基于GIS的公路纵断面多目标优化.doc

基于GIS的公路纵断面多目标优化摘要：通过对GIS的基础及公路路线的设计任务的深入分析与对比, 及其对GTS显著特点的充分利用，很好的帮助我们对纵断面的多目标优化 问题有更好更全面的了解为今后的深入研究基于GIS的公路选线方法具 有一定的启发作用关键词：GIS；纵断面；多目标；优化Abstract: based on the basis of GTS and highway route design task of in-depth analysis and comparison, and to make full use of GIS significant characteristics, is good enough to help us to have a better and more comprehensive understanding on vertical section the multi-objective optimization problem. For the future in-depth study of route seiection method based on GTS has some inspiration role.Key words: GIS; vertical section; Multi-objective; optimizationU4451GTS的概念地理信息系统(Geographic Information system,简称GIS)是计算机 科学、地理学、测量学和地图学等多门学科的交叉，它是以地理空间 据库为基础，采用地理模型分析方法适时提供多种空间的和动态的地 理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

2GIS的特点在计算机中，GTS是用数字来描述地理实体（或称为“地理对象”）的 在GIS中的数据可分为两种类型:空间特征数据、属性特征数据空间特 征数据表示空间实体的位置或现在所处的地理位置以及拓扑关系和几何 特征几何特征又称为定位特征，一般以坐标加以表示而表示与地理对 象空间位置无关的其他信息，如房屋的结构、高度、层数、使用的主要 建筑材料、功能等专题属性通常以数字、符号、文本和图像等方式表达3勘测设计数据采集选线设计是建立在勘测数据基础之上的,公路勘测信息数据具有种类 繁多、数据量大的特点同时，公路勘测设计数据包括属性数据和图形据, 二者是对空间实体对象的不同方面的描述，且存在着必然的逻辑关系应实 现逻辑上的统一管理基于GTS的选线系统借助GTS强大的数据采集和 管理工具，无论是对图纸数字化，或是对屏幕栅格像数字化，或是从其它 电子图源集成数据，都可以方便的实现，这些功都已通过各种GIS的应用 进行了优化，以提高数据采集和维护的效率更强调的是，这确保了数据 从一开始就能采集正确，减少数据采集和编的宝贵时间通过GIS对多源 数据的无缝集成功能实现对野外勘测获取各种基础信息（如地形、地质、 地貌、植被、灾害以及气候等）进行相应质量控制、数据录入、数据编辑、 数据管理和查询统计等操作，对于地信息还要将其转换为DTM。

这样一来, 可以直接在数模上平面、纵断面、横断面选线，可以直观的、精确地、很 符合实际情况的反应路线与周围环境和地形的关系，为设计人员提供了很 多具有建设性的指导和指示基于GIS的平面、纵断面交互设计过程中， 对控制线路走向的不良地质、特殊地质等灾害性地质或重点设施等必须绕 避的控制点，系统可以向设计人员发出警告信息；即时生成线路纵断面图、 以及线路工程地质纵断而图、土石方图表、拆迁图表及改移道路表等专题 图表，平面、纵断面交互设计的成果数据将自动保存入线路信息数据库， 生成接口数据，供路基、桥隧等相关专业使用另外，对于诸如拆迁图等 专题图，还可以在原有统计结果的基础上按不同数值范围进一步统计，以 不同颜色深度范围表达统计结果，从而更加直观的体现统计结果利用这 些优点，可以尽可能的满足或者逼近如下目标函数4目标函数4. 1 安全 F1（X）4. 1. 1、速度一致性评价指标速度一致性安全评价有两种方法一是对不同路段的车速进行预测，相 邻两路段存在运行速度差，根据速度差进行道路安全评价（相邻路段评 价）；另一种是用运行速度与设计速度差进行评价（车速评价），两种方法 的评价标准类似，即差值小于10km/h则道路线形评价为优，满足驾驶员所 期望的道路线形，道路行驶时安全；差值在10-20km/h Z间，则道路线形 评价为一般,较能满足驾驶员所期望的道路线形，在此道路上行驶较安全； 当差值大于时，驾驶时会有不符合个人期望的道路线形出现，在这样的道 路线形上行驶容易发生交通事故，其相应的评价结果为差，建议修改道路 设计方案。

4.1. 2基于几何线形设计的安全评价道路线形不一致的最直接反应就是道路交通事故率的增加，因此，根 据所选用的参数指标，选取公式3. 2为设计一致性安全评价模型公式3.2 为交通事故数对应于6个评价指标的线性回归分析模型取显著性水平为 0.5,经过F检验后证明其回归效果显著，所以它可以作为线形设计安全 评价模型，由于道路线形的划分是根据直线段、曲线段等线形进行划分， 因此为了方便道路事故预测，文中将划分的道路线形每10段一组，进行道 路事故预测，求其路段单位长度的道路事故数4.1.3空间视距安全评价为了保证行车安全，驾驶员在行驶过程中需有足够的视距，能及时发 现路段上的障碍物或者车辆，让驾驶员有足够的时间，来采取措施避让障 碍物或者车辆因此，在行驶过程中为了保障车辆的行车安全，必须具有 充足的行车视距行车视距指的是驾驶员在行车过程中，从车道中心线上 规定的视线高度，所能看到该车道中心线上高为0.1的物体顶点时，沿该 车道中心线所测量得的最远的距离车辆在行驶过程中必须满足的视距称为安全视距，行车视距一般需满 足停车视距的要求，即用停车视距作为安全视距4.1.4,基于几何线形设计的安全评价指标由于不同路段上道路长度的不同，路段上的事故总数也会出现不同的 变化，为了让基于几何线形设计的安全评价指标具有可比性，所以用路段 单位长度的事故数作为评价指标。

单位长度事故数的计算公式如下:式中Y:单位长度的事故数y：路段事故数X：路段长度(SL)4. 1. 4横向力系数安全评价车辆之所以能安全的在道路上行驶，是因为车辆在道路上所受到的力 起了一定的作用，这里研究汽车在曲线上行驶时，产生的向心力与道路安 全的关系，其中用横向力系数代表向心力对于道路安全评价则是通过理 论运行车速下产生的横向力系数和最大横向力系数进行对比，若运行车速 下的横向力系数小于最大横向力系数，则在道路上产生的力能保证车辆安 全行驶，如运行车速下的横向力系数大于最大横向力系数，则道路不能提 供车辆所需的横向力系数，可能会发生侧滑，不利于行车安全经济F2(X)式中：:土石方:支挡物:运营费用:涵洞:桥隧4.2. 1 土石方土石方工程量的计算采用平均断面法计算，即取相邻两桩号横断面的 填、挖面积之和的平均值与两断面的桩号之差的乘积为该相邻桩号间的土 石方工程量4. 2. 2支挡物支挡工程费用的计算有关提出，在公路纵断面的优化设计中，为计算 方便，支挡工程一般考虑填方使用路肩墙，挖方使用路堑墙，判断设置准 则有以下几种：（1） 根据地面横坡度判断当横断面的原地面线与横断面设计边坡线无法在有效范围内相交时， 为减少施工难度和提高边坡的稳定性，需要设置挡土墙。

如图1表示图1挡墙设置条件（一）（2） 根据公路两侧容许用地边界判断当横断面的填挖宽度超过公路两侧的容许用地边界，例如，超越容许 用地边界导致不必要的房屋拆迁，致工程费用增大，在类似的情况下，需 要设计挡墙如图2表示图2挡墙设置条件（一）由上可得，判别挡墙是否需要设置依据以下两点之一：（1）如图2所示，当横断面最外侧地面线与路中线的距离大于公路 容许用地宽度d时，需要设置挡墙；（2）如图1所示，当横断面最外侧地面线与横断面设计线虚交或在 有效范围内无交点时，需要设置挡墙若横断面符合以上条件之一，则需要计算挡墙体积及设置挡墙之后的 土石方工程量，并计算支挡的工程费用4. 2. 3运营费用在公路的使用寿命期内，车辆行驶的油耗、维修费和折旧费的总和称 为营运费用国外研究表明：若公路的设计使用寿命为30年，车辆营运费 用一般是修建费用的2~3倍4. 2. 4涵洞为了计算方便，涵洞工程费用按每延米单价计算，在土石方费用计算 时，已经将涵洞的体积计入土石方工程量，因此，在计算涵洞工程费用时, 必须将该部分费用扣除，假设，优化设计的公路段有n个涵洞，由此得到 扣除涵洞体积土石方工程费用后的涵洞工程费用。

4. 2. 5桥隧（1） 调查统计优化地区的桥隧工程费用，确立每延米造价；（2） 从平面图或纵断面图中确立桥隧的长度L ,计算单座桥隧的工 程费用：由此，计算桥隧总费用为:式中：:第i座桥隧的工程费用生态环境F3(X)4. 3. 1确立环境影响因素集假设公路生态环境影响因素集为U，即由公路沿线的生态环境影响因 素：大气环境、土壤环境、生物环境、声环境、水环境组成的因素集：:大气环境:土壤环境:生物环境:声环境:水体环境4. 3. 2建立评判集公路纵断面设计的要素包括坡度、坡长、竖曲线半径等，假设环境影 响因子与各要素的关联关系的评判集4.3.3建立单因素评判矩阵选择一定数量的专家对被评判的对象进行评价，假定专家组由n个人 组成，采取打分或投票的方法表明各专家的评价舒适性F4 (X)对乘坐舒适性的评价，其定量指标不仅有能量，加速度，而且还有加 速度的变化率“加速度既能反应道路线形的变化情况，又能表示人体所能 承受的不舒适的限界”要对公路纵断面线形设计的舒适性进行评价，除了 适宜的评价方法外，还应有相应的评价标准因此，本文选取了加速度这 一指标来评价道路纵断面线形的舒适性，纵断面线形包括直坡段和竖曲线, 在直坡段上竖向加速度为零，只有在竖曲线上才产生竖向加速度，而竖向 加速度的大小又取决于轴向加速度，轴向加速度是由汽车的动力性决定 的，两种加速度产生的原因及其舒适性指标大小不一样。

因此，本论文主 要讨论竖向加速度和轴向加速度模型1竖向加速度凹形竖曲线和平曲线组合竖向加速度模型的建立凸形竖曲线和平曲线组合竖向加速度模型的建立当汽车处于直线和竖曲线的组合上时，其加速度计算模型用简化的计 算公式即可：2轴向加速度在轴向加速度计算公式(4 一 34)中，当汽车处于直坡上时，i的值为 该直坡段的纵坡度；当汽车位于竖曲线上时，纵坡度采用曲线上任意点的 切线纵坡度，当为凹型竖曲线时取正号，凸型竖曲线取负号:竖曲线起点或任意己知点的纵坡度(%)，上坡为正，下坡为负;:竖曲线半径m();:竖曲线上任意点到竖曲线起点或任意已知点的距离(01)5前景现在是我国公路建设快速发展的大好时期，也是全国高等级公路大 发展的高潮阶段随着可持续发展战略在我国现代化建设中的全面实施, 在公路规划、可行性研究、路线方案选定这些影响公路投资综合效益的关 键环节上，增强路线设计方案决策的科学性、规范性，将大大提高决策结 果的经济效益、社会效益和环境效益系统研究开发若能实现预期目标， 将是一项科技含量很高的软件产品，形成商品化软件加以推广应用将产 生很大的商业价值，并在公路设计实践中形成强大的生产力参考文献：中国公路学会《交通工程手册》编委会.交通工程手册[M ].北京: 人民交通出版社，199& 5-1.中华人民共和国行业标准(JTJ00I-97).公路工程技。