一种铁路选线搜索过程中约束的处理方法

1.本发明涉及铁路选线技术领域，具体涉及一种铁路选线搜索过程中约束的处理方法。


背景技术：

2.铁路选线设计是铁路建设总领全局的核心工作，对铁路的施工运营的经济和安全起着决定性的作用。西部的山区铁路和东部的城际铁路都面临着复杂的控制性约束条件。如山区中广泛分布的地质灾害、河流、断裂带；城市地区密集分布的建筑物、历史保护区、地下管线等。这些约束的分布往往广泛而密集。约束种类多样，且各自的处治方法不同。
3.目前，在工程实际中，铁路选线主要依赖于人工设计。在广布密集的复杂约束条件下，找到一条满足所有约束条件的可行线路方案需要耗费大量的时间和精力。由于人的时间，精力限制，一些有价值的方案难免会被遗漏。
4.为了解决这个问题，国内外学者提出了很多计算机辅助的线路自动生成方法。考虑造价、环境等目标函数，在约束条件简单的研究区域，这些方法能快速自动搜索出目标函数最优的线路方案，为人工设计提供有价值的参考。但在复杂控制性约束区域，线路自动搜索过程中需要耗费大量的计算资源和时间来检索和处治这些约束，极大降低了搜索效率。
5.现已有学者提出的约束预处理方法，预先将约束的部分特征性质离散到格网中，减少线路搜索过程中的约束检索的工作量。但此方法将约束过度简化，造成约束具体几何信息的丢失。若将约束的全部几何信息存入格网中，会导致储存空间呈指数级增长。
6.因此，在铁路选线设计中（尤其是针对复杂环境地区），迫切需要一种约束处理方法，在不显著增加储存空间的情况下，快速提取甚至是处治约束，提高线路搜索的效率。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供一种铁路选线搜索过程中约束的处理方法，能够适用于广布密集的复杂约束条件地区（即复杂环境地区），在不显著增加储存空间的情况下，快速提取甚至是处治约束，提高线路搜索的效率具体技术方案如下：一种铁路选线搜索过程中约束的处理方法，包含约束的提取，具体包含以下步骤：步骤s1、获取铁路选线搜索过程中约束，并将约束划分线几何类型、带几何类型、面几何类型三种；将线几何类型、带几何类型、面几何类型划分为约束线和约束面，其中：约束线包括线几何类型的约束、带几何类型中的中线、带几何类型中的边界线以及面几何类型中的边界线中的至少一种；约束面包括带几何类型中的包围区域以及面几何类型中边界线围成的区域中的至少一种；步骤s2、将研究区域抽象为一系列的格网集；针对每一个格网集：若存在约束线，则将该格网集中的约束线离散为一系列的约束顶点；若存在约束面，则将约束面分割成以格网为单位的块状区域；步骤s3、记录约束线的存在特性和具体点坐标值，并将约束顶点坐标存入外部点
集中，用一个无符号整型数uint和一个整型数组intarray来建立约束顶点与对应格网的索引关系，并将索引关系存入对应的格网中；记录约束面的存在特性，并将对应约束面的存在特性存入相应格网中；步骤s4、铁路选线搜索过程中实时检测并提取格网的相关约束。
8.优选的，所述步骤s1中：线几何类型包括地下管线、高压线以及断裂带中至少一种；带几何类型包括既有的道路、铁路、城市轨道交通以及河流中至少一种；面几何类型包括自然保护区、历史文化保护区、永久农田保护区、不良地质区域、采石场、湖泊、水库以及环境敏感区中至少一种，不良地质区域包括崩塌、泥石流以及岩溶中至少一种。
9.优选的，所述步骤s2中：格网的宽度为w，则通过格网行列号索引到当前格网左下角的坐标值，如下式所示：；其中：xi和yi为分别为当前格网的左下角的横坐标值和纵坐标值；x0和y0为研究区域格网集左下角格网的左下角的横坐标值和纵坐标值；r和c为格网的横向行列号和纵向行列号。
10.本发明方案考虑了各项约束条件（即在复杂约束条件下），适用于复杂环境地区铁路选线设计。
11.优选的，对约束线进行如下处理：由线段两端点的坐标得到两端点所处的格网的横向行列号和纵向行列号，若线段两端点处于一个格网中，则计算下一条线段的端点在格网中的位置；若线段两端点位于不同格网，计算此线段穿过的格网的x和y轴方向边界线，并将线段与其穿过格网的x和y轴方向边界线合集分别求交，并在交点处打断，将线段离散在不同格网中。
12.针对于约束线，采用打断离散处理，与格网对应关联，便于后续数据储存和提取。
13.优选的，采用下式计算线段穿过的格网的x和y轴方向边界线：；其中：x和y为线段穿过格网的x和y轴方向边界线合集；x
mini
和y
mini
分别为线段两端点的较小横坐标值和纵坐标值；λ和μ分别为线段穿越的行数和列数；r
min
和c
min
为格网的最小横向行列号和最小纵向行列号；r
max
和c
max
为格网的最大横向行列号和最大纵向行列号。
14.优选的，若约束线由一系列闭合的多段线组成，则还需进行如下处理：循环每个闭合多的段线，形成如下式的闭合多段线的包围盒：
；其中：x
l
、y
l
、xr、yr分别为包围盒左下角和右上角的坐标；xk、yk为闭合多段线上各点的横坐标和纵坐标，k =1、2、3、......、b；判断格网中的点是否在闭合多段线中，若格网中的点在闭合多段线中，且格网中不存在边界约束线，则此格网中存在约束面，约束面被格网划分为块状区域。
15.针对于闭合的多段线组成的约束线，实现约束面的识别并将其用格网划分为块状区域，与格网对应关联，便于后续数据储存和提取。
16.优选的，所述步骤s3具体包括如下步骤：s3-1、遍历所有约束线和约束面，在研究区域的格网中用一个无符号整型数uint来储存存在特性，具体是：将格网中的uint的每一位都初始化为0，代表初始状态下，格网中不存在任何控制性约束条件；按类型遍历所有约束，检测约束相关格网，将第a(1, 2,
ꢀ…
, n)类控制性约束的存在特性存入相关格网的uint中；s3-2、遍历所有约束线，并将其约束顶点依次存入外部点集p
set
中，如下式：；其中：i、j、k分别表示不同类型的约束线的顶点个数；n为约束线的种类，至表示第1种约束线上的第1至第i个顶点；至表示第2种约束线上的第1至第j个顶点；至表示第n种约束线上的第1至第k个顶点；顶点坐标记录为对应格网左下角的相对坐标，如下式：；其中：xc、yc为控制性约束顶点的实际坐标值；δx、δy为控制性约束顶点相对于对应格网左下角点的相对坐标值；s3-3、在研究区域格网中用一个整型数组intarray来储存约束线的约束顶点索引值，intarray顺序存储第a(1,2,
…
,n)类约束顶点在p
set
中的起点和终点索引值，如下式：；其中：ma、m
a+1 (a=1,2,
…
,n)为a类约束顶点在外部点集p
set
中的起点和终点索引值。
17.用一个无符号整型数uint和一个整型数组intarray来储存约束的存在特性和索引关系值，大大压缩了储存空间。
18.优选的，若p, q分别为两个uint，|和&运算的公式如下：
；用一个第a位为1的uint和相关格网中uint的第a位做|运算，并将运算后的结果赋予格网中的uint的第a位：，此式表示用uint的末尾6位来储存约束的存在性质，并将第3、6位约束存在特性赋为存在。
19.优选的，还包括约束的处治，具体是：检测约束是否存在，若存在则进行处治，若不存在则不进行处治。
20.优选的，约束的处治具体包括约束面的处治和约束线的处治，如下：若格网中存在约束面，线路通过时应进行绕避或穿越，具体是：若约束面为采石场这类控制性约束区域，应该进行绕避，绕避时满足净距要求；若约束面为不良地质这类控制性约束区域，应尽量绕避，绕避不开的则选择穿越时需要考虑结构物形式和净空要求；若线路需要穿越泥石流区域时，应在满足净空条件下以桥梁形式通过，通过其流通区的线路还需要满足交角要求。
21.若格网中存在约束线，线路通过时若与其交叉，应满足交角和净空要求；若与其并行，应满足净距要求。
22.格网中不同的要素采用不同的处治方法，在提高线路搜索的效率的基础上，进一步提高铁路选线质量。
23.应用本发明的处理方法，效果是：先将各种约束分类并抽象成线几何类型、带几何类型和面几何类型三种，并进一步归并为约束线和约束面；再将研究区域抽象为一系列的格网集，并根据格网集将约束线离散为一系列约束顶点，约束面分割为一系列块状区域；为约束线设计分布式存储策略，将约束顶点与格网的索引关系值存入对应格网，约束顶点的具体坐标存入外部点集，实现在线路搜索过程中能实时检索并提取相关约束，可以在不显著增加储存空间的基础上，实现控制性约束的实时检索，提高线路搜索的效率。
24.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
25.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明实施例中约束分类示意图，其中：（a）为线几何类型示意图；（b）为带几何类型示意图；（c）为面几何类型示意图；图2是本发明实施例中约束特性的存储示意图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
27.实施例：一种铁路选线搜索过程中约束的处理方法，包含约束的提取，详情如下：
包含约束的提取具体包含以下步骤：步骤s1、获取铁路选线搜索过程中约束，并将约束划分线几何类型、带几何类型、面几何类型三种；将线几何类型、带几何类型、面几何类型划分为约束线和约束面，其中：线几何类型包括地下管线、高压线以及断裂带中至少一种，详见图1；带几何类型包括既有的道路、铁路、城市轨道交通以及河流中至少一种，详见图1；面几何类型包括自然保护区、历史文化保护区、永久农田保护区、不良地质区域、采石场、湖泊、水库以及环境敏感区中至少一种，不良地质区域包括崩塌、泥石流以及岩溶中至少一种，详见图1；约束线包括线几何类型的约束、带几何类型中的中线、带几何类型中的边界线以及面几何类型中的边界线中的至少一种；约束面包括带几何类型中的包围区域以及面几何类型中边界线围成的区域中的至少一种；步骤s2、将研究区域抽象为一系列的格网集；针对每一个格网集：若存在约束线，则将该格网集中的约束线离散为一系列的约束顶点；若存在约束面，则将约束面分割成以格网为单位的块状区域；具体是：格网的宽度为w，则通过格网行列号索引到当前格网左下角的坐标值，如下式所示：；其中：xi和yi为分别为当前格网的左下角的横坐标值和纵坐标值；x0和y0为研究区域格网集左下角格网的左下角的横坐标值和纵坐标值；r和c为格网的横向行列号和纵向行列号。
28.对约束线进行如下处理：由线段两端点的坐标得到两端点所处的格网的横向行列号和纵向行列号，若线段两端点处于一个格网中，则计算下一条线段的端点在格网中的位置；若线段两端点位于不同格网，计算此线段穿过的格网的x和y轴方向边界线，并将线段与其穿过格网的x和y轴方向边界线合集分别求交，并在交点处打断，将线段离散在不同格网中。优选的，采用下式计算线段穿过的格网的x和y轴方向边界线：；其中：x和y为线段穿过格网的x和y轴方向边界线合集；x
mini
和y
mini
分别为线段两端点的较小横坐标值和纵坐标值；λ和μ分别为线段穿越的行数和列数；r
min
和c
min
为格网的最小横向行列号和最小纵向行列号；r
max
和c
max
为格网的最大横向行列号和最大纵向行列号。
29.若约束线由一系列闭合的多段线组成，则还需进行如下处理：循环每个闭合多的段线，形成如下式的闭合多段线的包围盒：
；其中：x
l
、y
l
、xr、yr分别为包围盒左下角和右上角的坐标；xk、yk为闭合多段线上各点的横坐标和纵坐标，k =1、2、3、......、b；判断格网中的点是否在闭合多段线中，若格网中的点在闭合多段线中，且格网中不存在边界约束线，则此格网中存在约束面，约束面被格网划分为块状区域。
30.步骤s3、记录约束线的存在特性和具体点坐标值，并将约束顶点坐标存入外部点集中，用一个无符号整型数uint和一个整型数组intarray来建立约束顶点与对应格网的索引关系，并将索引关系存入对应的格网中；记录约束面的存在特性，并将对应约束面的存在特性存入相应格网中，详见图2。优选的，步骤s3具体包括如下步骤：s3-1、遍历所有约束线和约束面，在研究区域的格网中用一个无符号整型数uint来储存存在特性，具体是：将格网中的uint的每一位都初始化为0，代表初始状态下，格网中不存在任何控制性约束条件；按类型遍历所有约束，检测约束相关格网，将第a(1, 2,
ꢀ…
, n)类控制性约束的存在特性存入相关格网的uint中，比如，若p, q分别为两个uint，|和&运算的公式如下：；用一个第a位为1的uint和相关格网中uint的第a位做|运算，并将运算后的结果赋予格网中的uint的第a位：，此式表示用uint的末尾6位来储存约束的存在性质，并将第3、6位约束存在特性赋为存在；s3-2、遍历所有约束线，并将其约束顶点依次存入外部点集p
set
中，如下式：；其中：i、j、k分别表示不同类型的约束线的顶点个数；n为约束线的种类，至表示第1种约束线上的第1至第i个顶点；至表示第2种约束线上的第1至第j个顶点；至表示第n种约束线上的第1至第k个顶点；顶点坐标记录为对应格网左下角的相对坐标，如下式：；其中：xc、yc为控制性约束顶点的实际坐标值；δx、δy为控制性约束顶点相对于对应格网左下角点的相对坐标值；s3-3、在研究区域格网中用一个整型数组intarray来储存约束线的约束顶点索引
值，intarray顺序存储第a(1,2,
…
,n)类约束顶点在p
set
中的起点和终点索引值，如下式：；其中：ma、m
a+1 (a=1,2,
…
,n)为a类约束顶点在外部点集p
set
中的起点和终点索引值。
31.步骤s4、铁路选线搜索过程中实时检测并提取格网的相关约束。
32.本实施例铁路选线搜索过程中约束的处理方法还包括约束的处治，具体是：检测约束是否存在，若存在则进行处治，若不存在则不进行处治。具体包含约束面的处治和约束线的处治，详见表1，如下：若格网中存在约束面，线路通过时应进行绕避或穿越，具体是：若约束面为采石场这类控制性约束区域，应该进行绕避，绕避时满足净距要求；若约束面为不良地质这类控制性约束区域，应尽量绕避，绕避不开的则选择穿越时需要考虑结构物形式和净空要求；若线路需要穿越泥石流区域时，应在满足净空条件下以桥梁形式通过，通过其流通区的线路还需要满足交角要求。
33.若格网中存在约束线，线路通过时若与其交叉，应满足交角和净空要求；若与其并行，应满足净距要求。
[0034] 表1 约束线和约束面的处治原则统计表将本实施例的方案应用于国内某条铁路段上，该段铁路选线区域存在5条断裂带、6条河流、3个采石场、21个泥石流、54个滑坡和119个崩塌区域，属于具有复杂约束的区域。具体如下：约束的提取包括如下步骤：
第一步、获取铁路选线搜索过程中约束，并将约束划分线几何类型、带几何类型、面几何类型三种，具体是：断裂带归为线几何类型（即线状约束）；河流归为带几何类型（即带状约束）；采石场、泥石流、滑坡和崩塌区域归为面几何类型（即面状约束）；进一步得到7种约束线（断裂带中线、河流中线、河流边界线、面状区域边界线）和5种约束面（河流包围区、面状约束包围区）；第二步、以90m格网划分研究区域，得到行
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列为313
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363的格网集；基于以上格网集将7类约束线离散为一系列约束顶点，其中：断裂带中线、河流中线和河流边线分别被离散为1112个、1256个和2568个约束顶点；采石场、泥石流、滑坡和崩塌分别被离散为241个、731个、1957个和3773个约束顶点；河流带状区域、采石场、泥石流、滑坡和崩塌包围区分别被格网集分割为808块、3794块、2565块、1092块和7191块区域；第三步、将约束线和约束面的特性存入相应格网中。用一个无符号整型数uint记录所有约束的存在特性；设计分布存储策略将约束线的坐标索引值存入对应格网，具体坐标存入外部点集。具体是：此区域有12种控制性约束，用uint的末尾12位来存储约束的存在特性，从末位起uint为代表的约束分别为断裂带中线、河流中线、河流边界线、河流包围区域、采石场、泥石流、滑坡和崩塌的边界线和包围区域，则一个格网中存在河流中线和滑坡边界线的uint编码为000001000010；约束线基于格网离散的约束顶点共11638个；若一个格网中整型数组intarray为[4,7,7,7,12,12,18,18],则说明此格网中存在断裂带中线、采石场边界线和滑坡边界线三种约束。其约束顶点对应外部点集的索引值分别为第4-7个点、第7-12个点和第12-18个点。
[0035]
第四步、铁路选线搜索过程中实时检测并提取格网的相关约束，具体是：约束提取速度达0.5m/s。
[0036]
约束的处治，具体是：若格网中存在约束线，则根据intarray的值从外部点集中索引具体点坐标，并根据表1中的处治原则进行处治；若格网中存在约束面，则直接根据表1中的处治原则进行处治。
[0037]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。