基于三角網(wǎng)算法的公路縱斷面設(shè)計(jì)及實(shí)例驗(yàn)證

摘要：針對(duì)當(dāng)前公路縱斷面設(shè)計(jì)結(jié)果與真實(shí)施工環(huán)境數(shù)據(jù)擬合度較差，其應(yīng)用效果不佳。為此，提出基于三角網(wǎng)算法的公路縱斷面設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證此方法應(yīng)用效果。首先，根據(jù)車(chē)輛行駛參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，確定公路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)；其次，構(gòu)建基礎(chǔ)三維模型，將該模型與研究區(qū)域的基礎(chǔ)三角網(wǎng)圖合并，得到三角網(wǎng)計(jì)算模型；最后，應(yīng)用模型計(jì)算結(jié)果，完成公路縱斷面設(shè)計(jì)方案，確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于三角網(wǎng)算法的公路縱斷面設(shè)計(jì)結(jié)果與真實(shí)施工環(huán)境數(shù)據(jù)擬合度更高。

關(guān)鍵詞：三角網(wǎng)算法公路縱斷面市政交通工程道路施工

中圖分類(lèi)號(hào)：U491

Highway Profile Design and Its Case Verification Based on the Triangulation Algorithm

ZHANG Dongning

Gansu Zhongping Engineering Design & Consulting Co.，Ltd.，Lanzhou， Gansu Province，

730060China

Abstract：At present， the result ofhighway profile design has a lowerdegree of fitting with the data of the real construction environment， and its application effect is not good. Therefore， amethod of highway profile design based on the triangulation algorithm is proposed， and the application effect of this method is verified by examples. Firstly， thebasic design parameters of highways are determined according to the statistical analysis results of vehicle driving parameters. Then， a basic 3D model is constructed， and the model is combined with the basic triangulation diagram of the research area to get a triangulation calculation model. Finally， the scheme of highway profile design is completed by the calculation results of the model， and key design parameters are determined. Eexperimental results show that the result of highway profile design based on the triangulation algorithm has a higher degree of fitting with the data of the real construction environment.

Key Words： Triangulation algorithm; Highway profile; Municipal traffic engineering; Road construction

隨著城市交通與公路建設(shè)工程的發(fā)展，在公路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)的交通量往往低于設(shè)計(jì)量[1]。當(dāng)前，公路縱截面設(shè)計(jì)當(dāng)前多采用線形擬合的方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)研究區(qū)域的地形進(jìn)行初步擬合，但此部分方法存在計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度較低的問(wèn)題[2]。因此，如何通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到更為可靠的公路縱斷面設(shè)計(jì)結(jié)果成為當(dāng)前需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題[3]。對(duì)比多種方法后，本研究選取三角網(wǎng)算法對(duì)當(dāng)前可使用的方法展9UM6xE6hdKYYeEYmtkxgDg==開(kāi)優(yōu)化，提出基于三角網(wǎng)算法的公路縱斷面設(shè)計(jì)方法，力求通過(guò)此方法改善當(dāng)前公路施工設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題。

1基于三角網(wǎng)算法的公路縱斷面設(shè)計(jì)

1.1車(chē)輛行駛參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

公路縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)主要受到車(chē)輛行駛阻力的影響[4]。為考慮到車(chē)輛行駛的安全性，本次研究中增加空氣阻力，提升數(shù)據(jù)的多樣性，以此在保證縱斷面設(shè)計(jì)結(jié)果的同時(shí)，降低行車(chē)安全問(wèn)題。

首先，根據(jù)空氣重力學(xué)的相關(guān)理論[5]，計(jì)算車(chē)輛行駛過(guò)程中的空氣阻力。計(jì)算過(guò)程可表示為如下所示：

（1）

式（1）中： 表示空氣密度； 表示車(chē)輛的迎風(fēng)面積； 表示風(fēng)阻系數(shù)； 表示車(chē)輛的行駛速度。

其次，在確定空氣阻力 的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)輪的滾動(dòng)阻力展開(kāi)計(jì)算，具體計(jì)算過(guò)程設(shè)定如式（2）：

（2）

式（2）中， 表示車(chē)輪的滾動(dòng)阻力； 表示車(chē)輛的總重力； 表示車(chē)輪的滾動(dòng)系數(shù)； 表公路的坡道傾角。

最后，在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加慣性阻力計(jì)算式（3）：

（3）

式（3）中： 表示重力加速度； 表示車(chē)輛的加速度； 表示慣性力系數(shù)。通過(guò)此公式，可計(jì)算得出車(chē)輛在目標(biāo)路段的慣性參數(shù)，進(jìn)一步獲取車(chē)輛安全行駛的性能數(shù)據(jù)。

1.2構(gòu)建公路縱斷面三角網(wǎng)計(jì)算模型

為更好地處理公路縱斷面復(fù)雜區(qū)域的數(shù)值，得到更優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。應(yīng)用獲取到的數(shù)據(jù)構(gòu)建基礎(chǔ)三維模型，而后將制圖區(qū)域按照“最優(yōu)輔助劃分原則[6]”進(jìn)行區(qū)域劃分，并盡可能減少子區(qū)域的誤差，將劃分后的區(qū)域整合為由內(nèi)向外發(fā)展的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，將此模型與研究區(qū)域的基礎(chǔ)三角網(wǎng)圖合并，得到本次研究中需要的三角網(wǎng)地形圖。因此，根據(jù)以上原理，三角網(wǎng)計(jì)算模型的構(gòu)建步驟設(shè)定如下。

步驟1：確定研究區(qū)域?qū)傩?。通過(guò)三角網(wǎng)算法確定目標(biāo)區(qū)域的二維情況，并將其轉(zhuǎn)化為通用信息，以便于后續(xù)的區(qū)域劃分。

步驟2：確定三角網(wǎng)算法計(jì)算流程，完成研究區(qū)域由左到右轉(zhuǎn)存到鏈表中，構(gòu)建基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

步驟3：調(diào)用指令確定研究區(qū)域的基礎(chǔ)屬性，并進(jìn)一步判定目標(biāo)區(qū)域是否在三角網(wǎng)制圖邊境內(nèi)，是否被處理過(guò)，以及該區(qū)域公路縱斷面的斷面屬性以及邊界情況。

步驟4：約束區(qū)域邊界以及制圖邊界，如此兩部分邊界封閉較多，則需要應(yīng)用“三角形生長(zhǎng)法”對(duì)其進(jìn)行處理，并將其存儲(chǔ)在鏈表中進(jìn)行編號(hào)。

步驟5：重新建立全部區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行區(qū)域重組，得到最終的三角網(wǎng)模型。

假設(shè)制圖區(qū)域內(nèi)有N個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，則三角網(wǎng)算法尋找擴(kuò)展點(diǎn)的流程如圖1所示。

將得到的三角網(wǎng)模型作為計(jì)算基礎(chǔ)，為保證其應(yīng)用效果，在使用前需確定三角網(wǎng)中的幾何圖形是否一致，同時(shí)保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。如此三角網(wǎng)模型符合計(jì)算要求，則將其作為縱斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型基礎(chǔ)，應(yīng)用其完成最終縱斷面設(shè)計(jì)。

1.3公路縱斷面設(shè)計(jì)

應(yīng)用上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)結(jié)果，完成公路縱斷面設(shè)計(jì)方案。對(duì)比多種文獻(xiàn)后，使用下述公式獲取基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.3.1 路縱截面設(shè)計(jì)高程

（4）

式（4）中： 表示研究區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)里程樁號(hào)的設(shè)計(jì)高程； 表示里程樁起點(diǎn)設(shè)計(jì)高程； 表示里程樁號(hào) 與 之間的距離； 表示縱坡值，當(dāng)坡度為上坡是取值為正，當(dāng)坡度為下坡是取值為負(fù)。

1.3.2 挖設(shè)計(jì)高度

（5）

式（5）中， 表示地基高程。

1.3.3 路縱斷面豎曲線

（6）

式（6）中： 表示目標(biāo)位置的水平定位數(shù)據(jù)； 表示豎曲線半徑； 表示目標(biāo)位置的豎直定位數(shù)據(jù)。其計(jì)算方式如下：

（7）

整理上述各參量，結(jié)合三角網(wǎng)計(jì)算模型，得到最終具有地形特征的公路縱斷面設(shè)計(jì)結(jié)果。

2實(shí)例驗(yàn)證分析

2.1工程實(shí)例

本研究以城市某公路擴(kuò)改建工程為例，獲取部分公路段設(shè)計(jì)資料，其中：縱坡度I1=0.15%，橫向坡度I2=-0.12%，原設(shè)計(jì)曲線Y=128000m，L=360.64m。在公路的擴(kuò)建設(shè)計(jì)與改建設(shè)計(jì)中，需要降低填挖高度，使得設(shè)計(jì)線與原地面曲線得到更好的擬合。針對(duì)此設(shè)計(jì)目標(biāo)，使用文中方法文獻(xiàn)方法1、文獻(xiàn)方法2分辨設(shè)計(jì)方案，并對(duì)比應(yīng)用效果。為獲取更為有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次研究中選取10個(gè)里程樁作為測(cè)試組，獲取原始地面高程、設(shè)計(jì)高程以及填挖高度擬合差數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

將表1中數(shù)據(jù)作為對(duì)照，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比的形式，得到文中方法和兩種文獻(xiàn)方法的應(yīng)用效果。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案，得到如表2至表4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

將表2至表4中的數(shù)據(jù)與表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，實(shí)驗(yàn)中選擇的3種方法均可完成縱截面的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)結(jié)果與真實(shí)地面高程的擬合度存在較大的差異。與文中方法相比，文獻(xiàn)中的兩種方法計(jì)算耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，且計(jì)算結(jié)果擬合差明顯高于文中方法，雖然解決了部分?jǐn)?shù)據(jù)擬合過(guò)程中存在的問(wèn)題，但應(yīng)用效果相對(duì)較差。整理上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，文中方法的應(yīng)用效果更佳，可更好地成公路路基的縱截面設(shè)計(jì)工作。

3結(jié)語(yǔ)

綜上，經(jīng)過(guò)深入的探討和實(shí)例驗(yàn)證，在實(shí)際應(yīng)用中，本研究選取了典型的公路項(xiàng)目作為案例，進(jìn)行了詳盡的數(shù)據(jù)分析和處理。通過(guò)與其他設(shè)計(jì)方法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于三角網(wǎng)算法的縱斷面設(shè)計(jì)擁有更高的應(yīng)用價(jià)值，為公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。此外，本研究還對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，提高了其計(jì)算效率和穩(wěn)定性。這使得基于三角網(wǎng)算法的縱斷面設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中更具可操作性，能夠更好地滿(mǎn)足項(xiàng)目需求。

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