一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法
【专利摘要】本发明公开了一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法，包括以下步骤：S1：信息采集；S2：将整个选线研究范围划分为若干网格，将采集的信息添加为网格属性；S3：对格网进行双向扫描；S4：根据扫描结果更新网格数据，包括当前网格的最优连接网格和当前网格到起始点的连接代价信息；S5：双向扫描后生成的距离图叠加，依据距离图中的最优连接网格和网格到起始点的连接代价信息生成线路走向。本发明方法以工程、运营、环境等综合代价为目标函数，顾及了线路—结构物—环境耦合约束，自动化程度高、实用性强。
【专利说明】-种复杂山区铁路线路走向自动生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法。
【背景技术】
[0002] 随着"西部大开发"战略的实施，我国铁路的建设区域正在由东部平原向西部山区 转变。《西部大开发"十二五"规划》中提出"十二五"时期西部将新增铁路营业里程1. 5万 公里。各设计单位都面临着繁重的西部山区铁路设计任务。铁路选线设计是铁路建设总揽 全局的核屯、工作。在西部复杂山区，平面障碍和高程障碍并存，桥梁、隧道等结构物不可避 免的增多，线路一结构物一环境之间存在着复杂禪合约束关系，铁路空间线位置和结构物 布设的协调控制难题变得尤为突出。如能借助智能选线技术，自动生成经济、合理，且满足 约束的线路方案或走向将有效提高山区铁路的设计效率和水平。
[0003] 国内外关于铁路智能选线已开展了大量研究。化ew等采用=次样条曲线代表 线路，并用牛顿下降法捜索线路方案；詹振炎提出了梯度投影法求解优化目标函数导数 的方法，寻找下降方向；易思蓉、韩春华提出了基于栅格数据最优路径分析及知识推理自 动生成线路平面的方法；De Smit提出了一种坡度和曲线约束方法；化eng和Lee提出了 邻域启发法；旷达智能选线系统基于模糊数学理论进行线路捜索；近年来，马里兰大学的 Paul, Schonfeld教授团队建立了基于遗传算法的线路智能捜索方法。对于平原、微丘等自 然环境并不复杂的地区，可W在给定约束和优化准则的条件下，求解出较合理的线路方案。 但针对复杂山岭地区现有的软件和方法常常无法给出优化解，或者给出的线路方案不满足 桥隧标准，导致无法实用。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出了一种复杂山区铁路线路 走向自动生成方法，W工程、运营、环境等综合代价为目标函数，顾及了线路一结构物一环 境禪合约束，自动化程度高、实用性强。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法，包括W下步骤：
[0007] Si;信息采集
[000引义集的f目息包括：
[0009] (1)线路的起点信息和线路的终点信息；
[0010] (2)线路选线标准参数；展线系数r和最大限制坡度im";
[0011] (3)选线研究范围内的高程信息、禁区信息、河流信息、工程地质信息；
[001引 （4)桥隧设置标准：参照桥高也、最大容许桥高恥ax，参照隧长Ls。、最大容许隧道 长度Lsmay，线桥分界填高和线隧分界挖深H
[0013] (5)费用标准信息；标准桥梁每延米单价U。，标准隧道每延米单价U,，分区域设置 的填方和挖方单价及征地单价信息；
[0014] S2;将整个选线研究范围划分为若干网格，添加网格属性
[0015] 将整个选线研究范围划分为多个正方形的网格，形成一个方形格网，网格边长的 取值范围为30m-90m，线路的起点位于该格网左上角的网格处，线路的终点位于该格网右下 角的网格处；将步骤Si中采集的信息作为网格的属性；网格的属性包括；(a)高程信息、禁 区信息、河流信息、工程地质信息；化）桥隧设置标准及费用标准信息；（C)格网中各网格分 别到线路的起点和终点的连接代价，初始化连接代价；除起点和终点，其他所有网格到起点 和终点的连接代价赋初值为无穷大；【起点到起点的连接代价为0,终点到终点的连接代价 为0】（d)计算得到网格处能否通行铁路线路、W何种方式（桥、隧）通行铁路线路的信息， 定义为网格的Type值，Type值的相应含义如下；
[0016] Type = 0 ;网格处不能通行铁路线路；
[0017] Type = 1 ;网格处能在地面通行铁路线路；
[001引 Type = 2 ;网格处需设桥通行铁路线路；
[0019] Type = 3 ;网格处需设隧通行铁路线路；
[0020] S3;对网格进行扫描
[0021] 分别W线路的起点和终点为起始点依次进行双向扫描；一个方向的扫描W起点为 起始点，从上至下、从左至右进行逐行扫描，直到扫描到线路的终点后再原路返回扫描至起 点，生成一个方向扫描的距离图；另一个方向的扫描W线路的终点为起始点，从下至上、从 右至左进行逐行扫描，直到扫描到线路的起点后再原路返回扫描至终点，生成另一个方向 扫描的距离图；
[0022] 每一个方向的扫描具体包括W下步骤：
[0023] S3_i;判别当前网格是否为有效网格，即当前网格处能否通行铁路线路：
[0024] 基于步骤S2中网格的Type值判别当前网格是否为有效网格，若Type = 0,跳过该 网格进入下一网格；若为其他，则继续下一步；
[0025] S3_2;标准邻域捜索，寻找当前网格的最优连接网格
[0026] W当前网格为中屯、，W R为捜索半径作圆弧，圆弧经过的网格作为标准邻域，捜索 标准邻域中能与当前网格相连接且到起始点代价不为无穷大的网格；遍历标准邻域中所有 能与当前网格相连接的网格，并计算其连接代价，找到连接代价最小的网格，将该网格作为 当前网格的最优连接网格，进入步骤S4;
[0027] 若在标准邻域内无法找到能与当前网格相连接的网格，则进入步骤Ss_4进行扩展 邻域捜索；
[002引 S3_3;扩展邻域捜索，寻找当前网格的最优连接网格
[0029] 按一定步长扩大捜索半径R，W当前网格为中屯、，扩大后的R为捜索半径作圆弧， 圆弧经过的网格作为扩展邻域，捜索扩展邻域中能与当前网格相连接的网格；
[0030] 遍历扩展邻域中所有能与当前网格相连接的网格，并计算其连接代价，找到连接 代价最小的网格，将该网格作为当前网格的最优连接网格，进入步骤S4;
[0031] 如果在扩展邻域内无法找到能与当前网格相连接的网格；则继续按扩大捜索半径 R，进行捜索；若捜索半径R扩大到限值Riimit后仍无法找到能与当前网格相连接的网格，贝U 结束当前网格捜索，并将当前网格属性赋为不可行网格【不更新其到起始点的连接代价，其 值仍为无穷大】；进入步骤S4;
[00对 S4;更新网格数据
[0033] 对当前网格进行标准捜索及扩展捜索后，得到当前网格的最优连接网格和当前网 格到起始点的连接代价信息；若无法找到能与当前网格相连接的网格，则当前网格到起始 点的连接代价仍为无穷大；实时更新该些信息作为当前网格的属性，更新完后，判断当前网 格是否为本方向扫描的最后一个网格，如果是，则结束本方向扫描；如果不是，则进入下一 网格并返回步骤Sw;
[0034] Sg;依据扫描结果生成线路走向，具体包括W下步骤：
[0035] 8日_1;将双向扫描后生成的距离图叠加；
[0036] 8日_2;选取中屯、网格
[0037] 在叠加后的距离图中选取一个到线路的起点和终点的连接代价均不为无穷大的 网格作为中屯、网格；
[003引 Sw;根据网格属性中的最优连接网格信息，由中屯、网格分别向线路的起点和终点 扩展生成线路走向；
[0039] Sg_4;遍历叠加的距离图中所有的中屯、网格，根据步骤S W所述的方法形成起点到 终点的一系列线路走向；
[0040] Sw;基于中屯、网格到线路的起点和终点的连接代价之和最小的原则选取最优线 路走向。
[004U 进一步地，所述步骤S2中，Type值的计算方法为；
[0042]若瓦化《H。《H max，Type = 1 ;
[00 创若 H。化化-Hxq，Type = 2;
[0044] 若 H〇〉Hmax+Hxs，Type = 3 ;
[0045] 若为其他情况，Type = 0 ;
[0046] 其中；H。为网格高程；Hmin为当前网格允许的最低高程，其值为Hs-LsXrXimax 与H,-L,XrXima,中最大值；HmJ%当前网格允许的最高高程，其值为H,+L,XrXima,与 H。+L。XrXim。,中最小值；Hw为线桥分界填高，HK为线隧分界挖深；H,为线路的起点高程，H。 为线路的终点高程，L,为网格距线路的起点的距离，L。为网格距线路的终点的距离，r为展 线系数，imay为最大限制坡度。
[0047] 进一步地，两网格Gu和Gm,n必须同时满足W下约束条件才能连接：
[0048] (1)坡度约束
[0049]
【权利要求】
1. 一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法，其特征在于，包括以下步骤： S1[目息米集 采集的信息包括： (1) 线路的起点信息和线路的终点信息； (2) 线路选线标准参数：展线系数r和最大限制坡度i_; (3) 选线研宄范围内的高程信息、禁区信息、河流信息、工程地质信息； (4) 桥隧设置标准：参照桥高Hw、最大容许桥高Hemax，参照隧长Lstl、最大容许隧道长度 Lsmax，线桥分界填高Hxq和线隧分界挖深Hxs; (5) 费用标准信息：标准桥梁每延米单价iv标准隧道每延米单价us，分区域设置的填 方和挖方单价及征地单价信息； S2:将整个选线研宄范围划分为若干网格，添加网格属性 将整个选线研宄范围划分为多个正方形的网格，形成一个方形格网，网格边长的取值 范围为30m-90m，线路的起点位于该格网左上角的网格处，线路的终点位于该格网右下角的 网格处；将步骤S1中采集的信息作为网格的属性；网格的属性包括：(a)高程信息、禁区信 息、河流信息、工程地质信息；(b)桥隧设置标准及费用标准信息；（c)格网中各网格分别到 线路的起点和终点的连接代价，初始化连接代价：除起点和终点，其他所有网格到起点和终 点的连接代价赋初值为无穷大；（d)计算得到网格处能否通行铁路线路、以何种方式（桥、 隧）通行铁路线路的信息，定义为网格的Type值，Type值的相应含义如下： Type=O:网格处不能通行铁路线路； Type= 1 :网格处能在地面通行铁路线路； Type= 2 :网格处需设桥通行铁路线路； Type= 3 :网格处需设隧通行铁路线路； S3 :对网格进行扫描 分别以线路的起点和终点为起始点依次进行双向扫描；一个方向的扫描以起点为起始 点，从上至下、从左至右进行逐行扫描，直到扫描到线路的终点后再原路返回扫描至起点， 生成一个方向扫描的距离图；另一个方向的扫描以线路的终点为起始点，从下至上、从右至 左进行逐行扫描，直到扫描到线路的起点后再原路返回扫描至终点，生成另一个方向扫描 的距离图； 每一个方向的扫描具体包括以下步骤： S3_i:判别当前网格是否为有效网格，即当前网格处能否通行铁路线路： 基于步骤&中网格的Type值判别当前网格是否为有效网格，若Type= 0,跳过该网格 进入下一网格；若为其他，则继续下一步； S3_2:标准邻域搜索，寻找当前网格的最优连接网格 以当前网格为中心，以R为搜索半径作圆弧，圆弧经过的网格作为标准邻域，搜索标准 邻域中能与当前网格相连接且到起始点代价不为无穷大的网格；遍历标准邻域中所有能与 当前网格相连接的网格，并计算其连接代价，找到连接代价最小的网格，将该网格作为当前 网格的最优连接网格，进入步骤S4; 若在标准邻域内无法找到能与当前网格相连接的网格，则进入步骤S3_3进行扩展邻域 搜索； s3_3:扩展邻域搜索，寻找当前网格的最优连接网格 按一定步长扩大搜索半径R，以当前网格为中心，扩大后的R为搜索半径作圆弧，圆弧 经过的网格作为扩展邻域，搜索扩展邻域中能与当前网格相连接的网格； 遍历扩展邻域中所有能与当前网格相连接的网格，并计算其连接代价，找到连接代价 最小的网格，将该网格作为当前网格的最优连接网格，进入步骤S4; 如果在扩展邻域内无法找到能与当前网格相连接的网格；则继续按扩大搜索半径R， 进行搜索；若搜索半径R扩大到限值Rlimit后仍无法找到能与当前网格相连接的网格，则结 束当前网格搜索，并将当前网格属性赋为不可行网格；进入步骤S4; S4:更新网格数据 对当前网格进行标准搜索及扩展搜索后，得到当前网格的最优连接网格和当前网格到 起始点的连接代价信息；若无法找到能与当前网格相连接的网格，则当前网格到起始点的 连接代价仍为无穷大；实时更新这些信息作为当前网格的属性，更新完后，判断当前网格是 否为本方向扫描的最后一个网格，如果是，则结束本方向扫描；如果不是，则进入下一网格 并返回步骤S3_1; S5:依据扫描结果生成线路走向，具体包括以下步骤： S5^将双向扫描后生成的距离图叠加； s5_2:选取中心网格 在叠加后的距离图中选取一个到线路的起点和终点的连接代价均不为无穷大的网格 作为中心网格； s5_3:根据网格属性中的最优连接网格信息，由中心网格分别向线路的起点和终点扩展 生成线路走向； s5_4:遍历叠加的距离图中所有的中心网格，根据步骤S5_3所述的方法形成起点到终点 的一系列线路走向； s5_5:基于中心网格到线路的起点和终点的连接代价之和最小的原则选取最优线路走 向。
2. 根据权利要求1所述的一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法，其特征在于，所 述步骤S2中，Type值的计算方法为： 若KKH眶，Type= 1 ; 若HZHniin-Hxtl,Type= 2 ; 若H〇>HMX+HXS，Type= 3 ; 若为其他情况，Type=O; 其中：?为网格高程；Hmin为当前网格允许的最低高程，其值SHs-LsXrXimax与He-LeXrXimax中最大值；Hmax为当前网格允许的最高高程，其值为Hs+LsXrXimax与 He+LeXrXimax中最小值；Hxq为线桥分界填高，Hxs为线隧分界挖深；Hs为线路的起点高程，He 为线路的终点高程，LsS网格距线路的起点的距离，L6为网格距线路的终点的距离，r为展 线系数，为最大限制坡度。
3. 根据权利要求1所述的一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法，其特征在于，两 网格Gu和G必须同时满足以下约束条件才能连接： (1)坡度约束
其中，Hm，n和Hu分别是网格Gm，n和Gu的高程；w为网格精度值；i，j分别为网格Gy的行列号；m,n分别为网格Gm，n的行列号； (2) 最大桥高和最大隧长约束 若网格Gu和G相连，即Gu和G之间形成局部线路，以网格边长为粧间距内插出 该局部线路的纵断面地面线并得到局部线路设计线，在该局部线路上，若某网格处局部线 路设计线高程与纵断面地面线高程之差超过最大容许桥高HQmax，则不满足最大桥高约束； 若某网格处纵断面地面线高程与局部线路设计线高程之差超过线隧分界挖深Hxs，且该种类 型的相邻网格的长度之和超过最大容许隧道长度Lsmax，则不满足最大隧长约束； (3) 转角约束 若网格Gu和G相连，检测该局部线路上，网格G之前的路径累计长度L范围内的
其中：?为G之前路径累计长度L范围内的转角总个数；Lk为第k个转折线段的长 度；ak表示第k个转角的角度。
4.根据权利要求1所述的一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法，其特征在于，两 网格Gu和GI"之间的连接代价C计算方法如下： C=Ci+CfCs+Q+Q 其中=C1为路基地段土方工程费用，C2为桥梁工程费用，C3为隧道工程费用，C4为征地 费用，C5为线形费用； 计算连接代价C的步骤为： 1) 以网格宽度为粧间距内插出该局部线路的纵断面地面线并得到局部线路设计线； 2) 根据桥隧设置标准，自动设置桥隧； 得到以下数据：需要设置的桥梁总数IV第q座桥梁的高度Heq、第q座桥梁长度Leq;需 要设置的隧道总数ns，第z座隧道长度Lsz;路基地段的总个数n1;第X个桥梁、隧道、路基地 段的线形费用单价UQx、USx、Uy第X个桥梁、隧道、路基地段的长度LQx、LSx、Ly 3) 针对路基地段，进行横断面自动设计；得到以下数据：填方和挖方的断面总数nt和 nw;第t个断面的里程LDt;第t个断面的面积St;断面总数ny;第y个断面的里程LZy;第y 个断面的用地宽度wy; 4) 计算路基地段土方工程费用C1、桥梁工程费用C2、隧道工程费用C3、征地费用C4和线 形费用C5，具体计算方法如下： i.计算路基地段土方工程费用C1
其中：UQx，Usx和U^分别为第X个桥梁、隧道和路基地段的线形费用单价；LQx，Lsx和I^x 分别为第X个桥梁、隧道和路基地段的长度。
5.根据权利要求4所述的一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法，其特征在于，所 述自动设置桥隧，具体包括以下步骤： 自动设置桥梁：逐粧遍历网格，得到局部线路设计线高程与纵断面地面线高程之差大 于线桥分界填高Hxq的网格点，继而以该点往两侧延展，得到两端局部线路设计线高程与纵 断面地面线高程之差<线桥分界填高Hxq的线桥分界点，两分界点之间需设置桥梁； 自动设置隧道：逐粧遍历网格，得到纵断面地面线高程与局部线路设计线高程之差大 于线隧分界挖深Hxs的网格点，继而以该点往两侧延展，得到纵断面地面线高程与局部线路 设计线高程之差<线隧分界挖深Hxs的线隧分界点，两分界点之间需设置隧道； 该局部线路上，除了桥梁和隧道，其他地段均称为路基地段。
6.根据权利要求1?5中任一项所述的复杂山区铁路线路走向自动生成方法，其特征 在于，标准邻域搜索时，搜索半径R为2km;扩展邻域搜索时，以步长500m扩大搜索半径R; 扩展邻域搜索时Rlimit取最大容许隧道长度LSmax。
【文档编号】G06Q10/04GK104504476SQ201410841590
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】蒲浩, 李伟, 刘威, 袁文辉, 郑晓强, 王雷 申请人:中南大学