道路平面設計是復雜而又系統的，隨著城市化進程的加快發展以及機動化水平的提高，道路的交通構成發生了巨大變化，同時人們對精神生活的要求也越來越高，對道路也有了更高的人性化要求。面對這些挑戰，道路設計工作者們需要與時俱進不斷思考，設計出更適合于行車曲線的平面線形。 
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　　關鍵詞：平面線形設計 直線型 曲線型 設計方法 特點 
　　公路是自然界中的人工構造物，其位置確定不僅受地形、地質、生態等建設條件的影響，而且修建以后又反作用于自然，對自然的地形、生態等會造成或多或少的破壞，同時路線位置還會對運行安全產生長期深遠的影響。公路線形設計是公路設計的核心，最終決定了公路的空間位置和反饋于駕駛員的視覺形態。線形質量的好壞，直接影響公路運營的安全、經濟、舒適、快捷功能的發揮。 
　　1 直線型設計 
　　1.1直線型設計原理及方法 
　　工程技術人員根據道路的等級、路線走向、控制條件和技術要求，首先在實地或圖上采用一系列連續的導線來控制公路的走向和基本位置，然后在路線的轉彎處，為適應行車和地形的要求，采用不同的曲線或曲線組合來完成導線折線處的合理過渡，從而形成整個路線的平面線形。即所謂的直線型設計方法。直線用以控制路線的走向和方位，在路線布置和設計過程中起主導作用。直線型設計方法通常有紙上定線和實地定線兩種。 
　　在我國公路建設早期，由于技術和現實條件等原因，不可能采用高水平的線形指標。因此，直線型設計得到了廣泛的應用和推廣。為我國公路建設的發展起到了很大的推動作用。 
　　1.2直線型設計的特點 
　　傳統道路線形即為直線回旋線圓曲線的硬性組合。簡單的運用直線與大半徑圓曲線相結合，沒有與地形地物條件相協調。以直線為主體、先定導線后定曲線，布線過程中導向線控制了路線走向，圓曲線、緩和曲線是直線的配角，線形單調，線形的均衡性和連續性較差。 
　　隨著科學技術的進步，傳統的直線型設計方法已難以滿足高等級公路平面線形設計的要求。近年來，曲線型設計方法日益被人們接受、采用。公路平面線型是由直線、圓曲線、緩和曲線構成，它們是公路平面線型的基本要素，我們稱之為平面線型的單元。一條復雜多變的公路平面線型是由若干個單元首尾相連而成的，一旦各個單元確定，平面線形就隨之而定。因此，只要對各個單元進行選擇、組合和計算就可以了。 
　　2 曲線型設計 
　　主要有曲直法、積木法、擬合法、綜合法、弦切線法、閉合導線法、端點受限法等 
　　2.1曲直法 
　　曲直法設計的步驟：（1）根據路線走向、地形與地物約束條件和技術要求，在地形圖上徒手繪制若干段直線和圓弧，控制路線的總體線位，形成線形基本骨架；（2）根據直線與圓弧、圓弧與圓弧間的相對位置關系，利用圖解法或解析法配置合適的緩和曲線，確定參數A值并考察各種線形元素之間的協調性和均衡性；（3）判斷曲線組合類型，按照曲線組合類型采用“緩和曲線+圓曲線”即“LS + LY ”線形組合形式輸入數據，進行平面線形（曲線）的計算、敷設和調整。 
　　曲直法既保留了傳統直線型設計方法的基本特征，用直線控制路線的走向和總體方位，有采取了曲線控制具體線位，利用直曲組合形成線形的骨架并合理配置相應的緩和曲線。這一方法與直線型設計方法相比較，計算簡便靈活、直觀，實際運用過程中具有明顯的優越性。 
　　2.2積木法 
　　又稱作線元設計法，是將組合復雜的道路平面線形“化整為零”分解成若干個線形單元，在已知道路線形起點信息（如坐標、切線或法線方向、曲率半徑等）的基礎上，從起點處開始設置任一單元（可沿任何方向延伸），并據此推算出該單元的終點信息（如坐標、法線方位角或曲率半徑等）的方法。之后，再將此終點信息作為下一單元的起點信息加以利用，如此逐個單元往下推算，如同搭積木一樣，將各單元首尾連接，構成一條連續完整的平面線形。 
　　總之，積木法是一種比較典型的曲線設計方法，它完全摒棄了導線和交點，以構成公路平面線形的基本曲線單元（直線元、圓曲線元、緩和曲線元），將復雜多變的平面線型組合分解成逐個單元進行計算。具有如下特點： 
　　1）曲線組合自由、靈活、多變，不受傳統設計方法中線型組合形式的限制，常能直接表達設計人員的意圖。 
　　2）計算方法簡捷、方便、明確，便于應用計算機進行輔助設計和計算。 
　　3）積木法較適用于初步設計階段和施工圖設計 階段的平面線型設計，最適應于旋工放線測量計算，尤其是對互通匝道計算特別方便。 
　　4）積木法最大缺點是平面線型中某一線元發生變化，將導致整條路線的位置都要發生變化，曲線需重新計算，因而不便于線型的修改。 
　　2.3擬合法 
　　所謂“曲線擬合”，簡單講，就是如何將給定的一組數據（型值點）用一條光滑曲線連接起來的問題。根據擬合曲線對型值點接近程度的不同，擬合問題可分為“插值”和“逼近”兩種類型。如果要求擬合曲線通過各型值點，則稱為曲線“插值”；如果只要求擬合曲線以某種程度接近各型值點，則稱為“逼近”。 
　　常用的擬合曲線有：圓弧樣條曲線、三次B樣條曲線、局部坐標下三次樣條曲線、三次參數樣條曲線。 
　　工程實踐中所使用的擬合曲線，除應具有幾何不變性質外，一般還需具有下列品質：①光滑性：一般要求擬合曲線至少具有二階連續性； ②凹凸性：根據型值點確定的曲線要素，應保持型值點所具有的凹凸狀態； ③精確性：由擬合構造出的曲線要通過或比較近地逼近所給定的型值點。 
　　2.4綜合法 
　　綜合法是將擬合法和積木法的優點加以綜合應用，揚長避短，實現由擬合線形向傳統線形轉化的一種曲線型設計方法。其基本思路是：先對路線布設過程中確定的控制點進行樣條曲線擬合設計，生成一條滿足約束條件的光滑曲線，并沿路線前進方向求出一定間隔點處的曲率，生成擬合曲線的曲率圖；由人工或計算機對擬合曲線曲率圖進行“規則化”處理，得到與公路平面線形組合模式相一致的曲率圖，據此推算出對應曲線單元的設計參數值；最后利用積木法進行曲線計算與敷設，繪制出公路平面線位圖。 　　綜合法將曲線擬合與線元設計有機結合起來，具有靈活、方便、易于控制的特點；這種設計方法的核心是兩種曲線曲率圖之間的轉換；三次B樣條擬合函數是逼近函數而不是插值函數，若要求生成的擬合曲線嚴格通過控制點或經濟點，最好對輸入的控制點作一些技巧上的處理或采用三次樣條擬合；另外， 曲線敷設和計算也可以采用前述積木法中的直線、緩和曲線、圓曲線單元進行；應用這種方法，曲線的擬合過程可用于路線或匝道的方案布線，而在此基礎上進行的“Ls+Ly”線元計算過程又能很好地應用于路線施工圖設計和施工放樣，因此，對于公路路線設計而言，綜合法具有較好的應用價值。 
　　2.5弦切線法 
　　對于路線平面線形而言，其基本構成單元無外乎是圓曲線（直線）和緩和曲線。一段圓曲線的終點，可認為事其弦長（弧長）在相應的方向上的延伸所構成的：一段緩和曲線的終點，課認為是由其方向和距離所構成的。因此，在一段路線的起、終點坐標和切線方向固定的情況下，便能容易的求出坐標增量、方位增量的計算式，進而得出各曲線參數。設計人員只需在地形圖上根據線形技術標準要求、地形和地物及環境約束情況，確定構成路線或匝道線形單元的弦線、半徑等，并計算切線長度，確定曲線單元位置。這種當導線確定后，如何取舍放坡點，形成路線導線和交點，并使導線長度滿足相應技術要求的方法即為弦切線法。 
　　特點：弦切線法采用一系列的直線構筑路線的具體走向和方位， 總體上給人以直觀明了的印象，設計人員操作簡單方便；各種曲線類型已知參數值（如曲率半徑等）可以在地形圖上初步擬定；終點或中間點的控制條件會影響到整條路線的幾何布置，；整條路線線位合理與否，關鍵取決于各弦線長度、位置及各弦線之間的相互關系，而這些在線形布置和曲線敷設之前都帶有一定的盲目性。 
　　2.6閉合導線法 
　　在公路平面設計時，常常會遇到一些特殊的設計問題，如一些立交匝道、道路中間帶、居民區道路線形設計，需采用曲線的復雜組合連接兩條主線。針對上述情況，可將兩條主線、匝道當成一個封閉的線路分析。根據閉合導線邊長及角度之間的內在幾何關系，設計出組合復雜的平面線形，即為閉合導線法。 
　　閉合導線法具有通用性、簡潔性及易于程序操作計算的特點，容易被技術人員接受，而成為公路工程及測量工作的一種有用的工具；閉合導線法盡管借助導線來進行計算，但就其路線幾何布置方式和計算方法而言，仍然是工程師們在圖紙上直接擬定圓弧參數及其組合形式，因而是一種典型的曲線型的設計方法；由于閉合導線法不適用于帶緩和曲線的平面曲線組合，因此，這種方法僅能作為公路平面線形設計的一種輔助方法加以運用。 
　　2.7端點受限法 
　　顧名思義，端點受限是指組合形式已知的某段平面線形的起、終點的位置坐標（x，y）、方位角 和曲率半徑R給定或受到限制。端點受限法完全擺脫了導線模式和繁雜的幾何推導，其數學模型簡潔、精確、統一和通用；同時解決了線形參數自動求解計算和線形自動定位計算這兩類主要設計計算問題，便于應用和交互式圖形CAD軟件開發，而不必關心所設計線形的組合形式的復雜性，從而提高了設計的自動化水平。 
　　3 其他曲線型設計方法 
　　主要有BP神經網絡法、CBR法和圓弧移動法。這三種方法目前應用較少，筆者也不甚了解，只做初步的特點說明。 
　　3.1 BP神經網絡法 
　　BP神經網絡能很好地逼近和模擬線位約束條件與線形參數之間的依存關系，由輸出結果所得到的線形可很好地逼近所給的控制點位。因此，BP神經網絡方法是一種用于平面布線的快速、有效的輔助方法。當然，應用這種方法的前提和關鍵是選取合適的樣本集來訓練BP網絡。 
　　3.2 CBR法 
　　CBR方法體現了人工智能原理和方法，將別人的設計經驗以樣本集或事例庫的形式保存下來，以便于指導相似的設計，減少甚至避免人工多次試探和調整，從而提高設計的自動化和智能水平。 
　　3.3 圓弧移動法 
　　圓弧移動方法作為曲線型設計方法的有效輔助手段，易于在交互式圖形CAD軟件系統中實現，充分發揮交互式圖形設計功能，以輔助各種曲線型設計方法的應用，減少設計中的盲目性，從而提高設計效率。 
　　4 結束語 
　　采用不同類型的平面線形設計方法進行公路選線、設計，都要處理好線形與地形、環境及行車要求的關系。應根據直線基本型和曲線型（曲直法、擬合法、積木法、綜合法、弦切線法、閉合導線法、端點受限法、BP神經網絡法、CBR法、圓弧移動法）等不同線型設計方法的特點合理采用不同方法，提高道路平面線形設計的質量。本文分析了道路平面設計方法的原理及特點，這些方法的提出，為設計人員在選線過程中合理協調各種影響因素、解決設計主要矛盾提供了有益的參考。 
　　參考文獻： 
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