鐵路數(shù)字選線關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、鐵路選線設(shè)計作為鐵路建設(shè)的先行和基礎(chǔ)，是一項總攬全局的核心工作。近年來，隨著我國鐵路的高速發(fā)展，鐵路設(shè)計任務(wù)日益繁重，數(shù)字選線技術(shù)作為提高線路設(shè)計質(zhì)量和效率的重要手段亟待深入研究。
　　自上世紀(jì)六十年代，國內(nèi)外許多學(xué)者對數(shù)字選線技術(shù)開展了大量研究，開發(fā)了一系列數(shù)字選線系統(tǒng)，但總體看來主要是針對鐵路選線部分設(shè)計階段的部分設(shè)計內(nèi)容，目前還沒有可面向各設(shè)計階段，涵蓋各項設(shè)計內(nèi)容的完整解決方案。
　　本文在系統(tǒng)分析鐵路各階段選線設(shè)計

2、需求和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)出目前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。在數(shù)字選線的前期規(guī)劃階段，重點開展了線路優(yōu)化方法研究;在精細(xì)設(shè)計階段，主要研究了面向鐵路新線、既有線及樞紐區(qū)選線的鐵路線形模型，關(guān)聯(lián)約束選線及既有線重構(gòu)與增改建等設(shè)計理論與方法;并對地理信息模型和網(wǎng)絡(luò)三維交互式可視化等貫穿數(shù)字選線各設(shè)計階段的基礎(chǔ)核心技術(shù)開展了深入研究;力圖較全面地解決從規(guī)劃到精細(xì)設(shè)計階段，鐵路新線、既有線增改建及樞紐等數(shù)字選線設(shè)計問題，主要研究內(nèi)容和成果如

3、下:
　　1.建立了面向鐵路數(shù)字選線的涵蓋地形、地質(zhì)、環(huán)境的地理信息模型。在既有數(shù)字地形模型研究基礎(chǔ)上，重點研究了數(shù)字地質(zhì)模型的構(gòu)建方法:對斷層線進(jìn)行三維空間拉伸構(gòu)建了斷層面模型;引入克里金插值算法在地層控制點較稀疏的區(qū)域補(bǔ)充虛擬控制點，以實測、虛擬控制點為頂點集，以地層邊界為約束邊集，基于約束Delaunay三角網(wǎng)理論構(gòu)建了地層面模型;采用“保守”的最小包圍長方體表示形態(tài)復(fù)雜的溶洞體模型，簡化了建模過程。針對離散和連續(xù)分布的地理

4、信息分別構(gòu)建了格網(wǎng)-R樹索引與格網(wǎng)-頂點-三角形索引，實現(xiàn)了空間地理信息的快速檢索。
　　2.建立了鐵路線路優(yōu)化模型，選擇反映空間線位的特征參數(shù)向量作為自變量，構(gòu)建了綜合考慮工程費、運(yùn)營費、環(huán)境影響代價及各種設(shè)計約束的目標(biāo)函數(shù);提出了基于分步編碼的改進(jìn)遺傳算法:構(gòu)建了由平面交點偏移距、平曲線半徑、變坡點標(biāo)高組成的基因序列;提出了先生成平面基因，再考慮平縱約束產(chǎn)生縱斷面基因，最后調(diào)整形成整體基因的分步編碼方法;遺傳進(jìn)化過程中，設(shè)計了

5、4種交叉算子（簡單交叉、兩點交叉、算術(shù)交叉和非均勻啟發(fā)式交叉）和3種變異算子（單點變異、多點變異、取直變異），可自動生成滿足各類約束條件，且綜合費用較省的線路方案群。
　　3.建立了3類鐵路線形設(shè)計模型，系統(tǒng)全面地解決了新建鐵路單、雙線、既有線增改建和樞紐的線形設(shè)計問題。針對基于絕對關(guān)系定線的新建單線鐵路和雙線中的基線，建立了邊界約束線形模型，采用各線元兩端幾何參數(shù)和約束條件表示線路，可方便地完成各類復(fù)雜的線形設(shè)計;針對鐵路Ⅱ線參

6、照基線定線的特點，提出了Ⅱ線的參照線形模型，定義了8類交點參照關(guān)系和2類區(qū)段參照關(guān)系，基于交點和區(qū)段的參照關(guān)系矩陣進(jìn)行線路幾何參數(shù)和里程的計算，實現(xiàn)了Ⅱ線的全線貫通設(shè)計，避免傳統(tǒng)方法中繁瑣的分段處理;在此基礎(chǔ)上，對參照線形模型進(jìn)行擴(kuò)展，在兩參照關(guān)系矩陣中加入?yún)⒄站€路編號向量，建立了可處理多線路參照關(guān)系的復(fù)合參照線形模型，解決了既有線增改建、樞紐設(shè)計中分區(qū)段參照不同線路進(jìn)行設(shè)計的問題。
　　4.既有數(shù)字選線系統(tǒng)多專注于單個設(shè)計對象的

7、設(shè)計，較少考慮各對象之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。本文通過對各類線路關(guān)聯(lián)約束的系統(tǒng)分析，揭示了關(guān)聯(lián)約束的耦合性和動態(tài)性特征;設(shè)計了關(guān)聯(lián)圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將各關(guān)聯(lián)對象及相互間的關(guān)聯(lián)約束關(guān)系構(gòu)建為一整體，即約束線路群;研制了約束線路群信息的動態(tài)更新算法，實現(xiàn)了設(shè)計過程中約束條件的自動檢算和關(guān)聯(lián)對象的自動更新;據(jù)此建立了關(guān)聯(lián)約束選線設(shè)計方法，成功應(yīng)用于線路方案群、線路與橋隧站的關(guān)聯(lián)設(shè)計。
　　5.提出了既有線線路自動恢復(fù)方法，首先設(shè)計了一個最長夾直線搜索算

8、法確定既有線的直線段，然后基于方向加速法對曲線段的半徑和緩長進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)對既有線平面線位的整體自動化重構(gòu);建立了既有線增改建設(shè)計的“Ⅱ線模式法”，將既有線增改建設(shè)計視為相對于既有線的Ⅱ線設(shè)計，以復(fù)合參照線形模型為理論基礎(chǔ)，通過給定交點參照關(guān)系即可實現(xiàn)既有線的各類增改建設(shè)計，且避免了傳統(tǒng)方法中繁瑣的分段處理，可全線貫通式設(shè)計。
　　6.深入研究了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鐵路三維場景的交互式可視化理論與方法，包括鐵路三維場景組織管理、模型簡化、數(shù)

9、據(jù)壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸策略等關(guān)鍵問題。建立了鐵路場景的有向無環(huán)圖，深度方向從總體到細(xì)節(jié)逐步細(xì)分，廣度方向按里程分段或模型類型進(jìn)行劃分，標(biāo)準(zhǔn)模型被多個結(jié)點共享，實現(xiàn)了鐵路場景的高效組織與管理;提出了顧及約束的半邊折疊誤差度量方法，在服務(wù)器端采用半邊折疊操作對初始鐵路模型進(jìn)行高效簡化，并生成操作層次樹;建立了遠(yuǎn)程視相關(guān)模型重構(gòu)準(zhǔn)則，在操作層次樹上確定需傳輸至客戶端的視相關(guān)結(jié)點數(shù)據(jù);提出了一種預(yù)測編碼方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效壓縮;并綜合應(yīng)用約束邊優(yōu)先策略