公路路線設計的一體化與可視化技術研究及應用

郭家芳

摘? 要：文章解析當前公路路線設計的痛點基礎上，提出一體化及可視化技術的解決方案，通過分析一體化及可視化技術所需的關鍵技術和實際運用，提升公路路線設計的效率和精度，全面提高勘察設計質量。

關鍵詞：公路;路線設計;一體化;可視化;三維模型

中圖分類號：U412.3? ? ? ? 文獻標志碼：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

當前在公路設計中，大部分基于AutoCAD平臺進行二維的設計模式，而公路是一個帶狀的三維實體，公路路線設計不僅僅是公路的幾何設計，需注重平面、縱斷面、橫斷面三者的組合設計，并同環(huán)境、用路者的感受相協(xié)調，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計的一體化和可視化的研究及應用。

1 公路路線設計現(xiàn)狀痛點分析

現(xiàn)在公路設計在AutoCAD平臺上，利用基于CAD二次開發(fā)的道路設計軟件進行，相對于傳統(tǒng)的手繪圖時代，依靠人力和個人經(jīng)驗來完善設計方案，設計質量和精度有明顯改善?，F(xiàn)在公路設計中，首先利用外業(yè)勘測回來的地形圖進行公路路線的平面擬定，然后構建建設場地的曲面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)點的控制填高進行縱斷面拉破設計，在縱斷面設計完成后根據(jù)平面處的建設條件、縱斷面填挖高度進行橫斷面帶帽設計，最后完成平面、縱面和橫斷面設計，計算工程數(shù)量和工程造價，整個過程循序漸進。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)，而公路平面設計是與縱斷面、橫斷面息息相關的，三者任何一點細微的變化都相互影響，當發(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，不斷的重復以上過程，直到得出最優(yōu)方案。但在復雜地區(qū)公路設計中，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，反復的循環(huán)容易人為的疏忽平縱橫某個點，設計方案難于達到最佳。

2 一體化與可視化是公路路線設計的必然選擇

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

3 如何實現(xiàn)公路路線設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）以及復合模式組成）的應用十分必要。通過運用數(shù)字形式展現(xiàn)地形、地物情況，并依據(jù)外業(yè)調查收集的氣象水文環(huán)境等資料，有助于設計人員方案擬定及優(yōu)化。而三維一體化可視化設計基礎就是數(shù)字化地面曲面4D模型，路線方案在不斷的調整和優(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)勘察設計中平面調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計軟件均能利用三維信息構建數(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)對模型進行自動分段、設置區(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計工作時，首先需要保證各模塊功能完整性和獨立性，平面設計模塊、縱斷面設計模塊、橫斷面設計模塊、工程量統(tǒng)計模塊、動態(tài)三維虛實場景構建模塊，各個模塊功能需要完整，能獨立準確進行平縱橫設計，各個模塊又具有獨立性，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。其次需要構建數(shù)據(jù)交換信息共享協(xié)調工作平臺，該平臺將獨立的模塊聯(lián)合起來協(xié)調工作，從而實現(xiàn)一體化設計。所有的功能模塊均要與協(xié)同工作平臺進行實時數(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置不同視口，用于顯示設計的平面、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，如進行縱斷面設計時，隨時切換到平面查看該處地物地質條件，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)調性等。第四，各模塊實時動態(tài)調整，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。如調整優(yōu)化平面設計后，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，從而達到協(xié)同一體化設計。

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)劃或設計的公路實體，可通過設計成果的數(shù)據(jù)構建;而景物實體是指外業(yè)地形、地物、地質分層、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建的模型獲取。需要將兩者有效連接，運用道路模型和地面模型拼合成整體模型。

實踐運用中，利用計算機虛擬現(xiàn)實與仿真技術，直接利用道路幾何設計的基礎數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，構建準確的地面、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 公路路線設計的一體化與可視化應用

目前大部分的設計人員還是停留在平面設計后進行縱斷面設計和橫斷面設計，未真正通過一體化和可視化技術來設計及優(yōu)化路線方案，其主因是設計習慣和道路工程軟件需要進一步完善。

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）進行設計，介紹一體化和可視化技術在公路路線設計及優(yōu)化的應用。項目設計速度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，路線布設受限因素多。平面線形的布設受縱斷面控制，縱斷面設計需要根據(jù)橫斷面、地質條件綜合確定，而橫斷面設計中地面橫坡較陡處，支擋、橋涵構造物布設困難路段有需要通過調整平面、縱斷面線形來降低工程施工難度。

4.1 構建數(shù)字化地面模型

在公路外業(yè)勘測階段，利用無人機對沿線測量帶狀地形圖，通過利用傾斜影響構建實景模型。在內業(yè)階段，首要利用道路軟件緯地道路對地形圖的等高線、高程點三維高程信息進行識別讀取，構建高精度數(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、地質選線、安全選線、環(huán)保選線”的原則，進行初次公路路線設計，然后進行根據(jù)地質條件、構造物的控制高初次擬定縱斷面，最后進行超高、邊坡坡率設計，進行橫斷面帶帽子設計，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、平縱橫組合設計的合理性、方案的實施難易程度、與環(huán)境的協(xié)調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進行公路路線優(yōu)化

根據(jù)擬定的總體設計原則、路線優(yōu)化的方向及位置，利用緯地道路三維互通設計功能，對平面進行優(yōu)化調整，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?shù)恼{整，減小填挖高度，調整平面的時候可以在縱斷面窗口查看調整后平面對應的縱地面線，實時動態(tài)查看平面調整的位置是否到位，可以在橫斷面設計窗口中查看邊坡高度、支擋構造物、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計成果的合理性，檢驗視距和檢查環(huán)境協(xié)調性。

5 結束語

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

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