圖形與數據聯動的橫斷面交互設計方法

王婉秋，莊國方，蒲 浩

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海200092;2.上海建科建設監理咨詢有限公司，上海200032;3.中南大學土建學院，湖南長沙410004)

隨著經濟、社會的不斷進步，公路交通事業不斷向縱深發展，既有公路不斷升級改造為高等級公路，新建的高等級公路不斷向山區、荒漠延伸擴展，在此過程中分離式路基越來越得到廣泛的應用。路基橫斷面形式的復雜多樣性使得橫斷面自動設計難以完成設計人員的設計意圖，橫斷面交互設計顯得尤為重要。

國內路基設計軟件提供的交互設計功能從實際應用情況來看存在以下不足:

1)人機交互設計時，大多采用編輯橫斷面設計模板的方式，由系統運算后刷新圖形對象，而不能實現直接操作圖形對象，由系統根據圖形的實時變化自動更新橫斷面數據，即圖形驅動數據的方式。

2)不能實現橫斷面某一部分的圖形修改自動觸發與其相關的其他圖形的自動更新。

針對以上不足之處，筆者提出了一種基于圖形和數據聯動的交互設計思想。該思想基于圖形與數據是一個整體的思想，注重圖形和數據的有機聯系，即數據的修改可使圖形同步變化;反之，圖形的編輯也能使數據自動刷新，從而實現操作過程的高效、自動化。

為了實現圖形與數據聯動的交互設計思想，筆者在研究路基橫斷面自動設計方法的基礎上，引入與常規路基CAD軟件不同的編制思想:采用面向對象的編程方法，應用ObjectARX的實體定制技術構造橫斷面實體。通過巧妙應用響應器和通知技術，實現聯動的交互設計功能。

1 路基橫斷面的自動設計

公路路基橫斷面的數量龐大，國內學者針對橫斷面自動設計方法進行了大量研究，探討了簡潔、靈活和通用的橫斷面幾何描述和定義模型及其CAD開發實現方法［1］、研究了將 BP 神經網絡技術［2］、數據庫技術［3－5］應用于道路路基橫斷面設計系統的方法。然而這些研究方法大多只針對整體式路基的設計，對分離式路基橫斷面的設計研究不多。鑒于路基橫斷面形式的復雜多樣性，筆者采取“化繁為簡”的思路，首先引入特征點將全線劃分成多段具有相同特征橫斷面形式的局部段落，通過從面到線再到點(面:全線;線:某段線路;點:特定的斷面形式)層層細化的方式，最終將設計方法的研究重點鎖定至具有共同特征的橫斷面設計方法的研究上。

1.1 路線段落劃分及相關路基類型

公路路基橫斷面形式由于受地形、地質條件限制，一條主線逐漸分成左右兩幅路，路基形式從整體式路基過渡到分離式路基，路基形式漸變過程如圖1。路基橫斷面形式復雜，路基形式從整體式路基變化至部分分離式路基，直至路基完全分離。

圖1 過渡段橫斷面漸變過程Fig.1 Gradual process of cross-section

根據路基橫斷面形式的變化特點，引入2個特征點:路面分離點和路基分離點。路面分離點即整體式路基路面分離的臨界點斷面;路基分離點指左右路幅路基所夾邊坡不相交的臨界點斷面。利用這2個特征點進行段落劃分:①整體式路基段，即里程小于路面分離點里程段，此時橫斷面形式為整體式路基;②部分分離段，即介于路面分離點和路基分離點之間的路段，路基按2個互相關聯的路基來進行設計，橫斷面形式為部分分離式路基。

左右兩幅路合為一幅路的路基橫斷面形式漸變過程與分出端類似。

1.2 各段落路基機助設計方法

基于以上段落劃分，橫斷面設計歸結為3種路基的設計:整體式路基、部分分離式路基和完全分離式路基的設計。根據每種路基不同的橫斷面特點，提出相應的計算機輔助設計方法。

1.2.1 整體式路基機助設計方法

整體式路基的自動設計方法即計算機依據設計者給定的標準橫斷面模板，自動完成逐樁橫斷面設計及土石方工程數量計算。標準橫斷面模板的定義依地形、地質等情況的不同采取分段定義的方式 。依據定義好的標準橫斷面模板進行橫斷面自動設計的方法與人工常規設計方法一致，在程序中分左、右側分別進行設計。

1.2.2 分離式路基機助設計方法

1)部分分離式路基機助設計方法。部分分離式路基一般在整體式路基和完全分離式路基的過渡段出現，此時左幅路基和右幅路基互相關聯，設計方法是先對左幅路采取整體式路基橫斷面設計方法設計，然后沿左幅路的法線方向對右幅路基橫斷面進行相應設計，最后依據左幅路基右側和右幅路基左側邊坡的相交形式，將兩個橫斷面進行拼合設計。

2)完全分離式路基機助設計。完全分離式路基分別對兩幅路基采取與整體式路基設計方法相同的設計:分段設置標準橫斷面模板，依據定義好的模板進行自動設計。

2 定制路基橫斷面實體

2.1 相關研究

如何將設計好的路基橫斷面實體高效地存儲到AutoCAD的數據庫中，是實現橫斷面高交互性能的前提條件。

在早期研究中，橫斷面自動設計生成的若干橫斷面子實體以無序的方式存儲于AutoCAD數據庫的模型空間(MODEL_SPACE)中。這種存儲方式，當模型空間中實體很多時，即使是簡單的查詢操作也將變得費時費力。

為了找到一種效率更高的圖形存儲方法，文獻［3］中提出了應用面向對象的塊表技術，減化了在圖形數據庫中記錄橫斷面實體的工作量。然而，由于模型空間中記錄的是圖塊的塊引用，橫斷面交互設計過程中首先必須將圖塊解塊(explode)才能實現對各實體的交互操作，而且在交互設計完成后，還需將各實體重新組合成圖塊存入數據庫中。交互設計過程繁瑣，效率不高。

文獻［3］提出了面向對象的思想，然而在實際應用中，橫斷面的各組成實體卻是相互獨立分散的，僅僅通過塊表技術將它們生硬地聯系在一起，沒有從根本上貫徹面向對象的思想，即將路基橫斷面看成客觀“對象”，在對象的內部定義屬性和操作或方法來完成對象內部私有狀態的描述。為此，筆者提出了對象－屬性的思想，將路基橫斷面看成一個“對象”，為橫斷面對象添加屬性以實現相應的功能，并運用ObjectARX的實體定制技術，將橫斷面構造成與AutoCAD內部實體一樣易于操作的自定義實體。

2.2 面向對象技術應用于路基橫斷面設計

對象－屬性思想就是將路基橫斷面視為“對象”，其組成實體視為屬性實體，屬性實體包括幾何屬性實體和標注屬性實體。各屬性實體又作為單獨的對象分別定義相應的屬性參數和行為函數。分類和層次關系如圖2。

圖2 路基橫斷面屬性分類及層次關系Fig.2 Attribute classification and hierarchical relationship of crosssection section

通過對象－屬性思想設計的路基橫斷面對象封裝了對象的屬性實體及屬性實體的參數與操作，突破了傳統的將數據與操作分離的模式，該對象具有繼承性。將一般路基橫斷面作為一種典型的實體對象，特殊路基的設計即可采用“繼承”的方式在典型設計的基礎上添加各自的屬性，如在一般路基的基礎上分別添加矮墻、護肩、擋墻、砌石、護腳等“屬性”即可派生出相應的路基橫斷面對象，實現對象增量式的擴充。

2.3 自定義實體技術

根據對象－屬性思想，一個橫斷面可以視為屬性實體組合成的復合實體。因此在AutoCAD數據庫中定制橫斷面實體的關鍵是解決各屬性實體的定制問題。ObjectARX類層次結構的AcDbEntity類是所有具有圖形表現的數據庫對象的基類，通過AcD-bEntity類繼承派生的方式實現對屬性實體內部屬性和行為的定制。以橫斷面邊坡屬性實體的定義為例，說明實體的定制方法［6－7］:

1)從AcDbEntity類派生新的邊坡實體類Side-Slop，可借助工具軟件ObjectARX Wizard實現，它生成派生類SideSlop的框架;

2)定義SideSlop的數據成員，數據成員包括邊坡級數，邊坡系數，邊坡高度，平臺寬度，邊坡的圖形顯示坐標點等;

3)定義數據成員的行為函數，包括查詢、繪制、對象捕捉、編輯等。定義邊坡設計計算的私有成員函數，它完成邊坡屬性數據修改后，邊坡點坐標的重新設計與計算工作;

4)定制實體還必須完成4個filer函數，才能使對象歸檔:

其余屬性實體的定制參照邊坡屬性實體的定制方法，將定義好的各屬性實體作為橫斷面實體的屬性成員進行橫斷面實體的定制，就可構造出完整的橫斷面實體。

3 響應器與通知技術

橫斷面交互設計過程實際是設計人員對橫斷面屬性實體進行交互修改的過程。對某一屬性實體的修改，勢必會引起其它相關屬性實體隨之做出相應的調整。通過自定義實體技術定制的橫斷面實體集成了各屬性實體的幾何、標注參數及操作函數，對屬性實體的任何查詢、修改如同編輯AutoCAD內部實體一樣簡單、方便。然而將該橫斷面實體應用于交互設計仍待解決一個關鍵問題，即對某一屬性實體的修改如何自動觸發其他相關屬性實體的關聯變化。ObjectARX的反應器與通知技術提供了較好的解決辦法。

3.1 反應器與通知技術

反應器與通知技術的原理是將作為接受事件的反應器附加到通知者的對象中，當系統有事件發生時，通知者對象自動傳遞事件給反應器，并調用反應器所對應的通知函數(modified)［8］。

基于此原理，為了實現多個實體的相互關聯，在創建某個實體時，可以向實體附加一個反應器，并在反應器的成員變量中包含另一個實體的對象ID。具體實現過程為:當AutoCAD修改一個已附有反應器的實體時，反應器會得到響應，發生響應的反應器通過讀出所依附實體的對象ID，打開所依附的實體，執行通知函數預先設定的操作，從而實現實體之間的關聯變化。

3.2 反應器與通知技術應用于路基橫斷面交互設計

反應器的實時監測，多個實體關聯，通知函數等功能很好地滿足了交互設計過程中屬性實體間關聯變化的需求。

在創建橫斷面屬性實體時，根據交互操作的需要預先放置反應器，在反應器的通知函數中設定相應的響應操作。通過反應器的實時監測，被操作實體處于被監測狀態，設計人員的任何操作，系統都能迅速做出反應，捕捉與其關聯的其他實體，并提取屬性數據，完成重新設計與計算。

以邊坡線實體反應器為例說明反應器的設置方法與工作流程［4］:

第1步:創建邊坡實體反應器。

1)從反應器類AcDbEntityReactor派生新的邊坡實體反應器SideSlopReact。

2)將地面線，水溝，標注實體對象的ID作為數據成員，建立邊坡實體與該斷面地面線、水溝及文本標注等實體的關聯。

3)定義通知函數:modified(const AcDbObject*pObj)。函數中獲取當前編輯修改的邊坡對象實體指針，并以只讀方式打開與當前邊坡實體關聯的地面線實體，作為地面線設計依據;并以寫方式打開與當前邊坡實體關聯的水溝實體、文本標注實體，提取屬性參數。根據邊坡實體的變化重新設計橫斷面并計算面積，繪制新設計的水溝，刷新標注內容。

第2步:為邊坡實體添加反應器 addReactor(LeftSideSlopReactor)。

4 數據與圖形聯動的交互設計的實現

現有設計方法中主要通過對話框方式，直接修改設計參數模板實現交互設計，然而設計人員在進行實際交互設計時，往往難以確切知道設計參數的準確修改值，只能通過不斷修正以實現合理的設計，而且設計人員在設計參數模板與設計界面中反復的切換也降低了設計效率。數據對圖形聯動的交互設計方法克服了現有交互設計方法的弱點，基于本文的研究成果，系統開發了更加人性化的間接參數化法和通過夾點操作直接修改圖形的方法。

間接參數化法屬于數據對圖形驅動的設計方法，設計人員只需根據設計意圖，使用多義線繪出屬性實體的大致形狀，系統自動提取所需信息，重新設計生成與多義線形狀類似的屬性實體，而且通過附加到屬性實體的反應器的作用，自動激發牽連屬性實體的聯動改變，從而實現更加直觀靈活的交互設計。以邊坡屬性實體的交互設計過程為例，如圖3、圖4。

圖3 多義線轉邊坡線Fig.3 Turn polyline into slope line

圖4 多義線成功轉成邊坡線Fig.4 Turn polyline into slope line successfully

夾點操作圖形的方法是一種面向圖形對象的圖形對數據驅動的交互設計方法，由前文的研究成果定義的實體類與AutoCAD內部實體一樣，當Auto-CAD中選中某屬性實體時，AutoCAD通過運行期間的類檢查機制獲得該實體對象的類，當拖動某個夾點或通過右鍵快捷菜單選擇相應命令時，AutoCAD自動調用該實體對象類的相應“操作函數”，隨著鼠標的移動，圖形被不斷刷新重繪，形成動態橡皮線的效果。當操作完畢后，與之關聯的其他屬性實體，標注屬性(填挖面積、中心填挖高等)被自動刷新，數據庫文件也被同步更新。夾點操作的動態可視性，使設計者能觀察屬性實體的實時變化，從而完成高效、靈活的交互設計。以修改邊坡的夾點操作為例(圖5)。

圖5 修改邊坡的夾點操作Fig.5 Clip-point operations of slop line

5 結論

筆者深入研究了路基橫斷面自動設計與交互設計的若干關鍵技術，實現了路基橫斷面基于圖形與數據聯動的交互設計功能。它具有如下優點:

1)應用ObjectARX自定義實體技術定制橫斷面實體對象，使橫斷面這樣的復雜實體能象Auto-CAD內部實體一樣，具有AutoCAD實體的各種屬性和操作方式;

2)應用響應器的實時監測，多個實體關聯，響應函數等功能，實現橫斷面屬性實體之間的相互關聯;

3)基于圖形與數據聯動的交互設計方法:間接參數化法、夾點操作法，以其靈活性，動態可視化實現了對橫斷面高效的交互功能。

［1］裴大明，王福建.公路路基橫斷面CAD開發研究［J］.重慶交通學院學報，1999，18(3):21 －25.

［2］裴大明，王福建.基于BP神經網絡的公路路基橫斷面填挖方信息提取方法及應用［J］.重慶交通學院學報，1999，18(3):26－29.

［3］王衛東，詹振炎.基于數據庫的道路路基橫斷面設計系統［J］.中國鐵道科學，2002，23(3):77 －81.

［4］王衛東，詹振炎.道路路基橫斷面數據庫及其輔助設計［J］.中南工業大學學報，2002，33(5):462－465.

［5］王衛東，詹振炎.ObjectARX技術在道路路基橫斷面圖形存儲中的應用［J］.計算機工程，2002，28(3):251 －252.

［6］邵俊昌，李旭東.AutoCAD ObjectARX 2000開發技術指南［M］.北京:電子工業出版社，2000.

［7］陳英時，張其林，王健，等.空間鋼結構CAD軟件后處理系統的實體造型技術［J］.同濟大學學報，2000，28(3):297 －300.

［8］孫悅紅.永久反應器的作用及實現方法［J］.北京輕工業學院學報，2001，19(1):41－45.