[发明专利]一种基于多层约束体系的公路路线三维优化方法

说明书

技术领域

属于计算机仿真技术、计算机图形学、地理信息技术、工程设计技术、人工智能交叉的技术学科研究领域。本发明涉及一种既有道路的路线优化方法，尤其是涉及利用三维地理信息技术和人工智能算法完成道路方案的优化。

背景技术

对于已经完成的道路设计方案，由于其方案已经通过了专家的论证，在此之后很少进行路线优化。但是，无论是人工进行设计选线，还是专家论证调整方案，对道路方案都是一种较为宏观的调整，在施工图设计中，这种调整显得很不够，但人工对路线去进行这种幅度较小的调整，不但付出时间大，而且精度难以控制，由于调整失误容易产生的方案大幅变化、违背设计初衷，反而得不偿失。因此这种后调整、后优化往往被忽略。

其实在不改变走廊带方案的情况下，如果能精确控制好约束条件，精确分析公路模型和三维地形在优化中的变化，并通过计算机海量计算，并应用三维模型分析技术，路线至少能进行以下优化：

1）路线线形的调整，线形指标的提高；

2）在地形复杂的路段，局部的优化调整可以减少大填；

3）在路线经过房屋的地区，结合三维地理信息技术，可以精确优化房屋的拆迁数量；

4）路线里程的局部缩短，直接降低造价；

5）运营费用的降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种在多层约束条件下，借助于三维地理信息技术和人工智能算法，对公路平面、纵断面、横断面三个维度进行优化的方法。

所述多层约束条件，就是在平、纵、横断面优化中引入不同层次的约束条件。第一层约束是保持现有道路设计方案的约束，第二层约束是公路设计规范约束，第三层约束是设计条件约束。第一层为最外层，第三层为最内层，约束条件的判断由最外层向最内层进行，如果外层约束条件不符合，则直接跳出，不再判断内层的约束条件。

本方法总体可以分三大步骤实现：

1）专家论证现有的路线方案；

2）多层约束法优化论证后的路线方案，选出优化方案；

3）人工检查或再次专家论证计算机生成的优化方案，得出最终路线方案。

使用本发明提出的公路路线三维优化方法，对于一条已经完成设计和专家论证的路线方案，通过基于多层约束体系的公路路线三维优化方法进行优化后，至少能节省约1%~3%的公路建设和运营费用，对于投资巨大的公路建设，这样的优化显然能产生经济效益。在这个比例的优化范围中，由于多层约束体系的引入，原有的总体设计方案几乎未变，对路线整体影响不大，反而道路线形指标得到了提高。与此同时，通过指定百分比的总体优化比例控制，同时也能反算出道路平面、纵断面优化参数的取值范围。

实施步骤

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

步骤1）专家论证现有的路线方案；

步骤2）建立论证方案的道路全线三维数字化模型；

步骤2-1）利用无人机航空测量获取涵盖路线平面区域内的DEM和DOM，建立三维地形并搭建公路三维地理信息平台。

所述DEM，指数字高程模型（Digital Elevation Model），是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。

所述DEM ，指数字正射影像图（DOM,Digital Orthophoto Map），是对航空（或航天）相片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。

步骤2-2）准备优化前的路线平面数据。

路线平面数据包括各个交点的数据，至少包含以下信息：交点编号、交点X坐标、交点Y坐标、圆曲线半径、前缓和曲线长度、后缓和曲线长度。

步骤2-3）将平面数据在步骤1-1）建立好的公路三维地理信息平台绘制出来；

步骤2-4）导入优化前的路线竖曲线数据。

路线竖曲线数据至少包含以下信息：变坡点序号、变坡点桩号、变坡点高程、变坡点竖曲线半径；

步骤3）建立道路平面优化数学模型

建立道路平面优化数学模型，采用建设费用、运营费用、养护费用之和为目标函数F。

所属建设费用包括为路基土石方工程费、挡墙坞工工程费、桥梁工程费、隧道工程费、用地费、与线路长度成正比的工程费；