面向路橋施工問題求解的功能圖形數據模型

黃 羚， 李延強， 符力勇

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面向路橋施工問題求解的功能圖形數據模型

黃 羚， 李延強， 符力勇

（石家莊鐵道學院土木工程分院，河北石家莊 050043）

針對現有路橋施工問題求解所常采用的工程數據模型的缺陷，提出了功能圖形數據模型。以功能圖形對象建模技術為指導，以特征線、特征線數組為基本數據結構描述具有可變長非結構化的工程圖形，進行相關幾何和專業計算，表達特征線數組間存在的協同合作關系，支持功能圖形對象的動態計算過程，實現了一種利用簡單數據結構創建復雜工程圖形對象的新途徑，表現出廣泛的工程軟件開發應用價值。

計算機應用；數據模型；功能圖形對象；路橋施工問題

近20年來，公路、鐵路等路橋工程已成為我國工程建設業的重點和熱點產業，具有龐大的建筑和經濟規模。然而，與航空航天、機械、電子等行業的制造技術相比，目前我國路橋施工問題計算機求解技術還比較落后，還不能很好地滿足現場工程實際需要。出現這種現象的根本原因之一在于，現有的路橋施工專業軟件或相關國際CAD/CAE通用軟件還不能充分地反映路橋施工問題求解本質特征，路橋施工專業軟件出現難以克服的發展瓶徑。

路橋施工軟件屬于工程軟件研究范疇。與CAD技術研究規律一樣，路橋施工問題求解技術的研究應該分三個層次：一是反映路橋施工問題本質特征的建模理論，二是實現環境的研究，以建模理論為指導研究問題求解所需要的工程數據模型、工程數據庫管理系統及相關的交互式圖形系統，最后才是以建模理論和實現環境為支撐的工程應用軟件的開發。然而，在路橋施工領域，國內學術界和工程界大多致力于第二或三個層次的研究，即在現有基本建模理論基礎上進行實現環境的研究及專業應用軟件開發，很少能見到關于基礎性建模理論研究的報道。

功能圖形建模技術是筆者提出的一種面向功能圖形對象的建模技術，它是一種新的區別于傳統面向對象的建模方法：以具有工程屬性和專業功能的功能圖形對象為基本建模單位，功能圖形對象間彼此獨立又協同合作，專業人員通過創建和操作功能圖形對象實現工程問題求解。為使該建模技術得以實現，筆者研究了相應的功能圖形數據模型、工程數據庫數據管理系統及面向功能圖形對象的圖形系統，并開發了大量的路橋施工問題求解軟件功能，較為系統地建立起了針對路橋施工問題求解的功能圖形建模新技術體系。本文主要介紹該技術體系中功能圖形數據模型的相關數據結構、數據操作方法、數據關系模式與實現途徑等。

1 功能圖形數據結構

功能圖形對象抽象于現實工程求解過程中所涉及的工程圖形的整體、局部、某個符號或意圖，由點、直線段、圓、圓弧、文本等基本圖形元素構成，具有幾何和工程雙重屬性，其數據結構既要描述復雜多樣的工程圖形的幾何形狀，還需要描述蘊涵于工程圖形中可變長非結構化的工程屬性。功能圖形對象的圖形元素的這些數據特征可以通過簡單、規范且易于運算和管理的特征線數據結構加以描述。

1.1 特征線的數據結構

特征線是一種由若干個整型數、實型數、特征點及兩個長度可達256個字符的字符串構成的抽象數據類型，可以用來描述具有可變長工程信息的圖形元素。其Object Pascal描述是：

type TLine=record //特征線數據結構

Id ，ItemIndex ，ControlValue，Tag1，Tag2，Tag3，LineWidth：integer；//整型數

R， TagD1， TagD2， TagD3:double; //實型數據

LineStr1,lineStr2:String； //字符串信息

firstPoint，secondPoint，arcPo: TUserDefPoint; //特征點

LineColor：TColor； //特征線顏色

LineStyle：TLineStyle；//特征線線型

……

end；

type TUserDefPoint=record //特征點數據結構

x,y,z:Double;

end;

根據特征線數據結構中各變量的具體數值，即可以得到具有工程信息的直線段、圓弧、圓或文本等圖形元素。其中，特征線的整型、實型或字符串變量主要用于描述特征線的工程信息。其中，FGOTag(=1，2，3)及FGOTagD(=1，2，3)分別描述特征線相關的整型及實型數據；當工程信息數據較多，可變長且難以結構化時，可以將整型或實型數值轉化為字符串存入LineStr1或LineStr2中，可以通過若干屬性存取方法實現。

例如，要將某工程數值V存儲在特征線Line中，可以采用如下實現方法：

SetLineValue(Line,S,V)——表示將數值V存儲給特征線Line字符串中，其存儲前置標記為s；

當要提取該數時，則取數值的方法為：

V:=GetLineValue(Line,S)——表示從特征線Line中提取前置標記為s的數值。

當要在特征線Line中存儲某字符串信息時，可以采取的方法如下：

SetLineStringValue(Line，S，ItemIndex)——表示在Line中存儲第ItemIndex個字符串；

當要在特征線Line中取得某字符串信息時，可以采取的方法如下：

S:=GetLineStringValue(Line，ItemIndex)——表示在Line中提取第ItemIndex個字符串。

當工程圖形中需要描述豐富的圖形信息和工程信息時，可以通過對特征線數據變量加載可視或隱性特征，將特征線數據結構直接顯示為圖形系統中直線、圓、圓弧或文本等圖形元素，或者在圖形系統被隱含，其目的主要用來存儲功能圖形對象中所可能蘊涵的豐富多樣的工程信息。

1.2 基于特征線的幾何計算

以特征線為統一數據線元數據模型，可以實現圖形系統中圖形元素間的各種幾何運算，如交點計算、點到特征線距離、特征線長度、特征線切斷、特征線上點計算、特征線段延長、特征線段剪切、特征線段平移、特征線段旋轉等。以下示出了基于特征線的若干計算方法：

function GetIntersectedPointOfTwoLine(line1,line2:TLine):TUserDefPoint;

//計算兩條特征線段的交點，不管兩條線段有實交點，還是虛交點

function GetExtendedLineAtTwoEnd(line:TLine;Leftlen,RightLen:double):TLine;

//計算特征線向兩端切線方向延長Leftlen,RightLen后的線段

……

基于特征線數據幾何運算方法，可使工程圖形幾何運算簡單化和規范化，并可方便提供用于圖形系統中工程圖形元素的繪制和編輯等各種方法，便捷地構造出豐富多樣的工程幾何圖形。

1.3 特征線數組

功能圖形對象可以通過特征線數組描述。特征線數組是由特征線構成的動態線性數組，其Object Pascal描述為：

TOLines:=array of TLine；

OLines:TOLines；

為了便于描述復雜功能圖形對象中的工程信息，有時需要對特征線數組OLines進行分段描述，將特征線數組分解成的可視的及隱性特征線數組區段。特征線數組的分段結構如下：

OLines:=[ ViewOLines, virtureOLines]；

ViewOLines=[ ViewOLines1，ViewOLines2，…，ViewOLinesn]；

virtureOLines=[ virtureOLines1，virtureOLines2，…，virtureOLinesm]；

其中，ViewOLines為可視特征線數組，ViewOLines(=1, 2,…,)為各分類可視特征線數組；virtureOLines為隱性特征線數組，virtureOLines(=1, 2,…,)為各分類隱性特征線數組。

利用上述特征線數組結構，既可描述工程圖形中復雜多樣的幾何信息，也可以描述功能圖形中所蘊涵的可變長非結構化的工程信息，其工程信息的類型、數量可以動態變化，增加一種工程數據不需要改變圖形數據的數據結構。這種可變長非結構化的工程圖形數據結構特征不僅很好地適用了工程應用復雜多樣的工程信息描述，而且可二維工程圖形描述的簡單化和規范化，有利于工程圖形的運算和管理。特征線數組的工程信息描述機制是多樣的，常見特征描述策略有：

·局部特征描述 一個工程圖形除了具有其整體特征外，還可能具有多樣化的局部特征，通過對工程圖形的局部特征描述，可以實現對工程圖形的整體或局部特征處理；

· 多態顯示描述 工程圖形可能需要多種顯示方式，來適應不同工程約束條件下的狀態，或者當工程圖形具有空間特征需要從多個視角顯示其空間特征時，可以在特征線數組中加載局部特征信息來功能圖形對象的多態顯示機制；

· 功能圖形化處理 同一類型的幾何圖形可以通過加載不同的工程信息而成為不同類型的功能圖形類型，并表現出不同的工程圖形屬性行為特征；

· 功能圖形的細化分類 通常情況下，由于工程問題的復雜性，同一類功能圖形類型可能表現出多樣化的屬性行為特征，通過細化分類特征變量，可以對功能圖形對象的細化分類；

· 復合異質工程圖形描述 在一個特征線數組中，可以包含多種由不同材料構成的復合工程圖形，通過在特征線數組中進行各材料的特征描述，可以實現根據工程約束條件對不同類型工程圖形進行顯示或運算處理；

· 復雜工程信息描述 當工程圖形蘊涵大量復雜工程信息需要描述時，可以利用特征線數組的分段描述機制加以實現。

1.4 特征線數組的幾何和專業計算

特征線數組是一種抽象數據類型，其幾何信息與工程信息同屬于一個數據結構，具有完整的幾何信息和工程信息的描述能力，相應的面向特征線數組的計算，既可以是幾何計算，又可包含專業方法的專業計算，具體計算方法豐富多樣。以下是幾種常見的特征線數組運算類型：

· 幾何計算 主要通過對特征線數組的提取、平移、延長、修剪、旋轉、分段、組合、重線清除、序號重排、方向調整、局部幾何區域處理等方法創建出新特征線數組；

· 工程信息存取和管理 對特征線數組中的工程信息進行存儲與提取，使特征線數組具有工程信息，并可從特征線數組中提取專業計算所需要的工程數據；

· 類型識別和處理 對特征線數組所代表的幾何圖形進行特征分析、判斷，確定其所代表的工程圖形類型，并加載上必要的初始化的工程信息；

· 關系識別和處理 識別和處理特征線數組元素間的幾何約束關系，例如：平行、同軸、相交、垂直，特征線點是否在工程圖形上等；

· 專業計算 從特征線數組中提取有關幾何信息和工程信息，然后利用專業方法對它們進行加工處理，可以得到相關的由特征線數組表達的專業計算結果。

通常，一個工程問題可以通過規劃分解為一系列便于實現的子問題，而每個子問題原始數據則可通過一個或多個具有工程約束關系的特征線數組或數組集來描述，利用專業方法對這些原始數據進行處理可以得到新的由特征線數組表達的新的問題求解結果。

圖1顯示了一貝雷梁結構計算模型。貝雷梁力學計算需要貝雷梁有限元模型、外荷載、約束支座等由特征線數組構成的功能圖形對象組，由這些對象組構成的特征線數組包含了完整的桿件有限計算的原始信息，可以對其進行桿件有限元計算，得到新的負載了桿件內力、變形、約束反力等計算結果的的特征線數組集，通過各類特征線數組的多態顯示機制，可以顯示出桿件有限元的內力、變形效果，并利用桿件有限元特征線數組可以創建出需要的內力圖表，所有計算功能實現均以特征線數組為數據類型，無需增加新的其它數據結構，實現了貝雷梁結構計算的簡單化、規范化。

單元號Ni(kN)Qi(kN)Mi(kN.m)Nj(kN)Qj(kN)Mj(kN.m) 142-710.89-9.08-4.11710.899.08-2.25 409-43.74-0.97-0.4643.740.97-0.5

2 功能圖形數據模型的關系模式

數據模型研究的一個核心內容是數據關系模式。不同的關系模式決定了不同數據模型類型。常見的數據模型可以是層狀、網狀和關系數據模型，或者面向對象的數據模型。面向對象數據模型雖然語義豐富，表達自然，具有很強的描述能力，但由于存在復雜的數據層次結構，使得面向對象的數據庫管理系統的開發成為一種開發難度大、開發成本高的一項系統工程，至今還沒有成熟的適合于路橋工程問題求解的商品化面向對象數據模型和相關數據庫管理系統。目前流行的關系數據模型中，表（或關系）是用來表示數據，每個關系是由一些屬性（列）或隨時間變化的記錄（行）構成的二維表來組成，記錄相當于一個實體實例。功能圖形數據模型中特征線數組之間的關系是一種協同合作關系模式，其特征可以通過特征線數組協同關系網絡圖來表達，見圖2。圖2(a)中的節點為獨立的特征線數組，邊表示特征線數組間存在協同關系，橢圓表示一個協同合作關系。對象網絡本質上是一系列協同合作關系的集合體，它可以通過繪制一系列單個的協同合作關系圖來表達。如圖2(a)中的關系、、可以將該其分解為圖2(b)所示的協同關系圖。

(a) (b)

特征線數組間的協同合作關系是通過特征數組中用于描述類型或關系的特征數據自然地建立起來，并通過相關的專業方法加以實現，具體實現機制是：通過識別協同合作關系中所涉及的特征線數組，對它們進行幾何或專業計算，最后通過對特征線數組進行修改或創建新的特征線數組，來表達產生協同合作關系的結果。本質上，功能圖形數據模型屬于一種新的數據模型，它與具有定長數據項的關系數據模型或者具有層次結構的面向對象數據模型具有存在明顯區別（見圖3），功能圖形數據模型描述的是一組具有協同合作關系的具有幾何屬性和可變長非結構化工程屬性的圖形數據，具有很強的工程圖形描述能力，可表達出復雜多樣的工程屬性，表現出廣泛的適應性和靈活性。

3 功能圖形數據模型的實現

功能圖形數據模型是對工程圖形數據描述的一種新的數據模型，其實現不僅需要研發面向功能圖形數據模型的工程數據庫管理系統，而且還需要研發面向功能圖形對象的交互式圖形系統。為此筆者開發了路橋施工計算專家系統RBCCE (Road Bridge Construction Calculation Expert)，圖4為其圖形界面。RBCCE它是一款面向路橋工程測量計算領域的圖形驅動式、高性能、集成化軟件，是一種全新的通過動態驅動功能圖形實現路橋工程問題求解的新軟件系統，系統本身為面向功能圖形對象的交互式圖形系統，支持功能圖形對象的建模技術，融合了面向功能圖形數據模型的工程數據庫管理系統。目前，RBCCE功能涵蓋了鐵路、公路、地鐵、隧道、橋涵等線路及其結構物的平面及三維施工測量計算、線路改線、導線近似平差計算、路基土方自動計量及隧道斷面分析、路橋施工安全計算等眾多領域，提供了眾多現有專業軟件或國際通用軟件難以實現的專業功能和使用性能。多年的推廣應用表明，RBCCE具有良好的使用性能和廣泛的應用推廣價值，可以適合于路橋工程領域項目總工、工程部長、測量主管、普通測量人員等廣大路橋施工技術人員使用。

4 結 論

工程數據模型是工程軟件研究與開發的基礎性和系統性課題，其研究需要有相關的工程問題求解建模理論為指導，并需要研究出合適的實現環境。研究的功能圖形數據模型是在以功能圖形對象建模技術為指導的基礎上提出的，相應的實現環境為面向功能圖形對象的路橋施工計算專家系統。功能圖形數據模型本質上屬于一種新工程數據模型，其學術意義在于實現了一種能夠利用特征線、特征線數組等簡單數據結構描述和創建復雜多樣的工程圖形、便捷處理特征線數組間蘊涵的各種協同合作關系，及支持各種功能圖形對象的幾何和專業計算的新途徑，表現出廣泛的工程應用價值。

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Function Graphic Data Model for Road Bridge Construction Problem Solving

HUANG Ling, LI Yan-qiang, FU Li-yong

( Civil Engineering Department, Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

In view of the defects existing in present engineering data models for the road bridge construction problem solving, the function graphic data model is provided. Taking the function graphic modeling technology as the instruction, with the feature line and the feature line array as the basic data structure, this paper introduces the length-variable and unstructured engineering graphs, conducts the related graphic and professional computation, describes the collaborative relationship among feature line arrays, and the model supports dynamic computation process for function graphic objects. The result proves it a new way to create complicated engineering graphic objects with simple data structure and its engineering application value in engineering software development.

computer application; data model; function graphic object; road bridge construction problem

TP 391

A

1003-0158(2011)01-0174-06

2009-09-02

黃 羚（1966-），男，江西樟樹人，副教授，博士，主要研究方向為橋梁施工設計與控制、路橋施工信息化技術。