CN105205240B - 一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，属于地铁工程设计领域。本发明使用相关高程限制条件的约束处理，对地铁纵断面进行自动拟合与优化设计设计，采用最小二乘法对坡度自动拟合，可以快速便捷地生成较为合理的坡度初始设计方案，为纵断面设计和优化提供快速参考和指导；本发明在自动拟合坡度设计生成的成果上，进行纵断面自动优化，以形成满足纵断面坡度设计要求的设计方案；本发明相关高程限制约束条件、自动拟合、自动设计优化以及自动进行规范要求检查，可以提高纵断面设计的质量和效率以及规范符合性。

Description

一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法

技术领域

本发明涉及一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，属于地铁工程设计领域。

背景技术

地铁线路设计长度较长，具有带状特征，涉及多个专业内容，是一项复杂的系统设计工作，在作出最终设计之前通常要经过不同阶段、不同技术标准的多方案比选。因此，研究实现地铁纵断面坡度自动拟合与优化设计，对纵断面设计在不同设计阶段、不同技术标准的多方案比选和确定有着重要的意义。

地铁纵断面设计是地铁设计任务一项重要的设计内容，线路平面方案的调整和改动会导致纵断面设计随之的调整和改动，其设计任务相当繁重。传统的手工设计效率非常低同时又容易出错，平面方案的变动调整后，手工设计很难适应这种方案变动调整的要求，不能做到快速及时地调整与修改。因此迫切地需要采用计算机进行纵断面自动化辅助化设计，解决在设计过程中的坡度拟合、自动设计计算、纵断面图自动绘制等问题，以达到提高设计效率和质量，降低设计人员劳动强度的目的。

计算机自动化辅助设计技术已在多个领域得到了广泛应用，对提高设计质量，加快设计速度，节省人力与时间，提高设计工作的自动化程度具有十分重要的意义。在公路纵断面设计中自动化辅助设计已有一定的应用，通过对公路纵断面的自动化设计的分析了解，为研究和实现地铁纵断面的自动拟合与优化设计提供了研究思路和技术实现方法。

相对于公路设计，地铁设计具有一定的特殊性，地铁设计涉及专业多，地质条件多样，地下管线交错复杂，地铁纵断面设计受各种外界条件约束，对纵断面设计有着更高的要求，目前在地铁纵断面自动拟合与优化设计这方面的研究还比较缺乏。研究地铁纵断面自动拟合设计与优化设计方法，可以实现计算机自动拟合设计与优化纵断面设计，便于地铁平面设计方案变动后对纵断面设计的优化调整，为加快纵断面设计进度、提高纵断面设计的效率、提高纵断面设计质量，将会有的巨大的应用价值。同时为地铁平面、纵断面协同设计奠定了基础。

发明内容

本发明为了克服上述缺陷，目的在于提供一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法。

研究目的：地铁纵断面涉及多个专业内容，是一项复杂的系统设计工作，常规的手工设计效率非常低、容易出错且不便于修改。研究地铁纵断面自动拟合设计与优化设计方法，可以实现计算机自动拟合设计与优化纵断面设计，便于地铁平面设计方案变动后对纵断面设计的优化调整，为加快纵断面设计进度、提高纵断面设计的效率、提高纵断面设计质量，为地铁平面、纵断面协同设计奠定基础。

通过对地铁纵断面高程控制点的处理，拟合出纵断面坡度线初始线形，然后进行其他外部限制约束条件处理，实现纵断面自动拟合及纵断面优化设计。

地铁纵断面自动拟合与优化设计具有坡度自动拟合、自动优化设计计算、自动规范性检查、纵断面成果图形自动绘制、设计结成果表格以及检查结果表格输出功能，具有提高设计质量和效率、降低设计人员劳动强度、自动化程度高、实用性强的特点，在地铁纵断面方案比选与设计中，具有很高的应用推广价值。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，该方法包括如下步骤：

(1)高程控制类条件约束处理：

先由各高程控制点、地下管线、控制性建筑物或构筑物、道路、河流等高程控制数据求得对应里程桩号的纵断面轨面高程数据；此过程需要根据具体的约束类型、结合相应计算方法，计算出轨面高程控制数据，实现由各类高程控制数据到纵断面轨面高程控制数据转换；

(2)生成初始设计高程基线：

对高程控制线进行平顺处理，按照坡长倍数值内插出高程数据，将纵断面轨面高程控制数据按照等距处理的方法简化出初始高程控制线；方法是按照最小坡段长度值确定参与平顺范围内的高程数据个数，再对这些高程数据点进行加权处理，生成初始设计高程基线；

(3)结构断面类条件约束处理：

此类约束通常是对某一连续里程段内隧道埋深、结构外轮廓尺寸、结构上下限进行数值设定，根据具体的约束类型、结合各自的特征，利用空间几何位置关系，计算出连续里程段内轨面高程控制数据；此过程通过对设定的条件约束进行处理，形成轨面高程的上限或下限数据；

(4)生成设计高程控制上下限：

将结构断面类条件约束处理形成的上限或下限数据投影到初始设计高程基线，采用插值计算，生成设计高程控制上下限；此高程控制上下限将作为对纵断面方案设计的检查条件，最终经过自动拟合与优化设计后形成的纵断面坡度设计线将在此高程控制上下限范围内，不允许有变坡点超出此高程控制上下限；

(5)规范、设计技术标准类条件约束处理：

按照站台长度、站台节能坡度、坡长取整等约束条件要求，对初始设计高程基线上相应里程桩号范围内的对应的高程基线作调整修改，形成纵断面初始方案线；

(6)方案优化控制参数：

方案优化是在纵断面自动设计坡度方案的基础上进行的，方案中每个变坡点的里程位置保持不变，以每个变坡点的高程值作为调整对象，以自动设计坡度方案中的变坡点高程为基准，增加或减小一个高程调整步长后再进行相关条件约束处理，以保证方案优化能满足地铁纵断面设计要求；

方案优化控制参数包括：方案线拟合次数，坡度合并条件、高程调整步长、特殊高程点允许抬升量、站台节能坡度；

(7)拟合纵断面坡度设计方案：

对纵断面初始方案线进行拟合，生成初步设计坡度线，过程包括：

a)、划分曲线拟合段：按车站以及特殊控制点桩号里程将初始方案线划分成多个拟合段，按此划分的依据是车站和特殊控制点允许在高程上做不超过参数设定量的调整，为后续纵断面自动优化留出可调范围；

b)、确定初始坡度线和变坡点：在每个拟合段内，采用最小二乘法对拟合段内的初始方案线进行曲线拟合，生成一条贴合初始方案线的曲线，求得拟合曲线三阶导数为零处的点，此点为拟合曲线的极值点或称为“反弯点”，在相邻“反弯点”间采用一元线形回归定出初始坡度线，相邻初始坡度线的交点即为变坡点；

(8)纵断面坡度自动优化处理：

对生成的初步设计坡度线进行优化处理，直至达到满足纵断面坡度设计要求，且符合方案优化控制参数设定的条件；

其过程主要包括：最小坡长、最大坡度、最大坡度代数差、坡长取整、站台长度、站台节能坡度、竖缓曲线重叠、紧坡地段处理、坡度平顺调整处理、坡度合并处理、高程控制处理；

(9)纵断面设计成果输出

纵断面设计成果输出是将满足设计要求、符合方案优化控制参数设定条件的纵断面设计方案在CAD图中生成，输出设计成果表格，包括坡度表、轨面高程表、特殊点高程表；同时输出各种设计检查表，包括最小坡长、最大坡度、竖缓曲线重叠、坡度代数差。

进一步的，在步骤(5)规范、设计技术标准类条件约束处理中：

a)、坡长取整调整：考虑内业和外业断链，将变坡点里程位置调整到50米标、百米标或者与坡长倍数值成倍数关系的里程标处，避免出现过多碎坡段；

b)、站台长度、站台节能坡度调整：将站台里程对应位置的高程基线按照站台长度、站台节能坡度要求进行修改调整，以修改后形成的站台坡度线替换相应高程基线，同时平顺站台坡度线与前后高程基线的连接。

进一步的，在步骤(6)方案优化控制参数中：

a)、所述方案线拟合次数：对纵断面初始方案线进行最小二乘法曲线拟合的次数，最小二乘曲线拟合次数较小时，拟合出的曲线较为平顺，曲线的极值点数少；反之拟合次数越大时，拟合出的曲线越不平顺，曲线的极值点数越多，拟合出的曲线与坡度设计就越贴近；

b)、所述高程调整步长：在坡度优化设计过程中，以设置的高程调整步长对变坡点高程进行每次的优化调整；

c)、所述特殊高程点允许抬升量：如遇到地下管线无法改移时，对相应坡度线平移时的最大允许平移量；

d)、所述坡度合并条件：自动拟合的坡度线往往有较多的坡度代数差较小的相邻碎坡，在纵断面坡度优化中，需要对这类相邻碎坡设置一个合并条件，相邻坡度代数差小于此设定值，则进行合并处理；

e)、所述站台节能坡度：依据列车运行规律，将站台设置在线路纵断面的高处，有利于减少车辆进站制动距离、延长制动系统使用寿命；有利于车辆出站加速、节省牵引能耗。

进一步的，在步骤(8)纵断面坡度自动优化处理：

a)、所述最小坡长处理：

当相邻的几个坡度线长度都不满足最小坡长要求时，如果这几个坡长之和大于最小坡长，将这个几个坡度的首尾变坡点相连，删除掉中间变坡点。如果坡长之和小于最小坡长，同时两侧坡度线的交点在这个几个小坡长的范围内，则将这个交点作为新变坡点添加进来，如果在这几个小坡长的范围外，则将这个几个坡度的首尾变坡点相连，删除掉中间变坡点，将连线中点作为新变坡点添加进来，用这样的方法生成新的坡度线和变坡点；

b)、所述最大坡度处理：

以最大坡度条件约束检查各坡度线的坡率，若坡度超出最大坡度约束条件，以最大坡度值为斜率，以此坡度线中点为中心，作直线与相邻坡度线相交，若能与相邻坡度线形成交点，则用新交点替代原坡度线两端变坡点，若不能同时与相邻坡度线形成交点，则以最大坡度替代原坡度；

c)、最大坡度代数差处理

以最大坡度代数差条件约束检查各坡度线的实际坡度代数差，若实际坡度代数差超过限值，调整的方法是将变坡点向坡度代数差减小的方向移动，使其移动后的变坡点能满足最大坡度代数差要求；

d)、坡长取整处理

在纵断面坡度设计中，除因内外业断链原因，通常坡长尽量设计为整数值，避免出现过多的碎坡，据此将坡长值进行四舍五入取整，同时考虑处理后的坡长能满足最小坡长的要求；

e)、站台长度及站台节能坡度设置处理

为了节省牵引能耗、延长车辆加速制动系统的使用寿命、节约车辆维修成本费用，依据不同的列车类型及运行规律，尽量合理设计节能坡道及站台长度。使车站尽量设置在线路纵断面的高处；将站台长度和两端节能坡度作为一个整体，替换相应位置的初始坡度，同时将两端节能坡进行顺接，使其满足最小坡长及坡长取整的要求；

f)、竖曲线、缓和曲线重叠处理

地铁线路设计中通常要求线路竖曲线不得与平面缓和曲线重叠。对满足设置竖曲线条件同时又位于平面缓和曲线范围内的变坡点，应先根据坡度代数差和竖曲线半径，计算出竖曲线切线长，以此对变坡点进行移动调整，使其满足最小坡长要求，如果无法满足最小坡长的要求，则将此变坡点删除；

g)、紧坡地段处理

紧坡地段处理的原则是：紧坡地段通常应用足最大坡度，以便争取高度使线路不至额外展长。当线路遇到较大高程障碍时，需要使用多段连续的坡长较短的、坡度最大的坡段线对线路高程进行调整，以达到预定高度。当坡度线出现连续多个上坡或者下坡时，若各坡段的坡度数值没有完全达到最大坡度限值，对没有采用最大坡度值的坡度以最大坡度替代原坡度。以新的生成的坡度线与相邻的坡度线交点为变坡点替代原相邻变坡点，同时考虑调整后的坡长满足最小坡长要求；

h)、坡度平顺处理

检查坡度线中有无先紧坡上升或下降后又紧坡下降或上升的坡度情况，若出现此情况不是为了满足某一高程要求，则应将此段内的坡度进行平顺处理，采用最小二乘法及线性回归对此段内的变坡点重新进行曲线拟合，重新生成变坡点，同时将原变坡点删除；

i)、坡度合并处理

自动拟合的坡度线往往有较多的坡度代数差较小的相邻碎坡，在纵断面坡度优化中，需要对这类相邻碎坡进行合并处理，以消除代数差过小的相邻碎坡；

j)、高程控制点处理

线路纵断面中有高程控制要求的点，通常要求坡度线必须经过此点，以满足此控制点的高程要求。先这类高程控制点位置，按照最大坡度约束的坡度线斜率向此点前后坡度线作两条直线与坡度线相交，形成高程调整控制线，在此控制线的基础上，调整与此相交的两条坡度线，使其满足最小坡长、竖缓曲线重叠要求。然后取控制线段落内新的坡度线替代原坡度线，完成高程控制点的处理。

进一步的，在步骤(2)生成初始设计高程基线中：坡长倍数值一般设置为5或10米。

影响地铁纵断面设计的主要因素：

包括：设计原则、主要设计技术标准、覆土厚度、地下管线、地上地下建(构)筑物、水文地质条件、结构施工方法等。

1、设计原则

(1)、地铁纵断面设计要结合不同的地质条件，地形情况，地铁线路平面情况，地上地下建筑物情况等，进行合理的设计，力求列车运行平稳、舒适、安全，满足出行需求和尽量降低工程造价。

(2)、根据可持续性发展要求，尽量选择合理纵断面形式。依据列车运行规律，尽量设计节能坡道，车站尽量设置在纵断面的高处，区间位于纵断面低处。

(3)、纵断面设计应充分考虑到公路、铁路、地下管线、河流等控制性因素的影响，合理设计坡度及坡型。

(4)、合理选择隧道结构断面形式以及线路埋深，合理的埋深有利于隧道施工安全和减小地面沉降，尽量减少既有建(构)物的改移，充分考虑土建工程造价和长期运营成本。

2、主要设计技术标准

(1)最大坡度：区间线路最大坡度一般不大于35‰，辅助线一般不大于40‰；

(2)最小坡长：线路坡度长度不宜小于远期列车长度；

(3)站台长度、站台坡度：站台合理设置节能坡度，减少列车制动，降低列车制动能耗；

(4)竖曲线设置：合理拟定竖曲线设置条件，采用圆曲线型竖曲线连接，站台计算长度和道岔范围内不得设置竖曲线，线路竖曲线不得设置与平面缓和曲线重叠，竖曲线不得与超高顺坡段重叠。

3、覆土厚度：

从工程造价、长期运营成本及乘车便利性，线路结构尽量浅埋为好，但由于地下管线、地下水、土的特性、地下构筑物等的存在，要综合考虑，合理设置覆土厚度；

4、地下管线：

通常地铁车站范围与地下管线存在相互影响，当地铁路线与管线相交时，一般是改移地下管线，只有在无法改移时才考虑加大埋深或调整站台位置。

5、控制性建(构)筑物：

常见的是桥梁桩基础、河流、人防工程等建筑物，出于安全考虑要求地铁线路与其保持必要的高程距离；

6、水文地质条件

当地铁线路遇不良地质条件时，往往需要改移线路或对土层加固处理；

7、结构施工方法

结构施工方法的选择受地质水文条件、埋深、城市规划等因素制约，对线路平纵断面、工程实施难度以及工程造价有着直接的影响。通常区间线路采用盾构法施工、站台采用明挖或暗挖法施工。

为便于地铁纵断面自动化拟合与优化设计的研究和具体实现，本文将此影响地铁纵断面设计的因素分类归结为以下三类条件约束：

(1)高程控制类条件约束：

地下管线、控制性建筑物(构筑物)、道路、河流等；

(2)结构断面类条件约束：

隧道截面、轮廓尺寸、结构上下限、埋置深度等；

(3)规范、设计技术标准类条件约束：

最大坡度代数差、最小坡长、最大坡度、坡度折减、坡长取整、站台长度、站台节能坡度、竖曲线设置条件、竖曲线缓和曲线重叠、竖曲线线形、

本发明的有益效果：

1、本发明使用相关高程限制条件的约束处理，对地铁纵断面进行自动拟合与优化设计设计，采用最小二乘法对坡度自动拟合，可以快速便捷地生成较为合理的坡度初始设计方案，为纵断面设计和优化提供快速参考和指导；

2、本发明在自动拟合坡度设计生成的成果上，进行纵断面自动优化，以形成满足纵断面坡度设计要求的设计方案；

3、本发明相关高程限制约束条件、自动拟合、自动设计优化以及自动进行规范要求检查，可以提高纵断面设计的质量和效率以及规范符合性。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为本发明步骤(7)拟合纵断面坡度设计方案中确定初始坡度线和变坡点的示意图；

图3为本发明步骤(8)纵断面坡度自动优化处理中坡度处理的示意图；

图4为本发明步骤(8)纵断面坡度自动优化处理中最大坡度代数差处理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，该方法包括如下步骤：

(1)高程控制类条件约束处理：

先由各高程控制点、地下管线、控制性建筑物或构筑物、道路、河流等高程控制数据求得对应里程桩号的纵断面轨面高程数据；此过程需要根据具体的约束类型、结合相应计算方法，计算出轨面高程控制数据，实现由各类高程控制数据到纵断面轨面高程控制数据转换；

(2)生成初始设计高程基线：

对高程控制线进行平顺处理，按照坡长倍数值内插出高程数据，将纵断面轨面高程控制数据按照等距处理的方法简化出初始高程控制线；方法是按照最小坡段长度值确定参与平顺范围内的高程数据个数，再对这些高程数据点进行加权处理，生成初始设计高程基线；

(3)结构断面类条件约束处理：

此类约束通常是对某一连续里程段内隧道埋深、结构外轮廓尺寸、结构上下限进行数值设定，根据具体的约束类型、结合各自的特征，利用空间几何位置关系，计算出连续里程段内轨面高程控制数据；此过程通过对设定的条件约束进行处理，形成轨面高程的上限或下限数据；

(4)生成设计高程控制上下限：

将结构断面类条件约束处理形成的上限或下限数据投影到初始设计高程基线，采用插值计算，生成设计高程控制上下限；此高程控制上下限将作为对纵断面方案设计的检查条件，最终经过自动拟合与优化设计后形成的纵断面坡度设计线将在此高程控制上下限范围内，不允许有变坡点超出此高程控制上下限；

(5)规范、设计技术标准类条件约束处理：

按照站台长度、站台节能坡度、坡长取整等约束条件要求，对初始设计高程基线上相应里程桩号范围内的对应的高程基线作调整修改，形成纵断面初始方案线；

(6)方案优化控制参数：

方案优化是在纵断面自动设计坡度方案的基础上进行的，方案中每个变坡点的里程位置保持不变，以每个变坡点的高程值作为调整对象，以自动设计坡度方案中的变坡点高程为基准，增加或减小一个高程调整步长后再进行相关条件约束处理，以保证方案优化能满足地铁纵断面设计要求；

方案优化控制参数包括：方案线拟合次数，坡度合并条件、高程调整步长、特殊高程点允许抬升量、站台节能坡度；

(7)拟合纵断面坡度设计方案(如图2)：

对纵断面初始方案线进行拟合，生成初步设计坡度线，过程包括：

a)、划分曲线拟合段：按车站以及特殊控制点桩号里程将初始方案线划分成多个拟合段，按此划分的依据是车站和特殊控制点允许在高程上做不超过参数设定量的调整，为后续纵断面自动优化留出可调范围；

b)、确定初始坡度线和变坡点：在每个拟合段内，采用最小二乘法对拟合段内的初始方案线进行曲线拟合，生成一条贴合初始方案线的曲线，求得拟合曲线三阶导数为零处的点，此点为拟合曲线的极值点或称为“反弯点”，在相邻“反弯点”间采用一元线形回归定出初始坡度线，相邻初始坡度线的交点即为变坡点；

(8)纵断面坡度自动优化处理：

对生成的初步设计坡度线进行优化处理，直至达到满足纵断面坡度设计要求，且符合方案优化控制参数设定的条件；

其过程主要包括：最小坡长、最大坡度、最大坡度代数差、坡长取整、站台长度、站台节能坡度、竖缓曲线重叠、紧坡地段处理、坡度平顺调整处理、坡度合并处理、高程控制处理；

(9)纵断面设计成果输出

纵断面设计成果输出是将满足设计要求、符合方案优化控制参数设定条件的纵断面设计方案在CAD图中生成，输出设计成果表格，包括坡度表、轨面高程表、特殊点高程表；同时输出各种设计检查表，包括最小坡长、最大坡度、竖缓曲线重叠、坡度代数差。

进一步的，在步骤(5)规范、设计技术标准类条件约束处理中：

a)、坡长取整调整：考虑内业和外业断链，将变坡点里程位置调整到50米标、百米标或者与坡长倍数值成倍数关系的里程标处，避免出现过多碎坡段；

b)、站台长度、站台节能坡度调整：将站台里程对应位置的高程基线按照站台长度、站台节能坡度要求进行修改调整，以修改后形成的站台坡度线替换相应高程基线，同时平顺站台坡度线与前后高程基线的连接。

进一步的，在步骤(6)方案优化控制参数中：

a)、所述方案线拟合次数：对纵断面初始方案线进行最小二乘法曲线拟合的次数，最小二乘曲线拟合次数较小时，拟合出的曲线较为平顺，曲线的极值点数少；反之拟合次数越大时，拟合出的曲线越不平顺，曲线的极值点数越多，拟合出的曲线与坡度设计就越贴近；

b)、所述高程调整步长：在坡度优化设计过程中，以设置的高程调整步长对变坡点高程进行每次的优化调整；

c)、所述特殊高程点允许抬升量：如遇到地下管线无法改移时，对相应坡度线平移时的最大允许平移量；

d)、所述坡度合并条件：自动拟合的坡度线往往有较多的坡度代数差较小的相邻碎坡，在纵断面坡度优化中，需要对这类相邻碎坡设置一个合并条件，相邻坡度代数差小于此设定值，则进行合并处理；

e)、所述站台节能坡度：依据列车运行规律，将站台设置在线路纵断面的高处，有利于减少车辆进站制动距离、延长制动系统使用寿命；有利于车辆出站加速、节省牵引能耗。

进一步的，在步骤(8)纵断面坡度自动优化处理(如图3、4)：

a)、所述最小坡长处理：

当相邻的几个坡度线长度都不满足最小坡长要求时，如果这几个坡长之和大于最小坡长，将这个几个坡度的首尾变坡点相连，删除掉中间变坡点。如果坡长之和小于最小坡长，同时两侧坡度线的交点在这个几个小坡长的范围内，则将这个交点作为新变坡点添加进来，如果在这几个小坡长的范围外，则将这个几个坡度的首尾变坡点相连，删除掉中间变坡点，将连线中点作为新变坡点添加进来，用这样的方法生成新的坡度线和变坡点；

b)、所述最大坡度处理：

以最大坡度条件约束检查各坡度线的坡率，若坡度超出最大坡度约束条件，以最大坡度值为斜率，以此坡度线中点为中心，作直线与相邻坡度线相交，若能与相邻坡度线形成交点，则用新交点替代原坡度线两端变坡点，若不能同时与相邻坡度线形成交点，则以最大坡度替代原坡度；

c)、最大坡度代数差处理

以最大坡度代数差条件约束检查各坡度线的实际坡度代数差，若实际坡度代数差超过限值，调整的方法是将变坡点向坡度代数差减小的方向移动，使其移动后的变坡点能满足最大坡度代数差要求；

d)、坡长取整处理

在纵断面坡度设计中，除因内外业断链原因，通常坡长尽量设计为整数值，避免出现过多的碎坡，据此将坡长值进行四舍五入取整，同时考虑处理后的坡长能满足最小坡长的要求；

e)、站台长度及站台节能坡度设置处理

为了节省牵引能耗、延长车辆加速制动系统的使用寿命、节约车辆维修成本费用，依据不同的列车类型及运行规律，尽量合理设计节能坡道及站台长度。使车站尽量设置在线路纵断面的高处；将站台长度和两端节能坡度作为一个整体，替换相应位置的初始坡度，同时将两端节能坡进行顺接，使其满足最小坡长及坡长取整的要求；

f)、竖曲线、缓和曲线重叠处理

地铁线路设计中通常要求线路竖曲线不得与平面缓和曲线重叠。对满足设置竖曲线条件同时又位于平面缓和曲线范围内的变坡点，应先根据坡度代数差和竖曲线半径，计算出竖曲线切线长，以此对变坡点进行移动调整，使其满足最小坡长要求，如果无法满足最小坡长的要求，则将此变坡点删除；

g)、紧坡地段处理

紧坡地段处理的原则是：紧坡地段通常应用足最大坡度，以便争取高度使线路不至额外展长。当线路遇到较大高程障碍时，需要使用多段连续的坡长较短的、坡度最大的坡段线对线路高程进行调整，以达到预定高度。当坡度线出现连续多个上坡或者下坡时，若各坡段的坡度数值没有完全达到最大坡度限值，对没有采用最大坡度值的坡度以最大坡度替代原坡度。以新的生成的坡度线与相邻的坡度线交点为变坡点替代原相邻变坡点，同时考虑调整后的坡长满足最小坡长要求；

h)、坡度平顺处理

检查坡度线中有无先紧坡上升或下降后又紧坡下降或上升的坡度情况，若出现此情况不是为了满足某一高程要求，则应将此段内的坡度进行平顺处理，采用最小二乘法及线性回归对此段内的变坡点重新进行曲线拟合，重新生成变坡点，同时将原变坡点删除；

i)、坡度合并处理

自动拟合的坡度线往往有较多的坡度代数差较小的相邻碎坡，在纵断面坡度优化中，需要对这类相邻碎坡进行合并处理，以消除代数差过小的相邻碎坡；

j)、高程控制点处理

线路纵断面中有高程控制要求的点，通常要求坡度线必须经过此点，以满足此控制点的高程要求。先这类高程控制点位置，按照最大坡度约束的坡度线斜率向此点前后坡度线作两条直线与坡度线相交，形成高程调整控制线，在此控制线的基础上，调整与此相交的两条坡度线，使其满足最小坡长、竖缓曲线重叠要求。然后取控制线段落内新的坡度线替代原坡度线，完成高程控制点的处理。

进一步的，在步骤(2)生成初始设计高程基线中：坡长倍数值一般设置为5或10米。

Claims (5)

1.一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，其特征在于：

该方法包括如下步骤：

（1）高程控制类条件约束处理：

先由各高程控制点、地下管线、控制性建筑物或构筑物、道路、河流高程控制数据求得对应里程桩号的纵断面轨面高程数据；此过程需要根据具体的约束类型、结合相应计算方法，计算出轨面高程控制数据，实现由各类高程控制数据到纵断面轨面高程控制数据转换；

（2）生成初始设计高程基线：

对高程控制线进行平顺处理，按照坡长倍数值内插出高程数据，将纵断面轨面高程控制数据按照等距处理的方法简化出初始高程控制线；方法是按照最小坡段长度值确定参与平顺范围内的高程数据个数，再对这些高程数据点进行加权处理，生成初始设计高程基线；

（3）结构断面类条件约束处理：

此类约束通常是对某一连续里程段内隧道埋深、结构外轮廓尺寸、结构上下限进行数值设定，根据具体的约束类型、结合各自的特征，利用空间几何位置关系，计算出连续里程段内轨面高程控制数据；此过程通过对设定的条件约束进行处理，形成轨面高程的上限或下限数据；

（4）生成设计高程控制上下限：

将结构断面类条件约束处理形成的上限或下限数据投影到初始设计高程基线，采用插值计算，生成设计高程控制上下限；此高程控制上下限将作为对纵断面方案设计的检查条件，最终经过自动拟合与优化设计后形成的纵断面坡度设计线将在此高程控制上下限范围内，不允许有变坡点超出此高程控制上下限；

（5）规范、设计技术标准类条件约束处理：

按照站台长度、站台节能坡度、坡长取整约束条件要求，对初始设计高程基线上相应里程桩号范围内的对应的高程基线作调整修改，形成纵断面初始方案线；

（6）方案优化控制参数：

方案优化是在纵断面自动设计坡度方案的基础上进行的，方案中每个变坡点的里程位置保持不变，以每个变坡点的高程值作为调整对象，以自动设计坡度方案中的变坡点高程为基准，增加或减小一个高程调整步长后再进行相关条件约束处理，以保证方案优化能满足地铁纵断面设计要求；

方案优化控制参数包括：方案线拟合次数，坡度合并条件、高程调整步长、特殊高程点允许抬升量、站台节能坡度；

（7）拟合纵断面坡度设计方案：

对纵断面初始方案线进行拟合，生成初步设计坡度线，过程包括：

a)、划分曲线拟合段：按车站以及特殊控制点桩号里程将初始方案线划分成多个拟合段，按此划分的依据是车站和特殊控制点允许在高程上做不超过参数设定量的调整，为后续纵断面自动优化留出可调范围；

b)、确定初始坡度线和变坡点：在每个拟合段内，采用最小二乘法对拟合段内的初始方案线进行曲线拟合，生成一条贴合初始方案线的曲线，求得拟合曲线三阶导数为零处的点，此点为拟合曲线的极值点或称为“反弯点”，在相邻“反弯点”间采用一元线形回归定出初始坡度线，相邻初始坡度线的交点即为变坡点；

（8）纵断面坡度自动优化处理：

对生成的初步设计坡度线进行优化处理，直至达到满足纵断面坡度设计要求，且符合方案优化控制参数设定的条件；

其过程主要包括：最小坡长、最大坡度、最大坡度代数差、坡长取整、站台长度、站台节能坡度、竖缓曲线重叠、紧坡地段处理、坡度平顺调整处理、坡度合并处理、高程控制处理；

（9）纵断面设计成果输出

纵断面设计成果输出是将满足设计要求、符合方案优化控制参数设定条件的纵断面设计方案在CAD图中生成，输出设计成果表格，包括坡度表、轨面高程表、特殊点高程表；同时输出各种设计检查表，包括最小坡长、最大坡度、竖缓曲线重叠、坡度代数差。

2.根据权利要求1所述的地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，其特征在于：

在步骤（5）规范、设计技术标准类条件约束处理中：

a)、坡长取整调整：考虑内业和外业断链，将变坡点里程位置调整到50米标、百米标或者与坡长倍数值成倍数关系的里程标处，避免出现过多碎坡段；

b)、站台长度、站台节能坡度调整：将站台里程对应位置的高程基线按照站台长度、站台节能坡度要求进行修改调整，以修改后形成的站台坡度线替换相应高程基线，同时平顺站台坡度线与前后高程基线的连接。

3.根据权利要求1所述的地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，其特征在于：

在步骤（6）方案优化控制参数中：

a)、所述方案线拟合次数：对纵断面初始方案线进行最小二乘法曲线拟合的次数，最小二乘曲线拟合次数较小时，拟合出的曲线较为平顺，曲线的极值点数少；反之拟合次数越大时，拟合出的曲线越不平顺，曲线的极值点数越多，拟合出的曲线与坡度设计就越贴近；

b)、所述高程调整步长：在坡度优化设计过程中，以设置的高程调整步长对变坡点高程进行每次的优化调整；

c)、所述特殊高程点允许抬升量：如遇到地下管线无法改移时，对相应坡度线平移时的最大允许平移量；

d)、所述坡度合并条件：自动拟合的坡度线往往有较多的坡度代数差较小的相邻碎坡，在纵断面坡度优化中，需要对这类相邻碎坡设置一个合并条件，相邻坡度代数差小于此设定值，则进行合并处理；

e)、所述站台节能坡度：依据列车运行规律，将站台设置在线路纵断面的高处，有利于减少车辆进站制动距离、延长制动系统使用寿命；有利于车辆出站加速、节省牵引能耗。

4.根据权利要求1所述的地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，其特征在于：

在步骤（8）纵断面坡度自动优化处理：

a)、所述最小坡长处理：

当相邻的几个坡度线长度都不满足最小坡长要求时，如果这几个坡长之和大于最小坡长，将这几个坡度的首尾变坡点相连，删除掉中间变坡点；如果坡长之和小于最小坡长，同时两侧坡度线的交点在这几个小坡长的范围内，则将这个交点作为新变坡点添加进来，如果在这几个小坡长的范围外，则将这几个坡度的首尾变坡点相连，删除掉中间变坡点，将连线中点作为新变坡点添加进来，用这样的方法生成新的坡度线和变坡点；

b)、所述最大坡度处理：

以最大坡度条件约束检查各坡度线的坡率，若坡度超出最大坡度约束条件，以最大坡度值为斜率，以此坡度线中点为中心，作直线与相邻坡度线相交，若能与相邻坡度线形成交点，则用新交点替代原坡度线两端变坡点，若不能同时与相邻坡度线形成交点，则以最大坡度替代原坡度；

c)、最大坡度代数差处理

以最大坡度代数差条件约束检查各坡度线的实际坡度代数差，若实际坡度代数差超过限值，调整的方法是将变坡点向坡度代数差减小的方向移动，使其移动后的变坡点能满足最大坡度代数差要求；

d)、坡长取整处理

在纵断面坡度设计中，除因内外业断链原因，通常坡长尽量设计为整数值，避免出现过多的碎坡，据此将坡长值进行四舍五入取整，同时考虑处理后的坡长能满足最小坡长的要求；

e)、站台长度及站台节能坡度设置处理

为了节省牵引能耗、延长车辆加速制动系统的使用寿命、节约车辆维修成本费用，依据不同的列车类型及运行规律，尽量合理设计节能坡道及站台长度；使车站尽量设置在线路纵断面的高处；将站台长度和两端节能坡度作为一个整体，替换相应位置的初始坡度，同时将两端节能坡进行顺接，使其满足最小坡长及坡长取整的要求；

f)、竖曲线、缓和曲线重叠处理

地铁线路设计中通常要求线路竖曲线不得与平面缓和曲线重叠；对满足设置竖曲线条件同时又位于平面缓和曲线范围内的变坡点，应先根据坡度代数差和竖曲线半径，计算出竖曲线切线长，以此对变坡点进行移动调整，使其满足最小坡长要求，如果无法满足最小坡长的要求，则将此变坡点删除；

g)、紧坡地段处理

紧坡地段处理的原则是：紧坡地段通常应用足最大坡度，以便争取高度使线路不至额外展长；当线路遇到较大高程障碍时，需要使用多段连续的坡长较短的、坡度最大的坡段线对线路高程进行调整，以达到预定高度；当坡度线出现连续多个上坡或者下坡时，若各坡段的坡度数值没有完全达到最大坡度限值，对没有采用最大坡度值的坡度以最大坡度替代原坡度；以新的生成的坡度线与相邻的坡度线交点为变坡点替代原相邻变坡点，同时考虑调整后的坡长满足最小坡长要求；

h)、坡度平顺处理

检查坡度线中有无先紧坡上升或下降后又紧坡下降或上升的坡度情况，若出现此情况不是为了满足某一高程要求，则应将此段内的坡度进行平顺处理，采用最小二乘法及线性回归对此段内的变坡点重新进行曲线拟合，重新生成变坡点，同时将原变坡点删除；

i)、坡度合并处理

自动拟合的坡度线往往有较多的坡度代数差较小的相邻碎坡，在纵断面坡度优化中，需要对这类相邻碎坡进行合并处理，以消除代数差过小的相邻碎坡；

j)、高程控制点处理

线路纵断面中有高程控制要求的点，通常要求坡度线必须经过此点，以满足此控制点的高程要求；首先这类高程控制点位置，按照最大坡度约束的坡度线斜率向此点前后坡度线作两条直线与坡度线相交，形成高程调整控制线，在此控制线的基础上，调整与此相交的两条坡度线，使其满足最小坡长、竖缓曲线重叠要求；然后取控制线段落内新的坡度线替代原坡度线，完成高程控制点的处理。

5.根据权利要求1所述的地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，其特征在于：

在步骤（2）生成初始设计高程基线中：坡长倍数值一般设置为5或10米。