shì)必會(huì)引起其它相關(guān)屬性實(shí)體隨之做出相應(yīng)的調(diào)整。通過自定義實(shí)體技術(shù)定制的橫斷面實(shí)體集成了各屬性實(shí)體的幾何、標(biāo)注參數(shù)及操作函數(shù)，對(duì)屬性實(shí)體的任何查詢、修改如同編輯AutoCAD內(nèi)部實(shí)體一樣簡(jiǎn)單、方便。然而將該橫斷面實(shí)體應(yīng)用于交互設(shè)計(jì)仍待解決一個(gè)關(guān)鍵問題，即對(duì)某一屬性實(shí)體的修改如何自動(dòng)觸發(fā)其他相關(guān)屬性實(shí)體的關(guān)聯(lián)變化。ObjectARX的反應(yīng)器與通知技術(shù)提供了較好的解決辦法。

3.1 反應(yīng)器與通知技術(shù)

反應(yīng)器與通知技術(shù)的原理是將作為接受事件的反應(yīng)器附加到通知者的對(duì)象中，當(dāng)系統(tǒng)有事件發(fā)生時(shí)，通知者對(duì)象自動(dòng)傳遞事件給反應(yīng)器，并調(diào)用反應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的通知函數(shù)(modified)［8］。

基于此原理，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)體的相互關(guān)聯(lián)，在創(chuàng)建某個(gè)實(shí)體時(shí)，可以向?qū)嶓w附加一個(gè)反應(yīng)器，并在反應(yīng)器的成員變量中包含另一個(gè)實(shí)體的對(duì)象ID。具體實(shí)現(xiàn)過程為:當(dāng)AutoCAD修改一個(gè)已附有反應(yīng)器的實(shí)體時(shí)，反應(yīng)器會(huì)得到響應(yīng)，發(fā)生響應(yīng)的反應(yīng)器通過讀出所依附實(shí)體的對(duì)象ID，打開所依附的實(shí)體，執(zhí)行通知函數(shù)預(yù)先設(shè)定的操作，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)變化。

3.2 反應(yīng)器與通知技術(shù)應(yīng)用于路基橫斷面交互設(shè)計(jì)

反應(yīng)器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，多個(gè)實(shí)體關(guān)聯(lián)，通知函數(shù)等功能很好地滿足了交互設(shè)計(jì)過程中屬性實(shí)體間關(guān)聯(lián)變化的需求。

在創(chuàng)建橫斷面屬性實(shí)體時(shí)，根據(jù)交互操作的需要預(yù)先放置反應(yīng)器，在反應(yīng)器的通知函數(shù)中設(shè)定相應(yīng)的響應(yīng)操作。通過反應(yīng)器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，被操作實(shí)體處于被監(jiān)測(cè)狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員的任何操作，系統(tǒng)都能迅速做出反應(yīng)，捕捉與其關(guān)聯(lián)的其他實(shí)體，并提取屬性數(shù)據(jù)，完成重新設(shè)計(jì)與計(jì)算。

以邊坡線實(shí)體反應(yīng)器為例說明反應(yīng)器的設(shè)置方法與工作流程［4］:

第1步:創(chuàng)建邊坡實(shí)體反應(yīng)器。

1)從反應(yīng)器類AcDbEntityReactor派生新的邊坡實(shí)體反應(yīng)器SideSlopReact。

2)將地面線，水溝，標(biāo)注實(shí)體對(duì)象的ID作為數(shù)據(jù)成員，建立邊坡實(shí)體與該斷面地面線、水溝及文本標(biāo)注等實(shí)體的關(guān)聯(lián)。

3)定義通知函數(shù):modified(const AcDbObject*pObj)。函數(shù)中獲取當(dāng)前編輯修改的邊坡對(duì)象實(shí)體指針，并以只讀方式打開與當(dāng)前邊坡實(shí)體關(guān)聯(lián)的地面線實(shí)體，作為地面線設(shè)計(jì)依據(jù);并以寫方式打開與當(dāng)前邊坡實(shí)體關(guān)聯(lián)的水溝實(shí)體、文本標(biāo)注實(shí)體，提取屬性參數(shù)。根據(jù)邊坡實(shí)體的變化重新設(shè)計(jì)橫斷面并計(jì)算面積，繪制新設(shè)計(jì)的水溝，刷新標(biāo)注內(nèi)容。

第2步:為邊坡實(shí)體添加反應(yīng)器 addReactor(LeftSideSlopReactor)。

4 數(shù)據(jù)與圖形聯(lián)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法中主要通過對(duì)話框方式，直接修改設(shè)計(jì)參數(shù)模板實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)，然而設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行實(shí)際交互設(shè)計(jì)時(shí)，往往難以確切知道設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確修改值，只能通過不斷修正以實(shí)現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)參數(shù)模板與設(shè)計(jì)界面中反復(fù)的切換也降低了設(shè)計(jì)效率。數(shù)據(jù)對(duì)圖形聯(lián)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)方法克服了現(xiàn)有交互設(shè)計(jì)方法的弱點(diǎn)，基于本文的研究成果，系統(tǒng)開發(fā)了更加人性化的間接參數(shù)化法和通過夾點(diǎn)操作直接修改圖形的方法。

間接參數(shù)化法屬于數(shù)據(jù)對(duì)圖形驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，使用多義線繪出屬性實(shí)體的大致形狀，系統(tǒng)自動(dòng)提取所需信息，重新設(shè)計(jì)生成與多義線形狀類似的屬性實(shí)體，而且通過附加到屬性實(shí)體的反應(yīng)器的作用，自動(dòng)激發(fā)牽連屬性實(shí)體的聯(lián)動(dòng)改變，從而實(shí)現(xiàn)更加直觀靈活的交互設(shè)計(jì)。以邊坡屬性實(shí)體的交互設(shè)計(jì)過程為例，如圖3、圖4。

圖3 多義線轉(zhuǎn)邊坡線Fig.3 Turn polyline into slope line

圖4 多義線成功轉(zhuǎn)成邊坡線Fig.4 Turn polyline into slope line successfully

夾點(diǎn)操作圖形的方法是一種面向圖形對(duì)象的圖形對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)方法，由前文的研究成果定義的實(shí)體類與AutoCAD內(nèi)部實(shí)體一樣，當(dāng)Auto-CAD中選中某屬性實(shí)體時(shí)，AutoCAD通過運(yùn)行期間的類檢查機(jī)制獲得該實(shí)體對(duì)象的類，當(dāng)拖動(dòng)某個(gè)夾點(diǎn)或通過右鍵快捷菜單選擇相應(yīng)命令時(shí)，AutoCAD自動(dòng)調(diào)用該實(shí)體對(duì)象類的相應(yīng)“操作函數(shù)”，隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)，圖形被不斷刷新重繪，形成動(dòng)態(tài)橡皮線的效果。當(dāng)操作完畢后，與之關(guān)聯(lián)的其他屬性實(shí)體，標(biāo)注屬性(填挖面積、中心填挖高等)被自動(dòng)刷新，數(shù)據(jù)庫文件也被同步更新。夾點(diǎn)操作的動(dòng)態(tài)可視性，使設(shè)計(jì)者能觀察屬性實(shí)體的實(shí)時(shí)變化，從而完成高效、靈活的交互設(shè)計(jì)。以修改邊坡的夾點(diǎn)操作為例(圖5)。

圖5 修改邊坡的夾點(diǎn)操作Fig.5 Clip-point operations of slop line

5 結(jié)論

筆者深入研究了路基橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了路基橫斷面基于圖形與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)功能。它具有如下優(yōu)點(diǎn):

1)應(yīng)用ObjectARX自定義實(shí)體技術(shù)定制橫斷面實(shí)體對(duì)象，使橫斷面這樣的復(fù)雜實(shí)體能象Auto-CAD內(nèi)部實(shí)體一樣，具有AutoCAD實(shí)體的各種屬性和操作方式;

2)應(yīng)用響應(yīng)器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，多個(gè)實(shí)體關(guān)聯(lián)，響應(yīng)函數(shù)等功能，實(shí)現(xiàn)橫斷面屬性實(shí)體之間的相互關(guān)聯(lián);

3)基于圖形與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)方法:間接參數(shù)化法、夾點(diǎn)操作法，以其靈活性，動(dòng)態(tài)可視化實(shí)現(xiàn)了對(duì)橫斷面高效的交互功能。

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