（道路与铁道工程专业论文）基于满意优化的铁路新线纵断面优化方法及CAD系统研究.pdf

话南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文在分析铁路新线纵断面选线知识特点的基础上，提出了基于满意优 化的铁路新线纵断面优化设计方法，给出了计算模型和算法。该方法以满意度 函数反映设计者对性能指标的评价。定义了工程满意度、运营满意度、综合满 意度的概念。给出了满意收敛准则。提出了满意整饰理论，通过整饰满意度对 设计结果进行评价。该方法是铁路勘测设计智能化系统的重要组成部分。基于 满意优化的铁路新线纵断面c a d 系统实现了工程数据库的连接技术，具备了从 项目管理、设计、编辑直至后续成果输出的全套功能。 本系统是在w i n d o w s2 0 0 0 操作系统上进行开发的，采用v i s u a lc + + 6 0 作为系统开发平台，a u t o c a d2 0 0 0 作为图形支撑环境，o r a c l e 9 i 作为数据管理 工具，用o b j e c t a r x2 0 0 0 进行系统开发。本系统可以在w i n d o w s 2 0 0 0 及更高版 本的环境下运行。 实例分析表明基于满意优化的铁路新线纵断面优化设计方法是有效的。基 于满意优化的铁路新线纵断面c a d 系统数据流逻辑关系正确，系统安全，界面 友好、直观，操作方便。 关键词：满意优化；满意度；工程数据库；铁路纵断面设计；c a d ；o b j e c t a r x 西南交通犬学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h ef e a t u r e so fk n o w l e d g es t r u c t u r ei nr a i l w a yv e a a i c a l - s e c t i o n d e s i g n ，t h i sp a p e rp r e s e n t s an e wa p p r o a c ht ot h e o p t i m i z a t i o n o fr a i l w a y v e r t i c a l s e c t i o nd e s i g nb a s e do ns a t i s f a c t o r yo p t i m i z a t i o na n da l s oi n t r o d u c e st h e c o m p u t i n gm o d e la n da l g o r i t h mf o r t h i so p t i m i z a t i o nm e t h o d w ed e f i n ea s a t i s f a c t o r yd e g r e ef u n c t i o nt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g ni nap r a g m a t i c w a y i nt h i sp a p e r , i td e f i n e se n g i n e e r i n gs a t i s f a c t o r yd e g r e e ，t r a n s p o r t a t i o n s a i l s f a c t o r yd e g r e e a n dc o m p r e h e n s i v e s a t i s f a c t o r yd e g r e e w e a l s o d e f i n e s a t i s f a c t o r ya s t r i n g e n tp r i n c i p l e ，。s a t i s f a c t o r ym o d i f i c a t i o n , e t c 。t h em o d i f i c a t i o n r e s u l tw i l lb ev a l u e db ym o d i r ys a t i s f a c t o r yd e g r e e t h i sm e t h o di so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t so f t h er a i l w a yl o c a t i o ni n t e l l i g e n ts y s t e m t h er a i l w a yl o c a t i o nc a d s y s t e mc o n c e m i n gt h ev e r t i c a ls e c t i o nd e s i g nb a s e do ns a t i s f a c t o r yo p t i m i z a t i o n s u c c e e d si nt h ec o n n e c t i o nt ot h ee n g i n e e r i n gd a t a b a s e ，a n dh a v i n gt h ew h o l e f u n c t i o n s ，i n c l u d i n gp r o j e e tm a n a g e m e n t ，d e s i g n , e d i t i o n ，a n dm o d i f i c a t i o n ，a n d s t a n d a r do u t p u to f d e s i g nr e s u l t 。 t h i ss y s t e mi sd e v e l o p e du n d e rt h eo p e r a t i o ns y s t e mh a m e dw i n d o w s2 0 0 0 i t s d e v e l o p i n g f l a tr o o fi sv i s u a le + + 6 。o i t sg r a p h s - s u p p o r t e de n v i r o n m e n ti s a u t o c a d2 0 0 0 i t sd a t a b a s e - s u p p o r t e de n v i r o n m e n ti so r a c l e 9 i t h ep r o g r a m m i n g l a n g u a g ei so b j e c t a r x2 0 0 0 t h i ss y s t e mc a l lr a na tw i n d o w s2 0 0 0a n dt h em o r e a d v a n c e dc o n d i t i o n s 。 1 r i 擗a n a l y s i so ft h ee x a m p l es h o w st h a tt h et h e o r ya n d m e t h o di nt h i sp a p e ri s e f f e c t i v e ，a n dt h ec a ds y s t e ms u c c e s s f u l l ys e t t l e st h ed a t ac u r r e n t i ti ss t a b l ei n o p e r a t i o na n de a s yi nc o n d u c t i o n k e yw o r d s ：s a t i s f a c t o r yo p t i m i z a t i o n ；s a t i s f a c t o r 3d e g r e e ；e n g i n e e r i n gd a t a b a s e ； r a i l w a yv e r t i c a ls e c t i o nd e s i g n ；c a d ；o b j e c t a r x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 铁路c a d 技术的研究与发展状况 铁路勘察设计是一项涉及技术、经济、政治等多因素在内的特殊的土工建 筑活动。铁路的修建，需要大量的人力、物力，一旦建成后设计质量的优劣更 对运营支出产生巨大的影响。因而降低造价、提高设计质量历来是设计工程师 们所追求的目标。进行铁路设计时，在确定了线路走向和主要技术标准之后， 沿初选方案带状地形进行平面与纵断面设计就可设计出路线中心线的空问位 置。传统的设计方法是根据经验在2 3 个可行方案中进行比选，根据一定的定 量指标( 常用的如换算工程运营赞等) 。结合定性分析( 如地质、水文、环境保 护等因素) 进行决策。这样的做法存在的最大问题在于拟选的可行方案不一定 包含了最优设计方案在内，从客观上讲，遗漏的可能性很大，因而后续的方案 比选就显得有些苍白，由此得出的决策包含了过多的主观随意性，缺乏客观科 学的预测和设计，会带来不必要的人力、财力、物力的浪费。造成这种局面的 原因是由不同时期的技术条件限制的，由于每个方案的计算工作量大，所以依 靠人工只能在极其有限的范围内进行，因而适合铁路勘察设计的新的作业方式 亟待发展。 随着信息化进程的的不断深入，计算机技术深刻地影响着人们的生产生活 方式。计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，以下简称c a d ) 是计算机技术在 工程设计、机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术。c a d 系统的发 展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生深刻的变化，铁路勘察设计领 域自然也不例外。 在c a d 技术发展和应用的初期，国外已经开始了道路工程c a d 技术的研 究。西方工业国家的研究工作主要是在公路设计中如何用优化方法选出公路路 线的最佳设计。公路横断面设计、平纵断面几何线型、土石方数量的汁算、地 形资料的数字化模烈处理等是计算机在公路设计中最先涉及的问题，路线选 择、线型优化同期往计算机上也取得了一批成果。进入9 0 年代，随管计算机 技术的发展，尤其是图形软件的逐步完善，以及办公系统的普及，使得工程设 计中大量设计图纸的绘制与设计文件的编制逐步由计算机完成，西方发达国家 致力子集成式土木：r = 程设计系统的研究与开发。铁路线路设计c a d 系统是土 木工程没计系统的重要组成部分。国外最新的研究成果主要在于线路勘测设计 中智能c a d 技术的应用，地理信息系统在道路等土木类设计中的应用，以及 道路设计中的三维c a d 与可视化技术。很多国家已经她立了由航测设备、计 算机( 包括计算机主机、绘图机、数字化仪等硬件) 和专用线路设计软件包形 成的集成系统。美剐和英国的三维c a d 和可视化的研究处于世界领先水平， 设计与研究部门已成功地研制出供公路设计用的三维c a d 系统。应用较多的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有美国i n t e r g r a p h 公司的l n r a i l 系统、英国i n f r o ( m o s s ) 公司的m i c r o r a i l 和德 国c a r d 1 系统等。 我国选线计算机辅助设计的研究始于7 0 年代末期。8 0 年代中期以前，由 于计算机还不具备实用的图形处理功能，计算机在线路设计中的应用，仅局限 于单纯的数值计算问题，该时期工作主要集中在纵断面优化方法的研究方面， 8 0 年代中期以来，计算机的硬件设备发展很快，支撑软件也不断丰富，铁路 计算机辅助设计的软件采用模块化的程序设计方法进行研制，在线路平纵面联 合优化的理论和方法研究方面相应得取得了一系列成果，但此时国内的研究成 果仍然以数值分析和计算为主，加之数字化勘测信息技术问题尚未解决，研究 成果的推广应用非常缓慢。8 0 年代末期至9 0 年代中期，随着计算机图形学和 软件工程的发展，线路的计算机辅助设计技术也从单纯的数值计算分析发展为 图形交互自动设计，开发出了集地形资料处理、工程费计算、图形交互设计、 纵断面自动设计以及绘制线路平、纵断面图为一体的一套完整的计算机辅助设 计系统。在此时期，随着现代勘测设计技术的迅速发展和测量仪器的现代化， 地形信息数字化的困难也基本得以解决；空间地形学的理论和应用研究也有了 实用型成果。到9 0 年代中期，国内已经能方便地获得提供铁路线路计算机辅 助设计用的数字地形信息，现场设计部门在航测技术的研究与应用方面、计算 机辅助勘察设计与设计方面、以及计算机辅助成图方面均作了大量的研究与开 发工作，已研制了一批实用软件。广泛推广计算机辅助线路设计技术的条件已 经具备。 “九五”期间铁路科技发展重大项目“勘测设计体化、智能化技术研究” 的开展，是铁路计算机c a d 技术进入蓬勃发展和广泛使用时期的标志。铁道 部科技司按照工程项目管理模式组织路内各大设计院和高等院校联合攻关，开 展铁路勘测设计计算机辅助设计技术的应用研究。按照“铁路勘铡设计一体化 和智能化系统”要实现网络化、数字化、数据库化、集成化、智能化的基本要 求，对各专业现有的设计软件进行修改和功能扩充；同时按照甩掉图板的目标， 完成勘测设计技术手段从传统的手工方法向现代化c a d 技术转变的要求，大 力开发新的软件，系统地面向工程化、综合化、系统化推进，形成专业覆盖面 大、可适用于不同设计阶段、设计要求的功能强大的专业集成化c a d 系统。 经过5 年的努力，铁路c a d 取得了一系列突破性的实质进展，这些成果包括： ( 1 ) 利用航测和其它测绘手段采集数据，建立数字化测量系统，建立适用铁 路设计的带状数字地面模型； ( 2 ) 应用优化理论进行铁路线路纵断面优化和平面纵断面整体优化； ( 3 ) 新建单、双线铁路线路的计算机辅助设计； ( 4 ) 线路大修及改建的计算机辅助设计； ( 5 ) 铁路线路的戛维可视化设计及多媒体动画： ( 6 ) 铁路路基及支档建筑物的计算机辅助设计； 1 7 ) 铁路工程概预算编制的软件包。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 目前，随着互连网的普及，各种c a d 软件相继融入了w e b 技术，基于 b s ( b r o w s e rs e v e o 技术的c a d 软件大行其道，在网络环境下支持协同设计、异 地设计和信息共享。集成化( i n t e g r a t e d ) 、智能化( i n t e l l i g e n t ) 、协同化( c o l l a b o r a t i v e l 成为c a d 技术新的发展特点。铁路选线c a d 技术将实现设计工作中各个专业 的分散设计、计算、绘图工作全部信息化，这就需要外业与内业之间以及专业 与专业之间的信息通过一个专用的工程数据库来实现，计算机不仅参与勘测设 计计算绘图工作，而且还参与设计工作的管理、协调和质量控制等工作。就目 前来讲，铁路选线c a d 的主要研究方向应是开发可行性研究和初步设计阶段主 要技术标准研究和多方案比选智能c a d 系统，为此需要解决以下问题【l l ： ( 1 ) 基于地理信息系统建立铁路选线所需要的虚拟自然环境，包括三维数 字地形模型和可视化图形设计环境。 ( 2 ) 建立铁路选线知识库和工程数据库。 ( 3 ) 利用知识库原型( 面向对象模型) 的输出信息，加强设计过程；为各 个设计模块补充信息；并且将软件的分析信息翻译为产生模型的设计过程。 ( 4 ) 在走向选择、局部方案设计、方案经济技术评价等图形入口处，用面 向对象建模技术表达设计规则和管理知识。 ( 5 ) 允许改变和或重新定义方案原型，以便产生多个可供选择的线路方案。 ( 6 ) 在走向选择的最初阶段就表达、考虑和处理技术经济评价的知识。 ( 7 ) 实现线路c a d 系统与铁路勘测设计工程数据库和网络的连接，赢接通 过工程数据库和网络实现信息和资源共享。 这些问题将通过c a d 技术、可视化技术、系统集成技术和网络技术的发展 而得到解决。 1 2 满意优化理论的研究与应用现状 1 2 1 满意优化理论的研究 人们在处理实际问题时，衡量处理问题的质量依据往往是满意性而不是最 优性。l i a s i m o n 提出用满意方案代替最优方案的思想，把满意解的寻求过程 命名为“s a t i s f i c i n g ”，提出了令人满意准则，从而开辟了个崭新的知识体系。 虽然满意问题无处不在，但由于缺乏坚实的数学理论基础，其形式化和分析工 作都轳常困难。满意方法更加趋向于启发式疗法，而不足传统的数学推导，因 而在理沦研究和应川效果上却没有优化理论那样令人满意，这和人们在日常生 活中处理事物多数情况下采用满意方法而不足采用优化方法正好相反。 ha s i m o n 提出令人满意准则之后，满意度概念虽然在决策管理领域中引 起了一定的反响，仉对满意度的研究并没有、，孩0 引起太多的关注，满意度研究 的发展人致可以分为三个阶段i 。 ( 1 ) 情芽阶段( 感性阶段) ：从令人满意准则这一概念的提出开始，满意度原 霞麓交遘大学硬戳窕生攀位论文繁4 囊 理即受到了人们的普遍关注，有限理性、满意艘、满意解等概念开始对决策和 往纯等镞壤产生影蔼，继天粕主要箨整在满意菠霖理戆埝篷、意义窝辩灌意瘦 本身j 鞔念的理解和接受，e ，在学术研究和工程成用领域没有受到足够的霪视。 ( 2 ) 理论研究阶段：最初对满意理论进行较系统研究的是日本的m 。 d m e s a r o v i c 帮tm a t s u d a 等。经销奁2 0 整纪8 0 年代辩满意决簸迸幸亍了一些理 论研究，从数学角度定性地分析了满意决策的满意特性、代数特性及分析和分 鳃的方法。m d m e s a r o v i c 和tm a t s u d a 讨论了协网联受唾、瀵意控制葶爨协同操 作的选择，研究了满意控制理论。任平教授借助模糊逻辑定义了满意度、满意 解，开始了满意度的形式化表示的研究。他把满意度思想引入到优化领域并产 生了瀵慧爨证瓣壤念秘淫途雏澎。赣蘩教授麸模糖耱经诗算餐瞧系绫羧逡解戆 一般性评定满意度的需矮出发，给出了满意度的几种表示方式，定义了具体可 用的计算公式，对满意度概念的系统化及其在神经网络等计算智能中的应用方 蕊徽出了贡献。m a g o o 蠡i c h 在博论文a t h e o r yo f s a i l s f i c i n gc o n t r 0 1 ) 审 对满意控制进行了系统研究，搬满意作为一种关系来处理，通道定义满意关系、 过滤器，建立了一套满意控制理论，势成功地挺滋意控制理论应用到一些经典 的控制中，解决了经典控制理论无法解决的一照问题。 f 3 ) 应用阶段：和多数理论一样，满意理论在没有完全成熟的情况下，逐渐 受到多个领域懿荚注，魄较典黧豹裁楚佐证、控割、餐理、决簸、资源分配、 任务调度等。大多数满慈研究怒通过修改原理论体系中的部分内容，把满意的 思想引入到相关应用领域中出现的。这方面的研究成果比较多。1 9 8 5 年h o p f i e l d 疆窭一耱基于满意准粼纛建豹全互联壁率串经丽缀摸壅，院较藏功遣解浃了一登 大规横组合优化难题。靳蕃教授把分区计算后樽组合越来求满意度的方法应用 到t s p 髓求解中，在较短的时阂走得到了满意溲缀高鲍解，提麓了求螂质量和 速度。舅外，念炜东在鞠车的攥锨优纯，罗剐程p i d 和m i m o 控稍，龠裕庚税 复杂工业控制，马丰宁在遗传算法，郭耀煌在多日标群决策问题等中都有满意 度数庭蚓。 满意优化研究的代表性工作主要体现领域商满意控制领域、决策科学的多 个领域( 如多目标决策、多层决策、主从决策、随机决策等都有满意发的具体 瘟麓) 、多疆标优佬变互式满意方法等。满意瘦躬稳关磷亨还寄缀多，涉及裂的 科学研究和工獠应用领域也很广，其中在满意推理、基于满意度的知识系统、 基于潢意度的搜索算法、遗传弦法、爨源分配、任务调度等方甄都有一定的磺 究成巢。 1 2 。2 满意优纯瑾论研究懿发襄戆势 滚意度嚣溪疆究蕊瓣发曩憝势热下搿： ( 1 ) 从概念到系统。令人满趋难则被注意的时候，也j l 是从人们实际生活中 提炼出来的一个抽象概念，是人l ：智能学科t 人的活动研究的成果，随着满意 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 度研究的深入，满意理论逐渐出现了与数学方面相关的研究成果，并有发展成 为一种系统科学的趋势。 ( 2 ) 从理论到工程应用。虽然满意度原理来源于对人类处理问题的一般思维 和行为方式的研究，但当满意度思想提出来之后，人们发现把它应用到和人类 活动相关的具体领域却很困难，因此满意度原理早期的研究偏向理论。经过2 0 多年的发展，满意度原理开始和具体工程相结合，满意优化、满意决策、满意 控制、满意知识系统、满意分配都有具体的应用。 ( 3 ) 从单学科领域( 决策科学领域) 到多学科领域。h a s i m o n 提出让满意解 代替最优解，是针对决策科学领域的，开始的研究也主要集中在决策领域，后 来人们发现满意度本身不应该局限于决策科学，它应该是- 1 5 普遍的、系统的 原理，可以适用于许多与人类活动相关的科学领域，如优化、决策、控制、知 识系统、分配等。 可以看出，满意理论的研究还远没有成熟，正处于方兴未艾之中。 1 3 论文研究意义及特点 “基于满意优化的铁路新线纵断面优化方法及c a d 系统研究”是以工程数据 库为依托进行的铁路勘测设计专业应用软件的研制。 “九五”铁路科技发展重大项目“勘测设计一体化、智能化技术研究”自立 项以来，各种铁路c a d 的单元技术e l 趋成熟。目前，随着专业软件应用的深入， 开发工作逐步向“集成”方向和“智能”方向发展。由于早期专业软件的开发 受当时的计算机技术的限制，一开始都是采用数据文件来存放数据，操作简单 的同时也存在数据格式不统一的f 霹题，这就造成数据冗余度大、缺乏独立性、 难以实现集中管理、安全性和完整性无法保障，并且随着网络的发展，亦无法 进行文件共享和文件的网络操作。目前已有不少软件是基于数据库开发的，各设 计单位虽然使用m i c r o s o f ta c c e s s 等小型数据库作为数据库开发平台，但由于 m i c r o s o f t a c c e s s 这一桌面数据库自身的限制，也仅适用于单用户系统集成，而 这种集成更像是”混合”不是”化合”，操作模式仍局限于单人单机模式，系统不 具备数据实时共享功能，一旦牵扯跨专业数据提取及非文本海量数据的操作时， 更遇到不可克服的障碍，还魁摆脱不了人工干预，计算机配合现有软件只不过 是甩掉了图板而已，离真正意义上的设计自动化还有很大差距。因此，必须寻 求更合适的数据管理模式。随着计算机技术的发展，尤其是面向对象技术和数 据库技术的发展，选择一个符合铁路工程数据特性。并有更大发展空间的数据 库平台，是实现目前既有铁路专有软件集成的第一步。经过比选，本研究采用 o r a c l e 作为数据库开发平台。旨在体现其数据独立、数据共享、数据一致性控 制及并发控制等优于文件管理模式及小型数据库的功能，使分用户共同设计成 为可能。 木文的另一个意义在于铁路纵断面满意优化理论与方法的研究。纵断面优 化设汁是铁路工程优化设计的基础，为方案比选、项目决策提供科学依据。从 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 上世纪7 0 年代开始西方国家相继进行了公路纵断面优化方面的研究与软件研 制。较有代表性的研究成果有：英国的h o p s 纵断面选线最优化系统，法国的 a h o l o n 系统，前联邦德国的e p o s 系统等。这些优化软件的应用大大提高了 设计质量，降低了工程费用。在以后的时间，许多国家在纵断面优化技术的基 础上，又对一定宽度范围内的公路平面线形和空间立体线形的优化技术作了研 究，并获得初步成果。到目前为止，路线优化设计在理论和应用上已基本形成 了一门独立的学科，但就整体而言，仍处在研究探索阶段。我国公路部门从7 0 年代中期到8 0 年代中期，计算机辅助路线优化设计是当时的主要研究内容。研 制出了批优化程序，经过试算，证明其优化结果是令人满意的，但由于优化 过程涉及到的因素很多，特别是优化目标的价值难以确定等各种影响，国内的 优化设计至今尚未广泛地应用到实际的工程设计中。综观目前市面上的比较典 型的c a d 系统，如c a r d 1 、i n r o a d s 、m o s s 等，也主要是在图形图象的 处理和交互设计方面功能强大，但优化功能欠缺。铁路现有c a d 软件目前也只 是侧重可视化与交互操作功能，设计还是受设计者主观影响很多，所以，本研 究将在现有软件的功能中引入优化功能，将设计者的能动性与计算机的强大计 算能力集合起来，在原有比较成熟的优化算法基础上引入“满意”准则，结合工 程实际，提出基于满意优化的铁路新线纵断面优化设计方法。 1 4 论文研究内容 本研究计划达到如下目标： ( 1 ) 数据库连接技术的实现； ( 2 ) 基于o r a c l e 数据接1 ：3 的铁路新线纵断面设计c a d 系统功能模块的 研制； ( 3 ) 铁路新线纵断面设计满意优化方法研究； 本研究只是以专业软件为例，其关键解决的问题在于实现数据库的连接； 同时，结合工程实际，提出基于满意优化思想的纵断面优化设计方法，将优化 设计纳入功能模块。 具体研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 铁路新线纵断面满意优化理论的研究( 建立满意优化模型，定义相 关满意度，提出满意优化准则，给出满意优化框架，并初步实现满意优化功能 模块的开发) ； ( 2 ) 铁路新线纵断面c a d 的研制，主要包括： 数据库连接技术； 可视化图形交互式设计环境； 可视化数据编辑界面： 生成满意优化链式纵断面( 属于满意优化功能模块) ； 基于图形环境纵断面设计：包括生成设计线、数据修改、纵断面调坡( 合并 坡段、增加坡段、设计坡段平4i 移动等) 、稍置个体工程结构物、设计更新、 西嘲交通大学硕士饼究生学位论文第7 页 存镰等； 设计结果评价( 属于满意优化功能模块) ； 楣芙踅表以标准糖炎竣出。 1 5 论文研究方法 本疆究c a d 轰绞臻毒部分传必软转秀发，采鼹甏怒跨象瓣暴缀嚣茨方法， 系统采用菜单驱动方式。开发的软环境选用a u t o c a d 2 0 0 0 作为图形支撑环境， 以o b j e c t a r x 作为开发工具，在v i s u a lc + + 6 0 的编译平台上，通过a d o 方式 与o r a c l e9 i 遗幸亍数器逡接。 在对铁路新线纵断面满意优化理论方法的研究中，采用数值分析的方法， 以简约梯度法为核心算法结台满意度原理，对工程闻题数学建模抽象化的网聪， 亦使数学逻辑燹贴切工程思维方式。 嚣巍交通大学硕士磷突生掌位论文繁8 贾 第2 章基于满意饶纯麓铁路耨线缀断谣饶诧方法衙究 在痰瓣钱缘技寒时，对这 l 技零在王程竣诗中瑗慈懿终磺袋袁全嚣客理弱 评估。工程设计从广义上讲，可指在工程项目中，为追求某些理想目标而进行 的各种决策，所以它不仪包括对新产品、新系统的设计，而且也包括了对已有 设备与过程翦教造、致镶，班及工程 麓靛麓怒等等方瑟。在工程设计率，如 果能有效地使用优化技术，一般能很大程度地缩短工程设计的时间，产生一些 蠢较大致进、效率较离、能获褥明显经涛效益数决策。挺是鸯一点缀羹要，作 为一个工程决策者必须疆解：工程最优纯技术怒在实际闯题模黧筒纯的基础上 运用计算机数值计算技术来得到决策的，因而得到的几乎总是相对的最优设计， 摄少会终至l 缝对装豢挠设诗，喜甄追求绝对“爨优”，最终褥裂黪缝往是“最大” 的失望，比较切合实际的认识是，与传统设计通常只能产生可行设计方絮相比， 工程最优化技术是一种使用e b 竣简便，报大程嶷鼬是商设计效率和水平、产生 较傀设诗豹工其。在有了这稃游渡蓼 静蒸磷土，我粕将进雩亍基于满意饶稼理论 的铁路新线纵断面优化方法的研究。 2 1 基于满意优化理论的铁路新线纵断面优化方法的提出 双攀任凭碜 宠工佟羲当其 孛就要明确闷题。这包括褥个方瑟； 一怒要弄清问题的性质、范围、程度以及它的价德和影响。要分析问题的 各种表现、同未来需要的不适应状况等。区分问题的不同类型，诸如全局性的 蔑弱部穗煞等。要擒渣瀚蘧之瓣懿稳关键、屡次往等，试谚 其捩态趋势酾特点。 二怒要我出问题产缴的原因，分析其主观原因和客观原因，主要戳索与次 要因素，壹接原因与间拨原 司等。对问题产生的原因作纵向和横目分掇。纵向 解剖箍掩疑问题的表面开始进行分析，层层深入，究其稷底。横向分橱是指将 嗣- 层次的原因及其相飘关系搞清楚，从而找出主要l 州索。 2 1 1 铁路新线纵断俪设计作业步骤 铁路设计的总体目标是以较低的投资实现拜斤要求的运输能力，同时创造良 好的运黼条件，降低运蒋费用。此外还致注意减少污染和荚化环境，方便公众 对客爨运输豹需襞，翻造建好静社会效懿。 铁路选线设计是整个铁路设计中一项关系龛局的总体性工作，它的基本任 务是。1 ： f 1 ) 根据鏊家竣治、经济、酾虢豹鬻要，结合线路经过蟪嚣豹 然条件、瓷 源分和、工农业发展等情况，规划线路的基本惫向，选定线路的主要技术标准； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 2 ) 根据沿线的地形、地质、水文等自然条件和村镇、交通、农田、水利设 施等具体情况，设计线路的空间位置( 平面、纵断面) 。并在保证行车安全前提 下，力争提高线路质量、降低工程造价，节约运营支出； ( 3 ) 与其他各专业共同研究，布置线路上各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、 涵洞、路基、挡墙等，并确定其类型或大小，使其总体上互相配合，全局上经 济合理，为进一步单项设计提供依据。 鉴于此，我们在铁路选线设计工作中必须要统筹兼顾，从技术指标和经济 指标两大方面来考虑，进行综合选线。 线路在空间的位置决定了铁路线路工程的数量、规模、工程造价与施工的 难易程度。同时线路在空间的位景也决定了列车运行的条件、铁路的输送能力 和运营费的多少。因此确定线路在空间的位置就成为铁路设计中最主要的任务 之一，也是铁路设计中决策者应着重解决的关键问题。线路在空间的位置，可 用线路平面图和纵断面图来表示，传统纸上定线的通常步骤如下： ( 1 ) 在设计商程要求的空间概念的指导下，工程师首先在纸上定出线路平面 位置； ( 2 ) 在方格纸上按比例画出沿线路中心线的地面高程线，即地面的纵断面 线，在此基础上设计线路纵断面，设计时要求在满足运营及规范要求的前提下， 力求工程量最小： ( 3 ) 根据纵断面图上的工程情况，修改平面位置，再重复第( 2 ) 步工作， 直到满意为止。 由以上几点可以看出，尽管线路位置是一个整体，但在具体设计时，又可 以把它分为平面定线和纵断面拉坡两部分。先定出平面位置，据此以确定沿线 的地面高程，再以纵断面拉坡所显示的工程量的大小来评判平面位置的优劣和 平面上需要改善的路段和方向。如此平面定线和纵断面拉坡交替进行，逐步逼 近，直至求得一条满意的线路空间位置为止。 z 1 2 传统铁路新线纵断面最优化方法分析及存在的问题 21 2 1 传统铁路新线纵断面最优化方法分析 由上述铁路新线纵断面设计作业步骤的描述，可以看到铁路选线是一个反 复迭代、不断改善、逐步逼近最佳方案的过程。在这一过程中，满足选线技术 要求的方案( 即可行方案) 是无限多的，但最终的决策还应考虑经济、政治、 环境保护等诸多因素，在传统的设计方式中，这种工作负荷绝非是人工定线可 以承受的，于是传统做法是从有限个主要凭经验选定的方案中，通过分析、计 算、比选，得出采用方案。但设计的内涵呼唤新理论的产生，2 0 世纪7 0 年代 r | 后期我国早期的铁路选线工作者将最优化理论引入铁路选线概念中，提出了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 铁路选线纵断面优化方法。 传统铁路新线纵断面优化的基本思想：在线路平面位置己定的条件下，通 过一定的方式求得一组最佳的变坡点位置和设计高程，并在满足规范及其 它技术经济要求的前提下，使工程费或换算工程运营费最小。在铁路线路规 划与机助设计( 邓域才，1 9 9 6 ) 的铁路纵断面优化设计章节中，提出了铁路新 线纵断面优化设计的数学模型如下： 上 r 血】f 一( x ) j 百 ls d - - ( x l x 满足坡度约束，相邻坡段坡度差约束。控制点高程约束) 式中x = x l ，x 2 ，x n 】1 一是以变坡点的设计高程作为设计变罴。 f ( x ) 优化设计的目标函数，即设计线路的主要工程费，分别包括路基 土石方工程费、挡墙工程费、桥梁工程费、隧道工程费及铁路用 地费。 d 一约束条件集合。 通过对目标函数作了进一步分析，给出了优化设计的二次模型 1 m i n f ( x ) = x7 q x + b 1 x + c i，、 上， l z l ， s f f a x b j 这是一个标准的二次规划问题。在该模型中，我们看到优化设计是以变坡 点的设计高程作为设计变量，这是考虑到如果同时将变坡点位置和设计高程作 为设计变量，则会带来如下的问题： ( 1 ) 使设计变量个数不定； ( 2 ) 变坡点位置约束函数难以表示为关于变坡点位置设计变量的显函数； ( 3 ) 以此得到的纵断面优化设计数学模型是一个高次非线性规划问题，使 得所求问题复杂化。 因此采取“逐步逼近”的优化策略，将变坡点位置和设计高程这两类设计 变量分别处理。具体做法是先给定变坡点的位置，以设计高程作为设计变量， 对其进行优化，使其达到最优解，在此基础上以一种近似的优化方法调整变坡 点位置( 即整饰) ，对新变坡点的设计商程进行优化，两者交替进行，最后逼近 最优纵断面设计。 这种做法的优点是：设计变量个数可减少一半；约束函数是关于设计商程 的线性函数：目标函数近似为关于设计变量的二次函数。该优化设计实际足一 个单目标函数求解问题，不同的算法不过是在模型求解的具体过程中在计算精 度、计算的稳定性或计算效率上有所差异，较为常用的算法有梯度投影法、简 约梯度法、约束变尺度法锝。 梯度投影法适用于目标函数为非线性，约束条件为线性的问题。其优点足： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 无需写出目标函数的明显表达式，计算简单，在优化初始阶段收敛速度快，占 用计算机内存少。由于采用数值微分方法计算目标函数的梯度自然考虑了目标 函数的分段性。不足之处是在迭代接近最优解时收敛速度慢，出现“锯齿”现 象。梯度投影法是目前国内在纵断面优化设计中使用最广泛的一种方法。 简约梯度法也适用于解目标函数为非线性，约束条件为线性的优化问题， 稍经改进后可以得到一种称为广义简约梯度法的优化算法。这一类算法在经过 一些学者专家的研究后，证明它是铁路线路纵断面优化的一种优秀算法。其优 点是收敛速度快，计算稳定，不需计算目标函数的二阶导数，只要计算目标函 数对基变量的简约梯度，并用其构造下降方向即可。 二次规划法适用于目标函数为二次函数，约束函数为线性的优化问题。铁 路线路纵断面优化正属于这类问题。因此在纵断面优化计算中也有学者对这类 方法进行了研究，证明这类方法是有效的，可行的。其优点是收敛速度快，具 有超线性的速度。其缺点是必须写出二次函数的海森矩阵，而且前已说明纵断 面优化问题的目标函数的二阶导数是不连续的，这更增加了处理问题的困难。 约束变尺度法适用于目标函数为非线性，约束条件也是非线性的一般非线 性规划问题。其优点是收敛速度快，稳定性好。该算法是将求解下降可行方向 转化为求解一个二次规划问题。不足之处是算法的工作量较大，占用较多计算 机的内存，尤其是设计变量增加时，内存问题更加突出，当纵断面优化设计中 考虑土石方调配等因素而建立非线性数学模型时。可考虑采用这类算法。 传统纵断面优化设计流程如下图2 - l 。 从单纯的优化数学求解策略上说，传统铁路纵断面最优化设计是可行和较 为完善的，其取得的成果主要表现在： ( 1 ) 在模型建立中对设计变量的考虑为后续优化执行策略提供了便利条 件，将全过程分为链式坡优化与整饰两大模块，思路清晰，具有可操作性； ( 2 ) 优化设计流程具有通用性； ( 3 ) 在具体的优化算法中，针对目标函数梯度值的求解提出了一系列行之 有效的解决思路。 通过实例验证，优化设计的引用是有效和极具发展空间的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 1 传统纵断而优化设计流程图 2 1 2 2 传统铁路新线纵断面最优化方法存在的问题及改进 由于优化过程涉及到的因素很多，特别是优化目标的价值难以确定等各种 影响致使优化设计至今尚未广泛地应用到实际的1 程设计中。针对这样的现实 状况，人们对优化理论和力法做了很多改进，例如郭文复于1 9 8 2 年提出的铁路 纵断面优化设计的动态规划法，许金贵于2 0 0 2 年提出的基于遗传算法的公路纵 断i 莳优化。在承认这些方法对实际问题的改进的前提下，我 f j 可以看到优化理 论与实践之间的矛盾依然存在，因此需要在深刻理解专业内涵的基础上，寻求 丁程思维与数学逻辑的新的结合方式。那么，我们需要对传统铁路纵断面优化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 设计进行一个重新审视。 抓住影响方案设计的主要因素并进行量化处理，据此建立相关的数学模型 并采用一定的算法进行求解，求解过程中可结合具体问题对模型和求解方法进 行修正，这是传统纵断面优化处理的基本思路。这样的思路有其科学严谨的一 面，但同时亦忽略了纵断面设计中诸如定性指标的处理。铁路选线领域知识可 以分为三个类集合；过程性知识、叙述性知识和潜意识。过程性知识是对客观 事物的精确描述，可以用准确的数学模型来表达，例如传统的平、纵面优化设计 中涉及的知识；叙述性知识是指对客观事物的描述，可以用语言文字来表达，叙 述性知识可方便地将人类知识显式地以明确规范化的语言表达出来，这种问题 不能用严密的数学模型来刻划，叙述性知识大多数表现为人类专家经验知识的 归纳，以符号的形式存在；潜意识是指客观事物不能或难于用明确规范化的语言 表达出来，即使专家本身也很难说出他们的理由，具有很强的跳跃性和非结构性， 而往往这种知识是创造性设计的关键。潜意识表现为人类专家经验知识量积累 到一定程度以后的一个质的飞跃。用这些经验通过联想“想当然”地作出快速 的决策。决策的过程就是综合这些知识特性给出满意方案。 实际上优化不过是决策的一种手段，为决策提供一个可行的技术依据。铁 路选线领域知识作为一个异构知识体系，影响方案评选的因素非常复杂，既有 定量指标，又有定性描述，既有客观条件，也有主观偏好，而且各个因素相互关 联。因此，广义的优化应该在外决策准则上考虑构成一个满足设计者要求的综 合表达该有哪些方面，这些彼此间或关联或独立的方面叉如何用一定的特征指 标来描述，从内决策准则上要考虑这些特征指标达到满意的标准如何确立，最 后就是采取一定的求解策略对得到的解如何评价，通过人机对话，让包含所有 设计信息的图形来支持决策，将工程问题数学处理后进行回归。 2 1 3 基于满意优化理论的铁路新线纵断面优化方法的提出 h 上文可知，随着优化理论从理论到实际，从简单到复杂，从数学领域到 工程领域的转变，人们发现了现有的优化理论存在许多问题。在解决这些问题 的过程中，人们对优化理论和方法做了很多改进，从最开始简单的单纯形法到 一些数学上严密的复合方法，从基于导数的到基于数据的，从基于函数的到基 于统计的。从传统技术到当代计算智能技术( 模糊逻辑、神经网络、遗传算法) 等，都对解决优化理论面临的许多问题起到了很大的促进作用。然而，人们发 现无沦利用新技术如何改进求解方法，始终存在一些问题是优化所不善处理的。 随着对人类行为学研究的有限理性论的提出，基于求满意解的一系列相关理论 和方法诞生了。满意优化理论和方法包括著名的令人满意准则以及许多针对优 化理论和方法提出的修正方法等。这些理论和方法把人们从优化理论理想化的 求解思路中解放了出来，用“满意”代替“最优”，将人性化设计准则与成熟的 优化算法相结合，取代原有的t 毪一的数学逻辑思维方式，让人们走向了现实。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 满意度原理是最优化理论更一般意义上的拓广。最优化原理从理论分析、 模型建立、算法设计，到求解过程有一套比较成熟的处理方法。满意度原理则 是一种重在基于认知理论的思维方式，主要从问题识别、模型建立到满意度函 数的构造、求解、评价来完成决策。将二者结合而提出的基于满意度的最优化 算法，使满意度原理作为一种准则在纵断面优化设计问题的求解过程中发挥作 用。一般而言，满意度原理多数作为一种准则在问题的求解前期和后期评价中 发挥作用。姚新胜在其博士论文中对满意度原理的基本理论框架做了较为完整 的定义和阐述，这里简单介绍一下其中的几个核心名词，以便后续内容的理解。 满意度对于用户给定的问题p ，其可行域为d 。d 是d 的元素，即可行解，在 定的满意标准g 下，存在一个从可行解集d 到解的评价集s 的映射： g ：d 一 s 且s 具有满意序，那么，s s 被称为解d 在准则g 下用户对解d 的满意度，记 为s ( d ) 或g ( d ) 。相应地，原来的问题对应的满意问题可表示为p 一( d ，g ) 。 满意度水平简称满意水平，在一定的满意标准下，每个可行解都具有一个满 意度且满意度有序，设s l 为一个满意度，如果用户( 决策者) 对s i 所对应的解满 意，根据满意度和满意序的定义，对所有这个满意度之上的可行解也将满意， 那么称s 1 为一个满意度水平，记为九。对于一个给定的问题以及一个给定的满 意度函数，满意度水平集合记为l 。 满意解在一定的满意标准下，对于某满意水平九，如果个解d 的满意度具有 或超过满意水平九，即 s ( d ) 九 就称解d 为满意水平九下的满意解。 考虑到铁路纵断面优化设计的实际需要和传统优化设计所面临的瓶颈，下 文以“满意”作为中间桥粱从数学领域向工程领域的转换和统一，提出基于满 意优化理论的铁路新线纵断面优化设计方法。 2 2 基于满意优化理论的铁路新线纵断面优化方法的研究 满意问题比最优化问题更具一般性，其典型的解题步骤包括问题识别、桫 型建立、满意度设计、求解和评价等几个过程，在进行具体的问题处理中，又 可进一步细化分为下列六个主要步骤： ( 1 ) 确定实际问题的满意优化数学模型。 ( 2 ) 求解的准备。这一步的主要工作是：对问题与模型作些简单修正，把它 调整成计算机运算所需的形式，避免一些潜在的数值计算困难，提高计算的有 效性，识别一些能知道实际计算的模型结构特