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研究生:黃佳駿
研究生(外文):Chia-Chun Huang
論文名稱:鐵路平縱面最佳化模式
論文名稱(外文):Models for Optimizing Railroad Horizontal and Vertical Alignments
指導教授:李宇欣李宇欣引用關係
指導教授(外文):Yu-Sin Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:土木工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:162
中文關鍵詞:啟發式演算法最佳化工程設計鐵路幾何設計
外文關鍵詞:optimization of engineering designrailroad geometric designheuristic
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  鐵路幾何設計為一複雜的課題,必須考慮的限制項目極多,且個別限制項目彼此間亦具有相當程度之關連性,其設計過程極為繁複。傳統上以人工方式進行鐵路幾何設計,需要耗費大量的人力、時間與經費。由於工作的複雜性,實務設計上規劃符合所有規範要求之可行幾何設計已非易事,更遑論同時追求幾何品質與工程經濟性之最佳設計。
  為使鐵路線形設計工作得以自動化與最佳化,本研究首先分析鐵路幾何設計實務流程,了解設計流程各個階段需要考慮的因素、所受之限制以及欲完成之規劃目標,利用作業研究技術分別構建鐵路平面線形及縱坡度設計模式兩個部分,以提昇幾何設計的品質與改善設計工作的效率。
  就平面線形設計模式而言,考慮環境限制、運輸功能、列車安全與行駛順暢及工程經濟性之相關限制,並採用門檻接受法規劃兩階段演算求解流程,可以有效率的求得符合各項限制條件的平面線形設計。縱坡度設計模式則考慮工程成本、土方平衡及需要遵守相關設計規範之限制,以混合整數規劃的技術發展數學模式,並採用分枝定限法求解所構建之數學模式,可以極佳之演算效率求得符合設計規範限制之最經濟的縱坡度設計。
  本研究並以兩個不同限制條件之平面線形設計實例、長度40公里之縱坡度設計實例進行測試,證明本研究所發展的平面線形及縱坡度設計模式可以分別正確處理鐵路平面線形及縱坡度之設計問題。
  Due to the vast number of inter-related requirements, the task of designing the geometric profile of a railroad is complicated. Traditionally, railroad profiles are designed manually, consuming considerable amount of labor, time, and funding. Because of the complexity of the task, finding a good feasible design that satisfies all requirements is not easy in practice, and approaching an optimal alignment that masters in design quality and economics is often formidable.
  This research attempts to promote the automation and optimization of design work for railroad profiles. First we analyze the railroad design process and then discuss important considerations, constraints, and achievable goals in each design stage. Based on operation research techniques, we propose two models to separately solve for the horizontal and vertical alignments in order to improve the quality and efficiency of geometric design work.
  The horizontal alignment model takes into consideration environment restrictions, traffic function, code requirements, safety, economics, and can be solved efficiently with a two-stage heuristic. Major factors considered in the vertical alignment model include construction costs, earthwork balance, and design specification requirements. The resulting model is a mixed integer programming model. The model can be solved efficiently with the Branch and Bound algorithm, and yields an optimal solution that complies with design requirements.
  Two numerical horizontal alignment design examples of different restriction conditions and one vertical alignment design example of 40 Km in length are presented in this thesis. Testing results indicate that the horizontal and vertical alignment models can correctly solve the railroad horizontal and vertical alignment design problems, respectively.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII


第一章 緒論 1
  1-1 研究動機與目的 1
  1-2 研究範圍與方法 2
    1-2-1 研究範圍 2
    1-2-2 研究方法 2
  1-3 論文架構 4
  1-4 鐵路專用名詞定義 5

第二章 文獻回顧 13
  2-1 鐵路幾何設計規範與研究文獻 13
    2-1-1 鐵路平面線形設計規範 13
    2-1-2 鐵路縱斷線形設計規範 16
    2-1-3 鐵路幾何設計研究文獻 22
  2-2 公路最佳化幾何設計文獻 24
    2-2-1 公路縱斷線形最佳化設計相關文獻 24
    2-2-2 公路平面線形設計與整合平縱面設計文獻 28
  2-3 啟發式演算法 30
    2-3-1 禁忌搜尋法 31
    2-3-2 模擬退火法 31
    2-3-3 門檻接受法 32
    2-3-4 遺傳演繹法 32

第三章 鐵路幾何線形設計 34
  3-1 鐵路幾何線形設計流程 34
  3-2 鐵路平面線形設計問題描述 35
  3-3 鐵路平面線形設計模式假設 36
  3-4 平面線形設計考慮因素 38
    3-4-1 自然與社會環境限制與運輸功能的需求 38
    3-4-2 列車安全與行駛順暢 39
    3-4-3 工程經濟性之考慮 47
  3-5 組成平面線形之線形要素 47
    3-5-1 介曲線 47
    3-5-2 正弦半波遞減介曲線 54
    3-5-3 單一曲線公式 57
    3-5-4 直線與圓弧 60
  3-6 鐵路縱坡度設計問題描述 62
  3-7 鐵路縱坡度設計考慮因素 63
    3-7-1 工程成本 63
    3-7-2 列車安全與行駛順暢 64
  3-8 鐵路縱坡度設計之基本假設 65

第四章 數學模式構建與求解 69
  4-1 符號說明 69
  4-2 鐵路平面線形設計問題模式構建 74
    4-2-1 目標函數 74
    4-2-2 限制式 80
  4-3 鐵路平面線形設計模式求解 86
    4-3-1 基本概念 86
    4-3-2 鄰近解的定義 87
    4-3-3 兩階段演算法演算流程規劃 88
    4-3-4 IP折線演算階段 91
    4-3-5 線形要素演算階段 100
  4-4 鐵路縱坡度設計問題模式構建 113
    4-4-1 設計樁之設計高程 113
    4-4-2 目標函數 113
    4-4-3 限制式 117
  4-5 縱坡度設計模式求解 123

第五章 模式驗證與測試例 124
  5-1 鐵路平面線形設計測試例 124
    5-1-1 設計參數 124
    5-1-2 測試例A 127
    5-1-3 測試例B 133
    5-1-4 測試例結果分析與探討 140
  5-2 鐵路縱坡度設計測試例 143
    5-2-1 設計參數與地形資料 143
    5-2-2 求解過程與結果 144
    5-2-3 測試例結果分析與探討 147

第六章 結論與後續研究 149
  6-1 結論 149
  6-2 後續研究 150

參考文獻 153
附錄 157
附錄一 157
簡歷 162
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11.陳明木,關於介曲線的研究(3),台鐵資料,第56期,第31 – 41頁,1968年。

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13.陳明木,關於介曲線的研究(5),台鐵資料,第58期,第33 – 44頁,1968年。

14.陳明木,關於介曲線的研究(6),台鐵資料,第60期,第61 – 69頁,1968年。

15.陳明木,關於介曲線的研究(7),台鐵資料,第61期,第51 – 61頁,1968年。

16.陳明木,關於介曲線的研究(8),台鐵資料,第62期,第35 – 46頁,1968年。

17.陳明木,關於介曲線的研究(9),台鐵資料,第63期,第50 – 58頁,1968年。

18.陳明木,關於介曲線的研究(10),台鐵資料,第64期,第43 – 50頁,1969年。

19.陳明木,關於介曲線的研究(11),台鐵資料,第65期,第49 – 53頁,1969年。

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