一种复杂山区铁路隧道选址与线路优化方法、介质及设备

本发明涉及铁路隧道，尤其涉及一种复杂山区铁路隧道选址与线路优化方法、介质及设备。

背景技术：

1、铁路选线设计是统筹整个铁路项目建造、运营的核心工作，其主要任务为在多维复杂环境（如地形、地质等），多重耦合约束（如线路设计规范与结构物施工要求等）的制约下找到一条多元目标函数（如安全、经济等）最优的线路方案。铁路建设正逐渐从平易地区的普速铁路转化为复杂山区的高速铁路。建设环境的日趋复杂与铁路设计标准的大幅提升，提高了对铁路线形平顺度的要求，复杂山区不可避免的出现大量的长大隧道。此时，适合布设隧道洞门的可行区域被严重削减，地形、地质等众多影响隧道位置适宜度的因素需要被考虑，经济性、稳定性等隧道位置适宜性评价因素难以被量化，人工设计师需要花费大量的时间和精力才能找到可行的线路方案及相应的隧道布设，且容易遗漏有价值的方案。

2、对此，现有智能选线方法往往首先生成线路方案，根据已生成的线路方案布设隧道位置，然后根据线路设计约束检测方案可行性，进而剔除或调整不可行的方案，并结合线路行经环境对可行的线路方案适宜度进行评估。这本质上是一种“试错法”，在线路生成过程中对整个选线区域进行无区别的搜索，易使大量的计算时间和资源被浪费在不适合隧道布设的区域。

3、因此，迫切需要一种针对复杂山区的铁路隧道的选址优化与线路走向智能搜索方法，能高效搜索可行隧道位置，得到优化的隧道选址与线路走向方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种更为高效合理的复杂山区铁路隧道选址与线路走向优化方法，其具体技术方案如下：

2、一种复杂山区铁路隧道选址与线路优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：确定选线区域，根据线路可达性分析确定必须以隧道形式穿越的山脉区域，再根据选线紧坡、缓坡区域及最大允许隧道长度要求确定所述山脉区域中需要布设连续长大隧道群的区域；

4、步骤s2：确定影响建造隧道的洞门和洞身的环境影响因素，建立包含洞门及洞身优化的隧道选址优化模型；

5、步骤s3：在选线区域的基础上构建隧道洞门备选池，根据其中洞门的连接方式不同将选线区域抽象为带权有向图；

6、步骤s4：求解带权有向图中针对造价和稳定性的权，并利用迪杰斯特拉算法求解线路起点到终点的优化路径方案。

7、优选的，所述步骤s1具体包括：

8、确定选线区域并将选线区域抽象为一系列格网，根据线路可达性分析得到线路必须以隧道形式穿越的格网，表达式如下：

9、；

10、；

11、；

12、式中：为第个必须以隧道形式穿越的格网；为起点的高程；为终点的高程；为线路从起点到达第个格网的最大高程允许值；为线路从终点到达第个格网的最大高程允许值；为第个格网到起点的距离；为第个格网到终点的距离；为线路最大允许坡度；为线路最大允许展线系数；

13、根据线路起点和终点的自然坡度与线路最大允许坡度的关系区分选线紧坡、缓坡区域：

14、；

15、式中：为线路起点和终点之间的距离；如果，则为紧坡区域；若，则为缓坡区域；

16、对于紧坡区域，线路起点和终点连线落在必须以隧道形式穿越的格网形成的区域内的长度超过隧道最大允许长度，则此选线区域会出现连续长大隧道群；

17、对于缓坡区域，当此区域最薄处宽度超过隧道最大允许长度，则线路需要以连续长大隧道群的形式穿越。

18、优选的，所述隧道选址优化模型包括隧道洞门优化模型和隧道洞身优化模型，其建立步骤如下：

19、隧道的洞门位置由其平面坐标确定，其造价包含洞门开挖造价及其支护结构造价，其稳定性由隧道洞门的坡度、坡向和岩性决定；则洞门优化模型表达式如下：

20、最小化洞门的造价；

21、最大化洞门的稳定性；

22、；

23、其中，表示受制于约束条件，为隧道的洞门位于地势凹陷处约束，为不能处于地表地质灾害区域约束；

24、隧道洞身位置由其起点和终点的洞门位置确定；洞身造价包括隧道开挖造价与其支护结构造价，洞身稳定性受到地下应力的影响，提取隧道竖向压力与侧向偏压力两个指标对其稳定性进行量化评估；则洞身优化模型表达式如下：

25、最小化洞身的造价；

26、最大化洞身的稳定性；

27、；

28、其中，表示洞身的起点和终点洞门之间的高差约束，表示洞身的长度满足最大隧道允许长度约束。

29、优选的，所述隧道洞门备选池的构建具体是：

30、定义一个8领域模板，将8领域模板中心放置在选线区域的格网上，若8领域模板内存在5-8个格网的地表高程高于中心格网，获得该模板所在格网处适合放置隧道洞门的区域；进而得到选线区域中适合放置隧道洞门的全部区域。

31、优选的，所述带权有向图包括洞门起点到终点以及洞门终点到起点两部分，洞门起点与终点相连组成隧道线路段，洞门终点与起点相连组成其他线路段；

32、所述隧道段的造价等于隧道洞身与其起终点洞门的造价的加和；

33、隧道段的稳定性等于隧道洞身与其起终点洞门的稳定性的加和；

34、所述其他线路段的造价与稳定性由传统线路优化模型求得。

35、优选的，求解带权有向图中针对造价和稳定性的权的具体步骤如下：

36、针对包括造价和稳定性的目标函数的带权有向图，利用客观赋权法求解造价与稳定性的相对权重如下：

37、；

38、式中，为带权有向图所有边造价或稳定性的标准差；为造价或稳定性的相关系数；

39、求解带权有向图所有隧道线路段和其他线路段的权如下：

40、；

41、式中，为造价的相对权重；为稳定性的相对权重；为造价的归一化值；为稳定性的归一化值。

42、优选的，影响建造隧道的洞门和洞身的环境影响因素如下：

43、确定隧道洞门适宜性受地形、坡度、坡向和岩性的影响；洞身适宜性受埋深和围岩等级影响。

44、应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

45、（1）本发明公开一种复杂山区铁路隧道选址与线路优化方法，包括确定选线区域，根据线路可达性分析确定必须以隧道形式穿越的山脉区域，再根据选线紧坡、缓坡区域及最大允许隧道长度要求确定所述山脉区域中需要布设连续长大隧道群的区域；确定影响建造隧道的洞门和洞身的环境影响因素，建立包含洞门及洞身优化的隧道选址优化模型；在选线区域的基础上构建隧道洞门备选池，根据其中洞门的连接方式不同将选线区域抽象为带权有向图；求解带权有向图中针对造价和稳定性的权，并利用迪杰斯特拉算法求解线路起点到终点的优化路径方案。通过本发明的方法，识别需要布设连续长大隧道群的控制性山脉区域，并将选线区域抽象为一个带权有向图搜索优化线路方案，能高效搜索可行隧道位置，实现隧道选址优化与线路走向同时高效快速地智能搜索。

46、（2）本发明通过考虑地形、地质等众多影响隧道位置适宜度的因素以及经济性、稳定性等隧道位置适宜性评价因素，并量化上述的多个参数，在建设环境的日趋复杂与铁路设计标准的大幅提升的情况下，能快速搜寻到适合布设隧道洞门的可行区域，不容易遗漏有价值的方案。

47、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的复杂山区铁路隧道选址与线路优化方法。

48、本发明还提供一种电子设备，包括：处理器；以及存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行前述的复杂山区铁路隧道选址与线路优化方法。

49、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。