铁路数字选线关键技术研究与应用

【摘要】摘要：铁路选线设计作为铁路建设的先行和基础,是一项总揽全局的核心工作。近年来,随着我国铁路的高速发展,铁路设计任务日益繁重,数字选线技术作为提高线路设计质量和效率的重要手段亟待深入研究。自上世纪六十年代,国内外许多学者对数字选线技术开展了大量研究,开发了一系列数字选线系统,但总体看来主要是针对铁路选线部分设计阶段的部分设计内容,目前还没有可面向各设计阶段,涵盖各项设计内容的完整解决方案。本文在系统分析铁路各阶段选线设计需求和国内外研究现状的基础上,总结出目前亟待解决的关键技术问题。在数字选线的前期规划阶段,重点开展了线路优化方法研究；在精细设计阶段,主要研究了面向铁路新线、既有线及枢纽区选线的铁路线形模型,关联约束选线及既有线重构与增改建等设计理论与方法；并对地理信息模型和网络三维交互式可视化等贯穿数字选线各设计阶段的基础核心技术开展了深入研究；力图较全面地解决从规划到精细设计阶段,铁路新线、既有线增改建及枢纽等数字选线设计问题,主要研究内容和成果如下：1.建立了面向铁路数字选线的涵盖地形、地质、环境的地理信息模型。在既有数字地形模型研究基础上,重点研究了数字地质模型的构建方法：对断层线进行三维空间拉伸构建了断层面模型；引入克里金插值算法在地层控制点较稀疏的区域补充虚拟控制点,以实测、虚拟控制点为顶点集,以地层边界为约束边集,基于约束Delaunay三角网理论构建了地层面模型；采用“保守”的最小包围长方体表示形态复杂的溶洞体模型,简化了建模过程。针对离散和连续分布的地理信息分别构建了格网-R树索引与格网-顶点-三角形索引,实现了空间地理信息的快速检索。2.建立了铁路线路优化模型,选择反映空间线位的特征参数向量作为自变量,构建了综合考虑工程费、运营费、环境影响代价及各种设计约束的目标函数；提出了基于分步编码的改进遗传算法：构建了由平面交点偏移距、平曲线半径、变坡点标高组成的基因序列；提出了先生成平面基因,再考虑平纵约束产生纵断面基因,最后调整形成整体基因的分步编码方法；遗传进化过程中,设计了4种交叉算子(简单交叉、两点交叉、算术交叉和非均匀启发式交叉)和3种变异算子(单点变异、多点变异、取直变异),可自动生成满足各类约束条件,且综合费用较省的线路方案群。3.建立了3类铁路线形设计模型,系统全面地解决了新建铁路单、双线、既有线增改建和枢纽的线形设计问题。针对基于绝对关系定线的新建单线铁路和双线中的基线,建立了边界约束线形模型,采用各线元两端几何参数和约束条件表示线路,可方便地完成各类复杂的线形设计；针对铁路Ⅱ线参照基线定线的特点,提出了Ⅱ线的参照线形模型,定义了8类交点参照关系和2类区段参照关系,基于交点和区段的参照关系矩阵进行线路几何参数和里程的计算,实现了Ⅱ线的全线贯通设计,避免传统方法中繁琐的分段处理；在此基础上,对参照线形模型进行扩展,在两参照关系矩阵中加入参照线路编号向量,建立了可处理多线路参照关系的复合参照线形模型,解决了既有线增改建、枢纽设计中分区段参照不同线路进行设计的问题。4.既有数字选线系统多专注于单个设计对象的设计,较少考虑各对象之间的复杂关联。本文通过对各类线路关联约束的系统分析,揭示了关联约束的耦合性和动态性特征；设计了关联图的数据结构将各关联对象及相互间的关联约束关系构建为一整体,即约束线路群；研制了约束线路群信息的动态更新算法,实现了设计过程中约束条件的自动检算和关联对象的自动更新；据此建立了关联约束选线设计方法,成功应用于线路方案群、线路与桥隧站的关联设计。5.提出了既有线线路自动恢复方法,首先设计了一个最长夹直线搜索算法确定既有线的直线段,然后基于方向加速法对曲线段的半径和缓长进行优化,实现对既有线平面线位的整体自动化重构；建立了既有线增改建设计的“Ⅱ线模式法”,将既有线增改建设计视为相对于既有线的Ⅱ线设计,以复合参照线形模型为理论基础,通过给定交点参照关系即可实现既有线的各类增改建设计,且避免了传统方法中繁琐的分段处理,可全线贯通式设计。6.深入研究了网络环境下铁路三维场景的交互式可视化理论与方法,包括铁路三维场景组织管理、模型简化、数据压缩、网络传输策略等关键问题。建立了铁路场景的有向无环图,深度方向从总体到细节逐步细分,广度方向按里程分段或模型类型进行划分,标准模型被多个结点共享,实现了铁路场景的高效组织与管理；提出了顾及约束的半边折叠误差度量方法,在服务器端采用半边折叠操作对初始铁路模型进行高效简化,并生成操作层次树；建立了远程视相关模型重构准则,在操作层次树上确定需传输至客户端的视相关结点数据；提出了一种预测编码方法对数据进行有效压缩；并综合应用约束边优先策略,多线程下载、缓存技术实现了铁路场景的远程交互式可视化。7.应用本研究的理论与方法,与课题组成员共同开发了“铁路三维空间线路优化系统”、“新建铁路数字选线系统”、“既有铁路改建与增建二线数字选线系统”、“铁路枢纽数字选线系统”、“地铁数字选线系统”等铁路数字选线系列软件产品,已在国内80%的铁路勘察设计单位推广使用,现已成为国内铁路行业数字选线推广应用最广、产品最丰富的软件系统。
【作者】李伟；
【导师】蒲浩；
【作者基本信息】中南大学，交通运输工程，2014，博士
【关键词】铁路选线；计算机辅助设计；数字选线；线形模型；线路优化；既有线改建；三维可视化；

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