山区公路平面线形自动仿真设计方法技术

山区公路平面线形自动设计仿真系统，包括如下功能模块：等高线绘制模块：确定型点值模块；拟合曲线曲率图转化模块；拟合曲线曲率图的绘制模块；线元设计算法模块。本发明专利技术通过建立平面线形设计的仿真系统，消除人工在大比例尺地形图上确定坡度点的重复劳动，使人工定点转为计算机自动识别；利用一定的边界约束条件对线形进行动态调整，使线形的调整做到直观、简便：尽可能地减少人工操作不再需要设置导向线，线形布置与敷设完全自动化，使得平面线形设计快速、简捷，节省大量的人力、物力、缩短成图周期。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及道路线形设计与优化系统，具体涉及山区公路平面线形自动设计仿真系统，属道路设计
目前在我国山区公路平面线形设计中，一直都是在大比例尺地形图上进行操作的，采用的方法是传统放坡定线的直线型设计方法(又称导线法)。首先确定路线的整体布局，然后根据平均纵坡i平均(5.0％~5.5％，视相对高差而定)依次在等高线上作出坡度点(或称型值点)，调整一些不适当的点后连接这些坡度点构成导向线。导向线仍然是条折线，于是根据平面线形标准的要求，结合横坡变化情况，确定必须通过的点、适当照顾的点和可以忽略的点，采取以点连线、以线交点的方式，定出平面修正导向线，并量出转角，在图上敷出曲线。最后根据平面线形要求作线位调整再定出中线。纸上定线是一个反复检验的过程。必须通过多次的试线，才能获得理想的适宜线形。传统的平面线形设计方法具有如下的局限性①坡度点都是由设计者用两脚规依次在每一条等高线上截点去确定。放坡到了终点的时候，如果放坡得到的高程达不到终点高程，又要根据剩余高差的大小重新确定坡度点，这个工作需要多次才能完成。同时，为了能充分利用有利地形，避让艰巨工程或严重不良地质地段，又需要重新确定平均纵坡，调整坡度点，如此反复进行。这些工作重复、繁琐、易错。②在修正导向线，采取以点连线、以线交点的方式定出平面“试线”时，哪些点是必须通过的，哪些点是要适当照顾的，哪些点又是可以不考虑的，这并没有一个确定的标准可参考，完全依靠设计者平时积累的经验和自身丰富的空间想象能力，并且往往带有一定的盲目性和随意性，有时经过多次试线还无法确定出合适的线形。③在导线绘出后，开始敷设平面曲线。由于受到地形和地质条件的约束，要取得比较合理的圆曲线半径、缓和曲线长度，使得设计出来的路线工程量少、与地形结合得好，又不破坏线形的整体平顺性，这是设计者必须考虑的而且是比较棘手的问题。④由于传统导线法是以直线作为主要的线形，曲线(圆曲线、缓和曲线)只是作为辅助线形，因此通过传统导线法设计出的线形一般难以和蜿蜒起伏的山区地形环境相协调，导致大挖大填，破坏了自然景观，造成公路的视觉效果较差。⑤传统导线法难以处理复杂多变的几何线形。而目前的曲线型设计方法，，仅是从某一个方面去寻求解决平面线形设计问题的途径，并未从地形、线形、设计方法、计算机程序和仿真技术等系统的角度实现山区平面线形的全自动化设计。同时未解决线形布设过程的线形单元和约束条件的自动描述和求解的问题。因而，实用性较差，往往难以推广应用。本专利技术的目的在于克服上述现有技术之不足，提供一种解决传统方法存在人工重复劳动、易错、繁琐等缺陷的山区公路平面线形自动设计仿真系统。实现上述目的，本专利技术的主要内容是山区公路平面线形自动设计仿真系统，其特征在于包括如下功能模块1)等高线绘制模块；通过建立数学地面模型，绘制出等高线地形图；3)确定型点值模块；用矩形格网三项次多项式高程内插的方法求出坡度点；3)拟合曲线曲率图转化模块；视这些坡度点为型值点，利用局部坐标三次样条曲线进行拟合，生成路线的平面拟合线形；4)拟合曲线曲率图的绘制模块；对路线的拟合线形每隔一定距离计算曲率，生成拟合线形的曲率图；对拟合线形的曲率图进行计算机自动识别转化模块，并用最小二乘法转化生成传统平面线形的曲率图；5)线元设计算法模块；利用积木法敷设平面线形，并进行线位计算。所述等高线绘制模块的建立包括1)形数据采集；2)形数据预处理；3)形数据排序与检索；4)字地面模型的高程内插，采用矩形格网内插法；5)裂线处理。所述地形数据排序是1)所有已知数对x方向进行排序；2)据原始数据的密度，自动确定格网宽度dc，得到x方向的总列数，从而可确定首列及每列x方向坐标原点；3)定每列的已知地形点(从x0(i)＜x＜x0(i)+dc区域内提取)；4)该列的已知地形数据，对y方向进行排列；5)据该列已知地形数据的分布范围确定该列格网个数，以及该列首格的局部坐标原点y0(i)；6)对该列数据记录每个格网中的已知点首点序号及总点数(从y0(i)+j·dc＜x＜y0(i)+(j+1)·dc区域内提取)。重复3)~6)，将数模区域内的所有已知点处理完毕后形成数模数据，在这个基础上，只要给出任意待定点的平面坐标，就可以快速检索出该点所处格网，从而快速提取该格网中已知地形点。所述最小二乘法转化生成传统平面线形的曲率图设计包括1)确定拟合曲线通过地带的地形地貌参数γ；2)根据样本曲率图确定曲率图的形状特征参数λ，根据向量λ中连续的0或1的个数去判定路线的转向，从而确定标准曲率图中曲率k的正负号；3)构造标准曲率图首先根据参数γ的数值组合，如出现不利情况，则增加考虑凸型、C型、复合型这三种特殊线形组合方式，否则只考虑基本型、S型和卵型这常用的三种线形组合方式。然后根据已知的公路等级和样本曲率图的里程长度，确定ls、Rave及ls和ly的最佳比值，构造出标准曲率图；4)对标准曲率图和样本曲率图的曲率K向量和里程L向量取值，并对曲率K向量进行“归一化”处理，运用公式计算各曲率图的C值；5)C值比较，得出结论。所述线元设计算法是将组合复杂的公路平面线形“化整为零”，分解成若干个线形单元。若已知路线平面曲线的起点信息如坐标、切线或法线方向和曲率半径，则从起点处开始设置任一单元，沿任何方向延伸，此单元终点的信息如坐标、切线或法线方位角和曲率半径都可以计算出来，同时将其作为下一单元起点的相同信息加以利用。如此逐个单元往下计算，如同搭积木一样，各单元首尾连接，构成一条连续完整的公路平面线形。其中线形单元即线元可以分别是直线、缓和曲线和圆曲线，必要时也可以是这三种线元组合而成的线形单元。山区公路平面线形设计仿真系统是由各功能模块组成的。采用模块化程序设计方法有以下四个优点①采用模块化方法得到的程序结构清晰、层次分明；②采用模块化方法可以提高程序的开发效率。每个模块可以单独编译，程序模块通过精心设计之后可以为许多程序所共用；③采用模块化方法可以提高程序的可行性，而且使程序便于维护和修改；④采用模块化方法，各模块可以独立地进行测试或验证，这比对一个结构复杂的大型程序进行测试或验证要容易的多。本专利技术的主要优点还在于通过建立平面线形设计的仿真系统，消除人工在大比例尺地形图上确定坡度点的重复劳动，使人工定点转为计算机自动识别；利用一定的边界约束条件对线形进行动态调整，使线形的调整做到直观、简便；尽可能地减少人工操作，不再需要设置导向线，线形布置与敷设完全自动化，使得平面线形设计快速、简捷，节省大量的人力、物力，缩短成图周期。山区公路平面线形设计的自动仿真系统，将设计者从重复的工作中解脱出来，把更多的精力投入到平面线形的优化工作中去，提高设计质量和设计水平。下面结合附图和具体的实施方式对本专利技术作进一步说明。附图说明图1是本专利技术等高线绘制流程图。图2是本专利技术仿真系统中确定型值点的程序流程框图。图3是局部坐标曲线图。图4是拟合曲线曲率图转化流程图。图5是积木法的基本原理图。图6是线元设计算法流程图。图7是曲率变化点处的方位角计算流程图。图8是坡度点曲线拟合的公路线形。图9是拟合曲线的曲率图。图10是拟合后的曲率图。图11是转化后的传统线形。一、数字地面模型的建立地形资料是公路设计的重要本文档来自技高网...

【技术保护点】
山区公路平面线形自动设计仿真系统，其特征在于包括如下功能模块：１）等高线绘制模块；通过建立数字地面模型，绘制出等高线地形图；２）确定型点值模块；用矩形格网三项次多项式高程内插的方法求出坡度点；３）拟合曲线曲率图转化模块； 视这些坡度点为型值点，利用局部坐标三次样条曲线进行拟合，生成路线的平面拟合线形；４）拟合曲线曲率图的绘制模块；对路线的拟合线形每隔一定距离计算曲率，生成拟合线形的曲率图；对拟合线形的曲率图进行计算机自动识别转化模块，并用最小 二乘法转化生成传统平面线形的曲率图；５）线元设计算法模块；利用积木法敷设平面线形，并进行线位计算。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴国雄，丘晓坚，
申请(专利权)人：吴国雄，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]