山区高等级公路路线方案三维智能辅助设计方法研究

摘要

公路通道线形设计旨在以安全、环保、经济为基础，同时满足全部设计规范和相关指标要求，是公路设计的重要组成部分。从以前的传统纸上定线设计方式到后来的虚拟环境选线、公路选线CAD技术等，研究思路也逐渐向计算机辅助与人工智能领域发生转变，突出的是遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等许多智能优化算法的引入和深入，大力推进了智能选线的发展且取得了里程碑式的巨大进步，为后续的研究奠定了坚实的科研基础，意义重大。
　　然而，目前的公路线形设计大多依然基于相应的AutoCAD辅助系统，虽然相较于传统方法减少了繁琐的计算工作，但也存在信息显示不够直观、难以获得深入信息从而较难保证结果方案最优的问题且设计效率与质量有待提高。在此基础上，基于“一带一路”的国家战略发展需要及国内广大山岭区域发展需求的大背景，在合理考虑山区高等级公路建设需求的前提下，能够较为全面地兼顾各类复杂影响因素，同时最低程度地影响生态环境且满足国民生产与生活中对交通安全、运输高效、行车舒适等方面需求的山区高等级公路通道方案三维智能辅助设计方法成为了当下公路选线领域的研究热点。
　　论文基于公路智能选线的现有研究基础，结合国内山区高等级公路线形设计专家经验，提出了基于GIS系统、辅助设计模块和遗传算法的山区高等级公路通道方案选线的三维智能辅助设计方法。该方法相较于传统公路选线设计的研究引入并分析、考虑了高程、坡度、地质、地物等具有山区选线特点的重要约束，能够智能产生一条选线通道，更好地解决国内山区地形条件下的公路选线设计问题，论文完成了下几项工作:
　　(1)介绍了公路智能选线的发展研究现状和优化技术的方法，论述了研究的意义，将山区高等级公路通道方案路线设计的研究内容与方法及相关技术路线选择加以总结概括。
　　(2)分析了公路选线设计的总体流程及知识特性，最后从公路智能辅助选线平面设计、纵断面设计分别介绍了智能辅助设计方法及其优化过程与方法。结合计算机智能辅助技术的相关研究，确立了本文所研究的智能优化的总体框架及优化工作的相关方法流程，进行了实验构建与算法设计。
　　(3)通过数字摄影测量等手段获取地理信息，分析了公路智能选线中的地形分析与地形可视化，最后基于地理信息获取公路用地信息及相关数据。选用ArcGIS作为地理信息平台，以GeoDatabase作为数据库格式建立地理信息数据库并获取地理信息中路线设计的辅助信息。
　　(4)介绍了层次分析法和遗传算法的基本概念与分析方法及最后的相应应用方法，随后研究了公路线形的遗传算法优化模型，定义了模型的假设和约束，最后建立其目标函数。在遗传算法的优化模型中仅考虑道路建设费用即土石方费用，最后设立约束条件和惩罚函数，对不满足指标要求的线形要素产生惩罚函数值。
　　(5)以重庆市某山岭地区为实验区域，设定设计指标与控制点，利用GIS的栅格分析功能进行多因素栅格分析并最终产生最佳成本路径。将成本路径转换为经过控制点的可供设计的平面导向线，产生初始平面与纵断面。最后通过截取起、终点间DTM文件与编制MATLAB遗传算法优化程序生成优化后的公路通道线形设计方案。智能辅助设计缩短了设计周期、提升了设计效率，具有的一定的应用研究价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外现状及发展趋势

1．2．1 一般计算机辅助设计

1．2．2 利用RS及GIS的路线方案设计

1．2．3 智能选线的研究现状及分析

1．3 虚拟地理环境下人机协同的智能选线方法

1．4 研究意义

1．5 研究内容与技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

第二章 公路选线智能环境与辅助设计方法

2．1．2 选线设计的知识特性及总体设计流程

2．1．3 公路选线智能环境

2．2 智能辅助路线平面设计方法

2．2．1 基于栅格分析的路径通道初始平面线形生成

2．2．2 平面线形优化设计

2．3 智能辅助路线纵面设计方法

2．3．1 纵断面线形的生成

2．3．2 初始纵断面的生成

2．3．3 纵断面线形优化

2．4 本章小结

第三章 基于GIS的公路选线地理信息表示与利用

3．1 地理信息系统概述

3．1．1 GIS的数据结构

3．1．2 GIS的主要功能

3．2 地理信息的数字摄影测量获取

3．2．1 数字地形模型自动提取

3．2．2 地表要素的交互提取

3．2．3 正射影像及镶嵌图

3．2．4 地理信息的获取

3．3 公路智能选线中地形分析与可视化

3．3．1 地形分析和地形特征提取

3．3．2 数字高程模型及其相互转换

3．3．3 地形可视化

3．4 本章小结

第四章 公路线形综合优化理论与方法

4．1 层次分析法的运用

4．1．1 层次分析法的基本原理

4．1．2 层次分析法的分析步骤

4．1．3 层次分析法模型在公路通道选择中的应用

4．2 遗传算法的应用

4．2．1 遗传算法的概念

4．2．2 遗传算法的操作流程及工程运用

4．2．3 遗传算法优化模型在通道方案中的应用

4．3 本章小结

第五章 实例分析

5．1 利用层次分析法确定道路选线影响因素的权重

5．2 基于GIS栅格分析的最佳成本路径生成

5．2．1 单因素地图制作

5．2．2 多因素综合费用地图制作

5．2．3 最佳成本路径分析

5．3 局部路线通道的初始方案生成

5．3．1 路线平面自动生成

5．3．2 路线纵断面自动生成

5．3．3 公路三维立体模型的建立方法

5．4 基于遗传算法的进一步路线优化

5．4．1 MATLAB遗传算法的实现

5．4．2 实例分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文主要工作

6．2 主要研究成果

6．3 不足与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果