智能選線系統在公路選線設計中的應用研究

秦照博

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

隨著公路路網的逐步完善，公路項目逐漸向地形、地質條件更加復雜的偏遠山區發展。項目呈現山高谷深、高差懸殊大、車輛通達性差、調查困難等特點，同時勘察設計周期縮短、路線線位受控因素增多、地形地質條件復雜，因此對路線工程師的路線設計水平提出了更高的要求。

目前，選線仍然依賴于傳統人工選線方法，探索先進的路線智能化輔助設計工具成為一種趨勢。曠達智能選線系統已經在國外發展多年，但在國內公路路線項目中的應用效果，既無定性的分析和評價，也沒有翔實、深入、多階段的定量研究和對比分析，可供參考的研究成果不多。為了論證智能選線系統在公路設計中的應用效果，有必要通過對智能選線軟件在實際公路項目中的應用情況進行分析，對軟件的性能和使用效果進行詳細的評估。

1 智能選線系統介紹

1.1 曠達智能選線系統背景

曠達智能選線系統是智能化路線三維優化輔助決策系統，其目的在于能夠幫助公路和鐵路規劃設計者在選線過程中綜合處理復雜的工程、地質、自然環境、社會人文和行車安全等問題，降低和控制工程建設及運營費用，較短時間內選擇出經濟合理的路線方案。曠達系統從工程前期的方案研究開始宏觀控制工程造價，可以在不同設計階段對線路方案進行三維優化，提高選線工作效率，降低工程師的勞動強度，縮短路線規劃設計時間，同時控制和降低路線的工程建設及運營費用，改善對環境破壞的影響。

1.2 曠達智能選線軟件工作界面

曠達系統界面由項目瀏覽和方案瀏覽兩項組成。在項目瀏覽狀態，主要用于項目加載和查看所有與項目有關的方案組，如圖1所示。

1.3 曠達智能選線系統工作原理

曠達系統由綜合分析軟件和優化運算軟件兩部分組成。

綜合分析軟件主要由路線數字地模、幾何設計標準、工程費用、控制條件四大開放式數據庫組成，主要用于匯集各種數據信息、估算工程投資。優化運算軟件是以模糊數學為基礎，以工程費用為目標函數，路線的幾何設計標準、工程單價和各種控制條件為邊界函數建立起來的一個數學模型[1]。

路線優化的思路是在滿足設計標準和盡量滿足各項控制條件的前提下，以投資最少為目標，根據地形地貌和約束條件綜合選線，快速產生一系列的低費用優化路線方案，通常在幾小時內就能實時返回優化路線方案。

1.4 曠達智能選線系統特點

1.4.1 集成性考慮各種控制因素

傳統人工選線是逐步地考慮地形地質、生態紅線、城鎮規劃等因素，通過設計師綜合判斷，不斷優化路線方案的過程。智能選線系統是將人工選線的思路進行數學模型化，將各個控制因素作為控制條件輸入，在同時滿足所有控制條件的基礎上生成一組低費用方案。智能選線系統將傳統紙上選線過程中的單循環路線方案的工作方式轉變為集成性的全面考慮社會發展、工程建設、投資估算和環境保護等多方面因素的新方式。

1.4.2 解決海量數模存儲

智能選線系統采用獨立的高速三維地模引擎平臺，能夠很好地解決長大干線的地模數據存儲問題，是智能選線系統實現大面積選線的基礎。

1.4.3 大面積快速選線，走廊帶搜索和方案優化功能

智能選線系統可以進行大面積快速選線，在短時間內提出多個走廊帶方案，通過采取人機交互的方式來完成線路選線和方案優化。智能選線系統也可以沿既有路線走向進行全線優化，局部優化和縱向優化。

1.4.4 工程數量計算與統計和工程投資估算功能

智能選線系統可以在三維數字地模的基礎上，綜合協調多種因素，進行平、縱、橫斷面自動設計，快速地進行工程數量的計算，并可以根據輸入的工程單價指標進行工程投資估算。

1.4.5 多方案比選功能

智能選線系統可以輸出工程投資計算表，按照工程投資的多少或路線長度對各方案進行排序，提出最優方案[2]。

1.4.6 敏感性分析功能

智能選線系統優化運算快的特點彌補了傳統人工選線效率低的弱勢，工程師可以快速地修改各種控制條件，調整路線設計標準，驗證在不同的限制坡度和最小平曲線半徑的組合下，研究地形地貌的適應情況以及工程投資總額的變化情況，做到控制路線建設和生命周期內運營成本綜合最佳的要求，從而確定最佳的平曲線半徑和路線縱坡。

1.4.7 直觀的演示匯報功能

智能選線系統能夠生成三維實時漫游視頻，模擬線路建成后按設計時速運行的情況，在匯報中可以使決策者和專家更直觀地感受路線線形及工程規模。

1.4.8 成果輸出功能

智能選線系統的三維交互式編輯功能在微觀上對優化路線進行動態調整，并擬合成滿足公路設計標準的路線形式，線路平、縱、橫數據可輸出為緯地等路線設計軟件數據格式，方便進一步對路線的詳細設計。

2 實際應用

2.1 項目概況

本文選取甘肅省定西市漳縣至三岔高速公路為研究背景，項目起點位于漳縣縣城東新莊門村，與在建隴西至漳縣高速公路順接，路線向西經鹽井至河南坡村，止于漳縣三岔鎮黃土坡村，與G75 蘭州至海口國家高速公路渭源至武都段以樞紐立交相接。路線總體由東向西，長17.475km，項目地理位置如圖2所示。

2.2 智能選線控制數據輸入

2.2.1 數據準備與錄入

曠達智能選線系統可添加幾何參數、費用參數、禁止區域、吸引區域等控制數據，通過多種控制參數方式同時考慮工程技術指標、地形條件、地質、水文、建設費用、生態敏感區、城鎮規劃、征地拆遷等因素選線。

2.2.2 幾何設計標準

曠達智能選線系統的技術指標敏感性分析可考慮多種縱坡和平曲線組合，該項目根據公路等級、設計速度、路基寬度、圓曲線半徑以及最大縱坡等規范值，采用以下主要幾何設計指標來控制，如表1所示。

表1 幾何設計標準參數采用值

2.2.3 綜合經濟指標

曠達智能選線系統以工程費用最省為目標函數建立數學模型，在控制參數中輸入土石方、橋涵、防護、征地和拆遷等多方面的綜合經濟指標。

2.2.4 項目起終點、禁止區域

先設置項目起終點的平面坐標、方位角、接線高程，再將文物遺址、城鎮規劃、居民點、水源地、文物遺址、不良地質段設置為禁止區域。

2.3 智能選線系統結果輸出

2.3.1 智能選線系統大范圍線位搜索

數據錄入后，生成優化任務文件，提交曠達服務器，1 個小時返回2 組共50 條路線方案以供比選。

2.3.2 曠達軟件結果分析

曠達智能系統在漳縣至三岔高速公路初步設計項目應用中共提供50 條線位，經分析曠達軟件選線為設計師提供了三種線位思路，如圖3所示。

第一種思路：線位起自漳縣新莊門，由東向西經豆家坪、學田坪至鹽井鎮，穿鹽井鎮后沿漳河南側山體坡腳布線，從許家門、王家門、河南村南側至項目終點；該方案線位主要沿漳河一級階段布線，雖然橋梁規模小，挖方量少，但是填方量最大，需設置取土場，而且路線未避讓省級文物遺址保護區、城鎮規劃及居民密集區，征遷量巨大，征遷難度高。

第二種思路：線位起自漳縣新莊門，而后轉向西南布線爬升至漳河二級階地，路線由東向西經徐家坪、劉家坪、賈家坪、潘家坪跨漳河后至項目終點；該方案線位主要沿漳河二級階段布線，雖然避開了城鎮規劃及居民密集區，但未避讓省級文物遺址保護區，而且橋梁規模大，挖方量大，對環境破壞大[3]。

第三種思路：線位起自漳縣新莊門，為避讓城鎮規劃及居民密集區從豆家坪、學田坪村北側耕地通過，以路基形式避讓省級文物保護區，以橋梁形式避讓鹽井鎮規劃，而后路線繼續向西沿漳河二級階地前行，經劉家坪、賈家坪、屠家門至許家門，而后向西北前行至漳河一級階地，經咀兒下、盧家川、王家門村后向西南布線至漳河二級階地，而后在河南坡村處跨越漳河至該項目終點；該方案線位主要沿漳河一、二級階段布線，不僅避讓了省級文物保護區、城鎮規劃，減少了征遷，而且挖方、填方量比例基本平衡，對環境破壞小。

經綜合分析，智能選線系統提供的線位不僅基本滿足方案比選階段的要求（如對控制因素的避讓、平縱面設計標準、工程限制條件），而且智能選線系統提供的50 條線位中第3 條線位與人工選線推薦方案平面線位基本一致，且縱坡相近，說明曠達智能選線系統的線位具有合理性，優化后可以用于后續設計。

3 結論

其一，曠達智能選線系統具有非常突出的快速計算能力，在設計階段可快速根據控制參數反饋多個可行的方案，為路線工程師提供廣闊的思路，確保不遺漏有價值的方案，因此，曠達智能選線系統在工可、初步設計階段適用性更強。

其二，曠達智能選線系統操作簡便，控制參數輸入便捷，輸出結果效率快、方案數量多，可大量節省選線時間；同時具有平縱橫三者聯動視圖，設計者可以查看任意樁號的縱斷面和橫斷面情況，及時掌握設計情況。

其三，曠達智能選線系統輸出的平面線位，幾何指標存在一定缺陷不能直接用于設計，后期需路線工程師對平縱指標再優化。