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机场净空区CAD系统设计

2020/4/28    来源:百度文库    作者:董秀萍  黄明吉  张媛      
关键字:净空区  三维地形  CAD  
某机场的实例表明,该专用CAD系统可简化繁重的计算和出图工作,对促进机场净空区设计具有参考价值。
0 引言
 
       机场净空区是为保证飞机起飞、着陆和复飞的安全性,在机场周围划定的限制地貌、地物高度的空间区域,其好坏直接关系到飞行安全。为保护机场净空,国务院于2001年颁布新的《军用机场净空规定》,提出净空区各处地形地物的许可高度,即现行机场净空规格。新规定的机场净空区由升降带、端净空区和侧净空区等3部分组成(见图1),其范围和规格根据机场等级确定。

新规定的机场净空区

图1 新规定的机场净空区
 
       升降带是为保证飞机起飞、着陆和滑跑安全而划定的区域,其宽度范围以跑道中线为基准两侧各100m,长度范围以跑道端线为基准向外各延伸100m。端净空区是为保证飞机起飞、爬升和着陆下滑安全限制物体高度的空间区域,长度由端保险道头起算,宽度由跑道头中点两侧各150m处、以平面15°角向外扩展至3km。侧净空区是从升降带和端净空区限制面边线开始,至机场净空区边线所构成的限制物体高度的区域,由过渡面、内水平面、锥形面和外水平面组成。过渡面是由跑道中线两侧各150m处和两端净空边线起始,按规定的坡度向外倾斜,直至与相对应的内水平面和锥形面相交的区域;内水平面和锥形面分别以跑道两端保险道中点为圆心,以规定的半径向外作半圆,以与跑道平行的两条直线相切形成近似椭圆形。
 
       为保障飞行安全,机场设计和管理人员常常采用手工作图法进行分析计算。由于计算复杂、容易出错,而且修改过程繁琐、工作量大,国内目前还未见净空区计算机辅助设计相关文献报道。研究构建三维净空区模型和机场实地三维地形的方案,但没有把两者集成到统一的设计环境中,只是简单的手工交互式操作3D Max软件进行建模,同时也不能对复杂形式的跑道进行参数化设计和自动出图。本文重点研究三维地形模型的创建方法,在该模型基础上可实现净空区参数化设计,并开发出相应的集成CAD系统,在集成设计环境中通过比较地形模型和净空区的三维模型,可以直观评价机场设计的可行性,实现自动出图。该系统还能够直接计算出相关的土石方量,其精度明显高于人工计算,工作效率显著提高。
 
1 系统功能架构
 
       系统架构见图2,其中净空区参数化三维建模和地形三维建模是系统主要的功能模块,其他功能都基于该三维模型。

系统架构

图2 系统架构
 
2 地形与净空区三维建模技术
 
       2.1 系统开发环境
 
       ObjectARX是Autodesk公司继AutoLisp,ADS,VBA和Visual Lisp之后推出的开发工具。通过微软的VC++集成开发环境能够操作AutoCAD的内部数据,而AutoCAD具有开放的体系结构和强大的基于面向对象的技术,ARX提供丰富的具有工业标准的API函数库,通过ObjectARX能够扩展AutoCAD的功能.通过微软的基本类库(MFC)还可以访问Windows的核心结构,具有运行速度快和保密性好等特点,适合大型、复杂或设计量大的编程。采用该平台可让系统开发者专注于自己专业领域的计算机辅助设计工作,而不用考虑绘图和显示等普通操作。系统采用ObjectARX和VC++6.0对AutoCAD进行二次开发,完成数字地形的三维构网和净空区的三维设计建模及出图。
 
       2.2 三维地形优化构网
 
       离散数据三角曲面插值技术是CAGD领域的1个研究热点,它主要包括离散数据的三角剖分和整体光滑曲面构造2部分。这种基于三角形网格的插值曲面的逼近误差与三角区域的最小内角有关,避免过尖的三角形能提高逼近精度。因此,在生成三角形网格时要尽量提高三角形的品质,其中尤以正三角形最为理想。地形测量获得的数据往往都是没有显式拓扑关系的云状数据,测量数据量往往高达几兆甚至几十兆,如果逐点通过测量数据构造三角形网格,不但耗时、占用存储空间大,也会不可避免地产生畸形三角片,为后续工作带来困难。如果沿用传统的插值方法生成三角形网格,将遇到难以克服的困难。主要表现在以下3个方面:(1)三角片的建立必须在庞大的测量数据里搜寻三角形顶点,对于散乱点群数据,顶点搜寻非常耗时;(2)庞大、密集的测量数据必然产生密集微细的三角片,信息冗余,并为后续工作(如三边曲面片插值)带来困难;(3)三角形顶点连接造成的多义性、三角形拟合误差和逼近精度表示不明确,致使网格拟合时三角片数量无法减少。
 
       三角形构网的方法很多,其中Delaunay三角网为最优的构网方法,它满足最小角为最大的原则,可尽量避免狭长三角形的出现。因此,系统结合开发实践对快速优化构网进行研究,提出基于栅格的散点组织方法和基于三角形的数据结构。其中三角形的数据结构主要涉及三角形顶点(Vertex)、三角形边(Edge)和三角形(Triangle)等3个拓扑层次,在核心算法实现中主要数据结构如下:
 
       typedef struct Triangle{//三角形
 
       Adesk::Ulnt32 address;//AutoCAD保存,重建链表时用
 
       int id;//标志,用于在算法实现时作标记
 
       Vertex*n[3];//三角形三顶点,逆时针存放,隐含记录了3条边
 
       struct Triangle*pre,*next;//pre指向前一三角形,next指向后一三角形
 
       struct Triangle*adjacent[3];//三邻接三角形,逆时针存放
 
       int edge_flag[3];//边标志
 
       int draw_flag[3];//绘制标志
 
       POINT_2D center;//外接圆的圆心坐标
 
       doubler;//外接圆半径
 
       }
 
       typedef struct Vertex{//顶点
 
       Adesk::Ulnt32 address;//AutoCAD保存,重建链表时用
 
       int id;//标志,用于在算法实现时作标记
 
       double dist;//距离平均平面的距离
 
       int row,col;//在栅格中的行、列索引值
 
       doublex,y,z;//坐标
 
       struct Vertex*pre,*next;//pre指向前一顶点,next指向后一顶点
 
       struct con_vertex*con_node;}//与之连接的其他点
 
       }
 
       基于三角形的数据结构为全局优化构网、局部优化网格重构、平坦三角形修改和特征线显示(如净空区与地形的交线)提供强有力的保证。
 
       2.3 净空区锥形面建模
 
       根据各条跑道的端点求出能包含所有端点的多边形P,多边形的构造过程见图3。

锥形面构造过程

图3 锥形面构造过程
 
       图3(a)中数字所示为3条跑道的端点。点1和2,点3和4及点5和6分别组成跑道1,2和3。最终求出的多边形P见图3(b),点5被忽略。然后由该多边形P的每个顶点画圆弧,相邻2个圆弧以相切的直线连接起来,见图3(e),得到的多线段创建面域。先向上拉伸出高为内水平面高(H1)与锥形面高(H2)之和(H1+H2)的实体M1,再向下拉伸出高为H2的实体M2,并且锥形角度为锥形面坡度。将M2上移H1的高度,此时M2与M1的上表面相平,M1做布尔运算减去M2即为所要的锥形面,见图3(d)。
 
       净空区锥形面的构造最为复杂,其他面的构造方法基本上与之相似,在此不再赘述。
 
3 系统实现
 
       系统可以导入2种常见地面模型数据,即TIN格式数据和等高线格式数据,导入各种数据后统一转化成三角网格的数据结构并进行构网,见图4(a)和4(b)。系统根据地形任意设计跑道,可以是平行的,也可以是相交的多条跑道,系统根据机场等级相应生成参数化的净空区三维模型(见图4(c)),方便技术人员直观查看设计情况,相关参数见表1。根据已创建的三维地形模型和净空区模型自动生成符合用户需要的净空区平面图和剖面图,用户可任意指定剖面图的剖视位置。图5为系统自动生成的净空区平面图和剖面图。

某机场地形及净空区模型

图4 某机场地形及净空区模型
 
表1 净空区参数

净空区参数

净空区平面图和剖面图

图5 净空区平面图和剖面图
 
4 结论
 
       机场净空是机场选址、设计和管理等环节的重要组成部分,合理设计和确定机场净空区障碍物要求对保障飞机飞行安全和机场与周围城镇的和谐发展具有十分重要的意义。本文提出机场净空区专用CAD系统的功能框架,并采用ARX和VC++技术对AutoCAD进行二次开发,在AutoCAD环境下实现机场净空区专用CAD系统的各项重要功能,重点实现机场三维地形模型构网、各级机场净空区参数化设计及出图等目标。通过该系统可以方便完成净空区参数的输入并进行机场净空设计,测量障碍物到净空区的垂直高度。该系统可提高设计工作效率、且省时省力。同时,本文的研究对各类机场净空计算机辅助设计和管理具有参考价值。
责任编辑:程玥
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