劉 威 胡光常 唐文建 麻丁一

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

鐵路智能選線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

劉 威 胡光常 唐文建 麻丁一

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

目前鐵路選線設(shè)計(jì)基本依賴(lài)于設(shè)計(jì)工程師的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地形、地質(zhì)等因素決策出最終線路空間位置，存在設(shè)計(jì)強(qiáng)度大，比選方案有限，決策周期長(zhǎng)等缺陷。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展及鐵路建設(shè)由東部平原向西部復(fù)雜山區(qū)的轉(zhuǎn)變，高度復(fù)雜的環(huán)境使空間線位設(shè)計(jì)變得異常困難，選線周期大大增長(zhǎng)，亟需一種高效的選線方法解決上述難題。文章介紹了一個(gè)結(jié)合人工智能、地理信息等技術(shù)開(kāi)發(fā)的鐵路三維空間智能選線系統(tǒng)及其在鐵路線網(wǎng)規(guī)劃中的實(shí)際運(yùn)用，實(shí)踐表明該智能選線系統(tǒng)能夠在給定選線參數(shù)、約束條件的基礎(chǔ)上，在選線區(qū)域內(nèi)快速優(yōu)選多個(gè)走廊帶，并給出合理的推薦方案，可有效提高選線工作的效率與質(zhì)量，節(jié)約工程投資。

鐵路； 線路設(shè)計(jì)； 線網(wǎng)規(guī)劃； 智能選線

1 前言

鐵路作為國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著重要作用。當(dāng)前，我國(guó)鐵路建設(shè)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，依據(jù)國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃：“到2020年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12萬(wàn)公里以上，建設(shè)客運(yùn)專(zhuān)線1.6萬(wàn)公里以上”。時(shí)值“十三五”規(guī)劃的編制年，國(guó)家鐵路局公布：“十三五”期間，全國(guó)計(jì)劃建設(shè)鐵路新線2.3萬(wàn)公里，總投資2.8萬(wàn)億元，基本和“十二五”規(guī)劃持平；加上我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略計(jì)劃的實(shí)施，鐵路建設(shè)將成為國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的核心組成部分，今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，鐵路設(shè)計(jì)部門(mén)將繼續(xù)面臨巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

在鐵路各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)中，鐵路選線設(shè)計(jì)是“龍頭”。理想的線路設(shè)計(jì)，不僅需要空間位置的幾何設(shè)計(jì)[1]，與此同時(shí)還需要根據(jù)沿線的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)線路上橋、隧、站等結(jié)構(gòu)物的優(yōu)化配置，使其互相配合，達(dá)到總體上的協(xié)同最優(yōu)[2,3]。智能選線指在線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定的情況下，通過(guò)優(yōu)化算法、知識(shí)工程、計(jì)算機(jī)信息等的綜合應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及約束條件的路線方案群，且可給出一定數(shù)量的推薦方案的一種方法[4]。近年，很多專(zhuān)家致力于線路和車(chē)站選址優(yōu)化研究，取得了一定進(jìn)展[5-8]，但是并沒(méi)有真正意義實(shí)現(xiàn)鐵路選線的自動(dòng)化。澳大利亞曠達(dá)路線三維優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)，能夠在給定相關(guān)搜索參數(shù)、約束條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，短時(shí)間內(nèi)生成具有價(jià)值的線路方案群，但是由于商業(yè)機(jī)密及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等原因，其算法及模型難以借鑒。因此，結(jié)合人工智能、計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)，深入研究智能選線技術(shù)，開(kāi)發(fā)適用于我國(guó)國(guó)情的智能選線系統(tǒng)，對(duì)提高選線工作效率和質(zhì)量，節(jié)約投資有著重大意義。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

依托中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司交規(guī)院課題“鐵路三維空間智能選線技術(shù)研究及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”，結(jié)合鐵路線路規(guī)劃特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了鐵路三維空間智能選線系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要面向鐵路選線設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，主要功能有：數(shù)字地形、影像的自動(dòng)提取、智能選線綜合地理信息模型的構(gòu)建、區(qū)間內(nèi)車(chē)站及走向的自動(dòng)生成、走向到線路的自動(dòng)擬合、方案的分析評(píng)價(jià)、圖表輸出及三維可視化等。

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)框架如下：

(1)構(gòu)建鐵路智能優(yōu)化綜合地理信息模型。建立格網(wǎng)分布模型實(shí)現(xiàn)對(duì)智能優(yōu)化數(shù)據(jù)的一體化存儲(chǔ)，基于內(nèi)存文件映射技術(shù)，對(duì)海量智能優(yōu)化信息數(shù)據(jù)進(jìn)行高效組織與管理，構(gòu)建高效的空間索引機(jī)制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過(guò)程所需要數(shù)據(jù)塊的快速訪問(wèn)，為智能選線提供基礎(chǔ)條件。

(2)建立滿足車(chē)站選址及線路設(shè)計(jì)約束的鐵路智能選線優(yōu)化模型，基于綜合地理信息模型，提出以先定站址中心后定站坪方向的方法，實(shí)現(xiàn)站址的自動(dòng)搜索；利用智能搜索算法，對(duì)空間線路走向進(jìn)行自動(dòng)全局搜索，保證了復(fù)雜約束條件下線路走向方案群的多樣性；最后利用平縱擬合方法實(shí)現(xiàn)三維空間線路方案群的自動(dòng)生成。

(3)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與鐵路線路精細(xì)設(shè)計(jì)軟件RLDVS及鐵路線路規(guī)劃軟件GERail無(wú)縫銜接，可在其中直接進(jìn)行優(yōu)化選線方案的進(jìn)一步設(shè)計(jì)及成果輸出等工作，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

系統(tǒng)總體框架模塊如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化流程圖

本系統(tǒng)優(yōu)化流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架模塊圖

圖2 鐵路三維空間智能選線系統(tǒng)操作流程圖

3 案例分析

選取四川山嶺重丘區(qū)規(guī)劃研究鐵路甘石線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，選線區(qū)域位于四川盆地南緣向云貴高原過(guò)渡地帶，境內(nèi)嶺高谷深，嶺谷相間，河流縱橫，最高海拔5 793 m，最低海拔780 m，為典型西南復(fù)雜山區(qū)的選線設(shè)計(jì)。利用Google定位至該地區(qū)，影像風(fēng)貌如圖3所示。

圖3 甘石線影像圖

用開(kāi)發(fā)的鐵路三維空間智能選線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化選線，該鐵路為Ⅲ級(jí)單線鐵路，起點(diǎn)與終點(diǎn)的直線航空距離約為28 km，人工設(shè)計(jì)線路長(zhǎng)度約為51 km，展線系數(shù)為1.8，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 甘石線優(yōu)化主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

分別設(shè)置線路起終點(diǎn)坐標(biāo)為：起點(diǎn)(3207449.934，34574028.482，1040)，終點(diǎn)(3217951.982，34547204.953，2022)。

初選優(yōu)化控制參數(shù)設(shè)置情況如表2。

表2 甘石線優(yōu)化控制參數(shù)設(shè)置

優(yōu)化選線在惠普Z(yǔ)600工作站(4核2.13G CPU，4G內(nèi)存，1T硬盤(pán))上進(jìn)行，搜索區(qū)域的范圍約為36 km×33 km。自動(dòng)選線過(guò)程中，建立鐵路綜合地理信息模型的格網(wǎng)規(guī)模為1 317×1 216，建模時(shí)間約為2分鐘，優(yōu)化總計(jì)耗時(shí)2小時(shí)，生成322個(gè)具有差異的方案。選取具有代表性的走向進(jìn)行線路擬合，人工方案與系統(tǒng)生成方案的平面如圖4。

圖4 甘石線系統(tǒng)生成方案與人工方案平面圖

為了證明系統(tǒng)生成方案的合理性，將人工方案與系統(tǒng)生成最優(yōu)方案導(dǎo)入RLDVS中，在該系統(tǒng)下將人工方案與機(jī)選最優(yōu)方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 甘石線人工方案與系統(tǒng)生成最優(yōu)方案對(duì)比表

由表3可知，機(jī)選方案線路長(zhǎng)度比人工選線長(zhǎng)度短1 500 m，橋隧比相對(duì)較低，共節(jié)省投資費(fèi)用4.4%。說(shuō)明開(kāi)發(fā)的三維空間智能選線系統(tǒng)在山嶺重丘區(qū)能夠依據(jù)地形合理展線，搜索出具有研究?jī)r(jià)值的線路方案群。

4 結(jié)論

開(kāi)發(fā)的鐵路三維空間智能選線系統(tǒng)能夠在給定選線參數(shù)、約束條件的基礎(chǔ)上，在選線區(qū)域快速優(yōu)選多個(gè)走廊帶，并給出可提供設(shè)計(jì)人員參考、甚至決策的線路方案群，尤其在選線環(huán)境高度復(fù)雜的情況下，還能克服高差大、展線難，難以找到可行性通道的問(wèn)題，搜索出多樣化的線路方案。同時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與鐵路線路規(guī)劃、精細(xì)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)GERail及RLDVS的無(wú)縫銜接，優(yōu)化成果可在這兩個(gè)設(shè)計(jì)軟件中完成進(jìn)一步設(shè)計(jì)和成果輸出，顯著提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

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Development and Application of Intelligent Railway Route Selection System

LIU Wei HU Guangchang TANG Wenjian MA Dingyi

(China Railway Eryuan Engineering Group Co. , Ltd. ,Chengdu 610031, China)

At present, railway alignment design mainly depends on knowledge and experience of the engineers, and combining with the landform of the survey region where exist defects such as more amount of labour, less scheme and longer decision period. With the rapid development of high-speed railway and the construction locations transform from plains in the east China to mountainous areas in the west China which makes it difficult to design the alignment. Therefore, this paper deeply studies the intelligent optimization technology by combining the artificial intelligence, GIS and related technologies. Based on this paper the intelligent railway route selection system is developed and is applied on the railway alignment planning. The practice shows that the developed system can search corridor zones and give the recommended schemes in both plains and mountainous areas under theconstrains and the related technical parameters which is important to improve the quality, working efficiency and investment.

railway; alignment design; alignment networks planning; intelligent railway route selection

2015-08-12

劉威(1987-)，男，助理工程師。

1674—8247(2016)02—0054—04

TP391.72

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