一种铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用

技术领域

本申请涉及铁路工程技术领域，尤其涉及一种基于二分迭代法的铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用。

背景技术

随着铁路客运高速化、货运重载化，铁路运输跨入了崭新时代，但同时也使铁路线路更容易变形，给铁路的运营和维护带来更大的压力。铁路线路变形分为平面曲线和纵断面曲线变形两种。当前，针对平面曲线变形优化和整正的技术已经比较成熟，其优化结果联合捣固车使用效果非常好，因此也在各个路局都得到了大量的使用。但是，对铁路大修纵断面优化的研究我国却起步较晚，尤其在既有线路的大修与维护过程中联合捣固车的应用还处在起步阶段。随着我国铁路里程的快速增长，既有线大修的任务日益繁重，进一步在这方面展开深入研究具有很强的现实意义。

线路工程纵断面的走向是根据变坡点而决定的，而变坡点的里程和高程又是确定变坡点的空间位置的依据。在线路工程的纵断面优化中实质上是寻找空间中的一组变坡点位置最优的点的集合。需要将算法进行改进加入满足线路工程的约束条件建立数学模型。国内外在线路纵断面优化设计的研究主要采用解析法、枚举法、降纬法、三次样条、最小二乘法、增广函数法和遗传算法。其中，增广函数法是现有技术中较为常用，且优化效果相对较好的一种算法。

如附图1所示，铁路纵断面是由一系列坡段组成的，具体包括一系列的变坡点P、直线段L1及竖曲线段L2，变坡点P为相邻两条直线段L1延长线的交点。经过长时间使用的铁路纵断面变形可分为：1)变坡点的里程和标高发生变化；2)直线段的不平顺；3)竖曲线半径及起终点的变化等等。纵断面优化的主要目的是解决变坡点的位置和变坡点的标高这两个问题，这两项设计工作在满足《铁路线路设计规范》的各项要求的同时，还应该使工程费用和其他费用达到最小。

在现有技术中，主要有以下技术方案与本申请相关：

现有技术1为铁道第三勘察设计院集团有限公司于2012年04月12日申请，并于2012年09月12日公开，公开号为CN102663192A的中国发明申请。该申请公开了一种铁路纵断面自动设计与优化方法，该方法包括以下步骤：对原始地面线进行平顺地面线处理，对平顺后的地面线拟合初始坡度，对初始坡度进行纵断面设计约束条件处理，形成纵断面自动设计坡度方案，基于差异演化算法进行纵断面优化，设置优化控制参数，根据纵断面自动设计坡度方案初始化种群，利用目标函数作为纵断面个体方案优劣的评价，计算个体目标函数值，利用变异操作、交叉操作、修复操作、设置桥隧、选择操作在种群之中进行演化，直到达到进化终止条件，输出纵断面图和规范检查表。该方法具有自动化程度高、实用性强、运算速度快的特点，在铁路纵断面设计与优化中，具有很高的推广应用价值。

现有技术2为北方工业大学于2015年09月14日申请，并于2015年12月30日公开，公开号为CN105205240A的中国发明申请。该申请公开了一种地铁纵断面自动拟合、自动优化与交互设计的方法，使用相关高程限制条件的约束处理，对地铁纵断面进行自动拟合与优化设计，采用最小二乘法对坡度自动拟合，可以快速便捷地生成较为合理的坡度初始设计方案，为纵断面设计和优化提供快速参考和指导。该申请在自动拟合坡度设计生成的成果上，进行纵断面自动优化，以形成满足纵断面坡度设计要求的设计方案。该申请相关高程限制约束条件、自动拟合、自动设计优化以及自动进行规范要求检查，可以提高纵断面设计的质量和效率以及规范符合性。

以上两项申请都提出了一种纵断面优化方法，但这两项申请所提出的技术方案中采用最小二乘和目标函数的方法，这两种方法不但精度低，而且需大量的人工干预，无法满足高效测量的需求。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用，以解决现有纵断面优化方法精度低，且需大量的人工干预，无法满足高效测量需求的技术问题。

为了实现上述发明目的，本申请具体提供了一种铁路线路纵断面优化方法的技术实现方案，铁路线路纵断面优化方法，包括以下步骤：

S101)间隔一定距离获取铁路线路纵断面上测量点的里程，及该里程处对应的标高值数据；

S102)根据测量点的里程，及该里程处对应的标高值数据，利用二分法迭代寻找最大矢距以确定变坡点；

S103)判断最大矢距是否小于最大起道量，如果是则跳转至步骤S105)执行，如果否则执行步骤S104)；

S104)判断变坡点邻近的坡段长度是否小于最小坡段长度，如果是则执行步骤S104)，如果否则跳转至步骤S102)执行；

S105)计算变坡点处的高程值。

进一步的，铁路线路纵断面上的起始点为第一标记点A，终止点为第二标记点B，所述第一标记点A与第二标记点B之间的高程为实曲线。步骤S102)进一步包括：

在所述第一标记点A与第二标记点B之间作弦，寻找曲线AB上的点到弦AB之间距离最大的点为变坡点C，记为第三标记点；变坡点到相应的弦的距离为最大矢距；

在所述第一标记点A与第三标记点C之间作弦，寻找曲线AC上的点到弦AC之间距离最大的点为变坡点D，记为第四标记点；

在所述第二标记点B与第二标记点C之间作弦，寻找曲线BC上的点到弦BC之间距离最大的点为变坡点E，记为第五标记点；

按照上述步骤反复迭代，寻找所有相邻标记点之间的变坡点，直到点到弦的距离小于起道量最大约束值或是坡段长度小于最小约束值时停止迭代，所有的变坡点找到。

进一步的，在步骤S104)中，所述最小坡段长度L

L

其中，x

进一步的，设铁路线路纵断面上有N个坡段，N+1个变坡点，每间隔距离l有一个高程测量点，共有M个高程测量点。在步骤S103)中，所述最大起道量H

其中，第k个变坡点的里程为x

进一步的，在步骤S105)中，如果相邻坡段之间的坡度差大于设定值，则需设置竖曲线，并计算设置竖曲线后变坡点处的高程值。

进一步的，在步骤S105)中，所述变坡点处的高程值H根据以下公式计算：

其中，H

进一步的，在步骤S105)中，所有的变坡点找到后，在计算变坡点处的高程值时，如果不设置竖曲线，则变坡点处的高程值为测量标高值加上最小起道量。

进一步的，所述步骤S103)中的最大起道量H

本申请还另外具体提供了一种上述铁路线路纵断面优化方法在捣固作业中的应用的技术实现方案。

进一步的，在计算出所有变坡点处的高程值后形成线路台账数据，当捣固车需要对该段线路进行维修时，将铁路线路的相应位置起道至计算后的高程值的高度，即该铁路线路恢复至理论线型。

通过实施上述本申请提供的铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本申请铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用，有效地提升了铁路线路纵断面优化效率，不但操作简单，而且大大节省了数据优化的人力成本和时间成本，能够很好地满足高效测量的需求；

(2)本申请铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用，采用二分迭代法计算的起道量远远小于使用增广函数计算的起道量，优化纵断面更贴近实际测量值，大大减小了后期人工干预的工作量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

图1是铁路纵断面的结构组成示意图；

图2是本申请铁路线路纵断面优化方法一种具体实施例中变坡点搜索的原理示意图；

图3是本申请铁路线路纵断面优化方法一种具体实施例中变坡点高程计算的原理示意图；

图4是本申请铁路线路纵断面优化方法一种具体实施例的程序流程图；

图5是采用本申请铁路线路纵断面优化方法与目前普遍采用的增广函数法在起道量计算上的对比效果示意图；

图6是基于本申请方法的铁路线路纵断面优化装置一种具体实施例的结构组成框图；

图7是基于本申请方法的铁路线路纵断面优化装置一种具体实施例应用于捣固车的结构示意框图；

图中：1-数据获取模块，2-变坡点搜索模块，3-判断模块，4-高程计算模块，100-铁路线路纵断面优化装置，200-捣固车，300-作业机构。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

如附图1至附图7所示，给出了本申请铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明。

本申请给出了一种基于二分迭代法的铁路线路纵断面(高程)优化方法，寻找高程数据中的变坡点位置，与目前普遍采用的增广函数法计算出来的变坡点及优化后的起落道量相比，本申请基于二分迭代法的高程优化算法计算得到的变坡点，起道量更小，更接近实际测量值，更加符合实际运用的需求，同时操作也更加简单、高效。

实施例1

如附图4所示，一种本申请铁路线路纵断面优化方法的实施例，具体包括以下步骤：

S101)间隔一定距离获取铁路线路纵断面上测量点的里程，及该里程处对应的标高值数据；将测量得到的高程数据整理成Excel表，一列是里程，一列是高程，直接导入即可；

S102)根据测量点的里程，及该里程处对应的标高值数据，利用二分法迭代寻找最大矢距以确定变坡点(即坡度改度的点，如附图2中所示，图中C点、D点、E点、F点、G点及H点均为变坡点)；

S103)判断最大矢距是否小于最大起道量，如果是则跳转至步骤S105)执行，如果否则执行步骤S104)；

S104)判断变坡点邻近的坡段(坡段为坡度一致的一段线路，如附图中所示，AC为一个坡段，CB为一个坡段)长度是否小于最小坡段长度，如果是则执行步骤S104)，如果否则跳转至步骤S102)执行；

S105)计算变坡点处的高程值。

实施例1描述的铁路线路纵断面优化方法针对既有线路大修时的纵断面进行优化，该方法的输入为间隔10米的轨面点的标高测量值，优化输出的是能够提供给捣固车修正铁路时使用的标高数据，目的是使经过大修后的铁路在纵断面上满足《铁路线路设计规范》的各项要求。为了实现上述申请目的，在本实施例中设定两个能够进行量化的约束条件：

一是坡段长度最小约束，即相邻变坡点间的一个坡段的长度一般要大于一列列车的长度，在本实施例中设定该值为200m。

二是起道量最大约束，由于本申请得出的高程优化数据主要用于与轨道工程车辆(如：捣固车)联合使用，而捣固车存在一个最大起道量，在本实施例中设定该值为0.03m。

如附图2所示，铁路线路纵断面上的起始点为第一标记点A，终止点为第二标记点B，第一标记点A与第二标记点B之间的高程为实曲线。步骤S102)进一步包括：

在第一标记点A与第二标记点B之间作弦，寻找曲线AB上的点到弦AB之间距离最大的点为变坡点C，记为第三标记点；变坡点到相应的弦的距离为最大矢距；

在第一标记点A与第三标记点C之间作弦，寻找曲线AC上的点到弦AC之间距离最大的点为变坡点D，记为第四标记点；

在第二标记点B与第二标记点C之间作弦，寻找曲线BC上的点到弦BC之间距离最大的点为变坡点E，记为第五标记点；

按照上述步骤反复迭代，寻找所有相邻标记点之间的变坡点，直到点到弦的距离小于起道量最大约束值或是坡段长度小于最小约束值时停止迭代，所有的变坡点找到。

在步骤S104)中，最小坡段长度L

L

其中，x

设铁路线路纵断面上有N个坡段，N+1个变坡点，每间隔距离l(如10米)有一个高程测量点，共有M个10米的高程测量点。在步骤S103)中，最大起道量H

其中，第k个变坡点的里程为x

在步骤S105)中，如果相邻坡段之间的坡度(代数)差(即相邻坡段之间的坡度差)大于设定值，则需设置竖曲线(由于两个直线相交处会存在拐点，从而导致线路不平顺，因此需要设置竖曲线，如附图3中所示夹角间的弧线就是竖曲线)，并计算设置竖曲线后变坡点处的高程值。

如附图3所示，在步骤S105)中，变坡点处的高程值H根据以下公式计算：

其中，H

在步骤S105)中，所有的变坡点找到后，在计算变坡点处的高程值时，如果不设置竖曲线，则变坡点处的高程值为测量标高值加上最小起道量。

作为本申请一种典型的实施例，步骤S103)中的最大起道量H

通过实施例1描述的方法得到高程数据后将作为线路作业台账使用，如果以后需要对该段线路进行维修，只需将线路起道至该计算后的高程高度，即代表该段线路恢复至理论线型。

如附图5所示，将目前普遍采用的增广函数法及本申请实施例采用的二分迭代法进行了对比计算，具体针对两套算法计算得到的变坡点和高程分别计算其起道量。如附图5中I所示的曲线为采用增广函数法计算得到的起道量，如J所示的曲线为采用本申请二分迭代法计算得到的起道量。从图中的数据对比可以看出，采用本申请二分迭代法计算得到的起道量远远小于使用现有增广函数法计算得到的起道量，这充分说明采用本申请二分迭代法优化得到的铁路线路纵断面更贴近实际测量值，这大大减小了后期人工干预的工作量和难度。

实施例2

一种如本申请实施例1所述的铁路线路纵断面优化方法在捣固作业中的应用的具体实施例。在计算出所有变坡点处的高程值后形成线路作业台账数据，当捣固车200需要对该段线路进行维修时，将铁路线路的相应位置起道至计算后的高程值的高度，即该铁路线路恢复至理论线型。

实施例3

如附图6所示，一种基于本申请实施例1所述方法的铁路线路纵断面优化装置100的实施例，具体包括：

数据获取模块1，间隔一定距离获取铁路线路纵断面上测量点的里程，及该里程处对应的标高值数据；

变坡点搜索模块2，根据数据获取模块1输出的测量点的里程，及该里程处对应的标高值数据，通过二分法迭代寻找最大矢距以确定变坡点；

判断模块3，判断变坡点搜索模块2获取的最大矢距是否小于最大起道量，或变坡点邻近的坡段长度是否小于最小坡段长度，如果否则由变坡点搜索模块2继续寻找并确定变坡点，如果是则输出变坡点处的测量标高值及相邻坡段的几何参数；

高程计算模块4，根据变坡点处的测量标高值、相邻坡段的几何参数及最小起道量计算变坡点处的高程值。

铁路线路纵断面上的起始点为第一标记点A，终止点为第二标记点B，所述第一标记点A与第二标记点B之间的高程为实曲线。变坡点搜索模块2在第一标记点A与第二标记点B之间作弦，寻找曲线AB上的点到弦AB之间距离最大的点为变坡点C，记为第三标记点。变坡点到相应的弦的距离为最大矢距。在第一标记点A与第三标记点C之间作弦，寻找曲线AC上的点到弦AC之间距离最大的点为变坡点D，记为第四标记点。在第二标记点B与第二标记点C之间作弦，寻找曲线BC上的点到弦BC之间距离最大的点为变坡点E，记为第五标记点。反复迭代寻找所有相邻标记点之间的变坡点，直到点到弦的距离小于起道量最大约束值或是坡段长度小于最小约束值时停止迭代，找到所有的变坡点。

判断模块3进一步根据以下公式计算最小坡段长度L

L

其中，x

铁路线路纵断面上有N个坡段，N+1个变坡点，每间隔距离l有一个高程测量点，共有M个高程测量点。判断模块3进一步根据以下公式计算最大起道量H

其中，第k个变坡点的里程为x

当所有的变坡点找到后，在计算变坡点处的高程值时，如果高程计算模块4判断相邻坡段之间的坡度差大于设定值，则设置竖曲线，并计算设置竖曲线后变坡点处的高程值。

高程计算模块4进一步根据以下公式计算设置竖曲线后变坡点处的高程值H：

其中，H

如果不设置竖曲线，则高程计算模块4计算变坡点处的高程值为测量标高值加上最小起道量。

作为本申请一种典型的实施例，最大起道量H

实施例4

如附图7所示，一种捣固车200的实施例，具体包括：安装于其上的如实施例3所述的铁路线路纵断面优化装置100。捣固车200还包括作业机构300，铁路线路纵断面优化装置100在计算出所有变坡点处的高程值后形成线路作业台账数据，当捣固车200需要对该段线路进行维修时，通过作业机构300将铁路线路的相应位置起道至计算后的高程值的高度，即该铁路线路恢复至理论线型。

在本申请的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容能够涵盖的范围内。

通过实施本申请具体实施例描述的铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本申请具体实施例描述的铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用，有效地提升了铁路线路纵断面优化效率，不但操作简单，而且大大节省了数据优化的人力成本和时间成本，能够很好地满足高效测量的需求；

(2)本申请具体实施例描述的铁路线路纵断面优化方法及其在捣固作业中的应用，采用二分迭代法计算的起道量远远小于使用增广函数计算的起道量，优化纵断面更贴近实际测量值，大大减小了后期人工干预的工作量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围。