基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，該方法建立了快速地基于區(qū)間自然地理劃分與區(qū)間土方平衡的縱斷面評估機制，為坡度線的合理化水平提供可量化的依據(jù)，并完全模擬工程師的設計模式與設計過程，創(chuàng)造性地挖掘出地面線中地形與地勢信息，在設計過程中充分利用這些信息數(shù)據(jù)，通過一步步演繹的方式得到最滿意的設計成果，實現(xiàn)了縱斷面拉坡設計的程序化、智能化自動設計，經(jīng)多重檢驗對比，自動設計成果通常優(yōu)于或接近于工程人員的實際設計方案，為工程人員合理設計縱斷面坡度提供了理想的設計參考，顯著地提高了設計效率與設計質(zhì)量，可顯著提高企業(yè)的設計能力與設計水平。
【專利說明】基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程自動化、智能化設計領域，具體地指一種基于演繹法的縱斷面自 動坡度生成方法。

【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的鐵路、公路等縱斷面設計都采用人工拉坡，對于長大線路，考慮到諸多控制 因素，即使是很有經(jīng)驗的工程師，要得出合理且滿足規(guī)范的縱斷面也需要反復推敲，由于沒 有量化評估指標為參照，設計方案只有更好沒有最好，因此，人為的縱斷面設計在一次設計 中很難面面俱到，往往需要多次復核，延長了設計周期。
[0003] 近年來，幾大鐵路設計院及鐵道高校都進行過類似的研宄，大多數(shù)采用漸逼近滿 意解的遺傳算法進行研宄，并有學者申請了專利（專利申請?zhí)枺?01210106256. 1，發(fā)明名 稱：鐵路縱斷面自動設計與優(yōu)化方法）。該專利不涉及方案評估與衡量，也沒有對已生成縱 坡進行自動檢測與排查，其設計效果與質(zhì)量難以評定。此外大量論文中探討過許多種方法 進行自動地縱斷面拉坡設計，如神經(jīng)網(wǎng)絡方法、擬合法、幾何分析法、地形化簡法等等，這些 方法往往局限于學術研宄的單純性，鮮見有真正實用的相應技術得以應用。
[0004] 參考文獻："基于區(qū)間填挖平衡的線路縱斷面快速評估模型"（2014. 5,周德宏，鐵 路計算機應用）。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是要提供一種基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，該方法在 實時評估機制支持下，實現(xiàn)了縱斷面拉坡設計的程序化、智能化自動設計，經(jīng)多重檢驗對 比，自動設計成果通常優(yōu)于或接近于工程人員的實際設計方案，為工程人員合理設計縱斷 面坡度提供了理想的設計參考，提高了設計效率與質(zhì)量。
[0006] 為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設計的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征 在于，它包括如下步驟：
[0007] 步驟Sl :模擬工程師對地面線的認識過程，通過傳統(tǒng)方式對地面線進行簡化，得 到能夠反映地形整體起伏形狀的里程點LC，并將區(qū)域空間的平均高程作為高程勢函，同時 對連續(xù)的可合并的地形坡段進行合并簡化，得到能同時反映地形與地勢的地面輪廓線；
[0008] 步驟S2 :判斷上述地面輪廓線上各坡度的地形類別，并按平地、溝谷的區(qū)域劃分 進行歸類，對連續(xù)平地段進行整合，對溝谷段按架橋模式進行坡段整合與高程勢調(diào)整，得到 拉坡參照線；
[0009] 步驟S3 :通過輪廓線與參照線的對比，提取大山和高地區(qū)域，對此類區(qū)域進行標 注后按直坡進行屏蔽設計，得到最接近坡度線的擬合線；
[0010] 步驟S4 :按靜態(tài)控制點劃分出的子區(qū)間分別進行縱斷面上各區(qū)段的獨立設計：以 兩側(cè)控制點的里程從擬合線上進行區(qū)間截取，對區(qū)間內(nèi)的大山和高地標注區(qū)域重新進行人 字坡或單斜坡排水設計；以兩側(cè)靜態(tài)控制點的控制高程對調(diào)整后的擬合線進行符合設計規(guī) 范的雙向邊坡順延限標設計，得到自動坡度線；
[0011] 步驟S5 :對坡度線進行檢測、實時評估與優(yōu)化調(diào)整，得到更優(yōu)化的成果坡度線。
[0012] 本發(fā)明的有益效果：
[0013] 本發(fā)明通過上述步驟顯著地提高了縱斷面拉坡設計的效率與設計質(zhì)量，提高企業(yè) 的設計能力與設計水平；解決了選線設計縱斷面智能化一個方面的技術問題，為智能化綜 合選線設計平臺提供了技術鋪墊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明中縱斷面自動坡度生成總流程圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明中縱斷面自動坡度生成詳細流程圖及與工程設計思維模式的對比 圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明中參照線與輪廓線的疊加檢索出高山及高地示意圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明中參照線上山尖線性插點示意圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明中高山設坡幾何示意圖；
[0019] 圖6縱斷面檢測與優(yōu)化示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明：
[0021] 本發(fā)明提出的一種縱斷面自動生成方法，在實時評估機制支持下，實現(xiàn)了縱斷面 拉坡設計的程序化智能化自動設計，經(jīng)多重檢驗對比，自動設計成果通常優(yōu)于或接近于工 程人員的實際設計方案，為工程人員合理設計縱斷面坡度提供了理想的設計參考，提高了 設計效率與質(zhì)量。
[0022] 為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明基于模擬工程設計人員的思維過程所提出的同時基于地面 線地形起伏與地勢高程的自動坡度設計方法，其特征在于，如圖2所示，它包括如下的具體 實施步驟：
[0023] 步驟Sl :模擬工程師對地面線的認識過程，通過傳統(tǒng)方式對地面線進行簡化，得 到能夠反映地形整體起伏形狀的里程點LC，并將區(qū)域空間的平均高程作為高程勢而，同時 對連續(xù)的可合并的地形坡段進行合并簡化，得到能同時反映地形與地勢的地面輪廓線；
[0024] 步驟S2 :判斷上述地面輪廓線上各坡度的地形類別，并按平地、溝谷的區(qū)域劃分 進行歸類，對連續(xù)平地段進行整合，對溝谷段按架橋模式進行坡段整合與高程勢調(diào)整，得到 拉坡參照線；
[0025] 步驟S3 :通過輪廓線與參照線的對比，提取大山和高地區(qū)域，對此類區(qū)域進行標 注后暫時按直坡（拉斜坡）進行屏蔽設計，得到最接近坡度線的擬合線；
[0026] 利用參照線與輪廓線的疊加對比，可以檢索出高山及高地區(qū)域，如圖3所示；
[0027] 對群山或高地的中間點的參照線上進行線性插點，如圖4所示；
[0028] 分別對這些投射插值點按照在輪廓線上的位置標注出山尖點、山谷點及高地點。 對其中的標注為山谷點的插值點，如果插值高程值與輪廓線上的高程勢相近，將輪廓線上 的高程勢值賦給插值點，作為山間的變坡點存在，彌補輪廓線的不足；
[0029] 步驟S4 :按靜態(tài)控制點劃分出的子區(qū)間分別進行縱斷面上各區(qū)段的獨立設計：以 兩側(cè)控制點的里程從擬合線上進行區(qū)間截取，對區(qū)間內(nèi)的大山和高地標注區(qū)域重新進行人 字坡或單斜坡排水設計；以兩側(cè)靜態(tài)控制點的控制高程對調(diào)整后的擬合線進行符合設計規(guī) 范的雙向邊坡順延限標設計，得到自動坡度線；
[0030] 步驟S5 :對坡度線進行檢測、實時評估與優(yōu)化調(diào)整，得到更優(yōu)化的成果坡度線。
[0031] 如圖6所示，所述步驟S5中的檢測，包括根據(jù)平面曲線與坡度豎曲線的重疊檢測、 坡度線變坡點位置與地面線的排水沖突檢測、坡長坡度的超標檢測、控制條件的閉合檢測。
[0032] 所述步驟S5中的實時評估方法，是通過建立的一種地理區(qū)間劃分進行土石方調(diào) 配平衡的快速評估系統(tǒng)，它能夠?qū)o定的地面線、坡度線進行快速評估得到一個綜合的造 價指標，從而用于判定拉坡方案的優(yōu)劣，并幫助方案進行優(yōu)化設計。該快速評估模型的詳細 實施方法參見論文"基于區(qū)間填挖平衡的線路縱斷面快速評估模型"（2014. 5,周德宏，鐵路 計算機應用）。
[0033] 所述步驟S5中的優(yōu)化調(diào)整，包括非靜態(tài)控制點的局部優(yōu)化調(diào)整，如權利要求書9 所述。
[0034] 所述步驟S5不只是針對自動生成的坡度線有效，對人工設計的坡度線同樣可以 進行檢測、評估與優(yōu)化調(diào)整。
[0035] 上述步驟S1-S4中所有生成的輪廓線、參照線、擬合線及坡度線數(shù)據(jù)，都是同時包 括地面高程與地勢量的數(shù)據(jù)，地勢量的引入，能夠很好地自動實現(xiàn)丘陵、平地填挖最小，橋 址合理抬高、隧道適當收縮的良好性能，地面高程數(shù)據(jù)的保留，非常有利于進行橋隧路的性 質(zhì)判斷與排水沖突檢測。
[0036] 所述步驟S1-S5是一個完全的推算演繹函數(shù)過程，如圖1所示，由地面線一輪廓線 -參照線一擬合線一自動坡度線一坡度成果線，系統(tǒng)方法具有穩(wěn)定高效的特性。
[0037] 所述步驟Sl模擬工程人員分區(qū)間段設計思維的過程，在系統(tǒng)實現(xiàn)時可置于流程 的最前段，也可以根據(jù)系統(tǒng)設計的便利在全段一致的數(shù)據(jù)預處理過程之后在S4-1階段進 行后置實現(xiàn)。
[0038] 所述步驟Sl模擬工程人員區(qū)間分段的原則同時包括靜態(tài)控制點與車站參與分 段，這與工程設計人員的原則更全面，更徹底。
[0039] 所述步驟S5中的檢測，包括根據(jù)平面曲線與坡度豎曲線的重疊檢測、坡度線變坡 點位置與地面線的排水沖突檢測、坡長坡度的超標檢測、控制條件的閉合檢測。
[0040] 所述步驟S5中的優(yōu)化調(diào)整，包括非靜態(tài)控制點的局部優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整的方法是在 控制位置插入新的變坡點或調(diào)整鄰近變坡點的高程致控制有效；包括滿足工程設計習慣的 整50M里程調(diào)整、坡度精度0. 1/0. 01習慣調(diào)整，使設計成果更貼近人工習慣與工程認識的 習慣；包括根據(jù)評估模型的精細化要求的變坡點橫向振蕩檢測調(diào)整、豎向振蕩檢測調(diào)整，從 而能夠讓所得到的坡度線具有最省的評估指標值。
[0041] 所述步驟S5不只是針對自動生成的坡度線有效，對人工設計的坡度線同樣可以 進行檢測、評估與優(yōu)化調(diào)整。
[0042] 上述技術方案中，所述步驟Sl中的高程勢五?，通過里程點兩側(cè)一定范圍內(nèi)（如 ±500m)地面點的平均高程計算確定。
[0043] 上述技術方案中，所述步驟S4中的靜態(tài)控制點，指具備確定高程的控制點，包括 車站。如車站高程不確定，由車站所處區(qū)間平均高程勢確定。
[0044] 上述技術方案中，所述步驟S4中非靜態(tài)控制點為高程上有向上自由或向下自由 變動的控制點，此類控制點在步驟S5中進行檢測判斷后，對不滿足控制性要求的坡段進行 局部調(diào)節(jié)。
[0045] 上述技術方案中，所述步驟S5中的實時評估，是通過建立的一種地理區(qū)間劃分進 行土石方調(diào)配平衡的快速評估方式，它能夠?qū)o定的地面線、坡度線進行快速評估得到一 個綜合的造價指標，從而用于判定拉坡方案的優(yōu)劣，并幫助方案進行優(yōu)化設計。
[0046] 上述技術方案中，所述步驟1的過程分為如下幾個過程實現(xiàn)：
[0047] 步驟Sl-I，對給定的地面線采樣點LCi鏈數(shù)據(jù){(LC。，ZHci)，（LC 1, ZH1)，…… ，（LCn，ZHn)}，ZHQi表示各個點的高程，截取附近±500m里程范圍的所以采樣點，計算得到 該點的平均高程作為該點的高程勢而存在，形成對采樣點的拓展數(shù)據(jù)（LC，ZH，I)， 得到一條無毛糙、光滑的地面線；
[0048] 步驟S1-2,根據(jù)前后兩個采樣點的高程勢計算兩點間坡度值K，形成對采樣點的 另一維拓展數(shù)據(jù)（LC，ZH，五?，K)，根據(jù)相鄰K值的比較，將相近的坡度進行整合，從而可以 簡化地面線上的采樣點數(shù)量；
[0049] 步驟S1-3,根據(jù)前后兩個采樣點的高程勢，計算中間采樣點計算高程勢五^，若中 間采樣點的實際高程勢兩與計算高程勢萬?的高差在一定控制范圍內(nèi)（如±lm)，表示它 們存在線性關系，則可以將中間采樣點剔除，得到進一步簡化的擬合地面線；
[0050] 步驟S1-4,根據(jù)采樣點前后的變坡方向（K1J XKjg < 0, K1J表示采樣點前方坡的坡 度值，κβ表示采樣點后方坡的坡度值），從擬合地面線上過濾提取關鍵拐點，得到能夠反映 地面起伏形狀的輪廓線。
[0051] 上述技術方案中，所述步驟2的過程分為如下幾個過程實現(xiàn)：
[0052] 步驟S2-1，按照規(guī)范要求的最短坡段要求，對短坡進行過濾，過濾的方法參照步驟 S1-3,按最小計算高程差進行采樣點的保留，從而可以確保坡長的合規(guī)配置；
[0053] 步驟S2-2,通過坡段值K的分析，確立平地地段、溝谷地段，并通過附加說明信息 字段，即Mark字段進行類型標注，構成采樣點的性質(zhì)拓展（IX，ΖΗ，，K，Mark)，ZH表示 對應點的高程；同時過濾掉所有|K| >20的坡段，這些區(qū)域被視為群山或高地區(qū)域暫時屏 蔽掉；對連續(xù)的平地坡段進行合并構成一個坡段，對溝谷坡段按架橋方式直接移除溝底的 采樣點，形成直坡，構成參照線而存在。
[0054] 平地、溝谷地段的確立可按如下方式進行判斷：
[0055] 平地地段的確立：IKI彡20 ;
[0056] 溝谷地段的確立：? < 0, Kjg > 0 ;
[0057] 上述技術方案中，所述步驟4的過程分為如下幾個過程實現(xiàn)：
[0058] 步驟S4-1 :模擬工程師的設計思維，利用靜態(tài)控制點將整段區(qū)間分為若干個子區(qū) 間，再分別針對各個子區(qū)間分別進行設計；
[0059] 說明：工程師的這一個思維過程通常是在設計過程的最前面，本發(fā)明安排在S4-1 步驟進行區(qū)間化設計，主要是因為前述過程都是可以跨越區(qū)間的預處理過程，集中連貫處 理更利于程序上的實現(xiàn)與效率上的優(yōu)化，但數(shù)據(jù)的預處理過程也是可以分區(qū)間進行的，因 此與工程師的設計過程是不沖突的；
[0060] 步驟S4-2 :對截取的擬合坡度線，分別從區(qū)間起點向后，尾點向前進行兩次的坡 度調(diào)整遍歷，對其中坡度值大于規(guī)范要求的坡段，以給定的最大允可坡度配置計算確立下 一采樣點的允可高程值并進行順延調(diào)整；
[0061] 步驟S4-3 :順延檢索過程中，對前述標注的山尖點進行人字坡或單坡排水設計； 對標注的高地點進行人字坡或拱坡排水設計；當高地的中央平地距離小于一定距離時（如 〈3KM)，可視為平頂高山，從中剔出高地點，并作為標注補充一個山尖點，按大山模式進行處 理，設置人字坡或單斜坡；高地中央平地距離超出給定距離閾值時，高地兩側(cè)的大坡度線可 以通過雙向順延進行自動調(diào)整，無須額外處理。
[0062] 所述步驟S4中對區(qū)間內(nèi)的群山、大山、高地標注區(qū)域進行人字坡或單斜坡排水設 計的方法，采用最優(yōu)試測的方法實現(xiàn)如下：
[0063] 如圖5所示，假定A、B兩點分別為大山入口與出口變坡點，相距里程為IX，兩點高 程差為Λ H，變坡點可能是區(qū)間內(nèi)的任何一點0,為了方便，將AB區(qū)間分為10份進行切割定 位，假定變坡點的位置處于m/ΙΟ處，m為大于0小于10的正數(shù)。
[0064] 設兩段坡線的斜率絕對值分別為K1、K2,則按照幾何邏輯關系，有如下的推理公 式：

【權利要求】
1. 一種基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于，它包括如下步驟： 步驟Sl:通過傳統(tǒng)方式對地面線進行簡化，得到能夠反映地形整體起伏形狀的里程點 LC，并將區(qū)域空間的平均高程作為高程勢兩，同時對連續(xù)的可合并的地形坡段進行合并簡 化，得到能同時反映地形與地勢的地面輪廓線； 步驟S2 :判斷上述地面輪廓線上各坡度的地形類別，并按平地、溝谷的區(qū)域劃分進行 歸類，對連續(xù)平地段進行整合，對溝谷段按架橋模式進行坡段整合與高程勢調(diào)整，得到拉坡 參照線； 步驟S3 :通過輪廓線與參照線的對比，提取大山和高地區(qū)域，對此類區(qū)域進行標注后 按直坡進行屏蔽設計，得到最接近坡度線的擬合線； 步驟S4 :按靜態(tài)控制點劃分出的子區(qū)間分別進行縱斷面上各區(qū)段的獨立設計：以兩側(cè) 控制點的里程從擬合線上進行區(qū)間截取，對區(qū)間內(nèi)的大山和高地標注區(qū)域重新進行人字坡 或單斜坡排水設計；以兩側(cè)靜態(tài)控制點的控制高程對調(diào)整后的擬合線進行符合設計規(guī)范的 雙向邊坡順延限標設計，得到自動坡度線； 步驟S5 :對坡度線進行檢測、實時評估與優(yōu)化調(diào)整，得到更優(yōu)化的成果坡度線。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于：所述 步驟Sl中的高程勢五?，通過里程點兩側(cè)一定范圍內(nèi)地面點的平均高程計算確定。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于：所述 步驟S4中的靜態(tài)控制點，指具備確定高程的控制點，包括車站。如車站高程不確定，由車站 所處區(qū)間平均高程勢確定。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于：所述 步驟S4中非靜態(tài)控制點為高程上有向上自由或向下自由變動的控制點，此類控制點在步 驟S5中進行檢測判斷后，對不滿足控制性要求的坡段進行局部調(diào)節(jié)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于：所述 步驟S5中的實時評估，是通過建立的一種地理區(qū)間劃分進行土石方調(diào)配平衡的快速評估 方式，它能夠?qū)o定的地面線、坡度線進行快速評估得到一個綜合的造價指標，從而用于判 定拉坡方案的優(yōu)劣，并幫助方案進行優(yōu)化設計。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于：所述 步驟1的過程分為如下幾個過程實現(xiàn)： 步驟S1-1，對給定的地面線采樣點LCi鏈數(shù)據(jù){(LC。，ZHci)，（LC1,ZH1)，……，（LCn，ZHn)}，ZHtlI表示各個點的高程，截取附近±500m里程范圍的所以采樣點，計算得到該點的平均高 程運^，作為該點的高程勢而存在，形成對采樣點的拓展數(shù)據(jù)（LC，ZH，&)，得到一條無 毛糙、光滑的地面線； 步驟S1-2,根據(jù)前后兩個采樣點的高程勢計算兩點間坡度值Κ，形成對采樣點的另一 維拓展數(shù)據(jù)（LC,ZH, ，Κ)，根據(jù)相鄰K值的比較，將相近的坡度進行整合，從而可以 簡化地面線上的采樣點數(shù)量； 步驟S1-3,根據(jù)前后兩個采樣點的高程勢，計算中間采樣點計算高程勢涵'，若中間采 樣點的實際高程勢五?與計算高程勢方?'的高差在一定控制范圍內(nèi)，表示它們存在線性關 系，則可以將中間采樣點剔除，得到進一步簡化的擬合地面線； 步驟S1-4,根據(jù)采樣點前后的變坡方向，從擬合地面線上過濾提取關鍵拐點，得到能夠 反映地面起伏形狀的輪廓線。
7. 根據(jù)權利要求6所述的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于：所述 步驟2的過程分為如下幾個過程實現(xiàn)： 步驟S2-1，按照規(guī)范要求的最短坡段要求，對短坡進行過濾，按最小計算高程差進行采 樣點的保留，從而可以確保坡長的合規(guī)配置； 步驟S2-2,通過坡段值K的分析，確立平地地段、溝谷地段，并通過附加說明信息字段， 即Mark字段進行類型標注，構成采樣點的性質(zhì)拓展(LC,ZH,ffl，K，Mark)，ZH表示 對應點的高程；同時過濾掉所有|K| >20的坡段，這些區(qū)域被視為群山或高地區(qū)域暫時屏 蔽掉；對連續(xù)的平地坡段進行合并構成一個坡段，對溝谷坡段按架橋方式直接移除溝底的 采樣點，形成直坡，構成參照線而存在。
8. 根據(jù)權利要求6所述的基于演繹法的縱斷面自動坡度生成方法，其特征在于：所述 步驟4的過程分為如下幾個過程實現(xiàn)： 步驟S4-1 :利用靜態(tài)控制點將整段區(qū)間分為若干個子區(qū)間，再分別針對各個子區(qū)間分 別進行設計； 步驟S4-2 :對截取的擬合坡度線，分別從區(qū)間起點向后，尾點向前進行兩次的坡度調(diào) 整遍歷，對其中坡度值大于規(guī)范要求的坡段，以給定的最大允可坡度配置計算確立下一采 樣點的允可高程值并進行順延調(diào)整； 步驟S4-3 :順延檢索過程中，對前述標注的山尖點進行人字坡或單坡排水設計；對標 注的高地點進行人字坡或拱坡排水設計；當高地的中央平地距離小于一定距離時，可視為 平頂高山，從中剔出高地點，并作為標注補充一個山尖點，按大山模式進行處理，設置人字 坡或單斜坡；高地中央平地距離超出給定距離閾值時，高地兩側(cè)的大坡度線可以通過雙向 順延進行自動調(diào)整，無須額外處理。
【文檔編號】G06F17/50GK104462692SQ201410750540
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權日:2014年12月9日
【發(fā)明者】韓元利, 陳燕平, 李朝鋒, 劉一平, 周德宏, 董云松 申請人:中鐵第四勘察設計院集團有限公司