CN106250615A - 铺轨前线路纵断面优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铺轨前线路纵断面优化设计方法，该方法包括以下步骤：构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体(S1)，设置纵断面优化控制参数(S2)，设置纵断面自动调整控制参数(S3)，线路纵断面自动调整设计(S4)，构建线路纵断面智能优化数学模型(S5)，线路纵断面智能优化设计(S6)，输出线路纵断面优化对比效果(S7)。该方法首先通过自动调整设计，实现纵断面分段定量优化，然后采用智能优化算法进行智能优化设计，实现纵断面整体优化，数学模型先进，革新了现有工作手段，能显著提高纵断面优化设计工效和质量，自动化和智能化程度高，实用性强，能大幅提高生产效率，具有明显的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及线路纵断面优化设计方法，尤其涉及铺轨前线路纵断面智能优化设计方法。
背景技术
铁路和城市轨道交通线路的桥梁、隧道土建结构完成后，由于测量误差、施工错误或误差、结构变形变位等因素，不可避免地影响到线路纵断面超限及线路平顺性等。上述施工后产生的纵断面高程误差必须在轨道施工前进行必要的调整，以保证限界及线路平顺性满足设计要求。线路纵断面由变坡点里程、高程及坡长、坡度来表示，纵断面的调整主要指通过调整变坡点的位置和高程，改变纵断面坡长和坡度，纵断面优化设计的核心问题是确定最合理的变坡点里程和设计高程。由于纵断面变坡点个数及位置受众多因素影响，且一个坡段的调整必然影响到相邻坡段的超限发生改变，一个坡段调整到最优并不能保证整个线路纵断面的侵限值最小，其相互关系十分复杂，使纵断面优化设计变得十分困难，仅凭人的思维和想像很难找到满意的设计结果。长期以来，设计人员一直以手工计算或辅助设计的方式来进行铺轨前纵断面优化设计，不仅需要组织大量数据反复进行计算对比，过程耗时费力，严重影响工作效率，而且由于纵断面优化设计目标与变坡点里程和高程之间的显式关系并不容易表达，同时还需要考虑多种约束条件，优化过程更加复杂，使传统的优化设计成果质量不高，严重制约了铺轨前线路纵断面优化设计工作的进展。
发明内容
针对目前线路纵断面优化设计所存在的问题及现状，本发明提出一种铺轨前线路纵断面优化设计方法，通过构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体，设置纵断面优化控制参数，设置纵断面自动调整控制参数，进行线路纵断面自动调整设计，实现纵断面分段定量优化，然后构建线路纵断面智能优化数学模型，进行线路纵断面智能优化设计，实现纵断面整体优化，更新线路纵断面设计图，最后输出线路纵断面优化对比效果。
本发明所涉及的铺轨前线路纵断面优化设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
S1、构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体
铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体基于原始线路平面模型和桥隧实测资料构建，原始线路平面模型采用原始施工图线路设计资料，包括线路设计规范、线路模型名称、断链里程数据、平面交点曲线数据、曲线超高数据、纵断面变坡点数据、桥梁缺口数据、隧道缺口数据、站场缺口数据，纵断面变坡点数据包括变坡点里程、高程、坡长、坡度和竖曲线半径，桥隧实测资料指桥隧实测结构中心线数据，由实测结构中心线结点组成，每个节点对应一个实测断面，每个节点包括标注里程、坐标和高程；
线路纵断面优化设计自定义实体包括以下五线谱栏目及内容：轨面设计高程、轨面设计坡度、实测超限值、实测换算轨面高程、地面高程、加桩和线路平面；实测超限值分两栏表示，向上超限显示在上方，向下超限显示在下方，实测超上限，表示需要上调坡度，反之亦然，只显示超限部分；实测换算轨面高程根据实测点高程和换算参数计算，里程根据实测点坐标投影计算；地面高程采用与实测换算轨面高程一致，实测范围外采用变坡点高程；加桩按所有实测点里程显示，线路平面绘制平面曲线资料；线路纵断面优化设计自定义实体左侧绘制线路模型名称，顶部相应位置绘制实测起终点及里程。
S2、设置纵断面优化控制参数
纵断面优化控制参数包括限界参数、高程换算参数和纵断面误差标准，纵断面误差标准是纵断面超限控制参数，包括高架桥和隧道竖向允许最大误差，竖向允许最大误差分上限和下限；优化控制参数根据桥隧结构变化，按原始线路里程进行设置，包括添加、编辑和删除控制参数；根据原始线路里程计算平面坐标位置，标注控制参数和里程。
S3、设置纵断面自动调整控制参数
纵断面自动调整控制参数包括规范要求、约束控制条件、变坡点里程取整位数、坡度保留位数、合并的最小坡度代数差、首个坡段小于最小坡长控制、末尾坡段小于最小坡长控制、纵断面坡度自动模拟方式和接坡参数；规范要求包括设置最小坡长、最大上坡、最大下坡、最大坡度代数差和竖曲线半径；约束控制条件包括最小坡长、最大坡度、最大坡度代数差、竖缓重叠和坡度合并；接坡参数包括起终点接坡控制方式、高程、接坡长度和接坡坡度，接坡控制方式包括无要求、控制高程和控制高程坡长坡度，无要求表示实测起终点以拟合的高程为准，会调整实测范围外的原始坡长和坡度，控制高程为0，表示采用内插计算接原始坡度高程，坡长截断，保证实测点外坡度不变，否则调整为输入的高程，控制高程坡长坡度时，高程为0表示接原始坡长坡度，否则调整为输入的接坡长度和接坡坡度。
S4、线路纵断面自动调整设计
线路纵断面的调整指通过调整变坡点的里程和高程，改变纵断面坡长和坡度，线路纵断面的自动调整设计包括两个过程，一是纵断面坡度自动模拟，二是纵断面坡度约束处理；纵断面坡度自动模拟是根据实测点高程数据，通过直线拟合技术，模拟纵断面设计坡度，直线拟合采用最大似然估计的最小二乘法，纵断面坡度自动模拟分两种方式，利用原始坡度进行模拟和完全自动模拟；利用原始坡度进行模拟的过程包括：获取原始设计坡度、根据实测点数据直线拟合每个坡段、根据拟合坡段计算每个变坡点的高程、用前后两个拟合高度的平均值修改变坡点的高程；完全自动模拟指直接根据实测点高程进行直线拟合，根据超限控制参数划分坡段段落，确定变坡点位置，算法实现流程包括：逐点扩展直线拟合、根据超限控制参数划分坡段、坡段求交确定变坡点位置和构建纵断面模拟坡度；逐点扩展直线拟合即对实测点高程数据，从小里程到大里程，先取3个连续点，进行最小二乘法直线拟合，计算相应点的高程对比差值，并与超限控制参数进行比较，如果没有超限，则添加下一个高程点，再进行直线拟合，计算并判断超限值，如此循环，如果出现超限，则按上一次未超限时的拟合坡度和高程点作为一个坡段，并与前一个坡段求交，如果交点位置合适，即交点在前一个坡段和当前坡段范围内，则将交点作为新的变坡点，如果交点不存在及交点位置不合适，则将前一个坡段和当前坡段作为一个坡段进行直线模拟，如此循环，直到整个纵断面坡度模拟完毕；
纵断面坡度自动模拟之后，对坡度线按约束控制条件进行约束处理，使坡度设计满足纵断面设计规范的要求，纵断面坡度约束处理流程包括最小坡长约束处理、坡长取整处理、最大坡度约束处理、坡度合并处理、竖缓重叠约束处理、坡度取整处理、起终点接坡处理；最小坡长约束处理包括两端相连法、中间加点法、交点替换法、中点替换法和中间延伸法，两端相连法指不满足最小坡长的小碎坡相邻，且这些小碎坡的总长大于最小坡长，则将这些小碎坡的起终点直接相连，作为这一段坡度新的坡度线，中间加点法指根据连续的小碎坡总长与最小坡长的倍数关系，在这段小碎坡的中间插入变坡点，使新坡度线贴近实测轨面线，交点替换法指如果小碎坡总长小于最小坡长，则将小碎坡之外的两侧坡段进行求交处理，如果交点存在且在这段小碎坡之间，则将交点作为新的变坡点，中点替换法指如果交点替换法中交点无法求得，及交点求得后，新交点前后坡长不满足最小坡长，则将这一段小碎坡起终点连线的中点作为新的变坡点，中间延伸法指当中间小碎坡的长度小于并接近最小坡长时，将小碎坡起终点处的变坡点向外移，使小碎坡的总长满足最小坡长要求；坡长取整处理首先根据变坡点前后两坡段的坡长条件，决定该变坡点向小里程调整还是大里程调整，如果前后坡长都满足最小坡长，则对比调整前后坡度变化量的大小，将变坡点向变化量小的一侧调整到取整里程，如果前后坡长只有一侧坡长满足最小坡长，则向该侧直接调整到取整里程，如果前后坡长都不满足最小坡长，则直接删除该变坡点；
最大坡度约束处理是对超出最大限坡的坡段进行调整，使其满足最大上坡和最大下坡要求；坡度合并处理以合并的最小坡度代数差作为阀值，将代数差小于此阀值的变坡点删除，减少小碎坡；竖缓重叠约束处理根据线路平面和竖曲线半径，确定竖缓重叠的变坡点，在该变坡点小里程和大里程方向查找最近的非竖缓重叠的位置，根据最小坡长要求和改动量最小的原则调整变坡点；坡度取整处理先根据超限值减小的方向确定变坡点的上下调整属性，然后根据坡度保留位数进行取整；起终点接坡处理根据接坡参数调整纵断面优化设计起终点高程、坡长和坡度。
纵断面坡度约束处理后，自动刷新五线谱栏目，更新线路纵断面优化设计自定义实体，完成铺轨前线路纵断面自动调整设计。
S5、构建线路纵断面智能优化数学模型
基于纵断面设计变量、约束控制条件和优化目标，构建线路纵断面智能优化数学模型；纵断面设计变量包括每个变坡点的里程和高程，这些变量唯一确定线路纵断面坡度线，模型采用自动调整设计的成果，将变坡点的个数和里程先确定下来，然后对各变坡点的高程进行优化，使其达到最优解；纵断面智能优化设计考虑的约束控制条件与自动调整设计相同；优化目标指线路纵断面总超限值，由每个实测点处的纵向超限值绝对值之和计算，是判断线路纵断面智能优化设计效果的目标函数值，纵向超限值包括纵断面高程上限超限值和纵断面高程下限超限值，目标函数值最小代表纵断面优化效果最好。
S6、线路纵断面智能优化设计
在纵断面自动调整设计的基础上，利用线路纵断面智能优化数学模型，通过设置纵断面智能优化控制参数、初始化纵断面种群方案、计算纵断面种群方案总超限值、纵断面种群智能优化和更新线路纵断面设计图5个步骤，实现线路纵断面智能优化设计；
纵断面智能优化控制参数包括设计变量个数、种群规模、优化模式、变异缩放因子、交叉概率、进化终止条件和优化过程显示控制；设计变量的个数与变坡点的个数有关，只考虑优化变坡点高程时，设计变量的个数为变坡点的个数，同时考虑优化变坡点高程和里程时，设计变量的个数为变坡点个数的2倍；种群规模指进行优化设计采用的纵断面种群方案个数；优化模式采用一种新的随机方案和最佳方案的混合演化模式，是纵断面种群智能优化时采用的变异操作方法；变异缩放因子控制纵断面设计变量变异缩放的大小，根据纵断面智能优化数学模型的演化过程从大到小自适应调整；交叉概率指种群方案变异前后设计变量选择的机率；进化终止条件包括纵断面最大进化代数、纵断面总超限值优化阀值和强制终止，当进化代数达到最大时，终止进化，当连续一定代数最优方案的纵断面总超限值的差值小于优化阀值时，进化终止，强制终止由手工操作；优化过程显示控制包括优化进度、当前代数、总超限值、所在代数、所在方案和优化比例；
初始化纵断面种群方案是根据原始和自动调整设计后的线路纵断面，通过扰动各设计变量的值，按种群规模生成初始纵断面种群方案；变坡点高程根据每个坡段前后扰动范围内的实测点重新拟合来计算，变坡点里程根据里程扰动范围计算；将原始和自动调整设计后的线路纵断面也作为初始种群方案，不发生扰动。
计算纵断面种群方案总超限值是对所有初始纵断面种群方案计算目标函数值，并对目标函数值进行排序，选出初始最佳纵断面方案；
纵断面种群智能优化指通过对纵断面种群方案按优化模式循环进行变异、交叉、约束处理和选择操作，直到满足进化终止条件，获得纵断面最优解；变异操作根据纵断面总超限值找出当前进化代种群中的最佳纵断面方案，作为当前种群中的最佳个体，然后在种群中随机选择另外两个纵断面方案，计算这两个方案之间的差异，利用差异值乘以变异缩放因子来调整当前纵断面方案，变异操作后，每个种群方案的各设计变量都存在变异前和变异后两个值；交叉操作根据交叉概率决定每个纵断面设计变量的取值方式，当随机产生的实数小于交叉概率时取变异后的纵断面设计变量，当随机产生的实数大于交叉概率时取变异前的纵断面设计变量；约束处理指变异、交叉操作后，对不满足约束控制条件的纵断面方案进行调整，使其满足纵断面设计规范的要求，约束处理流程与纵断面自动调整设计相同；变异、交叉和约束处理后形成新的候选纵断面方案，重新计算各方案的目标函数值，选择操作根据目标函数值确定，如果候选纵断面方案的目标函数值优于当前纵断面方案，则将当前纵断面方案用候选纵断面方案代替，否则保留当前纵断面方案；选择操作后，形成新一代纵断面种群方案，重新计算纵断面种群方案目标函数值，并对目标函数值进行排序，选出最佳纵断面方案，根据优化过程显示控制，显示原始方案和优化效果排在前5的方案信息，并实时动态更新显示最佳纵断面方案设计图；
更新线路纵断面设计图采用纵断面最优解的设计变量替代原始线路纵断面设计变量，重新计算并刷新五线谱栏目，更新线路纵断面优化设计自定义实体，完成线路纵断面智能优化设计。
S7、输出线路纵断面优化对比效果
根据线路纵断面智能优化设计成果，重新计算纵断面对比差值和超限值，然后计算并输出线路纵断面优化对比效果及优化前、后竖向检查表；纵断面优化对比效果包括纵断面超限节点变化个数及优化百分比、纵断面上限最大超限值及变化值、纵断面下限最大超限值及变化值和纵断面总超限值及变化值；竖向检查表包括里程、设计高程、实测高程、侵限值和侵限情况。
该发明的有益效果是：通过构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体，提供了参数设置和优化设计的统一载体，数据管理更加有效，优化设计综合采用自动调整和智能优化算法，技术先进，首先通过自动调整设计，实现纵断面分段定量优化，然后采用智能优化算法进行智能优化设计，实现纵断面整体优化，革新了现有工作手段和流程，能显著提高纵断面优化设计工效和质量，自动化和智能化程度高，实用性强，能大幅提高生产效率，具有明显的推广应用价值。
附图说明
图1为铺轨前线路纵断面优化设计方法的流程图。
图中标记说明：
S1、构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体
S2、设置纵断面优化控制参数
S3、设置纵断面自动调整控制参数
S4、线路纵断面自动调整设计
S5、构建线路纵断面智能优化数学模型
S6、线路纵断面智能优化设计
S7、输出线路纵断面优化对比效果
具体实施方式
参照附图说明本发明的具体技术方案。由图1的流程图所示，本发明涉及的铺轨前线路纵断面优化设计方法的步骤包括：构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体，设置纵断面优化控制参数，设置纵断面自动调整控制参数，线路纵断面自动调整设计，构建线路纵断面智能优化数学模型，线路纵断面智能优化设计，输出线路纵断面优化对比效果。
S1、构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体
铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体基于原始线路平面模型和桥隧实测资料构建，原始线路平面模型采用原始施工图线路设计资料，包括线路设计规范、线路模型名称、断链里程数据、平面交点曲线数据、曲线超高数据、纵断面变坡点数据、桥梁缺口数据、隧道缺口数据、站场缺口数据，纵断面变坡点数据包括变坡点里程、高程、坡长、坡度和竖曲线半径，桥隧实测资料指桥隧实测结构中心线数据，由实测结构中心线结点组成，每个节点对应一个实测断面，每个节点包括标注里程、坐标和高程；
线路纵断面优化设计自定义实体包括以下五线谱栏目及内容：轨面设计高程、轨面设计坡度、实测超限值、实测换算轨面高程、地面高程、加桩和线路平面；实测超限值分两栏表示，向上超限显示在上方，向下超限显示在下方，实测超上限，表示需要上调坡度，反之亦然，只显示超限部分；实测换算轨面高程根据实测点高程和换算参数计算，里程根据实测点坐标投影计算；地面高程采用与实测换算轨面高程一致，实测范围外采用变坡点高程；加桩按所有实测点里程显示，线路平面绘制平面曲线资料；线路纵断面优化设计自定义实体左侧绘制线路模型名称，顶部相应位置绘制实测起终点及里程。
S2、设置纵断面优化控制参数
纵断面优化控制参数包括限界参数、高程换算参数和纵断面误差标准，纵断面误差标准是纵断面超限控制参数，包括高架桥和隧道竖向允许最大误差，竖向允许最大误差分上限和下限；优化控制参数根据桥隧结构变化，按原始线路里程进行设置，包括添加、编辑和删除控制参数；根据原始线路里程计算平面坐标位置，标注控制参数和里程。
S3、设置纵断面自动调整控制参数
纵断面自动调整控制参数包括规范要求、约束控制条件、变坡点里程取整位数、坡度保留位数、合并的最小坡度代数差、首个坡段小于最小坡长控制、末尾坡段小于最小坡长控制、纵断面坡度自动模拟方式和接坡参数；规范要求包括设置最小坡长、最大上坡、最大下坡、最大坡度代数差和竖曲线半径；约束控制条件包括最小坡长、最大坡度、最大坡度代数差、竖缓重叠和坡度合并；接坡参数包括起终点接坡控制方式、高程、接坡长度和接坡坡度，接坡控制方式包括无要求、控制高程和控制高程坡长坡度，无要求表示实测起终点以拟合的高程为准，会调整实测范围外的原始坡长和坡度，控制高程为0，表示采用内插计算接原始坡度高程，坡长截断，保证实测点外坡度不变，否则调整为输入的高程，控制高程坡长坡度时，高程为0表示接原始坡长坡度，否则调整为输入的接坡长度和接坡坡度。
S4、线路纵断面自动调整设计
线路纵断面的调整指通过调整变坡点的里程和高程，改变纵断面坡长和坡度，线路纵断面的自动调整设计包括两个过程，一是纵断面坡度自动模拟，二是纵断面坡度约束处理；纵断面坡度自动模拟是根据实测点高程数据，通过直线拟合技术，模拟纵断面设计坡度，直线拟合采用最大似然估计的最小二乘法，纵断面坡度自动模拟分两种方式，利用原始坡度进行模拟和完全自动模拟；利用原始坡度进行模拟的过程包括：获取原始设计坡度、根据实测点数据直线拟合每个坡段、根据拟合坡段计算每个变坡点的高程、用前后两个拟合高度的平均值修改变坡点的高程；完全自动模拟指直接根据实测点高程进行直线拟合，根据超限控制参数划分坡段段落，确定变坡点位置，算法实现流程包括：逐点扩展直线拟合、根据超限控制参数划分坡段、坡段求交确定变坡点位置和构建纵断面模拟坡度；逐点扩展直线拟合即对实测点高程数据，从小里程到大里程，先取3个连续点，进行最小二乘法直线拟合，计算相应点的高程对比差值，并与超限控制参数进行比较，如果没有超限，则添加下一个高程点，再进行直线拟合，计算并判断超限值，如此循环，如果出现超限，则按上一次未超限时的拟合坡度和高程点作为一个坡段，并与前一个坡段求交，如果交点位置合适，即交点在前一个坡段和当前坡段范围内，则将交点作为新的变坡点，如果交点不存在及交点位置不合适，则将前一个坡段和当前坡段作为一个坡段进行直线模拟，如此循环，直到整个纵断面坡度模拟完毕；
纵断面坡度自动模拟之后，对坡度线按约束控制条件进行约束处理，使坡度设计满足纵断面设计规范的要求，纵断面坡度约束处理流程包括最小坡长约束处理、坡长取整处理、最大坡度约束处理、坡度合并处理、竖缓重叠约束处理、坡度取整处理、起终点接坡处理；最小坡长约束处理包括两端相连法、中间加点法、交点替换法、中点替换法和中间延伸法，两端相连法指不满足最小坡长的小碎坡相邻，且这些小碎坡的总长大于最小坡长，则将这些小碎坡的起终点直接相连，作为这一段坡度新的坡度线，中间加点法指根据连续的小碎坡总长与最小坡长的倍数关系，在这段小碎坡的中间插入变坡点，使新坡度线贴近实测轨面线，交点替换法指如果小碎坡总长小于最小坡长，则将小碎坡之外的两侧坡段进行求交处理，如果交点存在且在这段小碎坡之间，则将交点作为新的变坡点，中点替换法指如果交点替换法中交点无法求得，及交点求得后，新交点前后坡长不满足最小坡长，则将这一段小碎坡起终点连线的中点作为新的变坡点，中间延伸法指当中间小碎坡的长度小于并接近最小坡长时，将小碎坡起终点处的变坡点向外移，使小碎坡的总长满足最小坡长要求；坡长取整处理首先根据变坡点前后两坡段的坡长条件，决定该变坡点向小里程调整还是大里程调整，如果前后坡长都满足最小坡长，则对比调整前后坡度变化量的大小，将变坡点向变化量小的一侧调整到取整里程，如果前后坡长只有一侧坡长满足最小坡长，则向该侧直接调整到取整里程，如果前后坡长都不满足最小坡长，则直接删除该变坡点；
最大坡度约束处理是对超出最大限坡的坡段进行调整，使其满足最大上坡和最大下坡要求；坡度合并处理以合并的最小坡度代数差作为阀值，将代数差小于此阀值的变坡点删除，减少小碎坡；竖缓重叠约束处理根据线路平面和竖曲线半径，确定竖缓重叠的变坡点，在该变坡点小里程和大里程方向查找最近的非竖缓重叠的位置，根据最小坡长要求和改动量最小的原则调整变坡点；坡度取整处理先根据超限值减小的方向确定变坡点的上下调整属性，然后根据坡度保留位数进行取整；起终点接坡处理根据接坡参数调整纵断面优化设计起终点高程、坡长和坡度。
纵断面坡度约束处理后，自动刷新五线谱栏目，更新线路纵断面优化设计自定义实体，完成铺轨前线路纵断面自动调整设计，实现纵断面分段定量优化。
S5、构建线路纵断面智能优化数学模型
基于纵断面设计变量、约束控制条件和优化目标，构建线路纵断面智能优化数学模型；纵断面设计变量包括每个变坡点的里程和高程，这些变量唯一确定线路纵断面坡度线，模型采用自动调整设计的成果，将变坡点的个数和里程先确定下来，然后对各变坡点的高程进行优化，使其达到最优解；纵断面智能优化设计考虑的约束控制条件与自动调整设计相同；优化目标指线路纵断面总超限值，由每个实测点处的纵向超限值绝对值之和计算，是判断线路纵断面智能优化设计效果的目标函数值，纵向超限值包括纵断面高程上限超限值和纵断面高程下限超限值，目标函数值最小代表纵断面优化效果最好。
S6、线路纵断面智能优化设计
在纵断面自动调整设计的基础上，利用线路纵断面智能优化数学模型，通过设置纵断面智能优化控制参数、初始化纵断面种群方案、计算纵断面种群方案总超限值、纵断面种群智能优化和更新线路纵断面设计图5个步骤，实现线路纵断面智能优化设计；
纵断面智能优化控制参数包括设计变量个数、种群规模、优化模式、变异缩放因子、交叉概率、进化终止条件和优化过程显示控制；设计变量的个数与变坡点的个数有关，只考虑优化变坡点高程时，设计变量的个数为变坡点的个数，同时考虑优化变坡点高程和里程时，设计变量的个数为变坡点个数的2倍；种群规模指进行优化设计采用的纵断面种群方案个数；优化模式采用一种新的随机方案和最佳方案的混合演化模式，是纵断面种群智能优化时采用的变异操作方法；变异缩放因子控制纵断面设计变量变异缩放的大小，根据纵断面智能优化数学模型的演化过程从大到小自适应调整；交叉概率指种群方案变异前后设计变量选择的机率；进化终止条件包括纵断面最大进化代数、纵断面总超限值优化阀值和强制终止，当进化代数达到最大时，终止进化，当连续一定代数最优方案的纵断面总超限值的差值小于优化阀值时，进化终止，强制终止由手工操作；优化过程显示控制包括优化进度、当前代数、总超限值、所在代数、所在方案和优化比例；
初始化纵断面种群方案是根据原始和自动调整设计后的线路纵断面，通过扰动各设计变量的值，按种群规模生成初始纵断面种群方案；变坡点高程根据每个坡段前后扰动范围内的实测点重新拟合来计算，变坡点里程根据里程扰动范围计算；将原始和自动调整设计后的线路纵断面也作为初始种群方案，不发生扰动。
计算纵断面种群方案总超限值是对所有初始纵断面种群方案计算目标函数值，并对目标函数值进行排序，选出初始最佳纵断面方案；
纵断面种群智能优化指通过对纵断面种群方案按优化模式循环进行变异、交叉、约束处理和选择操作，直到满足进化终止条件，获得纵断面最优解；变异操作根据纵断面总超限值找出当前进化代种群中的最佳纵断面方案，作为当前种群中的最佳个体，然后在种群中随机选择另外两个纵断面方案，计算这两个方案之间的差异，利用差异值乘以变异缩放因子来调整当前纵断面方案，变异操作后，每个种群方案的各设计变量都存在变异前和变异后两个值；交叉操作根据交叉概率决定每个纵断面设计变量的取值方式，当随机产生的实数小于交叉概率时取变异后的纵断面设计变量，当随机产生的实数大于交叉概率时取变异前的纵断面设计变量；约束处理指变异、交叉操作后，对不满足约束控制条件的纵断面方案进行调整，使其满足纵断面设计规范的要求，约束处理流程与纵断面自动调整设计相同；变异、交叉和约束处理后形成新的候选纵断面方案，重新计算各方案的目标函数值，选择操作根据目标函数值确定，如果候选纵断面方案的目标函数值优于当前纵断面方案，则将当前纵断面方案用候选纵断面方案代替，否则保留当前纵断面方案；选择操作后，形成新一代纵断面种群方案，重新计算纵断面种群方案目标函数值，并对目标函数值进行排序，选出最佳纵断面方案，根据优化过程显示控制，显示原始方案和优化效果排在前5的方案信息，并实时动态更新显示最佳纵断面方案设计图；
更新线路纵断面设计图采用纵断面最优解的设计变量替代原始线路纵断面设计变量，重新计算并刷新五线谱栏目，更新线路纵断面优化设计自定义实体，完成线路纵断面智能优化设计，实现纵断面整体优化。
S7、输出线路纵断面优化对比效果
根据线路纵断面智能优化设计成果，重新计算纵断面对比差值和超限值，然后计算并输出线路纵断面优化对比效果及优化前、后竖向检查表；纵断面优化对比效果包括纵断面超限节点变化个数及优化百分比、纵断面上限最大超限值及变化值、纵断面下限最大超限值及变化值和纵断面总超限值及变化值；竖向检查表包括里程、设计高程、实测高程、侵限值和侵限情况。
Claims (4)
1.一种铺轨前线路纵断面优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体(S1)，设置纵断面优化控制参数(S2)，设置纵断面自动调整控制参数(S3)，线路纵断面自动调整设计(S4)，构建线路纵断面智能优化数学模型(S5)，线路纵断面智能优化设计(S6)，输出线路纵断面优化对比效果(S7)；
所述构建铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体(S1)，铺轨前线路纵断面优化设计自定义实体基于原始线路平面模型和桥隧实测资料构建，原始线路平面模型采用原始施工图线路设计资料，包括线路设计规范、线路模型名称、断链里程数据、平面交点曲线数据、曲线超高数据、纵断面变坡点数据、桥梁缺口数据、隧道缺口数据、站场缺口数据，纵断面变坡点数据包括变坡点里程、高程、坡长、坡度和竖曲线半径，桥隧实测资料指桥隧实测结构中心线数据，由实测结构中心线结点组成，每个节点包括标注里程、坐标和高程；
线路纵断面优化设计自定义实体包括以下五线谱栏目及内容：轨面设计高程、轨面设计坡度、实测超限值、实测换算轨面高程、地面高程、加桩和线路平面；实测超限值分两栏表示，向上超限显示在上方，向下超限显示在下方，实测超上限，表示需要上调坡度，反之亦然，只显示超限部分；实测换算轨面高程根据实测点高程和换算参数计算，里程根据实测点坐标投影计算；地面高程采用与实测换算轨面高程一致，实测范围外采用变坡点高程；加桩按所有实测点里程显示，线路平面绘制平面曲线资料；线路纵断面优化设计自定义实体左侧绘制线路模型名称，顶部相应位置绘制实测起终点及里程；
所述设置纵断面优化控制参数(S2)，纵断面优化控制参数包括限界参数、高程换算参数和纵断面误差标准，纵断面误差标准是纵断面超限控制参数，包括高架桥和隧道竖向允许最大误差，竖向允许最大误差分上限和下限；
所述设置纵断面自动调整控制参数(S3)，纵断面自动调整控制参数包括规范要求、约束控制条件、变坡点里程取整位数、坡度保留位数、合并的最小坡度代数差、首个坡段小于最小坡长控制、末尾坡段小于最小坡长控制、纵断面坡度自动模拟方式和接坡参数；规范要求包括设置最小坡长、最大上坡、最大下坡、最大坡度代数差和竖曲线半径；约束控制条件包括最小坡长、最大坡度、最大坡度代数差、竖缓重叠和坡度合并；接坡参数包括起终点接坡控制方式、高程、接坡长度和接坡坡度；
所述线路纵断面自动调整设计(S4)，线路纵断面的调整指通过调整变坡点的里程和高程，改变纵断面坡长和坡度，线路纵断面的自动调整设计包括两个过程，一是纵断面坡度自动模拟，二是纵断面坡度约束处理；纵断面坡度自动模拟是根据实测点高程数据，通过直线拟合技术，模拟纵断面设计坡度，直线拟合采用最大似然估计的最小二乘法，纵断面坡度自动模拟分两种方式，利用原始坡度进行模拟和完全自动模拟；利用原始坡度进行模拟的过程包括：获取原始设计坡度、根据实测点数据直线拟合每个坡段、根据拟合坡段计算每个变坡点的高程、用前后两个拟合高度的平均值修改变坡点的高程；完全自动模拟指直接根据实测点高程进行直线拟合，根据超限控制参数划分坡段段落，确定变坡点位置，算法实现流程包括：逐点扩展直线拟合、根据超限控制参数划分坡段、坡段求交确定变坡点位置和构建纵断面模拟坡度；
纵断面坡度自动模拟之后，对坡度线按约束控制条件进行约束处理，使坡度设计满足纵断面设计规范的要求，纵断面坡度约束处理流程包括最小坡长约束处理、坡长取整处理、最大坡度约束处理、坡度合并处理、竖缓重叠约束处理、坡度取整处理、起终点接坡处理；最小坡长约束处理包括两端相连法、中间加点法、交点替换法、中点替换法和中间延伸法，两端相连法指不满足最小坡长的小碎坡相邻，且这些小碎坡的总长大于最小坡长，则将这些小碎坡的起终点直接相连，作为这一段坡度新的坡度线，中间加点法指根据连续的小碎坡总长与最小坡长的倍数关系，在这段小碎坡的中间插入变坡点，使新坡度线贴近实测轨面线，交点替换法指如果小碎坡总长小于最小坡长，则将小碎坡之外的两侧坡段进行求交处理，如果交点存在且在这段小碎坡之间，则将交点作为新的变坡点，中点替换法指如果交点替换法中交点无法求得，及交点求得后，新交点前后坡长不满足最小坡长，则将这一段小碎坡起终点连线的中点作为新的变坡点，中间延伸法指当中间小碎坡的长度小于并接近最小坡长时，将小碎坡起终点处的变坡点向外移，使小碎坡的总长满足最小坡长要求；坡长取整处理首先根据变坡点前后两坡段的坡长条件，决定该变坡点向小里程调整还是大里程调整，如果前后坡长都满足最小坡长，则对比调整前后坡度变化量的大小，将变坡点向变化量小的一侧调整到取整里程，如果前后坡长只有一侧坡长满足最小坡长，则向该侧直接调整到取整里程，如果前后坡长都不满足最小坡长，则直接删除该变坡点；
最大坡度约束处理是对超出最大限坡的坡段进行调整，使其满足最大上坡和最大下坡要求；坡度合并处理以合并的最小坡度代数差作为阀值，将代数差小于此阀值的变坡点删除，减少小碎坡；竖缓重叠约束处理根据线路平面和竖曲线半径，确定竖缓重叠的变坡点，在该变坡点小里程和大里程方向查找最近的非竖缓重叠的位置，根据最小坡长要求和改动量最小的原则调整变坡点；坡度取整处理先根据超限值减小的方向确定变坡点的上下调整属性，然后根据坡度保留位数进行取整；起终点接坡处理根据接坡参数调整纵断面优化设计起终点高程、坡长和坡度；
纵断面坡度约束处理后，自动刷新五线谱栏目，更新线路纵断面优化设计自定义实体，完成铺轨前线路纵断面自动调整设计；
所述构建线路纵断面智能优化数学模型(S5)，基于纵断面设计变量、约束控制条件和优化目标，构建线路纵断面智能优化数学模型；纵断面设计变量包括每个变坡点的里程和高程，这些变量唯一确定线路纵断面坡度线，模型采用自动调整设计的成果，将变坡点的个数和里程先确定下来，然后对各变坡点的高程进行优化，使其达到最优解；纵断面智能优化设计考虑的约束控制条件与自动调整设计相同；优化目标指线路纵断面总超限值，由每个实测点处的纵向超限值绝对值之和计算，是判断线路纵断面智能优化设计效果的目标函数值，纵向超限值包括纵断面高程上限超限值和纵断面高程下限超限值，目标函数值最小代表纵断面优化效果最好；
所述线路纵断面智能优化设计(S6)，在纵断面自动调整设计的基础上，利用线路纵断面智能优化数学模型，通过设置纵断面智能优化控制参数、初始化纵断面种群方案、计算纵断面种群方案总超限值、纵断面种群智能优化和更新线路纵断面设计图5个步骤，实现线路纵断面智能优化设计；
纵断面智能优化控制参数包括设计变量个数、种群规模、优化模式、变异缩放因子、交叉概率、进化终止条件和优化过程显示控制；设计变量的个数与变坡点的个数有关，只考虑优化变坡点高程时，设计变量的个数为变坡点的个数，同时考虑优化变坡点高程和里程时，设计变量的个数为变坡点个数的2倍；种群规模指进行优化设计采用的纵断面种群方案个数；优化模式采用一种新的随机方案和最佳方案的混合演化模式，是纵断面种群智能优化时采用的变异操作方法；变异缩放因子控制纵断面设计变量变异缩放的大小，根据纵断面智能优化数学模型的演化过程从大到小自适应调整；交叉概率指种群方案变异前后设计变量选择的机率；进化终止条件包括纵断面最大进化代数、纵断面总超限值优化阀值和强制终止，当进化代数达到最大时，终止进化，当连续一定代数最优方案的纵断面总超限值的差值小于优化阀值时，进化终止，强制终止由手工操作；优化过程显示控制包括优化进度、当前代数、总超限值、所在代数、所在方案和优化比例；
初始化纵断面种群方案是根据原始和自动调整设计后的线路纵断面，通过扰动各设计变量的值，按种群规模生成初始纵断面种群方案；变坡点高程根据每个坡段前后扰动范围内的实测点重新拟合来计算，变坡点里程根据里程扰动范围计算；将原始和自动调整设计后的线路纵断面也作为初始种群方案，不发生扰动；
计算纵断面种群方案总超限值是对所有初始纵断面种群方案计算目标函数值，并对目标函数值进行排序，选出初始最佳纵断面方案；
纵断面种群智能优化指通过对纵断面种群方案按优化模式循环进行变异、交叉、约束处理和选择操作，直到满足进化终止条件，获得纵断面最优解；
更新线路纵断面设计图采用纵断面最优解的设计变量替代原始线路纵断面设计变量，重新计算并刷新五线谱栏目，更新线路纵断面优化设计自定义实体，完成线路纵断面智能优化设计；
所述输出线路纵断面优化对比效果(S7)，根据线路纵断面智能优化设计成果，重新计算纵断面对比差值和超限值，然后计算并输出线路纵断面优化对比效果及优化前、后竖向检查表；纵断面优化对比效果包括纵断面超限节点变化个数及优化百分比、纵断面上限最大超限值及变化值、纵断面下限最大超限值及变化值和纵断面总超限值及变化值；竖向检查表包括里程、设计高程、实测高程、侵限值和侵限情况。
2.根据权利要求1所述的设置纵断面自动调整控制参数(S3)，其特征在于，接坡控制方式包括无要求、控制高程和控制高程坡长坡度，无要求表示实测起终点以拟合的高程为准，会调整实测范围外的原始坡长和坡度，控制高程为0，表示采用内插计算接原始坡度高程，坡长截断，保证实测点外坡度不变，否则调整为输入的高程，控制高程坡长坡度时，高程为0表示接原始坡长坡度，否则调整为输入的接坡长度和接坡坡度。
3.根据权利要求1所述的线路纵断面自动调整设计(S4)，其特征在于，逐点扩展直线拟合即对实测点高程数据，从小里程到大里程，先取3个连续点，进行最小二乘法直线拟合，计算相应点的高程对比差值，并与超限控制参数进行比较，如果没有超限，则添加下一个高程点，再进行直线拟合，计算并判断超限值，如此循环，如果出现超限，则按上一次未超限时的拟合坡度和高程点作为一个坡段，并与前一个坡段求交，如果交点位置合适，即交点在前一个坡段和当前坡段范围内，则将交点作为新的变坡点，如果交点不存在及交点位置不合适，则将前一个坡段和当前坡段作为一个坡段进行直线模拟，如此循环，直到整个纵断面坡度模拟完毕。
4.根据权利要求1所述线路纵断面智能优化设计(S6)，变异操作根据纵断面总超限值找出当前进化代种群中的最佳纵断面方案，作为当前种群中的最佳个体，然后在种群中随机选择另外两个纵断面方案，计算这两个方案之间的差异，利用差异值乘以变异缩放因子来调整当前纵断面方案，变异操作后，每个种群方案的各设计变量都存在变异前和变异后两个值；交叉操作根据交叉概率决定每个纵断面设计变量的取值方式，当随机产生的实数小于交叉概率时取变异后的纵断面设计变量，当随机产生的实数大于交叉概率时取变异前的纵断面设计变量；约束处理指变异、交叉操作后，对不满足约束控制条件的纵断面方案进行调整，使其满足纵断面设计规范的要求，约束处理流程与纵断面自动调整设计相同；变异、交叉和约束处理后形成新的候选纵断面方案，重新计算各方案的目标函数值，选择操作根据目标函数值确定，如果候选纵断面方案的目标函数值优于当前纵断面方案，则将当前纵断面方案用候选纵断面方案代替，否则保留当前纵断面方案；选择操作后，形成新一代纵断面种群方案，重新计算纵断面种群方案目标函数值，并对目标函数值进行排序，选出最佳纵断面方案，根据优化过程显示控制，显示原始方案和优化效果排在前5的方案信息，并实时动态更新显示最佳纵断面方案设计图。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 300142 No. 10, Hebei District, Tianjin, Zhongshan Road Applicant after: China Railway Design Group Limited Address before: 300142 No. 10, Hebei District, Tianjin, Zhongshan Road Applicant before: China Railway Third Survey and Design Institute Group Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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