基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法技术

本发明专利技术涉及铁路线路精细优化技术领域，涉及一种基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法，包括：1、输入原始数据，包括铁路线型、地形、目标函数以及约束；2、平面线型参数化处理；2.1、对原平面线型进行分段；2.2、确定平面线型参数搜索规则；3、平面线型优化；4、纵断面线型参数化处理；4.1、重新生成平面线型：将步骤3生成的平面线型作为纵断面优化的输入平面线型；步骤4.2、对原纵断面线型进行分段；4.3、确定纵断面线型参数搜索规则；5、纵断面线型优化；6、得到目标函数值最优的线型，检查线型是否符合要求。本发明专利技术能较佳地进行铁路线路精细优化。精细优化。精细优化。

【技术实现步骤摘要】
基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法


[0001]本专利技术涉及铁路线路精细优化
，具体地说，涉及一种基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法。

技术介绍

[0002]随着大都市社会经济的快速发展，世界范围内的城市化进程也在快速推进。再加上大规模的城市和城际快速交通建设带来的交通便利性和流动性的提高，使得跨区域的城际铁路出行成为可能，并呈现出不断发展的趋势。城市地区的铁路设计与其他地区的铁路设计不同，因为城市地区有明显的特点，如土地成本高、建筑拆迁成本高，以及由此带来的碳排放增加。尽管在人工走线设计中已经考虑了许多控制因素，但要实现最佳设计是很困难的。
[0003]在高密度城市地区的铁路线路设计会遇到以下困难和挑战。1)虽然这些住区的建筑可能不高(1
‑
3层)，或者面积不大，但分布非常密集；2)如果不仔细合理地设计线路，铁路建设工程可能会产生巨大的房屋拆迁补偿费用；3)由此产生的房屋拆迁和新建的碳排放会进一步恶化当地的生态环境。
[0004]铁路选线设计是一个复杂的优化过程，综合了政治、经济、文化、生态、地质等问题。目前的铁路选线设计方法一般是以人工设计为主。先选择一个可行的、合理的走廊，解决政治和文化问题，同时考虑到经济、生态和地质等方面。在选择走廊后，初步走线设计致力于确定垂直和水平方面的详细走线参数，同时考虑到走线的成本、地形、地质和生态。在这个阶段，设计开始进入细化设计模式。值得注意的是，我们提出的微调算法是在初步人工设计完成后的初步设计阶段应用的。给定一个人工确定的路线，本研究根据线形特点进行精细化优化。
[0005]由于人力的限制，要列举所有可能的走线几乎是不可能的。此外，在高密度的住宅区，水平线的轻微偏差都会对建筑物的拆除造成很大影响。为了解决这个问题，人们可以利用计算机提供的高计算能力，在初步设计阶段对现有的人工定线进行进一步的微调。因此，人类经验和计算机算法的优势可以得到合理的整合。基于工程成本、碳排放和土地使用的节约，可以进一步提高线形设计的效率。
[0006]目前，关于铁路线路的精细优化设计的研究很少。此外，关于建筑拆迁节约和碳排放的研究也很少。DP(动态规划)在线形优化领域的应用已经有较长的时间，但它是在交点数量固定的预可行性和可行性研究阶段使用的。由于交叉点太多，搜索范围有限，最近它的应用已经大大减少。
[0007]有人用DP方法进行了三维铁路线形优化，在固定的水平交叉点数量和间距的情况下，找到了最佳的走廊线形，然后用改进的方向来完善走廊。用DP方法进行了三维铁路线形优化，在水平交叉点数量和间距固定的情况下，找到了最佳的走廊线形，然后用改进的方向加速法对走廊进行了完善。一些研究者提出，对于预先选定的平面线型，在有一定数量的纵断面变坡点的情况下，使用DP程序进行纵断面线型的优化。
[0008]然而，用DP算法进行优化时，交点的数量和位置是事先给定的，在优化过程中不能调整交点的数量。因此，DP算法在寻找最优走廊的过程中很难达到理想的效果。

技术实现思路

[0009]本专利技术的内容是提供一种基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化(FORA)方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0010]根据本专利技术的一种基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法，其包括以下步骤：
[0011]步骤1、输入原始数据，包括铁路线型、地形、目标函数以及约束；
[0012]步骤2、平面线型参数化处理；
[0013]步骤2.1、对原平面线型进行分段；
[0014]步骤2.2、确定平面线型参数搜索规则；
[0015]步骤3、平面线型优化；
[0016]步骤4、纵断面线型参数化处理；
[0017]步骤4.1、重新生成平面线型：将步骤3生成的平面线型作为纵断面优化的输入平面线型；
[0018]步骤4.2、对原纵断面线型进行分段；
[0019]步骤4.3、确定纵断面线型参数搜索规则；
[0020]步骤5、纵断面线型优化；
[0021]步骤6、得到目标函数值最优的线型，检查线型是否符合要求；若符合，直接输出优化后的平、纵断面线型及估算的工程量；若不符合，则重复步骤1
‑
5。
[0022]作为优选，铁路线型是一条分布在三维空间的曲线，这条曲线在水平面上的投影称为平面线型HA；在这条曲线上，以HA的长度为标点，以标高为序点的平面上的投影，称为纵断面线型VA；一个HA单元是一系列直线段、圆曲线和缓和曲线的组合；铁路HA单元由切线
‑
缓和曲线
‑
圆曲线
‑
缓和曲线
‑
切线组成；
[0023]HA是水平交点HPI坐标的一个函数(x,y)的函数，如公式(1)所示，起点和终点HPI的坐标被表示为(x0,y0)和(x
N+1
,y
N+1
)；
[0024][0025]其中i＝1,2,
…
,N+1表示第i个HPI；x
i
,y
i
,R
Hi
,Ls
i
是HA函数的四个变量；R
H
为圆曲线的半径，Ls为缓和曲线的长度；
[0026]同样，VA是一系列直线段和圆曲线的组合，VA的基本单位由切线
‑
圆曲线
‑
切线组成；与HA不同，VA上每个点的位置由里程K和设计高程E表示；VA是VPI位置和圆曲线半径的一个函数R
V
，如公式(2)所示，起点和终点的VPI位置分别表示为(K0,E0)和(K
M+1
,E
M+1
)；
[0027][0028]其中j＝1,2,
…
,M+1表示第j个VPI；K
j
,E
j
,P
Vj
是VA函数的三个变量；
[0029]这些变量组(x
i
,y
i
,R
Hi
,Ls
i
,K
j
,E
j
,RV
j
)是对准参数的基本构成部分；空间中的三维线型可以由这些参数描述。
[0030]作为优选，影响平面线型的约束条件如下：
[0031](1)HA中一条圆曲线的半径R
H
应超过最小允许半径R
HCmin
，并表示如下：
[0032]R
H
‑
R
HCmin
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0033](2)水平排列中的一条缓和曲线Ls的长度应超过最小允许缓和曲线Ls
Cmin
，并表示如下：
[0034]Ls
‑
Ls
Cmin
≥0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、输入原始数据，包括铁路线型、地形、目标函数以及约束；步骤2、平面线型参数化处理；步骤2.1、对原平面线型进行分段；步骤2.2、确定平面线型参数搜索规则；步骤3、平面线型优化；步骤4、纵断面线型参数化处理；步骤4.1、重新生成平面线型：将步骤3生成的平面线型作为纵断面优化的输入平面线型；步骤4.2、对原纵断面线型进行分段；步骤4.3、确定纵断面线型参数搜索规则；步骤5、纵断面线型优化；步骤6、得到目标函数值最优的线型，检查线型是否符合要求；若符合，直接输出优化后的平、纵断面线型及估算的工程量；若不符合，则重复步骤1
‑
5。2.根据权利要求1所述的基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法，其特征在于：铁路线型是一条分布在三维空间的曲线，这条曲线在水平面上的投影称为平面线型HA；在这条曲线上，以HA的长度为标点，以标高为序点的平面上的投影，称为纵断面线型VA；一个HA单元是一系列直线段、圆曲线和缓和曲线的组合；铁路HA单元由切线
‑
缓和曲线
‑
圆曲线
‑
缓和曲线
‑
切线组成；HA是水平交点HPI坐标的一个函数(x,y)的函数，如公式(1)所示，起点和终点HPI的坐标被表示为(x0,y0)和(x
N+1
,y
N+1
)；其中i＝1,2,
…
,N+1表示第i个HPI；x
i
,y
i
,R
Hi
,Ls
i
是HA函数的四个变量；R
H
为圆曲线的半径，Ls为缓和曲线的长度；同样，VA是一系列直线段和圆曲线的组合，VA的基本单位由切线
‑
圆曲线
‑
切线组成；与HA不同，VA上每个点的位置由里程K和设计高程E表示；VA是VPI位置和圆曲线半径的一个函数R
V
，如公式(2)所示，起点和终点的VPI位置分别表示为(K0,E0)和(K
M+1
,E
M+1
)；其中j＝1,2,
…
,M+1表示第j个VPI；K
j
,E
j
,RV
j
是VA函数的三个变量；这些变量组(x
i
,y
i
,RH
i
,Ls
i
,K
j
,E
j
,RV
j
)是对准参数的基本构成部分；空间中的三维线型可以由这些参数描述。3.根据权利要求2所述的基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法，其特征在于：影响平面线型的约束条件如下：(1)HA中一条圆曲线的半径R
H
应超过最小允许半径R
HCmin
，并表示如下：R
H
‑
R
HCmin
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)(2)水平排列中的一条缓和曲线Ls的长度应超过最小允许缓和曲线Ls
Cmin
，并表示如下：
Ls
‑
Ls
Cmin
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)(3)一个圆形曲线的长度L
HC
在水平方向上应超过最小允许曲线长度L
HCmin
，并表示如下：L
HC
‑
L
HCmin
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(4)两个相邻的水平曲线之间的切线长度L
T
至少应是最小允许切线长度L
Tmin
，具体如下：L
Tmin
‑
L
T
≤0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。4.根据权利要求3所述的基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法，其特征在于：影响纵断面线型的约束条件如下：1)在纵断面上的纵坡G
i
应小于允许的最大纵坡G
max
，表示如下：G
i
≤G
max
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)2)VA中一条竖曲线的半径R
V
应超过最小允许竖曲线半径R
VCmin
，并表示如下：R
V
‑
R
VCmin
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)3)坡长应不低于最小允许坡长L
Smin
，具体如下：4)凸、凹竖曲线的长度应不小于凸形竖曲线允许最小长度L
vcmin
，凹形竖曲线允许最小长度L
vsmin
具体如下：L
vc
≥L
vcmin
ꢀꢀꢀꢀ
(11)L
vs
≥L
vsmin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。5.根据权利要求4所述的基于低碳排放的高密城区铁路线路精细优化方法，其特征在于：目标函数被定义为总的建筑成本C
C
，包括以下部分：土方工程费用C
E
，桥梁费用C
B
，隧道费用C
T
，与长度有关的费用C
L
，征地费用C
R
，建筑物拆除费用C
BD
，建筑物的二氧化碳排放惩罚成本C
CB
，以及铁路基础设施C
CR
；C
c
＝C
E
+C
B
+C
T
+C
L
+C
R
+C
BD
+C
CB
+C
CR
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)(a)土方工程费C
E
ω0,ω1,ω2＝0 or 1；ω0+ω1+ω2＝1式中，ω0＝1为全挖方断面；ω1＝1为全填方断面；ω2＝1为半填半挖断面；A
ci
和A
fi
分别为第i个横断面挖方和填方的面积；u
f
、u
c
分别为填、挖方单价；L
Ei
为第i个横断面的长度；(b)桥梁费用C
B
式中，n为全线桥梁的数量；u
Bi
为第i座桥梁的单位建造成本；L
i
为第i座桥梁的长度；C
Ai
第i座桥梁桥台的建造费用；(c)隧道费用C
T
式中，n为全线隧道的数量；u
Ti
为第i座隧道的单位建造成本；L
i
为第i座隧道的长度；C
Pi
第i座隧道洞口的建造费用；(d)与长度有关的费用C
L
C
L
＝u
L
×
L；式中，u
L
为线型费用的单位建造成本；L为线路总长；(e)征地费用C
R
式中，u
Ri
为线路穿越不同区域时的单位征地费用；A
Ri
为线路穿越区域所占用的面积；(f)建筑物拆除费用C
BD
C
BD
＝∑
i
A
i
xu
H
ꢀꢀꢀꢀ
(14)其中u
H
是一个建筑物的单位成本，A
i
为第一栋楼的建筑面积i的建筑面积；(g)建筑物的二氧化碳排放惩罚费用C
CB
C
CB
＝(C
jc
+C
jz
+C
CC
)
×
A
×
f
c
ꢀꢀꢀꢀ
(15)其中C
JC
是建筑材料生产和运输过程中单位建筑面积的碳排放量；C
JZ
为建筑施工阶段每单位建筑面积的碳排放量；C
CC
为建筑拆除阶段单位建筑面积的碳排放量；A是建筑面积；以及f
c
是在洲际交易所查询到的碳排放交易价格；(h)铁路基础设施的二氧化碳排放处罚费用铁路基础设施的二氧化碳排放惩罚成本C
CR
定义如下：C
CR
＝(C
ER
+C
MR
)
×
f
c
ꢀꢀꢀꢀ
(21)其中C
ER
是铁路建设阶段的碳排放量；C
MR
是铁路材料生产和运输阶段的碳排放；f
c
是在洲际交易所查询到的碳排放交易价格；基础设施建设期间的能源消耗和总碳排放量按公式(22)和(23)计算如下：基础设施建设期间的能源消耗和总碳排放量按公式(22)和(23)计算如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：何庆，高岩，张天龙，张家玲，王平，徐双婷，高天赐，荆传玉，马青松，曾启湘，朱蔡亦伊，周思源，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：