本發(fā)明涉及水利工程，尤其涉及水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)有技術(shù)中，水利工程中的土石方施工通常依賴于傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械操作。這些方法通常包括地形測(cè)量、土方量估算、施工規(guī)劃及機(jī)械調(diào)度等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的地形測(cè)量主要依靠人工測(cè)量或簡(jiǎn)單的gps設(shè)備，土方量的計(jì)算也多依賴于手工估算或低精度的軟件工具。此外，施工規(guī)劃和機(jī)械調(diào)度通常基于施工人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的優(yōu)化手段，整體效率較低。

2、然而，現(xiàn)有技術(shù)存在一些顯著的不足。首先，傳統(tǒng)的地形測(cè)量和數(shù)據(jù)采集手段精度有限，容易導(dǎo)致后續(xù)施工中的錯(cuò)誤和資源浪費(fèi)。其次，土石方的填挖平衡往往缺乏系統(tǒng)的優(yōu)化策略，造成運(yùn)輸距離不合理、施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及設(shè)備利用率低下。此外，施工過(guò)程中的環(huán)境因素和資源調(diào)度問(wèn)題無(wú)法得到有效解決，導(dǎo)致成本控制和項(xiàng)目進(jìn)度管理困難。

3、因此，迫切需要一種能夠提高土石方施工精度和效率的方法及系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供一種水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化方法及系統(tǒng)，以提高水利工程的施工效率。

2、本技術(shù)提供一種水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化方法，包括：

3、利用激光掃描儀、無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備及gps定位裝置，對(duì)水利工程的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息；

4、確定與水利工程相關(guān)的施工要求，包括施工進(jìn)度、施工順序、資源可用性、環(huán)境限制和成本控制；

5、基于所采集的地形數(shù)據(jù)、土石方分布信息以及設(shè)定的施工要求，利用遺傳算法進(jìn)行土石方填挖平衡優(yōu)化，獲得最優(yōu)的土石方填挖平衡方案，其中，所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案包括施工路線、設(shè)備調(diào)度計(jì)劃和資源分配方案；

6、根據(jù)所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案進(jìn)行水利工程施工。

7、更進(jìn)一步地，所述利用激光掃描儀、無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備及gps定位裝置，對(duì)水利工程的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息，包括：

8、使用激光掃描儀對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高精度的地形掃描，通過(guò)激光掃描儀發(fā)射激光脈沖并測(cè)量其反射時(shí)間；基于反射時(shí)間生成包括施工區(qū)域內(nèi)地形起伏、坡度和邊界信息的初始三維地形模型。

9、利用搭載航測(cè)設(shè)備的無(wú)人機(jī)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行航拍，利用航拍設(shè)備拍攝高分辨率圖像；使用影像拼接技術(shù)生成施工現(xiàn)場(chǎng)的二維正射影像圖和三維影像模型；將生成的三維影像模型與初始三維地形模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成綜合三維地形模型；

10、應(yīng)用gps定位裝置對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行精確定位；將獲得的gps定位信息與綜合三維地形模型進(jìn)行同步標(biāo)定，建立統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系，以確保所有地形數(shù)據(jù)在空間上的一致性；

11、將激光掃描數(shù)據(jù)、航拍影像數(shù)據(jù)和gps定位數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，生成高精度、高分辨率的施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字地形模型；

12、基于所述數(shù)字地形模型提取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息。

13、更進(jìn)一步地，所述使用激光掃描儀對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高精度的地形掃描，包括：

14、在進(jìn)行激光掃描之前，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，將施工區(qū)域分為若干個(gè)掃描子區(qū)域，并針對(duì)每個(gè)子區(qū)域設(shè)置掃描參數(shù)，包括掃描角度、掃描密度和掃描范圍，以適應(yīng)各子區(qū)域的地形特征和土石方分布特點(diǎn)；

15、在完成各子區(qū)域的掃描后，對(duì)所有子區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和整合，以生成施工現(xiàn)場(chǎng)的初始三維地形模型，從而確保模型的完整性和精度。

16、更進(jìn)一步地，所述將激光掃描數(shù)據(jù)、航拍影像數(shù)據(jù)和gps定位數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，生成高精度、高分辨率的施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字地形模型，包括：

17、對(duì)激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行精度校正，通過(guò)比對(duì)gps定位裝置獲取的關(guān)鍵點(diǎn)位置，調(diào)整激光掃描數(shù)據(jù)中的高程和位置信息；

18、對(duì)航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，以糾正影像中的畸變和投影誤差，使其與激光掃描數(shù)據(jù)和gps定位數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一致；

19、在綜合處理過(guò)程中，優(yōu)先采用高精度數(shù)據(jù)源的位置信息，以提高最終生成的施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字地形模型的精度和可靠性。

20、更進(jìn)一步地，所述基于所采集的地形數(shù)據(jù)、土石方分布信息以及設(shè)定的施工要求，利用遺傳算法進(jìn)行土石方填挖平衡優(yōu)化，獲得最優(yōu)的土石方填挖平衡方案，包括：

21、步驟p101：初始化一個(gè)種群，所述種群包括多個(gè)個(gè)體；每個(gè)個(gè)體代表一種特定的土石方填挖平衡方案，所述土石方填挖平衡方案考慮到施工路線、設(shè)備調(diào)度計(jì)劃和資源分配方案；

22、步驟p102：對(duì)該種群中的每一個(gè)個(gè)體進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，所述性能評(píng)價(jià)基于預(yù)定義的多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行，所述多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)綜合考慮填挖平衡、施工效率、資源利用率和成本控制目標(biāo)；

23、步驟p103：進(jìn)行非支配排序，將種群中的個(gè)體根據(jù)在各優(yōu)化目標(biāo)上的表現(xiàn)進(jìn)行排序，個(gè)體間的比較基于個(gè)體的多目標(biāo)適應(yīng)度分?jǐn)?shù)；根據(jù)所述非支配排序，選擇優(yōu)秀個(gè)體進(jìn)入下一代種群；

24、步驟p104：對(duì)下一代種群執(zhí)行交叉和變異操作，以生成新的土石方填挖平衡方案；

25、步驟p105：重復(fù)執(zhí)行步驟p102至p104，直到達(dá)到預(yù)定的迭代次數(shù)或指定的性能指標(biāo)滿足停止條件。

26、更進(jìn)一步地，所述預(yù)定義的多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)采用如下的公式1：

27、

28、其中，fitness表示適應(yīng)度評(píng)分；wbalance表示土石方填挖平衡度；wefficiency表示施工效率；wutilization表示資源利用率；wcost表示成本控制；k、α、β、γ和δ是權(quán)重系數(shù)；

29、其中，土石方填挖平衡度wbalance通過(guò)如下的公式2進(jìn)行計(jì)算：

30、

31、其中，vfill,i表示第i個(gè)施工區(qū)的填方體積；vcut,i表示第i個(gè)施工區(qū)的挖方體積；n表示施工區(qū)的總數(shù)量；di表示第i個(gè)施工區(qū)內(nèi)，土石方從挖掘點(diǎn)到指定填埋點(diǎn)的平均運(yùn)輸距離；dmax表示所有施工區(qū)中土石方從挖掘點(diǎn)到指定填埋點(diǎn)的最大平均運(yùn)輸距離；

32、施工效率wefficiency通過(guò)如下的公式3進(jìn)行計(jì)算：

33、

34、tactual為實(shí)際施工時(shí)間；tplanned為計(jì)劃施工時(shí)間；uj表示第j個(gè)設(shè)備的利用率；n為設(shè)備的總數(shù)量；

35、資源利用率wutilization通過(guò)如下的公式4進(jìn)行計(jì)算：

36、

37、其中，ractual,j表示第j個(gè)資源在施工過(guò)程中實(shí)際使用的量；ravailable,j表示第j個(gè)資源的可用量；m為資源的總數(shù)量；

38、表示成本控制wcost通過(guò)如下的公式5進(jìn)行計(jì)算：

39、

40、其中，cactual為實(shí)際施工成本；cbudget為預(yù)算成本；ctransport,j表示第j個(gè)運(yùn)輸任務(wù)的成本；ctransport,max為所有運(yùn)輸任務(wù)中最高的運(yùn)輸成本；p表示運(yùn)輸任務(wù)的總數(shù)量。

41、更進(jìn)一步地，所述交叉操作包括：

42、選擇至少兩個(gè)優(yōu)選的土石方填挖平衡方案作為父代個(gè)體；

43、基于各父代個(gè)體的施工路線、設(shè)備調(diào)度計(jì)劃和資源分配方案，通過(guò)分析施工區(qū)域的地形復(fù)雜度和土石方分布特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整交叉點(diǎn)的位置，以生成新的子代個(gè)體，使得子代個(gè)體的施工路線能夠更好地適應(yīng)特定的地形條件，優(yōu)化運(yùn)輸路徑和資源調(diào)度的效率。

44、更進(jìn)一步地，所述變異操作包括：

45、施工路線參數(shù)的變異通過(guò)微調(diào)路徑中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置來(lái)適應(yīng)局部地形變化，同時(shí)保持原有路徑的整體結(jié)構(gòu)；

46、設(shè)備調(diào)度計(jì)劃和資源分配方案的變異通過(guò)調(diào)整資源優(yōu)先級(jí)，對(duì)資源利用率較低的部分進(jìn)行優(yōu)化，重新分配資源以提高整體資源利用率。

47、更進(jìn)一步地，所述變異操作包括：

48、在復(fù)雜地形中提高變異率，增加探索新路徑的可能性；

49、在簡(jiǎn)單地形中降低變異率，以保持當(dāng)前方案的穩(wěn)定性。

50、本技術(shù)提供一種水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

51、獲取單元，用于利用激光掃描儀、無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備及gps定位裝置，對(duì)水利工程的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息；

52、確定單元，用于確定與水利工程相關(guān)的施工要求，包括施工進(jìn)度、施工順序、資源可用性、環(huán)境限制和成本控制；

53、獲得單元，用于基于所采集的地形數(shù)據(jù)、土石方分布信息以及設(shè)定的施工要求，利用遺傳算法進(jìn)行土石方填挖平衡優(yōu)化，獲得最優(yōu)的土石方填挖平衡方案，其中，所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案包括施工路線、設(shè)備調(diào)度計(jì)劃和資源分配方案；

54、執(zhí)行單元，用于根據(jù)所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案進(jìn)行水利工程施工。

55、本技術(shù)提供的技術(shù)方案的有益效果包括：

56、(1)通過(guò)利用激光掃描儀、無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備及gps定位裝置對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集，本發(fā)明能夠精確獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息。這種高精度的數(shù)據(jù)采集大大提高了土石方填挖平衡方案的準(zhǔn)確性，確保施工過(guò)程能夠緊密貼合實(shí)際地形條件，減少誤差和返工。(2)本發(fā)明通過(guò)綜合考慮施工進(jìn)度、資源可用性和成本控制等因素，利用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，生成最優(yōu)的土石方填挖平衡方案。優(yōu)化后的方案不僅能夠提高施工效率，還能夠最大化資源的利用率，避免資源浪費(fèi)，降低施工成本。(3)本發(fā)明的優(yōu)化方法能夠根據(jù)不同施工區(qū)域的地形復(fù)雜度，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工路線和資源分配方案。通過(guò)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)化策略，能夠在復(fù)雜地形中找到更為有效的施工方案，同時(shí)在簡(jiǎn)單地形中保持方案的穩(wěn)定性，確保施工的連貫性和整體效率。(4)通過(guò)精確的施工規(guī)劃和優(yōu)化的設(shè)備調(diào)度，本發(fā)明有效減少了土石方運(yùn)輸距離和施工時(shí)間，從而降低了施工成本。此外，合理的資源分配和設(shè)備使用計(jì)劃有助于減少能源消耗和環(huán)境影響，提升工程的可持續(xù)性。