铺轨前线路纵断面优化设计方法

摘要

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。

主权项

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。