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1、公路选线自动化发展概况,杨宏志,主要内容,公路选线自动化研究的主要内容 国内外发展概况与展望,主要参考资料,公路计算机辅助工程.朱照宏.人民交通出版社. 线路工程信息技术.易思蓉.中国铁道出版社 道路勘测设计软件开发与应用指南.朱照宏等.人民交通出版社 公路计算机辅助设计.符锌砂.人民交通出版社 铁路规划与机助设计.邓域才.中国铁道出版社. 工程决策中的综合优化.王柢 王大寿著.西南交通大学出版社. 铁路选线设计的现代理论和方法.詹振炎等著.中国铁道出版社.,本课程的主要内容,公路选线理论与方法 路线方案选择 平原区选线 山岭区选线 特殊地区选线 公路基础数据采集与管理 基础数据采集技术概述
2、数字高程模型原理与应用 GIS原理及其在公路选线中的应用 公路路线优化与设计技术 基于GIS和GA的公路自动选线 智能化公路几何设计技术 基于多目标的路线选线与设计 公路路线方案评价技术 基于多属性的公路路线方案评价 基于计算机仿真方法的公路路线方案评价,公路路线设计的程序,公路主要技术标准(指标)的确定 等级、设计速度、最小半径、最大纵坡、路基宽度等。 确定的依据问题。 公路路线方案设计与比选 路线方案设计问题(选线问题)-多目标决策问题 地形、地质、生态(环保)等因素的考虑,安全、环保、功能、经济、美观、舒适等目标的协调问题。 路线设计方案的比选问题-多属性决策问题 比选的依据(决策信息的
3、获取问题) 比选的方法(决策手段与方法问题) 公路几何设计 公路几何设计中主要技术指标的灵活运用 设计目标的协调问题(安全设计、景观设计等),公路选线特点,从决策的角度看,公路选线具有如下特点: (1)公路选线问题属多目标决策问题,即问题中的方案没有事先给定,决策者要考虑如何在有限资源的限制条件下,找到一个最佳方案,具有目标间的不可公度性和目标间的矛盾性的特点。 (2)公路设计目标和设计指标存在着模糊性。 (3)公路选线知识的不确定性。,公路选线自动化研究的主要内容,主要技术标准的综合优化技术 选取技术标准作为设计变量,建立设计变量与工程经济之间的定量关系数学模型,应用数值优化方法进行求解,获
4、得技术标准的最优组合。 目标函数的计算模型(静态模型、动态模型) 主要技术标准与工程经济数学模型 优化方法,公路选线自动化研究的主要内容,路线多目标与多属性决策技术 路线方案的自动产生与优化技术(多目标决策) 目标函数问题(经济、环保、安全、地质等) 优化算法(动态规划法、梯度投影法、遗传算法) 路线平面方案的自动产生及优化 路线纵断面方案的自动产生及优化 路线多目标方案比选(多属性决策) 决策指标的确定 决策方法的选择,公路选线自动化研究的主要内容,计算机辅助公路几何设计技术 公路几何设计过程模型(设计支持与帮助) 线形组合、设计参数的自动推荐 设计参数与设计目标关系模型 公路几何设计计算与
5、绘图模型 公路三维视景仿真模型,国内外发展概况与展望,主要技术标准的综合优化 前苏联A.B.高林诺夫教授采用试验定线法确定坡度标准,建立坡度与经济指标的函数关系,寻找对应最佳经济指标的限制坡度值。 西南交通大学王柢教授于1984年在“工程设计思想与铁路标准的综合优化中”首次提出铁路技术标准综合优化的思想。 其后,西南交通大学马炜、王齐荣等人对其进行了完善和发展,详见线路工程。 公路部门对主要技术标准的确定以标准、规范为准绳,结合经验确定,没有定量的模型和方法。,国内外发展概况与展望,路线方案的自动生成 纵断面优化技术(以经济为目标) 西南交通大学邓域才、长沙铁道学院詹振炎等提出的梯度投影法以得
6、到较为广泛的应用 公路部门主要有动态规划法、遗传算法,处于停滞状态。 平面优化技术 平面优化涉及到的因素较多,因此技术并不成熟。 铁路部门提出的梯度投影法 朱照宏提出的动态规划法 马里兰大学提出的遗传算法,国内外发展概况与展望,路线方案决策技术 专家评议 建立评价体系或决策体系进行评价 目前研究的路线方案决策是基于效用最大化的排序型决策结构,企图实现系统最优的决策 决策目标与决策指标关系并不清晰,如安全性与几何要素的关系 利用计算机提供决策信息辅助设计者决策,存在的主要问题,(1)从设计模型来看,传统CAD系统是以几何模型为主的,以参数化技术为核心,几何尺寸的约束关系是CAD模型的驱动力,所处
7、理的问题是用精确的数学模型描述的,具有确定解答的问题,即所谓结构化问题。模型将设计中的计算和绘图过程集成和自动化,以完成准确快速计算和方便的几何交互设计为设计目的,设计知识的获取和设计决策等工作则只能由设计者依靠经验完成。 (2)从设计目标来看,在路线优化设计中,多数研究成果以工程造价或土石方工程量作为目标函数,由于工程经济已不是确定路线方案的决定性因素,造成这些研究成果难以得到实际应用。对于采用权值将多目标优化转化为单目标优化的做法,存在权值难以确定和部分目标难以用统一的指标量化等缺陷,同样得不到满意的结果(例如很难用金钱来度量交通事故造成的损失和社会影响,也就不能用权值来度量交通安全与工程
8、经济的关系)。目前的公路CAD系统,受设计模型的限制,只是完成计算与绘图的工具,只能借助设计者经验协调设计目标的关系。 (3)从设计方法来看,路线优化设计并不能提供一个协调各设计目标的满意方案,因此路线设计方法是通过试凑法,即设计人员借助CAD系统交互计算和绘图模型,有时是在优化设计成果的基础上,根据自身经验,初步拟定多个设计方案和设计参数,然后进行方案优选确定折衷方案。由于设计人员自身经验和素质的限制,加之CAD系统能够提供给设计人员的辅助信息非常匮乏,能够完成的工作量有限。试凑法本质上是局部解空间内的穷举法,很难达到系统最优的目的,往往遗漏优秀设计方案。,(4)从对设计过程支持来看,传统C
9、AD系统一方面缺乏对设计环境知识的集成,CAD系统由于其自身缺陷,缺乏对空间数据的有效管理,无法提供路线设计过程中所必需的地形、地质、水文等信息,同时缺乏有效的空间知识挖掘机制,无法有效的分析自然社会条件(空间数据)与路线方案间的相互影响,只能依靠设计人员的经验。另一方面缺乏对领域专家知识的集成,在诸如方案产生、比选、决策等关键设计环节,设计人员得不到CAD系统的支持,只能由设计人员根据经验完成,而由于设计人员水平差异,设计质量也参差不齐。 (5)从设计方案决策方式看,公路设计方案决策主要依靠个人经验和专家评议,鉴于目前公路设计目标与设计指标之间的关系并不完全清晰,设计人员很难定量说明某一设计指标的采用对交通安全、生态环保等设计目标的影响程度。因而各专家根据自己的经验和对设计目标的偏好来确定路线方案,缺乏科学性。对于基于层次分析法的模糊综合评价系统,一方面各评价指标权重难以确定,另一方面其本质上是基于效用最大化的排序型决策结构,由于公路各设计目标之间存在冲突关系,不存在绝对的或者说是唯一的最优解,公路设计方案决策的目标在于从最优解集中寻找满意解。,
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