鐵路智能選線系統開發與應用

劉 威 胡光常 唐文建 麻丁一

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

鐵路智能選線系統開發與應用

劉 威 胡光常 唐文建 麻丁一

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

目前鐵路選線設計基本依賴于設計工程師的知識與經驗，結合地形、地質等因素決策出最終線路空間位置，存在設計強度大，比選方案有限，決策周期長等缺陷。隨著我國高速鐵路的快速發展及鐵路建設由東部平原向西部復雜山區的轉變，高度復雜的環境使空間線位設計變得異常困難，選線周期大大增長，亟需一種高效的選線方法解決上述難題。文章介紹了一個結合人工智能、地理信息等技術開發的鐵路三維空間智能選線系統及其在鐵路線網規劃中的實際運用，實踐表明該智能選線系統能夠在給定選線參數、約束條件的基礎上，在選線區域內快速優選多個走廊帶，并給出合理的推薦方案，可有效提高選線工作的效率與質量，節約工程投資。

鐵路； 線路設計； 線網規劃； 智能選線

1 前言

鐵路作為國家重要基礎設施和國民經濟大動脈，在國民經濟社會發展中起著重要作用。當前，我國鐵路建設進入飛速發展時期，依據國家中長期鐵路網規劃：“到2020年，全國鐵路營業里程達到12萬公里以上，建設客運專線1.6萬公里以上”。時值“十三五”規劃的編制年，國家鐵路局公布：“十三五”期間，全國計劃建設鐵路新線2.3萬公里，總投資2.8萬億元，基本和“十二五”規劃持平；加上我國“一帶一路”戰略計劃的實施，鐵路建設將成為國家基礎建設的核心組成部分，今后相當長的一段時間內，鐵路設計部門將繼續面臨巨大的機遇與挑戰。

在鐵路各專業設計中，鐵路選線設計是“龍頭”。理想的線路設計，不僅需要空間位置的幾何設計[1]，與此同時還需要根據沿線的環境，實現線路上橋、隧、站等結構物的優化配置，使其互相配合，達到總體上的協同最優[2,3]。智能選線指在線路技術標準確定的情況下，通過優化算法、知識工程、計算機信息等的綜合應用，使計算機自動生成符合技術標準及約束條件的路線方案群，且可給出一定數量的推薦方案的一種方法[4]。近年，很多專家致力于線路和車站選址優化研究，取得了一定進展[5-8]，但是并沒有真正意義實現鐵路選線的自動化。澳大利亞曠達路線三維優化輔助決策系統，能夠在給定相關搜索參數、約束條件及技術標準的條件下，短時間內生成具有價值的線路方案群，但是由于商業機密及知識產權等原因，其算法及模型難以借鑒。因此，結合人工智能、計算機等相關技術，深入研究智能選線技術，開發適用于我國國情的智能選線系統，對提高選線工作效率和質量，節約投資有著重大意義。

2 系統開發

依托中鐵二院工程集團有限責任公司交規院課題“鐵路三維空間智能選線技術研究及系統開發”，結合鐵路線路規劃特點，開發了鐵路三維空間智能選線系統。該系統主要面向鐵路選線設計規劃階段，主要功能有：數字地形、影像的自動提取、智能選線綜合地理信息模型的構建、區間內車站及走向的自動生成、走向到線路的自動擬合、方案的分析評價、圖表輸出及三維可視化等。

2.1 系統框架

系統框架如下：

(1)構建鐵路智能優化綜合地理信息模型。建立格網分布模型實現對智能優化數據的一體化存儲，基于內存文件映射技術，對海量智能優化信息數據進行高效組織與管理，構建高效的空間索引機制，實現優化過程所需要數據塊的快速訪問，為智能選線提供基礎條件。

(2)建立滿足車站選址及線路設計約束的鐵路智能選線優化模型，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，實現站址的自動搜索；利用智能搜索算法，對空間線路走向進行自動全局搜索，保證了復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現三維空間線路方案群的自動生成。

(3)系統實現與鐵路線路精細設計軟件RLDVS及鐵路線路規劃軟件GERail無縫銜接，可在其中直接進行優化選線方案的進一步設計及成果輸出等工作，提高了系統的運行效率。

系統總體框架模塊如圖1所示。

2.2 系統優化流程圖

本系統優化流程如圖2所示。

圖1 系統總體框架模塊圖

圖2 鐵路三維空間智能選線系統操作流程圖

3 案例分析

選取四川山嶺重丘區規劃研究鐵路甘石線對系統進行驗證，選線區域位于四川盆地南緣向云貴高原過渡地帶，境內嶺高谷深，嶺谷相間，河流縱橫，最高海拔5 793 m，最低海拔780 m，為典型西南復雜山區的選線設計。利用Google定位至該地區，影像風貌如圖3所示。

圖3 甘石線影像圖

用開發的鐵路三維空間智能選線系統進行優化選線，該鐵路為Ⅲ級單線鐵路，起點與終點的直線航空距離約為28 km，人工設計線路長度約為51 km，展線系數為1.8，主要技術標準如表1。

表1 甘石線優化主要技術標準

分別設置線路起終點坐標為：起點(3207449.934，34574028.482，1040)，終點(3217951.982，34547204.953，2022)。

初選優化控制參數設置情況如表2。

表2 甘石線優化控制參數設置

優化選線在惠普Z600工作站(4核2.13G CPU，4G內存，1T硬盤)上進行，搜索區域的范圍約為36 km×33 km。自動選線過程中，建立鐵路綜合地理信息模型的格網規模為1 317×1 216，建模時間約為2分鐘，優化總計耗時2小時，生成322個具有差異的方案。選取具有代表性的走向進行線路擬合，人工方案與系統生成方案的平面如圖4。

圖4 甘石線系統生成方案與人工方案平面圖

為了證明系統生成方案的合理性，將人工方案與系統生成最優方案導入RLDVS中，在該系統下將人工方案與機選最優方案進行對比，結果如表3所示。

表3 甘石線人工方案與系統生成最優方案對比表

由表3可知，機選方案線路長度比人工選線長度短1 500 m，橋隧比相對較低，共節省投資費用4.4%。說明開發的三維空間智能選線系統在山嶺重丘區能夠依據地形合理展線，搜索出具有研究價值的線路方案群。

4 結論

開發的鐵路三維空間智能選線系統能夠在給定選線參數、約束條件的基礎上，在選線區域快速優選多個走廊帶，并給出可提供設計人員參考、甚至決策的線路方案群，尤其在選線環境高度復雜的情況下，還能克服高差大、展線難，難以找到可行性通道的問題，搜索出多樣化的線路方案。同時系統實現了與鐵路線路規劃、精細設計軟件系統GERail及RLDVS的無縫銜接，優化成果可在這兩個設計軟件中完成進一步設計和成果輸出，顯著提高了設計人員的設計效率與質量。

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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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