铁路纵断面自动设计与优化方法技术

本发明专利技术公开了一种铁路纵断面自动设计与优化方法，该方法包括以下步骤：对原始地面线进行平顺地面线处理，对平顺后的地面线拟合初始坡度，对初始坡度进行纵断面设计约束条件处理，形成纵断面自动设计坡度方案，基于差异演化算法进行纵断面优化，设置优化控制参数，根据纵断面自动设计坡度方案初始化种群，利用目标函数作为纵断面个体方案优劣的评价，计算个体目标函数值，利用变异操作、交叉操作、修复操作、设置桥隧、选择操作在种群之中进行演化，直到达到进化终止条件，输出纵断面图和规范检查表。该方法具有自动化程度高、实用性强、运算速度快的特点，在铁路纵断面设计与优化中，具有很高的推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及鉄路设计方法，特别涉及ー种。
技术介绍
在铁路纵断面设计中，需要考虑一系列的规范要求、设计习惯规则和其他约束条件控制，使设计复杂性和难度増大，容易忽视或遗漏部分约束控制，产生设计错误。设计人员完全依靠手工进行纵断面设计，可能由于设计经验、设计习惯之异，设计速度受到制約，成果质量带有一定的随机偏差。随着计算机辅助设计自动化智能化研究的推进，对线路纵断面优化方法的研究也在不断深入，但传统方法存在以下缺陷一是优化的初始方案要么由设计人员给出，要么由计算机随机生成，再在其基础上利用计算机进行简单迭代得到最终方案，其本质是局部寻优过程，其优化结果主要取决于初始方案的质量；ニ是优化过程仅对设计变量进行简单扰动，不满足约束条件时简单地加上惩罚项进行调整，没有采取修复 措施以保证优化过程中纵断面方案始终满足铁路纵断面设计的各项要求，ー些重要指标比如高程控制点无法得以满足，最终优化成果无法成立，优化评价函数因此缺乏说服カ。诸多因素，影响了铁路纵断面设计的效率和质量。
技术实现思路
针对铁路纵断面自动设计和优化的客观需要和传统方法存在的问题，本专利技术提出了ー种，其目的在于，通过对地面线进行平顺处理拟合初始纵断面坡度，然后进行铁路纵断面约束条件处理，实现纵断面快速自动设计，进而基于差异演化算法，对自动设计成果进ー步优化，最終实现铁路纵断面自动快速优化的目标。本专利技术采用的差异演化(Differential Evolution,DE)算法是ー种较新的演化算法，是基于生物进化机理通过若干代种群演化操作获取满足问题的最优解，其特点是基于个体向量差的变异方式，在大多数情况下比遗传算法、演化策略等其他演化算法，具有更强的全局搜索性能。差异演化算法由一定数量的初始解构成初始种群，初始解的个数称为种群規模。差异演化算法包括种群初始化、变异操作、交叉操作和选择操作，根据变异操作和交叉操作的不同处理方法，形成了多种演化模式。根据进化术语，对种群的四种操作包括(I)种群初始化逐个产生初始解，直到达到种群规模为止。(2)变异操作对ー个进化个体，将从种群中任意选择的两个个体之差乘以ー个缩放比例加到该进化个体上，形成变异个体。(3)交叉操作对ー个进化个体，该个体上的每个变量按照一定的交叉概率,决定是采用变异个体上对应变量，还是保持不变。执行完此操作后，形成ー个试用个体。(4)选择操作对ー个进化个体，如果试用个体的目标函数值优于原来的进化个体的目标函数值，则替换原来的进化个体；否则，保留原来的进化个体。差异演化算法可以简要给出如下1)产生ー个初始种群；2)评价每个个体的适应度，即计算个体目标函数；3)进行变异操作；4)进行交叉操作；5)计算个体目标函数；6)进行选择操作；7)重复3) 6)，直至满足结束准则。本专利技术所涉及的，其特征在于该方法包括以下步骤S1、平顺地面线对原始地面线进行平顺处理。先根据纵断面横向比例确定地面线的间距，按照等距处理的方法简化地面线，然后对简化地面线进行平顺处理。S2、拟合初始坡度对平顺后的地面线拟合初始坡度。首先，对平顺地面线划分初始坡段，然后在各坡段内根据填挖方费用最少的原则进行直线拟合，最后将前后两两坡段上的拟合直线进行求 交，拟合出初始坡度。S3、约束条件处理对初始坡度进行纵断面设计约束条件处理，形成纵断面自动设计坡度方案。首先，总结铁路纵断面设计的各种要求，考虑各种要求之间的相互影响，制订出各种约束条件处理的先后次序；然后按照以下顺序逐个实现各种约束条件处理最小坡长约束处理、路基段约束处理、最大坡度约束处理、最大坡度代数差约束处理、站坪约束处理、竖缓重叠处理、坡度折减处理、高程控制点处理、坡度平顺处理、起終点接坡处理、坡度合并处理、坡长取整处理。S4、设置优化控制參数基于差异演化算法进行纵断面优化，设置优化控制參数。优化控制參数包括种群规模、变异缩放比例、交叉概率、最大进化代数、进化时间。S5、初始化种群根据纵断面自动设计坡度方案初始化种群。初始化种群是在满足纵断面设计要求的纵断面自动设计坡度方案的基础上实施的，每个方案中每个变坡点里程保持不变，以每个变坡点的高程作为设计变量，每个方案的所有变坡点高程构成ー个进化个体。对于每个进化个体中的每个变坡点高程，以自动设计坡度方案中对应的变坡点高程为基准，随机增大或减小一个高度，形成个体方案对应的设计变量，最后再进行约束条件处理，保证初始种群中每个方案都满足铁路纵断面设计要求。S6、计算个体目标函数值利用目标函数作为纵断面个体方案优劣的评价，计算个体目标函数值。首先，对个体方案自动设置桥梁隧道，然后计算填方费用、挖方费用、桥梁工程费用和隧道工程费用，将这四项之和构成的总费用作为目标函数，对纵断面个体方案的优劣进行评价。S7、种群差异演化利用变异操作、交叉操作、修复操作、设置桥隧、选择操作在种群之中进行差异演化，直到达到进化終止条件。首先，在一个进化代中，对种群中每个方案进行变异、交叉、修复、设置桥隧、选择操作，用进化后变优秀的方案替换种群中原来对应的方案，直到一个进化代完成；然后，再重复这样的进化代，直到达到进化終止条件。演化过程是基于单种群操作的，生成的优秀个体方案直接添加到当前种群參与进化，不设置中间种群。S8、输出纵断面图和规范检查表输出纵断面图是将最优纵断面方案、自动设置的桥梁、隧道在CAD图中生成，输出纵断面规范检查表，包括最小坡长、最大坡度、最大坡度代数差、竖缓重叠、高程控制点、站坪检查結果。同时，还输出了填方费用、挖方费用、桥梁工程费用、隧道工程费用和总费用以及坡段总长、坡段个数以及桥隧比等纵断面设计指标。 本专利技术的有益效果是I、能够满足铁路纵断面设计的各种约束条件，快速进行纵断面自动设计，建立起鉄路平、纵、横设计的中间桥梁，提高铁路设计的自动化程度，可用于平纵联动或平纵横联动设计，为平面方案设计提供快速參考。2、基于差异演化算法的铁路纵断面自动优化，能够在自动设计的成果基础上和设计者提供的初始纵断面方案上，利用目标函数为方案的优劣提供可量化的依据，使方案设计更科学更合理。3、自动设计和自动优化这两个过程，可以分开独立运行，自动优化过程中又利用了自动设计中的约束处理方法，因此，这两个过程既具有独立性，又相互联系，两者相辅相成，增强了实用性和灵活性。能够充分发挥自动设计速度快的优点，为平面方案设计或调整提供快速參考，并且在平面方案确定后能够充分挖掘潜力，设计出更优秀的纵断面方案。该方法自动化程度高、实用性強、运行效率高，具有很高的推广应用价值。附图说明图I为流程图。图中标记说明S1、平顺地面线S2、拟合初始坡度S3、约束条件处理S4、设置优化控制參数S5、初始化种群S6、计算个体目标函数值S7、种群差异演化Sm、变异操作S7_2、交叉操作S7_3、修复操作S7_4、设置桥隧S7_5、选择操作S7_6、进化终止S8、输出纵断面图和规范检查表具体实施例方式參照附图对本专利技术的技术方案做进ー步说明。如图I所示，本专利技术所涉及的鉄路纵断面自动设计与优化方法包括以下步骤S1、平顺地面线对原始地面线进行平顺处理。先根据纵断面横向成图比例确定地面线的间距，以每个最小単元格或半个单元格为桩号，内插出地面高程，按照等距处理的方法简化地面线，然后对简化地面线进行平顺处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孔国梁，李顶峰，
申请(专利权)人：铁道第三勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：