道路工程CAD基础.docx
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道路工程CAD基础
第二章道路工程CAD基础
道路工程CAD系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
CAD系统的功能是在一定的硬件和软件的支撑下实现的，在系统软件开发过程中需要遵循科学的软件开发方法，并提供有效的工程数据管理的手段。
第一节硬件支撑环境
各类计算机是CAD系统硬件的核心。
在计算机领域中，CAD系统所用的设备，主要有普及型的微型计算机和专用的CAD工作站。
随着近些年来微型计算机的快速发展，计算机性能飞速提高，可作为计算机辅助设计的微型计算机和专用工作站种类繁多，可以按照自身的工作要求合理选择。
计算机的外围设备包括：
输入设备、输出设备及网络设施。
一个完整的CAD系统还应包括数据采集设备，如航空摄影和成图设施、地面测设设施等。
一、微型计算机
微型计算机的硬件系统主要是由计算机本身及其外围设备组成。
一般来说，微型计算机的硬件系统包括：
主机、外存储器、输入输出设备等。
图2-1微型计算机硬件系统
1．主机
主机是控制及指挥整个系统并执行实际运算、逻辑分析的装置，是整个硬件系统的核心。
它包括：
（1）中央处理器，即CPU（CentralProcessingUnit），它主要由运算器和控制器组成，是计算机的指挥、控制、计算中心。
计算机的性能主要取决于CPU的性能，而CPU的性能主要决定于它在每个时钟周期处理数据的能力，即主频。
近几年，双核、四核等多核CPU的出现，增强了计算机处理多任务的能力，大大提高了计算机的性能。
（2）内存储器，即内存，它是CPU可以直接访问的存储器，装置在主板插槽上，主要由集成电路芯片构成。
现在计算机的内存基本上都在1GB以上。
2．外存储器
用来存储需要长期保存的各种程序和数据，外存不能为CPU直接访问。
微机的外存储器一般采用磁盘和光盘。
（1）磁盘：
用户使用计算机的信息数据大多数存储在磁盘上。
组装在计算机内的磁盘称为硬盘。
为了适应使用上的需要，目前硬盘的容量越来越大，主轴转速越来越快，微机主流产品硬盘容量已达到160GB，转速达到7200r/min以上。
（2）光盘：
光盘是用激光技术实现的一种海量存储器。
现在市面上的光盘根据光盘结构可分为CD、DVD、蓝光光盘等几种类型。
其中CD的容量只有650MB，DVD的容量可以达到4.7GB，而蓝光光盘更可以达到25GB。
目前，可读写光盘（CD－R、DVD－R等）已得到普遍使用，但需在计算机中装置光盘刻录器。
3．输入设备
CAD系统中，图形输入设备是人与计算机通讯的工具。
用户通过它将各种图形送入计算机并发出指令，由计算机完成某些功能处理。
与计算机组装在一起的输入设备有鼠标、键盘、光笔等。
另外配置的输入设备有扫描仪、数字化仪等，也被称为CAD系统的外围设备。
4．输出设备
输出设备负责把计算机处理数据完成的结果转换成用户需要的形式送给人们，活传送给某种存储设备。
微机最长用的输出设备是自装在一起的显示器。
现在主流的普及型显示器为17、19英寸的阴极射线管（CRT）显示器，以及17、19英寸的液晶显示器（LCD）。
与显示器连接在一起的装置在机箱中插槽内的图形显示卡和相应的驱动程序，也是必不可少的重要部件。
显示卡主要解决（I/O）总线速度远远慢于CPU内部处理速度的问题。
显示卡一般都有显示缓存，如果配置的CAD硬件系统需要绘制高标准的彩色和渲染图的话，就宜选用有较大缓存量的显示卡。
现在市场上的主流显示卡产品的显存在128MB以上。
二、工作站
工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形功能处理、灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统。
工作站起源于20世纪70年代，但是一些专家在设想下一代计算机时提出来的，其目的是想为程序设计人员提供一个功能强大、界面友好、图形设计和程序设计方便的高档计算机。
1973年美国施乐（Xerox）研究中心生产出第一台工作站样机，取名为Alto。
Alto采用了当时先进的计算机硬件设备和技术，如光栅显示器，使图文并茂，采用了鼠标器和光笔等交互设备等。
1980年美国Apollo公司推出Domain工作站，1981年Sun公司推出Sun/1工作站，Xerox公司推出了面向办公自动化的Star工作站，这些工作站都是采用Unix或类似于Unix操作系统。
近年来，工作站作为独立的机种在计算机行业中得到普及，并逐年处于上升的地位，特别是在CAD/CAM,电脑动画、影视制作等图形系统行业。
相比高性能的个人电脑（PC），工作站主要有以下特点：
1.制造工艺
工作站虽然也是由CPU、显卡、主板、内存等部件组成，但是工作站选用配件的标准要比普通PC严格得多，其主板、显卡、内存、硬盘和机箱电源等都是工作站专用的配件，由这些优质配件构建的工作站平台要比普通的PC稳定得多，能满足严苛的专业应用需求。
此外，图形工作站系统为了更好的适用CAD等专业应用，还与专业软件厂商合作进行应用系统的认证。
完备的认证和优化虽然增加了工作站研发、制造的成本，但却使工作站的整体性能和系统稳定性大大优于普通PC。
图2-2SGI图形工作站
2.存储系统
一般来说，工作站的存储系统与普通PC有很大不同。
第一，工作站一般使用高速SCSI硬盘，而PC机则使用普通的IDE或S-ATA硬盘。
在高端应用中，SCSI硬盘和IDE硬盘的差别很大，SCSI硬盘的转速是10000转，而IDE硬盘仅为5400—7200转，SCSI硬盘的传输速率在320Mb/s，而IDE硬盘仅为100Mb/s（S-ATA硬盘为133Mb/s），SCSI硬盘的CPU占用率远远小于IDE硬盘。
实际应用中，SCSI硬盘对系统整体性能的提高非常明显。
第二，工作站采用ECC校验（ErrorCheckingandCorrecting）内存。
内存是一种电子器件，在其工作过程中难免会出现错误，而对于稳定性要求高的用户来说，内存错误可能会引起致命性的问题。
ECC校验内存与普通内存相比，能在存储数据位上额外存储了一个用数据加密过的代码，用于在读取内存数据时进行校验比对，ECC内存能有效避免随机出现的内存软错误。
3.显示系统
图形工作站一般采用专业显卡与PC采用的普通显卡有很大区别。
首先，专业显卡与普通显卡的侧重点不同。
不同的功能侧重使得专业显卡和普通显卡的硬件设计完全不同。
其次，普通显卡的驱动程序与专业显卡相比，也存在很大的差别。
这种差别使得许多高档普通显卡在运行专业软件时性能并不高。
第三，专业显卡基本都要经过专业软件厂商的认证测试，在硬件和驱动程序开发阶段就开始和专业软件厂商开展合作，因此专业显卡可以稳定、流畅的运行专业应用程序，而普通显卡在这方面的差距比较大。
4.软件系统和服务
工作站系统中一般安装了专用的系统监测和管理软件，有利于快速安装、布置和维护系统，提高了软件和硬件系统的可管理性。
随着工作站价格的进一步降低，其应用范围将迅速的扩大。
所以，以PC为硬件支撑环境建立小型CAD系统，而由各种工作站联网建立大型的CAD系统，不失为一种合理的选择。
三、CAD系统外围设备
一个CAD系统的硬件设备除了计算机本身外，还应配置一些相应的外围设备，它包括数字化仪、扫描仪、打印机、绘图机、网络设施等。
对于一个设计或管理单位，可以采用多个计算机共同使用一套外围设备的方案。
1．数字化仪
数字化仪是在专业应用领域中一种用途非常广泛的图形输入设备，是由电磁感应板、游标和相应的电子电路组成。
当使用者在电磁感应板上移动游标到指定位置，并将十字叉的交点对准数字化的点位时，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的位置坐标值排列成有序的一组信息，然后通过接口（多用串行接口）传送到主计算机。
简单的说，数字化仪就是一块超大面积的手写板，用户可以通过用专门的电磁感应压感笔或光笔在上面写或者画图形，并传输给计算机系统。
在许多的专业应用领域中，用户需要绘制大面积的图纸，仅靠CAD系统是无法完全完成图纸绘制的，在精度上也会有较大的偏差，因此必须通过数字化仪来满足用户的需求。
图2-3数字化仪
2．扫描仪
扫描仪是直接把图形和图象扫描输入到计算机中，以像素信息进行存储的设备。
按其所支持的颜色不同，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件不同又分为电荷耦合器件（CCD）扫描仪、光电倍增管（PMT）扫描仪、MOS电路扫描仪等。
a）大幅面平台式扫描仪b）大幅面走纸式扫描仪
图2-4扫描仪
扫描仪在工程设计领域主要用于图纸的扫描输入。
在道路路线设计中，用扫描仪输入的的图纸也可以直接用来作为设计的底图。
但是，如果要求进一步将图形转换为三维的数字地形模型或与设计图形相拼接，则需要用矢量化软件将扫描图纸矢量化，但所得结果对于较复杂的图形往往容易失真。
3．打印机
打印机是廉价的产生图纸的硬拷贝设备，从机械动作上常分为撞击式和非撞击式两种。
撞击式打印机使用成型字符通过色带印在纸上，如行式打印机、点阵打印机等。
非撞击式打印机常用的技术有：
喷墨技术和激光技术。
喷墨打印机和激光打印机由于速度快、噪音小，已逐渐替代以往的撞击式打印机。
激光打印机又分为黑白激光打印机和彩色激光打印机，由于彩色激光打印机及其耗材价格昂贵，应用并不普遍。
a）彩色激光打印机b）黑白激光打印机
图2-5激光打印机
4．绘图仪
绘图仪是CAD系统的主要输出设备，它在计算机控制下自动完成各种绘图动作。
适用于工程图纸的绘图仪，可选用笔式绘图仪，也可采用喷墨绘图仪和激光绘图仪。
（1）笔式绘图仪
常用的笔式绘图仪有平板式和滚筒式两种。
平板式绘图仪是在一块平板上画图，绘图笔分别在x,y两个方向进行驱动。
平板式绘图仪由于图纸固定在版面上不易松动，所绘的图纸精度高些，但绘图速度较低，绘图时用户可以见到整个绘图过程。
图板的大小可以有A0、A1、A2、A3四种。
绘制道路工程设计图纸，一般可选购A1或A2绘图仪。
滚筒式绘图仪是在一个滚筒上画图，滚筒的转动带动图纸转动，形成x方向的运动，y方向的运动是由笔架的运动来完成的。
滚筒式绘图仪结构紧凑，占地面积小，价格便宜，图纸幅面对纸长没有限制。
由于纸张绕滚筒多次反复转动，在精度上较平板式略差，但可以满足道路工程图纸的要求，一般比较适用。
（2）喷墨绘图仪、激光绘图仪及静电绘图仪
随着大型喷墨式绘图仪质量的提高和价格的降低，设计单位愈来愈趋向采用这种绘图仪，特别是当平面底图采用点阵式的扫描图时，不必通过矢量转化而直接输出。
采用激光技术和静电技术的绘图仪，可以得到更好的图纸质量，但价格较贵。
图2-6绘图仪
5．网络设施
计算机网络是由两个或多个计算机通过特定通信模式连接起来的一组计算机，完整的计算机网络系统是由网络硬件系统和网络软件系统组成的。
计算机网络的硬件一般由网络服务器、网络工作站、网络适配器和连接线，还有不常用的光纤组成。
如果要扩展局域网的规模，就需要增加通信连接设备，如调制解调器、集线器、网桥和路由器等。
把这些硬件连接起来，再安装上专门用来支持网络运行的软件，包括系统软件和应用软件，一个计算机网络也就建成了。
（1）网络服务器
网络服务器（Server）是一台高性能计算机，用于网络管理、运行应用程序、处理各网络工作站成员的信息请示等，并连接一些外部设备如打印机、CD－ROM、调制解调器等。
根据其作用的不同分为文件服务器、应用程序服务器和数据库服务器等。
（2）网络工作站
网络工作站（Workstation）也称客户机，由服务器进行管理和提供服务的、连入网络的任何计算机都属于工作站，其性能一般低于服务器。
个人计算机接入Internet后，在获取Internet的服务的同时，其本身就成为一台Internet网上的工作站。
网络工作站需要运行网络操作系统的客户端软件。
（3）网络适配器
网络适配器也称网卡、网络接口卡（NIC，NetworkInterfaceCard），在局域网中用于将用户计算机与网络相连，大多数局域网采用以太（Ethernet）网卡，如NE2000网卡、PCMCIA卡等。
它主要完成如下功能：
（1）读入由其它网络设备传输过来的数据包，经过拆包，将其变成客户机或服务器可以识别的数据，通过主板上的总线将数据传输到所需PC设备中（CPU、内存或硬盘）；
（2）将PC设备发送的数据，打包后输送至其它网络设备中。
（4）调制解调器
调制解调器（Modem），俗称“猫”。
它是一个通过电话拨号接入Internet的必备的硬件设备。
按调制解调器与计算机连接方式可分为内置式与外置式。
内置式调制解调器体积小，使用时插入主机板的插槽，不能单独携带；外置式调制解调器体积大，使用时与计算机的通信接口（COM1或COM2）相连，有通信工作状态指示，可以单独携带、能方便地与其他计算机连接使用。
（5）中继器和集线器
要扩展局域网的规模，就需要用通信线缆连接更远的计算机设备，但当信号在线缆中传输时会受到干扰，产生衰减。
如果信号衰减到一定的程度，信号将不能识别，计算机之间不能通信。
必须使信号保持原样继续传播才有意义。
中继器（Repeater），用于连接同类型的两个局域网或延伸一个局域网。
当安装一个局域网而物理距离又超过了线路的规定长度时，就可以用它进行延伸；中继器也可以收到一个网络的信号后将其放大发送到另一网络，从而起到连接两个局域网的作用。
集线器称为HUB，是一种集中完成多台设备连接的专用设备，提供了检错能力和网络管理等有关功能。
HUB有三种类型：
对被传送数据不做任何添加的PassiveHUB，被称为被动集线器；能再生信号，监测数据通讯的ActiveHUB，被称为主动集线器；能提供网络管理功能的IntelligentHUB，被称为智能集线器。
（6）网桥、路由器和网关
网桥（Bridge）也连接网络分支，但网桥多了一个“过滤帧”的功能。
一个网络的物理连线距离虽然在规定范围内，但由于负荷很重，可以用网桥把一个网络分割成两个网络。
假如需要连接两种不同类型的局域网，那就得用路由器（Router），它可以连接遵守不同网络协议的网络。
路由器能识别数据的目的地地址所在的网络，并能从多条路径中选择最佳的路径发送数据。
如果两个网络不仅网络协议不一样，而且硬件和数据结构都大相径庭，那么就需要使用网关（Gateway）。
图2-7计算机网络硬件组成
第二节软件支撑环境
计算机系统是由硬件和软件两部分组成的。
所谓软件是指计算机程序、方法、规则等组成的文档以及在计算机上运行它时所必须的数据。
要使计算机正确的运行并解决像道路计算机辅助设计任务，必须具备完整的软件系统。
一个完整的系统须配置：
系统软件、工具软件和应用软件。
其中系统软件和工具软件又被称为基础软件。
一、操作系统
系统软件是由计算机制造商提供的，与计算机主机直接关联的，用来实现某一方面系统的功能的那一部分软件。
它的作用有：
扩充计算机的功能，合理调度与运用计算机，控制和协调微机及其外部设备支持应用软件的开发和运行。
系统软件包括各种操作系统、各种外部设备的驱动程序、编译程序和语言处理程序、诊断程序和杀毒软件、网络通讯管理程序等。
其中最为重要的系统软件就是操作系统。
操作系统（OperatingSystem，简称OS）是一管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5个方面的管理功能:
进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。
目前微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。
1.MS-DOS操作系统
MS-DOS是美国微软（Microsoft）公司于1981年推出的微机磁盘操作系统，首先被IBM-PC机选用，之后很快被世界微机厂商普遍采用。
在它出现后的十几年中，几乎独占了微机操作系统市场。
MS-DOS操作系统采用层次模块结构，由一个引导程序和三个层次模块组成，它们是引导程序BOOT、输入/输出（I/O）IBMBIO.COM、文件系统IBMDOS.COM和命令处理程序COMMAND.COM。
2.Windows操作系统
Windows是美国Microsoft公司推出的，它是一个多任务的图形操作环境。
Windows操作系统的发展及其各主要版本及其特征如表2-1所示。
Windows发展简表表2-1
版本
推出时间
主要特性
Windows1.0
1985.11
微软对图形操作界面的首次尝试
Windows3.0
1990.05
在界面/人性化/内存管理多方面的巨大改进，终于获得用户的认同
WindowsNT3.1
1993
第一款对应服务器市场的产品，稳定性比桌面操作系统更为出色
Windows95
1995.08
出色的多媒体特性、人性化操作、美观界面令windows95获得空前成功
Windows2000
2000.12
包含新的NTFS文件系统、EFS文件加密、增强硬件支持等新特性
WindowsXP
2001.01
它包括了简化了的Windows2000的用户安全特性，并整合了防火墙，以用来确保长期以来以着困扰微软的安全问题
WindowsVista
2007.01
微软在Vista的安全性方面进行改良，并增添了上百种新功能
与MS-DOS相比较，Windows具有以下特点和功能：
（1）Windows具有全新的、漂亮的图形操作界面，使用户易于学习和掌握。
（2）它通过对窗口、对话框、菜单、图标等图形画面和符号的操作来使用计算机。
在操作方式上即可以使用键盘，又可以使用鼠标。
特别是鼠标的使用，使操作更为简便、快捷。
（3）在Windows中可以同时运行多个程序，执行多项任务，各个程序之间既可以方便的进行切换，又可以实现多个程序之间的数据共享。
（4）Windows95以后的版本包括Windows98/2000/xp/Vista都支持“即插即用（PlugandPlay）”技术，这使得新硬件的安装更加简单。
（5）Windows9x和Windows2000/xp/Vista中内置了TCP/IP协议和拨号上网软件，用户只需进行一些简单的设置就能上网浏览、收发电子邮件等。
同时它对局域网的支持也很出色，用户可以很方便得在Windows中实现资源共享。
Windows的上述特点和功能使得操作微机的方法和软件开发过程发生了根本性的变化使其普遍应用于各行各业，基本上统治了整个操作系统软件市场。
3.UNIX操作系统
UNIX操作系统于1969年在AT&T贝尔实验室问世。
它的发展对国际计算机界，特别是对软件界产生了巨大而深刻的影响。
UNIX操作系统是唯一能在微型机、小型机、工作站、巨型机上通用的操作系统。
与其他操作系统一样，UNIX系统是计算机控制程序。
它既是一组组织很严谨的实用程序集又是一套完整的工具，用户可以连接并使用这些实用程序去建立自己的系统和应用程序。
UNIX的源码向社会公开，允许工程技术人员自由更改操作系统的内部设计。
UINX系统广泛用于工作站。
道路CAD系统较少采用这种操作系统。
二、工具软件
在CAD系统中，可以考虑选用一些合适的工具软件。
例如各种图形软件、数据管理软件、计算分析软件、汉字处理软件、各种办公和文件处理软件等。
1．图形软件
图形软件是道路工程CAD中最重要的工具软件。
因为工程师设计的最终结果都要以图纸的形式表达出来，所以图形处理是CAD系统中的重要组成部分。
在CAD系统中，图形处理不仅用来表达最终结果，更重要的是借助与它，设计人员就可以用交互方式完成图形的生成、编辑、修改、标注等各种工作，这在工程设计中是极为重要的。
交互式图形软件的任务就是要能高质量地、快速地完成这些图形处理工作，并最终获得完善的图纸。
图形软件应具有如下一些主要功能：
①基本实体的输入输出处理功能。
所谓基本实体是指可用来组成复杂图形的一些最简单的几何图形单元，如点、直线、文字、圆、弧等。
它们带有几何属性，如颜色、线型、线宽、层次、字形尺寸及方位等，可由用户调用。
②具有强大的交互编辑功能。
交互编辑功能是对已经存在的图形进行处理的手段。
一般包括删除、恢复、移动、拷贝、镜像、旋转、比例缩放和实体的裁减延伸等。
③接口的通用性。
便于应用系统和图形设备驱动程序之间的连接。
④具有良好的人机界面性能。
目前，在工程CAD系统中，主要采用的图形软件是AutoCAD和MicroStation两种。
（1）AutoCAD
AutoCAD是美国Autodesk公司生产的图形软件，AutoCAD是目前国内外微机系统中最为普遍使用的一种高性能作图软件，它具有通用性好、适用性广、功能较强的特点。
它不但可以绘制直线、点、圆、圆弧、椭圆、矩形等基本图形，还能进行放大、缩小、移动、插入、复制等操作，而且可以将图形作为一个标准图块随意插入到所需的图形中，它还可作二维、三维图形，对图形进行着色、文字注释、尺寸标注等。
AutoCAD支持高级语言编程，进行二次开发。
目前通用的是AutoCAD2004之后的新版本。
关于AutoCAD的的使用将在第三章作详细的介绍。
（2）MicroStation
MicroStation是美国Bentley公司开发的目前世界上流行的CAD软件。
在建筑设计、土木工程、交通运输、地理信息、工业设计、工艺制造等领域有广泛的应用。
该系统在真三维实体建模、NURRS曲面造型及操作工具、静态渲染和专业级动画系统、光栅图象处理工具等方面具有独特的性能。
MicroStation的工作界面如图2-8所示。
图2-8MicroStation工作界面
2．数据管理软件
计算机系统中的数据管理采用文件管理系统和数据库管理系统两种方式，早期多采用文件管理系统，目前，数据库管理系统已经在各种数据管理领域中得到了广泛的应用。
在道路工程CAD系统中，特别要注意对图形库的处理，要选用有处理图形功能的数据管理软件。
（1）Access数据库
Access是Microsoft公司推出的运行于Windows环境下的数据库系统，对数据库的设计和使用都很方便，由于采用了嵌入对象OLE技术，在数据库中可以加入图形、图片等对象，对需要图形工程项目的用户，是比较适用数据库软件。
Access属于关系型数据库管理系统，在关系型数据库中，可以将不同的事务和数据组织到不同的表中，然后可以建立这些表之间的关系并将相关数据组织在一起。
Access软件还提供了与VB的接口，可以通过VB语言来处理某些复杂的过程进行二次开发。
（2）VisualFoxPro数据库
VisualFoxPro数据库是微机环境中应用较为广泛的一种，具有比较丰富的功能和优于其他同类产品的运行速度，VisualFoxPro数据库具有以下一些主要特征：
①面向对象的程序设计方法
VisualFoxPro提供了面向对象的、由事件驱动的程序设计方法，允许用户对“对象”（Object）和类（Class）进行定义，并编写相应的代码。
②提供可视化的开发工具。
VisualFoxPro提供了40多个3类可视化设计和操作工具.包括:
向导（Wizard）、设计器（Designer）、生成器（Builder）。
上述工具普遍采用图形界面，配置有工具栏和弹出式快捷菜单，能够帮助用户以简单的操作完成各种查询和设计任务，并自动生成程序代码，大大减轻了设计人员的工作量。
③增强项目和数据库管理功能。
VisualFoxPro项目管理器全面管理项目中的数据库、应用程序和各类文档资料，使数据库的应用和开发更加方便。
④支持网络应用。
VisualFoxPro6.0的视图和表单，不仅可以访问本地数据库中的数据，还可以访问网络服务器中的数据。
（3）Oracle数据库
Oracle数据库系统是最早将关系数据库理论变成产品走向市场的，是受到普遍重视的优秀数据库管理系统之一。
Oracle是以高级结构化查询语言（
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