一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括：自動(dòng)優(yōu)選單元、自動(dòng)計(jì)算單元、自動(dòng)繪制單元、交互式單元、交互式單元；設(shè)計(jì)方法的步驟為：采用空間連續(xù)扭曲面來表示機(jī)場(chǎng)的地勢(shì)設(shè)計(jì)表面；采用非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃把坡度等設(shè)計(jì)變量和技術(shù)指標(biāo)概括到一個(gè)數(shù)學(xué)模型中；運(yùn)用起作用約束集法求解得到機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)高程。本發(fā)明在安哥拉首都新羅安達(dá)國(guó)際機(jī)場(chǎng)、西安咸陽國(guó)際機(jī)場(chǎng)等國(guó)內(nèi)外近百個(gè)機(jī)場(chǎng)的地勢(shì)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用本發(fā)明和傳統(tǒng)的斷面法或方格法比較，可以在不降低任何飛機(jī)起降要求的前提下，節(jié)省機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)土方量15%左右，設(shè)計(jì)進(jìn)度可以由1月左右提高到10天左右，且明顯提高圖面質(zhì)量。
【專利說明】一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)場(chǎng)建設(shè)領(lǐng)域，尤其涉及一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)場(chǎng)地勢(shì)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)場(chǎng)工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的組成部分，在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程設(shè)計(jì)中，機(jī)場(chǎng)地勢(shì)設(shè)計(jì)的周期最長(zhǎng)，設(shè)計(jì)工作量最大，機(jī)場(chǎng)地勢(shì)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的飛行場(chǎng)地地勢(shì)表面，在滿足飛機(jī)起飛、著陸、滑跑安全要求的前提下，使飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)平整作業(yè)時(shí)的土石方工程量為最小。
[0003]長(zhǎng)期以來，我國(guó)機(jī)場(chǎng)地勢(shì)設(shè)計(jì)主要沿用公路、鐵路選線用的設(shè)計(jì)方法——“斷面法”設(shè)計(jì)，由于公路、鐵路都是橫向尺寸小，而縱向很長(zhǎng)，所以，它們的橫向影響相對(duì)較小。機(jī)場(chǎng)的寬度相對(duì)來說比公路、鐵路要寬得多，飛行場(chǎng)地的長(zhǎng)度和寬度之比不太大，它的橫向影響較大，因此，用“斷面法”進(jìn)行機(jī)場(chǎng)地勢(shì)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，用這種方法所確定的設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量主要取決于設(shè)計(jì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷能力，為了得到較好的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)人員往往需要從幾個(gè)憑主觀直覺擬定的比較方案中用淘汰的辦法來求得，所以，很難得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，而且，會(huì)產(chǎn)生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求得不到滿足這樣的嚴(yán)重后果。
[0004]根據(jù)近年來機(jī)場(chǎng)修建的情來看，一個(gè)機(jī)場(chǎng)的土石方工程量通常為幾百萬m3，多的甚至超過數(shù)千萬Hl3 ;土石方工程的投資費(fèi)用約占機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程總投資的百分之三十左右(有的達(dá)到百分之六十以上)，而地勢(shì)設(shè)計(jì)得好壞很容易使土石方工程投資相差幾十萬元、幾百萬元，甚至上億元，而且，地勢(shì)設(shè)計(jì)的成果對(duì)機(jī)場(chǎng)總體、道面、排水都有較大影響，尤其與機(jī)場(chǎng)排水密切相關(guān)，稍不注意就會(huì)造成機(jī)場(chǎng)排水困難。對(duì)機(jī)場(chǎng)的后期使用效果密切相關(guān)。
[0005]但是，現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)土石方工程投資高，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和繪圖的負(fù)擔(dān)高，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)質(zhì)量低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于利用一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，旨在解決新建和改建的多跑道多滑行道機(jī)場(chǎng)的機(jī)場(chǎng)土石方工程投資高，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和繪圖的負(fù)擔(dān)高，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)質(zhì)量低的問題。
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括:自動(dòng)優(yōu)選單元、自動(dòng)計(jì)算單元、自動(dòng)繪制單元、交互式單元、交互式單元；
[0008]用于滿足給定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的最佳的飛行場(chǎng)區(qū)表面設(shè)計(jì)坡度的自動(dòng)優(yōu)選單元；
[0009]用于計(jì)算出飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)及邊坡部分放坡的土石方工程量，并按照挖填比或棄借土要求進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，使全場(chǎng)土石方工程量達(dá)到挖、填平衡的自動(dòng)計(jì)算單元；
[0010]用于繪制出飛行場(chǎng)區(qū)原地面等高線圖、飛行場(chǎng)區(qū)原地面及設(shè)計(jì)面的三維透視圖、、飛行場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)面等高線圖、、飛行場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)面高程坡度控制圖、飛行場(chǎng)區(qū)任意方格線位置的縱斷面圖、飛行場(chǎng)區(qū)任意方格線位置的橫斷面圖、飛行場(chǎng)區(qū)方格網(wǎng)土方工程圖、自動(dòng)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)土方最優(yōu)調(diào)配，并繪制出機(jī)場(chǎng)土方調(diào)配圖的自動(dòng)繪制單元；
[0011]用于進(jìn)行飛行場(chǎng)區(qū)原地面方格網(wǎng)測(cè)量高程校對(duì)及修改設(shè)計(jì)、進(jìn)行飛行場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)面高程修改設(shè)計(jì)、進(jìn)行土方調(diào)配區(qū)劃分，自動(dòng)計(jì)算出各調(diào)配區(qū)需調(diào)運(yùn)的土方量的交互式單元。
[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，
[0013]采用空間連續(xù)扭曲面來表示飛行場(chǎng)地設(shè)計(jì)表面；將設(shè)計(jì)坡度和控制標(biāo)高等設(shè)計(jì)變量作為控制機(jī)場(chǎng)表面形狀的主要指標(biāo)；采用非線性規(guī)劃概括現(xiàn)行軍航和民航的坡度、變坡、視距等技術(shù)指標(biāo)，以設(shè)計(jì)表面最接近天然地面為目標(biāo)，建立起兼容多跑道多滑行道機(jī)場(chǎng)的地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型；運(yùn)用起作用約束集法求解模型得到機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)高程。
[0014]進(jìn)一步，所述飛行場(chǎng)地的幾何模型是以設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)高程為控制變量的空間連續(xù)扭曲面，兼容多跑道多滑行道的機(jī)場(chǎng)。
[0015]進(jìn)一步，飛行場(chǎng)地的幾何模型的具體方法為:對(duì)于飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)任一給定的方格網(wǎng)點(diǎn)k，設(shè)其平面坐標(biāo)為(xk，yk)，天然地面的高程為zk，設(shè)計(jì)高程為hk，則
[0016]當(dāng)Xk < O 時(shí)，有
【權(quán)利要求】
1.一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，該多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括:自動(dòng)優(yōu)選單元、自動(dòng)計(jì)算單元、自動(dòng)繪制單元、交互式單元、交互式單元； 用于滿足給定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的最佳的飛行場(chǎng)區(qū)表面設(shè)計(jì)坡度的自動(dòng)優(yōu)選單元； 用于計(jì)算出飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)及邊坡部分放坡的土石方工程量，并按照挖填比或棄借土要求進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，使全場(chǎng)土石方工程量達(dá)到挖、填平衡的自動(dòng)計(jì)算單元； 用于繪制出飛行場(chǎng)區(qū)原地面等高線圖、飛行場(chǎng)區(qū)原地面及設(shè)計(jì)面的三維透視圖、、飛行場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)面等高線圖、飛行場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)面高程坡度控制圖、飛行場(chǎng)區(qū)任意方格線位置的縱斷面圖、飛行場(chǎng)區(qū)任意方格線位置的橫斷面圖、飛行場(chǎng)區(qū)方格網(wǎng)土方工程圖、自動(dòng)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)土方最優(yōu)調(diào)配，并繪制出機(jī)場(chǎng)土方調(diào)配圖的自動(dòng)繪制單元； 用于進(jìn)行飛行場(chǎng)區(qū)原地面方格網(wǎng)測(cè)量高程校對(duì)及修改設(shè)計(jì)、進(jìn)行飛行場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)面高程修改設(shè)計(jì)、進(jìn)行土方調(diào)配區(qū)劃分，自動(dòng)計(jì)算出各調(diào)配區(qū)需調(diào)運(yùn)的土方量的交互式單元。
2.一種多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該設(shè)計(jì)方法采用空間連續(xù)扭曲面來表示飛行場(chǎng)地設(shè)計(jì)表面；將設(shè)計(jì)坡度和控制標(biāo)高等設(shè)計(jì)變量作為控制機(jī)場(chǎng)表面形狀的主要指標(biāo)；采用非線性規(guī)劃概括現(xiàn)行軍航和民航的坡度、變坡、視距技術(shù)指標(biāo)，以設(shè)計(jì)表面最接近天然地面為目標(biāo)，建立起兼容多跑道多滑行道機(jī)場(chǎng)的地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型；運(yùn)用起作用約束集法求解模型得到機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)高程。
3.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述飛行場(chǎng)地的幾何模型是以設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)高程為控制變量的空間連續(xù)扭曲面，兼容多跑道多滑行道的機(jī)場(chǎng)。
4.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，飛行場(chǎng)地的幾何模型建立的具體方法為:對(duì)于飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)任一給定的方格網(wǎng)點(diǎn)k，設(shè)其平面坐標(biāo)為(xk，yk)，天然地面的高程為zk，設(shè)計(jì)高程為hk，則 當(dāng)xk < O時(shí)，有
5.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)以設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)高程為變量、以設(shè)計(jì)表面最接近天然地面為目標(biāo)、以現(xiàn)行軍航和民航技術(shù)指標(biāo)為約束條件的非線性規(guī)劃問題，可以表示為:
6.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解可以通過“起作用集法”將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為以設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)標(biāo)高為變量的線性方程組，確定算法步驟如下: 第I步:形成矩陣G和向量r， 第2步:確定初始起作用集F(1)， 不妨設(shè)F(1) = {l,2,...,e, e+l,...e+s}其中，前e個(gè)約束條件為等式約束；后s個(gè)約束條件為初始起作用的不等式約束可以進(jìn)行更換，這里，初始起作用不等式約束可以從最大坡度要求或最小坡度要求的約束條件中選取， 第3步:用Lagrange乘子法求解
7.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值分析用“喬列斯基分解法”求解找出最佳設(shè)計(jì)方案，得到設(shè)計(jì)坡度和控制點(diǎn)標(biāo)高，即得到機(jī)場(chǎng)地勢(shì)設(shè)計(jì)方案。
8.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述建立機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法包括以下步驟: 確定地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)； 確定地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束函數(shù)； 建立地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。
9.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)獲得具體法法為: 飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)任一方格網(wǎng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高都可以表示為設(shè)計(jì)變量的線性函數(shù)，即 h = Ax 設(shè)Z = (Z1, Z2, , ZN)T為飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)各方格網(wǎng)點(diǎn)的天然標(biāo)高向量； V= (V1, V2, , VN)T為飛行場(chǎng)區(qū)內(nèi)各方格網(wǎng)點(diǎn)的填挖標(biāo)高向量； 其中， vk = hk-zk (k = I, ，N) (5) 則 V= h-ζ = Αχ-ζ (6) 因此，根據(jù)最小二乘法原理，目標(biāo)函數(shù)可取為:
10.如權(quán)利要求2所述的多跑道多滑行道大型機(jī)場(chǎng)地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，地勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束函數(shù)具體算法為:在進(jìn)行最優(yōu)方案選擇時(shí)，對(duì)各設(shè)計(jì)變量& (r = 1，…，η)還必須增加一些約束條件，這些約束條件可分為等式約束和不等式約束兩大類。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103729542SQ201310534906
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】李光元, 許巍, 樓設(shè)榮 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)