CN112699612B - 一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法、装置及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法、装置及可读存储介质，所述方法包括：步骤1：确定铁路无缝线路布设的固定区、必设区以及禁区；步骤2：以全线单元轨节数、各个单元轨节长度为优化变量以及以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数定义约束条件建立无缝线路单元轨节优化布设模型；步骤3：基于固定区、必设区、禁区以及无缝线路单元轨节优化布设模型进行约束处理得到单元轨节布设的初始值；步骤4：利用优化算法求解模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果。本发明能够在多种约束条件下得到满足需求的单元轨节布设结果，实现自动布设，并以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数减少了钢轨的浪费量，提升设计质量。

Description

一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法、装置 及可读存储介质

技术领域

本发明属于轨节布设技术领域，具体涉及一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法、装置及可读存储介质。

背景技术

铁路无缝线路单元轨节布置是无缝线路设计的主要内容之一，需要考虑的因素众多：包括隧道内锁定轨温降温布设，短间距隧道间不能直接按照露天环境布设，道岔区需单独考虑，联合接头里程连续，不同标准锁定轨温连接段衔接，单元轨节长度要求，联合接头设置要避开不同轨道接头过渡段、路桥及路隧过渡段等。传统单元轨节布设需要设计人员人工进行设计、调整，工作量巨大，且容易出现因一处条件无法满足导致对之前的工作进行反复推翻与调整的情况，设计效率低。同时，受限于人工选择，可能存在某些因素不能被完全满足，或虽然满足，但存在对钢轨的大量浪费，设计成果质量差。此外，设计结果牵一发而动全身，细微的调整会带来后续所有单元轨节的重新布置，成果的可修改性差，严重制约设计效率。因此，迫切需要一种自动化单元轨节布置方法，能够实现单元轨节在满足多种约束条件下进行高效自动布设。

发明内容

本发明的目的是提供一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法、装置及可读存储介质，本发明能够实现自动化单元轨节布置，具体是在多种约束条件下得到满足需求的单元轨节布设结果，尤其是以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数定义的约束条件可以减少钢轨的浪费量，提升了设计质量。

一方面，本发明提供的一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法，包括如下步骤：

步骤1：确定铁路无缝线路布设的固定区、必设区以及禁区，所述固定区的两端为联合接头，所述必设区内存在联合接头，所述禁区内禁止设置联合接头，所述联合接头用于连接两段单元轨节；

步骤2：以全线单元轨节数、各个单元轨节长度为优化变量，以及以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数定义约束条件建立无缝线路单元轨节优化布设模型；

步骤3：基于步骤1中确定的固定区、必设区、禁区以及步骤2中构建的无缝线路单元轨节优化布设模型进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值；

步骤4：基于无缝线路单元轨节布设的初始值并利用优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果。

本发明首先将禁区、必设区与固定区划分出来，在各个固定区内考虑联合接头在必设区内的布置问题，同时考虑禁区的约束条件，其本身就是一种逐级求精的单元轨节自动布设方法，其次，本发明还考虑到了定尺长钢轨的浪费量最少构建约束条件，从而建立无缝线路单元轨节优化布设模型，通过对约束处置的初始结果进行再次的优化设计，能够同时考虑单元轨节布设过程中对于约束的满足以及对于钢轨的浪费最少的问题，这样实施效果在满足设计约束的条件下做到了对钢轨的浪费量最少，提升了设计质量。尤其是，通过自动化布设的方式可以有效解决现有人工设计时从起点一段段划分，一旦某个单元轨节不满足，需要重新设计等问题。

可选地，步骤4中采用粒子群优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解；

其中，将每个无缝线路单元轨节布设结果作为粒子的位置向量，并以无缝线路单元轨节布设结果对应的定尺长钢轨的浪费量作为当前粒子的适应度值，以及至少以所述无缝线路单元轨节优化布设模型包含的约束条件来确定粒子的位置范围。

利用粒子群算法的寻优特长，本发明在初始布设结果的基础上，利用粒子群算法不断寻优找到更合理以及钢轨浪费量更低的布设结果。

可选地，所述无缝线路单元轨节优化布设模型如下所示：

其中，f(x₁,x₂,…x_i,x_n)为目标函数，x₁,x₂,x_i,x_n分别表示第1个、第2个、第i个、第n个单元轨节的长度；R_j为第j个禁区，g₁为全线划分的禁区个数；C_j为第j个必设区，g₂为全线划分的必设区个数；F_sj为第j个固定区的终点里程，g₃为全线划分的固定区个数，d_i为第i个单元轨节对定尺长钢轨的浪费量，n为单元轨节的总个数。

x_i代表每一个单元轨节的长度，对前m个单元轨节的长度求和

就得到第m个单元轨节的终点里程，先假定起点里程为零，公式中

表示：对于任意一个单元轨节的终点都不属于禁区，公式中

表示：存在某一个单元轨节的终点在必设区内，公式中

表示：存在单元轨节的终点里程等于固定区的终点里程。

可选地，第i个单元轨节对定尺长钢轨的浪费量d_i的公式如下：

d_i＝x_i％l＝x_i-int(x_i/l)×l

其中，l为钢轨定尺长，int()为取整运算函数。

可选地，步骤3中进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值的过程如下：

遍历所有的固定区检测固定区内是否存在必设区，并针对每个固定区依次执行如下操作：

S_3-1：若第i个固定区内存在必设区，则执行步骤S_3-2；若第i个固定区内不存在必设区，则跳过步骤S_3-2直接执行步骤S_3-3；

S_3-2：从第i个固定区起点开始，依次确定每个必设区内联合接头位置，如下：

a：确定单元轨节设置的起点，若第一个必设区终点距单元轨节起点的距离小于最小允许单元轨节长x_min，则计算最大整十单元轨节长，并将第i个固定区起点加上最大整十单元轨节长，作为第一个单元轨节终点；否则，在必设区内确定允许设置联合接头的最小及最大里程，再执行步骤b确定第i个固定区内第一个单元轨节终点；

其中，确定第一个单元轨节终点后执行步骤c；

计算最大整十单元轨节长计算方法为：m_i＝int(c_i/10)×10

其中，c_i为第i个固定区起点至第一个必设区终点的距离；m_i为计算最大整十单元轨节长，int()为取整运算函数；

在必设区内确定允许设置联合接头的最小及最大里程为：如果必设区起点距单元轨节起点的距离大于最小允许单元轨节长x_min，则以第一个必设区起点为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；如果第一个必设区起点距单元轨节起点距离小于x_min，但第一个必设区终点距单元轨节起点的距离大于x_min，则以第i个固定区起点加上x_min作为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；

b：判断联合接头的最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被厂焊钢轨长整除，如果存在且所述位置不在禁区内，则在对应里程处设置联合接头，作为对应单元轨节的终点；如果不满足，则判断该最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被定尺长整除且所述位置不在禁区内，如果存在，则在对应里程处设置联合接头，作为对应单元轨节的终点；如果仍然不存在，则计算最小整十单元轨节长，即对允许设置联合接头最小里程距单元轨节起点的距离取整十，将起点里程增加最小整十单元轨节长作为联合接头设置位置，如果该位置在允许设置联合接头范围且不在禁区范围内，则将该位置作为单元轨节的终点；否则，对该位置里程依次增加q米(10m)，直至该位置在允许设置联合接头范围且不在禁区范围内，调整之后的位置作为该单元轨节终点；

c：确定第i个固定区内第一个单元轨节终点后，将所述第一个单元轨节终点至第i个固定区终点作为临时固定区，并针对所述临时固定区采用步骤a和步骤b的方式确定所述下一个单元轨节终点；否则，将以单元轨节长度要求划分后一固定区中的单元轨节；重复步骤c，直至初始的第i个固定区内的单元轨节布置完成；

其中，每个必设区内的联合接头位置确定后，若存在单元轨节的长度大于最大允许单元轨节长x_max，则将该单元轨节视为固定区，并以单元轨节长度要求划分单元轨节；

S_3-3：当第i个固定区中不存在必设区时，以单元轨节长度要求划分固定区内的单元轨节。

应当理解，上述S_3-1-S_3-3仅仅是一种确定初始布置的实现方式，基于禁区、必设区与固定区的定义限制，本发明在满足其限制条件下可以进行其他调节，譬如，必设区是存在一个范围的，联合接头的位置是均有一定调节空间的，因此，上述实现方式仅仅为本发明的举例说明，本发明不局限于此。

可选地，步骤S_3-3中以单元轨节长度要求划分不存在必设区的固定区内的单元轨节时，所述单元轨节长度要求为：单元轨节的长度大于最小允许单元轨节长x_min且小于最大允许单元轨节长x_max。

上述技术手段中，本发明考虑到了单元轨节长度要求，进而应当理解，利用优化算法进行优化时，也可以将其作为约束条件，譬如，粒子群算法中以无缝线路单元轨节优化布设模型包含的约束条件以及单元轨节长度要求约束条件确定粒子位置范围；其他可行的方式中，若无单元轨节长度要求，粒子位置范围则不需要对应约束条件来确定。

可选地，以单元轨节长度要求划分不存在必设区的固定区内的单元轨节时，若最后两个相邻的单元轨节的长度差大于预设差值ΔX，按照步骤B与C进行平均取整操作，否则，不需要调整；

步骤B:计算所述最后两个相邻的单元轨节的平均长度及距离所述平均长度最近的两个长度，且所述长度为厂焊钢轨长的倍数：

x_f＝N×l

x_s＝(N+1)×l

式中，

为两个单元轨节的平均长度；N为平均长度可包含的厂焊钢轨长个数；int(x)为对x进行向下取整操作；x_f为小于单元轨节平均长度且为厂焊钢轨长倍数的长度；x_s为大于单元轨节平均长度且为厂焊钢轨长倍数的长度，N表示倍数；

步骤C：计算平均长度

相对于x_f和x_s的差值：

如果Δx_f≤Δx_s，则取x_f作为一个单元轨节的长度，另一单元轨节长度取剩余值，如果单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长，则调整结束；否则，将两个轨节长度交换，再次判断是否满足单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长的；如果满足，则调整结束；否则，将第一个单元轨节长度依次不断增加10米，直至满足条件；

如果Δx_f＞Δx_s，则取x_s作为一个单元轨节的长度，另一单元轨节长度取剩余值；如果单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长，则调整结束；否则，将两个轨节长度交换，再次判断是否满足单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长的条件，如果满足，则调整结束；否则，将交换前一个单元轨节长度依次增加或者减少10米，直至满足条件。

第二方面，本发明提供的一种基于所述方法的配置装置，包括：

固定区确定模块，用于确定铁路无缝线路布设的固定区；

必设区确定模块，用于确定铁路无缝线路布设的必设区；

禁区确定模块，用于确定铁路无缝线路布设的禁区；

模型构建模块，用于以全线单元轨节数、各个单元轨节长度为优化变量，以及以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数定义约束条件建立无缝线路单元轨节优化布设模型；

约束处理模块，用于基于确定的固定区、必设区、禁区以及所述无缝线路单元轨节优化布设模型进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值；

求解模块，用于基于无缝线路单元轨节布设的初始值并利用优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果。

第三方面，本发明提供的一种配置装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用存储器存储的计算机程序以执行：所述一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法的步骤。

第四方面，本发明提供的一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行：所述一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法的步骤。

有益效果

1.本发明提供的所述单元轨节自动配置方法，首先将禁区、必设区与固定区划分出来，在各个固定区内考虑联合接头在必设区内的布置问题，同时考虑禁区的约束条件，本身就是一种逐级求精的单元轨节自动布设方法，而基于禁区、必设区与固定区作为约束实现了单元轨节的自动划分，相较于现有的人工设计，本发明不单单是提高了效率，其通过自动分段，更是避免了大量的返工设计。

2.本发明不单单将禁区、必设区与固定区作为约束，同时还引入了定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数，可以有效地降低钢轨浪费量，得到更加优化的设计结果，提升设计质量，整体而言，本发明所述方法自动化程度高、实用性强、运行效率高、设计成果质量高，具有很高的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的应用实例的流程图。

图2是隧道内划分固定区示意图；(a)图为隧道三级降温对应的示意图；(b)图为隧道二级降温对应的示意图；(c)图为隧道一级降温对应的示意图。

图3是短间距隧道间固定区锁定轨温调整与合并示意图；(a)图中隧道间仅一个固定区；(b)图中隧道间多个固定区。

图4是插入道岔区为固定区示意图；(a)图中道岔区包含现有固定区；(b)图中现有固定区包含道岔区。

图5是插入道岔区后固定区调整示意图。

图6是固定区内考虑必设区与禁区设置单元轨节示意图。

图7是大于2000米单元轨节长分段示意图。

具体实施方式

标准长度钢轨由钢厂轧制，定尺长为100m、75m或25m，一般采用的是100米的，将标准长度的钢轨在无缝线路附近的钢厂焊接形成厂焊钢轨，厂焊钢轨的长度为500m、300m或200m，一般采用的是500米，将这些厂焊轨或者标准长度钢轨运送到无缝线路现场，根据设计的单元轨节的长度进行现场拼接，单元轨节是一次铺设锁定的连续轨条，这些单元轨节在现场通过焊接连接，即联合接头。因此，在整个线路范围内就是由一系列的单元轨节连续连接而成，本发明的目的在于确定联合接头的位置。下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

单元轨节之间联合接头的布置存在一些约束，有些是在某个地方必须设置一个联合接头，两个必须设置联合接头的中间段就被定义为固定区；有些是在某一范围内必须设置一个，位置可以不一定，这种范围被定义为必设区，还有一些就是在某一个范围内不允许联合接头存在，这些地方被定义为禁区。本发明实现所述一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法的基础之一是先确定固定区、必设区以及禁区，因此，下述将对其进行阐述。

1.1：基于线路规范归纳总结桥梁、隧道、无砟轨道及道岔等段对单元轨节布设的要求，可以初步确定无缝线路布设的固定区、必设区及禁区。

线路的钢轨下方可能铺设有砟道床或者无砟道床，形成有砟轨道和无砟轨道。有砟轨道与无砟轨道中间是通过有砟轨道与无砟轨道过渡段连接的。设计锁定轨温指的是在某一个单元轨节上，钢轨温度应力为零时的轨温设计值，在这个温度下将钢轨与下部结构通过扣件完全锁定，则钢轨不会因为热胀冷缩产生其他的病害，在该温度下锁定的钢轨热胀冷缩量可以控制在最小范围。通常情况下，一个地区锁定轨温是相同的，但是比如在隧道内，由于光照时间较短，导致隧道内部温度偏低，涉及到长大隧道内锁定轨温需要降温的情况，保证在锁定钢轨的时候，钢轨内部温度应力为零，不产生其他病害。除了大气温度影响，有砟轨道与无砟轨道因为下部结构不同，锁定产生的应力不同，可能也会导致锁定轨温不同的情况。利用上述等本领域的公知内容或者规范要求，基于规范文件以及大量人工无缝线路设计成果图，对无缝线路的单元轨节布设进行初步总结如下：

1.相邻单元轨节间锁定轨温差不应大于5℃；

2.区间单元轨节长度宜为1000m-2000m，最短不应小于200m；

3.不同轨道结构过渡段(即有砟和无砟轨道过渡段)不应设置焊接接头；

4.桥上无缝线路锁定轨温应该与桥梁两端无缝线路锁定轨温一致；

5.短隧道内设计锁定轨温应该与相邻单元轨节的锁定轨温一致；长大隧道距洞口200m范围内的无缝线路设计锁定轨温与洞外无缝线路设计锁定轨温一致；

6.道岔应布置为单独的单元轨节；道岔应该与两端无缝线路设计锁定轨温一致；

7.桥梁过渡段B1及桥上X范围内不允许出现联合接头，B1一般为30、40或50，X一般为50、100或150；桥梁与两端过渡段合计长度大于等于B2时，桥外B1至2*B1范围内必须设置一个联合接头，B2一般为500、800或1000。

8.隧道长度小于T1时锁定轨温与洞外一致，过渡段T0及隧道范围不允许出现联合接头，T0一般为20、30或40，T1一般为200、300或400；T1≤隧道长度<T2时锁定轨温与洞外一致，过渡段T0及洞口T1/2范围不允许出现联合接头，T2一般为1000、2000或3000；T2≤隧道长度<T3时隧道洞口L1范围锁定轨温与洞外一致，并处同一单元内，洞内考虑一级降温，降温幅度t1，T3一般为2000、3000或4000，L1一般为200、300或500，t1一般为2、3或5；T3≤隧道长度<T4时隧道考虑二级降温，降温段长L2，第二级降温幅度t2，T4一般为4000、5000或6000，L2一般为200、400或500，t2一般为2、3或5；隧道长度≥T4时隧道考虑三级降温，第一级降温段长度L2，第二级降温段长L3，第二级降温幅度t3，L3一般为200、400或500，t3一般为2、3或5；

9.有砟轨道过渡段终点外Q至2Q范围必须设置联合接头，Q为有砟无砟过渡段的长度；

10.道岔两侧需同时锁定长度SL；两个道岔区之间的距离小于SL1时，应该将两个道岔区合并为一个。

基于上述规范，可以对固定区、禁区以及必设区进行初步设定，但是应当理解，本领域中关于固定区、禁区以及必设区的规范，不局限于上述举例说明的规范，其他未举例但是属于本领域的相关规范也是可以用于固定区、禁区以及必设区的确定。下述将基于规范对多个固定区、禁区以及必设区的获取进行陈述：

关于固定区：优选先基于规范确定固定区，然后再基于“根据道岔优先、隧道降温段起终点里程可以适当调整原则”对固定区进行合并与调整。

1、有砟轨道、无砟轨道如果输入数据给定的锁定轨温相同，则不认为是固定区，否则将有砟轨道划分为固定区，无砟轨道范围划分为固定区。

2.遍历全线所有隧道，划分隧道相关的固定区。划分隧道相关固定区具体方法如下：

当隧道长度大于T4时，对隧道采取三级降温方式，设置5个固定区F_j，分别标识为：首一、首二、隧中、尾二、尾一，里程范围计算方式分别为：

F_s1＝T_s+L1 F_e1＝F_s1+L2

F_s2＝F_e1 F_e2＝F_s2+L3

F_s5＝F_e5-L2 F_e5＝T_e-L1

F_s4＝F_e4-L3 F_e4＝F_s5

F_s3＝F_e2 F_e3＝F_s4

式中：F_sj、F_ej(j＝1,2,3,4,5)为隧道范围内第j个固定区的起点里程与终点里程；T_s、T_e分别为隧道起点里程与终点里程；L1、L2、L3分别为隧道洞口长度(隧道洞口长度指的其实是隧道起终点到隧道内一定范围，叫做洞口)、隧道第一级降温段长度、隧道第二级降温段长度；

固定区锁定轨温计算方式分别为：

F_t1＝F_t5＝Te-t1

F_t2＝F_t4＝Te-t1-t2

F_t3＝Te-t1-t2-t3

式中：F_tj(j＝1,2,3,4,5)为第j个固定区的锁定轨温；t1、t2、t3分别为隧道第一、二、三级降温幅度；Te为隧道起点里程处锁定轨温；

同理，T3≤隧道长度<T4时，设置3个固定区，当T2≤隧道长度<T3时，设置1个固定区，按照同样的原理计算固定区起终点里程与锁定轨温。

3.经过1.2划分之后，全线就是一系列不连续的固定区段落，将两个不连续的固定区之间的段落设置为固定区。

4.遍历全线所有道岔，划分道岔相关的固定区。其中，道岔区即为固定区，道岔起终点范围可以根据规范得知。具体的确定道岔相关固定区具体方法如下：

将道岔起终点分别外扩一个锁定长度SL，形成一个道岔区；判断相邻道岔区之间的距离是否小于岔区间最小长度允许值SL1，如果小于，则将两个岔区合并成一个道岔区。

5.对道岔区相关固定区与隧道相关固定区进行合并与调整，具体如下：

遍历全线，然后将道岔区插入划分的固定区之内。具体方法为：

如果道岔区在同一个固定区内，则以道岔区起终点作为分段点，将该固定区拆分成3个固定区

如果道岔区不在同一个固定区内，且道岔区起点位于第i个固定区内，终点位于第j个固定区内，则调整第i个固定区及j个固定区的起终点里程：

F_si＝F_si F_ei＝F_s

F_sj＝F_e F_ej＝F_ej

其中，F_s、F_e分别为道岔区的起点和终点。其中，删除第i个固定区及j个固定区中间包含的固定区，将道岔区设置为固定区。

如果第i个固定区及j个固定区为隧道降温段，则对固定区再次调整，使隧道降温段满足长度要求。具体步骤如下：

a.如果第i个固定区的标识可以检索到“首一”，则对第i个固定区及第i-1个固定区起终点里程进行调整：

F_si＝F_ei-L2 F_ei＝F_ei

F_s(i-1)＝F_s(i-1) F_e(i-1)＝F_si

b.如果第i个固定区的标识可以检索到“首二”，则对第i、i-1及i-2个固定区起终点里程进行调整：

F_si＝F_si-L3 F_ei＝F_ei

F_s(i-1)＝F_e(i-1)-L2 F_e(i-1)＝F_si

F_s(i-2)＝F_s(i-2) F_e(i-2)＝F_s(i-1)

c.如果第i个固定区的标识可以检索到“尾二”，则对第i、i-1个固定区起终点里程进行调整：

F_si＝F_ei-L3 F_ei＝F_ei

F_s(i-1)＝F_s(i-1) F_e(i-1)＝F_si

d.如果第i个固定区的标识可以检索到“尾一”，则对第i、i-1及i-2个固定区起终点里程进行调整：

F_si＝F_ei-L2 F_ei＝F_ei

F_s(i-1)＝F_si-L3 F_e(i-1)＝F_si

F_s(i-2)＝F_s(i-2) F_e(i-2)＝F_s(i-1)

同理，对第j个固定区标识进行判断与调整。应当理解，上述调整的目的在于使得隧道降温段满足长度要求。

基于上述固定区合并后，得到初步划分的固定区。

关于禁区和必设区。

1.依据隧道内单元轨节铺设原则，提取禁区，过程如下：

a.T1≤隧道长度<T2时，锁定轨温与隧道外一致，存在两个禁区(R1、R2)，里程范围计算方式分别为：

R_s1＝T_s-T0 R_e1＝T_s+T1/2

R_s2＝T_e-T1/2 R_e2＝T_e+T0

式中，R_si、R_ei(i＝1,2)为第i个禁区的起终点里程；T0为路隧过渡段长度；

b.隧道长度≤T1，锁定轨温与隧道外一致，存在一个禁区(R)，里程范围计算方式为：

R_s＝T_s-T0 R_e＝T_e+T0

2.根据桥梁相关单元轨节铺设原则，提取禁区与必设区。具体方法如下：

a.路桥过渡段(B1)至桥梁上一定长度(X)范围内设置禁区，起终点里程计算方式为：

R_s1＝B_s-B1 R_e1＝B_s+X

R_s2＝B_e-X R_e2＝B_e+B1

其中，B_s、B_e分别为第i座桥梁起点里程和终点里程；R_s1、R_e1分别为第i座桥梁处第1个禁区的起点里程和终点历程；R_s2、R_e2分别为第i座桥梁处第2个禁区的起点里程和终点历程；b.如果桥梁长度及两端过渡段长度(B1)之和大于一定长度(B2)，则设置两个必设区，起终点里程计算方式如下：

C_s1＝B_s-2×B1 C_e1＝B_s-B1

C_s2＝B_e+B1 C_e2＝B_e+2×B1

式中，C_si、C_ei(i＝1,2)为第i个必设区的起终点里程；

3.如果有砟过渡段位于隧道外，有砟轨道过渡段终点外Q至2Q范围必须设置联合接头。必设区的起终点里程计算方式为：

C_s＝G_e+Q C_e＝G_e+2×Q

式中，G_e为有砟过渡段的终点里程；Q为有砟过渡段长度；

4.遍历所有固定区，如果固定区起点或者终点位于禁区内，则将该禁区删除；遍历所有的必设区，如果必设区被某一个禁区完全包含，则删除该禁区。其中，固定区和必设区的优先级高于禁区。

至此，本实施例中初步确定了全线范围内的固定区、禁区以及必设区。应当理解，上述仅仅是本发明基于现有规范确定的固定区、禁区以及必设区，本发明中用于确定其的规范也局限于此，因此，确定的固定区、禁区以及必设区也不局限于上述罗列的内容。其核心宗旨不变：固定区、禁区以及必设区的定义，以及固定区和必设区的优先级高于禁区、固定区合并时，隧道降温段起终点里程可以适当调整原则以保证降温段长度满足要求，以及岔道优先的特征。

为了实现自动化布设，本发明提出了无缝线路单元轨节优化布设模型，如下：

其中，应当理解，约束条件是基于固定区、禁区以及必设区的定义而设定的，因此，利用构建的无缝线路单元轨节优化布设模型可以将固定区、禁区以及必设区的约束以数字化的方式来实现，进而为本发明实现自动化布设奠定了基础。

基于该无缝线路单元轨节优化布设模型，如何求解其模型得到最优解，即得到了布设结果：全线单元轨节数、各个单元轨节长度。

其中，优选采用粒子群算法进行求解，但是应当理解，基于构建的模型，如何求解模型是存在多种可能的优化算法，本发明也不局限于此，只要任意可以求解该无缝线路单元轨节优化布设模型的优化算法，均属于本发明的范围内。下文将以粒子群算法为例进行说明。

粒子群算法将优化问题中的可行解抽象为多维搜索空间中的粒子，对每个粒子赋予位置、速度、适应度、学习与记忆能力等特征。所有的粒子跟随当前群体中的最优粒子在解空间内“飞行”。在飞行的过程中，粒子按照对应公式对粒子的位置与速度进行更新，从而形成新的粒子群。

粒子群中第i个粒子在第t代更新的位置向量

和速度向量

的更新方式如下：

式中：

与

分别为粒子m第t次迭代后速度向量与位移向量，第m个粒子的速度向量初始值

迭代次数1≤t≤1000，

为第m个粒子的位移向量初始值，w为速度权重系数，c₁、c₂为加速常数，其中，c₁表示粒子向自身最优位置运动的步长，c₂为粒子向整个粒子群最优位置运动的步长，

为[0,1]范围的随机数，

为粒子m个体最优解，

g^t为粒子群历史最好位置。

首次更新粒子位置向量与速度向量的公式如下：

式中：

为粒子m跟随全局最优粒子位置“飞行”1次后速度向量，

为[0,1]范围的随机数，

为粒子m跟随全局最优粒子位置“飞行”1次后的位移向量。

因此，只需要确定粒子的初始位置、位置范围以及适应度函数，在粒子的位置范围寻优找到最佳粒子位置，本发明将一个单元轨节布设结果作为粒子位置，粒子的位置范围是基于约束条件确定的。具体实现过程如下：

S_4-1：初始化一个包含D个粒子的粒子群，每个粒子的位置向量代表一个单元轨节布设结果结果，第m个粒子的位置向量记为s_m＝(x_1m,x_2m,…,x_im,…,x_nm)^T，第m个粒子的速度向量记为v_m，v_m与s_m的维度均为n，其中，s_m中的元素x_im为第m个单元轨节布设结果中第i个单元轨节的长度，n为全线最终划分的单元轨节个数，以步骤S₃得到的初始单元轨节布设结果为初始解，在各自允许的变化范围(各变量允许的变化范围根据约束条件确定)内随机变化得到x_im的初始值，由此得到第m个粒子的初始位置向量的初始值为

第m个粒子的速度向量初始值

设置各个粒子的个体最优解为其初始位置向量。

S_4-2：遍历粒子群中所有粒子，计算粒子群中各个粒子的位置向量代表的单元轨节布设结果所有单元轨节对钢轨的浪费量，即粒子群中各个粒子的适应度f，进而评估解的优劣：

式中：n为单元轨节个数。

若计算出的粒子适应度优于该粒子的个体最优解pbest_m，则将该粒子的个体最优解更新为当前粒子的位置向量；各粒子的个体最优解pbest_m的初始值为其初始位置向量。

若计算出的粒子的适应度优于全局最优解gbest，则将该粒子群的全局最优解更新为该粒子当前的位置向量，粒子群中全局最优解的初始值粒子群中的全局最优解。

S_4-3：迭代更新粒子群中的各个粒子的速度向量与位置向量，并重复计算S_4-2中各个粒子的适应度，更新粒子群中全局最优解与粒子个体最优解，不断迭代，每次迭代形成新的粒子群位置，即优化模型产生新的解集，直至全局最优解前后两次迭代不再发生变化或达到最大迭代次数为止，得到最优的单元轨节布设结果。

其中，由于将所有单元轨节对钢轨的浪费量作为适应度函数，以及基于约束条件确定粒子的各变量允许的变化范围，因此，粒子群算法与本发明构建的无缝线路单元轨节优化布设模型有效结合，计算出了无缝线路单元轨节优化布设模型的结果。

同时，为了充分说明初始的布置结果以及基于约束条件确定的各个变量允许的变化范围，下述将举例进行说明。

再初步确定的固定区、禁区以及必设区的基础上，基于约束条件无缝线路单元轨节布设的初始值的获取过程如下：

遍历所有的固定区检测固定区内是否存在必设区，并针对每个固定区依次执行如下操作：

S_3-1：若第i个固定区内存在必设区，则执行步骤S_3-2；若第i个固定区内不存在必设区，则执行步骤S_3-3；

S_3-2：从第i个固定区起点开始，依次确定每个必设区内联合接头位置，如下：

a：确定单元轨节设置的起点，若第一个必设区终点距单元轨节起点的距离小于最小允许单元轨节长x_min，则计算最大整十单元轨节长，并将第i个固定区起点加上最大整十单元轨节长，作为第一个单元轨节终点；否则，在必设区内确定允许设置联合接头的最小及最大里程，再执行步骤b确定第i个固定区内第一个单元轨节终点；其中，确定第一个单元轨节终点后执行步骤c；

其中，如果必设区起点距单元轨节起点的距离大于最小允许单元轨节长x_min，则以第一个必设区起点为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；如果第一个必设区起点距单元轨节起点距离小于x_min，但第一个必设区终点距单元轨节起点的距离大于x_min，则以第i个固定区起点加上x_min作为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；

b：判断联合接头的最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被厂焊钢轨长整除，如果存在且该位置不在禁区内，则在该里程处设置联合接头，作为该单元轨节的终点；如果不满足，则判断该最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被定尺长整除且该位置不在禁区内，如果存在，则在该里程处设置联合接头，作为该单元轨节的终点；如果仍然不存在，则计算最小整十单元轨节长，即对允许设置联合接头最小里程距单元轨节起点的距离取整十，将起点里程增加最小整十单元轨节长作为联合接头设置位置，如果该位置在允许设置联合接头范围且不在禁区范围内，则将该位置作为单元轨节的终点；否则，对该位置里程依次增加q米，直至该位置在允许设置联合接头范围且不在禁区范围内，调整之后的位置作为该单元轨节终点；其中，本实施例中选择q等于10m，x_min为200m，x_max为2000m，其他可行的实施例中不局限于此。

应当理解，当确定了前一个单元轨节终点后，相当于将原第i个固定区划分为两个固定区，后一个临时固定区如何进行单元轨节的划分为步骤c的目的。

c：确定第i个固定区内第一个单元轨节终点后，将所述第一个单元轨节终点至第i个固定区终点作为临时固定区，并针对所述临时固定区采用步骤a和步骤b的方式确定所述下一个单元轨节终点；否则，将以单元轨节长度要求划分后一固定区中的单元轨节；重复步骤c，直至初始的第i个固定区内的单元轨节布置完成。

应当理解，当固定区内存在必设区时，可能存在确定必设区的联合接头后，导致重新划分的固定区中存在固定区长度大于允许单元轨节长度x_max的情况，因此，则以单元轨节长度要求再划分这些固定区内的单元轨节。其中，每个必设区内的联合接头位置确定后，若存在重新划分的固定区的长度大于最大允许单元轨节长度x_max，则以单元轨节长度要求划分所述固定区内的单元轨节；

S_3-3：当第i个固定区中不存在必设区时，以单元轨节长度要求划分固定区内的单元轨节。

在一些实施例中，以单元轨节长度要求划分固定区中的单元轨节时，可以仅仅只考虑单元轨节的长度大于最小允许单元轨节长x_min且小于最大允许单元轨节长x_max；本实施例中优选考虑大于最小允许单元轨节长x_min且小于最大允许单元轨节长x_max的基础上，还考虑最后两个相邻的单元轨节的长度差大于预设差值ΔX。

因此，本实施例中步骤S_3-3中以单元轨节长度要求划分不存在必设区的固定区中的单元轨节时，过程如下：

步骤A：取2000米作为划分的第一个小单元轨节长度，判断单元轨节终点是否在禁区范围内，如果在，则依次取1500米，1000米，500米作为单元轨节长度，判断单元轨节终点是否在禁区内，如果存在一个长度满足不在禁区内，则将第一个小单元轨节终点设置为起点里程加上这一长度；如果不存在，则将2000米向下逐步减少10米，直至单元轨节终点不在禁区范围内，将划分的第一个小单元轨节终点作为下一个小单元轨节的起点，依次进行小单元轨节长度划分，直至该单元轨节被划分成一系列小于2000米的小单元轨节。

应当理解，本发明选择2000，1500，1000，500是基于钢轨尺寸而确定的，若是钢轨的尺寸调整，则对应调整。

然后，若最后两个相邻的单元轨节的长度差大于预设差值ΔX，按照步骤B与C进行平均取整操作，否则，不需要调整；

步骤B:计算所述最后两个相邻的单元轨节的平均长度及距离所述平均长度最近的两个长度，且所述长度为厂焊钢轨长的倍数：

x_f＝N×l

x_s＝(N+1)×l

式中，

为两个单元轨节的平均长度；N为平均长度可包含的厂焊钢轨长个数；int(x)为对x进行向下取整操作；x_f为小于单元轨节平均长度且为厂焊钢轨长倍数的长度；x_s为大于单元轨节平均长度且为厂焊钢轨长倍数的长度，N表示倍数；

步骤C：计算平均长度

相对于x_f和x_s的差值：

如果Δx_f≤Δx_s，则取x_f作为一个单元轨节的长度，另一单元轨节长度取剩余值，如果单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长，则调整结束；否则，将两个轨节长度交换，再次判断条件是否满足，如果满足，则调整结束；否则，将第一个单元轨节长度依次不断增加10米，直至满足条件；同理，如果Δx_f＞Δx_s，进行相同的调整。

从初步布设结果的来看，在实际调整过程中，在满足约束条件的基础上，联合接头的位置是具有调节空间的，尤其是选取依次取1500米，1000米，500米作为单元轨节长度是具有可调空间的，因此，在满足约束条件的基础上，粒子的变量是具有可调空间的。且本发明也不局限于上述一种初始位置的获取方式。在满足约束条件下确定的任意初始布设结果都可以作为粒子群算法中粒子的初始参数。同时，在满足约束条件下上述初步布设结果的获取方式中，部分参数是可以适应性调整的，譬如，以10米为步长进行调节确定单元轨节终点是否在禁区范围内。

基于上述理论性陈述，本发明提供的一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法，包括如下步骤：

步骤1：确定铁路无缝线路布设的固定区、必设区以及禁区。

步骤2：建立无缝线路单元轨节优化布设模型。

步骤3：基于步骤1中确定的固定区、必设区、禁区以及步骤2中构建的无缝线路单元轨节优化布设模型进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值；

步骤4：利用优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果。

步骤5：根据模型结果生成单元轨节布设表。

具体方法为：如果第i个单元轨节长度能够被厂焊钢轨长整除，商为NumCH，则该单元轨节仅需要铺设厂焊钢轨，铺设个数为NumCH；如果第i个单元轨节长度不能够被厂焊钢轨长整除，则判断余数是否能都被钢轨定尺长整除，商为NumDC，如果可以，则该单元轨节需要铺设厂焊钢轨及钢轨定尺长，个数分别为NumCH、NumDC；如果不可以，则计算除去厂焊轨及定尺长，该单元轨节的剩余长度LenDG，该单元轨节内需要铺设厂焊轨NumCH个，钢轨定尺长NumDC个及短轨长LenDG，根据设计结果生成单元轨节布设表，包括单元轨节起终点里程、单元轨节长度，需要的厂焊钢轨、定尺钢轨个数及短轨长度，作为设计依据。

步骤6：在终端界面上显示单元轨节布设表，并显示调整界面以实现对单元轨节实现交互式调整。当调整某个单元轨节的起点或终点里程之后，记录该单元轨节所在的固定区，删除该固定区内的单元轨节，重新从步骤3开始重新进行运算得到新的单元轨节布设表。

应当理解，步骤5和步骤6是本实施例中根据实际需求增设的可选步骤，其他可行的实施例中，可以不包含此两个步骤。

另一方面，本发明还提供一种基于所述一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法的配置装置，包括：

固定区确定模块，用于确定铁路无缝线路布设的固定区；

必设区确定模块，用于确定铁路无缝线路布设的必设区；

禁区确定模块，用于确定铁路无缝线路布设的禁区；

模型构建模块，用于以全线单元轨节数、各个单元轨节长度为优化变量，以及以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数定义约束条件建立无缝线路单元轨节优化布设模型；

约束处理模块，用于基于确定的固定区、必设区、禁区以及所述无缝线路单元轨节优化布设模型进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值；

求解模块，用于利用优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果。

本实施例中，优选所述装置还包括：单元轨节布设表生成模块以及显示模块，其中，单元轨节布设表生成模块用于根据模型结果生成单元轨节布设表，以及显示模块用于在终端界面上显示单元轨节布设表，并显示调整界面以实现对单元轨节实现交互式调整。

应当理解，其他可行的实施例中，所述配置装置可以不包含单元轨节布设表生成模块以及显示模块。其中，各个模块的具体实现过程请参照前述方法的描述，两者一致，因此，本发明对此不进行具体的陈述。

应当理解，上述单元模块的具体实现过程参照方法内容，本发明在此不进行具体的赘述，且上述功能模块单元的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。如固定区确定模块、必设区确定模块、禁区确定模块也可以是以区域确定模块来确定铁路无缝线路布设的固定区、必设区、禁区。

本发明提供的一种配置装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用存储器存储的计算机程序以执行：所述一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法的步骤。

本实施例中，所述配置装置中还包括一个或多个输出设备和一个或多个输入设备，处理器、输入设备、输出设备和存储器通讯连接。输入设备可以包括触控板、传感器、麦克风等，用于输入交互式调整的信息。输出设备为具有显示功能的设备，如显示器(LCD等)。其他可行的实施例中，对输出设备以及输入设备并未要求。

其中，各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的描述，两者一致，因此，本发明对此不进行具体的陈述。

第四方面，本发明提供的一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行：所述一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法的步骤。

其中，各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的描述，两者一致，因此，本发明对此不进行具体的陈述。

应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

应用实例：

本实施以大林至临沧新建铁路无缝线路为例对本发明的技术方案做进一步说明。如图1所示，本发明所涉及的一种无缝线路单元轨节自动布设方法包括以下步骤：

S₁：按照给定的原始数据表，将全线分为两个大的锁定轨温段，第一个锁定轨温大段里程范围分别为DK0+000-DK158+00，有砟轨道与无砟轨道锁定轨温均为33±5℃，第二个锁定轨温段里程范围为DK158+000-DK208+800，有砟轨道与无砟轨道锁定轨温均为28±5℃，对每一个锁定轨温大段，执行下述步骤。

S₂：划分固定区。

S₂₁：因有砟轨道与无砟轨道锁定轨温相同，不对有砟与无砟轨道进行分段，即对应固定区个数为0；

S₂₂：遍历锁定轨温大段内所有隧道，如果隧道长度大于或等于允许三级降温最小隧长(为6000米)，如图2中(a)划分隧道相关的固定区；如果隧道长度大于或等于允许二级降温最小隧长(为3000米)但小于允许三级降温最小隧长，如图2中(b)划分隧道相关的固定区；如果隧道长度大于或等于允许一级降温最小隧长(为1000米)但小于允许二级降温最小隧长，如图2中(c)划分隧道相关的固定区；第一个锁定轨温大段内共25个隧道，划分出66个固定区，第二个大段内共11个隧道，划分出28个固定区。

S₂₃：遍历整个锁定轨温大段，将上述划分出的不连续的固定区之间的段落也设为固定区，第一个大段内划分出84个固定区，第二个大段内划分为38个固定区。

S₂₄：遍历整个锁定轨温大段内隧道，如果隧道之间的距离小于200米，则认为两个隧道之间锁定轨温不能完全按照露天地段锁定轨温设置，按照表1所示规律对图3中变温区温度进行改变；如果变温区仅一个固定区，则按照图3中(a)划定的范围判断是否需要合并；如果变温区存在多个固定区，则按照图3中(b)划定的范围判断固定区是否需要合并。第一个大段内经过合并剩余72个固定区；第二个大段内经过合并剩余38个固定区。

表1

本应用实例中，还考虑到了基于隧道之间的距离，即两个隧道中间距离较小的话，认为两个隧道间温度也不会跟露天情况下温度一样，那就要进行调整使之锁定轨温满足热胀冷缩条件。进而对变温区进行了调整，变温区温度设置原则：(1)两边隧道隧中温度升一级取大值作为变温区温度(2)但若隧中升一级比洞口处温度低，则取洞口处温度。其他可行的实施例中，可以选择性加入或不加入。

S₂₅：遍历整个锁定轨温大段内道岔，形成道岔区并插入现有固定区内。

1)根据道岔参数及岔心里程计算道岔范围起终点，将道岔起终点分别外扩一个锁定长度(200米)，形成一个道岔区；判断相邻道岔区之间的距离是否小于岔区间最小长度允许值(200米)，如果小于，则将两个岔区合并成一个道岔区。

2)判断道岔区起终点里程是否在同一个固定区内，如果不在同一个固定区内，则按图4中(a)插入道岔区；判断道岔区起终点是否在隧道降温段内，如果在隧道降温段内，则按图5对相关固定区起终点里程及锁定轨温进行调整。

3)如果在同一个固定区内，则按图4中(b)插入道岔区，并按照图5对相关固定区及锁定轨温进行调整。

第一个大段插入道岔区之后，固定区为92个，第二大段内固定区为42个。

S₃：提取禁区与必设区。

S₃₁：遍历锁定轨温大段内的隧道，提取隧道相关的禁区。

1)当隧道长度大于全禁区隧长(为400米)且小于允许一级降温最小隧长时，存在两个禁区，分别为前后路隧过渡段(为30米)到从隧道洞口向隧道内1/2全禁区隧长范围；

2)当隧道长度小于全禁区隧长时，存在一个禁区(R1)，里程范围为隧道前路隧过渡段至后路隧过渡段；

完成该步骤后，第一个大段提取到禁区49个；第二个大段提取禁区21个。

S₃₂：遍历锁定轨温大段内的桥梁，提取禁区与必设区。

1)路桥过渡段(为50米)至桥梁上一定长度范围(为150米)内设置禁区；

2)如果桥梁长度及两端过渡段长度之和大于一定长度(为1000米)，则桥外路桥过渡段至2倍路桥过渡段长度范围内设置两个必设区；

完成该步骤后，第一个大段提取禁区86个，必设区8个；第二个大段提取禁区16个，必设区0个。

S₃₃：遍历锁定轨温大段内的有砟轨道过渡段，如果有砟过渡段位于隧道外，则需要考虑在过渡段终点外GL-2GL(为5米)设置必设区。

完成该步骤后，第一个大段必设区8个；第二个大段提取必设区0个。

S₃₄：遍历所有固定区，如果固定区起点或者终点位于禁区内，则将该禁区删除；遍历所有的必设区，如果必设区被某一个禁区完全包含，则删除该禁区。

完成该步骤后，第一个大段禁区为86个，必设区为6个；第二个大段禁区为16个，必设区为0个。

S₄：在固定区内考虑禁区与必设区设置单元轨节得到无缝线路单元轨节布设的初始值。遍历所有的固定区检测固定区内是否存在必设区，并针对每个固定区依次执行如下操作：

S₄₁：若第i个固定区内存在必设区，则执行步骤S42；若第i个固定区内不存在必设区，则执行步骤S₄₃；

S₄₂：从第i个固定区起点开始，依次确定每个必设区内联合接头位置，如下：

a：确定单元轨节设置的起点，若第一个必设区终点距单元轨节起点的距离小于最小允许单元轨节长x_min(200米)，则计算最大整十单元轨节长，将第i个固定区起点加上最大整十单元轨节长，作为第一个单元轨节终点；否则，在必设区内确定允许设置联合接头的最小及最大里程，再执行步骤b确定第i个固定区内第一个单元轨节终点；其中，确定第一个单元轨节终点后执行步骤c；如图6所示。

其中，如果必设区起点距单元轨节起点的距离大于最小允许单元轨节长x_min(200米)，则以第一个必设区起点为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；如果第一个必设区起点距单元轨节起点距离小于x_min(200米)，但第一个必设区终点距单元轨节起点的距离大于x_min(200米)，则以第i个固定区起点加上x_min(200米)作为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；

b：判断联合接头的最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被厂焊钢轨长整除，如果存在且该位置不在禁区内，则在该里程处设置联合接头，作为该单元轨节的终点；如果不满足，则判断该最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被定尺长整除且该位置不在禁区内，如果存在，则在该里程处设置联合接头，作为该单元轨节的终点；如果仍然不存在，则计算最小整十单元轨节长，即对允许设置联合接头最小里程距单元轨节起点的距离取整十，将起点里程增加最小整十单元轨节长作为联合接头设置位置，如果该位置在允许设置联合接头范围且不在禁区内，则将该位置作为单元轨节的终点；否则，对该位置里程依次增加q米，直至在允许设置联合接头范围且不在禁区内，调整之后的位置作为该单元轨节终点。

c：将前一个单元轨节终点作为下一个单元轨节起点，并基于所述下一个单元轨节起点确定的后一固定区，若后一固定区中存在必设区，采用步骤a和步骤b的方式确定所述下一个单元轨节终点；否则，将以单元轨节长度要求划分后一固定区中的单元轨节，重复步骤c，直至初始的第i个固定区内的单元轨节布置完成。

S₄₃：当固定区中不存在必设区时，以单元轨节长度要求划分固定区内的单元轨节。

其中，如果固定区不存在必设区，则将该必设区作为一个单元轨节。如果单元轨节长度大于2000米，则将单元轨节划分为一系列小于2000米的小单元轨节，如图7所示：

取2000米作为划分的第一个小单元轨节长度，判断单元轨节终点是否在禁区范围内，如果在，则依次取1500米，1000米，500米作为单元轨节长度，判断单元轨节终点是否在禁区内，如果存在一个长度满足不在禁区内，则将第一个小单元轨节终点设置为起点里程加上这一长度；如果不存在，则将2000米向下逐步减少10米，直至单元轨节终点不在禁区范围内，将划分的第一个小单元轨节终点作为下一个小单元轨节的起点，依次进行小单元轨节长度划分，直至该单元轨节被划分成一系列小于2000米的小单元轨节。判断最后一个小单元轨节与倒数第二个单元轨节的差值，如果两者差值大于1000米，则对其进行平均取整操作，使之满足两个相邻单元轨节长度不宜相差过大的条件。计算方法如下：

a.计算两个轨节的平均长度及距离平均长度最近的两个长度，该长度为厂焊钢轨长的倍数：

x_f＝N×l

x_s＝(N+1)×l

b.计算平均长度相对于x_f和x_s的差值：

如果Δx_f＞Δx_s，则取Δx_s作为一个单元轨节的长度，另一单元轨节长度取剩余值；如果单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长，则调整结束；否则，将两个轨节长度交换，再次判断条件是否满足，如果满足，则调整结束；否则，将交换前一个单元轨节长度依次增加或者减少10米，直至满足条件。同理，如果Δx_f＜Δx_s，进行相同的调整。

S₅：应用粒子群算法求解缝线路单元轨节优化布设模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果。

S₆：确定单元轨节内钢轨铺设方式，生成单元轨节布置表。遍历所有的单元轨节，如果第i个单元轨节长度能够被厂焊钢轨长(为500米)整除，商为NumCH，则该单元轨节仅需要铺设厂焊钢轨，铺设个数为NumCH；如果第i个单元轨节长度不能够被厂焊钢轨长整除，则判断余数是否能都被钢轨定尺长(为100米)整除，商为NumDC，如果可以，则该单元轨节需要铺设厂焊钢轨及钢轨定尺长，个数分别为NumCH、NumDC；如果不可以，则计算除去厂焊轨及定尺长，该单元轨节的剩余长度LenDG，该单元轨节内需要铺设厂焊轨NumCH个，钢轨定尺长NumDC个及短轨长LenDG，根据设计结果生成单元轨节布置表，包括单元轨节起终点里程、单元轨节长度，单元轨节标识及需要的厂焊钢轨、定尺钢轨个数及短轨长度，作为设计依据。

S₇：显示用户调整界面，以便对单元轨节实现交互式调整，当调整某个单元轨节的起点或终点里程之后，记录该单元轨节所在的固定区，删除该固定区内的单元轨节，重新开始进行单元轨节布设。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复杂约束下铁路无缝线路单元轨节自动配置方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确定铁路无缝线路布设的固定区、必设区以及禁区，所述固定区的两端为联合接头，所述必设区内存在联合接头，所述禁区内禁止设置联合接头，所述联合接头用于连接两段单元轨节；

步骤2：以全线单元轨节数、各个单元轨节长度为优化变量，以及以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数定义约束条件建立无缝线路单元轨节优化布设模型；

步骤3：基于步骤1中确定的固定区、必设区、禁区以及步骤2中构建的无缝线路单元轨节优化布设模型进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值；

步骤4：基于无缝线路单元轨节布设的初始值并利用优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果；

所述无缝线路单元轨节优化布设模型如下所示：

其中，f(x₁,x₂,…x_i,x_n)为目标函数，x₁,x₂,x_i,x_n分别表示第1个、第2个、第i个、第n个单元轨节的长度；R_j为第j个禁区，g₁为全线划分的禁区个数；C_j为第j个必设区，g₂为全线划分的必设区个数；F_sj为第j个固定区的终点里程，g₃为全线划分的固定区个数，d_i为第i个单元轨节对定尺长钢轨的浪费量，n为单元轨节的总个数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4中采用粒子群优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解；

其中，将每个无缝线路单元轨节布设结果作为粒子的位置向量，并以无缝线路单元轨节布设结果对应的定尺长钢轨的浪费量作为当前粒子的适应度值，以及至少以所述无缝线路单元轨节优化布设模型包含的约束条件来确定粒子的位置范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第i个单元轨节对定尺长钢轨的浪费量d_i的公式如下：

d_i＝x_i％l＝x_i-int(x_i/l)×l

其中，l为钢轨定尺长，int()为取整运算函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值的过程如下：

遍历所有的固定区检测固定区内是否存在必设区，并针对每个固定区依次执行如下操作：

S_3-1：若第i个固定区内存在必设区，则执行步骤S_3-2；若第i个固定区内不存在必设区，则跳过步骤S_3-2直接执行步骤S_3-3；

S_3-2：从第i个固定区起点开始，依次确定每个必设区内联合接头位置，如下：

a：确定单元轨节设置的起点，若第一个必设区终点距单元轨节起点的距离小于最小允许单元轨节长x_min，则计算最大整十单元轨节长，并将第i个固定区起点加上最大整十单元轨节长作为第一个单元轨节终点；否则，在必设区内确定允许设置联合接头的最小及最大里程，再执行步骤b确定第i个固定区内第一个单元轨节终点；

其中，确定第一个单元轨节终点后执行步骤c；

其中，计算最大整十单元轨节长计算方法为：m_i＝int(c_i/10)×10

其中，c_i为第i个固定区起点至第一个必设区终点的距离；m_i为计算最大整十单元轨节长，int()为取整运算函数；

在必设区内确定允许设置联合接头的最小及最大里程为：如果必设区起点距单元轨节起点的距离大于最小允许单元轨节长x_min，则以第一个必设区起点为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；如果第一个必设区起点距单元轨节起点距离小于x_min，但第一个必设区终点距单元轨节起点的距离大于x_min，则以第i个固定区起点加上x_min作为允许设置联合接头最小里程，第一个必设区终点为允许设置联合接头最大里程；

b：判断联合接头的最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被厂焊钢轨长整除，如果存在且所述位置不在禁区内，则在对应里程处设置联合接头，作为对应单元轨节的终点；如果不满足，则判断该最小及最大里程区间内是否存在某一位置，使之距单元轨节起点的距离能够被定尺长整除且所述位置不在禁区内，如果存在，则在对应里程处设置联合接头，作为对应单元轨节的终点；如果仍然不存在，则计算最小整十单元轨节长，即对允许设置联合接头最小里程距单元轨节起点的距离取整十，将起点里程增加最小整十单元轨节长作为联合接头设置位置，如果该位置在允许设置联合接头范围且不在禁区范围内，则将该位置作为单元轨节的终点；否则，对该位置里程依次增加q米(10m)，直至该位置在允许设置联合接头范围且不在禁区范围内，调整之后的位置作为该单元轨节终点；

c：确定第i个固定区内第一个单元轨节终点后，将所述第一个单元轨节终点至第i个固定区终点作为临时固定区，并针对所述临时固定区采用步骤a和步骤b的方式确定所述下一个单元轨节终点；否则，将以单元轨节长度要求划分后一固定区中的单元轨节；重复步骤c，直至初始的第i个固定区内的单元轨节布置完成；

其中，每个必设区内的联合接头位置确定后，若存在单元轨节的长度大于最大允许单元轨节长x_max，则将该单元轨节视为固定区，并以单元轨节长度要求划分单元轨节；

S_3-3：当第i个固定区中不存在必设区时，以单元轨节长度要求划分固定区内的单元轨节。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤S_3-3中以单元轨节长度要求划分不存在必设区的固定区内的单元轨节时，所述单元轨节长度要求为：单元轨节的长度大于最小允许单元轨节长x_min且小于最大允许单元轨节长x_max。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：以单元轨节长度要求划分不存在必设区的固定区内的单元轨节时，若最后两个相邻的单元轨节的长度差大于预设差值ΔX，按照步骤B与C进行平均取整操作，否则，不需要调整；

步骤B:计算所述最后两个相邻的单元轨节的平均长度及距离所述平均长度最近的两个长度，且所述长度为厂焊钢轨长的倍数：

x_f＝N×l

x_s＝(N+1)×l

式中，

为两个单元轨节的平均长度；N为平均长度可包含的厂焊钢轨长个数；int(x)为对x进行向下取整操作；x_f为小于单元轨节平均长度且为厂焊钢轨长倍数的长度；x_s为大于单元轨节平均长度且为厂焊钢轨长倍数的长度，N表示倍数；

步骤C：计算平均长度x相对于x_f和x_s的差值：

如果Δx_f≤Δx_s，则取x_f作为一个单元轨节的长度，另一单元轨节长度取剩余值，如果单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长，则调整结束；否则，将两个轨节长度交换，再次判断是否满足单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长的；如果满足，则调整结束；否则，将第一个单元轨节长度依次不断增加10米，直至满足条件；

如果Δx_f＞Δx_s，则取x_s作为一个单元轨节的长度，另一单元轨节长度取剩余值；如果单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长，则调整结束；否则，将两个轨节长度交换，再次判断是否满足单元轨节终点不在禁区内且两个单元轨节长度均大于允许最小单元轨节长的条件，如果满足，则调整结束；否则，将交换前一个单元轨节长度依次增加或者减少10米，直至满足条件。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法的配置装置，其特征在于：包括：

区域确定模块，用于确定铁路无缝线路布设的固定区、必设区、禁区；所述固定区的两端为联合接头，所述必设区内存在联合接头，所述禁区内禁止设置联合接头，所述联合接头用于连接两段单元轨节；

模型构建模块，用于以全线单元轨节数、各个单元轨节长度为优化变量，以及以定尺长钢轨的浪费量最少为目标函数定义约束条件建立无缝线路单元轨节优化布设模型；

约束处理模块，用于基于确定的固定区、必设区、禁区以及所述无缝线路单元轨节优化布设模型进行约束处理得到无缝线路单元轨节布设的初始值；

求解模块，用于基于无缝线路单元轨节布设的初始值并利用优化算法求解所述无缝线路单元轨节优化布设模型的最优解，得到无缝线路单元轨节布设结果；

所述无缝线路单元轨节优化布设模型如下所示：

其中，f(x₁,x₂,…x_i,x_n)为目标函数，x₁,x₂,x_i,x_n分别表示第1个、第2个、第i个、第n个单元轨节的长度；R_j为第j个禁区，g₁为全线划分的禁区个数；C_j为第j个必设区，g₂为全线划分的必设区个数；F_sj为第j个固定区的终点里程，g₃为全线划分的固定区个数，d_i为第i个单元轨节对定尺长钢轨的浪费量，n为单元轨节的总个数。

8.一种配置装置，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用存储器存储的计算机程序以执行：权利要求1-6任一项所述配置方法的步骤。

9.一种可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行：权利要求1-6任一项所述配置方法的步骤。

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