本发明涉及铁路设计，具体涉及一种既有铁路纵断面线形重构方法、计算机存储介质及设备。
背景技术：
1、铁路作为一个国家的重要基础设施，与国民经济的发展紧密联系，深刻影响着我国的经济和社会发展。合格的线路设计不仅要保证铁路工程的顺利建造与如期交付，还应满足线路的安全、经济、舒适与环保要求。既有铁路经过长时间的运营，由于轮轨之间不断相互作用，其实际线位无可避免地会发生位移，从而影响日常正常运营，严重时甚至会发生重大安全事故。因此需要定期对既有铁路线路进行重构设计。
2、目前，既有线路重构工作仍依赖于人工经验。但面对当前大量的实际工程需求，由于有限的时间和资源，人工设计不仅会导致漫长的设计周期，而且工程师在设计过程中还有可能会忽略许多潜在的可行线路方案，从而导致人工设计出现质量差且效率低等问题。因此，必须要对既有铁路线路重构工作开展智能优化设计研究，以提高重构设计工作的质量与效率。
3、国内外学者进行了大量关于线路优化的研究，为这一问题提供了可行的解决思路。但是目前的研究大多集中在新建铁路线路，对既有线路研究相对较少。对于新建铁路线路设计与既有铁路线路重构优化设计而言，二者的主要任务基本相同。但是与新建线路设计相比，既有铁路线路重构优化设计中还存在着一些特有的难题需要解决。在线路重构方面，必须基于运营后的实际既有线路位置，通过探究轨道中线实际测点的线元归属与重构线路的几何参数配置之间的相互作用关系，以获得调整量最小的重构线路。因此，由于新建铁路线路设计和既有铁路线路重构优化设计之间的差异，既有的新建路线优化研究虽然提供了宝贵的参考，但不能直接应用于既有铁路线路重构设计当中。
4、目前，在既有的纵断面重构优化设计文献中，多数重构优化方法主要是先拟合切线后拟合竖曲线，而先切线后竖曲线的重构法存在复杂山区路段、短坡长、多变坡点类型的既有线路恢复过程中表现出的曲线抬落道量较大而难以被实际工程所接受的局限性，导致该应用范围受限，目前对于短坡长、多变坡点的复杂山区既有线形重构优化问题尚未存在更好的优化方法。
5、综上所述，急需设计一种高精度和准确性的复杂既有铁路纵断面线形重构方法以解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
1、本发明目的在于提供一种既有铁路纵断面线形重构方法，考虑了既有铁路纵断面线形重构面临的测点几何归属识别、规范约束及禁区约束等问题，基于直曲自适应方法重构一条初始纵断面线形后再进行优化得到最终的重构纵断面线形，显著提高了复杂既有铁路纵断面线形重构设计的精度与准确性，具有重要的理论意义与工程实践价值。具体技术方案如下：
2、一种既有铁路纵断面线形重构方法，包括如下步骤：
3、步骤一、基于设计变量、目标函数和约束条件构建包含既有轨面线实际测点的既有铁路纵断面线形重构优化模型；
4、步骤二、基于坡度变化率阈值法来完成测点几何归属的初始识别，具体是：计算每个既有轨面线实际测点的坡度变化率；根据每个测点的坡度变化率初始识别测点μ几何归属，获得m1个切线测点子集mt和m2个竖曲线测点子集mc：
5、m＝{mt,mc}；
6、
7、其中：m1和m2均取大于等于1的自然数；
8、步骤三、基于直曲自适应方法重构一条初始纵断面线形，具体是包括：
9、步骤3.1、基于设置的切线阈值划分出切线测点子集mt属于情况a的坡段和属于情况b的坡段；
10、步骤3.2、采用直曲自适应拟合不同路段线元，具体是：对于属于情况a的坡段的几何参数采用先拟合竖曲线路段后拟合切线路段的方法确定，属于情况b的坡段的几何参数采用先拟合切线路段后拟合竖曲线路段的方法确定；获得拟合后的线元；
11、步骤3.3、将步骤3.2所得所有线元组合起来重构一条初始纵断面线形；
12、步骤四、基于点线一致性对初始纵断面线形进行迭代优化，得到最终的重构纵断面线形。
13、优选的，所述步骤三中步骤3.1具体包括：
14、步骤3.1.1、计算切线测点子集中所有测点的距离累加：
15、
16、其中：为第i个切线测点子集的所有测点的距离累加；为第i个切线测点子集中测点数量；i取值为大于等于1且小于等于m1的自然数；sj和zj分别为第j个测点的里程和高程；
17、步骤3.1.2、将各切线测点子集的所有测点的距离累加与切线阈值ft进行比较划分出切线测点子集属于情况a的坡段和属于情况b的坡段：
18、
19、优选的，所述步骤3.2中先拟合竖曲线路段后拟合切线路段的方法具体包括：
20、步骤3.2.1、使用最小二乘法将第y个和第y+1个相邻竖曲线测点子集和拟合为两个相邻的竖曲线ciry和ciry+1来确定其半径ry和ry+1以及圆心cy和cy+1；
21、步骤3.2.2、基于所构建的同向和反向曲线模型，确定ciry和ciry+1上的两个垂足pp和ps，两个垂足之间的连线即为lt的位置，则有：
22、sp＝sy+ry·sinβ,zp＝zy+ry·cosβ；
23、
24、β＝(sy+1-sy)/(zy+1-zy)-α；
25、
26、
27、其中：(sp,zp)为垂足pp的坐标；(ss,zs)为垂足ps的坐标；β为lf的方位角；α为lc和lf之间的转向角；d为cy和cy+1之间的距离；sy和zy分别为第y个竖曲线圆心的里程和高程；sy+1和zy+1分别为第y+1个竖曲线圆心的里程和高程。
28、优选的，所述步骤3.2中先拟合切线路段后拟合竖曲线路段的方法具体是对线元归属为切线的测点，以抬落道量平方和最小为目标，根据最小二乘法原理进行切线拟合；
29、既有轨面线实际测点数据为pj，其坐标为(sj,zj)，设拟合后的切线坡段方程为z＝ks+b，切线坡段上所有测点抬落道量平方和f(x)为：
30、
31、其中：为第i个切线测点子集中测点的总数量。
32、优选的，在拟合切线路段前，属于情况b的坡段中的切线路段被划分为三种情况：
33、第一种、切线路段相邻两侧的竖曲线已完成拟合的情况，具体是：将此切线路段划分为属于情况a的路段，采用先拟合竖曲线路段后拟合切线路段的方法确定；
34、第二种、切线路段一侧的竖曲线已被完成拟合且另一侧未完成拟合的情况，拟合步骤包括：
35、步骤a-1、f(x)对k求偏导得抬落道量平方和最小时k的初始值；根据k的初始值以及相邻完成拟合竖曲线的圆心cy和半径ry得到相切垂足ps的坐标(ss,zs)，根据计算出的垂足坐标得到截距b的初始值，b＝zs-kss；然后将里程在切点之后的测点划分到切线点集里；
36、步骤b-1、根据初始k,b值，计算每个测点至拟合切线的抬落道量；
37、步骤c-1、计算每个测点至拟合切线的抬落道量的标准差σ；
38、步骤d-1、检查所有测点，若测点到切线的抬落道量hj≤2σ，则保留测点，否则剔除测点；
39、步骤e-1、对剩余测点重新重复步骤a-1～步骤d-1，直至所有测点均满足hj≤2σ；
40、第三种、切线路段两侧的竖曲线都未完成拟合的情况，具体包括：
41、步骤a-2、f(x)对k求偏导得抬落道量平方和最小时k的初始值；f(x)对b求偏导得抬落道量平方和最小时b的初始值；
42、步骤b-2、根据初始k,b值，计算每个测点至拟合切线的抬落道量；
43、步骤c-2、计算每个测点至拟合切线的抬落道量的标准差σ；
44、步骤d-2、检查所有测点，若测点到切线的抬落道量hj≤2σ，则保留测点，否则剔除测点；
45、步骤e-2、对剩余测点重新重复步骤a-2～步骤d-2，直至所有测点均满足hj≤2σ；
46、其中：f(x)对k求偏导得抬落道量平方和最小时k的初始值的计算公式如下：
47、
48、式中：ki是属于情况b的坡段中第i个切线坡段拟合后的切线坡段方程的斜率；
49、f(x)对b求偏导得抬落道量平方和最小时b的初始值的计算公式如下：
50、
51、式中：bi是属于情况b的坡段中第i个切线坡段拟合后的切线坡段方程的截距；
52、计算每个测点至拟合切线的抬落道量的计算公式如下：
53、
54、式中：hj是属于情况b的坡段中第i个切线坡段里面第j个切线测点的抬落道量；
55、计算每个测点至拟合切线的抬落道量的标准差σ的计算公式如下：
56、
57、
58、式中：是属于情况b的坡段中第i个切线坡段的平均抬落道量；σi是属于b的坡段中第i个切线坡段中每个测点至拟合切线的抬落道量的标准差。
59、优选的，所述步骤一具体是：先根据已生成的平面重构线路，将既有轨面线测点集合组织形成里程顺序；以重构纵断面线形的变坡点中重要几何参数变坡点的里程、高程和竖曲线半径作为设计变量，以既有轨面线测点到重构纵断面线形的抬落道量平方和为目标函数；考虑既有铁路纵断面线形重构优化面临的几何规范约束及禁区约束，构建完整的约束条件表达式；基于设计变量、目标函数和约束条件表达式构建包含既有轨面线实际测点的既有铁路纵断面线形重构优化模型。
60、优选的，所述步骤二具体包括：
61、步骤2.1、计算每个既有轨面线实际测点的坡度变化率，具体是：每个测点的坡度变化率在几何上表示为测点里程相对于测点高程的二阶导数，用二阶差商计算二阶导数的近似值，代替二阶导数来表示每个测点的坡度变化率，如下：
62、
63、其中：δkj为第j个测点的坡度变化率；
64、步骤2.2、初始识别测点几何归属，具体是：定义一个初始阈值来初步识别μ的几何归属，m被初步划分为两种类型的测点即切线线元测点和竖曲线线元测点，并分为了若干个子集；纵断面线形的几何线元包括了切线线元和竖曲线线元；每个测点pj的线元归属atj被定义为：
65、
66、取1/10rmin作为坡度变化率阈值，将m中每个测点的坡度变化率与坡度变化率阈值f进行比较，以获得识别结果：
67、
68、m被划分为m1个切线测点子集mt和m2个竖曲线测点子集mc。
69、优选的，所述步骤四具体是：基于测点几何归属与拟合线元范围要保持一致的思想，在每次迭代过程中，检查重构出的纵断面线形与测点几何归属是否能够保持一致；若不能保持一致，则根据最新的临时纵断面重构线形来重新调整测点的几何归属，再基于新的测点归属范围重新使用自适应重构过程拟合线元，生成新的临时纵断面线路，进入下一次迭代，直至点线一致，退出迭代过程，得到最终的重构纵断面线路。
70、本发明还公开一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述的既有铁路纵断面线形重构方法。
71、本发明还公开一种设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行上述的既有铁路纵断面线形重构方法。
72、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
1.一种既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，所述步骤三中步骤3.1具体包括：
3.根据权利要求2所述的既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，所述步骤3.2中先拟合竖曲线路段后拟合切线路段的方法具体包括：
4.根据权利要求2所述的既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，所述步骤3.2中先拟合切线路段后拟合竖曲线路段的方法具体是对线元归属为切线的测点，以抬落道量平方和最小为目标，根据最小二乘法原理进行切线拟合；
5.根据权利要求4所述的既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，在拟合切线路段前，属于情况b的坡段中的切线路段被划分为三种情况：
6.根据权利要求1-5任意一项所述的既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，所述步骤一具体是：先根据已生成的平面重构线路，将既有轨面线测点集合组织形成里程顺序；以重构纵断面线形的变坡点中重要几何参数变坡点的里程、高程和竖曲线半径作为设计变量，以既有轨面线测点到重构纵断面线形的抬落道量平方和为目标函数；考虑既有铁路纵断面线形重构优化面临的几何规范约束及禁区约束，构建完整的约束条件表达式；基于设计变量、目标函数和约束条件表达式构建包含既有轨面线实际测点的既有铁路纵断面线形重构优化模型。
7.根据权利要求6所述的既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
8.根据权利要求6所述的既有铁路纵断面线形重构方法，其特征在于，所述步骤四具体是：基于测点几何归属与拟合线元范围要保持一致的思想，在每次迭代过程中，检查重构出的纵断面线形与测点几何归属是否能够保持一致；若不能保持一致，则根据最新的临时纵断面重构线形来重新调整测点的几何归属，再基于新的测点归属范围重新使用自适应重构过程拟合线元，生成新的临时纵断面线路，进入下一次迭代，直至点线一致，退出迭代过程，得到最终的重构纵断面线路。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的既有铁路纵断面线形重构方法。
10.一种设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述的既有铁路纵断面线形重构方法。
