本發(fā)明涉及高鐵軌道，具體涉及一種運營高速鐵路空間線位精調優(yōu)化方法、介質及設備。

背景技術：

1、隨著首批高鐵服役時間超過10至15年，線路老化與提速需求日益加劇，提速改造已成為高鐵發(fā)展必須解決的重大技術問題。由于空間線位對鐵路行車安全和運行速度帶來重大影響，在提速改造中，優(yōu)化線路空間線位，如增加曲線半徑、延長夾直線或緩和曲線長度、減緩坡度、增大豎曲線半徑等是提高列車運行速度的重要手段。然而，高速鐵路提速改造的實施條件較為苛刻，運營鐵路需最大限度減少對日常運營的干擾，提速施工只能在夜間的“天窗”或列車行車間隔時間段進行。在空間線位精調時，受限于軌道結構物的固定特性，工作量只能集中在軌道系統(tǒng)的細微調整上，如扣件、墊片、螺絲等緊固部件的調節(jié)，而不能大幅度移動軌道，實現(xiàn)路基、橋梁、隧道等結構物的大規(guī)模改造。

2、受此限制，現(xiàn)有依靠人工決策的空間線位調整任務需要投入大量的人力物力資源，且難以保證鐵路全線的最優(yōu)化調整。對此，線路智能優(yōu)化方法為提升其線位調整效率及線路方案質量提供了有效的解決方案。但現(xiàn)有鐵路智能優(yōu)化方法往往為針對新建線路的廣域空間線位調整，既有運營高速鐵路提速的空間線位調整受到軌道允許調整量、結構物限界等多方面因素的限制，并且新建線路的優(yōu)化目標主要是造價、減災、環(huán)保等，而運營高鐵的優(yōu)化目標主要為走行時分、軌道撥動量等，二者的優(yōu)化目標存在顯著差異，使得現(xiàn)有的線位優(yōu)化技術無法直接應用于此類精細調整。

3、因此，亟需開發(fā)一種運營高速鐵路空間線位精調優(yōu)化方法、介質及設備，以實現(xiàn)在可調范圍受限的嚴苛條件下對運營高鐵空間線位進行精細優(yōu)化調整，保障提速改造工程的高效實施。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種運營高速鐵路空間線位精調優(yōu)化方法、介質及設備，具體技術方案如下：

2、一種運營高速鐵路空間線位精調優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、步驟s1、構建運營高速鐵路的空間線形模型，據(jù)此生成平面線元數(shù)組和縱斷面線元數(shù)組，建立里程到坐標、方位角、標高的映射函數(shù)，將平面線元數(shù)組與縱斷面線元數(shù)組組合形成三維空間線元數(shù)組，并計算其加算坡度；

4、步驟s2、構建運營高速鐵路空間線位優(yōu)化模型，確定優(yōu)化模型的決策變量，構建走行時分目標函數(shù)，并提出空間線形設計的相關約束；

5、步驟s3、根據(jù)運營高速鐵路平縱面線形、結構物分布、軌道可調整量、結構物限界要求，生成線路中心線逐樁可調范圍，應用步驟s1生成的空間線形模型計算可調范圍邊界點空間坐標，進一步生成三維線路可調周界管廊；

6、步驟s4、在可調周界管廊范圍內隨機生成一系列初始線路方案，將線路方案作為粒子群算法的粒子，采用粒子群算法生成最優(yōu)化線路方案。

7、進一步的，步驟s1具體是：

8、步驟s1.1、構建平面線形模型，實現(xiàn)交點數(shù)組到平面線元數(shù)組的轉換，并建立里程到坐標及方位角的映射；構建縱斷面線形模型，實現(xiàn)變坡點數(shù)組到縱斷面線元數(shù)組的轉換，并建立里程到標高的映射；

9、步驟s1.2、將平面線形模型生成的平面線元數(shù)組和縱斷面線形模型生成的縱斷面線元數(shù)組進行并集操作，構建平縱組合空間線元數(shù)組并計算加算坡度。

10、進一步的，步驟s2具體是：

11、步驟s2.1、確定優(yōu)化模型的決策變量，線路三維空間位置由如下列向量表示：

12、交點x坐標列向量：?；

13、交點y坐標列向量：；

14、平面圓曲線半徑列向量：?；

15、平面緩和曲線長列向量：?；

16、變坡點里程列向量：?；

17、變坡點設計標高列向量：?；

18、豎曲線半徑列向量：?；

19、其中，為平面交點數(shù)目，為縱斷面變坡點數(shù)目；

20、空間線形設計的相關約束包括幾何規(guī)范約束、最大走行時分約束和可調周界約束；

21、幾何規(guī)范約束：包括最小圓曲線半徑、最小圓曲線長、最小夾直線長、最小坡段長、最大坡度；

22、最大走行時分約束：優(yōu)化過程中生成的線路方案的最大走行時分應小于等于初始給定方案的走行時分，方能達到提速目標，即；

23、可調周界約束：優(yōu)化過程中生成的線路中心線上任意一點需在可調周界約束范圍內，即；

24、步驟s2.2、構建決策變量與列車走行時分的目標函數(shù)：

25、；

26、其中，為起車附加時分，為停車附加時分，為某一坡段的長度，為某一坡段上的每千米的運行時分；表示列車走行時分越小的線路方案越優(yōu)。

27、進一步的，幾何規(guī)范約束中，最小圓曲線半徑滿足如下約束：

28、；

29、其中，為最小圓曲線半徑，為第個圓曲線的曲線半徑，為平面交點數(shù)目；

30、最小圓曲線長滿足如下約束：

31、；

32、其中，為最小圓曲線長，為第個曲線的轉角，表示第個曲線的緩和曲線長；

33、最小夾直線長滿足如下約束：

34、；

35、其中，為相鄰曲線間的最小夾直線長度，，為第個平面交點坐標，，為第個平面交點坐標，表示第個圓曲線的后切線長，表示第個圓曲線的前切線長；

36、最小坡段長滿足如下約束：

37、；

38、其中，為第個縱斷面變坡點里程，為第個縱斷面變坡點里程，為最小坡段長度；為縱斷面變坡點數(shù)目；

39、最大坡度滿足如下約束：

40、；

41、其中，為第個縱斷面變坡點的設計高程，為第個縱斷面變坡點的設計高程，為第個縱斷面變坡點和第個縱斷面變坡點間的距離，為最大坡度值。

42、進一步的，步驟s3具體是：

43、步驟s3.1、輸入運營高鐵的線路平面交點、半徑、緩長數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟s1.1的平面線形模型生成平面線元數(shù)組，實現(xiàn)里程轉坐標；輸入運營高鐵的線路縱斷面變坡點里程、標高和豎曲線半徑數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟s1.1的縱斷面線形模型生成縱斷面線元數(shù)組，實現(xiàn)里程轉標高；

44、步驟s3.2、沿線路起終點以一定間隔生成一系列編號序列，逐樁計算線路中心線三維空間點位坐標及切線方位角，從工務部門獲取逐樁軌道可調范圍數(shù)據(jù)，依據(jù)三維空間點位坐標、切線方位角與可調范圍數(shù)據(jù)，計算出逐樁線路中心水平可調范圍邊界點與豎直可調范圍邊界點的三維空間坐標，假設第樁號的水平可調范圍為左偏移距離?、，右偏移距離、，則對應的水平邊界點三維坐標為：

45、；

46、假設豎直可調范圍為上、下偏移?、，則對應的豎直邊界點為：

47、；

48、用類似橢圓的曲線擬合周界四點，生成單個樁號截面的可調整區(qū)域；

49、步驟s3.3、沿樁號序列順次連接各個類橢圓截面，形成一個完整的三維線路可調周界管廊。

50、進一步的，步驟s4具體是：

51、步驟s4.1、在步驟s3生成的三維線路可調周界管廊內，基于既有運營高速鐵路空間線位生成初始粒子群；具體的，采用分步初始化策略，先進行平面初始化，生成平面方案后再沿線路平面進行縱斷面初始化，從而生成初始線路平、縱面方案；

52、步驟s4.2、粒子迭代優(yōu)化，得到優(yōu)化線路方案。

53、進一步的，步驟s4.1中，線路平面初始化具體是：

54、首先，沿線路中心線用水平面切割三維線路可調周界管廊，可得三維管廊的帶狀平面投影多邊形；然后，在多邊形內部應用蝶形區(qū)域模板概念進行線路平面初始化；最后，在蝶形區(qū)域中隨機生成新的交點坐標，在曲線半徑與緩長的閾值范圍內隨機選配新的半徑與緩長值，借助步驟s1中的空間線形模型解算逐樁空間點位坐標，并檢測是否在空間管廊的可調范圍內，保留所有點集均在空間管廊的可調范圍內的線路平面方案，形成線路平面初始方案集；

55、線路縱斷面初始化具體是：

56、首先，遍歷線路平面初始方案集，沿線路中心線用縱剖面豎直切割三維線路可調周界管廊，可得三維管廊的帶狀縱斷面投影多邊形；然后，依據(jù)最大最小縱坡，在起終點間生成初始信封區(qū)，求出信封區(qū)與三維管廊帶狀縱斷面投影多邊形的相交區(qū)域，形成縱斷面設計的可調范圍；最后，保留變坡點總數(shù)不變，在每個變坡點處，以初始變坡點里程為基準，設置里程的可調范圍，在該范圍中隨機生成新的變坡點里程，在縱斷面設計的可調范圍內，隨機生成相應里程處的變坡點高程，在豎曲線半徑閾值范圍內，隨機選配新的豎曲線半徑，借助步驟s1中的空間線形模型解算逐樁空間點位標高，并檢測是否在空間管廊的可調范圍內，保留所有點集均在空間管廊的可調范圍內的線路縱斷面方案，形成線路平、縱面初始方案集，即初始粒子群。

57、進一步的，步驟s4.2具體是：

58、步驟s4.2.1、構建粒子群的位置和速度更新算子，計算公式如下：

59、；

60、；

61、其中，表示當前迭代次數(shù)，為慣性權重，表示種群中第個粒子的當前速度特征，表示種群中第個粒子的更新后的速度特征，為種群中第個粒子的當前位置，為種群中第個粒子的更新后的位置，和分別為社會常數(shù)和認知常數(shù)，和為分布在范圍[0,?1]中的隨機數(shù)，是整個群體中所有粒子截至當前迭代次數(shù)的最優(yōu)位置，即全局最優(yōu)位置，是第個粒子截至當前迭代次數(shù)的最優(yōu)位置，即個體最優(yōu)位置；

62、步驟s4.2.2、平面方案擾動：

63、在初始化的平面方案集基礎上，依據(jù)當前全局最優(yōu)位置和個體最優(yōu)位置對應平面交點的位置、曲線半徑、緩和曲線長構成的決策變量集合，對當前粒子群中每個粒子的決策變量集合分別進行擾動更新，并依據(jù)空間線形設計的相關約束對更新后的線路平面方案集做約束檢測判別，若未通過則將粒子平面決策變量向著滿足約束的方向調整直至檢測通過；

64、縱斷面方案同步擾動更新：

65、在當前縱斷面方案群上，依據(jù)當前全局最優(yōu)位置和個體最優(yōu)位置對應縱面變坡點的位置及豎曲線半徑，對當前粒子群中每個粒子的變坡點的里程、高程、豎曲線半徑進行擾動更新，并依據(jù)空間線形設計的相關約束對更新后的線路縱斷面方案做約束檢測判別，若未通過則將里程、高程、豎曲線半徑向著滿足約束的方向調整直至檢測通過；

66、步驟s4.2.3、生成新的線路粒子群方案：

67、根據(jù)步驟s4.2.2更新的線路平、縱面參數(shù)，使用步驟s1中的空間線形模型重新解算逐樁空間點位坐標；檢測新的線路方案群是否在三維管廊的可調范圍內，確保所有平、縱面點位在允許的范圍內；進而依據(jù)決策變量與列車走行時分的目標函數(shù)評估新生成的線路方案粒子群，走行時分越小對應的線路方案越優(yōu)；

68、步驟s4.2.4、更新最優(yōu)解：

69、根據(jù)評估結果，更新粒子的個體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解的位置；

70、步驟s4.2.5、判定當前迭代次數(shù)是否為最大迭代次數(shù)，如果是，則選擇最后代數(shù)粒子群內走行時分最小的線路方案作為最優(yōu)化線路方案；如果否，則取，返回步驟s4.2.1。

71、一種設備，該設備包括存儲器和處理器，所述存儲器中存儲有計算機程序；所述處理器執(zhí)行所述計算機程序，實現(xiàn)如上所述的運營高速鐵路空間線位精調優(yōu)化方法。

72、一種介質，所述介質為可讀存儲介質，所述可讀存儲介質上存儲有計算機程序，處理器執(zhí)行所述計算機程序，實現(xiàn)如上所述的運營高速鐵路空間線位精調優(yōu)化方法。

73、應用本發(fā)明的技術方案，具有以下有益效果：

74、本發(fā)明提供一種運營高速鐵路空間線位精調優(yōu)化方法，通過構建運營高速鐵路的空間線形模型，實現(xiàn)平縱組合空間線元數(shù)組的構建，為后續(xù)運營高速鐵路空間線位優(yōu)化模型的構建與解算奠定基礎；通過構建空間線位優(yōu)化模型，并根據(jù)運營高速鐵路平縱面線形、結構物分布、軌道可調整量、結構物限界要求以及空間線形模型進一步生成三維線路可調周界管廊，在三維線路可調周界管廊內對空間線位優(yōu)化模型進行優(yōu)化，最終生成優(yōu)化線路方案，實現(xiàn)運營高速鐵路空間線位的精調優(yōu)化，提高優(yōu)化質量，提升鐵路通行效率。

75、除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。