一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统及方法技术方案

一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统，其特征在于，该多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统包括：自动优选单元、自动计算单元、自动绘制单元、交互式单元、交互式单元；用于满足给定技术标准要求的最佳的飞行场区表面设计坡度的自动优选单元；用于计算出飞行场区内及边坡部分放坡的土石方工程量，并按照挖填比或弃借土要求进行调整设计,使全场土石方工程量达到挖、填平衡的自动计算单元；用于绘制出飞行场区原地面等高线图、飞行场区原地面及设计面的三维透视图、、飞行场区设计面等高线图、飞行场区设计面高程坡度控制图、飞行场区任意方格线位置的纵断面图、飞行场区任意方格线位置的横断面图、飞行场区方格网土方工程图、自动进行机场土方最优调配，并绘制出机场土方调配图的自动绘制单元；用于进行飞行场区原地面方格网测量高程校对及修改设计、进行飞行场区设计面高程修改设计、进行土方调配区划分，自动计算出各调配区需调运的土方量的交互式单元。

【技术实现步骤摘要】
一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统及方法
本专利技术属于机场建设领域，尤其涉及一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统及方法。
技术介绍
机场地势设计是整个机场工程设计中的一个重要的组成部分，在机场场道工程设计中，机场地势设计的周期最长，设计工作量最大，机场地势设计的任务就是设计出一个合理的飞行场地地势表面，在满足飞机起飞、着陆、滑跑安全要求的前提下，使飞行场区内平整作业时的土石方工程量为最小。长期以来，我国机场地势设计主要沿用公路、铁路选线用的设计方法——“断面法”设计，由于公路、铁路都是横向尺寸小，而纵向很长，所以，它们的横向影响相对较小。机场的宽度相对来说比公路、铁路要宽得多，飞行场地的长度和宽度之比不太大，它的横向影响较大，因此，用“断面法”进行机场地势设计会产生较大的误差，用这种方法所确定的设计方案的质量主要取决于设计技术人员的经验和判断能力，为了得到较好的设计方案，设计人员往往需要从几个凭主观直觉拟定的比较方案中用淘汰的办法来求得，所以，很难得到最优设计方案，而且，会产生技术标准要求得不到满足这样的严重后果。根据近年来机场修建的情况来看，一个机场的土石方工程量通常为几百万m3，多的甚至超过数千万m3；土石方工程的投资费用约占机场场道工程总投资的百分之三十左右(有的达到百分之六十以上)，而地势设计得好坏很容易使土石方工程投资相差几十万元、几百万元，甚至上亿元，而且，地势设计的成果对机场总体、道面、排水都有较大影响，尤其与机场排水密切相关，稍不注意就会造成机场排水困难。对机场的后期使用效果密切相关。但是，现有的机场土石方工程投资高，设计人员进行反复计算和绘图的负担高，设计周期长，设计质量低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统及方法，旨在解决新建和改建的多跑道多滑行道机场的机场土石方工程投资高，设计人员进行反复计算和绘图的负担高，设计周期长，设计质量低的问题。本专利技术的目的在于提供一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统，该多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统包括：自动优选单元、自动计算单元、自动绘制单元、交互式单元；用于满足给定技术标准要求的最佳的飞行场区表面设计坡度的自动优选单元；用于计算出飞行场区内及边坡部分放坡的土石方工程量，并按照挖填比或弃借土要求进行调整设计,使全场土石方工程量达到挖、填平衡的自动计算单元；用于绘制出飞行场区原地面等高线图、飞行场区原地面及设计面的三维透视图、飞行场区设计面等高线图、飞行场区设计面高程坡度控制图、飞行场区任意方格线位置的纵断面图、飞行场区任意方格线位置的横断面图、飞行场区方格网土方工程图、自动进行机场土方最优调配，并绘制出机场土方调配图的自动绘制单元；用于进行飞行场区原地面方格网测量高程校对及修改设计、进行飞行场区设计面高程修改设计、进行土方调配区划分，自动计算出各调配区需调运的土方量的交互式单元。本专利技术的目的在于提供一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计方法，采用空间连续扭曲面来表示飞行场地设计表面；将设计坡度和控制标高等设计变量作为控制机场表面形状的主要指标；采用非线性规划概括现行军航和民航的坡度、变坡、视距等技术指标，以设计表面最接近天然地面为目标，建立起兼容多跑道多滑行道机场的地势优化设计的数学模型；运用起作用约束集法求解模型得到机场的设计坡度和控制点高程。进一步，所述飞行场地的几何模型是以设计坡度和控制点高程为控制变量的空间连续扭曲面，兼容多跑道多滑行道的机场。进一步，飞行场地的几何模型的具体方法为：对于飞行场区内任一给定的方格网点k，设其平面坐标为(xk，yk)，天然地面的高程为zk，设计高程为hk，则当xk＜0时，有当xk≥0时，有其中，eij(i＝0，1，…，l；j＝0，1，…，m)为设计变量，为了便于表示，不妨设x＝(x1,…,xn)T＝(e00,…,e0m,e10,…,e1m,…,el0,…,elm)T其中，n＝(l+1)×(m+1)为飞行场地设计表面控制变量个数。则飞行场区内任一方格网点的设计高程hk都可以表示为xr(r＝1，…，n)的线性函数。用一般形式表示为：hk＝ak1x1+ak2x2+…+aknxn(k＝1，2，…，N)(1)N为飞行场区内方格点总数，设h＝(h1,h2,…,hN)T为飞行场区内各方格网点的设计高程向量，则上面各式可用矩阵表示为或用向量表示为h＝Ax(3)其中，A为设计矩阵，其各元素的值均为非负，大小由飞行场区内各方格网点的平面坐标及飞行场地表面的坡段规划情况来决定。进一步，所述机场地势优化设计的数学模型是一个以设计坡度和控制点高程为变量、以设计表面最接近天然地面为目标、以现行军航和民航技术指标为约束条件的非线性规划问题。可以表示为：进一步，所述机场地势优化设计的数学模型的最优解可以通过“起作用集法”将设计模型转换为以设计坡度和控制点标高为变量的线性方程组,确定算法步骤如下：第1步：形成矩阵G和向量r,第2步：确定初始起作用集F(1),不妨设F(1)＝{1，2，…，e，e+1，…，e+s},其中，前e个约束条件为等式约束；后s个约束条件为初始起作用的不等式约束可以进行更换,这里，初始起作用不等式约束可以从最大坡度要求或最小坡度要求的约束条件中选取,第3步：用Lagrange乘子法求解得初始解x(1)及其相应的乘子向量此时x(1)肯定是可行域边界上的点,第4步：求出后s个乘子分量的最小值,即令如果λq≥0，则由最优解的判别准则得知：x(1)是问题(Ⅰ)的整体最优解，于是，转向第10步；如果λq＜0，则表明第q个约束(肯定是不等式约束)不是最优解x＊处的起作用约束，应该解除，即进行第5步,第5步：解除与λq相对应的不等式约束的边界条件,即令再用Lagrange乘子法求解得解及其相应的乘子向量第6步：检查是否满足所有的不等式约束条件,如果所有的不等式约束都得到满足，说明是可行点，而且,必有于是，置s＝s－1，转到第4步,否则，说明不是可行点，则进行第7步,第7步：确定搜索方向d。即令第8步：确定步长α，令x(2)＝x(1)+αd,所确定的步长α必须保证解得的x(2)为可行域边界上的点，可以采用下述方法来确定。第9步：令即增加约束条件置F(1)＝F(2)，s＝s+1，转到第3步；第10步：输出最优解进一步，所述机场地势优化设计的数值分析用“乔列斯基分解法”求解找出最佳设计方案，得到设计坡度和控制点标高，即得到机场地势设计方案。进一步，所述建立机场地势优化设计数学模型的方法包括以下步骤：确定地势优化设计的目标函数；确定地势优化设计的约束函数；建立地势优化设计的数学模型。进一步，地势优化设计的目标函数获得具体法法为：飞行场区内任一方格网点的设计标高都可以表示为设计变量的线性函数，即h＝Ax设z＝(z1,z2,…,zN)T为飞行场区内各方格网点的天然标高向量；v＝(v1,v2,…,vN)T为飞行场区内各方格网点的填挖标高向量；其中，vk＝hk-zk(k＝1，…，N)(5)则v＝h-z＝Ax-z(6)因此，根据最小二乘法原理，目标函数可取为：其中pk为方格网点k的权系数，表示该方格点对土方计算的影响程度，通常用方格点所影响的土方计算面积来表示，p1＝0点1代表了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统，其特征在于，该多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统包括：自动优选单元、自动计算单元、自动绘制单元、交互式单元、交互式单元；用于满足给定技术标准要求的最佳的飞行场区表面设计坡度的自动优选单元；用于计算出飞行场区内及边坡部分放坡的土石方工程量，并按照挖填比或弃借土要求进行调整设计,使全场土石方工程量达到挖、填平衡的自动计算单元；用于绘制出飞行场区原地面等高线图、飞行场区原地面及设计面的三维透视图、、飞行场区设计面等高线图、飞行场区设计面高程坡度控制图、飞行场区任意方格线位置的纵断面图、飞行场区任意方格线位置的横断面图、飞行场区方格网土方工程图、自动进行机场土方最优调配，并绘制出机场土方调配图的自动绘制单元；用于进行飞行场区原地面方格网测量高程校对及修改设计、进行飞行场区设计面高程修改设计、进行土方调配区划分，自动计算出各调配区需调运的土方量的交互式单元。

【技术特征摘要】
1.一种多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统，其特征在于，该多跑道多滑行道大型机场地势优化设计系统包括：用于满足给定技术标准要求的最佳的飞行场区表面设计坡度的自动优选单元；用于计算出飞行场区内及边坡部分放坡的土石方工程量，并按照挖填比或弃借土要求进行调整设计,使全场土石方工程量达到挖、填平衡的自动计算单元；用于绘制出飞行场区原地面等高线图、飞行场区原地面及设计面的三维透视图、飞行场区设计面等高线图、飞行场区设计面高程坡度控制图、飞行场区任意方格线位置的纵断面图、飞行场区任意方格线位置的横断面图、飞行场区方格网土方工程图、自动进行机场土方最优调配，并绘制出机场土方调配图的自动绘制单元；用于进行飞行场区原地面方格网测量高程校对及修改设计、进行飞行场区设计面高程修改设计、进行土方调配区划分，自动计算出各调配区需调运的土方量的交互式单元；该多跑道多滑行道大型机场地势优化设计方法包括以下步骤：采用空间连续扭曲面来表示飞行场地设计表面；将设计坡度和控制高程设计变量作为控制机场表面形状的主要指标；采用非线性规划概括现行军航和民航的坡度、变坡、视距技术指标，以设计表面最接近天然地面为目标，建立起兼容多跑道多滑行道机场的地势优化设计的数学模型；运用起作用约束集法求解模型得到机场的设计坡度和控制点高程；飞行场地的几何模型是以设计坡度和控制点高程为控制变量的空间连续扭曲面，兼容多跑道多滑行道的机场；飞行场地的几何模型的具体方法为：对于飞行场区内任一给定的方格网点k，设其平面坐标为(xk，yk)，天然高程为zk，设计高程为hk，则当xk＜0时，有当xk≥0时，有其中，eij为设计变量，其中i＝0，1，…，l；j＝0，1，…，m；为了便于表示，不妨设x＝(x1,…,xn)T＝(e00,…,e0m,e10,…,e1m,…,el0,…,elm)T其中，n＝(l+1)×(m+1)为飞行场地设计表面控制变量个数；则飞行场区内任一方格网点的设计高程hk都可以表示为xr的线性函数，其中，r＝1，…，n，用一般形式表示为：hk＝ak1x1+ak2x2+…+aknxn(k＝1，2，…，N)(1)N为飞行场区内方格点总数；设h＝(h1,h2,…,hN)T为飞行场区内各方格网点的设计高程向量，则上面各式可用矩阵表示为或用向量表示为h＝Ax(3)其中，A为设计矩阵，其各元素的值均为非负，大小由飞行场区内各方格网点的平面坐标及飞行场地表面的坡段规划情况来决定；机场地势优化设计的数学模型是一个以设计坡度和控制点高程为变量、以设计表面最接近天然地面为目标、以现行军航和民航技术指标为约束条件的非线性规划问题，表示为：机场地势优化设计的数学模型的最优解通过“起作用集法”将设计模型转换为以设计坡度和控制点高程为变量的线性方程组,确定算法步骤如下：第1步：形成矩阵G和向量r；第2步：确定初始起作用集F(1)；不妨设F(1)＝{1，2，…，e，e+1，…，e+s},其中，前e个约束条件为等式约束；后s个约束条件为初始起作用的不等式约束可以进行更换,这里，初始起作用不等式约束可以从最大坡度要求或最小坡度要求的约束条件中选取；第3步：用Lagrange乘子法求解得初始解x(1)及其相应的乘子向量此时x(1)肯定是可行域边界上的点；第4步：求出后s个乘子分量的最小值,即令如果λq≥0，则由最优解的判别准则得知：x(1)是问题(Ⅰ)的整体最优解，于是，转向第10步；如果λq＜0，则表明第q个约束不是最优解x＊处的起作用约束，第q个约束肯定是不等式约束，应该解除，即进行第5步,第5步：解除与λq相对应的不等式约束的边界条件,即令再用Lagrange乘子法求解得解及其相应的乘子向量第6步：检查是否满足所有的不等式约束条件,如果所有的不等式约束都得到满足，说明是可行点，而且,必有于是，置s＝s－1，转到第4步,否则，说明不是可行点，则进行第7步,第7步：确定搜索方向d，即令第8步：确定步长α，令x(2)＝x(1)+αd,所确定的步长α必须保证解得的x(2)为可行域边界上的点，可以采用下述方法来确定：令这是因为不是可行点，即在可行域的外面，而x(1)在可行域的边界上或在可行域的内部,由于目标函数是正定二次函数，并且有所以，从x(1)出发沿方向前进至的过程中，目标函数f(x)是逐渐下降的，又由于可行域是凸集，所以，在到达之前必然会遇到某个不等式约束的边界,设它最先遇到的不等式约束边界是第p个不等式约束并记相应的交点为x(2)；则x(2)＝x(1)+αd由于x(2)在第p个不等式约束的边界上，所以，有即由上式可得：第9步：令即增加约束条件置F(1)＝F(2)，s＝s+1，转到第3步；第10步：输出最优解机场地势优化设计的数值分析用“乔列斯基分解法”求解找出最佳设计方案，得到设计坡度和控制点高程，即得到机场地势设计方案；具体的算法为：通过反复求解下列形式的线性方程组来获得最优解,现设其中则原方程组可表示为Ke＝f或LDLTe＝f设DLTe＝y则上面方程组等价于：其中y＝(y1，y2，…，yn，yn+1，…，yn+t)T由将右边矩阵逐项展开，并令等式两边矩阵各对应元素相等得：按照公式(35)、(36)逐项推算，可以求得L和D,于是由Ly＝f可以求得：由公式(37)、(38)逐项推算，可以求得：y＝(y1，y2，…，yn，yn+1，…，yn+t)T再由DLTe＝y可以求得：由公式(39)逐项推算，求得：e＝(x1,x2,…,xn,λ1,λ2,…,λt)T由于K是一个对称矩阵，故在计算机的内存中只需存贮下三角的元素就行了,从公式(35)、(36)中可以看出：求出dii和lij后，gii和gij就不需要再保留了，所以，它们所占用的存贮单元可以用来存放dii和lij,同理，bij和l(n+i)j可以用同一个存贮单元,即从公式(35)、(37)中可以看出dii和lij只与gij有关，而与bij无关，yi只与ri有关，而与ci无关,由于在最优解的寻找过程中，gij和ri是始终保持不变的，只是约束条件有所变化，即bij和ci是不断变化的；建立机场地势优化设计数学模型的方法包括以下步骤：确定地势优化设计的目标函数；确定地势优化设计的约束函数；建立地势优化设计的数学模型；地势优化设计的目标函数获得具体方法为：飞行场区内任一方格网点的设计高程都可以表示为设计变量的线性函数，即h＝Ax设z＝(z1,z2,…,zN)T为飞行场区内各方格网点的天然高程向量；v＝(v1,v2,…,vN)T为飞行场区内各方格网点的填挖高程向量；其中，vk＝hk-zk(k＝1，…，N)(5)则v＝h-z＝Ax-z(6)因此，根据最小二乘法原理，目标函数取为：其中pk为方格网点k的权系数，表示该方格网点对土方计算的影响程度，通常用方格网点所影响的土方计算面积来表示，p1＝0点1代表了飞行场区以外的方格点，它不影响飞行场地表面最优设计方案的选择，因此，它的权系数为零；点2、3、4分别代表了飞行场地边界上不同位置处的方格点；点5代表了飞行场区内的方格点，设则目标函数式(7)可表示如下：ming(x)＝vTPv(8)将式(6)代入式(8)得ming(x)＝vTPv＝(Ax-z)TP(Ax-z)＝xT(ATPA)x-2zTPAx+zTPz(9)设f(x)＝g(x)-zTPz(10)G＝2ATPA(11)r＝2ATPz(12)则目标函数式(9)等价于能证明：G＝2ATPA是一个n×n阶的正定对称矩阵，其证明过程如下：对称性证明：∵GT＝(2ATPA)T＝2(AT)(PT)(AT)T＝2ATPA＝G∴G是一个对称矩阵正定性证明：由式(1)得：将式(5)、式(14)代入式(7)得即又由式(9)得：比较式(15)和式(16)得：恒大于零∴由矩阵正定的定义可知：G是一个正定矩阵，因此，G是一个n×n阶的正定对称矩阵；当G是一个正定对称矩阵时，目标函数是一个严格凸二次函数；地势优化设计的约束函数具体算法为：在进行最优方案选择时，对各设计变量xr其中r＝1，…，n；还必须增...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光元，许巍，楼设荣，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：