郭腾峰讲稿
2020-03-04 01:41:01 来源：范文大全收藏下载本文
位领导、陕西省院的同行，因为我们交一院就在隔壁，所以跟陕西院的很多同行都非常熟悉，包括石院长还有很多科室领导以往对我们这边的工作都特别的支持，我先表示感谢。
今天有这个机会在咱们50年院庆的时候能够和大家做技术交流，说不上讲座，将我们中交一公院以及数字公路研究所近年来在CAD集成技术，在数字化设计以及从设计向施工和管养方面业务逐渐发展和扩展的一些内容向大家做个汇报和交流。
我介绍的内容大体上分二部分:一个是山区高速公路或者说公路安全设计新体系，对这个体系做一个解释以及它的一些特点和我们的认识，这个体系刚才在中交二院陈总的介绍内容里面已经提到了，我介绍的内容可能和陈总介绍的内容有所侧重不同。第二个方面主要是介绍数字三维集成CAD成套技术。
刚才一些领导包括胡厅长介绍到我们陕西境内在建或将建的高速公路都在山区或者地形比较复杂的地区，为了应对这种发展和需求，中交一公院从2002年起就成立了专门的科研机构从事配套技术的开发，从行业发展的高度出发，按照设计新理念对勘察设计更高的要求进行了一系列关键技术的创新、开发、集成和应用，逐步构建起综合利用现代测量、空间信息、虚拟仿生与安全评价等技术，以三维集成CAD为核心的新公路勘察设计体系，总体勘察设计水平经过一些海外项目的对比和国际上一些咨询设计单位同台竞技，我们认为已经处于国际领先水平。
大家看这个图是我们进行公路设计时通常要做的一个流程图，流程图里面绿色部分是以前我们设计过程中可能没有的环节，比如说主要体现在方案优化设计、安全性分析和评价以及一些附属的成果产品方面，体现了我们基于运行速度的公路安全设计体系的新方法，重点就在安全方面。
新的安全设计体系的第一个特点刚才在陈总的介绍中没有提到的一个内容就是基于运行速度理念体现以人为本的安全设计理念。我们国家的公路建设经过了几个发展期：从没有路到有路，从无到有，这是一个过程；第二个是以通畅为要求；通畅之后开始提标准，提规模；到现在这个阶段，从上到下，从交通运输部到每个施工项目的管理或者到每一个业主单位更关注的是公路的安全品质，体现的是以人为本的思想和概念。
第二个特点是采用最先进的勘察与测绘技术，全息化利用公路多元基础数据和资源，提高公路设计的效率，这在刚才陈总给我们介绍的内容里面是比较重点的，因为陈总在这方面比较专业，也研究了很多年。航空摄影测量技术在中交一公院承担的乌奎高速公路就开始用到了，这一技术目前在国内高速公路设计中都已普遍采用。陈总介绍的另外一个内容里，基于GPS的激光三维扫描技术，不论是我们中交一公院还是二院还是其它一些咨询公司也都在探索。这个技术有望解决我们施工图阶段取代外业的纵横断面测量任务，因为激光扫描有它的特点，激光点打下来穿过植被，通过技术手段能够滤除植被对地表高程的影响，所以很多单位包括我们中交一公院在京津塘的改扩建项目上，在湛徐项目上，广东省的一个高速公路项目上都在测试激光GPS基础上的全三维激光扫描技术，它有望从本质上提高我们勘察设计的流程和效率，这里我强调的是不论是常规测量方法或手段还有航空摄影测量技术、卫星影像技术以及红外测距技术、数模技术、数字摄影测量技术以及激光扫描，都可以被我们直接利用或者间接的再开发利用，作为公路勘察设计的基础数据，我们可以把它用到极致。
第三个特点是应用国内自主研发的三维CAD集成技术实施公路数字化全三维协同化设计，为大范围的深度的方案路线比选和优化提供技术支撑，这里突出的是数字化、全三维和协同化。所谓的数字化我就不用讲了。全三维化有别于以往我们只是利用数字模型来采集一个纵横断面的高程，我在后面介绍的时候，比如介绍到我们开发的三维互动优化设计技术，就是对全三维的另外一个，更高层次的理解。协同化设计和集成化是一个相对的概念，指的是以前咱们做公路设计是路是路，桥是桥的专业，路基、隧道等等分的很开，有人形容设计院的同事就像皇帝的御厨，做路线的人精通路线部分的工作，做涵洞的人一直或者十几年二十几年做涵洞或者做路基设计、排水设计等等，分的很细，但是没有集成化，也就是说分专业设计的时候它每个专业很熟练，但没有体现出来各个专业之间协同设计的综合效率，只有把他们协同起来，数据资源实现共享之后，效率才会发生。
第四个特点是应用自主知识产权的公路数字仿真技术营造公路现实环境，动态实施多指标的检测与安全评价，提高公路综合安全品质。这方面主要是一个运营速度的理念、运营速度的分析方法以及软件技术。另外就是利用数字仿真技术，公路的实景数字仿真技术，刚才在陈总的报告内容里面也有提到，利用这些东西来做什么呢，就是在公路建设的前期，我们就可以把公路虚拟的现实环境营造出来，这是第一步，营造虚拟的现实环境才只是一个开始……。这个数据模型，运营数据的测算和分析模型，利用超高以及行车稳定性的这些分析模型综合对我们的设计方案进行分析和评价，来提高公路的安全及其它环境绿化等等方面的综合品质。
最后一个特点，公路设计以往我们提交的只是一个纸质的图纸，现在业主可能要求我们提供电子的图档。提供纸质的图档系统，我们现在都能做到，但与国际接轨与国际上的勘察设计相比较，我们这方面还是有一些欠缺。陕西院跟我们中交一公院都一起参加了阿尔及利亚还有其它一些海外项目，在这些项目上我们就有明显的对比。比如说我们的设计水平、技术水平和对方案研究的深度等等，绝不低于国外的咨询公司，但有一点，如果业主向我们要设计方案，一般情况下不会很快要图纸，但它要电子的东西，那么我们给人家什么呢，给人家一张光盘或者是U盘拷过去一堆的目录，业主要找到想看的东西非常困难，在阿尔及利亚项目指挥部他们就反映了这个问题，我们给人家的东西人家看不懂，找不到，很费劲。因为一层一层的目录不同人的编排顺序不一样，这就体现出设计成果和管理信息化方面有差距。从另外一个角度说我们的设计向后期延伸，我们设计院目前只做勘察设计，再向后边的养护、咨询，向管养这些方面的业务发展的时候，就是利用勘察设计成果，构建数字公路基础信息平台，服务于公路项目全寿命周期。右边这个图是我们在2004年的时候结合安徽省越西到潜山高速公路，是铜陵到黄山的一条典型的山区高速公路，结合这个项目我们为业主开发了数字公路基础信息平台系统。就是说我们在提供一套图纸的同时又提供了一个全数字化的三维公路信息数据库平台给业主，业主可以在这个平台上再开发它的建设管理系统或者运营以后的养护管理系统，每一座桥梁的基础数据包括它的结构计算书都可以调出来。以上是对公路安全设计新体系的几个特点介绍及我们的认识和总结。
下面我着重介绍数字三维集成CAD技术，用这些技术去逐渐体现或者实施我们上面对新体系的认识和见解。数字三维集成CAD技术的流程是多元数据进入数据库，外业勘测信息数据通过三维集成CAD系统进行综合协同化和三维化的设计，最后输出全数字化的设计成果，也包括常规的图纸成果。这是一个应用流程，这是一个饼图。刚才大家可以看到陈总的资料里有一个非常类似的内容，就是公路都以路线为主体，因为我们的附属构造物等等都是与路线的几何位置密切关联，比如我们做一个涵洞设计，涵洞的标高、位置等等，都来源于道路的几何信息，也就是说路线的CAD部分，所以我们以路线CAD为核心，集成化的带动桥梁、挡土墙、土方、涵洞、路基、地质以及数字仿真等各个方面，实现了数据资源的共享，实现多专业集成，可以大幅度的提高设计效率。首先，它的数据资源是共享的，不会说因为我做挡土墙我重新要把超高、路基边缘的标高等等这些再输入一遍，这是最起码的。三维集成CAD系统的内容比较多，今天只介绍其中几个我觉得比较有价值的地方： 第一个是智能布线的方法和技术。路线的CAD技术一直是我们进行公路勘察设计的最核心的武器，不论是高等级公路还是低等级公路，低等级公路路线更是重点，可能你完成了路线的80%，这个项目可能也就完成了80%，但对于高速公路还有市政道路等等可能有些不同，智能布线的方法主要是一种平面设计方法，这个方法有别于以往的曲线设计法或导线设计法，它实际上就像把我们的路线看作一根绳子，绳子上面有很多的关键点，我们在CAD里面把它叫做夹持点或者叫挟持点，通过这些关键点的可视化的拖曳或者移动来完成路线布设的过程，所以把它叫做智能布线的方法。大家看这是一张数字化地形图，图的底下是一条旧的三级路，我们要将这条三级路做成改扩建以后的二级公路，路线设计人员先定主曲线，根据地型，根据旧路的拟合情况，拟合技术在这里就不用介绍了，比如说最小二乘法，还有用遗传算法等等。先确定的是主曲线，有园曲线和直线、直线边，确定这个过程比较快，比较麻烦的是要把它连接成一条符合路线几何线性和规律要求的公路线性，彩色的连接部分就是我们把它称为曲线单元之间的衔接部分，就是通常我们知道它是回旋曲线或者缓和曲线，软件可以自动识别和产生。智能布线法可适合于各种复杂的线性，对设计人员来说，甚至不需要知道它是一种什麽线性，是S曲线还是C型曲线是对称的还是非对称的，设计上都没有关联了，因为大家可以看到卵形曲线凸形曲线等等都是对于过去有交点导线时的概念而产生的，没有导线时这个概念就不存在了，它适合于复杂的低等级公路、山区高速公路、改扩建线性设计以及互通立交的设计。有个简短的演示大家可以看一下:这是阎西线，在阎西线这里有一条河流，我们根据这个河流的走势先确定它的主曲线、主要的线性，直线和园曲线，然后把地形图关闭。这是刚才确定的主曲线，智能布线把它选定以后它会自动产生连接关系，这个连接关系会自动识别是反向曲线同向曲线以及其它，通过这些挟持点可以任意对线性进行拖动或者修改，它始终象一条绳子一样是一条连续的线性。刚才是导线边的演示过程，就是智能布线的方法，是对曲线法和CAD的二次开发技术更深层次应用基础上实现的。 下面我介绍三维互动优化设计技术。这个方法以前曾经介绍过，它比以前我们利用数字建模型，直接在数模的基础上根据道路中心线采集纵横断面的方法，又有更高层面的提升，它把提升的数模采集过程和平纵横设计的过程适时的关联起来，也就是说这几个地方在高速DTM的引擎的基础上通过网络和数据交换的服务器，然后进行平面纵面路基和横断面土方计算以及三维仿真这几个环节衔接起来，核心是高速的海量的数模引擎，因为这些工作只能在数模的基础上才有可能完成。大家看这是三维模型的显示窗口，平面设计、纵面设计和横断面设计的窗口，这是具体模型的图，这是平面设计窗口，这是纵断面设计，这是横断面设计，这是三维设计，我现在介绍的这个三维互动设计在最新发布的我们的软件系统里面已经带出来了。下面这是一个演示，我们可以看一下。右边这个窗口就是三维模型的显示窗口，可以看到我们所设计的这一段路的三维效果和情况，如果对其中一段路线进行优化，假如这一段需要我们不断优化或进行调整，大家可以看到，当我把平面位置移动后马上看到纵、横和三维模型跟着适时的刷新，纵断面刷新以后，它的横断面和三维模型也都在适时刷新。同时你可以单独把平面窗口放大，然后进行平面的优化和设计，每一维从原来的三维设计到四维的状态都可以。
下面我介绍的内容是安全设计。我们今天说的安全设计体系主要突出的是安全，安全主要突出的是以运行速度这个概念和理念来指导设计。运行速度有别于现在，我国的勘察设计体系是以设计速度，也就是计算行车速度，因为运行速度是一个统计值的概念，它是通过已经通车的已经运行的不同几何条件下的公路的速度的统计值，用它来回归成一个数学模型，再应用到我们要设计要分析的这个路段上来，测算出将来汽车在上面可能的运行速度，然后用这个运行速度来进行重新分析和评价。评价指标分为二个:第一是相邻路段节点运行速度的协调性评价，指的是前后二个路段之间运行速度变化差，如果运行速度差值比较大，可能会存在一定的安全隐患，就存在一个急加速和急减速的过程，在国际上有统一的象10km或者16km每小时的这样一个梯度的变化，是国际上比较通用的一个概念，当相邻的节点运行速度差大于10km的时候普遍认为是有安全隐患的，对于这样的情况，对设计要求是要调整平纵面线性，对运行速度和设计速度的协调性评价，也就是把设计速度和运行速度之间的差距进行对比分析进行评价，这方面的设计主要是进行安全检验，安全检验的内容比较多，比如说超高的检验，视距的检验等，这里主要体现的是当运行速度和实际设计速度差值大于20km每小时的时候，进行具体的一些分析，比如说在超高运用的时候现在新的规范可以要求在公路的去向和反向设置不同的超高，比如说对一些山区高速公路去向是上山方向，它的速度比较慢，反向是下山方向，速度比较快，对于同样的曲线半径，根据运行速度的不同就可以设置不同的超高。象原来在整体式路基左右幅设置同样的超高，超高是与速度密切关联的，现在我们偶尔在一些服务区一些收费区会发现服务区的停车场或收费站虽然是在弯道上，但我们知道在弯道上停车的地方速度是非常低的，这个时候可以忽略超高，甚至可以把服务区拉直来设计等等，这些都是可以做的到的，也是习惯上可以应对的。下面咱们看这个图，图上反映的是运行速度的变化，红色是小客车的运行速度，蓝色是大货车的运行速度，它们的运行速度不断的变化就能够分析出这一段路线上运行速度的连续性和协调性。箭头所指的这个地方是相邻路段节点的运行速度差大于20km每小时的情况，当把它反映到梯度图上同一个位置，这就是在它的梯度变化出现一个突变点。下面这张图反映的是运行速度与设计速度差大于20km每小时的路段，显示出运行速度比设计速度超过20km每小时的一些情况。简单介绍一下有了运行速度之后，我们进行视距检查进行超高设计的一些情况。我们去年做编制办法的宣贯培训以后，有很多设计单位与我们交流说以前不太关注视距分析和检查，现在为什么提呢？我们知道，规范包括标准里面规定的很多设计指标都是低限制，很多低限制来源于它的半径，比如说最小平曲线或极限半径的取用，比如说60km设计时速的二级公路，它的极限半径是250m或者150m，它的半径值是从哪来的，就是从它的视距反推得到的，也就是说我按照技术标准按照设计规范来做的时候，只要没有取到低于极限值或者一般值以下的情况，它的视距是能够保证的。所以，我们以往不太强调对于视距的检查，视觉的问题就发现不了，现在为什么提呢？因为我们现在运用了运行速度的理念，在对运行速度进行测算分析之后发现实际上运行速度在很多时候要高于设计速度，当高于设计速度一定量，比如说大于20km每小时的时候，它的等级标准就有一个比较大的变化，因为速度不同了，对视距的要求也就不同了，才反映出为什么根据运行速度对视距进行重新检查和验算的必要性。大家看这个图，是一个设计速度80km每小时的项目，高速公路设计控制的视距是停车视距，这里我插一句，我们在阿尔及利亚、埃塞俄比亚的一些项目上通过对国外规范和标准的研究，国外把视距作为控制要素的首要条件。我们翻开标准的时候前面有一个设计控制一章，这里有服务水平等等的内容，实际上国外把视距也作为设计控制的一项内容，所以视距是非常重要的一个内容。回到这个图上，对于80km的设计时速，它的停车视距是110m，但是运行速度是变化的，在这个路段的运行速度要求的视距是红线，大家看到，因为实际运行速度是变化的，这个蓝线是通过三维仿真方法获得的道路几何条件所能提供的空间最远视距，也就是空间视距，这个视距不光是考虑平面，以往我们通过一些手段和方法，比如说一些数学模型来做视距分析的时候只考虑了平面的情况，比如弯道，再加上路基宽度的影响或者边坡遮挡的影响，没有同时考虑竖曲线的影响，或者只考虑竖曲线没有考虑平曲线。现在空间视距的概念，就是平纵组合的情况下，在空间条件下，再加上防护、边坡、护栏等等对视距的遮挡的影响。所以大家看到的空间视距是一个突变的，因为很多地方，比如说因为桥上护栏的影响或者我们在江西的二级公路上做的视距测算和验证，大家可以看到桥边上设了一个1.1m的护栏，这个护栏就对视距造成了一定影响，因为我们知道，停车视距是驾驶员站在1.2m的高度上看到路面上10cm高的物体，这个时候它的最远距离就会受到很多附属设施的影响。通过这个图我们可以看到实际道路的空间视距大部分情况下是能够满足设计速度要求的，但是很多时候满足不了运行速度对视距的要求，这张图给出了一个比较典型的情况。实际的空间视距对运行速度不满足的情况更多体现在山区高速公路的左偏的小半径、右侧挖方比较陡的时候，这些情况下，刚才我们对视距的检测用到了公路实景仿真技术，因为在设计上，当把设计软件的几何设计部分做完之后，就可以用软件生成道路的三维模型，然后用航片或者卫星片叠加以后就可以营造出公路建成后的虚拟现实环境，在这个现实环境里面加上刚才运行速度模型进行仿真分析和评价。其它的我就不一一演示了。
下面介绍一些安全分析方面的例子，大家看这张图是一个隧道出口线形组合问题出现的视距不良情况，象这样的路况谁敢开快，因为出了隧道马上就不知道前面是什么情况了。下面这是一个左偏的小半径曲线超车道上视距不足的情况。再下面是一个小半径的竖曲线引起的，这是右侧横间距不足的情况。现在看到的这个图就是我们在10月6号和7号在江西省宜昌的二级路上实测的空间视距，我们对设计施工过程进行了跟踪科研工作，用三维模型，大家看到这个蓝色的面检测出来的最远的视距和现场实测的视距的对比，应该是比较吻合的。这是现场用全站仪进行视距测算时的具体情况。
最后，我介绍一个最新开发的智能模板设计技术，主要是为了满足国际工程项目的需求而开发的，这个技术包括二部分内容：模板设计技术和模板绘图技术。参加阿尔及利亚项目做几何设计的同志可能已经用到了，我们针对阿尔及利亚项目的特殊需求，有语言问题、标准规范的差别、出图表达形式的差别等等要求。中信集团和一院最早考虑，因为是中国人施工，我们把主要的图纸做一个英文或者法文的版本给咨询方和业主就可以了，但实际上发现跟他们沟通交流的过程中太复杂，最后还是选择由我们数字公路研究所来直接进行开发，在原来的VD三维集成CAD的基础上进行开发，开发了横断面，主要是横断面以及其它的设计模块。大家看这个设计模板是把公路断面设计分成一个个的组件，用户使用这些组件可以搭接出任意一种公路断面的形式包括城市断面，再用模板绘图技术进行绘图。这是横断面，用模板设计的窗口和界面，这些界面是浏览窗口，这是具体设计的窗口，这是一个分离式路基的断面。绘图部分可以简单用一句话来说就是依葫芦画瓢的方式。这张图是阿尔及利亚项目出的横断面图，它是一个断面一张图的形式，断面图纸太多，路槽下面的深度每一层都要逐层表达横坡变化，包括宽度和厚度。大家看到路面下面结构层一直到PS底层，每一层甚至还有不同的超高设置，都要在这张图纸上表现出来，也就是说它的形式和国内是非常不同的。我们开发模板设计技术就是说你要出什么样的图纸，给我一张样图，我对样图进行一个定义，定义哪个是中心线，哪个是路面结构层，哪个是TSD层，哪个是地面线，哪些是标注，定义之后软件对同样一个方案就可以照这样出图，自然也就解决了语言版本的问题，你出英文还是法文还是要出中文都可以，模板用的是中文，就会出中文，模板用法文，出的就是法文。这是模板设计技术二个模块，一个是模板设计模块，一个是模板绘图模块。模板绘图模块就是一张CAD图加上一些关键字定义成为一个绘图模板，这个模板就可以指导绘图，绘图包括排水设计图纸都已经在阿尔及利亚项目做到了。智能模板设计技术的优势和特点：第一，支持任意形式的断面路幅组成及频繁的变化。咱们省院的很多同志对CARD/1软件都比较熟悉，就像CARD/1软件一样，它提供给你一套对横断面对一些复杂情况的变化的编程语言，由你自己来实现。智能模板设计里面不需要语言，它把东西离散成一个个组件，组件再加上一些关键字和一些描述会形成一个模板，用这个模板替代了任何开放式的开发。第二,支持各种设计习惯和要求的设计成果表达形式，包括平纵横等相关的图纸。第三，支持多种语言问题的设计成果，实际上现在除了阿尔及利亚项目，在埃塞俄比亚项目还有巴基斯坦项目上都已经使用了。原来没有的时候，只能手工改图纸，虽然设计的主要内容一致，平纵横的数学模型等等都一样，但是原有形式的要求使设计人员工作量非常大。第四，采用设计与绘图分开的流程，设计变更和修改更加灵活方便，具有很强的通用性和扩展性。 最后想说明的是，结合安徽省越西至潜山高速公路开发的山区高速公路数字化设计技术于2004年开发，2006年获得中国公路学会科学技术进步一等奖。以上是我介绍的内容，谢谢大家。
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