一种山区铁路施工便道线路网智能布设方法与流程

1.本发明属于路径设计领域，具体涉及一种山区铁路施工便道线路网智能布设方法。


背景技术：

2.施工便道是铁路工程施工的关键性临时设施，可将施工节点与既有道路网合理结合起来，形成施工便道路网，满足施工期间人员、大型机械以及材料进出场地的要求，从而确保铁路施工建设的高效性。
3.规划施工便道线路存在一定难度，它需综合考虑地形、地质、地物等多种因素，以求更好地推动铁路施工作业，为设备、材料等提供较为可靠的调配环境。尤其是对于复杂艰险的山区铁路，施工环境较为恶劣、多高桥长隧、线路分布范围较为广泛，可利用的既有道路较为有限，项目驻地、混凝土拌合站、渣土运输场等常难以通过既有道路网来完成相应运输任务。因此，山区铁路施工便道线路网的设计更为复杂。
4.目前，国内外对山区铁路施工便道线路网的布设研究较少。国外相关研究主要集中在优化布设独立平整场地，其主要实现方法为利用pso等算法优化不同功能办公区位置布设并在平整场地中划分道路标志线，此类研究与山区铁路施工便道线路网布设有较大区别。在国内实际工程中，主要依靠导线法或人工经验进行设计，理论上应设计大量的方案，然后从中选出最优方案，但由于时间及精力有限，通常只能设计有限的方案，难以实现方案的最优化。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提出一种山区铁路施工便道线路网智能布设方法，所述布设方法用于实现山区铁路施工便道线路网智能布设。本发明通过不断伸展路线来形成施工便道线路网，并实时协调多种约束，从而获取最优线路网方案。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
7.一种山区铁路施工便道线路网智能布设方法，包括以下步骤：
8.s1：获取目标研究区域，采集工程信息，所述工程信息包括工程结构信息、基础地理信息以及施工节点信息；
9.s2：将步骤s1所述研究区域划分为若干个网格，并添加网格属性；
10.s3：基于步骤s1采集的信息，构建山区铁路施工便道线路网优化模型；具体步骤如下：
11.所述山区铁路施工便道线路网优化模型包括设计变量、约束条件以及目标函数；所述设计变量包括道路平面线形信息以及道路纵断面线形信息；所述平面线形信息包括平面交点坐标、平面圆曲线半径长度、平面缓和曲线长度；所述纵断面线形信息包括变坡点里程、高程以及竖曲线半径长度；所述约束条件至少包括禁区约束、高程约束、结构物约束以及道路几何约束；
12.所述约束条件的具体检测步骤为：
13.(1)禁区约束检测
14.检测路径中的网格是否属于禁区，即判断网格的is_forbidzone属性值是否为1；
15.(2)高程约束检测
16.检测路径中每相邻路径网格的纵坡坡度是否小于最大纵坡坡度：
[0017][0018]
其中ρ为所述局部路径的纵坡坡度；ρ
max
为最大纵坡坡度；x
w1
,y
w1
,z
w1
为网格w
w1
的中心空间坐标；x
w2
,y
w2
,z
w2
为网格w
w2
的中心空间坐标；所述δh为网格w
w1
和网格w
w2
之间的高度差；所述δs为网格w
w1
和网格w
w2
之间的距离；所述网格w
w1
和网格w
w2
为路径中相邻局部路径网格；
[0019]
(3)结构物约束检测
[0020]
检测路径的路基、桥梁、隧道结构是否满足约束：
[0021]
桥梁设置分界高度h
bridge
和隧道设置分界高度h
tunnel
以及路径与地面线间的高度差δhd，判断出路径需构建的路基、桥梁或隧道结构，接着对所述结构物进行约束检测：
[0022][0023]
其中l
t
为所述现有最优路径隧道长；l
tmax
为最大隧道长；hs为所述现有最优路径路基边坡高；h
smax
为最大路基边坡高；ls为所述现有最优路径便桥单孔跨径；l
smax
为最大便桥单孔跨径；h
p
为所述现有最优路径便桥墩台高；h
pmax
为最大便桥墩台高；
[0024]
(4)道路几何约束检测
[0025]
检测路径的曲线半径、圆曲线长度、缓和曲线长度、坡段长度、纵坡、平均纵坡、竖曲线是否满足设计规范要求；
[0026]
所述目标函数为建设施工便道工程费；所述目标函数对应的优化目标为：所需工程费用最小；其中，所述工程费用包括：土石方工程费用、修建便桥工程费用、修建隧道工程费用、土地占用费用以及道路铺面费用；
[0027]
s4：求解施工干线，所述施工干线用于连接主要施工节点与既有道路网；
[0028]
s5：基于步骤s4得到的施工干线路径，更新网格属性；
[0029]
s6：基于步骤s5更新后的既有道路网，求解施工支线，所述施工支线用于连接次要施工节点与既有道路网；
[0030]
s7：基于步骤s4得到的施工干线以及步骤s6得到的施工支线，求解施工便道线路网，将所述施工通道线路网路径曲线化，最终得到最优施工通道线路网。
[0031]
本发明的有益效果：
[0032]
1、本发明的布设方法采用二次建网法，首先生成施工干线，接着将施工干线并入进既有道路网，生成施工支线，最后形成施工便道线路网。与人工经验相比，提高了设计效率及准确性。
[0033]
2、本发明将弗洛伊德算法应用到施工便道路径探索中去，通过动态规划不断更新
路径矩阵，全面考虑多种路径的可能性，并实时充分检测各种约束，使生成的施工便道线路网更加准确可靠。
[0034]
3、本发明将新生成的施工干线接入进既有路网，能够更加充分的利用资源，同时使设计经济合理。
[0035]
4、本发明具有智能化、自动化程度高的优点，具有较好的推广价值。
附图说明
[0036]
图1为本发明的流程图。
[0037]
图2为本发明实例所述的步骤s2示例图。
[0038]
图3为本发明实例所述的步骤s4主要实现步骤流程图。
[0039]
图4为本发明实例所述的步骤s4根据矩阵寻找最优路径的示例图。
[0040]
图5为本发明实例所述的步骤s
4-7
施工干线示例图。
[0041]
图6为本发明实例所述的步骤s5示例图。
[0042]
图7为本发明实例所述的步骤s6施工支线示例图。
[0043]
图8为本发明实例所述的步骤s7施工便道线路网示例图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合附图，对本发明的技术方案做进一步的详细说明
[0045]
如图1所示，图1为本发明的流程图。本发明的山区铁路施工便道线路网智能布设方法包括以下步骤：
[0046]
s1：获取目标研究区域，采集工程信息；
[0047]
工程信息包括工程结构信息、基础地理信息以及施工节点信息；
[0048]
工程结构信息包括：(a)施工便桥桥面宽；(b)桥梁设置分界高度h
bridge
；(c)隧道跨径长度；(d)隧道设置分界高度h
tunnel
；(e)路基宽度；(f)路基边坡坡度；
[0049]
基础地理信息包括：(a)用地类型(农田、建设用地)；(b)地价信息；(c)地物信息(既有道路)；(d)禁区类型(地质灾害频发区、自然保护区)；
[0050]
施工节点信息包括主要施工节点以及次要施工节点；其中，主要施工节点包括隧道进口端洞门位置处、隧道出口端洞门位置处以及竖井、斜井施工节点，次要施工节点包括项目部、弃渣场以及拌合站；
[0051]
s2：如图2所示，将研究区域划分为若干个网格，并添加网格属性；
[0052]
正方形网格预定边长为d，步骤s1获取的整个研究区域可划分为i*j个正方形规则网格，共计n个网格(即n＝i*j)，自所述研究区域左上角起，各个网格依次记为wi(i＝1,2,3,...,n)，将获取的基础地理信息以及施工节点信息添加进网格属性中，相应各网格中心空间坐标为(xi,yi,zi)，研究区域内n个网格wi(i＝1,2,3,...,n)的属性可表示为矩阵，其对应的行向量为：di(xi,yi,zi,zonetypei,is_forbidzonei,is_roadzonei,is_fpointi,is_spointi)；
[0053]
s3：构建山区铁路施工便道线路网优化模型。
[0054]
该山区铁路施工便道线路网优化模型包括设计变量、约束条件以及目标函数；
[0055]
设计变量：
[0056]
设计变量包括平面交点坐标、平面圆曲线半径长度、平面缓和曲线长度、变坡点里程、高程以及竖曲线半径长度，采用以下变量表示设计变量：
[0057]
平面交点x坐标列向量：x＝[x1,x2,x3,...,x
np
]
t
[0058]
平面交点y坐标列向量：y＝[y1,y2,y3,...,y
np
]
t
[0059]
平面圆曲线半径列向量：r＝[r1,r2,r3,...,r
np
]
t
[0060]
平面缓和曲线列向量：l＝[l1,l2,l3,...,l
np
]
t
[0061]
变坡点里程列向量：k＝[k1,k2,k3,...,k
nz
]
t
[0062]
变坡点高程列向量：h＝[h1,h2,h3,...,h
nz
]
t
[0063]
竖曲线半径列向量：rv＝[r
v1
,r
v2
,r
v3
,...,r
vnz
]
t
[0064]
式中：np为平面交点数量；nz为纵断面变坡点数量；
[0065]
约束条件：
[0066]
(1)禁区约束检测
[0067]
检测路径中的网格是否属于禁区，即判断网格的is_forbidzone属性值是否为1；
[0068]
(2)高程约束检测
[0069]
检测路径中每相邻路径网格的纵坡坡度是否小于最大纵坡坡度：
[0070][0071]
其中ρ为所述局部路径的纵坡坡度；ρ
max
为最大纵坡坡度；(x
w1
,y
w1
,z
w1
)为网格w
w1
的中心空间坐标；(x
w2
,y
w2
,z
w2
)为网格w
w2
的中心空间坐标；所述δh为网格w
w1
和网格w
w2
之间的高度差；所述δs为网格w
w1
和网格w
w2
之间的距离；所述网格w
w1
和网格w
w2
为路径中相邻局部路径网格；
[0072]
(3)结构物约束检测
[0073]
检测路径的路基、桥梁、隧道结构是否满足约束：
[0074]
首先，基于步骤s1中所述桥梁设置分界高度h
bridge
和隧道设置分界高度h
tunnel
以及路径与地面线间的高度差δhd，判断出路径需构建的路基、桥梁或隧道结构，接着对所述结构物进行约束检测：
[0075][0076]
其中l
t
为所述现有最优路径隧道长；l
tmax
为最大隧道长；hs为所述现有最优路径路基边坡高；h
smax
为最大路基边坡高；ls为所述现有最优路径便桥单孔跨径；l
smax
为最大便桥单孔跨径；h
p
为所述现有最优路径便桥墩台高；h
pmax
为最大便桥墩台高；
[0077]
(4)道路几何约束检测
[0078]
检测路径的曲线半径、圆曲线长度、缓和曲线长度、坡段长度、纵坡、平均纵坡、竖曲线是否满足川藏铁路施工道路和施工供电工程勘察设计暂行规定的设计规范要求；
[0079]
(5)运输时间约束检测
[0080]
检测路径的运输时间是否满足约束：
[0081][0082]
其中t为货车单次运输时间；将路径的道路划分为k段，每段道路长度为lk，每段道路货车行驶速度为vk；t
max
为货车单次运输最大等待时长；
[0083]
目标函数：
[0084]
目标函数为建设施工便道工程费c
cr
；目标函数对应的优化目标为：所需工程费用最小；其中，工程费用c
cr
包括：土石方工程费用c
es
、修建便桥工程费用c
br
、修建隧道工程费用c
tu
、土地占用费用cr以及道路铺面费用c
pr
；
[0085]
(1)土石方工程费用c
es
[0086][0087]
式中：为挖方单价；为挖方体积；为填方单价；为填方体积；为将土方移至垃圾填埋场的单位成本；为移至垃圾填埋场的土方体积；为从借用坑中移土的单位成本；为从借用坑中移土的土方体积；
[0088]
(2)修建便桥工程费用c
br
[0089][0090]
式中：u
bri
为第i座桥梁每延米的费用；l
bri
为第i座桥梁的长度；u
ai
为第i座桥梁的桥台每延米费用；n
ai
为第i座桥梁的桥台数量；
[0091]
(3)修建隧道工程费用c
tu
[0092][0093]
式中：u
tui
为第i座隧道每延米的费用；l
tui
为第i座隧道的长度；ud为单个隧道洞门的费用；n
tu
为隧道的数量；
[0094]
(4)土地占用费用cr[0095]cr
＝ur×
nr×
d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.2.4)
[0096]
式中：ur为单位面积土地占用费；nr为道路占据的网格数；d为网格边长；
[0097]
(5)道路铺面费用c
pr
[0098]cpr
＝u
pr
×
wr×
lrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.2.5)
[0099]
式中：u
pr
为单位面积的道路铺面费；wr为道路路面宽度；lr为道路路面长度；
[0100]
综上，抽象出数学表达，得到如下施工便道线路网优化模型：
[0101][0102]
式中：
[0103]
(1)x,y,r,l,k,h,rv为设计变量；
[0104]
(2)c
cr
＝c
es
+c
br
+c
tu
+cr+c
pr
为模型目标函数，详见(3.1)所述；
[0105]
(3) si(x,y,z)≤0为禁区约束；hi(x,y,z)≤0为高程约束；ci(h,l)≤0为结构物约束；
[0106]ci
(x,y,z,r,l,k)≤0为道路几何约束；ti(l,v)≤0为运输时间约束，详见(3.2)
[0107]
所述；
[0108]
s4：使用弗洛伊德(floyd)算法求解施工便道干线布设，生成施工便道干线方案，所述施工便道干线用于连接主要施工节点与既有道路网，主要实现步骤如图3所示，具体步骤如下：
[0109]s4-1
：初始化最小路径代价值矩阵val和最短路径矩阵path；
[0110]
初始化n阶方阵val的主对角线元素为0，非主对角元素为∞；
[0111][0112]
初始化n阶方阵path的主对角线元素为-1，非主对角元素为相应元素第二个下角标值；
[0113][0114]
所述最小路径代价值矩阵val为n阶方阵，其每个元素val[i][j]表示网格wi和wj之间的最小路径代价值，其中，所述代价值为对应路径施工便道的工程费；所述最短路径矩阵path为n阶方阵，其每个元素path[i][j]表示起点为wi、终点为wj的两个网格之间的最短路径要经过网格的下角标值；
[0115]
在计算所述val矩阵代价值时，当两个网格的is_roadzone属性值均为1时，即两个网格处均为既有道路，取其代价值为0；
[0116]s4-2
：将网格w1加入进路径中；
[0117]
对新加网格w1进行禁区约束检测：
[0118]
基于w1网格is_forbidzone属性值，若步骤s
4-2
所述网格w1为非禁区，则进入步骤s
4-3
；若步骤s
4-2
所述网格w1为禁区，则跳转至步骤s
4-4
；
[0119]s4-3
：更新所述val和path两个矩阵；
[0120]
比较路径wi→
wj和路径wi→
w1→
wj的代价值，取路径代价值较小者为网格wi到网格wj的最短路径；所述路径wi→
wj为起点为wi、终点为wj的路径；所述路径wi→
w1→
wj为起点为wi，经网格w1然后到达终点wj的路径；
[0121]
接着，按上述最短路径更新path矩阵；
[0122]
进一步地，步骤s
4-3
包括高程约束检测、结构物约束检测、道路几何约束检测以及运输时间约束检测，当四个约束检测均通过时，才可更新所述val和path两个矩阵，进入步骤s
4-4
；否则跳过步骤s
4-3
，进入步骤s
4-4
；
[0123]s4-4
：首次取m＝2，将网格wm加入进路径中；
[0124]
得到路径wi→…→
wm和路径wm→…→
wj，所述路径wi→…→
wm为起点为wi、终点为wm的两个网格之间的最短路径(路径所经网格的下标需不小于1且不大于m-1)；所述路径wm→…→
wj为起点为wm、终点为wj的两个网格之间的最短路径(路径所经网格的下标需不小于1且不大于m-1)；
[0125]
进一步地，步骤s
4-4
包括对新加网格wm进行禁区约束检测：
[0126]
基于网格is_forbidzone属性值，若步骤s
4-4
所述网格wm为非禁区，则进入步骤s
4-5
；若步骤s
4-4
所述网格wm为禁区，则跳转至步骤s
4-6
；
[0127]s4-5
：更新所述val和path两个矩阵；
[0128]
比较路径wi→…→
wm→…→
wj和步骤s
4-4
前已得到的起点为wi、终点为wj的两个网格间的最短路径的代价值(路径所经网格的下标需不小于1且不大于m-1)，取路径代价值较小者为网格wi到网格wj的最短路径(路径所经网格的下标需不小于1且不大于m)；
[0129]
接着，按上述最短路径更新path矩阵；
[0130]
进一步地，步骤s
4-5
包括高程约束检测、结构物约束检测、道路几何约束检测以及运输时间约束检测，当四个约束检测均通过时，才可更新所述val和path两个矩阵，进入步骤s
4-6
；否则跳过步骤s
4-5
，进入步骤s
4-6
；其中，基于步骤s
4-5
中按最短路径代价值更新的path矩阵，对现有最优路径进行约束检测，所述现有最优路径指起点为网格wi、终点为网格wj的最小代价值路径，如图4所示，得到所述现有最优路径的步骤为：
[0131]
(1)若path[i][j]＝-1，则没有从网格wi到网格wj的路线；
[0132]
(2)若path[i][j]＝j，则从网格wi直接到网格wj即为最优路径；
[0133]
(3)若path[i][j]＝t≠j，则从网格wi到网格wj的最优路径要先从网格wi经网格w
t
，然后基于path矩阵查找path[t][j]是否等于j，若path[t][j]＝j，则从网格wi到网格wj的最优路径接着从网格w
t
经网格wj；若path[t][j]≠j，则循环查找直至最优路径走到网格wj结束；
[0134]s4-6
：将步骤s
4-4
中的m加1，重复步骤s
4-4
和步骤s
4-5
，直至研究区域内所有网格wi(i＝1,2,3,...,n)均被加入路径中；
[0135]s4-7
：通过比较路径代价值，追溯出每个主要施工节点对应的最优施工便道干线路径，如图5所示；
[0136]
进一步地，步骤s
4-7
中寻找每个主要施工节点对应的最优施工便道干线路径的具体步骤为：
[0137]
基于所述val和path两个矩阵，最优干线路径依次以主要施工节点网格w
p
为起点，比较val[p][j](j＝1,2,3,
…
,n,andj≠p)的值，取最小者为对应最优干线路径，其中，所述
主要施工节点网格指is_fpoint属性值为1的网格；所述最优干线路径指连接主要施工节点与既有道路，即所述网格wj的is_roadzone属性值应为1；同理，根据本发明前文提到的寻找最优路径的方法，根据path矩阵找到对应最优干线路径依次经过的网格，此处不再赘述。
[0138]
s5：更新网格属性；
[0139]
为充分利用道路资源，将步骤s4得到的所有施工便道干线加入进既有道路网，如图6所示，使布设更加经济合理，具体步骤为：基于步骤s4得到的施工便道干线路径，更新所述干线路径经过的网格，即is_roadzone属性值更新为1；
[0140]
s6：如图7所示，使用弗洛伊德(floyd)算法求解施工便道支线布设，所述施工便道支线用于连接次要施工节点与既有道路网，生成施工便道支线方案的具体步骤与步骤s4所述弗洛伊德算法求解施工干线方法相同，此处不再赘述；
[0141]
s7：如图8所示，基于步骤s4得到的施工通道干线以及步骤s6得到的施工通道支线，求解施工便道线路网，采用弦切支距法将所述施工通道线路网路径曲线化，最终得到最优施工通道线路网。