公路幾何線型優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效策略

李鴻瑋

摘 要：本文首先對運(yùn)行速度進(jìn)行了簡要說明，然后以此為基礎(chǔ)分析了公路幾何線型設(shè)計(jì)的原理、方法、步驟，旨在促進(jìn)公路幾何線型設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：公路幾何;線性設(shè)計(jì);策略

一、前言

在公路工程設(shè)計(jì)中，公路幾何線型設(shè)計(jì)有著重要作用，它影響著公路的橋涵、互通立交橋等的規(guī)模以及工程造價(jià)，決定著汽車行駛的安全、道路通行能力等。因此研究公路幾何線型優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效策略十分必要。

二、運(yùn)行速度

公路曲線半徑、曲線參數(shù)、幾何單元長度、超高、車道尺寸等都是公路幾何線型設(shè)計(jì)的內(nèi)容[1]。我國的公路幾何線型設(shè)計(jì)使用的是設(shè)計(jì)速度法。具體來說，首先要對公路的功能、地形、交通等進(jìn)行確切了解，把公路的設(shè)計(jì)速度確定下來，進(jìn)而再以設(shè)計(jì)速度為依據(jù)去確定公路的幾何線性，經(jīng)過一系列驗(yàn)算、檢驗(yàn)，完成最后的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)速度是重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它決定著線型設(shè)計(jì)的最低標(biāo)準(zhǔn)是什么，它的這種限定可以確保公路預(yù)期運(yùn)行速度的實(shí)現(xiàn)。然而這種運(yùn)行方法也存在著一定的不足，在公路幾何線型的連續(xù)性、均衡性等方面考慮不充分，實(shí)際運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)運(yùn)行速度之間的差異以及相鄰路段運(yùn)行速度的差異等都會(huì)導(dǎo)致公路運(yùn)行的安全與舒適度下降。

當(dāng)前國內(nèi)外通常是以運(yùn)行速度為公路幾何線型評價(jià)的指標(biāo)。例如美國AASHTO的公路線型設(shè)計(jì)政策中，把運(yùn)行速度作為評價(jià)公路的線型設(shè)計(jì)質(zhì)量的指標(biāo)之一，而在澳大利亞、瑞典等國家也逐漸加強(qiáng)了對運(yùn)行速度的重視。2004年，我國交通部出臺(tái)了《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)指南》中把運(yùn)行速度規(guī)定為對公路線型的連續(xù)性、安全性進(jìn)行評價(jià)的重要指標(biāo)。

三、遺傳算法

遺傳算法的基礎(chǔ)是以遺傳、自然選擇等為主要內(nèi)容的生物進(jìn)化原理，它常常用于解決計(jì)算數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化問題[2]。在這一算法中，待優(yōu)化問題叫做染色體，計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成的大量解叫做優(yōu)化過程的父代，所有染色體的適應(yīng)度要根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。染色體的適應(yīng)度高，說明它優(yōu)秀，它遺傳到下一代的可能性就比較大，計(jì)算完所有染色體的適應(yīng)度之后，對它們進(jìn)行交叉和變異，產(chǎn)生子代，然后計(jì)算子代中所有染色體的適應(yīng)度，完畢之后選擇遺傳，直到最優(yōu)解產(chǎn)生。

四、優(yōu)化模型

在遺傳算法這一理論的基礎(chǔ)上，使公路幾何線型設(shè)計(jì)成為抽象的數(shù)學(xué)模型，因?yàn)檫@樣有助于計(jì)算機(jī)運(yùn)算，從而以最快速度獲得準(zhǔn)確的最優(yōu)解。創(chuàng)建優(yōu)化模型時(shí)，首先把初步設(shè)計(jì)好的公路線型劃分成直線段、平曲線、彎坡組合段、縱坡段。然后把每個(gè)線型段的計(jì)算參數(shù)

組合成優(yōu)化問題的初{{is，Ss}1，{R， Rpcnow，Rpcfront}m，{idcnow1，idcnow2，I，Rdcnow，Rdcfront}}。

其中S為長度，i為坡度，R為曲線半徑，它們的變化量分別是△S、△i、△R，隨機(jī)生成N組個(gè)數(shù)是k+2l+3m+5n的整數(shù)矩陣。接著創(chuàng)建有N個(gè)染色體的父代，{{S1 +}k，{i2+n△+}1，{RPcback+Rpcnow+ Rpcfront+}m，{idcnow1+，idcnow2+Rdcback+，Rdcnow+，Rdcfront+n}n}父代染色體說明了有N條公路線型，依次對每個(gè)線型段的運(yùn)行速度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完之后用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判，路段的運(yùn)行速度之差或者運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度之差越小，則適應(yīng)度的值就越大，依次計(jì)算N個(gè)染色體的適應(yīng)度，同時(shí)與所使用的相應(yīng)的整數(shù)矩陣進(jìn)行對應(yīng)。把適應(yīng)度高的整數(shù)矩陣予以保留，把適應(yīng)度低的整數(shù)矩陣交叉、變異，使之生成新一代整數(shù)矩陣，產(chǎn)生新的染色體，接著依次計(jì)算新的染色體的適應(yīng)度[3]。NR為進(jìn)化代數(shù)，α是適應(yīng)度收斂判斷閥值。如果連續(xù)幾代最大適應(yīng)度之差小于α或者進(jìn)化的總代數(shù)是NR，那么就停止進(jìn)行優(yōu)化算法。

五、優(yōu)化步驟

因?yàn)槭艿蕉喾N因素的影響，我國在進(jìn)行公路幾何線型設(shè)計(jì)時(shí)，還無法完全使用運(yùn)行速度，然而可以使用本文中的遺傳算法優(yōu)化方案對以運(yùn)行速度為重要指標(biāo)的公路幾何線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先是進(jìn)行充分地調(diào)查，把將要修建的公路的設(shè)計(jì)速度Vd確定下來，以設(shè)計(jì)速度Vd為依據(jù)，按照當(dāng)前所使用的設(shè)計(jì)方法與規(guī)范把道路的平線型、縱線型以及橫線型都確定下來。按照線型分段標(biāo)準(zhǔn)，把初步設(shè)計(jì)的公路線型分段，具體可以分成直線段、平線段、彎曲組合段、縱坡段，然后利用遺傳算法程序優(yōu)化所有公路的線型，優(yōu)化完之后要檢查一下結(jié)果與地形、地物等是否相符合。最后按照獲得的最優(yōu)公路幾何線型，將平曲超高、視距等技術(shù)指標(biāo)確定下來。

六、結(jié)語

設(shè)計(jì)速度是我國進(jìn)行公路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，為了有效解決它所存在的問題，通過運(yùn)行速度的驗(yàn)算方法對設(shè)計(jì)速度進(jìn)行優(yōu)化，然而目前還沒有達(dá)到應(yīng)有的效果。文本通過對遺傳優(yōu)化算法等的介紹為我國公路幾何線型設(shè)計(jì)提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏軍.基于運(yùn)行速度的公路幾何線型優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].北方交通，2011（4）：43-46.

[2]吳麗麗.運(yùn)行速度在公路路線優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013（3）：105-107.

[3]尹健標(biāo).關(guān)于公路路面排水幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].城市建設(shè)理論研究：電子版， 2014（7）：11-12.