CN113204856B - 运营高铁轨道空间线形优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供运营高铁轨道空间线形优化设计方法，涉及高铁轨道技术领域。该方法基于实测轨道中心线和扣件允许抬降值，构建轨道空间线形优化模型，通过线形拟合技术和人工智能算法，实现平纵断面拟合和优化设计，统计并输出优化设计成果，具体包括如下步骤：构建轨道空间线形模型；构建轨道空间线形优化模型；设置轨道空间线形优化控制参数；构建轨道纵断面优化模型；纵断面优化设计；平面优化设计；统计并输出优化设计成果。采用本发明的技术方案，通过线形拟合技术和人工智能算法，实现平纵断面拟合和优化设计，统计并输出优化设计成果，自动化程度高，简化了大量工作，革新了现有工作手段，填补了运营高铁轨道空间线形优化设计方法的空缺。
Description
技术领域
本发明涉及高铁轨道技术领域，尤其是涉及运营高铁轨道空间线形优化设计方法。
背景技术
高速铁路建成通车后，历经多年高密度的运营使用，沿线地面沉降逐年增加，铁路路基、桥梁区域沉降及差异沉降较大，部分地段平纵断面变形值已超过现行高速铁路设计规范和维修规范的范围，对线路危害较大，日益影响行车运营安全。为提升高速铁路服务品质，适应高速铁路后续运营的需要，确保高速铁路安全可靠，需要对铁路平纵断面参数进行优化评估和调整整治。
由于平纵断面参数众多，轨道空间线形优化设计变得十分复杂，设计人员以手工计算方式来进行平纵断面调整设计，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。且仅凭人的思维和想像很难直接找到满意的设计结果。现有设计方法不能直接用于运营高铁轨道空间线形优化，制约了相关工作开展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运营高铁轨道空间线形优化设计方法，针对目前运营高铁轨道空间线形优化设计所存在的问题及现状，基于实测轨道中心线和扣件允许抬降值，构建轨道空间线形优化模型，通过线形拟合技术和人工智能算法，实现平纵断面拟合和优化设计，统计并输出优化设计成果。
本发明提供了一种运营高铁轨道空间线形优化设计方法，包括基于实测轨道中心线和扣件允许抬降值，构建轨道空间线形优化模型，通过线形拟合技术和人工智能算法，实现平纵断面拟合和优化设计，统计并输出优化设计成果，具体包括如下步骤：
构建轨道空间线形模型，即，构建轨道空间线形自定义实体；
构建轨道空间线形优化模型，用于保存原始线形设计数据、平面优化设计和显示轨道空间线形优化效果；
通过所述轨道空间线形自定义实体，读取并导入线形设计资料作为原始线形设计数据，构建轨道空间线形优化自定义实体；导入实测轨道中心线数据，绘制实测轨道中心线；导入扣件允许抬降值，扣件允许抬降值包括每一个扣件的断链序号、标注里程、允许降、允许抬；
设置轨道空间线形优化控制参数；
优化控制参数包括控制起点对应原始线路里程、平面横向允许位移和填挖阀值，填挖阀值包括设计与既有轨面高程差上限，以及设计与既有轨面高程差下限；根据原始线路里程，标注优化控制参数；根据优化控制参数，计算并显示平纵差值超限段落和超限值，纵断面超限值根据扣件允许抬降值计算；
构建轨道纵断面优化模型，轨道纵断面优化模型用于显示轨道纵断面和纵断面优化设计；
基于所述轨道空间线形优化模型构建轨道纵断面优化模型；轨道纵断面优化模型包括以下纵断面栏目及内容：竖曲线、设计轨面与既有轨面高程差、轨面设计高程、轨面设计坡度、实测超限值、超限控制参数、实测轨面高程、地面高程、加桩、里程和线路平面；超限控制参数栏目显示扣件允许抬降值，纵断面实测超限值以设计轨面与既有轨面高程差减去扣件允许抬降值计算；超限值大于零时以红色标注，并用红线长竖线标记；
纵断面优化设计，基于所述轨道纵断面优化模型进行纵断面优化设计；
纵断面优化设计包括设置纵断面优化控制参数、纵断面坡度自动拟合调整和纵断面坡度人工智能优化设计；
纵断面优化控制参数包括规范要求、约束控制、坡长坡度参数、接坡参数和对既有坡度自动调整的控制；
纵断面坡度自动拟合调整，根据实测轨面高程，通过直线拟合技术，拟合并调整轨面设计坡度；拟合时，根据纵断面变坡点分段拟合，调整坡度和变坡点高程，变坡点里程和竖曲线半径保持不变，只在分段中间添加变坡点，不删除变坡点，添加的变坡点根据最近的变坡点设置竖曲线半径；
纵断面坡度人工智能优化设计，在纵断面坡度自动拟合调整的基础上，采用差异演化算法进行优化；优化时，只对一半的纵断面坡度方案调整变坡点里程，变坡点里程的调整范围限定为竖曲线半径的指定范围；优化后，生成最优的纵断面变坡点数据；
根据最优的纵断面变坡点数据，更新轨道纵断面优化模型、轨道空间线形优化模型和轨道空间线形模型；
平面优化设计，基于所述轨道空间线形优化模型进行平面优化设计；
平面优化设计包括平面拟合调整和平面人工智能优化设计；
平面拟合调整包括平面直线拟合调整、平面圆曲线拟合调整和平面缓和曲线调整；平面直线拟合调整为根据平面直线段的实测轨道中心线数据进行拟合，平面圆曲线拟合调整为根据平面圆曲线段的实测轨道中心线数据进行拟合，平面缓和曲线调整为根据圆曲线半径确定缓和曲线调整范围，按步长进行调整；
平面人工智能优化设计，在平面拟合调整的基础上，设置优化变量控制参数，采用差异演化算法进行优化；优化变量控制参数包括优化交点、优化缓长、优化半径、缓长取整、缓长调整范围、循环缓长；优化后，生成最优的平面线形数据；
根据最优的平面线形数据，更新轨道空间线形优化模型和轨道空间线形模型；
统计并输出优化设计成果；
根据优化后的所述轨道空间线形优化模型，计算并统计轨道空间线形优化效果，输出扣件调整值一览表、平面偏差归纳统计表、平面轨向短波平顺性表和平面轨向中长波平顺性表。
进一步的，所述构建轨道空间线形模型的方法中，采用施工图线形设计资料构建轨道空间线形自定义实体，施工图线形设计资料包括线路模型名称、断链里程数据，平面交点数据、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。
进一步的，所述构建轨道空间线形优化模型的方法中，实测轨道中心线数据包括每个实测点的标注里程、N坐标、E坐标和Z坐标，Z坐标为实测轨面高程。
进一步的，所述统计并输出优化设计成果的方法中，扣件调整值一览表，包括每一个扣件对应的里程、轨面设计高程、轨面实测内插高程和调整量。
进一步的，所述统计并输出优化设计成果的方法中，输出平面偏差归纳统计表，先根据优化后的所述轨道空间线形模型，计算平面偏差值和超限值数组，再按每100米统计，平面偏差归纳统计表包括起点里程、偏差超限点数和偏差超限比例。
进一步的，所述统计并输出优化设计成果的方法中，平面轨向短波平顺性表采用中点矢距差计算，短波弦长根据轨枕测点间距和短波间距个数计算，平面轨向短波平顺性表根据平面轨向平顺性表模板输出，包括起点里程和轨向平顺性。
进一步的，所述统计并输出优化设计成果的方法中，平面轨向中长波平顺性表采用两检测点矢距差之差计算，中长波弦长根据轨枕测点间距和中长波间距个数计算，中长波检测点间距根据轨枕测点间距和检测点间距个数计算，平面轨向中长波平顺性表根据平面轨向平顺性表模板输出，包括起点里程和轨向平顺性。
进一步的，所述统计并输出优化设计成果的方法中，短波弦长等于轨枕测点间距乘以短波间距个数，根据短波弦长确定中点，计算中点矢距差。
进一步的，所述统计并输出优化设计成果的方法中，中长波弦长等于轨枕测点间距乘以中长波间距个数。
进一步的，所述统计并输出优化设计成果的方法中，根据中长波弦长和中长波检测点间距确定两检测点，先计算两检测点矢距差，再计算两检测点矢距差之差。
本发明的有益效果如下：
采用本发明的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，包括如下步骤：构建轨道空间线形模型；构建轨道空间线形优化模型；设置轨道空间线形优化控制参数；构建轨道纵断面优化模型；纵断面优化设计；平面优化设计；统计并输出优化设计成果。通过构建轨道空间线形模型、轨道空间线形优化模型和轨道纵断面优化模型，基于实测轨道中心线和扣件允许抬降值进行优化，自动化程度高，简化了大量工作，革新了现有工作手段，填补了运营高铁轨道空间线形优化设计方法的空缺，为高铁基础设施提升和整治提供了技术支撑，实用性强，能大幅提高工作效率和优化质量，具有明显的推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明运营高铁轨道空间线形优化设计方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面参考图1详细描述本实施例的运营高铁轨道空间线形优化设计方法的技术方案。
实施例
本实施例提供的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，具体实施方式如下：
由图1的流程图所示，本发明涉及的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，包括基于实测轨道中心线和扣件允许抬降值，构建轨道空间线形优化模型，通过线形拟合技术和人工智能算法，实现平纵断面拟合和优化设计，统计并输出优化设计成果，具体包括如下步骤：构建轨道空间线形模型；构建轨道空间线形优化模型；设置轨道空间线形优化控制参数；构建轨道纵断面优化模型；纵断面优化设计；平面优化设计；统计并输出优化设计成果。下面对各步骤进行具体描述。
构建轨道空间线形模型；采用施工图线形设计资料，包括线路模型名称、断链里程数据，平面交点数据、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，构建轨道空间线形自定义实体。
构建轨道空间线形优化模型，用于保存原始线形设计数据、平面优化设计和显示轨道空间线形优化效果；通过选择形成的上述轨道空间线形自定义实体，读取并导入线形设计资料做为原始线形设计数据，构建轨道空间线形优化自定义实体；导入实测轨道中心线数据，绘制实测轨道中心线，实测轨道中心线数据包括每个实测点的标注里程、N坐标、E坐标和Z坐标，Z坐标为实测轨面高程；导入扣件允许抬降值(抬降值为设计与既有轨面高程差)，扣件允许抬降值包括每一个扣件的断链序号、标注里程、允许降、允许抬。
设置轨道空间线形优化控制参数；优化控制参数包括控制起点对应原始线路里程、平面横向允许位移和填挖阀值，填挖阀值包括设计与既有轨面高程差上限和设计与既有轨面高程差下限；根据原始线路里程，标注优化控制参数；根据优化控制参数，计算并显示平纵差值超限段落和超限值，纵断面超限值根据扣件允许抬降值计算。
构建轨道纵断面优化模型；基于上述的轨道空间线形优化模型构建轨道纵断面优化模型；轨道纵断面优化模型用于显示轨道纵断面和纵断面优化设计，轨道纵断面优化模型包括以下纵断面栏目及内容：竖曲线、设计轨面与既有轨面高程差、轨面设计高程、轨面设计坡度、实测超限值、超限控制参数、实测轨面高程、地面高程、加桩、里程和线路平面；超限控制参数栏目显示扣件允许抬降值，纵断面实测超限值以设计轨面与既有轨面高程差减去扣件允许抬降值计算；超限值大于零时以红色标注，并用红线长竖线标记。
纵断面优化设计；基于上述轨道纵断面优化模型进行纵断面优化设计，纵断面优化设计包括设置纵断面优化控制参数、纵断面坡度自动拟合调整和纵断面坡度人工智能优化设计；纵断面优化控制参数包括规范要求、约束控制、坡长坡度参数、接坡参数和对既有坡度自动调整的控制；纵断面坡度自动拟合调整，根据实测轨面高程，通过直线拟合技术，拟合并调整轨面设计坡度；拟合时，根据纵断面变坡点分段拟合，调整坡度和变坡点高程，变坡点里程和竖曲线半径保持不变，只在分段中间添加变坡点，不删除变坡点，添加的变坡点根据最近的变坡点设置竖曲线半径；纵断面坡度人工智能优化设计，在纵断面坡度自动拟合调整的基础上，采用差异演化算法进行优化；优化时，只对一半的纵断面坡度方案调整变坡点里程，变坡点里程的调整范围限定为竖曲线半径的指定范围；优化后，生成最优的纵断面变坡点数据；纵断面优化设计后，根据最优的纵断面变坡点数据，更新轨道纵断面优化模型、轨道空间线形优化模型和轨道空间线形模型。
平面优化设计；基于上述轨道空间线形优化模型进行平面优化设计，平面优化设计包括平面拟合调整和平面人工智能优化设计；平面拟合调整包括平面直线拟合调整、平面圆曲线拟合调整和平面缓和曲线调整；平面直线拟合调整根据平面直线段的实测轨道中心线数据进行拟合，平面圆曲线拟合调整根据平面圆曲线段的实测轨道中心线数据进行拟合，平面缓和曲线调整根据圆曲线半径确定缓和曲线调整范围，按步长进行调整；平面人工智能优化设计，在平面拟合调整的基础上，设置优化变量控制参数，采用差异演化算法进行优化；优化变量控制参数包括优化交点、优化缓长、优化半径、缓长取整、缓长调整范围、循环缓长；优化后，生成最优的平面线形数据；平面优化设计后，根据最优的平面线形数据，更新轨道空间线形优化模型和轨道空间线形模型，形成优化后的轨道空间线形优化模型和轨道空间线形模型，优化后的轨道空间线形模型包含最优的平面线形数据和最优的纵断面变坡点数据。
统计并输出优化设计成果；根据优化后的上述轨道空间线形优化模型，计算并统计轨道空间线形优化效果，输出扣件调整值一览表、平面偏差归纳统计表、平面轨向短波平顺性表和平面轨向中长波平顺性表；其中，扣件调整值一览表，包括每一个扣件对应的里程、轨面设计高程、轨面实测内插高程和调整量；输出平面偏差归纳统计表，先根据优化后的轨道空间线形，计算平面偏差值和超限值数组，再按每100米统计，平面偏差归纳统计表包括起点里程、偏差超限点数和偏差超限比例；平面轨向短波平顺性表采用中点矢距差计算，短波弦长根据轨枕测点间距和短波间距个数计算，短波弦长等于轨枕测点间距乘以短波间距个数，短波间距个数由用户输入，可以适用不同的短波平顺性计算，根据短波弦长确定中点，计算中点矢距差；平面轨向中长波平顺性表采用两检测点矢距差之差计算，中长波弦长根据轨枕测点间距和中长波间距个数计算，中长波弦长等于轨枕测点间距乘以中长波间距个数，中长波检测点间距根据轨枕测点间距和检测点间距个数计算，中长波间距个数和检测点间距个数由用户输入，可以适用不同的中长波平顺性计算，根据中长波弦长和中长波检测点间距确定两检测点，先计算两检测点矢距差，再计算两检测点矢距差之差，平面轨向短波平顺性表和平面轨向中长波平顺性表根据平面轨向平顺性表模板输出，包括起点里程和轨向平顺性。
采用本实施例的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，通过构建轨道空间线形模型、轨道空间线形优化模型和轨道纵断面优化模型，基于实测轨道中心线和扣件允许抬降值进行优化，自动化程度高，简化了大量工作，革新了现有工作手段，填补了运营高铁轨道空间线形优化设计方法的空缺，为高铁基础设施提升和整治提供了技术支撑，实用性强，能大幅提高工作效率和优化质量，具有明显的推广应用价值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，包括基于实测轨道中心线和扣件允许抬降值，构建轨道空间线形优化模型，通过线形拟合技术和人工智能算法，实现平纵断面拟合和优化设计，统计并输出优化设计成果，具体包括如下步骤：
构建轨道空间线形模型；即构建轨道空间线形自定义实体；
构建轨道空间线形优化模型；用于保存原始线形设计数据、平面优化设计和显示轨道空间线形优化效果；通过所述轨道空间线形自定义实体，读取并导入线形设计资料作为原始线形设计数据，构建轨道空间线形优化自定义实体；导入实测轨道中心线数据，绘制实测轨道中心线；导入扣件允许抬降值，扣件允许抬降值包括每一个扣件的断链序号、标注里程、允许降、允许抬；
设置轨道空间线形优化控制参数；优化控制参数包括控制起点对应原始线路里程、平面横向允许位移和填挖阀值，填挖阀值包括设计与既有轨面高程差上限，以及设计与既有轨面高程差下限；根据原始线路里程，标注优化控制参数；根据优化控制参数，计算并显示平纵差值超限段落和超限值，纵断面超限值根据扣件允许抬降值计算；
构建轨道纵断面优化模型，轨道纵断面优化模型用于显示轨道纵断面和纵断面优化设计；基于所述轨道空间线形优化模型构建轨道纵断面优化模型；轨道纵断面优化模型包括以下纵断面栏目及内容：竖曲线、设计轨面与既有轨面高程差、轨面设计高程、轨面设计坡度、实测超限值、超限控制参数、实测轨面高程、地面高程、加桩、里程和线路平面；超限控制参数栏目显示扣件允许抬降值，纵断面实测超限值以设计轨面与既有轨面高程差减去扣件允许抬降值计算；超限值大于零时以红色标注，并用红线长竖线标记；
纵断面优化设计，基于所述轨道纵断面优化模型进行纵断面优化设计；纵断面优化设计包括设置纵断面优化控制参数、纵断面坡度自动拟合调整和纵断面坡度人工智能优化设计；纵断面优化控制参数包括规范要求、约束控制、坡长坡度参数、接坡参数和对既有坡度自动调整的控制；纵断面坡度自动拟合调整，根据实测轨面高程，通过直线拟合技术，拟合并调整轨面设计坡度；拟合时，根据纵断面变坡点分段拟合，调整坡度和变坡点高程，变坡点里程和竖曲线半径保持不变，只在分段中间添加变坡点，不删除变坡点，添加的变坡点根据最近的变坡点设置竖曲线半径；纵断面坡度人工智能优化设计，在纵断面坡度自动拟合调整的基础上，采用差异演化算法进行优化；优化时，只对一半的纵断面坡度方案调整变坡点里程，变坡点里程的调整范围限定为竖曲线半径的指定范围；优化后，生成最优的纵断面变坡点数据；根据最优的纵断面变坡点数据，更新轨道纵断面优化模型、轨道空间线形优化模型和轨道空间线形模型：
平面优化设计；基于所述轨道空间线形优化模型进行平面优化设计；平面优化设计包括平面拟合调整和平面人工智能优化设计；平面拟合调整包括平面直线拟合调整、平面圆曲线拟合调整和平面缓和曲线调整；平面直线拟合调整为根据平面直线段的实测轨道中心线数据进行拟合，平面圆曲线拟合调整为根据平面圆曲线段的实测轨道中心线数据进行拟合，平面缓和曲线调整为根据圆曲线半径确定缓和曲线调整范围，按步长进行调整；平面人工智能优化设计，在平面拟合调整的基础上，设置优化变量控制参数，采用差异演化算法进行优化；优化变量控制参数包括优化交点、优化缓长、优化半径、缓长取整、缓长调整范围、循环缓长；优化后，生成最优的平面线形数据；根据最优的平面线形数据，更新轨道空间线形优化模型和轨道空间线形模型；
统计并输出优化设计成果；根据优化后的所述轨道空间线形优化模型，计算并统计轨道空间线形优化效果，输出扣件调整值一览表、平面偏差归纳统计表、平面轨向短波平顺性表和平面轨向中长波平顺性表。
2.根据权利要求1的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述构建轨道空间线形模型的方法中，采用施工图线形设计资料构建轨道空间线形自定义实体，施工图线形设计资料包括线路模型名称、断链里程数据，平面交点数据、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。
3.根据权利要求1的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述构建轨道空间线形优化模型的方法中，实测轨道中心线数据包括每个实测点的标注里程、N坐标、E坐标和Z坐标，Z坐标为实测轨面高程。
4.根据权利要求1的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述统计并输出优化设计成果的方法中，扣件调整值一览表，包括每一个扣件对应的里程、轨面设计高程、轨面实测内插高程和调整量。
5.根据权利要求4的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述统计并输出优化设计成果的方法中，输出平面偏差归纳统计表，先根据优化后的所述轨道空间线形模型，计算平面偏差值和超限值数组，再按每100米统计，平面偏差归纳统计表包括起点里程、偏差超限点数和偏差超限比例。
6.根据权利要求4的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述统计并输出优化设计成果的方法中，平面轨向短波平顺性表采用中点矢距差计算，短波弦长根据轨枕测点间距和短波间距个数计算，平面轨向短波平顺性表根据平面轨向平顺性表模板输出，包括起点里程和轨向平顺性。
7.根据权利要求4的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述统计并输出优化设计成果的方法中，平面轨向中长波平顺性表采用两检测点矢距差之差计算，中长波弦长根据轨枕测点间距和中长波间距个数计算，中长波检测点间距根据轨枕测点间距和检测点间距个数计算，平面轨向中长波平顺性表根据平面轨向平顺性表模板输出，包括起点里程和轨向平顺性。
8.根据权利要求6的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述统计并输出优化设计成果的方法中，短波弦长等于轨枕测点间距乘以短波间距个数，根据短波弦长确定中点，计算中点矢距差。
9.根据权利要求7的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述统计并输出优化设计成果的方法中，中长波弦长等于轨枕测点间距乘以中长波间距个数。
10.根据权利要求9的运营高铁轨道空间线形优化设计方法，其特征在于，所述统计并输出优化设计成果的方法中，根据中长波弦长和中长波检测点间距确定两检测点，先计算两检测点矢距差，再计算两检测点矢距差之差。
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