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交通与道路总体工程研究所代表性科研成果七:青藏高原多年冻土区多尺度多目标公路线位布局方法

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多年冻土在我国分布非常广阔,占我国国土面积的五分之一(21.5%),约占世界多年冻土总面积的10%,冻土是一种对温度极为敏感的土体介质。一方面多年冻土具有高温高含冰量和环境敏感性极强等特点,使得多年冻土区工程建设具有强烈的脆弱性。另一方面,工程建设会改变多年冻土的热熔特性,容易引起工程病害,不利于公路后期运行的安全性。因此在公路选线过程中,把公路建设与冻土环境变化的相互影响降到最低程度,是设计人员面临的难题,缺乏成功技术资料供借鉴。

冻土引起的青藏公路病害

主要有以下研究成果:

(1)提出了基于保护冻土由粗到细、由面到带、由带到线的分层目标选线方法,构建了理论模型。

分层目标法选线流程

分层目标法理论模型

(2)结合不同地形地物在不同比例尺下的表现形态,给出了分层目标法的层次划分,分析确定了每个层次下公路路线选择的影响因素。

不同比例尺下干扰工程层次划分依据表

(3)综合考虑路线节点重要度和地形地貌的影响,从宏观层面给出了第1层次下多年冻土区选线模型。

基于GIS第一层次选线模型结构

(4)利用公度原理给出了第2层次下地面平均坡度等影响因素的标度分级,并以此为基础构造了第2层次下多年冻土区选线困难度模型。结合知识库理论与模糊数学方法,基于MATLAB与ArcGIS技术平台,提出模糊专家知识库预测方法进行了多年冻土区线位确定。

基于GIS研究区域的工程困难度模型

模糊专家知识库预测系统推理流程图

第二层次线位布局方案

(5)综合考虑冻土地温、冻土含冰量、冻土病害发育和植被覆盖率带来的冻土危害,兼顾多年冻土区既有工程间的相互热干扰,构建了第3层次多年冻土区选线可靠度模型。利用面向对象技术开发组件式GIS,确立自适应的迭代策略,借助遗传算法与粒子群算法,建立了基于遗传算法的路线优化模型,得到最优的线位方案。

基于GIS研究区域的冻土病害模型

基于GIS第三层次智能优化算法系统开发

第三层次线位布局方案

系统地研究了青藏高原多年冻土区多尺度多目标公路线位布局方法,从理论模型到具体选线方法再到系统开发,成果应用于我国著名的青藏高速公路。在综合考虑工程建设与冻土环境的相互影响等方面填补了国内外的空白,研究成果达到了国际先进水平。围绕该项目发表文章10余篇,其中2篇SCI,6篇EI,发明专利2项,软件著作4余项。

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