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科研成果

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交通與道路總體工程研究所代表性科研成果七:青藏高原多年凍土區多尺度多目標公路線位布局方法

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多年凍土在我國分布非常廣闊,占我國國土面積的五分之一(21.5%),約占世界多年凍土總面積的10%,凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質。一方面多年凍土具有高溫高含冰量和環境敏感性極強等特點,使得多年凍土區工程建設具有強烈的脆弱性。另一方面,工程建設會改變多年凍土的熱熔特性,容易引起工程病害,不利于公路后期運行的安全性。因此在公路選線過程中,把公路建設與凍土環境變化的相互影響降到最低程度,是設計人員面臨的難題,缺乏成功技術資料供借鑒。

凍土引起的青藏公路病害

主要有以下研究成果:

(1)提出了基于保護凍土由粗到細、由面到帶、由帶到線的分層目標選線方法,構建了理論模型。

分層目標法選線流程

分層目標法理論模型

(2)結合不同地形地物在不同比例尺下的表現形態,給出了分層目標法的層次劃分,分析確定了每個層次下公路路線選擇的影響因素。

不同比例尺下干擾工程層次劃分依據表

(3)綜合考慮路線節點重要度和地形地貌的影響,從宏觀層面給出了第1層次下多年凍土區選線模型。

基于GIS第一層次選線模型結構

(4)利用公度原理給出了第2層次下地面平均坡度等影響因素的標度分級,并以此為基礎構造了第2層次下多年凍土區選線困難度模型。結合知識庫理論與模糊數學方法,基于MATLAB與ArcGIS技術平臺,提出模糊專家知識庫預測方法進行了多年凍土區線位確定。

基于GIS研究區域的工程困難度模型

模糊專家知識庫預測系統推理流程圖

第二層次線位布局方案

(5)綜合考慮凍土地溫、凍土含冰量、凍土病害發育和植被覆蓋率帶來的凍土危害,兼顧多年凍土區既有工程間的相互熱干擾,構建了第3層次多年凍土區選線可靠度模型。利用面向對象技術開發組件式GIS,確立自適應的迭代策略,借助遺傳算法與粒子群算法,建立了基于遺傳算法的路線優化模型,得到最優的線位方案。

基于GIS研究區域的凍土病害模型

基于GIS第三層次智能優化算法系統開發

第三層次線位布局方案

系統地研究了青藏高原多年凍土區多尺度多目標公路線位布局方法,從理論模型到具體選線方法再到系統開發,成果應用于我國著名的青藏高速公路。在綜合考慮工程建設與凍土環境的相互影響等方面填補了國內外的空白,研究成果達到了國際先進水平。圍繞該項目發表文章10余篇,其中2篇SCI,6篇EI,發明專利2項,軟件著作4余項。

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