現(xiàn)代公路數(shù)字化設(shè)計(jì)初探

霍三勝

（山西高陵高速公路有限公司，山西 陵川 048300）

從事公路設(shè)計(jì)工作近30年的經(jīng)歷，沉淀一個想法，認(rèn)為設(shè)計(jì)就是“想象”。從最初的“空想”虛擬圖像、切面分解、手工制作平面圖、手工圖解法，到現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)CAD制圖，只改變了制圖工具，設(shè)計(jì)過程并沒有實(shí)質(zhì)性改變，還是虛擬圖—二維平面分解圖—施工成品現(xiàn)實(shí)圖。但是，隨著新科技的迅速發(fā)展，云計(jì)算存儲的實(shí)現(xiàn)，3D打印技術(shù)的誕生，簡化設(shè)計(jì)制圖過程，跨越平面轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從“想象”虛無圖，到虛擬現(xiàn)實(shí)模式化圖，從量變到質(zhì)變，實(shí)現(xiàn)公路設(shè)計(jì)二次革命。

1 公路的由來及初級設(shè)計(jì)

1.1 公路的由來及最初的設(shè)計(jì)

人類與交通同源，與交通發(fā)展相輔相成。交通是人們生活的一種要素，也是一種重要的生產(chǎn)力。古今中外，人們生產(chǎn)生活都離不開交通，而路就是最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。人類吃、穿、住、行四大要素中的行，就是交通，而行就得有道。古人云：“本來沒有路，走得多了就成了路”。路從無到有，從本來沒有路到走的多了就成了路的原始路概念，發(fā)展到經(jīng)過初步修筑的羊腸小道、車馬大道，到各種技術(shù)等級的公路，直至現(xiàn)在的高速公路。要有路，就得先修路，要修路，就得先設(shè)計(jì)，特別是現(xiàn)代社會的高等級公路更是這樣。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)需求把想象虛擬道路用圖紙展示出來，通過動手去完成。現(xiàn)在的設(shè)計(jì)，則是從項(xiàng)目建議書到立項(xiàng)、工可、初設(shè)、施設(shè)，一應(yīng)俱全。

1.2 數(shù)字公路模塊化設(shè)計(jì)

隨著科技的進(jìn)步，電腦云計(jì)算的出現(xiàn)，3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，加上“互聯(lián)網(wǎng)+”的推動，實(shí)現(xiàn)立體模塊化設(shè)計(jì)，將原來的不可能成為可能。實(shí)現(xiàn)“想象”（初始虛擬圖）利用新的科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)立體模塊化數(shù)字化設(shè)計(jì)。利用地模數(shù)字技術(shù)，象積木式建樓房一樣，建立公路模塊庫，跨過平面紙質(zhì)作圖環(huán)節(jié)，直接生成立體數(shù)字化設(shè)計(jì)圖，再利用3D打印技術(shù)，生成按比例縮放的現(xiàn)實(shí)立體模塊圖，由“紙上談兵”到現(xiàn)實(shí)的模擬圖、現(xiàn)實(shí)圖。數(shù)字公路模塊化圖，既簡化程序減少平面紙質(zhì)設(shè)計(jì)過程，又環(huán)保節(jié)約，省去大量紙張，更能直觀真實(shí)地體現(xiàn)公路實(shí)景效果，一張光盤就是一條路的設(shè)計(jì)資料，打印出來就是公路現(xiàn)實(shí)的微模型，就是直觀數(shù)字化現(xiàn)實(shí)版“微公路”。可以說，加上地質(zhì)、地貌、水文和結(jié)構(gòu)計(jì)算等輔助資料的驗(yàn)證，數(shù)字模型化公路設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。

2 現(xiàn)代公路設(shè)計(jì)理念的探索與思考

2.1 推進(jìn)設(shè)計(jì)直觀化、模型化、數(shù)字化，提高設(shè)計(jì)品位

設(shè)計(jì)理念，數(shù)字立體公路與地模數(shù)據(jù)銜接，以直觀、量化的形式展現(xiàn)，數(shù)字公路與地理環(huán)境充分吻合，相互驗(yàn)證，形成最符合實(shí)際的設(shè)計(jì)方案，真正的實(shí)體模型，更能體現(xiàn)方案的優(yōu)越性。使虛擬變現(xiàn)實(shí)，理想與實(shí)際結(jié)合，通過實(shí)踐檢驗(yàn)其合理性，從而提高設(shè)計(jì)品位。

2.2 利用虛擬現(xiàn)實(shí)與GIS技術(shù)，建立交互性、逼真性三維虛擬場景

虛擬現(xiàn)實(shí)與GIS技術(shù)的出現(xiàn)日趨成熟，為解決數(shù)字公路設(shè)計(jì)帶來了新的機(jī)遇。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合真實(shí)地形數(shù)據(jù)，建立交互性、逼真的三維虛擬場景，用戶可以在虛擬環(huán)境中直接導(dǎo)覽三維場景，結(jié)合GIS與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建三維可視化逼真的虛擬場景軟件系統(tǒng)，使得設(shè)計(jì)者依靠虛擬想象建立起立體模型結(jié)合地理信息系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫，生成直接的、逼真的三維數(shù)字現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)圖。

2.3 利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)按比例縮放的逼真場景模型圖

在國外“數(shù)字地球”的概念影響下，中國掀起了建立具有中國特色的“數(shù)字中國”、“數(shù)字北京”的熱潮，國內(nèi)許多單位開始重視和研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及信息技術(shù)，其目的就是建立中國特色的“數(shù)字公路”，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可視化技術(shù)、地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，利用現(xiàn)代云計(jì)算技術(shù)、3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型公路模塊化、電子化設(shè)計(jì)，探討開發(fā)和研制公路數(shù)字模塊化設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)，以適應(yīng)公路建設(shè)、設(shè)計(jì)發(fā)展的需要。

3 設(shè)計(jì)思路與基礎(chǔ)支撐

3.1 立體設(shè)計(jì)總體思路

構(gòu)建公路參數(shù)化設(shè)計(jì)資料模塊庫，利用公路已有設(shè)計(jì)軟件生成平、縱線性數(shù)據(jù)，結(jié)合選用的公路標(biāo)準(zhǔn)斷面，生成帶狀的路線立體模型，調(diào)用參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊資料，布置鑲嵌添加橋梁、涵洞等構(gòu)造物，放入數(shù)字化的GIS地模場景中，形成三維數(shù)字化場景模型設(shè)計(jì)，加上3D打印技術(shù)即可生成真實(shí)的公路微模型設(shè)計(jì)圖。

3.2 建立GIS的公路三維可視化地模場景

建立高GIS的公路三維可視化地模，真實(shí)地形數(shù)據(jù)、地面特征物，以每段200 m建立起公路及兩側(cè)200 m寬的三維場景模型，構(gòu)建出設(shè)計(jì)后的公路三維場景圖，提供公路三維交互與設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)公路立體化設(shè)計(jì)提供直觀的地形地貌場景。

3.3 建立成品設(shè)計(jì)資料參數(shù)化模塊庫

收集整理相關(guān)專業(yè)各大院校、科研單位、設(shè)計(jì)單位成品的大中橋梁、特殊構(gòu)造物、涵洞、通道等代表性構(gòu)造物電子設(shè)計(jì)資料，錄制代表性作品數(shù)字化三維圖庫，建立全面的成品設(shè)計(jì)資料參數(shù)模塊庫。

3.4 公路場景真實(shí)的帶狀構(gòu)造物設(shè)計(jì)模型

公路場景包括地形與構(gòu)造物。針對地形數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，采用分段與頂點(diǎn)索引的方式組織地形數(shù)據(jù)。公路場景包含路基、路面、橋梁、隧道、涵洞、防排水工程和交通安全設(shè)施等構(gòu)造物，其中路基和隧道為帶狀構(gòu)造物。根據(jù)帶狀構(gòu)造物的特征，提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶狀構(gòu)造物建造自動化建模方法。該方法將帶狀構(gòu)造物抽象為橫斷面模板，把連續(xù)的帶狀構(gòu)造物離散化為橫斷面序列，根據(jù)少量的構(gòu)造物參數(shù)生成橫斷面模型，并將其連接生成構(gòu)造物竣工模型，從而達(dá)到基于真實(shí)場景地模自動化展示帶狀構(gòu)造物模型。

4 科技創(chuàng)新與評價

4.1 關(guān)鍵技術(shù)科學(xué)性

高速公路三維信息可視化信息開發(fā)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：a）高速公路三維場景逼真建模和繪制技術(shù)；b）三維實(shí)時交互漫游技術(shù)；c）GIS數(shù)據(jù)管理技術(shù)；d）基于VR設(shè)備的交互技術(shù)；e）二維導(dǎo)航圖生成與定位技術(shù)；f）建立模塊化大數(shù)據(jù)量的參數(shù)設(shè)計(jì)資料管理技術(shù)等。

4.2 核心理論無縫對接

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理在公路設(shè)計(jì)與維護(hù)系統(tǒng)中引入PDM概念和技術(shù)為公路全生命周期的各種數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一管理與控制提供必要的支持工具，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，可帶來的好處是：提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、實(shí)用性，設(shè)計(jì)圖的直觀性和可塑性，有利于控制項(xiàng)目，設(shè)計(jì)與實(shí)地?zé)o縫對接。

4.3 構(gòu)建統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計(jì)中心

按照全國一盤棋的要求，建立數(shù)字公路，構(gòu)建成立公路規(guī)劃設(shè)計(jì)中心，結(jié)合地理GIS建模，直接生成公路立體模型圖，實(shí)現(xiàn)集中規(guī)劃，分段實(shí)施，精細(xì)化設(shè)計(jì)的發(fā)展之路。

4.4 多功能綜合應(yīng)用

采用空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合的混合數(shù)據(jù)模型，將空間屬性和物理屬性有機(jī)地結(jié)合在一個系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)圖形、圖像和查詢統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的綜合分析與處理等功能。公路的三維可視化設(shè)計(jì)，一是能夠改善瀏覽公路信息的視覺效果，提供設(shè)計(jì)方案建成后的直觀性；二是借助于DIS技術(shù)為決策機(jī)構(gòu)和領(lǐng)導(dǎo)準(zhǔn)確、快速地提供決策信息，為深層次分析奠定基礎(chǔ)；三是為公路后期維護(hù)管理提供原始資料查詢與決策。

4.5 立體設(shè)計(jì)的評價

a）開創(chuàng)性 從虛擬立體無形直接設(shè)計(jì)立體實(shí)物微模型，簡化平面設(shè)計(jì)中間過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、電子化，可隨用隨打開，方便實(shí)用，直觀可見。利用云計(jì)算、3D打印互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上設(shè)計(jì)生成現(xiàn)實(shí)版的微公路模型圖。

b）操作可塑 虛擬現(xiàn)實(shí)，量化直觀，按照堆積木的原理設(shè)計(jì)公路，操作方便。數(shù)字化、電子化，修改方便，可塑可換，電子更換，節(jié)省資源。

c）綜合性 規(guī)劃設(shè)計(jì)直觀可見、施工過程可控制、養(yǎng)護(hù)管理等綜合應(yīng)用性強(qiáng)。可在全國乃至全世界各領(lǐng)域推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)資源共享。

5 結(jié)語

立體模型化設(shè)計(jì)，方向正確、條件具備、意義重大。互聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡(luò)化辦公，規(guī)范化應(yīng)用，避免大量的重復(fù)勞動，實(shí)現(xiàn)各類資源利用最大化，各個環(huán)節(jié)操作精細(xì)化，各項(xiàng)作業(yè)規(guī)范化。建議聯(lián)系相關(guān)專業(yè)和業(yè)務(wù)部門，各大專院校、科研設(shè)計(jì)單位，建立全國性公關(guān)立體設(shè)計(jì)研究組，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)立體化設(shè)計(jì)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)和地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)公路立體模型化設(shè)計(jì)。