第三篇 道路CAD系统设计及实用程序设计.ppt

第三篇 道路CAD系统设计及实用程序设计,道路CAD系统是一套复杂、庞大的系统。包括路线、路基、路面和支挡结构的设计。其中路线设计内容包括平面、纵断面、横断面、土石方计算等主要内容，涉及到土石方调配、设计图表的自动生成、透视图的生成。考虑到设计一体化，还包括对数字地面模型系统，以及地形原始数据的处理。需要指出一点是，在道路CAD系统中，各子系统或功能模块是分散开发的，各子系统相互独立，但又具有联系。例如，某个模块运行后生成的数据文件，可以被另一个模块运行时调用。因此协调各子系统(或模块)之间的关系，提高系统的整体性、系统性以及易维护、易扩充的功能，对道路CAD系统非常重要。,1道路平面线形计算机辅助设计,道路线形设计目前主要有两种方法，第一种方法是传统的平纵横设计方法：即把一个空间三维设计问题转化为平面、纵断面和横断面三个两维问题，这三个部分虽然形式上是分离的，但本质上作为一条三维空间来看，三者是相互协调、相互联系的。三者会相互影响，彼此牵制，因此，设计返工率较高。第二种方法称为三维空间线形设计方法它可以借助软件一次性完成三维线形的设计。,1.1 道路平面线形设计系统的总体设计,实地定线：在实地定线中路线平面设计系统的任务是验算曲线要素和主点桩号、进行超高和加宽计算、绘出平面设计图。定线工作由选线师根据经验在现场完成，计算机只是作后期计算和出图工作。 纸上定线：在纸上定线中路线平面设计系统的任务是建立数字地面模型，计算导线偏角、人机交互中线设计、计算曲线要素和主点桩号、进行超高和加宽计算、绘出平面设计图。定线工作由选线师在图纸或计算机中通过与计算机交互操作，共同完成。,平面设计是道路线形设计的基础，应该包括两个方面的含义，一是道路中心线的设计，另一个是在道路中心线完成以后向法线方向拓宽的设计，比如平面交叉口的细部设计以及城市道路中的停靠站、分隔带等以中心线为依托的有关设计。,平面线形设计系统流程图,1.1.1平面中心线设计方法简述,中线设计是平面设计中的核心问题！ 中线设计方法： 导线法 曲线法 线元法,导线法,1、方法概述 首先确定一系列由直线组成的折线作为道路中线的导线（通过“以点定线，以线交点”的原则确定），然后对每个转折点（交点）敷设合适的平曲线，构成完整的道路中心线 这是传统的方法，目前在公路线形设计中仍然广泛被使用！,2、平曲线模型：详见路勘教材 单交点对称型，即基本型（Ls+Ly+Ls） 单交点不对称型（Ls1+Ly+Ls2） 双交点（两点虚交）：在实地定线中经常遇到 复曲线（Ls1+R1+Lf+R2+Ls2） S型曲线 C型曲线,曲线法,1、方法概述： 首先在需要设置弯道的地方根据地形的要求（约束条件）布设一系列圆曲线（直线被看作半径等于无穷大的曲线），然后在这些圆曲线之间用回旋曲线或直线连接，构成完整的道路中心线。 导线法简单、直观、计算方便、模型简单，为人们广泛接受。但是，它存在不够灵活的缺点！当约束条件较多时，线形不好控制（两点决定一条导线）。,2、平曲线模型：直线与圆弧连接, 两同向圆弧间的连接 一圆内包含另一圆 两同向圆互不包含, 两反向圆弧间的连接,线元法,1、方法概述 道路线形是由直线、圆曲线、回旋线三种基本线形组合而成的曲线链。 三种基本线形称为线元，无论多么复杂的线形均可以通过这三种基本的线元任意组合而成，设计者要做的就是如何根据实际工程和设计规范的要求，合理恰当的布置这些线元而已。 用下面的数学模型来统一表达直线、圆和回旋线三种基本线元： K(s)=a*s+b K(s)：距起点曲线长度为S处的曲率，a、b为两个任意常数； 当a=0,b=0时，k(s)=0 表示该线元是一段直线各点曲率为零； 当a=0,b0时，k(s)=b 表示该线元是一段圆曲线各点曲率为常数； 当a0,b0时，k(s)= a*s+b 表示该线元是一段回旋线各点曲率呈线性变化； 曲率正负：沿着道路前进方向，曲线向左转的曲率为正（k0），曲线向右曲率为负（k0）。,如图1-1-2所示，AB是一段线元(可能是直线，圆曲线和回旋线中的任一种)，P为曲线上任意一点，这里定义(x，y，z，k)为P的几何参数，x,y,z为该点的三维坐标、为该点处的切线与x轴正方向的夹角，以逆时针方向为正，k为该点处的曲率，由于这里讨论的是平面线形，所以其中z暂不考虑。如果定义该段曲线起点的几何参数为(x0，yo，z0，0，k0)，则任意点P的几何参数(x，y，z，k)可以这样表达：,2 道路中心线的边界约束模型,道路中心线是由一系列直线、圆曲线和回旋线依据一定的要求依次连接而成的，在这样的曲线链中每段曲线单元都可以通过该单元的两个端点的几何参数来表示，如果把曲线两端点的几何参数称为边界约束，那么，道路中心线中曲线之间的衔接问题就是各曲线端边界约束之间的关系问题，无论是“线形单元”、“积木法”还是“线元”都可以统一在边界约束模型中。根据边界约束的概念，道路中心线上任意一段曲线的两个端点都是有约束的，两条曲线的组合就成了曲线在端点处的衔接问题，如图1-1-3所示，曲线S1,S2，在端点处衔接，设曲线sl端点几何参数为P1(x1，y1，z1，1，k1)，曲线s2端点几何参数为P2(x2，y2，z2，2，k2)，这两点有三种衔接方法：,1)xl=x2,y1=y2,zl=z2，l2，k1k2，Pl和P2在此处连接成折点，如导线点； 2)xl=x2，yl=y2,zl=z2，l=2，klk2，Pl和P2在此处满足一阶导数连续，如直线和圆曲线相连接的情况； 3)xl=x2,y1=y2,zl=z2，l2，kl=k2,Pl和P2在该点处满足二阶导数连续，如直线和缓和曲线相连接或圆曲线和缓和曲线相连接的情况。,这样曲线的设计就可以通过曲线端点一段一段地衔接下去，比如N个线元组合而成道路中心线，沿道路前进方向各端点几何参数分别为P1、P2、PN，在计算机中要储存的便是P1、P2、PN依次各端点的约束资料，一般可以称之为SK模型（S指桩距、K指曲率）。由于道路中心线形无论多么复杂都是由三种线元组合而成，所以都可以用上述的边界约束模型来统一管理，这就使得应用计算机来处理中心线设计简捷方便，曲线上任意点的约束均可根据式1-1-2计算得到，在具体设计中，可以根据各端点的约束建立几何参数方程，最终落实到解方程组上面，解方程组对于计算机来说是非常方便的事。有了任意点的约束就可以进行后续设计，包括曲线的绘制等等都将非常方便。,3.用边界约束模型进行平面中心线曲线要素的计算,平面中心线曲线要素计算就是计算出传统意义上的曲线长、切线长、外矢矩和主点桩号等元素。导线法。 中心线要素计算就是各端点约束的求解过程边界约束的中心线模型。 道路中心线是由三种基本线元任意组合而成的，共有六种组合情况，即：直线和直线；直线和圆曲线；直线和缓和曲线；圆曲线和圆曲线；圆曲线和缓和曲线；缓和曲线和缓和曲线。,图1-1-4基本线元的几种组合,3.用边界约束模型进行平面中心线曲线要素的计算,道路中心线的设计过程基本上就是在给定的约束条件下布置一系列线元组合，所不同的是给定的约束可以是直线，也可以是圆曲线等，而布置的线元组合可以是一个线元、三个线元，甚至八九个线元而已。比如采用导线法设计单交点单曲线时就使在两条直线的约束下布置一个圆曲线与之相衔接。设计复曲线就是在三根直线约束下布置一段缓和曲线与圆曲线的衔接组合；采用单元法设计曲线时也是在圆曲线之间约束布置一段圆曲线，采用类型法也就是在两根直线之间布置一串线元。由此开来，道路中线线的设计方法从根本上讲就是在一定约束下布置线元的过程。 路线平面中心线设计的过程就是在两边约束条件下布置1n个线元组合的过程，这之间可能布置一个线元，也可以布置两个线元、三个线元甚至N个线元的组合，这要根据具体工程要求以及技术标准来确定，两边的约束可以使两段曲线，也可以是两个端点。,3.用边界约束模型进行平面中心线曲线要素的计算,（1）两边约束，中间布置一段曲线的情况 两直线之间布置一个圆曲线，还有可能是在两个圆曲线之间布置一个回旋线等。 （2）两边约束，中间布置两段曲线的情况 两直线之间布置两个圆曲线，还有可能是在两个圆曲线之间布置两个回旋线等。 （3）两边约束，中间布置三段曲线的情况 三个线元组合主要有两种情况:A.”缓和曲线+圆曲线+缓和曲线“；B.”圆曲线+缓和曲线+圆曲线“的组合。A组合常用在交点法设计的单交点单曲线的情况，B组合则常用在复曲线的设计中。 （4）三个以上线元组合 两直线之间布置一个圆曲线，还有可能是在两个圆曲线之间布置一个回旋线等。,4 平面法线模型及其应用,1）平面法线模型 至此讨论的都是道路中心线的设计问题，实际上道路平面设计中的中心线部分只是其中最基本的内容，单单中心线设计还不能构成完整的道路平面设计，在此基础上还要考虑道路边线的设计和管理，这就需要提出法线模型。所谓法线模型就是沿着法线方向以中心线为基础计算点的方法。如图1-1-5所示，AB是中心线上的任意一个曲线单元，A的几何参数为(x0，y0，z0，0，k0)，边线上任意一点P的平面坐标xp(s),yp(s)可以这样求得：,图1-1-5 平面法线模型,2) 平面法线模型的应用,在城市道路平面设计中，道路中心线计算好了以后，还有很重要的工作要做，这就是平面其他内容的设计，比如设计分隔带、导流岛等，这些内容的设计不仅仅是要把平面图绘制出来，而且必须反映在模型之中，也就是说只要在平面图上设置了类似于分隔带等对象以后，可以通过桩号这样的关键字进行搜索得到有关的信息。 可以预先将要设计的对象定义成一系列参数模型，并且确定该参数模型的一（二）个插入点，在平面有关内容的设计应用中，根据需要选择相应的对象，根据法向模型确定以中心线为基础的插入位置。 表示插入位置的参数可以定义成为两种形式，一种用两个插入点定义，另一种是用一个插入点定义。,接着，可以利用法线模型绘制道路边线。利用法向模型可以计算距中心线任意距离点的坐标，这是绘制道路各条边线的基础，依次计算出中心线上各桩号点所对应的各边线上点的平面坐标，将这些坐标点连接起来就可以绘制出道路边线，在后面将要提出的道路平面图的绘制就是利用法向模型进行处理的。 在实际应用中，除了依据中心线给定偏距、利用法向模型绘制边线外，还应该考虑反向操作，也就是用户首先用自己熟悉的绘图命令绘出图形，然后为其指定所依据的中心线，反算其中的有关法向参数，这一功能很有实用意义。,5 道路平面图及平曲线一览表的绘制,典型的道路平面图，包含以下内容 （1）地形，这是由原始地形图提供的； （2）路线线位图，这是设计的主要内容，包括中心线、道路各边线、桩号、填挖示坡线（没有设计横断面此项就没有）等； （3）平曲线一览表，包含同页的平曲线有关数据资料； （4）指北针。,1.2 路线外业中桩组曲线测设计算实用程序,1.2.1 单交点平曲线计算敷设 如图1-2-1，只设一个JD点的平曲线称单交点的平曲线。平曲线由前缓和曲线LS1、中间圆曲线LY、后缓和曲LS2组成。当LSl=LS2，既前后缓和曲线等长时，称对称基本型平曲线，否则称为非对称基本型平曲线：当LY=0，既整个平曲线由前后两段缓和曲线首尾相连时，还可构成所谓S形曲线或C形曲线。 单交点对称基本型是最常见的平曲线形式，我们先介绍这种平曲线的计算敷设.然后扩展到非对称基本型平曲线的计算敷设，其余曲线类型则可视为基本型的变化形式。,（1）对称基本型平曲线 1）曲线要素计算及主点桩号计算 对于对称基本型，在图1-2-1中所示的各种几何元素，圆曲线半径R，前后缓和曲线长LS1，LS2(LS1=LS2=LS)由选线组选定，路线偏角PJ由测角测定，交点桩号JD有前一平曲线递推而得，均可视为已知；而曲线要素包括切线长T、外距E、圆曲线长LY、平曲线总长L以及五个主点桩号ZH，HY，QZ，YH，HZ则为未知变量；通过路线勘测设计及测量学等课程的分析推导，这些未知变量都可以通过对已知变量进行一些简单的运算得出，其计算公式罗列如下： T=(R+P)tg(PJ2)+Q;E= (R+P)sec(PJ2)-R LY=(PJ-2B)×R L=LY+2LS;ZH=JD-T;HY=ZH+LS;QZ=HY+LY2 YH=HY+LY;HZ=YH+LS 其中：圆曲线内移值P=LS24R，切线增长值缓和曲线旋转角B=(LS2R)(弧度) 据此写出程序框图如下(图1-2-2)：,'定义下列变量为全局变量 pmsjdjd = 65 Open “e:pmsjdjd.txt“ For Output As #pmsjdjd Open “e:pmsjdjd1.txt“ For Input As #66 Input #66, N For I = 1 To N Input #66, PJ, R, ls, jd Call JP(PJ) p = (ls * ls) / (24 * R) q = ls / 2 - (ls 3) / (240 * R * R) B = ls / (2 * R) t = (p + R) * Tan(PJ / 2) + q e = (p + R) / (Cos(PJ / 2) - R LY = (PJ - 2 * B) * R l = LY + 2 * ls zh = jd - t hy = zh + ls qz = hy + LY / 2 yh = hy + LY hz = yh + ls jd = Int(jd * 100 + 0.5) / 100 PJ=DMF(PJ),Print #pmsjdjd, “交点桩号JD= 路线偏角PJ 缓和曲线长度LS= 切线长T=“ Write #pmsjdjd, jd; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, PJ; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, Int(R * 100 + 0.5) / 100; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, ls; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, Int(t * 100 + 0.5) / 100 Print #pmsjdjd, “外距E= 中间圆曲线LY= 平曲线总长L=“ Write #pmsjdjd, Int(e * 100 + 0.5) / 100; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, Int(LY * 100 + 0.5) / 100; Print #pmsjdjd, “ “;,Write #pmsjdjd, Int(l * 100 + 0.5) / 100 Print #pmsjdjd, “ZH= HY= QZ= YH= HZ=“ Write #pmsjdjd, Int(zh * 100 + 0.5) / 100; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, Int(hy * 100 + 0.5) / 100; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, Int(qz * 100 + 0.5) / 100; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, Int(yh * 100 + 0.5) / 100; Print #pmsjdjd, “ “; Write #pmsjdjd, Int(hz * 100 + 0.5) / 100 Call FSJS(pmsjdjd, zh, hz, ls, R, q, p, t, qz) Next I Close End Sub,'度、分、秒化弧度子程序 Sub JP(X) pI = 3.1415926 N = Int(X) M = Int(X * 100) - N * 100 S = X * 10000 - N * 10000 - M * 100 PJ = N + M / 60 + S / (60 * 60) X = PJ * pI / 180 End Sub,2）曲线敷设计算 曲线敷设常用切线支距法和偏角法。钉设曲线上某一中桩时，该桩里程桩号PL为已知而对应的X、Y支距或弦偏角、弦长为未知。 以切线支距法为例，其计算问题可表述如下：,如图1-2-3，以ZH点(或HZ点)为坐标原点，ZH点(或HZ点)切线方向为X轴，法线方向为Y轴,求曲线上桩号为PL的任意一点A在该坐标系中的坐标X，Y。 解：由于整个曲线是由缓和曲线和圆曲线组成的。因而首先应判断点A是位于缓和曲线段，还是位于圆曲线段，以便采用不同的公式进行计算。 对缓和曲线上的点,（LLS） （1-2-1） 对圆曲线上的点,（1-2-2）,其中L为点A距ZH点的弧长,为点A与HY点间弧长所夹圆心角与缓和曲线螺旋角之和。其值为：,程序中L、分别用L、FI表示。 （弧度）,Sub FSJS(scr, zh, hz, ls, R, q, p, t, qz) M = 0 x0 = 0 y0 = 0 I1 = 1 Input #66, N1 20 While I1 hz Then Write #scr, no, pl; Print #scr, “*中桩不在此曲线范围内*“ If no N1 Then Exit Sub I1 = I1 + 1 GoTo 20 End If,l = pl - zh If pl = qz Then l = hz - pl If (l ls) Then X = l - (l 5) / (40 * R * R * ls * ls) y = (l 3) / (6 * R * ls) - l 7 / (336 * R 3 * ls 3) Else f1 = (l - ls) / R + ls / (2 * R) X = q + R * Sin(f1) y = p + R * (1 - Cos(f1) End If,If M = 0 Then Print #scr, “中桩编号 中桩桩号 X坐标 Y坐标 T-X“ Write #scr, no; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(pl * 100 + 0.5) / 100; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(X * 100 + 0.5) / 100; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(y * 100 + 0.5) / 100; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(t - X) * 100 + 0.5) / 100 Else,Write #scr, no; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(pl * 100 + 0.5) / 100; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(X * 100 + 0.5) / 100; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(y * 100 + 0.5) / 100; Print #scr, “ “; Write #scr, Int(t - X) * 100 + 0.5) / 100 End If M = M + 1 x0 = X y0 = y I1 = I1 + 1 Wend End Sub,B.输入数据文件 pmsjdjd1.txt： 2 30.0000,500,100,1024 4 1,800 2,900 3,1000 4,1200 50.0000,400,70,3000 5 1,2800 2,2900 3,3000 4,3200 5,3300,C.输出数据文件 pmsjdjd.txt： 交点桩号JD= 路线偏角PJ 缓和曲线长度LS= 切线长T= 1024, 29.2419, 500, 100, 184.18 外距E= 中间圆曲线LY= 平曲线总长L= 18.5, 161.8, 361.8 ZH= HY= QZ= YH= HZ= 839.82, 939.82, 1020.72, 1101.62, 1201.62 1,800,*中桩不在此曲线范围内* 中桩编号 中桩桩号 X坐标 Y坐标 T-X 2, 900, 60.17, .73, 124.01 3, 1000, 159.27, 12.92, 24.91 4, 1200, 1.62, 0, 182.56 交点桩号JD= 路线偏角PJ 缓和曲线长度LS= 切线长T= 3000, 50, 400, 70, 221.75 外距E= 中间圆曲线LY= 平曲线总长L= 41.91, 279.07, 419.07 ZH= HY= QZ= YH= HZ= 2778.25, 2848.25, 2987.78, 3127.31, 3197.31 中桩编号 中桩桩号 X坐标 Y坐标 T-X 1, 2800, 21.75, .06, 200 2, 2900, 121.06, 9.88, 100.69 3, 3000, 192.89, 32.99, 28.87 4,3200,*中桩不在此曲线范围内* 5,3300,*中桩不在此曲线范围内*,说明：本程序接在上面的曲线及主点桩号计算程序之后运行，为了便于讲解，特分别示出。第9行的IF语句判断所输中桩桩号是否位于平曲线内，若因操作错误等原因，桩号输错，程序自动转回语句标号为20的语句继续输入桩号。第17行判断中桩点是位于QZ点前半曲线还是后半曲线。第18行判断中桩点是位于圆曲线段还是位于缓和曲线段。2650行用来输出所得的A点的X，Y坐标。程序中M用来控制第一次输出数据项时显示各数据项意义的提示符。,（2）非对称基本型平曲线实用程序设计 我们在工程中常遇到“非对称基本型平曲线”，所谓非对称型基本平曲线是单交点平曲线，但前后缓和曲线不相等，则相应的前半曲线、后半曲线要素也不相等，QZ点也不再位于交点的角平分线上，其电算程序也应做适当调整。 “凸形、C形、S形、切基线、复曲线”等多种平曲线类型。这些双交点的平曲线由非对称基本型平曲线以不同方式组合而成，每种曲线根据曲线要素的不同，有各自不同的电算方法，道路的电算设计是十分复杂的问题。 下面是用VB程序编写的计算非对称型平曲线要素、主点桩号、曲线上任意点的支距及坐标的计算程序。数据输入及输出均由窗体显示，窗体示意如图1-2-5。,1.3路线外业选线组平曲线设计实用程序,平曲线的主要任务就是选定各个路线交点所对应的圆曲线半径和缓和曲线长度。路线交点、圆曲线半径及缓和曲线长度一经选定，则路线中线位置即被完全确定。由于平曲线占路线总比例颇大，因而快速的完成平曲线设计任务，对于外业测设尤其是一次定测有着重要意义。 选线过程中，路线的选定常常会受到地形、地物以及设计标准和设计规范的限制，此时平曲线半径和缓和曲线长应根据各种控制条件计算得出，完成这些计算工作正是选线组外业电算的主要任务。,（2） 选定LS后，由切线长T反求半径R,1.4 红外线极坐标法实地放线实用程序设计,1.4.4 程序设计及实例 （1）例1-4-1：问题如图1-4-5，已知后视点B的坐标（X(N)=5670,Y(E)=4382），测站点A的坐标为（X(N)=5500,Y(E)=4500），待求点C的坐标为（X(N)=5631,Y(E)=4725），计算导线AB的方位角。 红外线实地放线过程描述如下：因AC不通视，首先设置转点D1，从测站A点立仪器准备转点数据，D1与A点的斜距108，夹角在放线前进方向右，即右盘读数155度，测站点与立镜的竖角读数为25度，根据数据计算出D1点坐标，及与A点平距、AD1的方位角等，然后将仪器移到D1点作为测站，将A作为后视点，计算导线D1A的方位角。,因D1C不通视，继续设置转点D2，从现测站D1点立仪器准备转点数据，D2与D1点的斜距108，夹角在放线前进方向右，即右盘读数110度，测站点与立镜的竖角读数为25度，根据数据计算出D2点坐标，及与D1点平距、D1D2的方位角等，然后将仪器移到D2点作为测站，将D1作为后视点，计算导线D2D1的方位角，D2与C通视，不再设置转点，计算导线CD2方位角，计算CD2的平距及以最后转点D2为测站，后视D1，待放点C，即D2D1D2C的夹角。 然后在测站点D2根据算得的平距和夹角拨盘，立反射镜，并输入反射镜放置点与仪器之间的斜距及竖角读数，算出反射镜与仪器之间的平距，如果实际立镜点与测站点平距与程序计算所得平距相等即可定桩放线，否则移动立镜点，继续输入反射镜放置点与仪器之间的斜距及竖角读数，算出反射镜与仪器之间的平距，直到实际平距与计算平距相同位置。,2道路纵断面线形设计,2.1 道路设计原始数据 2.1.1原始数据的文件格式 下面以HintCAD V5.6版为例说明原始数据文件格式。 数据的输入有四个选择：来自于其它文件；来自于数字地形模型；直接输入；由其它工程复制。对于第种情况，表示可以由其它文件转换或拷贝过来，第种情况通过数模生成纵（横）地面线，第种情况则直接输入编辑数据。 所有数据文件和过程文件均采用纯文本格式，便于用户随时检查修改。所有数据文件中各数据项之间均由空格隔开，空格的数量不限，数据之所以按一定格式编写，是为了检查修改一目了然，但必须注意数据项数不能少，也不能多，特别是文字说明中间不能出现空格等。 为了数据文件的建立及方便修改，HintCAD开发了专用数据管理编辑器“Ehint.exe”模块，纵、横断面数据输入模块和控制参数录入模块，用户可以用它们来完成所有数据文件的操作任务，并可以减少数据出错的机会。各数据文件名称及其后缀名称均可随意，但为了统一和便于管理，系统对数据文件名的后缀做以下约定：,*.pm 曲线设计法所生成的平面线形数据文件 *.jd 交点设计法所生成的平面线形数据文件 *.sup 超高过渡数据文件 *.zdm 纵断面设计数据文件 *.dmx 纵断面地面线（地面高程）数据文件 *.zmx(*.ymx) 路基左（右）侧边缘地面线（地面高程）数据文件 *.hdm 横断面地面线数据文件 *.wid 路幅宽度数据文件 *.lj 路基设计中间数据文件 *.tf 土石方数据文件 *. zbg (*.ybg) 左(右)侧沟底纵坡数据文件 *.ctr 设计参数控制文件 *.sta 桩号序列数据文件 *.lst 其他表格 *.dtm 三维数模组文件 *.3dr 横断面三维数据文件 *.dat 其他设计数据及控制数据文件,(1) 纵断面地面线数据文件（*.dmx） 此文件记录外业中桩标高测量成果。每一行记录一桩号的地面标高。格式分为桩号、地面标高。 例如下面的数据文件： 0.000 93.414 20.000 93.000 23.13 93.00 40.00 93.000 60.000 92.900 . 此文件建议用户使用纵断面地面线数据输入功能输入，以减少错误。,(2) 横断面地面线数据文件（*.hdm） 此文件记录外业横断面测量的成果数据。数据格式如下： 每三行数据记录一个桩号断面，其中第一行为断面的中桩号，第二行和第三行分别记录左侧和右侧横断面的数据；首先是每侧的总点数，后面是每一测量位置相对与前一位置的平距和高差，其格式、顺序与横断面实际测量时的一样。 例如下面的数据文件： 0.00 6 0.60 0.00 0.00 -0.20 16.00 0.00 12.00 -2.20 1.00 0.00 1.00 0.80 5 0.60 0.00 0.00 -0.20 17.00 0.00 12.00 -2.00 0.40 0.00 20.00 1 30.00 0.00 5 12.00 -0.80 14.00 -1.40 2.00 0.00 1.00 0.80 1.00 -0.40 40.00 3 15.00 1.00 8.00 0.60 7.00 0.00 5 12.00 -0.60 4.00 -0.60 5.00 0.00 3.00 0.80 6.00 0.00 60.00 4 3.00 0.00 4.00 0.60 12.00 0.60 15.00 1.00 3 2.00 0.00 3.00 0.80 25.00 0.00 .,2.2输入纵断面地面线,目前，我国规范规定纵断面设计是依据中心线位置的剖面地面线进行拉坡设计，从而完成有关设计纵坡以及各桩设计高程的计算，那么，纵断面地面线即是进行纵断面设计的基础。 根据现有的技术手段，采集纵断面地面线资料的方法可以有两种，即：直接输入数据，形成纵断面地面线文件和采用数字地形模型，通过内插手段得到纵断面地面线。 1、直接输入数据，形成纵断面地面线文件：通过键盘将野外实测的记录在测量手簿上面的纵断面地面线资料输入计算机，形成一定格式的数据文件就行了； 2、内插数字地形模型形成纵断面地面线文件,2.3初拟设计方案,初拟设计方案就是根据有关条件和要求让计算机初步形成几个相对来说合适的方案，然后再用纵断面优化技术从中选优，最终得到一个比较合理的方案。 纵断面的多目标优化是在平面中心线确定以后进行的，其优化的目的就是要合理确定边坡点桩号、变坡点标高（或纵坡）和竖曲线半径，使纵断面各项技术指标不仅符合技术标准，满足高程控制等要求，而且有尽可能小的工程量与工程费用、尽量高的形车速度（或尽量短的行程时间）与尽量少的燃油消耗（或尽量少的营运费用）等。 进行纵断面优化的最重要的方面就是必须明确目标函数、决策变量和约束条件三个基本要素。,一般把变坡点桩号、变坡点高程、竖曲线半径认为是纵断面优化设计时的决策变量，决策变量与工程量、工程费用、行车时间或燃油消耗的关系称为目标函数，而技术标准及各项控制成为约束条件。目前常用的优化方法有随机法、降维法、动态规划法等。比较常用和使用的是动态规划法，这是国内外使用较多的一种方法，也就是要迅速确定是目标函数最小的纵断面设计。,第一步：把路线起点到终点变坡点可能存在的范围划分成一系列段落，段落的划分要依据一定的原则。 第二步：从每一个段落中取出一个交点，用直线连接各个交点配以适当的竖曲线。 第三步：根据目标函数进行优化直至最后得到优化的设计结果。,2.3.1 将地形划分段落,这项工作是确定变坡点的大致范围，有一个段落将可能产生一个变坡点，在地形划分段落过程中采用地形相似的原则进行处理。线性最优分割的目标是地面线各点到坡度线距离差的平方和最小，即 为最小，这样就必然存在相应的i和j，最终可以得到n段有关参数。,仅仅依靠地形分段不能满足设计要求，还需要满足纵断面几何标准及高程控制，主要有以下几条控制： （1）坡长控制：满足规范规定最小坡长和最大坡长限制； （2）坡度控制：满足规范规定最小纵坡和最大纵坡限制； （3）纵断面标高控制：由于构造物或地质情况的要求，纵断面设计线还受到高程控制的约束，比如路线通过一低洼地，必须满足一定的填土高度要求，需选择一些有代表性的点作为高程下限控制，比如跨线桥规定必须保证桥下有一定的净空，于是在跨线桥处选定一个高程上限作为约束点来控制高程。,在依据上述思想进行地形分段的过程中考虑到控制条件的修正，就可以得到初步的段落划分，具体步骤如下： 步骤l 确定第I段的起始桩的序号i。 步骤2 读入下一个桩(其序号为j)。 步骤3判断条件 ,满足,时转步骤4，否则转步骤2。 步骤4：确定j，令i=j，如i是最后一个桩，转步骤5，否则转步骤2。 步骤5：得到i，j和相应的a，b序列，结束。,2.3.2 依据多目标优化技术确定变坡点并配以竖曲线,经过上面划分区段的工作，基本确定了变坡点位置的变化范围，将每一区段线性回归得到的各个区段的直线和分段界限线相交，这样在每段分段界限线上会有前后相交的A和B两点，则变坡点具体高程就在A和B之间确定。而道路纵断面设计方案是由变坡点桩号、变坡点高程和竖曲线半径三个因素来确定的，这三种变量是唯一的决策变量，它们决定了工程量、线形质量等指标。 由于一般认为在较小范围内（20m30m)优化变坡点桩号对设计影响甚微，因此，这里认为变坡点的桩号已经确定，只要把变坡点高程和竖曲线半径作为决策变量来进行优化。设整个变坡点有N个变坡点，则决策变量有2n个，设hi，Ri分别为第i个变坡点的高程与半径，则决策变量为,2.3.2 依据多目标优化技术确定变坡点并配以竖曲线,这就需要通过多目标优化技术来确定这些约束变量，显然，目标函数的确定是至关重要的。 目标函数有工程数量，工程费用，平均油耗等等指标。 比如土方工程量估算可以采用下面的公式计算,2.3.2 依据多目标优化技术确定变坡点并配以竖曲线,采用多目标纵断面优化时，各个目标之间又往往互相影响、互相交叉，甚至互相矛盾。对这种多目标优化问题有各种不同的处理方法，一种是采用解析方法确定统一的综合性指标，但多个评价之间有时难于用统一的尺度去衡量；另一种是逐个目标优化的办法，但不能获得各个评价指标都是最优的绝对最优解，因而就会有评价目标重要性的排序问题，适当时候各个目标函数容许放宽，这些都要通过计算机排除劣解，求出满足各个或若干个指标的相对优化解，通过人机交互结合设计人员的主观判断来得最优解。,2.4纵断面设计高程计算实用程序,2.4.1 纵断面计算原理,中桩位于直坡段上与中桩位于竖曲线上。 把相邻两竖曲线中的前一竖曲线的终点至下一竖曲线的终点作为一个计算单元，这样，在一个计算单元中包含了一个直坡段及一条完整的竖曲线。如果某一中桩桩号位于EL(i1)与EL(i)之间，则该中桩位于第i个计算单元内。,（1）中桩位于直坡段上 如果EL(il)shBL(i)，则该中桩位于该计算单元的直坡段上，其设计标高可以按下式计算：,（2）中桩位于竖曲线上 如果BL(i)lEL(i)，则该中桩位于计算单元竖曲线上，此时应首先进行竖曲线要素的计算，再分别计算该中桩的切线高程及对应的纵距，并由此计算出其设计标高。 竖曲线要素计算及BL(i)、EL(i)的确定 坡度角,竖曲线曲线长,竖曲线切线长 T=L2.0 竖曲线起点桩号 BL(i)=L(i)-T 竖曲线终点桩号 EL(i)=L(i)+T,切线高程的计算,纵距y的计算,设计标高的确定其中，sgn()为符号函数，按下式取值： 1 0 sgn()=0 =0 -l 0 施工高度的确定 TW=hdh；其dh为该中桩的地面标高。 作为最终设计成果，中桩的设计资料和纵断面要素资料应分别存放入不同的数据文件中，以便于后继各作业组利用和编制路