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既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明1既有铁路平面曲线拟合软件说明报告编制：陈礼坤审核：贾克永审定：赵振刚共25页中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院2015年01月济南既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明21.软件开发背景既有铁路经过长期运营后会发生不规则变形，影响行车速度和行车安全，为进行曲线整正，需要根据以各测点的拨距值的平方和最小或绝对值之和最小作为设计条件，拟合出最佳的平面曲线，计算出各个点的拨距量。现阶段采用的有偏角法和坐标法，其中偏角法源于渐伸线法计算原理，是以弦长代替弧长，具有一定的近似性误差且没有理论严密的计算公式，使得误差具有隐蔽性。并且偏角法在实施过程中，必须将仪器架设在既有线上，随着火车运行速度和运行密度的提高，现场的作业条件已经很难满足这样的测量要求，这样就造成外业测量工作的难以实施和效率的低下。相对于传统的渐伸线法，坐标法具有理论严密、测量计算成果精度高等优点，既有的相关算法对于数据点的间距以及数据采集格式有较高的要求，部分软件没有曲线自动拟合功能。并且在对缓和曲线以及半径进行自动最佳匹配时，存在对半径和缓和曲线长初始值依赖性较高、收敛速度慢、适用范围窄的特点，现实中，也没有合适的免费软件可供使用，通过了解济南铁路局既有线测量队以及其他设计院在曲线拨距整正方面使用的软件和测量作业模式，可以考虑编写具有自主知识产权的平面曲线拟合软件，以适应测量形势的发展。这里有两张拨距施工现场的图片，可以看出拨距施工的难度，那么怎样才能更好的拟合出最佳的平面曲线，获得各个点的最小拨距值，减少实际施工工作量，就显得尤为重要了。既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明32.软件主要功能2.1、软件可以根据既有铁路曲线上测量的点坐标（包含缓和曲线、圆曲线和曲线两端直线点坐标），通过自动模式或者手动模式，拟合出最佳平面曲线，既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明4得到每个点对应曲线上点的坐标、里程、拨距量，并给出拨距量是否合格的评判结果。既有线测量的位置可以自由选择（内、外轨以及线路中心）。2.2、可以生成CSV格式的既有曲线拨距成果表，画出DXF格式的曲线线位文件、以及曲线信息数据（线路HRCAD设计软件支持的dat格式）。2.3、支持缓和曲线长为0的曲线以及缓和曲线不等长的曲线计算。2.4、如果导入的数据格式不正确或者没有正确选取直线边以及起始里程点，程序会给出错误提示。在软件自动模式参数设置里面，可以固定缓和曲线长，程序自动匹配最佳半径，也可以固定半径，程序自动匹配最佳缓长。2.5、支持设定单个点以及多个点的拨距限差值，程序在计算过程中，将按照设置的限差值进行曲线自动拟合以及质量结果评判，拟合出满足要求的曲线数据。3.软件界面及操作按钮说明3.1软件界面如下：既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明5左侧主要是参数设置区域，右侧表格区域是显示计算出的相关点的坐标、里程数据以及曲线的各个曲线要素，允许显示120行数据。现在先从左侧参数设置区域开始介绍。3.2在左上角的参数设置程序框内，有四个弹出按钮，点击，弹出如下对话框：项目相关信息将在曲线拨距成果表中显示。点击，弹出如下对话框：可以选择是50轨还是60轨，其中50轨的单轨顶面宽70mm，60轨的单轨顶面宽73mm，43轨和50轨的单轨顶面宽式一样的。既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明6点击，弹出如下对话框：可以选择你所测量的位置是内、外轨中心还是线路中心。点击按钮，点开后如下弹出如下对话框：可以在对话框里面根据点名指定两端固定的直线边和确定起始里程，也可以在导入的数据文件中，采用标识符来进行直线边固定和确定起始里程。如果既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明7同时进行了两种直线边设置方法，程序会优先以对话框的设置为准。在待导入的测量数据文件中，第一条直线边两个点在第四列以ZG1和ZG2表示，第二条直线边两个点在第四列以ZG3和ZG4表示，里程在对应里程点的第四列以ZL加里程表示。具体格式见下表，如果起始里程点和ZG1是同一个点，那么将第一行的ZL179780改为“ZG1ZL179780”就可以了。120803.0819567.712ZL179780220788.86119581.809179800320774.64619595.823179820420760.49719609.868179840520746.19219623.932ZG1620732.02519637.946ZG2720717.7119652.04179900820703.52219666.099-100Z050920689.25919680.154179940……5819802.07820006.245ZG35919782.12720005.5611809406319702.17820002.6341810206419682.24820001.9411810406519662.28620001.239ZG4在上面的文件中的中，如果需要设定单个或者多个点的拨距限差值，例如：如果想让自动拟合出来的最佳曲线，在某个点的右拨距量不超过50mm。那么将第四列的点值设置成-100Z050；“Z”前面的-100为默认的左侧拨距限差值为100mm，Z后面的“050”意思是自设的右侧拨距限差值为50mm。3.3在模式选择程序框里，可单选计算模式，有手动模式和自动模式两种方式，其中默认是自动模式。若要切换成手动模式，请点击前面的。既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明83.4在自动模式程序框里面，第一个按钮，计算曲线的大偏角以及半径初始值，在没有台账，或者不知道此条曲线初始半径的情况下，可以点此按钮，计算曲线的初始半径以及曲线大偏角，根据初始半径值来设置“半径搜索范围”。需要按照《中铁咨询新规则》中的第二篇（测绘）中的P81页的取值要求来设置“半径搜索步长”。这样既可以满足半径取整要求，拟合出更合适的平面曲线，同时减少计算时间。在计算大半径曲线（半径=10000m）以及小半径曲线（半径=300m)曲线最好先进行此项计算。第二个按钮，点开后弹出如下参数设置对话框：既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明9一般设置里面是的半径搜索步长是每次半径的更新值，缓长搜索范围最大支持500m。可以在高级设置中，固定半径，进行缓长拟合，也可以固定缓长进行半径拟合,对话框中的编辑框的数据均是默认的设置，一般情况下，默认的设置就可以满足我们的计算需要了。3.5在表格的右下方是操作按钮，主要用于数据的导入、导出和计算处理的。其中：：点此按钮，软件读入数据文件，文件格式如下：11580.7051999.609zl45036021600.6681999.027zg131620.6411998.41345040041640.6641997.82245042051660.6021997.213zg261670.6371996.9445045071680.5761996.61645046081700.581996.03345048091720.5731995.423450500101740.571994.846450520…………………………………402350.4612083.034zg3412369.6742088.654451160422408.0152099.881451200432455.9722113.933zg4616219722.1620003.361810006319702.17820002.6341810206419682.24820001.9411810406519662.28620001.239ZG4既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明10数据文件共有四列，分别对应着“点名，北坐标，东坐标，备注”。第一列和第四列支持任意字符，曲线上的坐标数据宜采用全站仪导线法测量获取。数据总数应不少于13行。其中圆曲线上至少3个点，如果曲线较短，应该多测几个点。第一行和第二行以及最后两行的直线点是曲线两切线上的A、B、C、D点：示意图如下：A、B、C、D四个点必须分别选在曲线两端的直线上。AB、CD的长度以100～200米为宜，靠近曲线的B、C两点必须设在曲线起、终点外方约40～80米的直线上，如果夹直线很短（技规中规定不小于20米，但实际上有的曲线不能达到这个规定）直线不明显示，应在现场仔细判定，必要时可多测量几个点。文件后缀名为“XY”。文件支持“，”以及空格、制表符隔开的数据，每行之间允许有空行。：点此按钮，软件根据导入的数据，计算出曲线要素以及每个点对应的曲线上点的坐标、里程、拨距量等拨距计算成果。并在右侧显示出来，具体结果见下表，既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明11其中：第一列“点名”是导入的原始数据的点名；第二列“里程”是计算后测量点投影到拟合曲线上对应点的里程；第三列“北坐标(X)”和第四列“东坐标(Y)”是计算后测量点投影到拟合曲线上在曲线上的坐标值。第五列“内拨(mm)”和第六列“外拨(mm)”表示的测量点到拟合曲线的距离，点在曲线外侧，需要往线路内侧移动，就是内拨，反之，就是外拨，第七列“是否超限(mm)”是拨距量是否合格的评判标准，如果不合格，就会给出提示。第八列“曲线要素”是给出了拟合曲线的曲线成果表：其中第二行“Aa”表示曲线大偏角，左偏为负，右偏为正，第三行“R”表示半径，第四行“L1”、“L2”分别代表第一缓长和第二缓长，第五行“T1”既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明12和“T2”分别代表第一和第二切线长。第六行“l”表示曲线全长，第七到第十行“ZHLC”、“HYLC”、“YHLC”、“HZLC”分别代表直缓里程、缓圆里程、圆缓里程、缓直里程。第十一行“BoJu”表示所有点的拨距值总和，第十三和第十四行数据时项目信息，其中“CurNO”“Pro”“Actor”“Check”分别表示曲线编号、项目名称、计算者、复核者，并且一次设定，不论计算多少个曲线，只要不关闭软件，就一直是你设定的信息，保持项目设置信息的一致性。：点此按钮，将拨距成果保存成CSV数据格式文件，表格的数据内容和前面表格显示的结果一致，做到所见即所得，下面是保存计算结果后，直接打开的文件。：点此按钮，将拟合出来的最佳曲线保存成DXF数据格式文件，这种Autodesk公司的绘图交换文件可在AutoCAD里面直接打开，打开后的数据结果如下所示：既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明13：点此按钮，保存成HRCAD线路设计软件所支持的.dat数据格式文件，提供此数据接口，方便与线路设计部门的数据交换。数据格式如下:：退出当前程序，和右上角的的功能一致，执行退出操作。4.软件核心算法4.1在程序设计过程中，关键是如何自动进行最佳曲线的拟合，为此采用改进的遗传算法，在自动匹配缓和曲线和半径的过程中，根据不同的计算阶段采用不同的适应度函数，兼顾计算效率和计算精度。主要分为下面俩个步骤：步骤一：采用最小二乘法以曲线中部一定范围的数据来初始化既有线路的半径R，对缓长L不进行初始化，下一步中将进行全面匹配（0m-500m），对观测精度较低或者实际线路变形较大的时候，现有的一些算法将在初始化缓长时会与实际缓长产生较大误差，在我的算法中对缓长不进行初始化，虽然增大了初始群体的数量，但避免对缓长的优化陷入局部最优的情况。提高了算法的适应既有铁路平面曲线拟合软件2.3介绍及使用说明14性。同时根据半径R和搜索步长RB确定初始群体P(0)的个数M。步骤二：利用GA算法来更新半径和缓和曲线长，其中半径的搜索步长既可以采取默认，也可以根据实际工作要求，通过提供的外部数据交换接口（编辑框）进行自定义，支持（0m-1000m）任意数据，在进行最佳的（R,L）匹配时，通过两代进化计算，以各测点的拨距值Δi的平方和最小或绝对值之和最小作为目标函数，自动拟合出最佳的平面曲线，其中在每代的迭代计算中，采取不同的目标函数和计算方向，通过选择和变异算子，快速筛选出部分符合条件的设计曲