一种铁路沿线场坪三维智能设计方法与流程

1.本发明涉及铁路沿线场坪设计技术领域，具体涉及一种铁路沿线场坪三维智能设计方法。


背景技术：

2.铁路沿线场坪分为四电场坪和取弃土场，分别用于承载铁路中的通信、信号、电力、电气化等“四电工程”设备和满足铁路建设中的取土用土需求。场坪设计的主要任务是完成场坪的平纵横断面设计，其设计质量将直接关系到铁路运营安全与后期养护维修。为提高场坪的设计质量，需在研究区域内考虑其工程经济性与安全性，寻找最优的场址，并产出平纵横设计方案。
3.根据国家《中长期铁路网规划》的部署要求，随着经济社会快速发展，国家的铁路建设需求增多，为了满足铁路建设过程中的取土弃土需求以及承载运营过程中“四电工程”设备，须在铁路沿线布设大量场坪。目前在实际工程中，场坪的设计工作主要依靠工程规范和人工经验，存在智能化程度低、设计效率低、工作量大，只能粗略比较相对有限的方案，难以保证最优方案等缺点。国内各铁路勘测设计单位将在很长一段时期内普遍面临着任务重、工期紧的困难局面。因此，目前迫切需要一种铁路沿线场坪智能设计方法来提高设计效率与质量。
4.目前，国内外大量的智能优化设计主要是针对铁路线路方面，通常构建线路方案工程费、运营费的优化模型，并采用启发式搜索算法解算该模型，从而得到线路优化方案。而对于铁路沿线场坪智能设计的数字化方法还缺乏系统深入的研究。场坪作为一个与铁路线路存在耦合关系的封闭立体结构，场坪旋转角度、标高的设计，土方工程计算方法等都与铁路线路设计间存在差别。因此，针对铁路线路的设计模型与优化方法等并不能直接用于铁路沿线场坪的三维智能设计中。
5.铁路沿线场坪设计的基本任务是在尽量减少场坪建造时产生的土石方工程量、便于与铁路线路相互作用的情况下，确定场坪的空间位置，设计场坪的平、纵、横断面方案。为解决设计中场坪的平纵横自动设计，准确计算土石方工程量，全局智能优化选址等问题，改进设计方法，提高智能化程度，因此，亟需提出一种铁路沿线场坪的三维智能设计模型和方法，用于铁路沿线场坪的智能设计。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种铁路沿线场坪三维智能设计方法，通过以铁路沿线场坪的长、宽、中心点坐标、标高、旋转角度为设计变量，以土石方工程量为目标函数，并考虑多种复杂耦合的三维空间约束，建立了场坪三维智能设计模型；提出了一种“中桩边桩组合式”平纵横自动设计方法，用于计算上述模型的目标函数；最后，为求解上述模型，提出了基于“中桩边桩组合式”平纵横自动设计的窗口移动法，即在研究区域寻找铁路沿线场坪的最优选址方案，提高了场坪选址设计的效率与质量，具有重要工程实
践价值，解决了上述背景技术中提到的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铁路沿线场坪三维智能设计方法，包括如下步骤：
8.s1、构建铁路沿线场坪三维智能设计模型；
9.s2、进行铁路沿线场坪的平面、纵断面、横断面设计，并计算铁路沿线场坪三维智能设计模型的目标函数；
10.s3、基于窗口移动法进行铁路沿线场坪智能优化选址。
11.优选的，所述铁路沿线场坪三维智能设计模型包括设计变量、目标函数和约束条件；所述设计变量具体是指以铁路沿线场坪的长、宽、中心点坐标、标高、旋转角度作为该模型的设计变量；所述的目标函数是以铁路沿线场坪的土石方工程量作为目标函数；所述的约束条件分为高程可达性约束和平面禁区约束。
12.优选的，所述构建铁路沿线场坪三维智能设计模型包括如下步骤：
13.s1-1、设计变量通过场坪的平面位置信息和纵断面设计信息进行确定，所述平面位置信息通过场坪的中心点位坐标、场坪在研究区域网格中的旋转角度和用户指定的场坪的长度和宽度进行表达，所述纵断面设计信息通过场坪的设计标高进行表达，所述铁路沿线场坪三维智能设计模型的设计变量用以下变量表示：
14.var＝[l,w,n,e,α,h]
[0015]
式中：l为场坪的长度，w为场坪的宽度，n为场坪中心点n坐标，e为场坪中心点e坐标，α为场坪旋转角度，h为场坪设计标高；
[0016]
s1-2、采用中桩边桩组合式设计求解场坪土石方工程量evc，所述铁路沿线场坪的土石方工程量evc由两部分组合而成：依据场坪中桩矩形断面计算出的场坪内核台体土石方工程数量和依据边桩三角形断面计算出的场坪外围台体土石方工程数量；
[0017][0018]
式中：nm为中桩数量；s
mn
为第n个中桩与地面线围成的面积；d
mn
为第n个中桩与第n+1个中桩的桩间距；ns为边桩数量；s
sn
为第n个边桩与地面线围成的面积；d
sn
为第n个边桩与第n+1个边桩的桩间距；
[0019]
s1-3、所述高程可达性约束是场坪设计标高满足洪水水位标高要求，即满足高于百年洪水位+波浪爬高值+安全高的约束条件，表达如下式：h≥h
min
＝h
cf
+h
wc
+h
sv
；
[0020]
所述平面禁区约束包括尽量绕避地质灾害区及不良地质区域和不侵犯铁路线路路基的约束；
[0021]
s1-4、集成设计变量、目标函数和约束条件，构建出的铁路沿线场坪三维模型，如下式：
[0022]
minf(var)＝minevc[0023]
st.gh(var)≤0
[0024]gl
(var)≤0
[0025]
式中，var＝[l,w,n,e,α,h]代表模型设计变量，gh(var)代表高程可达性约束，g
l
(var)代表平面禁区约束。
[0026]
优选的，在所述步骤s2进行铁路沿线场坪的平面、纵断面、横断面设计中，
[0027]
所述进行铁路沿线场坪平面设计具体是以场坪基线和场坪边线确定场坪的空间平面位置，再采用中桩边桩布设的方法自动进行场坪平面设计；
[0028]
所述进行铁路沿线场坪纵断面设计具体是以坡度线表示场坪纵断面，以用户指定的场坪设计标高为标高设计参数，设计坡度为零，坡长为场坪长l的坡度线，根据工程规范和/或用户指定的边坡系数，对场坪进行刷坡设计，最终形成完整的场坪纵断面坡度线；
[0029]
所述进行铁路沿线场坪横断面设计具体是采用中桩边桩布设的方法，以地面线和场坪横断面线表示场坪横断面，根据场坪的平、纵断面信息，以基线为中线将横断面设计分为左横断面和右横断面，以用户给定的左右横断面路堤和路堑的边坡级数(sn)、各级边坡系数(m＝[m1,m2...mn])、边坡限高(hs＝[h
s1
,h
s2
...h
sn
])、平台宽(l
p
＝[l
p1
,l
p2
...l
pn
])、水沟参数、用地类型和松方压实系数进行场坪横断面自动设计。
[0030]
优选的，所述的场坪基线具体是以场坪中心坐标为场坪中心点、场坪旋转角度为场坪设计方向来确定场坪中心线，即场坪基线；
[0031]
所述的场坪边线具体是以用户指定的场坪长度l和场坪宽度w来确定场坪边线；
[0032]
所述中桩边桩布设的方法具体是从场坪基线的起点根据用户指定的中桩桩间距开始布设中桩，从场坪边线的起点以用户指定的布设顺序和边桩桩间距开始布设边桩。
[0033]
优选的，在步骤s2中，所述计算铁路沿线场坪三维智能设计模型的目标函数具体包括：以场坪中桩为主体的矩形面积区域(s
mn
)的土石方工程量和以场坪边桩为主体的三角形面积区域(s
sn
)的土石方工程量，两个区域面积具体计算公式如下：
[0034]smn
＝w
×h[0035][0036][0037][0038]
优选的，所述步骤s3中基于窗口移动法进行铁路沿线场坪智能优化选址具体包括：
[0039]
s3-1、定义场坪窗口，根据所需修建场坪长度l和场坪宽度w，将场坪区域当作l
×
w的矩形区域，并将这个矩形区域定义为场坪窗口；
[0040]
s3-2、确定铁路场坪的研究区域网格，确定需要修建场坪的线路里程，将此里程点作为研究范围的中心点，根据这个中心点位在关联线路的前后一定里程范围内划定一个方形研究区域，具体为：根据用户指定的网格宽度d，将此片研究区域划分数量为a
×b×hn
的三维空间正方形规则网格，以每个网格的中心坐标表示当铁路场坪位于此单元格时场坪的平面中心点位，将地质信息、地物信息、特殊区域信息、地价信息以及附近工程信息赋予给各个单元格；
[0041]
s3-3、利用窗口移动法将场坪窗口在研究区域网格中进行遍历计算，所述的窗口移动法是基于场坪窗口在研究区域网格中以场坪土石方工程量最小作为目标考虑，以场坪设计标高、场坪中心点位和场坪与线路之间的角度作为变量进行三维空间的平移-旋转过程；
[0042]
所述进行遍历计算具体是：首先移动场坪窗口遍历每个单元格，根据铁路沿线场
坪三维模型中的约束条件排除不可行的研究区域单元格，从而确定出可行区域；
[0043]
在可行区域中的单个可行网格中将场坪窗口按照用户指定的角度增量进行旋转变化，在相同平面位置不同标高的网格中再以相同角度增量进行旋转变化，再次进行约束检测，排除当前网格中不符合约束要求的方案，进行场坪平纵横自动设计，计算出不同标高、不同角度下的场坪土石方工程量；
[0044]
通过比对土石方工程量，记录当前平面位置相同的网格下的最优标高和最优角度，以得到局部最优方案；
[0045]
遍历所有的可行区域，将可行区域中的不同平面位置的格网得到的局部最优方案再次进行比对，获得整个研究区域内的全局最优方案，即为铁路场坪的选址方案。
[0046]
本发明的有益效果是：本发明建立了以铁路沿线场坪的中心坐标、设计标高、与铁路线路之间的角度和场坪的长宽为设计变量，以场坪的土石方工程量为目标函数，以高程可达性约束和禁区约束为约束条件的铁路沿线场坪的三维智能设计模型。本发明提出了一种基于中桩边桩组合式方法的场坪平、纵、横自动设计方法计算上述模型的目标函数，将场坪三维智能设计模型用于场坪三维空间优化选址，通过设计变量的不断变化，自动设计在不同变量下的场坪平纵横方案，使用中桩边桩组合式设计方法计算目标函数，根据窗口移动法全局寻优的模式寻找到场坪的最优选址方案。
附图说明
[0047]
图1为本发明方法步骤流程图；
[0048]
图2为本发明窗口移动法示意图；
[0049]
图3为本发明窗口移动法流程图；
[0050]
图4是本发明实施例铁路沿线示意图；
[0051]
图5是本发明实施例铁路沿线场坪平面设计图；
[0052]
图6是本发明实施例铁路沿线场坪横断面设计图；
[0053]
图7是本发明实施例横断面分解为中桩矩形部分和边桩三角形部分示意图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0055]
请参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：一种铁路沿线场坪三维智能设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0056]
s1、构建铁路沿线场坪三维智能设计模型
[0057]
该模型包括设计变量、目标函数、约束条件三部分，即：以铁路沿线场坪的长宽、中心点坐标、标高、旋转角度作为该模型的设计变量；以铁路沿线场坪的土石方工程量为目标函数；以避让地质灾害区等禁区、不侵犯铁路线路路基、设计标高满足洪水水位标高等要求为约束条件。
[0058]
s2、场坪平、纵、横自动设计，并计算模型的目标函数
[0059]
根据已有铁路线路位置、用户指定的场坪参数(场坪长、宽、标高等)和场坪空间点位信息设置场坪中心基线和边线，采用布设中桩边桩的方法自动进行场坪平面设计；由场坪尽量设计平坡的原则，在满足纵断面设计规范的情况下进行铁路场坪的纵断面设计；结合用户指定的路堤和路堑的边坡系数、水沟参数、平台宽等横断面设计参数以中桩矩形断面边桩三角形断面组合式设计的方法进行铁路场坪的横断面设计。在平、纵、横自动设计中，关键的问题是根据中桩与边桩的布设，将整个场坪的填挖方量分为内核中桩部分与外围边桩部分，以及依据桩间距和断面面积准确计算出铁路场坪的土石方工程量。
[0060]
s3、基于窗口移动法进行铁路场坪智能优化选址
[0061]
依据铁路线路方案的位置，首先由用户选取需要设置场坪的线路里程处，以该点铁路里程处为中心，以工程经验和工程规范参考为长度划定研究区域，将研究区域以用户指定宽度划分为在不同标高下的多个三维空间正方形规则格网，赋予各个格网综合地理信息属性。将场坪定义为一个矩形区域的场坪窗口，移动场坪窗口遍历格网，先在当前格网中按照特定角度旋转一周，进行场坪的平纵横断面自动设计，再在相同平面位置，不同高程的格网中以相同角度旋转变化进行场坪设计，并进行约束检测，根据场坪三维智能设计模型求解当前格网下的局部最优方案，并记录当前平面位置中的最优高程和旋转角度，如图2所示。最后比对不同平面位置下的格网的局部最优方案获得整个研究区域的场坪最优选址方案，流程如图3所示。
[0062]
进一步地，所述步骤s1具体包括：
[0063]
s1-1:铁路沿线场坪三维智能设计模型的设计变量是通过场坪的平面位置信息和纵断面设计信息进行确定。平面位置信息主要通过场坪的中心点位坐标、场坪在研究区域网格中的旋转角度和用户指定的场坪的长度和宽度进行表达。纵断面设计信息主要通过场坪的设计标高进行表达。因此，铁路沿线场坪三维智能设计模型的设计变量可用以下变量表示：
[0064]
var＝[l,w,n,e,α,h]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-1-1)
[0065]
式中：l为场坪的长度，w为场坪的宽度，n为场坪中心点n坐标，e为场坪中心点e坐标，α为场坪旋转角度，h为场坪设计标高。
[0066]
s1-2:铁路沿线场坪三维智能设计模型的目标函数是场坪的土石方工程量(evc)。由于场坪设计和铁路线路设计的不同，铁路线路设计中计算土石方工程量的方法不能直接运用于场坪的土石方工程量的准确计算中。因此，在本发明中，提出了一种中桩边桩组合式设计求解场坪土石方工程量的方法。此方法中，铁路沿线场坪的土石方工程量由两部分组合而成：1.依据场坪中桩矩形断面计算场坪内核台体土石方工程数量；2.依据边桩三角形断面计算场坪外围台体土石方工程数量(详见步骤s2)，如图4所示。以下为铁路沿线场坪的土石方工程量计算公式：
[0067][0068]
式中：nm为中桩数量；s
mn
为第n个中桩与地面线围成的面积；d
mn
为第n个中桩与第n+1个中桩的桩间距；ns为边桩数量；s
sn
为第n个边桩与地面线围成的面积；d
sn
为第n个边桩与第n+1个边桩的桩间距。
[0069]
s1-3:铁路沿线场坪三维智能设计模型的约束条件是场坪设计标高满足洪水水位
标高要求、尽量绕避地质灾害区等不良地质区域和不侵犯铁路线路路基。根据约束特征可将其分为高程可达性约束和平面禁区约束两类，可对标高设计约束进行数学表达，具体如下：
[0070]
(1)高程可达性约束
[0071]
根据设计规范要求，场坪标高必须高于百年洪水位+波浪爬高值+安全高；对于满足百年洪水位的，需考虑内涝水位。对于满足洪水位和内涝水位的，还需考虑周边地块、道路的标高，同时还需综合考虑土方工程量的大小，一般需稍高于周边地块。因此，场坪标高应满足标高设计约束，如下式：
[0072]
h≥h
min
＝h
cf
+h
wc
+h
sv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-3-1)
[0073]
式中：h
min
为场坪最小设计标高，h
cf
为百年洪水位，h
wc
为波浪爬升值，h
sv
为安全高度值。
[0074]
(2)平面禁区约束
[0075]
为满足场坪运营安全与养护维修的要求，需根据综合地理信息绕避河流、湖泊、沼泽地和地质灾害区等不良地质禁区。根据与铁路线路之间的耦合关系，场坪的设计不应侵占铁路线路路基体，对已有线路造成不良影响。
[0076]
综上，集成铁路沿线场坪的设计变量、目标函数以及多种复杂耦合的三维空间约束条件，构建出铁路沿线场坪三维智能设计模型，如下式：
[0077][0078]
(1)var＝[l,w,n,e,α,h]为模型设计变量，详见步骤s1-1所述；
[0079]
(2)gh(var)代表高程可达性约束，包括设计标高约束，详见步骤s1-3所述。
[0080]
(3)g
l
(var)代表平面禁区约束，包括不良地质区约束，铁路线路路基约束等，详见步骤s1-3所述。
[0081]
进一步地，所述步骤s2具体包括：
[0082]
s2-1、进行铁路沿线场坪的平面设计，以场坪平面空间位置和中桩边桩的布设表示场坪平面。根据已有铁路线路、场坪中心坐标和场坪设计参数确定场坪的平面空间位置。以场坪中心坐标为场坪中心点、场坪旋转角度为场坪设计方向确定场坪中心线即场坪基线。以用户指定的场坪长度l和场坪宽度w确定场坪边线，由场坪基线和场坪边线确定场坪的空间平面位置。
[0083]
在本发明中，铁路沿线场坪的桩号分为中桩和边桩两种类型，方便进行横断面设计。从场坪基线的起点根据用户指定的中桩桩间距开始布设中桩。从场坪边线的起点以用户指定的布设顺序和边桩桩间距开始布设边桩。此外本发明采取了一种边桩加密的策略，即为了圆滑过渡场坪角点，以每隔用户指定的角度布设边桩，形成加密边桩部分，以此来精确计算土石方工程量，平面设计图如图5所示。
[0084]
s2-2、进行铁路沿线场坪的纵断面设计，以坡度线表示场坪纵断面。以用户指定的场坪设计标高为标高设计参数，设计坡度为零，坡长为场坪长l的坡度线，根据工程规范和用户指定的边坡系数，对场坪进行刷坡设计，最终形成完整的场坪纵断面坡度线。
[0085]
s2-3、基于中桩边桩组合式方法进行铁路沿线场坪的横断面设计，以地面线和场坪横断面线表示场坪横断面。根据场坪的平、纵断面信息，以基线为中线将横断面设计分为左横断面和右横断面，以中桩边桩组合式设计方法以及用户给定的左右横断面路堤和路堑的边坡级数(sn)、各级边坡系数(m＝[m1,m2...mn]))、边坡限高(hs＝[h
s1
,h
s2
...h
sn
])、平台宽(l
p
＝[l
p1
,l
p2
...l
pn
])、水沟参数、用地类型和松方压实系数等横断面设计参数进行场坪横断面自动设计，如图6所示。
[0086]
使用中桩边桩组合式设计技术准确计算铁路沿线场坪的土石方工程量，根据中桩和边桩的布设，可将场坪横断面线与地面线围成的面积分为两个部分，一部分是以场坪中桩为主体的矩形区域(s
mn
)，一部分是以场坪边桩为主体的三角形区域(s
sn
)，如图7所示。其中s
sn
区域面积计算公式取边坡级数(sn＝3)为三级。矩形区域的土石方工程量可用中桩桩间距(dm)进行计算，三角形区域的土石方量可用边桩桩间距(ds)进行计算，两者之和则为整个场坪的准确土石方工程量。两个部分的面积计算公式如下：
[0087]smn
＝w
×hꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-3-1))
[0088][0089][0090][0091]
进一步地，所述步骤s3具体包括：
[0092]
s3-1、根据用户指定所需修建场坪长度l和场坪宽度w，将场坪区域当作l
×
w的矩形区域，并将这个矩形区域定义为场坪窗口。窗口移动法是基于场坪窗口在研究区域网格中以场坪土石方工程量最小作为目标考虑，以场坪设计标高、场坪中心点位和场坪与线路之间的角度作为变量进行三维空间的平移-旋转过程。
[0093]
s3-2、确定铁路场坪的研究区域网格。首先用户根据实际所需、工程经验和工程规范等确定需要修建场坪的线路里程，将此里程点作为研究范围的中心点。根据这个中心点位在关联线路的前后一定里程范围内划定一个方形研究区域。根据用户指定的网格宽度d，将此片研究区域划分数量为a
×b×hn
的三维空间正方形规则网格(hn表示相同平面位置下不同高程的网格数量，由工程经验、约束条件和规范要求确定)，以每个单元格的中心坐标表示当铁路场坪位于此单元格时场坪的平面中心点位。将地质信息、地物信息(房屋、道路、河流等)、特殊区域信息(农田区域、山地林区、湖泊区域等)、地价信息以及附近工程信息等综合地理信息赋予给各个单元格。
[0094]
s3-3、将场坪窗口在研究区域网格中进行遍历计算。首先移动场坪窗口遍历每个单元格，根据绕避地质灾害区、不侵犯线路路基等约束条件排除不可行的研究区域单元格，从而确定出可行区域。在单个可行网格中将场坪窗口按照用户指定的角度增量进行旋转变化，在相同平面位置不同标高的网格中再以相同角度增量进行旋转变化，再次进行约束检测，排除当前网格中不符合约束要求的方案，进行场坪平纵横自动设计，计算出不同标高、不同角度下的场坪土石方工程量，通过比对土石方工程量，记录当前平面位置相同的网格
下的最优标高和最优角度，以得到局部最优方案。遍历所有的可行区域，将可行区域中的不同平面位置的格网得到的局部最优方案再次进行比对，获得整个研究区域内的全局最优方案，以此方案作为铁路场坪的选址方案。通过本发明的方法，将其应用于阳(平关)安(康)线、黔(江)张(家界)常(德)铁路、新疆喀什-和田线的产品设计中，通过实践验证了所述的设计方法的正确性。
[0095]
实践验证：以下以新疆喀什至和田项目中的dk170公里至dk220公里段为例对本发明的技术方案做进一步说明。将用户指定的铁路沿线场坪设计参数、该段数字地形图和综合地理信息等作为基本输入数据，构建了铁路沿线场坪三维智能设计模型，实现了在设计过程中实时自动更新模型数据，减轻了设计人员人工统计数据的工作量，提高了工作效率。
[0096]
基于中桩边桩组合式设计方法对铁路沿线场坪进行平纵横自动设计并计算上述模型的目标函数即土石方工程量。通过基线、边线和用户指定的参数确定场坪的平面方案。以坡度为零、用户指定的设计标高设计了铁路沿线场坪纵断面方案。根据用户指定的横断面参数等进行了铁路沿线场坪横断面的自动设计，以中桩边桩组合式设计的方法准确计算土石方工程量，整个土石方工程量由中桩内核部分与边桩外围部分拼合而成。与具有丰富经验的设计人员设计的方案进行对比，最终设计结果如表1所示：
[0097]
表1场坪详细设计结果
[0098][0099]
最终通过与人工方案对比证明本发明方法的正确性和有效性：1.输出的平面图正确，各种标注准确；2.结果表明平面实体及参数和曲线表、断链表内容一致；3.计算的用地坐标表与对照资料一致；4.输出的场坪汇总表中的各项数据与对比资料一致；5.各类输出成果满足规范，且满足设计要求；6.机选方案较人工方案土石方工程量节省2.7％。本发明方法提高了场坪选址设计的效率与质量，具有重要工程实践价值。
[0100]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。