一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法与流程

[0001]
本发明涉及桥梁自动化设计技术领域，尤其涉及一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法。


背景技术：

[0002]
当前为减少铁路、公路、轨道交通等交通线路的施工建设对人民生活的影响，交通线路大多采用高架桥的方式，新建成的交通线路中桥梁所占比重越来越大，交通线路桥梁的设计与建造技术已成为关键技术之一。但由于近些年交通线路建设的重点在由东部向西部转移，线路的复杂性对桥梁的布孔设计理论和方法提出了挑战。在交通线路确定后，线路桥梁设计工程师必须考虑布孔线路中出现的各种控制点如河流、城市道路、管道等，依据自己的专业知识与长期进行线路桥梁布孔设计的经验，在工程与技术标准要求下设计一个专业规范以及社会需要的桥梁布孔设计图。
[0003]
建筑信息模型(building information modeling)即bim技术，是指建筑物在设计和建造过程中，创建和使用的可计算信息，是数字化的建筑多维信息模型，以其信息关联性、可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等诸多优势，越来越多地应用到了建筑工程的各阶段。bim技术的应用开创了线路桥梁智能设计的新方向，通过利用建筑信息模型中标准的线路桥梁的构建库可快速完成线路桥梁工程的智能化设计与绘图能有效提高工程设计效率以及工程质量，其便利性让设计工程师摆脱了劳累的工作，激发了设计工程师的信心。
[0004]
在传统的人工进行交通线路桥梁设计的过程中，往往依靠手工选择梁型并进行孔跨布置，效率低，复杂路段的设计过度依赖于工程师的个人经验，无法保证完成的效果；简单路段的设计大多仅仅依靠固定规则即可判断，却依然需要手工依次布梁，造成时间和人力物力的浪费。并且无法对方案中产生的可能错误进行有效的检测，后期对于方案的校正修改成本较大。且施工前无可视化模型作为参照，手工设计完平面及立面图后需要人工统计工程量，设计人员工作量大且设计成本较高。


技术实现要素：

[0005]
本发明通过提供一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法，解决了现有技术中无法将桥梁线路从起点到终点智能衔接起来的问题。
[0006]
本发明提供一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1、获取主梁信息、控制点信息、桥梁线路起终点信息和桥接可使用的简支梁信息，进行有解性检测；
[0008]
步骤2、根据所述主梁信息和所述桥梁线路起终点信息选定左右延伸基准物，以所述左右延伸基准物为起点，向左延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，向右延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，获得桥梁解序列或碎片解；
[0009]
步骤3、逐步移动所述左右延伸基准物，每次将所述左右延伸基准物移动第一距离后，以所述左右延伸基准物为起点，向左延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，向右延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，得到另一个桥梁解序列或者另一个碎片解；当满足结束条件时，停止继续求解，并输出所有的桥梁解序列、所有的碎片解。
[0010]
优选的，所述步骤1中，所述主梁信息包括主梁的左右端位置、主梁的可移动距离范围、主梁的梁型；所述控制点信息包括控制点的左右端位置；所述桥梁线路起终点信息包括桥梁线路的起点位置、桥梁线路起点的可移动距离范围、桥梁线路的终点位置、桥梁线路终点的可移动距离范围；所述桥接可使用的简支梁信息包括主垮简支梁的长度、配跨简支梁的长度。
[0011]
优选的，所述步骤1中，所述进行有解性检测的具体实现方式为：基于所述主梁信息、所述桥梁线路起终点信息和所述桥接可使用的简支梁信息判定是否满足可解标准；若不满足所述可解标准，则提醒用户对主梁的梁型进行调整；
[0012]
所述可解标准为：在所述桥梁线路起点和所述桥梁线路终点之间，针对任意一个桥间隙，在满足所述主梁的可移动距离范围、所述桥梁线路起点的可移动距离范围、所述桥梁线路终点的可移动距离范围的情况下，能够通过一定数量的主跨简支梁和配跨简支梁的组合对两个主梁进行衔接；
[0013]
所述桥间隙为：所述桥梁线路起点或终点与左起第一个主梁之间的距离范围、任意两主梁之间的距离范围、右起第一个主梁与所述桥梁线路起点或终点之间的距离范围；若没有主梁，则将所述桥梁线路起点和所述桥梁线路终点之间的距离范围作为桥间隙。
[0014]
优选的，所述步骤2中，选择所述桥梁线路起点、所有主梁、所述桥梁线路终点中满足第一条件的目标物作为左右延伸基准物；所述第一条件为目标物的可移动距离范围最小。
[0015]
优选的，所述向左延伸布置简支梁的具体实现方式为：将主梁、桥梁线路起点、桥梁线路终点中距离当前位置最近的且位于当前位置左侧的对象作为当前目标物，将当前目标物右移，检测是否能通过移动使得当前目标物和当前位置连在一起；若当前目标物右移失败，则将当前目标物左移，进入简支梁的布置；若当前目标物右移成功，则检测当前目标物是否为所述桥梁线路起点或终点；若是，则判定向左延伸布置简支梁完毕；若不是，则以当前目标物为起点继续向左延伸布置简支梁；
[0016]
所述向右延伸布置简支梁的具体实现方式为：将主梁、桥梁线路起点、桥梁线路终点中距离当前位置最近的且位于当前位置右侧的对象作为当前目标物，将当前目标物左移，检测是否能通过移动使得当前目标物和当前位置连在一起；若当前目标物左移失败，则将当前目标物右移，进入简支梁的布置；若当前目标物左移成功，则检测当前目标物是否为所述桥梁线路起点或终点；若是，则判定向右延伸布置简支梁完毕；若不是，则以当前目标物为起点继续向右延伸布置简支梁。
[0017]
优选的，所述向左延伸布置简支梁或所述向右延伸布置简支梁时，优先使用主跨简支梁进行布置，在主跨简支梁的长度无法达到要求时，使用配跨简支梁来进行长度的调节。
[0018]
优选的，使用回溯法尝试向左向右分别延伸布置简支梁来求解；
[0019]
若当前的主跨简支梁和配跨简支梁的组合使得当前位置放置主跨简支梁或者配
跨简支梁会导致踩到控制点、跨过所述桥梁线路起点、跨过所述桥梁线路终点、与主梁重叠中的任何一种情况发生时，则将当前失败的主跨简支梁和配跨简支梁的组合通过一个一维数组记录下来，回退到上一步，通过更换上一步选择的简支梁类型来继续探索求解。
[0020]
优选的，布置主跨简支梁成功后，通过一维数组记录的失败的主跨简支梁和配跨简支梁的组合来判断当前的主跨简支梁和配跨简支梁的组合是否需要被剪枝；若需要剪枝，则进入尝试布置配跨简支梁阶段；若不需要被剪枝，则继续延伸布置简支梁；
[0021]
布置配跨简支梁失败或者当前的主跨简支梁和配跨简支梁的组合需要被剪枝，则判定本次延伸布置简支梁失败，记录导致桥接失败的控制点，返回并回溯尝试其他方案。
[0022]
优选的，得到所述桥梁解序列或所述碎片解后，对所述桥梁解序列或所述碎片解进行调整，得到调整后的桥梁解序列或调整后的碎片解；调整的原则包括使主梁的两侧优先衔接主跨简支梁、使配跨简支梁优先布置在一起。
[0023]
优选的，所述步骤3中，所述布置结束条件为所述左右延伸基准物的位置已经遍历完预设里程数。
[0024]
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0025]
在发明中，提供的一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法首先获取主梁信息、控制点信息、桥梁线路起终点信息和桥接可使用的简支梁信息，进行有解性检测；然后根据主梁信息和桥梁线路起终点信息选定左右延伸基准物，以左右延伸基准物为起点，向左延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，向右延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，获得桥梁解序列或碎片解；之后逐步移动左右延伸基准物，每次将左右延伸基准物移动第一距离后，重新进行向左向右延伸得到另一个桥梁解序列或者另一个碎片解；当满足结束条件时，停止继续求解，并输出所有的桥梁解序列、所有的碎片解。使用本发明提供的方法，能够智能地通过算法布置简支梁以完成整个布梁方案并生成施工图，能够大大提高了线路设计效率，降低设计成本。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例提供的一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法的整体流程图；
[0027]
图2为本发明实施例提供的一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法的详细流程图；
[0028]
图3为本发明实施例提供的一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法中向左延伸布置简支梁的流程图；
[0029]
图4为本发明实施例提供的一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法中调整算法的流程图；
具体实施方式
[0030]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0031]
本实施例提供了一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法，主要包括以下步骤：
[0032]
步骤1、获取主梁信息、控制点信息、桥梁线路起终点信息和桥接可使用的简支梁信息，进行有解性检测；
[0033]
步骤2、根据所述主梁信息和所述桥梁线路起终点信息选定左右延伸基准物，以所述左右延伸基准物为起点，向左延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，向右延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，获得桥梁解序列或碎片解；
[0034]
步骤3、逐步移动所述左右延伸基准物，每次将所述左右延伸基准物移动第一距离后，以所述左右延伸基准物为起点，向左延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，向右延伸布置简支梁直到碰到桥梁线路起点或终点，得到另一个桥梁解序列或者另一个碎片解；当满足结束条件时，停止继续求解，并输出所有的桥梁解序列、所有的碎片解。
[0035]
下面对本发明做进一步的整体说明。
[0036]
本发明为一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法，在工程师进行线路上的关键点布梁后，使用主跨简支梁和配跨简支梁跨越线路的剩余部分的控制点并连接主梁和线路起终点以完成完整的布梁方案，能够智能地通过算法布置简支梁以完成整个布梁方案并生成施工图。
[0037]
如附图1、图2所示，本发明提供的一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法主要包括以下内容：
[0038]
(1)有解性检测：工程师预先在关键点上布置主梁后，检测忽略控制点的限制时，在考虑到主梁和线路起终点可以左右移动的情况下，能否使用主跨简支梁和配跨简支梁的组合衔接相邻的主梁和线路起终点。
[0039]
(2)向左向右延伸布梁：根据一定条件选定左右延伸基准物，并以左右延伸基准物为起点，向左向右延伸布置简支梁以衔接其他主梁并跨过剩余的控制点直到线路的起点和终点为止，得到桥梁解序列或碎片解。
[0040]
(3)移动左右延伸基准物产生多解：在一次尝试左右延伸并调整得到一个解(桥梁解序列或碎片解)后，将左右延伸基准物移动一定的距离，再次尝试左右延伸并调整，得到不同的解。以左右延伸基准物的移动来产生多个不同的解。当左右延伸基准物的位置遍历完可移动距离范围内的所有里程数之后，停止尝试并输出得到的多个解方案。
[0041]
优选的方案中，在阶段2、阶段3中获得桥梁解序列或碎片解后，还包括调整解的过程。对桥梁解序列或碎片解中的主跨简支梁与配跨简支梁进行调整，使得桥梁解序列或碎片解中的配跨简支梁尽可能挨在一起，使主梁两侧尽可能衔接的是主跨简支梁而不是配跨简支梁。
[0042]
下面对各个阶段做进一步的说明。
[0043]
在有解性检测阶段，首先检测是否存在已布置主梁。将工程师在使用本方法前在关键点上布置的桥梁被称为主梁。主梁用于跨越线路上的关键控制点或者优先级高的控制点，且主梁一般为连续梁或者连续钢构。如果没有布置主梁，则将桥梁线路起点和桥梁线路终点之间的距离范围作为桥间隙。如果存在已布置主梁，将桥梁线路起点或终点与左起第一个主梁之间的距离范围、任意两主梁之间的距离范围和右起第一个主梁与桥梁线路起点或终点之间的距离范围作为桥间隙。
[0044]
然后进行可解性检测。可解性检测是在不考虑控制点的情况下，在桥梁线路起终点之间，针对任意一个桥间隙，在满足主梁和桥梁线路起终点的可移动距离范围的情况下，
用解方程的方式来判断是否能够通过一定数量的主跨简支梁和配跨简支梁的组合对两个主梁进行衔接。可解的标准是考虑两端主梁和线路起终点的可左右移动距离的情况下，是否能将该距离表示为一定数量的主跨简支梁和配跨简支梁长度的组合。通过可解性检测可以筛选出无论如何都不可解的组合，不需要等到回溯所有可能组合才发现不可解，减少回溯尝试的次数。
[0045]
在尝试主跨简支梁和配跨简支梁的任意组合时，可以设定允许出现的配跨简支梁的最大个数。当组合中配跨简支梁数量达到设定的最大值时，则不继续增加配跨简支梁进行尝试。即可解时要求简支梁不仅能够衔接主梁还需要满足数量限制。
[0046]
在进行可解性检测时，如果当前布置的主梁序列不可解，则提示工程师对主梁的梁型进行调整。工程师可在调整主梁的梁型后再次调用本方法进行孔跨布置。本方法需要先通过可解性检测，然后进行桥接。
[0047]
在进行桥接时，即在向左向右延伸布梁阶段，首先选定选择桥梁线路起点、所有主梁、桥梁线路终点中满足可向左向右移动的距离范围最小的目标物作为左右延伸基准物。由于多个解的产生是通过移动左右延伸基准物实现，可移动距离的值越小的左右延伸基准物对解的影响越大。选择可左右移动距离范围最小的左右延伸基准物可以减少算法回溯尝试的次数。
[0048]
然后将左右延伸基准物右移最大可右移距离，并设置左移的步长。桥接的多种解方案是通过移动左右延伸基准物来获取的。即以左右延伸基准物的移动来产生多解。当左右延伸基准物在一个位置尝试向左向右延伸得到一个完整解(即桥梁解序列)或者碎片解后，会将左右延伸基准物左移一个步长，继续尝试向左向右延伸来获取另一个不同的解。这样可以得到针对于同一个线路数据的多种布桥方案提供给用户选择，提高算法的实用性。
[0049]
之后从左右延伸基准物为起始，尝试向左延伸布置简支梁。布置结束的条件碰到起点或终点为止。
[0050]
向左延伸布置简支梁的流程图如附图3所示。
[0051]
将主梁、桥梁线路起点、桥梁线路终点中距离当前位置最近的且位于当前位置左侧的对象作为当前目标物，将其右移，检测是否能通过移动使得当前目标物和当前位置连在一起；若当前目标物右移失败，则将当前目标物尽量左移，进入简支梁的布置；若当前目标物右移成功，则检测当前目标物是否桥梁线路起点或终点；若是，则判定向左延伸布置简支梁完毕；若不是，则以当前目标物为起点继续向左延伸布置简支梁；如果向左延伸布梁成功，则存储解并返回。如果向左延伸布梁失败，则记录导致失败的控制点；
[0052]
在尝试向左向右延伸布置简支梁时，优先使用主跨简支梁进行布置，在主跨简支梁长度无法达到要求时，也可以使用配跨简支梁来进行长度的调节。在尝试向左向右延伸布置简支梁时，布置简支梁的限制是首先需要与当前已布置简支梁或主梁衔接在一起；其次要跨过线路上的控制点，不能踩到控制点；最后当附近有主梁时，应该将已布置简支梁或主梁与主梁衔接在一起。
[0053]
使用回溯法来获取解。布置时首先考虑放置主跨简支梁，当主跨简支梁无法放置时，才放置配跨简支梁。若当前组合使得剩余的距离无法再放置下主跨简支梁或者配跨简支梁时，可以回退到上一步，通过更换上一步选择的简支梁类型来继续探索解。在使用回溯法尝试向左向右延伸布梁时，会进行剪枝来减轻回溯爆炸问题的影响。由于算法中在桥接
时只使用两种长度的简支梁，故在试验过“主跨-配跨”组合无解时，“配跨-主跨”组合也一定无解。在算法中应用这种剪枝方法，可以减去大量不需尝试就可以直接判定无解的组合，减少回溯中尝试的次数。
[0054]
具体的，布置简支梁时，首先尝试向左布置主跨简支梁。布置简支梁成功需要满足两个条件，简支梁不踩踏控制点，并且不与主梁重合。若布置主跨简支梁失败，则进入尝试布置配跨简支梁阶段。布置主跨简支梁成功后，还需要通过一维数组记录的已经尝试过的主跨简支梁和配跨简支梁组合判断当前组合是否需要被剪枝。需要剪枝则进入尝试布置配跨简支梁阶段。不需要被剪枝时，则调用向左延伸算法，继续向左布梁。如果向左延伸布梁成功，则存储解并返回。如果向左延伸布梁失败，则存储导致失败的控制点，进入尝试布置配跨简支梁阶段。
[0055]
之后尝试向左布置配跨简支梁，布置主跨简支梁成功后，还需要通过一维数组记录的已经尝试过的主跨简支梁和配跨简支梁组合判断当前组合是否需要被剪枝。布置配跨简支梁失败或者当前组合需要被剪枝，则本次向左延伸失败，需要返回并回溯尝试其他方案。不需要被剪枝时，则调用向左延伸算法，继续向左布梁。如果向左延伸布梁成功，则存储解并返回。如果向左延伸布梁失败，则存储导致失败的控制点并更新记录失败组合的一维数组，本次向左延伸失败，需要返回并回溯尝试其他方案。
[0056]
本发明在使用回溯法尝试向左向右延伸布梁时，使用一个一维数组来记录当前尝试组合是否有解的结果，比起使用二维数组或者其他结构大大降低了算法的时间复杂度和空间复杂度。
[0057]
之后判断向左延伸布梁是否成功，当返回结果显示不成功时，会记录下来导致桥接失败的控制点。在当前算法无法处理的情况下，会忽略这些控制点一定范围内的线路，并重新尝试延伸布梁，在其他算法可以处理的区域内布置简支梁，并最终输出碎片解。即尝试桥接失败时，会找到被记录的控制点并在忽略该控制点的情况下再次尝试桥接，最后输出算法最大程度能够布置的碎片解。失败控制点的记录和碎片解的输出可以使得算法在最大程度上解决了算法能够解决的问题，提高了本算法的实用性。
[0058]
向左延伸布梁成功时，将得到的解中桥梁序列进行调整。使得邻近的配跨简支梁尽量挨在一起，并且主梁旁边最好是主跨简支梁而不是配跨简支梁。调整算法参见图4。考虑到配跨简支梁的建筑成本高于主跨简支梁，并且当桥梁类型发生变化时，施工时需要调整架桥机的高度并产生成本，因此，采用调整策略使得配跨简支梁尽可能挨在一起，减少了调整架桥机高度的次数，大大降低了桥梁建设的成本。
[0059]
之后再从左右延伸基准物此时的位置开始尝试向右延伸布置简支梁。并根据结果是否成功进行如上述过程的相应操作，此处不再赘述。
[0060]
当左右延伸基准物在一个位置尝试向左向右延伸得到一个完整解或者碎片解后，将该解加入解集，之后会将左右延伸基准物左移一个步长，继续尝试向左向右延伸来获取另一个不同的解。直到左右延伸基准物无法再继续移动为止，最后将解集输出。
[0061]
此外，主跨简支梁和配跨简支梁的桥梁配置数据如长度，梁缝等可以由工程师事先手动进行修改以满足不同时期的不同需求。
[0062]
线路的控制点数据可以由工程师填写灰度区域(绝对不能踩踏的区域)，布梁优先级(控制控制点上至少应该布置的梁型)，距离阈值(为施工考虑增加的距离)等属性来实现
对控制点的额外限制，满足工程师的多种需求。
[0063]
本发明实施例提供的一种基于回溯策略的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法至少包括如下技术效果：
[0064]
(1)本发明涉及的桥梁布跨选址的自动化桥接设计方法能够快速生成线路的解方案。在超过三万米并分布着超过三百个控制点的线路上，使用本方法进行桥接时只需要十几秒就可以生成多个包含上百个桥梁的解序列。与传统的人工设计图纸所耗费的时间相对比，大大提高了线路设计效率，降低设计成本。
[0065]
(2)算法中使用回溯法对主梁进行衔接，并且针对算法做出很多改进。在衔接前首先进行可解性检测来筛选出无论如何都不可解的组合，而不需要等到回溯所有可能组合才发现不可解。回溯时结合剪枝策略和一维数组记录失败组合，将算法的时间复杂度由原来的o(2
n
)优化到o(n2)。在研究桥接算法时，根据随机生成的控制点数据来测试算法，对于长度在100公里以内的桥梁布置可以在1s之内完成。
[0066]
(3)算法在进行桥接时，首先尝试主跨简支梁，当主跨简支梁无法满足要求时，才尝试配跨简支梁，这样大大减少了使用的配跨简支梁的数量。在桥接算法找到解之后会遍历解中的桥梁序列并对其进行调整，使得邻近的配跨简支梁尽量挨在一起，并且主梁旁边最好是主跨简支梁而不是配跨简支梁。这样的措施大大降低了桥梁建设的成本。因为配跨简支梁的建筑成本高于主跨简支梁，并且当桥梁类型发生变化时，施工时需要调整架桥机的高度并产生成本。而调整策略使得配跨简支梁尽可能挨在一起，减少了调整架桥机高度的次数。
[0067]
(4)相比于传统的人工设计，本发明在桥梁设计方案的正确性上有着显著的优越性。算法在线路上布置桥梁时，会检测桥梁在用户预先设置的控制点属性下是否完全跨越了控制点，并且保证线路上的所有桥梁都是根据配置数据紧密相连。在算法逻辑正确的情况下，不会出现人工设计时容易产生的错误。布梁过程中出现异常情况也会及时提示用户。
[0068]
(5)本算法在布置桥梁过程中，即使遇到例如过长的控制点或者过于复杂的控制点组合等在现阶段无法解决的问题，也会将算法能够布置的线路段布置完，输出碎片解并提示工程师问题状况，使得工程师可以自行对方案进行调整以得到完整的线路解。碎片解在最大程度上解决了算法能够解决的问题，提高了本算法的实用性。
[0069]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。