基于自主编程平台创建民用机场附件十四面的方法及装置与流程

本发明涉及民用机场工程建筑信息模型，具体涉及基于自主编程平台创建民用机场附件十四面的方法及装置。

背景技术：

1、进近跑道障碍物限制面是保障机场飞行安全的关键三维空间约束要素。依据《国际民用航空公约》附件十四及我国《民用机场飞行区技术标准》（mh5001）的规定，不同类型的跑道需建立包括锥形面、内水平面、进近面、过渡面、起飞爬升面、内进近面、内过渡面及复飞面在内的八个障碍物限制面。mh5001第4.2节还规定，升降带在跑道两端应向外延伸一定距离（非仪表跑道30m，仪表跑道60m），过渡面与内过渡面应沿跑道全长（含端延段）连续生成。传统的人工计算方法需要设计人员逐点手工推算各限制面的边界控制点坐标，涉及大量重复性几何运算，计算周期长、容易出错且难以响应跑道方案频繁调整的工程需求。

2、civil3d作为autodesk公司推出的土木工程bim平台，具备强大的路线（alignment）、纵断面（profile）、曲面（surface）和点编组（pointgroup）建模功能。然而，civil3d原生环境并未提供机场障碍物限制面的专用建模工具。传统的civil3d二次开发需基于.net api进行com组件编程，虽然功能强大但开发周期长、技术门槛高，机场设计工程师难以快速掌握。dynamo是autodesk推出的可视化编程工具，内置于civil3d中，采用节点式图形化编程以降低开发门槛，但其原生节点库缺乏针对机场障碍物限制面的专用计算模块。

3、现有技术中，利用dynamo进行机场净空建模的尝试多局限于单一限制面的简单几何构造，缺乏系统性的计算架构，无法实现全部八个限制面的一体化自动生成与联动更新。此外，现有方法通常直接将dynamo生成的几何体导入civil3d，无法生成可参与后续净空判断的civil3d原生tinsurface曲面对象。

4、因此，亟需提出一种将附件十四几何规则系统性地转化为参数化计算模型的方法及装置，以填补行业内该领域的技术空白。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供基于自主编程平台创建民用机场附件十四面的方法及装置，以解决现有技术中，机场障碍物限制面建模效率低、参数调整响应慢、无法实现全类型限制面一体化自动生成的技术问题。

2、根据本发明实施例的第一方面，提供基于自主编程平台创建民用机场附件十四面的方法，所述方法包括：

3、在civil3d软件中建立跑道的平面线形模型及对应的纵断面模型，并提取跑道中心线的平面坐标信息和高程信息；

4、在dynamo平台中配置参数面板，输入跑道类别和飞行区等级指标，获取各障碍物限制面的几何尺寸与坡度参数；

5、以跑道入口为局部坐标系原点、跑道中心线方向为x轴正方向、y轴在水平面内垂直于x轴、z轴垂直于xy轴构成的水平面，建立局部坐标系；根据所述跑道中心线的高程信息以及各障碍物限制面的几何尺寸与坡度参数，在所述局部坐标系下获取各障碍物限制面的边界控制点三维坐标；

6、以所述跑道中心线的平面坐标信息为基准获取跑道中心线的方向单位向量，根据所述方向单位向量将各障碍物限制面的边界控制点三维坐标从所述局部坐标系转换至civil3d世界坐标系，得到世界坐标系下的各障碍物限制面的边界控制点三维坐标；

7、将所述世界坐标系下的各障碍物限制面的边界控制点三维坐标按所属的障碍物限制面的面域进行分组，得到各障碍物限制面所属的边界控制点三维坐标组；基于dynamo曲面生成节点，根据各障碍物限制面所属的边界控制点三维坐标组构建各障碍物限制面的三角网曲面，得到各障碍物限制面的三维模型。

8、优选地，

9、所述在所述局部坐标系下获取各障碍物限制面的边界控制点三维坐标包括：

10、在所述dynamo平台中分别建立各障碍物限制面的所属的独立计算子模块，每个所述独立计算子模块中包含所属障碍物限制面预设的参数化数学公式；

11、所述独立计算子模块之间通过dynamo连线传递结构化数据列表；各独立计算子模块采用所属障碍物限制面的几何尺寸与坡度参数，利用预设的参数化数学公式分别计算所属障碍物限制面的边界控制点三维坐标。

12、优选地，

13、所述以所述跑道中心线的平面坐标信息为基准获取跑道中心线的方向单位向量，根据所述方向单位向量将各障碍物限制面的边界控制点三维坐标从所述局部坐标系转换至civil3d世界坐标系，得到世界坐标系下的各障碍物限制面的边界控制点三维坐标，包括：

14、根据所述跑道中心线的平面坐标信息获取跑道起点坐标p0(x0，y0，z0)以及跑道终点坐标pn(xn，yn，zn)；

15、根据所述跑道起点坐标p0以及跑道终点坐标pn，采用四象限反正切函数计算所述方向单位向量在xy平面上的旋转角度theta，表达式为：

16、theta = atan2(yn-y0, xn-x0)；

17、对于局部坐标系下的任一边界控制点三维坐标p_local(x_local，y_local，z_local)，根据旋转角度theta获取在civil3d世界坐标系下的边界控制点三维坐标p_world（x_world，y_world，z_world），表达式为：

18、x_world = x0 + x_localcos(theta) - y_localsin(theta)；

19、y_world = y0 + x_localsin(theta) + y_localcos(theta)；

20、z_world = z_local。

21、优选地，

22、所述各障碍物限制面包括：锥形面、内水平面、进近面、过渡面、起飞爬升面、内进近面、内过渡面以及复飞面；

23、所述进近面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标的获取包括：

24、将所述进近面沿跑道中心线方向划分为第一段、第二段和水平段三个区段；以跑道入口为基准，根据所述进近面的几何尺寸与坡度参数生成八个边界控制点三维坐标，所述进近面的几何尺寸与坡度参数包括：进近面起始半宽b1、第一段长度ap_l1、第二段长度ap_l2、第一段扩展率ap_s1、第二段扩展率ap_s2、第一段坡度ρ1以及第二段坡度ρ2；

25、所述八个边界控制点三维坐标的计算表达式为：

26、p1 = point.bycoordinates(-b，b1)；

27、p2 = point.bycoordinates(-b，-b1)；

28、p3 = point.bycoordinates(-(b+ap_l1)，b1+ap_l1ap_s1，ap_l1ρ1)；

29、p4 = point.bycoordinates(-(b+ap_l1), -b1-ap_l1ap_s1，ap_l1ρ1)；

30、p5 = point.bycoordinates(-(b+ap_l1+ap_l2)，b1+(ap_l1+ap_l2)ap_s1, ap_l1ρ1+ap_l2ρ2)；

31、p6 = point.bycoordinates(-(b+ap_l1+ap_l2)，-b1-(ap_l1+ap_l2)ap_s1,ap_l1ρ1+ap_l2ρ2)；

32、p7 = point.bycoordinates(-(b+ap_lz)，b1+ap_lzap_s1， ap_l1ρ1+ap_l2ρ2)；

33、p8 = point.bycoordinates(-(b+ap_lz), -b1-ap_lzap_s1, ap_l1ρ1+ap_l2ρ2)；

34、式中，b为跑道起点到跑道入口的距离；ap_lz为进近面总长度，由第一段、第二段、水平段三个区段的长度以及跑道起点到跑道入口的距离b求和得到。

35、优选地，

36、所述内水平面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标的获取包括：

37、根据所述跑道中心线的平面坐标信息获取跑道中点坐标，根据所述跑道中心线的高程信息获取跑道中心线的平均高程；

38、以跑道中点坐标为几何中心，跑道长度为长轴方向，构建双圆心跑道形轮廓作为内水平面的底部边界，包括：在跑道中心线上距跑道中点坐标两侧各二分之一跑道长度处分别设置第一圆心和第二圆心，以指定半径r_bottom分别生成近端半圆弧和远端半圆弧，再连接两半圆弧的端点生成两侧公切线，形成封闭的双圆心跑道形轮廓；

39、沿所述双圆心跑道形轮廓按等角度间隔进行离散采样，生成n个底面边界控制点坐标；

40、所述内水平面的边界控制点三维坐标中，平面坐标为底面边界控制点坐标，高程统一为内水平面规定高度与所述跑道中心线的平均高程之和；

41、所述锥形面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标的获取包括：

42、以所述内水平面的边界控制点三维坐标作为所述锥形面的底部控制点的三维坐标；

43、所述锥形面的底部边界半径与所述内水平面半径相同，均为r_bottom；获取锥形面的垂直高度h_cone，以及获取所述锥形面的坡面与内水平面的夹角alpha_cone；根据所述指定半径r_bottom、锥形面的垂直高度h_cone以及夹角alpha_cone获取锥形面顶部边界半径r_top，表达式为：

44、r_top = r_bottom + h_cone / tan(alpha_cone)

45、基于所述锥形面顶部边界半径r_top，对每个所述底面边界控制点坐标，沿其法线方向从底部边界外扩至顶部边界，外扩距离dl = h_cone / tan(alpha_cone)，得到顶部控制点的平面坐标，所述顶部控制点的高程为所述内水平面的边界控制点三维坐标中的高程与锥形面的垂直高度h_cone之和；根据所述顶部控制点的平面坐标以及高程，得到所述顶部控制点的三维坐标；

46、所述锥形面的边界控制点三维坐标为所述锥形面的底部控制点的三维坐标与顶部控制点的三维坐标的集合。

47、优选地，

48、所述过渡面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标的获取包括：

49、根据所述跑道中心线的高程信息获取跑道中心线各实际变坡点的桩号；根据过渡面的几何尺寸与坡度参数获取端延距离，在跑道起点和终点分别按所述端延距离生成虚拟变坡点，所述虚拟变坡点的高程为跑道起点或终点高程沿跑道纵断面坡度的顺延值，桩号为跑道起点桩号减去端延距离或终点桩号加上端延距离；

50、将所述实际变坡点以及虚拟变坡点进行合并，并按照桩号自小至大排序，得到完整的变坡点序列；

51、根据所述过渡面的几何尺寸与坡度参数获取过渡面的坡度以及高度；

52、以所述变坡点序列中的每个变坡点的桩号为基点，沿跑道中心线两侧分别按过渡面的坡度外推，生成所述过渡面的底边控制点的三维坐标；对所述底边控制点沿高程方向按过渡面的高度上移，生成所述过渡面的顶边控制点的三维坐标；

53、所述过渡面的边界控制点三维坐标为所述过渡面的底边控制点的三维坐标与顶边控制点的三维坐标的集合。

54、优选地，

55、所述起飞爬升面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标的获取包括：

56、根据起飞爬升面的几何尺寸与坡度参数获取起飞爬升面的起始宽度w0、扩展率e_takeoff、坡度s_takeoff以及总长度l_takeoff；

57、以跑道终点为所述起飞爬升面的起点位置，沿跑道中心线延伸方向按扩展率e_takeoff进行线性扩展，直到扩展至所述总长度l_takeoff为止，同时沿跑道中心线延伸方向按所述坡度s_takeoff进行连续爬升，得到起飞爬升面的终点位置；

58、获取距离跑道终点x处的截面的半宽w_end以及高程z，表达公式为：

59、w_end = w0 + 2l_takeoffe_takeoff；

60、z= xtan(s_takeoff)

61、根据所述半宽w_end以及高程z获取所述起飞爬升面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标。

62、优选地，

63、所述复飞面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标的获取包括：

64、根据复飞面的几何尺寸与坡度参数获取复飞面的起点距离d_takeoff、起始宽度w_takeoff、扩展率e_goaround以及总长度l_goaround；

65、以距跑道入口的起点距离d_takeoff处为所述复飞面的起点位置，沿跑道中心线延伸方向反向延伸至总长度l_goaround，得到所述复飞面的终点位置；

66、沿所述复飞面的延伸方向，由所述起始宽度w_takeoff按所述扩展率e_goaround线性扩展至终点宽度；同时，沿所述延伸方向按复飞面各段的规定坡度进行分段爬升，并通过分段线性插值确定高程；

67、在所述复飞面的延伸区间内，按预设采样数量等间距采集截面，生成各截面的左右两侧控制点，获取左右两侧控制点的宽度以及高程，得到所述复飞面在所述局部坐标系下的边界控制点三维坐标。

68、根据本发明实施例的第二方面，提供基于自主编程平台创建民用机场附件十四面的装置，所述装置包括：

69、跑道模型构建模块：用于在civil3d软件中建立跑道的平面线形模型及对应的纵断面模型，并提取跑道中心线的平面坐标信息和高程信息；

70、参数配置模块：用于在dynamo平台中配置参数面板，输入跑道类别和飞行区等级指标，获取各障碍物限制面的几何尺寸与坡度参数；

71、局部坐标获取模块：用于以跑道入口为局部坐标系原点、跑道中心线方向为x轴正方向、y轴在水平面内垂直于x轴、z轴垂直于xy轴构成的水平面，建立局部坐标系；根据所述跑道中心线的高程信息以及各障碍物限制面的几何尺寸与坡度参数，在所述局部坐标系下获取各障碍物限制面的边界控制点三维坐标；

72、坐标变换模块：用于以所述跑道中心线的平面坐标信息为基准获取跑道中心线的方向单位向量，根据所述方向单位向量将各障碍物限制面的边界控制点三维坐标从所述局部坐标系转换至civil3d世界坐标系，得到世界坐标系下的各障碍物限制面的边界控制点三维坐标；

73、曲面生成模块：用于将所述世界坐标系下的各障碍物限制面的边界控制点三维坐标按所属的障碍物限制面的面域进行分组，得到各障碍物限制面所属的边界控制点三维坐标组；基于dynamo曲面生成节点，根据各障碍物限制面所属的边界控制点三维坐标组构建各障碍物限制面的三角网曲面，得到各障碍物限制面的三维模型。

74、本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

75、本技术通过将附件十四面建模的全过程集成于同一框架内：先在civil3d中建立跑道线形与纵断面模型以获取基础几何数据，然后配置规范参数从而确立各面的数学计算规则，建立局部坐标系，并获取各障碍物限制面的边界控制点三维坐标，将局部坐标无损转换至世界坐标系以确保模型空间位置的正确性，按面域分组构建三角网曲面实现曲面间的相互独立，通过上述环环相扣的步骤，使设计人员仅需输入跑道类别和飞行区指标即可自动完成各限制面的创建，彻底摆脱了传统人工逐点推算的繁琐流程，且各面按域独立生成、曲面解耦，参数变更时仅修改输入即可联动更新全部模型，实现了高效、准确、可维护的机场净空障碍物限制面建模。

76、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。