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(jì)作為鐵路建設(shè)的先行和基礎(chǔ)，是一項(xiàng)總攬全局的核心工作。近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路的高速發(fā)展，鐵路設(shè)計(jì)任務(wù)日益繁重，數(shù)字選線技術(shù)作為提高線路設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)數(shù)字選線技術(shù)開(kāi)展了大量研究，開(kāi)發(fā)了一系列數(shù)字選線系統(tǒng)，但總體看來(lái)主要是針對(duì)鐵路選線部分設(shè)計(jì)階段的部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，目前還沒(méi)有可面向各設(shè)計(jì)階段，涵蓋各項(xiàng)設(shè)計(jì)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(jì)

2、需求和國(guó)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(wèn)題。在數(shù)字選線的前期規(guī)劃階段，重點(diǎn)開(kāi)展了線路優(yōu)化方法研究;在精細(xì)設(shè)計(jì)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(jì)理論與方法;并對(duì)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(jì)階段的基礎(chǔ)核心技術(shù)開(kāi)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(jì)階段，鐵路新線、既有線增改建及樞紐等數(shù)字選線設(shè)計(jì)問(wèn)題，主要研究?jī)?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(diǎn)研究了數(shù)字地質(zhì)模型的構(gòu)建方法:對(duì)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(diǎn)較稀疏的區(qū)域補(bǔ)充虛擬控制點(diǎn)，以實(shí)測(cè)、虛擬控制點(diǎn)為頂點(diǎn)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(zhǎng)方體表示形態(tài)復(fù)雜的溶洞體模型，簡(jiǎn)化了建模過(guò)程。針對(duì)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(shù)索引與格網(wǎng)-頂點(diǎn)-三角形索引，實(shí)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(fèi)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)、環(huán)境影響代價(jià)及各種設(shè)計(jì)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(diǎn)偏移距、平曲線半徑、變坡點(diǎn)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(guò)程中，設(shè)計(jì)了

5、4種交叉算子（簡(jiǎn)單交叉、兩點(diǎn)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(diǎn)變異、多點(diǎn)變異、取直變異），可自動(dòng)生成滿(mǎn)足各類(lèi)約束條件，且綜合費(fèi)用較省的線路方案群。
　　3.建立了3類(lèi)鐵路線形設(shè)計(jì)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(jì)問(wèn)題。針對(duì)基于絕對(duì)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(lèi)復(fù)雜的線形設(shè)計(jì);針對(duì)鐵路Ⅱ線參

6、照基線定線的特點(diǎn)，提出了Ⅱ線的參照線形模型，定義了8類(lèi)交點(diǎn)參照關(guān)系和2類(lèi)區(qū)段參照關(guān)系，基于交點(diǎn)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(jì)算，實(shí)現(xiàn)了Ⅱ線的全線貫通設(shè)計(jì)，避免傳統(tǒng)方法中繁瑣的分段處理;在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(hào)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(jì)中分區(qū)段參照不同線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
　　4.既有數(shù)字選線系統(tǒng)多專(zhuān)注于單個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象的

7、設(shè)計(jì)，較少考慮各對(duì)象之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。本文通過(guò)對(duì)各類(lèi)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(dòng)態(tài)性特征;設(shè)計(jì)了關(guān)聯(lián)圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將各關(guān)聯(lián)對(duì)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(dòng)態(tài)更新算法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程中約束條件的自動(dòng)檢算和關(guān)聯(lián)對(duì)象的自動(dòng)更新;據(jù)此建立了關(guān)聯(lián)約束選線設(shè)計(jì)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(jì)。
　　5.提出了既有線線路自動(dòng)恢復(fù)方法，首先設(shè)計(jì)了一個(gè)最長(zhǎng)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(duì)曲線段的半徑和緩長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有線平面線位的整體自動(dòng)化重構(gòu);建立了既有線增改建設(shè)計(jì)的“Ⅱ線模式法”，將既有線增改建設(shè)計(jì)視為相對(duì)于既有線的Ⅱ線設(shè)計(jì)，以復(fù)合參照線形模型為理論基礎(chǔ)，通過(guò)給定交點(diǎn)參照關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)既有線的各類(lèi)增改建設(shè)計(jì)，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(jì)。
　　6.深入研究了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鐵路三維場(chǎng)景的交互式可視化理論與方法，包括鐵路三維場(chǎng)景組織管理、模型簡(jiǎn)化、數(shù)

9、據(jù)壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸策略等關(guān)鍵問(wèn)題。建立了鐵路場(chǎng)景的有向無(wú)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(lèi)型進(jìn)行劃分，標(biāo)準(zhǔn)模型被多個(gè)結(jié)點(diǎn)共享，實(shí)現(xiàn)了鐵路場(chǎng)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(duì)初始鐵路模型進(jìn)行高效簡(jiǎn)化，并生成操作層次樹(shù);建立了遠(yuǎn)程視相關(guān)模型重構(gòu)準(zhǔn)則，在操作層次樹(shù)上確定需傳輸至客戶(hù)端的視相關(guān)結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù);提出了一種預(yù)測(cè)編碼方法對(duì)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