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交通行业中的ＣＡＤ应用 程景云 上海海运学院 张叔辉交通部科技司程景云 |
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编者按 本期专题介绍了我国交通运输部门（包括公路、水路和海洋运输）的计算 机应用情况，由四篇文章组成，分别是： １．交通行业中的ＣＡＤ应用 ２．交通运输经济信息系统发展概况 ３．交通部门ＣＡＤ工程的任务与实施 ４．结合港情狠抓应用——上海港ＭＩＳ系统稳步发展 一、引言 交通运输业作为对国民经济发展具有全局性、先导性影响的行业，是我国较早应用Ｃ ＡＤ技术并取得成就的重要行业之一。 尽管在由铁路、公路、水路、管道、航空等组成的现代化综合运输体系中，铁路无疑 地占有特殊重要的地位。但是公路、水路交通运输由于自身的特点，具有愈来愈突出的优 势。例如，公路运输已成为国内客运的主要方式，１９９２年底公路客运量和旅客周转量 已分别占全国客运量和旅客周转量的８４．７％和４４．８％。水路中的远洋运输业是我 国对外贸易和国际运输的主力。１９９０年全国海、陆、空进口货运总量已突破２亿吨， 其中９０％是远洋运输完成的。 由上可见，改革开放１４年来，交通运输业和基础设施建设有了一个突飞猛进的发展 。但对于整个国民经济发展的需要来说，交通还处于滞后状态。随着国民经济的迅速增长 ，交通运输已经出现了全国紧张的状况，压船、压港、压货现象仍然严重，交通基础设施 超负荷运输。为了尽快改变“薄弱”、“滞后”、“瓶颈”状态，实现“到２０００年， 交通运输基本适应国民经济和社会发展的需要”这个总目标，交通部制定了到２０００年 交通运输上新台阶的若干指标。并制定了发展公路、水路交通的长远规划，即：从“八五 ”开始，用几个五年计划的时间，在发展以综合运输体系为主轴的交通业的总方针指导下 ，统筹规划，条块结合，分层负责，建设公路主骨架、水运主通道、港站主枢纽及其相应 的支持保障系统，以适应国民经济和社会发展的需要。这个长远规划，简称“三主一支持 ”。在这个规划中，公路建设的重点是“五纵七横”国道主干线系统，大约花３０年时间 ，形成以高速公路和一、二级汽车专用公路为主组成的快速通道，总里程约为３．５万公 里。而水路建设的重点一方面是到２０００年，将目前的沿海港口吞吐能力翻一番，主要 货种装一卸一运的能力达到相互平衡，粮食、水泥等大宗物资达到散装专业化运输。另一 方面，内河航道应建成１０００吨级航道为骨架，三五百吨级航道为基础，于支直达，河 海贯通，设备配套，技术先进和管理科学的内河航运体系。到２０００年，通航１０００ 吨级和三五百吨级驳船船队航道分别达到１万公里和２万公里。 二、交通行业中的主要ＣＡＤ系统 １．公路工程ＣＡＤ系统 １９８４年，交通部公路规划设计院与美国路易斯·伯杰工程公司合资建立华杰工程 咨询公司，相继从美、德等国引进了包括ＡＰＯＬＬＯ图形工作站等硬件设备和路线平、 纵、横断面设计与优化程序、ＣＡＮＤＩＤ图形系统等总计近２０万条源程序的成套的先 进实用的公路路线ＣＡＤ技术，为我国公路工程和交通行业大规模使用ＣＡＤ技术作出了 开创性的贡献。 从１９８６年开始，由交通部公路规划设计院、东南大学等６个单位的３０多位工程 技术人员和教师组成攻关队伍，进行国家“七五”重点科技攻关项目《高等级公路路线综 合优化和ＣＡＤ系统》（简称路线ＣＡＤ系统）的开发工作。经过３年的努力，系统的成 果分几个阶段交付生产实用，并通过国家鉴定和验收。在ＡＰＯＬＬＯ图形工作站上开发 的该系统包含采用航空摄影测量或带有自动记录器的电子仪器的地形数据采集——数据的 直接传输进入计算机——生成数字地面模型——人机交互地进行路线平、纵、横断面设计 与优化和人工构造物的设计——图和表的屏幕编辑，并最终完成图纸的绘制，以及工程造 价分析等成套ＣＡＤ技术。系统已初步在沪嘉、西临、广佛、京石等１０多项高等级公路 建设中应用，并推广到１０多个省级公路设计院。工程实践表明，路线ＣＡＤ系统能够覆 盖路线设计内业工作量的６０％～７０％，提高设计效率３～５倍，提高绘图效率２０倍 以上，节约工程造价２％～３％，采用路线平面和纵面的优化技术能节约路基土石方工程 量５％～１０％。在该系统的推动和影响下，目前全国３个部级公路设计院和２／３以上 的省级公路设计院普遍掌握了路线ＣＡＤ技术，并分别装备了两台以上的超级小型计算机 工作站及外部设备组成的ＣＡＤ硬件环境，其它省级公路设计院和省级以下的公路设计和 施工单位也大多装备了微机工作站和从事ＣＡＤ设计工作。 “八五”期间，将继续进行公路路线ＣＡＤ系统二期工程的开发。进一步开发ＧＰＳ 全球定位系统在公路测设中的应用技术，利用航测技术及遥感技术搜集公路沿线生态、地 质、水文资料及采集地形地物数据，利用ＧＰＳ全球定位系统与全站速测仪进行野外数据 采集，完善路线设计与航测对接技术。开发由高速公路安全、监控、通信、计费等子系统 组成的交通工程ＣＡＤ系统，开发高速公路路网和路段的交通流量宏观仿真、交通事故预 测、效益评估模型等技术。今后，要着重开发公路动态仿真和立交三维透视技术、公路选 线和线路评价专家系统、路基路面综合设计专家系统等，使公路路线ＣＡＤ系统上一个新 台阶。 由于上述公路工程ＣＡＤ系统的开发，大大提高了我国公路的测设能力，使广大设计 人员从繁重的手工劳动中初步解放出来。据统计，一个具有１００～２００设计人员的单 位，用手工方法每年只能完成约１００～２００公里公路的勘测设计任务。而采用ＣＡＤ 技术后，设计效率能提高５～２０倍，除设计质量大大提高以外，还可以使设计能力得到 明显的补充。据专家们分析估计，目前我国公路工程ＣＡＤ技术的总体应用水平已进入世 界先进行列，并基本适应和满足“八五”、“九五”新增公路２０万公里的发展需要。 ２．公路桥梁ＣＡＤ系统 随着我国公路建设，尤其高等级公路的迅速发展，导致路线上桥梁的比例增加，特别 是大桥、弯坡斜桥的数量增加给设计工作带来新困难。目前国外有不少结构工程ＣＡＤ商 品软件，如Ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈ、ＣＡＤＤ、ＣＶ、Ｃａｌｍａ、Ｄｏｇｓ等图形系统 中均包含综合的结构工程软件，但都不能直接用于桥梁设计。有的部门研制了一些中小跨 桥的自动设计软件，如美国宾州Ｍｉｃｈａｅｌ Ｂａｋｅｒ公司研制的ＢＲＡＤＤ－２ 、ＢＯＳ等可以绘出中小跨桥的施工图，但是只适用于工字梁、密布箱梁等，有很大局限 性，而且规范设计习惯不同，不适合我国需要。 欧洲、日本等发达国家也都是由某些公司为自身生产需要而研制专用的桥梁绘图软件 ，但均不作为商品出售。我国的许多设计院也分别研制了一些中小桥梁设计软件，如简支 Ｔ梁、板梁、排架墩、轻型桥台等，可以用于某些桥梁设计中。 １９８６年，交通部组织了同济大学、公路规划设计院、重庆公路科学研究所等单位 联合研制“七五”国家重点科技攻关项目《高等级公路桥梁计算机辅助设计系统》（简称 桥梁ＣＡＤ系统ＪＴ－ＨＢＣＡＤＳ）。自１９８６～１９９０年，软件的研制工作量为 １５０人年。１９９１年推出了１．０版本，共有源程序２６万条。ＪＴ－ＨＢＣＡＤＳ 是在ＡＰＯＬＬＯ、ＨＰ－ＡＰＯＬＬＯ等工作站上开发和运行的大型集成化的桥梁ＣＡ Ｄ软件系统。按照桥梁设计的特点，它分为桥梁结构布置、桥梁结构有限元分析、桥梁施 工详图设计、桥梁工程造价分析等子系统。它可以拟制草图、拼装三维模型、进行强度检 验及作常用中小桥自动设计等，能覆盖整体桥梁设计内业的５０％。 “八五”期间继续开发的桥梁ＣＡＤ系统二期工程，将着重开发大跨度和弯坡、斜桥 的ＣＡＤ技术、桥梁结构与设计参数的优化技术、新型桥梁结构理论与计算，以及桥梁设 计专家系统等。要求提高设计效率３～１０倍，降低工程造价５％～１０％，进一步提高 内业工作的覆盖面，提高软件的友善性，逐步实现智能化的桥梁ＣＡＤ系统。 ３．水运工程ＣＡＤ系统 从“六五”开始，国家十分重视沿海沿江港口码头的建设，１０年中增加万吨以上的 深水泊位近１００个。随着国际市场的开拓以及国内进一步对外开放，港口工程将持续得 到新的发展，如果不及时开发港口工程ＣＡＤ系统的话，我们就难以跻身于国际市场，也 难以应付国内港口建设的需要。由于港口工程涉及专业广、投资密度高、设计周期短，其 ＣＡＤ系统涉及的内容多、难度大，既不可能从国外引进，也不可能依靠国内专门的软件 公司来开发这种销售量极低，要求却很高的ＣＡＤ系统。 “七五”期间，在交通部有关部门的支持下，加上各设计院领导的高度重视，在由世 界银行贷款购买的一批ＭＶ－８０００Ⅱ超小型机ＣＡＤ系统的基础上，经过开发人员的 共同努力，港口工程ＣＡＤ取得了可喜的成果。仅由交通部ＣＡＤ工程组织的项目而言， 就有第二航务工程勘测设计院主持开发的国家“七五”重点科技攻关项目《大直径桩连片 式码头ＣＡＤ系统》。该系统开发出一套大直径桩连片式码头的结构总图、大直径预应力 钢筋混凝土管桩及钢筋混凝土大空心板、钢筋混凝土微弯板、后张预应力钢筋混凝土Ｔ形 梁成图及工程计算机等程序；由水运规划设计院、第三航务工程勘测设计院合作开发，上 海海运学院参加的部重点攻关项目《港口工程ＣＡＤ系统》，其内容涉及港口总平面布置 、煤炭进口码头装卸工艺、高桩梁板式码头结构的初步设计中各种计算及其成图系统、水 工概算、港口工程经济效益分析等。由各院自行开发的如：一航院、四航院、四航所等单 位在重力式码头ＣＡＤ方面做过许多工作；一航院、长航院、三航院等单位在地形测量成 图方面有较大进展；三航院还在港口平面布置ＣＡＤ方面做了一些工作，并在实际工作中 得到较多的应用；二航院、三航院、四航院各自开发的《港口工程经济效益分析》也在各 自的工程项目中得到了应用；四航院与河海大学合作在高桩梁板式码头的结构优化方面做 了一些工作；二航院、长航院、一航院、三航院在支撑软件的开发方面都取得了可喜的进 展；二航院、三航院对地质剖面图方面都有显著成果；二航院在结构优化方面也做了不少 有益的工作……。所有这些成果在不同程度上为工程设计做出了成绩，产生了实际效果。 以三航为例，由于ＣＡＤ技术的开发进一步促进了计算机的应用，自１９８８年到１ ９９０年底的３年里共有１００多项工程设计中应用了ＣＡＤ技术，出图达到２４００张 （２号图为主）。１９９１年出图量已达３０００多张，计算机出图量占全院出图量的比 例已从１９８８年的３％上升到２７％，经常出现两台绘图机从上班开始一直工作到晚上 １０点的繁忙景象。应用专业面已涉及到港口总平面、水工结构、建筑、土建结构、道路 桥梁、电气、概预算、经济分析、管道等该院的全部专业。在涉外工程中，应用ＣＡＤ技 术进行设计的澳门国际机场跑道工程在国际竞争中夺标，接着又接到了澳门未来的科学城 城址、路凼填海造地工程、澳门纺织厂、惠州玩具厂等工程，为该院涉足国际工程提供了 必不可少的技术基础。在国内的工程中，ＣＡＤ技术也发挥了很大作用。例如，著名的上 海外高桥新港区的码头工程、上海外高桥电厂码头工程，由于采用了该院开发的ＧＬＢＣ ＡＤ系统和ＭＰＣＡＤ系统，使初步设计的进度至少提早了１个月，为实现１９９１年７ 月１日正式打桩立了功。该院通过实际工程投标深刻体会到ＣＡＤ的重要作用，已经把优 先发展ＣＡＤ技术，列为该院科技进步的一项基本“院策”，从而使得该院的ＣＡＤ开发 应用进入了良性循环。 “八五”期间，将在各设计院普遍推广应用“七五”开发的成果，让ＣＡＤ成果真正 在生产实用中发挥作用，同时将继续扩充完善功能，结合各设计院的特点，开发一个个相 对独立的、小而全、使用方便灵活的ＣＡＤ系统。其中要重点开发常用梁板式和重力式码 头系列的ＣＡＤ系统；开发集装箱码头工艺ＣＡＤ系统、件杂货码头装卸工艺ＣＡＤ系统 ，乃至多用途码头的装卸工艺ＣＡＤ系统，逐步形成一整套较完整的港口工程装卸工艺Ｃ ＡＤ系统；开发水工结构标准构件图库。如高桩梁板式码头上用的预制预应力钢筋混凝土 桩、预制钢筋混凝土纵梁、预制钢筋混凝土面板、码头横梁、靠船构件、挡土墙等。 为了适应内河航道建设发展的需要，“八五”期间将开发以通过３００、５００、１ ０００和２０００吨级船舶为主要对象，可供实用的船闸工程初步设计的ＣＡＤ系统。系 统将由水文、地质数据分析处理、总体布置、输水系统、闸首闸室结构、上下游引航道等 子系统组成，将能完成内河船闸初设工作量的４０％，使设计周期缩短１／５～１／３。 ４．港口装卸机械ＣＡＤ系统 随着近年来改革开放步伐的加快，我国航运业已跃居世界先进行列，因此与港口运输 紧密相关的港口装卸机械行业也得到了迅猛发展，其产品如集装箱装卸桥、卸船机等不仅 在国内供不应求，而且已经打入国际市场。显然，目前以手工设计为主的状况已经远远不 能满足生产实际和国际竞争的需要。优先发展ＣＡＤ技术已经成为该行业技术进步的紧迫 任务。 “七五”期间，由武汉水运工程学院、长江船舶设计院承担，上海海运学院、大连理 工大学等参加的“七五”国家科技攻关项目《内河中小港用起重机研制及其ＣＡＤ系统》 取得了较大的成绩。该系统由系统管理、起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构、金 属机构、电气设计、文档报表、优化设计、常用机械零部件等子系统组成，其中包括内部 功能模块和子模块达７００余个，数据库及数据文件达２６０余个，全部源程序达１５万 行，是我国在微机上开发的规模较大的机械产品ＣＡＤ系统之一。用该系统设计的内河３ ．２吨、５吨、１０吨起重机均在生产实践中发挥了较好的效益。最近该系统已成功地移 植到ＶＡＸ－Ⅱ小型机工作站上。 此外，由交通部水运科学研究所承担的《集装箱装卸桥ＣＡＤ系统》，上海港口机构 械造厂研制的《传动机构辅助设计系统》等均已投入运行。 “八五”期间，将进一步完成港机中几种典型的港口装卸机械产品的ＣＡＤ系统。例 如，在现有固定式旋转起重机总体方案设计的基础上，实现门座起重机和装卸桥总体方案 及机构布置的决策系统，以及门座起重机主臂架、装卸桥主梁等结构体的轻量化设计。要 求能提供１０～３０吨门座起重机和装卸桥全套图纸与标准件，使承担的设计工作从５０ ％提高到７０％，设计周期比传统的手工设计缩短２／３，机械自重减轻５％～１０％。 ５．内河船舶ＣＡＤ系统 与我国造船工业的迅速发展相适应，我国船舶ＣＡＤ技术的研究水平令人瞩目，中船 总公司组织开发的计算机辅助造船工程ＣＡＳＩＳ一期和二期工程是国内重要的ＣＡＤ系 统。相应地，主要承担内河船舶设计和研究的交通部单位，例如上海船舶运输科学研究所 、武汉水运工程学院等也较早开展了内河船舶ＣＡＤ的研究工作。 “七五”期间，上海船舶运输科学研究所承担了《计算机辅助船型论证系统ＣＡＳＥ Ｓ》的研制。它的开发环境是ＡＰＯＬＬＯ工作站和ＣＡＬＭＡＤＤＭ图形软件，以及Ｉ ＢＭ ４３４１机和ＳＱＬ数据库管理系统等。它包括船型政策、船队规划、船舶技术经 济论证、船舶方案设计等子系统，以及一个船型论证综合数据库。各子系统的主要功能分 别是： ·船型政策的任务是从国民经济发展情况出发，根据我国海上运输现状及发展趋势， 进行分析归纳，通过优化计算确定若干货种的运输船舶应当淘汰的船型，需要保留的船型 及有待发展的船型。 ·船队规划的任务是在航运政策研究的基础上，对各航线的货源情况进行预测，确定 运力配备，以此进行若干运输船舶的船队组成规划，并进行投资估算。 ·船舶技术经济论证的任务是在确定航线、运量及运营条件前提下，设立一批船型方 案，进行各方案的技术经济指标计算，通过对指标计算结果综合评价，即多目标优化选择 一个或数个满意的船型方案作为设计基础。 ·船舶方案设计的任务是在通过论证获得的船型方案的基础上，生成具体的船型（线 型图）进行总布置、结构、动力装置、舾装等项方案设计，完成船舶基本的性能计算，得 到精确的技术指标，并在绘图机上输出方案设计的图纸。 我国江河湖泊纵横密布，水运条件异常复杂，决定了内河船舶的船型复杂，方案多变 ，加之生产厂家多属中小船厂。因此，在应用和推广ＣＡＤ技术上遇到许多困难。针对上 述情况，武汉水运工程学院从１９８２年开始，支持开发建立在微机上的内河船舶ＣＡＤ ／ＣＡＭ系统，主要用于长江大中型客轮方案设计，取得了很好的应用效果。最近，他们 又初步建立了《长江大中型客船甲板布置设计专家系统》，实现了ＣＡＤ技术与专家系统 技术的结合。 “八五”期间，为了配合研制面向长江、珠江、黑龙江三大水系主干线的内河高速客 船的需要，由上海船舶运输科学研究所等单位组织力量，进行“八五”科技攻关项目《内 河客船ＣＡＤ系统》的开发。要求能由计算机有效地承担内河客船的技术经济论证、初步 设计及部分详细设计工作，总出图率将达到３０％～３５％，详细设计工作达到２５％。 ６．ＣＡＤ支撑软件系统 ＣＡＤ支撑软件是介于操作系统等计算机主要系统软件和ＣＡＤ应用软件之间的基础 性软件，它主要包括图形系统、数据库、总控和用户接口、计算分析支撑软件及有关软件 工具等。目前它已经成为国内开发ＣＡＤ系统的最为薄弱的环节，除少数软件（例如有限 元分析计算、数学软件包等）已经国产化外，大部分仍依靠进口，既花费大量外汇（目前 每个大型图形系统约１～２万美元左右），又容易引起版权纠纷、知识产权保护等问题； 另外由于引进的软件五花八门，依赖于特定的硬软件环境，严重地束缚了我国ＣＡＤ软件 的标准化、实用化和商品化的发展。因此，近年来机电部、中船总公司、中科院ＣＡＤ开 放实验室、清华大学、北京航空航天大学、浙江大学等单位均投入较多的人力、财力，研 制国产化的ＣＡＤ支撑软件，在图形系统及图形库管理系统等方面取得了较大进展。 “七五”期间，交通部委托上海海运学院进行了《交通部ＣＡＤ工程支撑软件》的开 发工作。它是一个以工程数据库管理系统为核心的综合软件开发环境，由９个子系统组成 ，分为工程数据管理、用户接口和总控柜架管理、工程规范管理、编程工具、软件开发规 范５个大的功能模块。其中，以用户接口生成和管理系统ＵＩＧＭＳ和工程规范管理系统 ＥＣＯＭＳ最具特色，它们的开发过程严格地遵循了软件工程的思想和原理，在开发初期 ，瞄准了国内外的先进技术，认真解剖了国外的先进软件，注意原型化、实用化、商品化 各阶段之间的衔接，采用各种措施保证了开发队伍的稳定和开发工作的连续性。 “八五”期间，国家科委组织的国家“八五”科技攻关《ＣＡＤ应用工程》将ＣＡＤ 支撑软件的产品化、国产化、系列化列为主要的攻关内容之一，并委托交通部继续进行用 户界面和工程规范库管理系统的实用化、完善及商品化开发工作。 ７．智能ＣＡＤ系统 随着人工智能技术在工程设计中的应用日益增长，出现了许多设计型专家系统及其开 发工具，它们是所谓未来的智能ＣＡＤ系统的雏型和先驱。 “七五”期间，交通部一些单位在现有的ＣＡＤ软件的基础上，开展了适当引进人工 智能技术以改善原有的ＣＡＤ系统性能的工作，取得了成功的经验。例如，武汉水运工程 学院研制的机械零件设计专家系统、长江大中型客船甲板布置设计专家系统、上海船舶运 输科学研究所的专家系统技术在船型优化论证中的应用等，均在主要设计指标方面达到了 人工专家初步设计的水平，初步实践了ＣＡＤ技术与ＡＩ技术的结合。 “七五”期间交通部还承担了国家自然科学基金重大项目《工程建设中智能辅助决策 系统实用研究》中的三个子课题的开发工作，即东南大学承担了《公路路线设计方案生成 专家系统》，上海海运学院承担的《港口装卸工艺设计专家系统》和《基于知识的工程规 范管理系统》。前两个系统属于工程设计型专家系统，它们针对公路选线和港口装卸工艺 设计的特点，将整个设计过程分成若干阶段，采用循环反复的控制流程，采用框架和产生 式规则为主的知识表示，提出了以生成评判体现各个阶段乃至全过程的设计型工作的方法 ，在生成与判断之间合理地分配知识并对知识进行分块和分类处理。 后一系统实质上是研制一个独立的共享知识库管理系统，它采用以决策表为主的多串 知识表示方法，建立包含规范文本、图形等知识的规范条文知识库以及包含规范内容的组 织和分类等知识的规范组织知识库，要求该系统不仅能承担一般的查询、录入等功能，而 且能检验工程师已经完成的设计或已解答的问题的答案是否符合规范的要求，确定一个工 程设计或其它工程问题按规范要求应该满足的各个约束条件。 （计算机世界报 1994年 第9期） |
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