智能优化选线建模理论与算法研究

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1、硕士学位论文绪论1绪论1．1研究的背景和意义1．1．1研究背景选线设计是公路、铁路建设的基本工作和核心内容，是集实践性、知识性、创造性为一体的多目标决策过程。目前高速公路、铁路选线设计工作，是线路工程师借助计算机辅助设计软件进行交互式设计，产生众多设计方案，再进行繁杂的方案比选，得到推荐的线路方案。由于线路设计过程是对相关因素的全面分析，比如土地可用性、土石方、维护保养、寿命周期费、交通需求、土地使用、用户旅行时间、环境影响、安全、对于其他交通模式的影响和对区域发展的影响等，线路工程师面临复杂决定nql。最终线路的优劣，完全依赖于工程师的经验、规范约束和决策者的喜好。这样，选线质量受到设计

2、者水平和经验的大大约束。虽然有计算机辅助设计软件的存在，设计周期大大减小，这也没有从根本上解决选线设计决策周期长、目标方案单一、评价指标单一、设计人员工作强度大等缺点[4】o近50年来，学者们从平面线形、纵断面线形和三维线形三方面对线路优化进行了研究。采用的方法有：遗传算法、变分法、网络优化法、动态规划法、枚举法、线性规划法、数值搜索法、混合整型启发式邻域搜索算法等。采用特定算法并结合地理信息系统GIS的智能选线系统，能够生成大量的初始线路方案。与常规设计相比，智能选线方法生成的初始线路方案能大大节省设计时间，生成的初始方案能满足初始设计阶段的要求，推进了线路勘测设计一体化进程。然而，由于

3、优化线路不符合实际、耗时长、模型指标不全面、程序通用性差等原因，目前只有澳大利亚政府牵头研制的智能化三维路线系统“旷达”应用于工程实际，但由于知识产权保护和商业机密等原因，该系统算法没有公布难以借鉴。旷达系统也有缺陷，它主要考虑工程投资最省的线路线形，对地质条件、征地、环境等没有考虑，并需要人工干预完成工作。理论上说，高速公路、铁路线路优化是一个拥有无数的可行方案供选择评价的问题。寻找一个有效的快速的算法解决此问题是学者们研究的共同目标。学者们已有很多方法应用于线路优化模型，所有的这些模型采用的算法中，除了遗传算法，其他算法都有一些致命的缺陷。在线路优化搜索方法中，遗传算法是一种以自然进化

4、和适者生存理论作为原则的仿生进化算法，通过搜索解集而不是搜索单解避免陷入局部最优，非常适用于数据量大的局部最优问题。而遗传算法也不硕士学位论文绪论能在一个连续搜索空间中避免陷入局部最优，并且遗传算法在搜索空间增大时，计算机负担显著增大，耗时长。模型中采用的评价指标虽然基本周全，但决策时将多个指标值分别乘以一定权重转化为了单目标，多目标问题被处理成单目标问题。EungcheolKim，ManojK．Jha等提出分段遗传算法提高计算效率晦1。ManojK．Jha和AvijitMaji等，引入了柏拉图最优的概念，采用多目标遗传算法求解路线方案Pareto最优解集媳1。不可否认，学者们借助发展迅速

5、的计算机和人工智能、GIS等技术开展线路优化研究，对选线工作的质量和效率有推动作用，并为下一代线路勘察设计软件的研制提供了理论积淀和技术支持，研究成果可以进一步推广到土木工程、其他空间决策的设计领域。但是，目前的研究还存在着考虑目标单一、耗时长等缺陷，优化结果仍然难以直接应用于工程实际，对线路优化的研究仍有较长的路途。众多的线路设计方案或智能搜索出的线路初始方案，需要进行方案比选和方案组合，才能真正意义上发挥设计大量初始方案的意义，最大限度的发挥比选方案多的优势。选线设计涉及因素众多，要考虑政治、经济、规划、环境等，而人工的方案比选计算繁琐，工作量大，且主观性强，往往不能得到真正意义上的最

6、优方案。因此，一个智能的计算机模型在给定条件下寻找线路最优路径，并且能轻松地重新运行改变目标、约束或喜好，可以节省大量资源和寿命周期费用、运营和用户时间。1．1．2研究意义图1．1国外线路方案比选示意图2硕士学位论文绪论”j曼蠢冀葺赫磊i。4j囊誊蠢；篡i震嚣冀i菇嚣繁善一__“i警≤冀雾二i蠢j麓薹篇蒜藏蒜霸i蒜；嚣i丞j茹妊嚣搽；；潜图1-2国内线路方案比选示意图图1．1和图1．2分别是国外和国内实际工程中进行方案比选的示意图。选线一般遵循先整体、后局部，由面到带、由带到线、由线到点的原则，得到一切可能的线路走向方案作为比选方案。然后，对所有比选方案进行定性、定量的综合比选，寻找出一系

7、列指标最优的局部方案，把这些局部方案组合起来，得到推荐的最优线路方案。在一个铁路和公路工程项目中，设计起点和终点是明确的，比选方案要么是直接连接起点或终点，要么可以通过其他比选方案到达起点或终点。直接连接起点或终点的方案称为贯通方案，其他方案则称局部方案。由于所有的比选方案都必须最终能够到达起点和终点，所以每一个比选方案都会同其他某些比选方案相关联。由上可知，线路方案的比选是在比选方案群中选择最优方案的过程。起终点位置间