人工智能在路線線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

摘要 公路路線線形設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)區(qū)域地理信息、路線基本走向和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析路線安全、經(jīng)濟(jì)、土地利用率和行車舒適度等因素，通過設(shè)計(jì)指標(biāo)比選確定公路路線中線的過程，是公路工程建設(shè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的公路路線設(shè)計(jì)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)多設(shè)計(jì)目標(biāo)的達(dá)成，通過引入人工智能技術(shù)，基于GIS系統(tǒng)進(jìn)行公路路線設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)多設(shè)計(jì)目標(biāo)路線達(dá)成。文章從人工智能技術(shù)的基本原理出發(fā)，研究人工智能技術(shù)在公路路線線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。分析公路路線選線特點(diǎn)，以湖北省某丘陵區(qū)公路路線設(shè)計(jì)為例，提出了人工智能技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用思路。

關(guān)鍵詞 人工智能;路線線形;GIS

中圖分類號 U412.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0001-03

引言

在公路路線設(shè)計(jì)過程中，包含的地理信息數(shù)據(jù)眾多，需要處理測繪數(shù)據(jù)、地形圖片、航拍影像等設(shè)計(jì)資料[1]。并且對路線設(shè)計(jì)進(jìn)行全過程定性評價，需要確定評價指標(biāo)及評價權(quán)重，但是評價指標(biāo)由于受到主觀因素的影響，使得評價標(biāo)準(zhǔn)不能進(jìn)行定性評價，無法確定最優(yōu)路線線形設(shè)計(jì)方案[2]。由于公路線形設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家資源未能整合，路線設(shè)計(jì)人員不能得到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持，造成一部分設(shè)計(jì)人員無法根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，而是采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行公路線形設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案缺乏科學(xué)性，未達(dá)到最優(yōu)方案[3]。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法在公路線形設(shè)計(jì)中得到大量應(yīng)用，達(dá)到公路路線勘察設(shè)計(jì)一體化的目標(biāo)，路線線形設(shè)計(jì)完成率和質(zhì)量得到提升。但是，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對比方案缺乏、設(shè)計(jì)用時長、線形設(shè)計(jì)評價指標(biāo)少，不能完成線形設(shè)計(jì)的科學(xué)論證[4]。為了彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的不足，引入人工智能技術(shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，生成大數(shù)據(jù)信息資源庫。通過人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對知識數(shù)據(jù)的處理，模型的構(gòu)建，公路路線設(shè)計(jì)方案的自動生成，并提供科學(xué)評價，進(jìn)而達(dá)到真正意義上自動化、智能化。該文從人工智能技術(shù)在公路路線設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合人工智能技術(shù)的基本原理，分析公路路線選線設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出人工智能技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用思路。

1 人工智能技術(shù)在公路路線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 人工智能技術(shù)基本原理

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一部分，這一領(lǐng)域的研究眾多，包括語言識別、圖像識別和專家系統(tǒng)等。在公路路線設(shè)計(jì)過程中，存在許多設(shè)計(jì)因素，為了能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)的路線選線方案，需要應(yīng)用人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)、資料、圖片以及動畫進(jìn)行處理，得到最優(yōu)方案。將人工智能技術(shù)與公路路線設(shè)計(jì)相結(jié)合，促進(jìn)公路行業(yè)的升級與轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)智慧選線的目的。

1.2 人工智能技術(shù)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息管理中的應(yīng)用

在公路工程路線線形設(shè)計(jì)中，需要運(yùn)用到基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)信息，公路工程路線勘測數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多的特點(diǎn)。將人工智能技術(shù)結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫引入公路路線選線智能化研究過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)空間地理基礎(chǔ)信息的處理分析和應(yīng)用。人工智能技術(shù)結(jié)合GIS的知識庫建立過程如下：

首先，建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將公路路線線形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入知識庫，知識庫與基本資料庫相結(jié)合生成屬性資料庫;根據(jù)公路工程項(xiàng)目坐標(biāo)完成空間數(shù)據(jù)庫，屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫相結(jié)合構(gòu)成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，保存知識工程計(jì)算用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

然后，確定公路路線設(shè)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)線形設(shè)計(jì)需求，針對專家知識數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，得到評價可信度較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

最后，保存知識庫系統(tǒng)，根據(jù)保存的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對公路線形設(shè)計(jì)的地理信息、設(shè)計(jì)信息及專家信息進(jìn)行排列建檔，構(gòu)建人工智能系統(tǒng)能夠識別應(yīng)用的公路路線設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)語言知識庫。

1.3 人工智能技術(shù)在公路選線建模中的應(yīng)用

公路路線設(shè)計(jì)過程中需要考慮復(fù)雜因素的影響，為了保證公路選線的合理性與準(zhǔn)確性，一般采用建模技術(shù)對公路路線進(jìn)行數(shù)字建模，在建模過程中需要運(yùn)用算法對模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與修改，人工智能技術(shù)能夠?qū)仿肪€建模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在路線建模過程中算法的選擇非常重要，公路路線建模優(yōu)化采用交互式遺傳算法。交互式遺傳算法是以設(shè)計(jì)指標(biāo)主觀評價作為進(jìn)化個體適應(yīng)值的進(jìn)化優(yōu)化方法，是一種有人機(jī)交互過程的進(jìn)化優(yōu)化方法，這種人機(jī)交互過程不僅僅是對個體進(jìn)行適應(yīng)度賦值，還包括其他更多的人對進(jìn)化的干預(yù)。優(yōu)化工程中融合了設(shè)計(jì)人員的智能評價，能結(jié)合個人的經(jīng)驗(yàn)，更符合工程實(shí)際情況。交互式遺傳算法流程如圖1所示，路線優(yōu)化交互式遺傳算法建模步驟：第一步，從信息知識庫提取路線設(shè)計(jì)基本信息，根據(jù)公路路線設(shè)計(jì)要求進(jìn)行模型編碼，模型編碼完成后對設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，得出初始方案。第二步，對設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)進(jìn)行主觀干預(yù)，得到某一設(shè)計(jì)指標(biāo)突出的優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)人員對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評級。通過對設(shè)計(jì)參數(shù)及要素的主觀干預(yù)使路線模型的設(shè)計(jì)指標(biāo)合理，工程造價降低，行車安全性提高。

1.4 人工智能技術(shù)與GIS綜合應(yīng)用

1.4.1 地理信息數(shù)據(jù)庫

利用ArcGIS作為地理信息平臺，以GeoData-base作為數(shù)據(jù)庫格式建立地理信息數(shù)據(jù)庫。首先構(gòu)建地形、地物等本體模型，然后將本體模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別和操作的GeoDatabase的UML邏輯模型，再把邏輯模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)中與實(shí)際物體相對應(yīng)的物理模型（公路、山、河流等），最后根據(jù)研究區(qū)域需要導(dǎo)入或建立地理數(shù)據(jù)。

1.4.2 基于數(shù)字?jǐn)z影測量的地理信息獲取技術(shù)

利用攝影測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過遙感、衛(wèi)星航片等影像對地理信息的獲取、處理、提取和成果表達(dá)。數(shù)字地形模型（DTM）的獲取是其中的關(guān)鍵，可利用空中三角測量光束在攝影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)，聯(lián)立并求解不同位置像片的共線方程和同名像點(diǎn)的共面方程，得到指定像點(diǎn)對應(yīng)的地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1.4.3 三維地形可視化

在智能選線設(shè)計(jì)環(huán)境中，運(yùn)用了線框模型、表面模型、景觀模型和真三維立體景觀模型以及各種必要的可視化工具，根據(jù)方案決策的需要為設(shè)計(jì)者快速、動態(tài)、多角度呈現(xiàn)地形以及其他環(huán)境信息。景觀模型是在物體表面模型上，疊加顏色、照片、影像等構(gòu)成的紋理圖案，使建立的三維表面模型具有一定的真實(shí)感。將不同的景觀模型或圖像分別放置入左右眼緩沖區(qū)，經(jīng)透視投影，將產(chǎn)生一個無論在幾何外觀上還是感覺上都非常好的立體效果，實(shí)現(xiàn)真三維立體景觀顯示。

2 人工智能技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用思路

2.1 工程概況

為了研究人工智能技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用思路，以湖北省某公路段線形設(shè)計(jì)為例，該公路段設(shè)計(jì)區(qū)域地形為丘陵區(qū)，起點(diǎn)樁號為K0+000，終點(diǎn)樁號為K10+000，全長10 km，采用人工智能技術(shù)在丘陵區(qū)完成公路段線形設(shè)計(jì)。使用Google地圖定位得到該區(qū)域地形地貌，通過人工智能技術(shù)對設(shè)計(jì)區(qū)域地形地貌特點(diǎn)分析得出，該區(qū)域地形地貌較為平坦，河流交匯，海拔高差較小。通過對該公路段的既有地物調(diào)查，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)存在運(yùn)行公路，但是運(yùn)行公路設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)差，項(xiàng)目線形設(shè)計(jì)要求在對運(yùn)行公路無影響的前提下設(shè)計(jì)新的單線公路。使用人工智能技術(shù)結(jié)合公路智能選線輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在研究區(qū)域丘陵區(qū)內(nèi)自動設(shè)計(jì)生產(chǎn)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求、不影響既有線運(yùn)營的優(yōu)秀方案。

2.2 人工智能技術(shù)選線

使用人工智能技術(shù)結(jié)合公路智能選線輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，根據(jù)公路路線CAD圖形，協(xié)同使用ESRI的Arc Globe，Arc Map和Arc Catalog等軟件完成數(shù)據(jù)的建模與采集任務(wù)，建立研究區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)庫。人工智能系統(tǒng)依據(jù)地理信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行公路路線智能選線，具體步驟如下：

（1）根據(jù)工程概況在地形圖上選定起始點(diǎn)樁號及坐標(biāo)，通過起始點(diǎn)樁號及地形圖坐標(biāo)，人工智能系統(tǒng)自動確定該公路段設(shè)計(jì)區(qū)域路線設(shè)計(jì)控制點(diǎn)。

（2）確定控制點(diǎn)后，人工智能系統(tǒng)按照公路線形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及要素對路線地形進(jìn)行分析，確定該公路段路線經(jīng)過特殊地形點(diǎn)位坐標(biāo)，自動生成碎布點(diǎn)坐標(biāo)。

（3）根據(jù)公路路線設(shè)計(jì)要求，對碎布點(diǎn)進(jìn)行處理，刪除不符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的碎布點(diǎn)，如農(nóng)耕用地碎布點(diǎn)和運(yùn)行公路交叉點(diǎn)。

（4）根據(jù)公路設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)高程點(diǎn)坐標(biāo)，人工智能系統(tǒng)自動建立地形三角網(wǎng)，繪制公路路線等高線圖，系統(tǒng)將公路路線碎布點(diǎn)與高程點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，去除克服高度較大的路線樁號。并且對公路工程填挖量進(jìn)行計(jì)算，去除填挖量過大的路線樁號。

（5）根據(jù)公路工程造價控制，人工智能系統(tǒng)對確定路線方案進(jìn)行篩選，得到符合設(shè)計(jì)要求的所有路線，并且采用智能算法對各方案進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)選度計(jì)算。

通過人工智能系統(tǒng)對設(shè)計(jì)路線的自動篩選、改進(jìn)與優(yōu)化，最終確定符合設(shè)計(jì)要求的4個路線方案。采用人工智能技術(shù)進(jìn)行選線，能夠確定符合設(shè)計(jì)要求的路線方案，但是不能對設(shè)計(jì)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行分析，所以得到多條選線方案后，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行路線比選，確定最佳路線方案。

2.3 設(shè)計(jì)方案比選

通過人工智能技術(shù)輔助路線選線設(shè)計(jì)確定了4個選線方案，各方案具體參數(shù)如表1所示，從路線長度方面可以得出4個方案路線長度相差不大，都在11 km以內(nèi)，但是方案3的路線長度最短。從填挖不平衡方面可以得出方案2填挖量最小，能夠降低施工難度及工程造價。從工程造價方面可以得到，4個方案造價基本相同，但是方案3的工程造價要低于其余三個方案。從克服高度方面可以得到，方案4路線高度最低，能夠降低安全事故發(fā)生率。

為了對人工智能技術(shù)選線方案進(jìn)行評價，設(shè)置評價指標(biāo)為：線路長度、主要工程造價、填挖不平衡和線路克服高度，其權(quán)重分別為0.2，0.4，0.25和0.15，根據(jù)人工智能技術(shù)自動評價系統(tǒng)，對4個方案進(jìn)行評價，智能選線方案優(yōu)選度評價結(jié)果如表1所示。

為了確定湖北某公路路線最優(yōu)選線方案，通過表1可以得到，根據(jù)評價計(jì)算結(jié)果方案3的優(yōu)選度為0.890，大于其余3個方案，方案3的公路路線長度短、造價最低、克服高度較小，公路荷載運(yùn)行指標(biāo)最佳，但是與其他3個方案相比填挖平衡稍差。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對人工智能技術(shù)在公路工程線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀研究，得到人工智能技術(shù)在公路線形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息管理、公路選線建模以及人工智能結(jié)合GIS技術(shù)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。為了確定人工智能技術(shù)在公路線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用思路，以湖北省某丘陵區(qū)公路線形設(shè)計(jì)為例，使用人工智能技術(shù)分析得出路線選線特點(diǎn)。將系統(tǒng)確定的4個設(shè)計(jì)方案從路線長度、填挖量、工程造價以及克服高度方面進(jìn)行比選，通過對設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選度進(jìn)行計(jì)算，得到方案3為最佳公路選線方案，確定了人工智能技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用思路。

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收稿日期：2022-01-20

作者簡介：李剛（1987—），男，本科，路橋工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。