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既有铁路线路改建设计优化模型与方法.pdf
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1、第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023既有铁路线路改建设计优化模型与方法王杰1,2,5,符慧丹3,4,孟存喜1,2,蒲浩3,4,李伟3,4(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043;2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),陕西 西安 710043;3.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;4.高速铁路建造技术国家工程研究中心,湖南 长沙 410075;5.中国铁路经济规划研究院,
2、北京 100038)摘要:随着铁路客货运量需求大幅度增长,为增强铁路网的运输能力,除了新建铁路之外,大量等级较低的既有铁路急需进行改建。目前,既有铁路线路改建设计依赖于人工经验,因此急需对既有铁路线路智能化改建设计开展研究,以提高改建的质量与效率。但是,现有的线路优化研究大多集中于新建铁路线路,几乎没有考虑既有线路与改建线路之间的复杂耦合关系,而导致这些方法无法直接运用于既有铁路线路改建优化设计中。针对铁路线路改建设计优化模型与方法,首先需要构建既有铁路线路改建优化模型。在该优化模型中,以逐层检测智能化分段结果中的线形几何参数作为设计变量,以改建综合工程费用为目标函数,并考虑几何、结构物和禁区
3、3种复杂约束。为求解上述模型,提出“两阶段”改建优化方法。在第1阶段中,构建一种逐层筛选自动分段机制,根据改建线路设计标准、工程师设计需求等限制因素,将既有铁路线路划分为若干个利用段和改建段。在第2阶段中,基于广义距离变换算法,考虑改建段与相邻利用段之间的复杂耦合关系,提出一种“多向扫描”策略,运用于搜索研究区域内最优的改建线路。将上述优化模型与方法运用于一个复杂的实际铁路案例,最终机选方案要比最优人工方案节省7.2%的改建综合工程费用。通过详细结果分析验证了本文方法的有效性。关键词:铁路设计;既有铁路改建;线路优化;约束优化;距离变换算法中图分类号:U212.3 文献标志码:A 开放科学(资
4、源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)11-4117-11Optimization model and method for existing railway alignment reconstructionWANG Jie1,2,5,FU Huidan3,4,MENG Cunxi1,2,PU Hao3,4,LI Wei3,4(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xian 710043,China;2.State Key Laboratory of Rail Transit
5、 Engineering Informatization(CFSDI),Xian 710043,China;3.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;4.National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology,Changsha 410075,China;5.China Railway Economic and Planning Research Institute,Beiji
6、ng 100038,China)收稿日期:2022-11-21基金项目:交通运输行业高层次人才培养项目(2017-004);国家自然科学基金资助项目(52078497);轨道交通工程信息化国家重点实验室(铁一院)开放基金资助项目(SSLK21-08);湖南省高校创新平台开放基金资助项目(20K140);中铁一院科研项目(院科18-60)通信作者:蒲浩(1973),男,四川南充人,教授,博士,从事铁路线站数字化设计理论与方法研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222224铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月Abstract:With th
7、e substantial growth of railway traffic demand,to enhance the transport capacity of the railway network,in addition to new railways,numerous low-grade existing railways need to be reconstructed.At present,the reconstruction of existing railways largely depends on manual design.Thus,to improve the qu
8、ality and efficiency of reconstruction design,it is urgent to study the intelligent reconstruction of existing railway alignments.However,most of the existing researches on alignment optimization focus on new railway alignments,without considering the complex coupling relations between existing and
9、reconstructed alignments.Thus,these methods cannot be directly applied to the optimization design of existing railway alignment reconstruction.For the optimization model and method for existing railway alignment reconstruction,an optimization model was developed by defining the geometric parameters
10、of the automatic segmentation results as design variables.The reconstruction cost was formulated as an objective function,and three categories of constraints(geometric,structural and location constraints)were considered.To solve this model,a two-stage method was developed.Firstly,an automatic segmen
11、tation mechanism for sequential screening was proposed for segmenting existing alignments into reused and reconstructed sections.Then,a multi-directional scanning strategy was devised and incorporated into distance transform to search for redesigned alignments.By being applied to a real-world case,t
12、he optimized solution can save 7.2%of the reconstruction cost compared with the best manual solution.The effectiveness of the proposed method is verified through data analysis.Key words:railway design;existing railway reconstruction;alignment optimization;constrained optimization;distance transform
13、algorithm 作为重要的交通基础设施,铁路在社会和经济的发展中发挥着重要作用。随着国民经济的迅速发展和对外贸易的不断扩大,铁路客、货运量也逐年大幅度地增长。而既有铁路的技术装备和运输能力,往往不能适应铁路现代化和运量增长的要求,需要进行技术改造和能力加强。国家中长期铁路网规划1发展目标指出:到2025年,规划实施既有线扩能改造2万km左右。可见,既有铁路的扩能改造在我国铁路建设中占有极其重要的地位。并且,既有铁路线路的扩能改造也带来了复杂的改建设计任务。因此,本文聚焦于既有铁路线路改建,对改建优化设计开展研究。与新建铁路线路设计相比,既有铁路线路改建设计不仅要处理新线设计中遇到的问题,还
14、面临着许多额外的困难。新线设计是在研究区域中从无到有产生一条新线路;而既有线改建设计必须基于既有线路在研究区域中寻找一条改建线路,二者之间存在着复杂交织的利用改建关系。为了尽可能利用既有线路、减少改建对运营的干扰、降低改建费用,如何智能划分既有线的利用段和改建段,成为了改建过程中至关重要的因素。段落划分不仅要考虑提高的改建标准,还要顾及既有线路的空间位置、几何参数以及既有结构物等多种影响因素。这些影响因素相互交织作用,导致了既有线路与改建线路之间的复杂耦合关系,给既有线路改建带来了极大的困难。综上,既有线路改建设计不仅要处理新建线路设计面临的各类约束(如平面、纵面线形几何约束等),同时还要顾及
15、既有线路与改建线路之间的复杂耦合关系,并以最小改建综合费用为目标,在研究区域中基于既有线路寻找最优的改建线路。但是,既有铁路线路改建主要依赖于人工设计,存在设计效率低、工作量大、可能忽略潜在的可行方案等缺点。可见,目前迫切需要高效的优化方法来提高改建设计效率与质量。从20世纪60年代开始,国内外学者在线路优化领域开展了大量研究。大多数研究集中于新建铁路线路设计上,主要分为构造不同目标函数评估线路方案(如植被破坏2、地灾风险3、环境影响4等)和改进优化算法(如遗传算法5、粒子群算法6、距离变换算法7等)2类。但是,由于既有铁路线路改建设计存在着上述多时态线形耦合、空间复杂关联约束等难题,文献中现
16、有的4118第 11 期王杰,等:既有铁路线路改建设计优化模型与方法研究方法无法直接适用于本问题。但是这些研究仍具有重要的参考价值,为既有铁路线路改建设计提供了可行的解决思路。既有铁路线路的优化研究主要集中于既有铁路线路重构上,围绕着平面和纵面线形分离式重构开展。平面线形重构研究首先进行线元识别分段8,然后对线元几何参数进行优化求解9。纵断面线形重构研究主要分为迭代拟合10与优化求解112部分。但是这些方法只能对既有线路进行整正与恢复,无法产生改建线路。而目前针对既有铁路线路改建的研究主要集中在改建原则的归纳12与线形计算方法132个方面,关于既有线改建优化模型与方法的研究较为少见。因此,为了
17、填补既有铁路线路改建优化设计的空白,本文构建以改建综合工程费用为目标函数的改建优化模型。为求解上述模型,提出了“两阶段”改建优化方法。在此方法中,首先构建了逐层筛选自动分段机制;然后提出了一种基于“多向扫描”策略的改进广义距离变换算法用于搜索最优改建线路。最后,将上述模型和方法运用于一个复杂实际案例中,以证明本方法的有效性。1 优化模型本文将既有线路定义为若干个利用段和改建段的集合,以逐层检测智能化分段结果中的线形几何参数作为设计变量;以全线改建综合工程费用作为目标函数;并考虑了既有铁路线路改建面临的多种复杂耦合约束,构建了完整的既有铁路线路改建优化模型。1.1设计变量如上文所述,既有线路(A
18、)由若干个利用段(Au)和改建段(Ar)组成,即可表述为:A=AuArAr=Ar1Ar2ArZT(1)式中:Z为改建段的数量。本优化模型将逐层检测智能化分段结果中每个改建段的平面和纵面线形几何参数抽象为设计变量。第 z个(z=1,Z)改建段(ArZ)的设计变量包括了改建段的可行起终点里程集合(Ks,Ke)、平面交点(PH)和纵面变坡点(PV)参数集合。其中,平面交点参数包括了交点坐标(X,Y)、曲线半径(Rh)和缓和曲线(L)集合;纵面变坡点参数包括了变坡点的里程(Kv)、高程(H)及竖曲线半径(Rv)集合。综上,既有铁路线路改建优化模型的设计变量可表述为:Arz=KsKePHPV=KsKeX
19、YRhLKvHRv(2)Ks=Ks1Ks2KsITKe=Ke1Ke2KeJTX=X1X2XmTY=Y1Y2YmTRh=Rh1Rh2RhmTL=L1L2LmTKv=Kv1Kv2KvnTH=H1H2HnTRv=Rv1Rv2RvnT(3)式中:I和J分别为第z个改建段可行起点里程和可行终点里程的数量;m和n分别为第z个改建段的平面交点和纵面变坡点的数量。1.2目标函数将所有改建段的改建综合工程费用之和(RC)作为本模型的目标函数,第z个改建段的改建综合工程费用(RCz)主要包括了土石方改建工程费(RE)、桥梁改建工程费(RB)、隧道改建工程费(RT)、新增征地费用(RR)以及与线路长度相关的工程费用
20、(RL),各项改建工程费用计算方法见文献6。因此,既有铁路线路改建优化模型的目标函数可表达为:RC=z=1ZRCzRCz=RE+RB+RT+RR+RL(4)1.3约束条件本模型将改建设计中面临的各类约束划分为几何约束、结构物约束和禁区约束,具体如下。1)几何约束根据提高的改建设计标准,改建线路的线形必 须 满 足 铁 路 线 路 设 计 规 范(GB 100982017)14中所规定的几何约束。此外,在改建时须考虑改建段与前后既有线利用段之间的线形耦合关系,还要处理平面“前后接边”和纵断面“前后接坡”这2种特殊的几何约束(在2.2节中详细介绍)。2)结构物约束在既有线改建设计中,涉及对桥梁、隧
21、道、4119铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月路基等既有结构物的利用、改造或重建。在设计过程中,除了需要满足基本的结构物几何约束(如最大桥高约束、最大隧道长约束、路基地面横坡约束等)之外;若对既有结构物进行改造,根据铁路桥隧建筑物修理规则15中的规定,还需要满足桥梁和隧道空间允许调整量这2种限界约束。3)禁区约束禁区约束包括了平面不穿越特殊环境区域约束和纵面跨越既有路网时满足净空这2种约束16。综合以上的设计变量、目标函数、约束条件,可将既有铁路线路改建优化问题表达为以下优化模型:min:RC=z=1ZRCzs.t.cg()Arcs()Arce()Ar(5)式中:cg(Ar
22、)为几何约束;cs(Ar)为结构物约束;ce(Ar)为禁区约束。2“两阶段”改建优化方法为求解上述优化模型,本文提出了“两阶段”改建优化方法。在第1阶段,通过构建逐层筛选自动分段机制,检测既有线改建面临的复杂耦合影响因素,将既有线划分为若干个利用段和改建段(包括三维改建段和平面利用但纵面改建段)。在第2阶段,对每个三维改建段使用距离变换算法(Distance Transform,DT)17寻找其三维改建线位;对平面利用但纵面改建段,则基于一种改进的遗传算法18生成其纵面改建线位。最后将所有的利用段与改建段拼合起来形成三维改建线路。2.1阶段:构建逐层筛选自动分段机制理论上,既有线路在改建时全线
23、都要依据提高的改建设计标准来划分利用段和改建段。但在实际工程中,考虑到局部地段的改建费用过大,通常会通过降低改建标准、限速通过等措施以利用这些地段,从而导致了不同段落的改建设计标准不一定相同。因此,本文构建了逐层筛选分段机制,首先根据用户需求将既有线路划分为若干段落,并关联用户设置的不同改建标准;然后再根据不同段落所对应的改建设计标准,进一步对其进行逐层筛选检测;最终将既有线路智能划分为若干利用段、三维改建段和平面利用但纵面改建段(图1)。具体实施步骤如下。步骤1:根据用户的实际工程需求将既有线路划分为若干个段落,并将其与其对应的改建设计标准相关联。步骤2:检测平面利用段。根据不同段落的平面几
24、何改建设计标准,检测其平面利用段。平面几何改建设计标准包括了最小曲线半径、最小圆曲线长、最小缓和曲线长、最小夹直线长等平面几何参数。若当前段落通过了平面几何检测,则跳转到步骤3;否则,划分为三维改建段。步骤3:检测纵断面利用段。对通过平面检测的段落,基于对应的纵断面几何改建设计标准,检测其纵断面利用段。纵断面几何改建设计标准包括了最小坡段长、最大坡度、最大坡度代数差、竖缓不重叠等纵断面几何参数。若当前段落通过了纵断面几何检测,则划分为利用段;否则,划分为平面利用但纵面改建段。通过以上步骤,可将既有线路智能划分为若干个利用段、三维改建段和平面利用但纵面改建段,改建段线路将通过阶段生成。2.2阶段
25、:基于改进的广义距离变换算法生成改建段线路本文提出了“多向扫描”策略,并将其融入广义距离算法用于生成所有三维改建段线路。由于改建段与前后相邻的利用段之间存在着复杂耦合关系,改建段的起终点必须满足平面“前后接图1逐层筛选自动分段机制Fig.1Automatic segmentation mechanism for sequential screening4120第 11 期王杰,等:既有铁路线路改建设计优化模型与方法边”和纵面“前后接坡”这2种特殊的几何约束。因此,改建段的起终点并不唯一,而是组成了可行起点单元集合(S)及可行终点单元集合(E)。综上,对每一改建段,首先要处理“前后接边”和“前后
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