專利名稱：鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉄路設(shè)計(jì)方法，特別涉及ー種鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
在鐵路縱斷面設(shè)計(jì)中，需要考慮一系列的規(guī)范要求、設(shè)計(jì)習(xí)慣規(guī)則和其他約束條件控制，使設(shè)計(jì)復(fù)雜性和難度増大，容易忽視或遺漏部分約束控制，產(chǎn)生設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)人員完全依靠手工進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，可能由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)習(xí)慣之異，設(shè)計(jì)速度受到制約，成果質(zhì)量帶有一定的隨機(jī)偏差。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)自動(dòng)化智能化研究的推進(jìn)，對(duì)線路縱斷面優(yōu)化方法的研究也在不斷深入，但傳統(tǒng)方法存在以下缺陷一是優(yōu)化的初始方案要么由設(shè)計(jì)人員給出，要么由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成，再在其基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單迭代得到最終方案，其本質(zhì)是局部尋優(yōu)過(guò)程，其優(yōu)化結(jié)果主要取決于初始方案的質(zhì)量；ニ是優(yōu)化過(guò)程僅對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行簡(jiǎn)單擾動(dòng)，不滿足約束條件時(shí)簡(jiǎn)單地加上懲罰項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整，沒(méi)有采取修復(fù) 措施以保證優(yōu)化過(guò)程中縱斷面方案始終滿足鐵路縱斷面設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，ー些重要指標(biāo)比如高程控制點(diǎn)無(wú)法得以滿足，最終優(yōu)化成果無(wú)法成立，優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)因此缺乏說(shuō)服カ。諸多因素，影響了鐵路縱斷面設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的客觀需要和傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了ー種鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其目的在于，通過(guò)對(duì)地面線進(jìn)行平順處理擬合初始縱斷面坡度，然后進(jìn)行鐵路縱斷面約束條件處理，實(shí)現(xiàn)縱斷面快速自動(dòng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而基于差異演化算法，對(duì)自動(dòng)設(shè)計(jì)成果進(jìn)ー步優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)鐵路縱斷面自動(dòng)快速優(yōu)化的目標(biāo)。本發(fā)明采用的差異演化(Differential Evolution,DE)算法是ー種較新的演化算法，是基于生物進(jìn)化機(jī)理通過(guò)若干代種群演化操作獲取滿足問(wèn)題的最優(yōu)解，其特點(diǎn)是基于個(gè)體向量差的變異方式，在大多數(shù)情況下比遺傳算法、演化策略等其他演化算法，具有更強(qiáng)的全局搜索性能。差異演化算法由一定數(shù)量的初始解構(gòu)成初始種群，初始解的個(gè)數(shù)稱為種群規(guī)模。差異演化算法包括種群初始化、變異操作、交叉操作和選擇操作，根據(jù)變異操作和交叉操作的不同處理方法，形成了多種演化模式。根據(jù)進(jìn)化術(shù)語(yǔ)，對(duì)種群的四種操作包括(I)種群初始化逐個(gè)產(chǎn)生初始解，直到達(dá)到種群規(guī)模為止。(2)變異操作對(duì)ー個(gè)進(jìn)化個(gè)體，將從種群中任意選擇的兩個(gè)個(gè)體之差乘以ー個(gè)縮放比例加到該進(jìn)化個(gè)體上，形成變異個(gè)體。(3)交叉操作對(duì)ー個(gè)進(jìn)化個(gè)體，該個(gè)體上的每個(gè)變量按照一定的交叉概率,決定是采用變異個(gè)體上對(duì)應(yīng)變量，還是保持不變。執(zhí)行完此操作后，形成ー個(gè)試用個(gè)體。(4)選擇操作對(duì)ー個(gè)進(jìn)化個(gè)體，如果試用個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)于原來(lái)的進(jìn)化個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值，則替換原來(lái)的進(jìn)化個(gè)體；否則，保留原來(lái)的進(jìn)化個(gè)體。差異演化算法可以簡(jiǎn)要給出如下1)產(chǎn)生ー個(gè)初始種群；2)評(píng)價(jià)每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，即計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)；3)進(jìn)行變異操作；4)進(jìn)行交叉操作；5)計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)；6)進(jìn)行選擇操作；7)重復(fù)3) 6)，直至滿足結(jié)束準(zhǔn)則。本發(fā)明所涉及的鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于該方法包括以下步驟S1、平順地面線對(duì)原始地面線進(jìn)行平順處理。先根據(jù)縱斷面橫向比例確定地面線的間距，按照等距處理的方法簡(jiǎn)化地面線，然后對(duì)簡(jiǎn)化地面線進(jìn)行平順處理。S2、擬合初始坡度對(duì)平順后的地面線擬合初始坡度。首先，對(duì)平順地面線劃分初始坡段，然后在各坡段內(nèi)根據(jù)填挖方費(fèi)用最少的原則進(jìn)行直線擬合，最后將前后兩兩坡段上的擬合直線進(jìn)行求 交，擬合出初始坡度。S3、約束條件處理對(duì)初始坡度進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)約束條件處理，形成縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案。首先，總結(jié)鐵路縱斷面設(shè)計(jì)的各種要求，考慮各種要求之間的相互影響，制訂出各種約束條件處理的先后次序；然后按照以下順序逐個(gè)實(shí)現(xiàn)各種約束條件處理最小坡長(zhǎng)約束處理、路基段約束處理、最大坡度約束處理、最大坡度代數(shù)差約束處理、站坪約束處理、豎緩重疊處理、坡度折減處理、高程控制點(diǎn)處理、坡度平順處理、起終點(diǎn)接坡處理、坡度合并處理、坡長(zhǎng)取整處理。S4、設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù)基于差異演化算法進(jìn)行縱斷面優(yōu)化，設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù)。優(yōu)化控制參數(shù)包括種群規(guī)模、變異縮放比例、交叉概率、最大進(jìn)化代數(shù)、進(jìn)化時(shí)間。S5、初始化種群根據(jù)縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案初始化種群。初始化種群是在滿足縱斷面設(shè)計(jì)要求的縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案的基礎(chǔ)上實(shí)施的，每個(gè)方案中每個(gè)變坡點(diǎn)里程保持不變，以每個(gè)變坡點(diǎn)的高程作為設(shè)計(jì)變量，每個(gè)方案的所有變坡點(diǎn)高程構(gòu)成ー個(gè)進(jìn)化個(gè)體。對(duì)于每個(gè)進(jìn)化個(gè)體中的每個(gè)變坡點(diǎn)高程，以自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案中對(duì)應(yīng)的變坡點(diǎn)高程為基準(zhǔn)，隨機(jī)增大或減小一個(gè)高度，形成個(gè)體方案對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，最后再進(jìn)行約束條件處理，保證初始種群中每個(gè)方案都滿足鐵路縱斷面設(shè)計(jì)要求。S6、計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值利用目標(biāo)函數(shù)作為縱斷面?zhèn)€體方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值。首先，對(duì)個(gè)體方案自動(dòng)設(shè)置橋梁隧道，然后計(jì)算填方費(fèi)用、挖方費(fèi)用、橋梁工程費(fèi)用和隧道工程費(fèi)用，將這四項(xiàng)之和構(gòu)成的總費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)縱斷面?zhèn)€體方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。S7、種群差異演化利用變異操作、交叉操作、修復(fù)操作、設(shè)置橋隧、選擇操作在種群之中進(jìn)行差異演化，直到達(dá)到進(jìn)化終止條件。首先，在一個(gè)進(jìn)化代中，對(duì)種群中每個(gè)方案進(jìn)行變異、交叉、修復(fù)、設(shè)置橋隧、選擇操作，用進(jìn)化后變優(yōu)秀的方案替換種群中原來(lái)對(duì)應(yīng)的方案，直到一個(gè)進(jìn)化代完成；然后，再重復(fù)這樣的進(jìn)化代，直到達(dá)到進(jìn)化終止條件。演化過(guò)程是基于單種群操作的，生成的優(yōu)秀個(gè)體方案直接添加到當(dāng)前種群參與進(jìn)化，不設(shè)置中間種群。
S8、輸出縱斷面圖和規(guī)范檢查表輸出縱斷面圖是將最優(yōu)縱斷面方案、自動(dòng)設(shè)置的橋梁、隧道在CAD圖中生成，輸出縱斷面規(guī)范檢查表，包括最小坡長(zhǎng)、最大坡度、最大坡度代數(shù)差、豎緩重疊、高程控制點(diǎn)、站坪檢查結(jié)果。同時(shí)，還輸出了填方費(fèi)用、挖方費(fèi)用、橋梁工程費(fèi)用、隧道工程費(fèi)用和總費(fèi)用以及坡段總長(zhǎng)、坡段個(gè)數(shù)以及橋隧比等縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)。
本發(fā)明的有益效果是I、能夠滿足鐵路縱斷面設(shè)計(jì)的各種約束條件，快速進(jìn)行縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)，建立起鉄路平、縱、橫設(shè)計(jì)的中間橋梁，提高鐵路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度，可用于平縱聯(lián)動(dòng)或平縱橫聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，為平面方案設(shè)計(jì)提供快速參考。2、基于差異演化算法的鐵路縱斷面自動(dòng)優(yōu)化，能夠在自動(dòng)設(shè)計(jì)的成果基礎(chǔ)上和設(shè)計(jì)者提供的初始縱斷面方案上，利用目標(biāo)函數(shù)為方案的優(yōu)劣提供可量化的依據(jù)，使方案設(shè)計(jì)更科學(xué)更合理。3、自動(dòng)設(shè)計(jì)和自動(dòng)優(yōu)化這兩個(gè)過(guò)程，可以分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中又利用了自動(dòng)設(shè)計(jì)中的約束處理方法，因此，這兩個(gè)過(guò)程既具有獨(dú)立性，又相互聯(lián)系，兩者相輔相成，增強(qiáng)了實(shí)用性和靈活性。能夠充分發(fā)揮自動(dòng)設(shè)計(jì)速度快的優(yōu)點(diǎn)，為平面方案設(shè)計(jì)或調(diào)整提供快速參考，并且在平面方案確定后能夠充分挖掘潛力，設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的縱斷面方案。該方法自動(dòng)化程度高、實(shí)用性強(qiáng)、運(yùn)行效率高，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。


圖I為鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法流程圖。圖中標(biāo)記說(shuō)明S1、平順地面線S2、擬合初始坡度S3、約束條件處理S4、設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù)S5、初始化種群S6、計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值S7、種群差異演化Sm、變異操作S7_2、交叉操作S7_3、修復(fù)操作S7_4、設(shè)置橋隧S7_5、選擇操作S7_6、進(jìn)化終止S8、輸出縱斷面圖和規(guī)范檢查表
具體實(shí)施例方式參照附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)ー步說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明所涉及的鉄路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法包括以下步驟S1、平順地面線對(duì)原始地面線進(jìn)行平順處理。先根據(jù)縱斷面橫向成圖比例確定地面線的間距，以每個(gè)最小単元格或半個(gè)單元格為樁號(hào)，內(nèi)插出地面高程，按照等距處理的方法簡(jiǎn)化地面線，然后對(duì)簡(jiǎn)化地面線進(jìn)行平順處理。平順地面線，先由最小坡長(zhǎng)和縱斷面橫向設(shè)計(jì)比例確定出地面線平順?lè)秶鷥?nèi)包含的兩側(cè)參與平順的簡(jiǎn)化地面點(diǎn)的個(gè)數(shù)，再對(duì)平順?lè)秶鷥?nèi)的簡(jiǎn)化地面點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)處理，形成一條比較光滑的地面線。
S2、擬合初始坡度對(duì)平順后的地面線擬合初始坡度。先找出平順地面線上曲線凹凸變化的拐點(diǎn)，再將拐點(diǎn)兩側(cè)的地面線作為坡段擬合的對(duì)象，劃分出初始坡段；然后在各坡段內(nèi)根據(jù)填挖方費(fèi)用最少的原則，在初始坡段內(nèi)采用最小二乗法進(jìn)行直線擬合，最后將前后兩兩坡段上的擬合直線進(jìn)行求交，將交點(diǎn)作為初始坡度的變坡點(diǎn)，舍棄其中坡長(zhǎng)為負(fù)和為零的變坡點(diǎn)，擬合出初始坡度。S3、約束條件處理對(duì)初始坡度進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)約束條件處理，形成縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案。首先，總結(jié)鐵路縱斷面設(shè)計(jì)的各種要求，考慮各種要 求之間的相互影響，制訂出各種約束條件處理的先后次序；然后按照以下步驟逐個(gè)實(shí)現(xiàn)各種約束條件處理(3-1)最小坡長(zhǎng)約束處理對(duì)于不滿足最小坡長(zhǎng)的小碎坡，如果幾個(gè)小碎坡相鄰，且總長(zhǎng)度大于最小坡長(zhǎng)，則將這段小碎坡的起終點(diǎn)直接相連。如果小碎坡總長(zhǎng)小于最小坡長(zhǎng)且兩側(cè)坡段的交點(diǎn)在小碎坡范圍之內(nèi)，則將交點(diǎn)作為新的變坡點(diǎn)。如果小碎坡總長(zhǎng)小于最小坡長(zhǎng)且兩側(cè)坡段的交點(diǎn)在小碎坡范圍之外，則將小碎坡起終點(diǎn)連線的中點(diǎn)作為新的變坡點(diǎn)。(3-2)路基段約束處理對(duì)比較平緩的且與地面線比較貼近的坡段，考慮排水及小橋涵設(shè)置，路基地段要滿足填高要求，所以，將這些坡段進(jìn)行抬升。(3-3)最大坡度約束處理按照填挖平衡原則，以超限坡的坡段中點(diǎn)為中心，以限制坡度為斜率做直線與前后坡段進(jìn)行求交，如果交點(diǎn)能夠求得并滿足最小坡長(zhǎng)的要求，則處理成功。如果交點(diǎn)無(wú)法滿足最小坡長(zhǎng)的要求，則用最大坡度替換原來(lái)的坡度。(3-4)最大坡度代數(shù)差約束處理根據(jù)實(shí)際坡度代數(shù)差和允許最大坡度代數(shù)差的倍數(shù)關(guān)系，確定在滿足最小坡長(zhǎng)約束的前提下能添加變坡點(diǎn)的個(gè)數(shù)，然后插入新變坡點(diǎn)，將變坡點(diǎn)向代數(shù)差減小的方向抬降，逐步迭代，調(diào)整抬降量，直到滿足最大坡度代數(shù)差約束。(3-5)坡長(zhǎng)取整處理考慮外業(yè)斷鏈，將變坡點(diǎn)按里程取整，在此，坡長(zhǎng)取整吋，要保證最小坡長(zhǎng)的約束。(3-6)站坪約束處理根據(jù)站坪長(zhǎng)度，優(yōu)先將站坪設(shè)置在包含該車站的平面直線地段，站坪設(shè)置以站坪起終點(diǎn)連線的中點(diǎn)為中心，在限坡之內(nèi)取合適的站坪坡度，設(shè)置好站坪坡段，替換原坡度設(shè)計(jì)線上相應(yīng)段落，同時(shí)還要滿足坡長(zhǎng)取整、站坪前后銜接處的最小坡長(zhǎng)的約束問(wèn)題。(3-7)豎緩重疊處理根據(jù)前后坡段的代數(shù)差和豎曲線半徑，計(jì)算每個(gè)豎曲線的切線長(zhǎng)，得到變坡點(diǎn)前后移動(dòng)的調(diào)整點(diǎn)，根據(jù)變坡點(diǎn)前后移動(dòng)量最小的原則，以及滿足最小坡長(zhǎng)的約束控制，選擇最佳的變坡點(diǎn)，如果前后移動(dòng)變坡點(diǎn)都無(wú)法滿足最小坡長(zhǎng)約束問(wèn)題，則刪除該變坡點(diǎn)。(3-8)坡度折減處理進(jìn)行坡度折減處理時(shí)先自動(dòng)設(shè)置橋隧，然后對(duì)每個(gè)坡段坡度進(jìn)行平面曲線地段坡度折減和隧道地段坡度折減，在調(diào)整坡度之前，在滿足最小坡長(zhǎng)、坡長(zhǎng)取整的前提下，在平面直線地段的起終點(diǎn)附近添加變坡點(diǎn)，以爭(zhēng)取最大坡度，減少填挖方費(fèi)用。(3-9)高程控制點(diǎn)處理在每ー個(gè)高程控制點(diǎn)處，按照最大上下坡度做兩條射線，這些射線兩兩相交，形成一條鋸齒狀的高程控制線，然后與坡度設(shè)計(jì)線相交，形成多段高程控制線。在這些高程控制線的基礎(chǔ)上，調(diào)整坡段滿足坡長(zhǎng)取整、最小坡長(zhǎng)、豎緩重疊的條件，最后用高程控制線段落內(nèi)的新坡段替換原來(lái)的坡段。(3-10)坡度平順處理將為適應(yīng)地面所設(shè)計(jì)的部分大凹坑或大凸包形坡段進(jìn)行填平或削平處理，使坡度設(shè)計(jì)線更加平順。(3-11)起終點(diǎn)接坡處理對(duì)起終點(diǎn)進(jìn)行接坡處理，實(shí)現(xiàn)起終點(diǎn)的高程接坡、坡長(zhǎng)坡度接坡。(3-12)坡度合并處理將坡度代數(shù)差小于給定限制的坡度進(jìn)行合并，避免過(guò)多的小碎坡。(3-13)坡度取整處理根據(jù)最大坡度或最大折減坡度，進(jìn)行坡度取整，使最終坡度設(shè)計(jì)成果滿足設(shè)計(jì)習(xí)慣，坡度取整的控制是坡度保留位數(shù)。S4、設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù) 基于差異演化算法進(jìn)行縱斷面優(yōu)化，設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù)。優(yōu)化控制參數(shù)包括種群規(guī)模、變異縮放比例、交叉概率、最大進(jìn)化代數(shù)、進(jìn)化時(shí)間。S5、初始化種群根據(jù)縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案初始化種群。初始化種群是在滿足縱斷面設(shè)計(jì)要求的縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案的基礎(chǔ)上實(shí)施的，每個(gè)方案中每個(gè)變坡點(diǎn)里程保持不變，以每個(gè)變坡點(diǎn)的高程作為設(shè)計(jì)變量，每個(gè)方案的所有變坡點(diǎn)高程構(gòu)成ー個(gè)進(jìn)化個(gè)體。對(duì)于每個(gè)進(jìn)化個(gè)體中的每個(gè)變坡點(diǎn)高程，以自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案中對(duì)應(yīng)的變坡點(diǎn)高程為基準(zhǔn)，隨機(jī)增大或減小一個(gè)高度，形成個(gè)體方案對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，最后再進(jìn)行約束條件處理，保證初始種群中每個(gè)方案都滿足鐵路縱斷面設(shè)計(jì)要求。S6、計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值利用目標(biāo)函數(shù)作為縱斷面?zhèn)€體方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值。首先，對(duì)個(gè)體方案自動(dòng)設(shè)置橋梁隧道，然后計(jì)算填方費(fèi)用、挖方費(fèi)用、橋梁工程費(fèi)用和隧道工程費(fèi)用，將這四項(xiàng)之和構(gòu)成的總費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)縱斷面?zhèn)€體方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。S7、種群差異演化首先，在一個(gè)進(jìn)化代中，對(duì)種群中每個(gè)方案進(jìn)行變異、交叉、修復(fù)、設(shè)置橋隧、選擇操作，用進(jìn)化后變優(yōu)秀的方案替換種群中原來(lái)對(duì)應(yīng)的方案，直到一個(gè)進(jìn)化代完成；然后，再重復(fù)這樣的進(jìn)化代，直到達(dá)到進(jìn)化終止條件。演化過(guò)程是基于單種群操作的，生成的優(yōu)秀個(gè)體方案直接添加到當(dāng)前種群參與進(jìn)化，不設(shè)置中間種群。S^1、變異操作變異操作的實(shí)施方法為首先，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值找出當(dāng)前進(jìn)化代種群中的最佳縱斷面方案；然后，在種群中隨機(jī)選擇兩個(gè)縱斷面方案，計(jì)算這兩個(gè)縱斷面方案之間的差異，以及最佳縱斷面方案與當(dāng)前縱斷面方案之間的差異；最后，利用這兩個(gè)差異值乘以變異縮放比例來(lái)調(diào)整當(dāng)前縱斷面方案。變異操作是基于當(dāng)前最佳進(jìn)化方案和隨機(jī)選擇的父代方案進(jìn)行的，能夠維護(hù)種群多祥性、提高整體和局部捜索能力。變異操作應(yīng)用公式表示如下Ui (t+1) = Xi (t) +F · (Best-Xi (t))+F · (xrl (t) _xr2 (t))其中，t為當(dāng)前的進(jìn)化代數(shù)，i為縱斷面方案在種群中的序號(hào)，Xi (t)為當(dāng)前演化的縱斷面方案，Ui (t+Ι)為當(dāng)前縱斷面方案在變異后的縱斷面方案，F(xiàn)為變異縮放比例，Best為當(dāng)前種群中的最佳縱斷面方案，(t)和\2(t)為當(dāng)前種群中隨機(jī)選取的兩個(gè)縱斷面方案。
S7_2、交叉操作對(duì)于種群中每個(gè)縱斷面?zhèn)€體方案上的變坡點(diǎn)設(shè)計(jì)高程，都存在變異前和變異后兩個(gè)值。交叉操作就是根據(jù)交叉概率決定每個(gè)變坡點(diǎn)設(shè)計(jì)高程的取值方式，當(dāng)隨機(jī)產(chǎn)生的實(shí)數(shù)小于交叉概率時(shí)取變異后的變坡點(diǎn)設(shè)計(jì)高程，當(dāng)隨機(jī)產(chǎn)生的實(shí)數(shù)大于交叉概率時(shí)取變異前的變坡點(diǎn)設(shè)計(jì)高程。S7_3、修復(fù)操作
修復(fù)操作是對(duì)當(dāng)前演化個(gè)體表示的縱斷面方案經(jīng)過(guò)變異操作和交叉操作之后，進(jìn)行高程控制點(diǎn)、最大坡度、坡度折減、最大坡度代數(shù)差、坡度取整約束處理，確保每個(gè)演化個(gè)體表示的縱斷面方案都能滿足縱斷面設(shè)計(jì)要求。S7_4、設(shè)置橋隧根據(jù)用戶指定的設(shè)置橋隧的臨界高度，將縱斷面坡度線進(jìn)行升降與地面線求交，得到設(shè)置橋隧的段落，然后將間隙較小的相鄰橋或隧道進(jìn)行合并，將長(zhǎng)度很小無(wú)法設(shè)計(jì)橋或隧道的橋隧進(jìn)行過(guò)濾，將填挖高很大的橋隧進(jìn)行強(qiáng)制保留。S7_5、選擇操作選擇操作將當(dāng)前演化個(gè)體表示的縱斷面方案經(jīng)過(guò)變異、交叉、修復(fù)和設(shè)置橋隧后，形成ー個(gè)候選縱斷面方案，如果候選縱斷面方案的目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)于當(dāng)前縱斷面方案，則將當(dāng)前縱斷面方案用候選縱斷面方案代替，否則保留當(dāng)前縱斷面方案不變。S7_6、進(jìn)化終止在一個(gè)進(jìn)化代中對(duì)每個(gè)縱斷面方案按照S7-1 S7-2進(jìn)行進(jìn)化操作，當(dāng)達(dá)到種群規(guī)模后，表示這一代進(jìn)化完成，開(kāi)始進(jìn)行下一代進(jìn)化。進(jìn)化終止按以下四種方式實(shí)現(xiàn)(a)達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)，(b)連續(xù)若干代最優(yōu)方案的目標(biāo)函數(shù)之差很小，(C)達(dá)到進(jìn)化時(shí)間，(d)隨時(shí)按取消鍵，終止進(jìn)化。S8、輸出縱斷面圖和規(guī)范檢查表輸出縱斷面圖是將最優(yōu)縱斷面方案、自動(dòng)設(shè)置的橋梁、隧道在CAD圖中生成，輸出縱斷面規(guī)范檢查表，包括最小坡長(zhǎng)、最大坡度、最大坡度代數(shù)差、豎緩重疊、高程控制點(diǎn)、站坪檢查結(jié)果。同時(shí)，還輸出了填方費(fèi)用、挖方費(fèi)用、橋梁工程費(fèi)用、隧道工程費(fèi)用和總費(fèi)用以及坡段總長(zhǎng)、坡段個(gè)數(shù)以及橋隧比等縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于該方法包括以下步驟平順地面線(S1),對(duì)原始地面線進(jìn)行平順處理；擬合初始坡度(S2)，對(duì)平順后的地面線擬合初始坡度；約束條件處理(S3),對(duì)初始坡度進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)約束條件處理，形成縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案；設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù)(S4)，基于差異演化算法進(jìn)行縱斷面優(yōu)化設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù)，優(yōu)化控制參數(shù)包括種群規(guī)模、變異縮放比例、交叉概率、最大進(jìn)化代數(shù)、進(jìn)化時(shí)間；初始化種群(S5),根據(jù)縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案初始化種群；計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值(S6)，利用目標(biāo)函數(shù)作為縱斷面?zhèn)€體方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值；種群差異演化(S7)，利用變異操作、交叉操作、修復(fù)操作、設(shè)置橋隧、選擇操作在種群之中進(jìn)行差異演化，直到達(dá)到進(jìn)化終止條件；輸出縱斷面圖和規(guī)范檢查表(S8),輸出縱斷面圖是將最優(yōu)縱斷面方案、自動(dòng)設(shè)置的橋梁、隧道在CAD圖中生成，輸出縱斷面規(guī)范檢查表包括最小坡長(zhǎng)、最大坡度、最大坡度代數(shù)差、豎緩重疊、高程控制點(diǎn)、站坪檢查結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，所述約束條件處理(S3)是指以縱斷面方案總費(fèi)用最少為原則調(diào)整初始坡度，滿足鐵路縱斷面設(shè)計(jì)的三種要求(a)規(guī)范要求最小坡長(zhǎng)、最大坡度、最大坡度代數(shù)差、豎緩重疊、坡度折減、站坪坡度的要求；(b)設(shè)計(jì)習(xí)慣坡長(zhǎng)取整、坡度取整、坡度合并的要求；(c)其它要求高程控制點(diǎn)、路基填高、起終點(diǎn)接坡、坡段平順的要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，所述初始化種群(S5)是在滿足縱斷面設(shè)計(jì)要求的縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案的基礎(chǔ)上實(shí)施的，不是僅由坡長(zhǎng)坡度控制的隨機(jī)生成的初始種群。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，所述計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值(S6),利用填方費(fèi)用、挖方費(fèi)用、橋梁工程費(fèi)用和隧道工程費(fèi)用構(gòu)成的總費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)縱斷面?zhèn)€體方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，所述計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值(S6)的差異演化過(guò)程是基于單種群操作的，當(dāng)前種群中的方案經(jīng)過(guò)變異操作、交叉操作、修復(fù)操作、設(shè)置橋隧、選擇操作進(jìn)化之后，將生成的優(yōu)秀個(gè)體方案直接添加到當(dāng)前種群參與進(jìn)化，不設(shè)置中間種群。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，所述種群差異演化(S7)的變異操作是基于當(dāng)前最佳進(jìn)化方案和隨機(jī)選擇的父代方案進(jìn)行的，不是采用基本差異演化算法中僅基于隨機(jī)選擇的父代方案進(jìn)行的進(jìn)化操作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鐵路縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，該方法包括以下步驟對(duì)原始地面線進(jìn)行平順地面線處理，對(duì)平順后的地面線擬合初始坡度，對(duì)初始坡度進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)約束條件處理，形成縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案，基于差異演化算法進(jìn)行縱斷面優(yōu)化，設(shè)置優(yōu)化控制參數(shù)，根據(jù)縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)坡度方案初始化種群，利用目標(biāo)函數(shù)作為縱斷面?zhèn)€體方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值，利用變異操作、交叉操作、修復(fù)操作、設(shè)置橋隧、選擇操作在種群之中進(jìn)行演化，直到達(dá)到進(jìn)化終止條件，輸出縱斷面圖和規(guī)范檢查表。該方法具有自動(dòng)化程度高、實(shí)用性強(qiáng)、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，在鐵路縱斷面設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102663192SQ20121010625
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者孔國(guó)梁, 李頂峰 申請(qǐng)人:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司