一种铁路沿线场坪三维智能设计方法技术

本发明专利技术公开了一种铁路沿线场坪三维智能设计方法，首先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；然后，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。具有重要工程实践价值。具有重要工程实践价值。

A three-dimensional intelligent design method of yard along railway

【技术实现步骤摘要】
一种铁路沿线场坪三维智能设计方法


[0001]本专利技术涉及铁路沿线场坪设计
，具体涉及一种铁路沿线场坪三维智能设计方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术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
技术介绍
中提到的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种铁路沿线场坪三维智能设计方法，包括如下步骤：
[0008]S1、构建铁路沿线场坪三维智能设计模型；
[0009]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；
[0010]S3、基于窗口移动法进行铁路沿线场坪智能优化选址。
[0011]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。
[0012]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：
[0013]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：
[0014]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EV
c
，所述铁路沿线场坪的土石方工程量EV
c
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：N
M
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；N
S
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)＝minEV
C
[0023]st.g
H
(Var)≤0
[0024]g
L
(Var)≤0
[0025]式中，Var＝[L,W,N,E,α,H]代表模型设计变量，g
H
(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...m
n
])、边坡限高(H
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁路沿线场坪三维智能设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建铁路沿线场坪三维智能设计模型；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；S3、基于窗口移动法进行铁路沿线场坪智能优化选址。2.根据权利要求1所述的铁路沿线场坪三维智能设计方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1或2所述的铁路沿线场坪三维智能设计方法，其特征在于：所述构建铁路沿线场坪三维智能设计模型包括如下步骤：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：Var＝[L,W,N,E,α,H]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；S1
‑
2、采用中桩边桩组合式设计求解场坪土石方工程量EV
c
，所述铁路沿线场坪的土石方工程量EV
c
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；式中：N
M
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；N
S
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；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
；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；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：minf(Var)＝minEV
C
st.g
H
(Var)≤0g
L
(Var)≤0式中，Var＝[L,W,N,E,α,H]代表模型设计变量，g
H
(Var)代表高程可达性约束，g
L
(Var)代表平面禁区约束。4.根据权利要求1所述的铁路沿线场坪三维智能设计方法，其特征在于：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，
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；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；所述进行铁路沿线场坪横断面设计具体是采用中桩...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，冉杨，蒲浩，符慧丹，彭利辉，钟晶，熊斌，王许生，严伟，谢春玲，蒲柏文，
申请(专利权)人：湖南中大设计院有限公司高速铁路建造技术国家工程实验室，
类型：发明
国别省市：