基于工程量优化的截水沟智能化设计方法和存储介质与流程

本发明涉及隧道设计，特别涉及一种基于工程量优化的截水沟智能化设计方法和存储介质。

背景技术：

1、截水天沟是铁路工程隧道洞口的施工中最先进行的工程，截水天沟用于拦截和排除顺山坡而下冲向隧道洞口的地表水，保护边坡和隧道洞口不受水流冲刷，保证了隧道施工过程中的安全以及洞口的稳定性。因此，截水天沟必须具有足够的截排水能力，以满足隧道洞口的排水要求。

2、目前截水天沟的设计要求主要为挖方路基的堑顶截水沟应设置在坡口5m以外，并结合具体地形进行布设，填方路基上侧的路堤截水沟距填方坡脚的距离不应小于2m，且纵坡不小于0.3％。目前对于截水天沟的设计方法为，先计算截水天沟的过水量能力以及洞口范围的水流流量，并进行对比验算，而对于截水天沟的路径，往往取决于经验进行设计；而经验上的采用的方法通常为开挖边仰坡线偏移5m，得到的曲线即为截水天沟设计路径，上述方法的设计效果差，无明显的指导作用，经常导致施工单位在现场施工过程中仍需变动截水天沟的位置，造成额外的开挖工程量，总施工时长也会增加，往往难以准确获取到工程量最小或极小的开挖路径。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种基于工程量优化的截水沟智能化设计方法和存储介质，旨在降低截水沟路径的工程开挖量。

2、为实现上述目的，本发明提出一种基于工程量优化的截水沟智能化设计方法，该方法的步骤包括：

3、采集输入隧道洞口处的三维地形，依据隧道洞口处的三维地形建立隧道洞口的三维坐标系；

4、以所述三维坐标系为基础建立在所述隧道洞口的三维数字地形模型；

5、在所述三维数字地形模型中获取三维截水沟设计参考线坐标；

6、采用第一算法确定截水沟的施工线的第一终点坐标和第二终点坐标；

7、选取三维截水沟设计参考线坐标中的最高点的坐标为截水沟的施工线的起点坐标；

8、采用第二算法自动搜索出所述起点坐标分别至所述第一终点坐标和所述第二终点坐标的最佳路径，确定截水沟的施工线。

9、可选地，在所述三维数字地形模型中获取三维截水沟设计参考线坐标的步骤包括：

10、识别并提取所述三维数字地形模型中洞口边仰坡开挖线数据的二维坐标；

11、将所述洞口边仰坡开挖线数据的二维坐标偏移5m得到二维截水沟设计参考线坐标；

12、将二维截水沟设计参考线坐标转换至所述三维数字地形模型中得到三维截水沟设计参考线坐标。

13、可选地，所述采用第一算法确定截水沟的施工线的第一终点坐标和第二终点坐标的步骤包括：

14、读取位于x轴负方向的第一控制边界起始点坐标和位于x轴正方向的第二控制边界起始点坐标；

15、依据所述第一控制边界起始点坐标和所述第二控制边界起始点坐标通过所述第一算法自动搜索得到位于x轴负方向区域内的地形最低点和位于x轴正方向区域内的地形最低点；

16、将位于x轴负方向区域内的地形最低点和位于x轴正方向区域内的地形最低点分别导入所述三维数字地形模型，得到所述第一终点坐标和所述第二终点坐标。

17、可选地，所述依据所述第一控制边界起始点坐标和所述第二控制边界起始点坐标通过所述第一算法自动搜索得到位于x轴负方向区域内的地形最低点和位于x轴正方向区域内的地形最低点的步骤包括：

18、依据所述控制边界起始点确定第一坐标搜索区；

19、于所述第一坐标搜索区内随机选取至少两个第一搜索坐标点；

20、依据选取的各所述第一搜索坐标点的适应度函数计算公式计算得到各所述坐标点对应的高程，其中，各所述第一搜索坐标点的适应度函数的最小值为第一高程。

21、可选地，所述依据所述第一控制边界起始点坐标和所述第二控制边界起始点坐标通过所述第一算法自动搜索得到位于x轴负方向区域内的地形最低点和位于x轴正方向区域内的地形最低点的步骤还包括：

22、使每一所述第一搜索坐标点朝所述第一高程所对应的第一搜索坐标点所在位置移动并一一对应生成多个第二搜索坐标点；

23、比较各所述第二搜索坐标点所对应的适应度函数值与所述第一高程的大小，并取其中最小的适应度函数值为第二高程。

24、可选地，所述依据所述第一控制边界起始点坐标和所述第二控制边界起始点坐标通过所述第一算法自动搜索得到位于x轴负方向区域内的地形最低点和位于x轴正方向区域内的地形最低点的步骤还包括：

25、使每一所述第二搜索坐标点朝随机的任一所述第二搜索坐标点所在的位置进行移动并一一对应生成多个第三搜索坐标点，或使所述第二高程对应的所述第二搜索坐标点向任一方向进行移动；

26、比较各所述第三搜索坐标点所对应的适应度函数值与所述第二高程的大小，或比较所述第二高程与所述第二高程所对应的所述第二搜索坐标点朝任一方向移动后的坐标所对应的适应度函数值的大小，并取其中最小的适应度函数值为第三高程。

27、可选地，所述依据所述第一控制边界起始点坐标和所述第二控制边界起始点坐标通过所述第一算法自动搜索得到位于x轴负方向区域内的地形最低点和位于x轴正方向区域内的地形最低点的步骤还包括：

28、对所述第三高程对应的位置进行多次迭代；

29、取迭代完成后的适应度函数最小值在所述三位数字地形模型中对应的坐标为地形最低点。

30、可选地，所述采用第二算法自动搜索出所述起点坐标分别至所述第一终点坐标和所述第二终点坐标的最佳路径，确定截水沟的施工线的步骤包括：

31、对所述三维数字地形模型进行等高线分层，每相邻的两层等高线层之间的高度差相等；

32、依据所述三维数字地形模型确定第二坐标搜索区；

33、于所述第二坐标搜索区内随机选取至少两条第一搜索路径，所述第一搜索路径为自所述起点坐标至所述第一终点坐标或所述第二终点坐标的符合目标条件的任一路径，其中，所述目标条件为所述第一搜索路径在任意两所述等高线层之间的坡度大于等于0.3％；

34、依据所述第一搜索路径获取每一所述第一搜索路径的路径总长；

35、依据所述路径总长获取每一所述第一搜索路径上的信息素浓度，其中，每一所述第一搜索路径所包含的信息素总量相同，任一所述第一搜索路径的信息素浓度为信息素总量与路径总长的比值；

36、依据各所述第一搜索路径的信息素浓度、路径总长以及坡度获取任一所述第一搜索路径在其路径上的各相邻的两等高线层之间的路径转移概率，选取路径转移概率最高的所述第一搜索路径为第一最优路径；

37、多次随机选取至少两条所述第一搜索路径，获取每次随机选取的所述第一搜索路径中的所述第一最优路径，比较各所述第一最优路径的所述路径转移概率的大小，以各所述第一最优路径所对应的路径转移概率最高的路径为所述最佳路径。

38、可选地，依据各所述第一搜索路径的信息素浓度、路径总长以及坡度获取任一所述第一搜索路径在其路径上的各相邻的两等高线层之间的路径转移概率，选取路径转移概率最高的所述第一搜索路径为第一最优路径的步骤包括：

39、输入第t次选取的所述第一搜索路径的任一节点i至下一节点j的信息素浓度函数τij(t)以及对应的函数因子α、距离函数ηij(t)以及对应的函数因子β、坡度函数gij(t)以及对应的函数因子γ；

40、输入所述第一搜索路径中从任一节点i转移至下一节点j的节点转移概率函数转移概率最高的所述第一搜索路径为第一最优路径；其中：

41、dij为i点到j点的距离；

42、τij(t+1)＝(1-ρ)τij(t)+δτij,ρ∈(0,1)；

43、为第k条所述第一搜索路径中从第n层等高线层到第n+1层等高线层的可行区域；

44、s为从第n层等高线层到第n+1层等高线层的可行区域中的一点；

45、ρ为信息素耗散系数；

46、q为任一所述第一搜索路径中所包含的信息素总量；

47、lk为第k条所述第一搜索路径中单次行程的总路径长度。

48、此外，为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有截水沟智能化设计程序，所述截水沟智能化设计程序被处理器执行时实现所述的基于工程量优化的截水沟智能化设计方法的步骤。

49、在本发明的技术方案中，通过三维数字地形模型，反映施工地各点位的空间位置，以截水天沟设计路径为三维截水沟设计参考线，并在此基础上采用第一算法进一步获取截水沟的第一终点坐标和第二终点坐标，相较经验判断最低点为设计终点而言，精确度更高，再通过第二算法在起点坐标和第一终点坐标之间以及起点坐标和第二终点坐标之间建立最佳的开挖路径，即分别对应在截水沟最高点的至隧道洞口的两侧的截水沟终点，上述在三维数字地形模型中建立的施工线与工程实地匹配程度高，并且设计起点和设计终点的位置准确，提前规划了最佳路径，降低了截水沟路径的工程开挖量，并且由于路线的准确性较高，实际施工过程中对于截水沟的位置变动量小，进而降低额外的工程开挖量。