保證公路橫斷面設計正確性的方法研究與應用

劉利民

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 引言

公路橫斷面設計是路線平縱橫設計的重要組成部分。路基橫斷面設計，俗稱“戴帽子”，是一個循序漸進、逐漸深入的過程。路基橫斷面影響因素眾多，設計工作量大、反復多，與之相關的設計成果多，是橫斷面設計的典型特征。

橫斷面設計與平面設計、縱斷面設計的不同之處，在于平縱面設計是線形設計，設計成果為一條線，而橫斷面設計是用抽樣的典型橫斷面代表整條公路的橫斷面，因此橫斷面設計是單個的、離散的。各個橫斷面之間的地面線、填挖狀況、邊坡高度、邊坡坡率及邊溝尺寸等可能千差萬別。橫斷面本身的特點決定了它很難一次或少數幾次反復就可以完成設計，而需要若干次的反復才能完成。雖然橫斷面設計已經完全實現了模板和參數化的計算機輔助設計，但基礎設計數據和橫斷面設計成果之間的一致性，也就是保證橫斷面設計成果的正確性研究很缺乏?，F有路線CAD軟件基本沒有檢測橫斷面數據變化對橫斷面設計成果影響的功能，完全依靠人工保證橫斷面設計成果的正確性具有相當大的難度，設計中難免出現疏忽或錯誤。因此，如何保證橫斷面設計及其相關設計成果的正確性是一個值得研究的問題。

在JSL-路線專家系統的研發過程中，為保證橫斷面設計成果的正確性，需研發一種錯誤消息和提醒消息功能來保證橫斷面設計的正確性，以提高橫斷面設計的自動化程度。

2 橫斷面設計的影響因素及內容

一個公路工程項目的橫斷面個數少則數百個，多則數千個，管理難度大。例如一個里程50 km的公路項目，按照平均15 m間隔一個橫斷面計算，1 km約70個橫斷面，全線共有3 500個橫斷面。這么多橫斷面需要逐個設計至滿足要求，設計工作量大。

影響橫斷面設計的因素眾多，包括縱斷面地面線、橫斷面地面線、設計高程、標準路幅、超高橫坡、加寬、邊坡坡率、邊坡分級高度、邊坡平臺寬度(含碎落臺寬度、護坡道寬度)、邊溝尺寸、溝底高程、擋土墻設置、路基防護形式、橋臺與路基的銜接方式、隧道進出口位置的變化以及洞口的邊坡形式等，均直接影響著橫斷面設計，這些數據的變化會直接導致需要重新戴帽子，才能保證橫斷面設計圖和設計數據一致，保證橫斷面設計成果正確。

橫斷面設計除了受多個因素控制外，還會直接影響多種設計圖表的輸出，包括公路平面總體設計圖、公路用地圖、路基橫斷面設計圖、匝道連接部設計圖、匝道連接部標高數據圖、路基設計表、邊溝(排水溝)設計表、平曲線上路面加寬表、路基土石方數量表、路基每公里土石方數量表和路基土石方運量統計表等。

在絕大多數常用的路線CAD軟件中橫斷面設計失敗僅會以AutoCAD命令行或系統信息的形式輸出。設計人員需要對照提示信息對橫斷面逐個核對，逐個修改橫斷面相關資料后重新設計。重新設計時可能又出現新的橫斷面設計失敗，如此循環進行橫斷面設計，手工工作量大。最終與橫斷面相關的設計成果輸出時，仍然難以確定所有的橫斷面是否均設計成功。另一方面，與橫斷面設計相關的數據修改后，橫斷面是否重新設計過，軟件一般沒有任何提示，僅依靠人工記憶，橫斷面設計成果可能不是設計人員最終設計思想的表達。如未對設計失敗的橫斷面進行修改，或者數據修改后未重新進行橫斷面設計，均會影響橫斷面設計及相關文件的設計質量?；跈M斷面設計的重要性和復雜性，保證其正確性是路線設計的一項重要內容。

3 實現方法

通過深入研究，在JSL-路線專家系統中研發了錯誤消息和提醒消息功能，可保證數據與橫斷面設計成果的一致性。錯誤消息是指橫斷面設計失敗時的橫斷面樁號信息，提醒消息是指橫斷面相關數據修改之后影響的橫斷面樁號信息。具體實現方法如下：

3.1 消息產生

橫斷面自動設計，也就是自動戴帽子時，系統根據已有資料進行橫斷面邊坡、邊溝設計，最后得到橫斷面設計結果。但在這個過程中，由于各方面的原因，如橫斷面地面線太短或邊坡太緩等原因，橫斷面邊坡與地面線沒有交點，橫斷面設計失敗。此時，將橫斷面的樁號、位置(左側還是右側)、失敗原因記錄下來，存入錯誤消息列表。橫斷面設計完成后在錯誤消息列表中展示。

橫斷面設計完成后，邊坡、邊溝的初步設計方案未必能夠滿足設計的最終要求。因此需要進行修改來滿足各種設計要求。此時可以修改邊坡段落、邊溝段落、溝底高程段落等相關數據達到目標。數據修改后，對應段落內的橫斷面必須重新進行設計，通過檢索，將這些樁號檢索出來，將樁號、修改的數據內容逐個存入提醒消息列表中展示。

3.2 消息處理

當系統重新進行橫斷面設計后，清除所有對應樁號的提醒消息，根據每個橫斷面重新戴帽子成功與否的情況進行錯誤消息處理。具體如下：

(1)如果橫斷面戴帽子成功，則消除對應樁號的錯誤消息。

(2)如果橫斷面戴帽子未成功且對應樁無錯誤消息，則增加該樁號的錯誤消息。

(3)如果橫斷面戴帽子未成功且對應樁有錯誤消息，則保留該樁號的錯誤消息。

3.3 消息用途

錯誤消息和提醒消息除了用于橫斷面設計過程本身外，還有下列作用：

(1)支持使用中的路幅、邊坡和邊溝等模板修改。使用中的模板修改后，通過檢索增加提醒消息，可將使用該模板的所有設計線的橫斷面都加入到各條設計線的消息列表中，提醒設計人員重新進行橫斷面設計。

(2)錯誤消息和提醒消息，提供了一個直接瀏覽對應橫斷面的快捷路徑。通過點擊消息列表的消息，設計人員可直接瀏覽對應的橫斷面設計圖對其進行檢查。

(3)系統可以將提醒消息的單個樁號，自動歸納為段落進行重新設計，省去人工大量清理的時間和精力，設計人員不用關心修改了哪些橫斷面的基礎數據，系統可以自動管理需要重新進行設計的橫斷面樁號。

(4)可以用于與橫斷面設計相關的各種圖表出版前的正確性檢查。橫斷面設計完成后，理論上應該將所有錯誤消息和提醒消息消除，才能輸出與之相關的各種圖表。但實際上，橫斷面設計本身一直在根據各種設計要求變化，使用過程中，經常需要提供各種中間資料，如地圖、公路平面總體設計圖、路基橫斷面設計圖等。因此，若沒有錯誤消息和提醒消息，輸出的與橫斷面設計相關的成果無法保證其正確性；有了錯誤消息和提醒消息后，至少設計人員知道提供的中間成果的質量。

橫斷面設計是多次循序漸進重復的過程，重復的次數從幾次到近百次不等。錯誤消息和提醒消息循環產生、消除，包括相關的模板和數據修改產生提醒消息、戴帽子消除提醒消息、戴帽子成功消除錯誤消息、戴帽子失敗產生錯誤消息。錯誤消息和提醒消息始終反映橫斷面設計基礎數據與橫斷面設計成果的一致性和正確性，錯誤消息和提醒消息將橫斷面設計相關的所有基礎數據修改及其修改結果統一到一起，不需擔心忘記數據修改之后是否重新進行了橫斷面設計，方便橫斷面設計相關成果輸出時檢查橫斷面設計情況，消除了人為疏忽和錯誤導致的設計問題。

4 應用

在JSL-路線專家系統研發中，實現了基于消息功能的橫斷面設計成果一致性和正確性保證方法。目前，該系統已經應用于超過10 000 km的各等級公路設計中，反響良好。該方法能有效保證設計數據和圖表的一致性，也保證了橫斷面設計圖及相關成果的正確性。

5 結語

基于錯誤消息和提醒消息管理功能的橫斷面設計方法，是公路橫斷面計算機輔助設計中的一個重要創新和進步。隨著JSL-路線專家系統的推廣和應用，該方法更加廣泛應用于工程設計中。通過軟件系統自動化的消息管理功能，減少了人工參與的工作量，消除了由于人工操作產生的疏忽和錯誤，保證了橫斷面設計成果的正確性，提高了橫斷面設計圖及相關設計成果的文件質量。