BIM-based road alignment design scheme comprehensive evaluation and optimization method
附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。 图1为本申请实施例中所提供的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法的具体方法流程图； 图2为本申请实施例中所提供中的道路初始线形设计方案中的设计参数控制变量集合与集合的数值图。 技术领域 本发明涉及道路交通技术领域，具体为一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法。 具体实施方式 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。 除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。 实施例1 一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，包括以下步骤： S1、基于BIM平台对道路线形的初步设计方案进行参数化模型构建； 在本实施例中，采用BIM软件Civil3D对道路线形的设计方案进行参数化建模： 首先，根据当前道路所在区域的地形测量数据构建道路的地形模型，然后，在地形模型上依据道路初始线形设计方案中的设计参数，确定控制变量集合与集合的数值，如附图2所示，基于该设计参数建立道路的设计线形模型，包括水平线形模型和纵断面线形模型；在此基础上，组装道路横截面装配，并最终生成整个道路BIM模型；通过上述方式在BIM中创建的道路模型是参数化的，所有数值均与对应的控制变量进行绑定关联，这意味着当调整道路的线形的控制变量数值时，道路模型也会同步更新重新生成； S2、在BIM平台进行二次开发，建立BIM软件与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，实现道路BIM信息模型与车辆仿真模块中的道路模型间的数据互通； 在本实施例中，采用Matlab中的自动驾驶仿真模拟模块进行车辆驾驶的仿真模拟。在BIM软件Civil3D中的Dynamo可视化编程环境下，采用Python脚本语言进行二次开发，建立BIM信息模型与Matlab中的自动驾驶仿真模拟模块之间的数据交互接口，该接口实现的功能包括：(1)读取道路BIM模型的参数化控制变量值，并导出到车辆驾驶仿真模块中，以实现在仿真模块中同步建立相同的道路模型；(2)从车辆驾驶仿真模块中读取仿真分析得到的结果数据，并导回到道路BIM模型中；(3)修改道路BIM模型的参数化控制变量值，以此实现道路设计模型的实时调整与更新； S3、在车辆行驶仿真模块中基于当前的道路模型进行车辆驾驶仿真模拟，得到车辆在当当前道路上行驶过程中的车辆动力学参数结果集合； 在本实施例中，由Civil3D导出的道路模型控制参数，即控制变量集合与集合中的参数数值，在自动驾驶仿真模拟模块建立与道路BIM模型参数相同的道路模型。接着在自动驾驶仿真模拟模块中定义标准的汽车模型，以道路设计速度Vdesign＝100km/h进行驾驶过程模拟。实时采集车辆驾驶过程中的车辆动力学参数，包括但不限于：i＝1,2,…n}，其中ax,ay,az分别表示车辆在路段i行驶过程中的车体纵向垂直、横向和垂直向的最大加速度(单位：m/s2)，aL,aR分别表示车辆在路段i行驶过程中的车辆左、右轮胎的最大垂直加速度(单位：m/s)，ωy表示车辆在路段i行驶过程中的车辆最大横摆速度(单位：°/s)，n表示当前道路线形总共划分的路段数量。 本实施例中，按照直线-曲线两个要素对整个路线进行分段，总共分段数量n为7； S4、基于BIM与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，从车辆仿真模块中读取最终得到的车辆动力学参数集合：并集成、存储到Civil3D中的道路BIM模型中； S5、在BIM平台中进行二次开发，基于仿真行驶结果集合：对当前道路线形设计方案的安全性与舒适性进行评估； 在本实施例中，对道路线形的安全性评估采用以下三个评估指标分别对整个路线划分的7个路段进行评估： (1)车辆横向滑移评估指标Ks，按照式(1)进行计算，本实施例中，Ks阈值设定为1，当Ks大于1时则该项评估结果为不合格。 KS＝ay/0.4g (1) 其中g是重力加速度，取9.8m/s2。 (2)车辆横向倾覆评估KL，按照式(2)进行计算，本实施例中，KL阈值设定为0.3，当KL大于0.3时则该项评估结果为不合格。 (3)车辆偏转失控评估KY，按照式(3)进行计算，本实施例中，KY阈值设定为1，当KY大于1时则该项评估结果为不合格。 KY＝ωy/50 (3) 所述步骤S5中，对道路线形的舒适性评估采用如式(4)所示的评估指标aw进行评估，本实施例中，aw阈值设定为0.8m/s2，当aw大于0.8时则该项评估结果为不合格。 当整个路段中出现任意路段i的上述指标评估结果不合格时，则判断当前道路的安全舒适性不满足要求。在本实施例中，分别对划分的7个路段进行上述指标的计算，7个路段中最大的计算结果为：KS-max＝0.40，KL-max＝0.04，KY-max＝0.64，aw-max＝0.61，因此本实施例中的道路初始线形设计方案满足安全性与舒适性评估需要； S6、基于BIM道路信息模型，利用BIM进行道路设计方案的挖方与填方量统计结果，对当前道路线形设计方案的经济性进行评估，对道路线形设计方案的经济性评估采用如式(5)所示的指标Econ进行评估： ECon＝EF+EC+EM (5) 其中EF和EC(单位：元)是道路的总挖方和填方施工成本，按照式(6)进行计算： 其中，ηF是填充施工成本，ηC是切割施工成本(机械、燃料运输和人工成本，单位：元/m3)。其中EWF-i和EWC-i分别为路段i的填方体积和挖方体积(单位：m3)，n为当前道路设计方案中的路段总数 EM(单位：元)是材料成本的总成本，考虑到土壤从挖方段转移到填方段，按照式(7)进行计算，本实施例中，Econ阈值设定为3473424元，当Econ超过该阈值时，则认为当前设计方案的经济性指标不合格。 其中，ηS是填土的材料成本(单位：元/m3)，ρS是填土平均密度(单位：kg/m3)。 在本实施例中，整个路线的经济性指标计算结果为：Econ＝4125763，因此本实施例中的道路初始线形设计方案不满足经济性需要； S7、根据评估结果进行道路设计方案的迭代优化，通过设计人员调整更改道路线形设计方案的控制变量集合与集合得到新的控制变量集合与集合再基于集合与集合在BIM中重新生成路面线形模型，重复步骤S2-S7，直到当前道路线形的安全舒适性满足要求，且经济性小于成本阈值。在本实施例中，基于步骤S5与S6中的安全舒适性与经济性的评估指标，本实施例中采用的当前道路线形设计方案各项指标的计算结果分别为：KS-max＝0.40，KL-max＝0.04，KY-max＝0.64，aw-max＝0.61，Econ＝4125763，其中经济性指标Econ超过了设定的阈值，因此当前方案不符合设计要求。因此，需要对当前道路线形设计方案进行调整优化。 通过调整更改道路线形设计方案的控制变量集合与集合得到新的控制变量集合与集合在BIM中重新生成路面线形模型，并重复步骤S2-S7，进行新的道路线形设计方案的车辆仿真分析与评估，重新计算步骤S5与S6中的安全舒适性与经济性的评估指标。经过多次调整更新，最后调整得到的设计方案各项指标均为：KS-max＝0.15，KL-max＝0.04，KY-max＝0.57，aw-max＝0.68，Econ＝3059891，安全舒适性指标与经济性指标能够满足阈值要求，因此停止道路设计线形的调整优化，此时得到的道路线形设计方案即为最终的设计方案，设计人员可以基于该方案建立道路设计线形的最终BIM模型，并开展下一步的设计工作。 本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。 背景技术 道路线形设计是道路项目的初始阶段，由于经济、环境、几何和社会问题以及严格的设计条件，道路线形的设计过程通常十分具有挑战性。除了基本的驾驶安全要求之外，道路线形设计还应考虑驾驶员的视觉、心理和生理需求，以确保驾驶安全和舒适，降低事故的发生率。然而，传统的道路线形设计过程十分依赖技术人员的工程经验，这种人工选线的方式往往导致选择质量不佳，导致线形的经济性不甚理想，且在设计过程中对于驾驶安全与舒适性缺乏有效的考虑。 计算机辅助设计技术的出现为道路线形设计提供了高效的线形分析与评估的环境，近年来，BIM技术的发展与应用则为道路线形设计提供了新的可能，其参数化的技术特征以及数字化信息化的平台环境可以实现对道路线形的参数化建模以及对沿线土方量的精准分析与评估。然而，当前基于BIM的道路线形设计过程仍然更多的依赖人工选线，在设计过程中依然缺少对驾驶安全与舒适性的分析与评估，在设计方法与过程上缺乏一种能够综合考虑线形安全舒适性与经济性的设计方法，无法发挥BIM在道路设计过程中的潜力与价值，也导致道路线形的设计质量与设计效率得不到提高。 发明内容 解决的技术问题：本发明针对现有技术中人工选线的方式往往导致选择质量不佳，导致线形的经济性不甚理想，且在设计过程中对于驾驶安全与舒适性缺乏有效的考虑，设计方法与过程上缺乏一种能够综合考虑线形安全舒适性与经济性的设计方法，无法发挥BIM在道路设计过程中的潜力与价值，也导致道路线形的设计质量与设计效率得不到提高等问题，提供了一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，实现对道路线形的安全舒适性与经济性的实时定量评估，并能够基于评估结果在BIM中对道路线形的快速调整更新，进一步实现对道路线形的同步评估与调整优化，帮助设计人员快速得到最合理、经济的道路线形设计方案，提高道路线形的设计效率与设计质量。 技术方案： 一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，包括以下步骤： S1、基于BIM平台对道路线形的初步设计方案进行参数化模型构建； S2、在BIM平台进行二次开发，建立BIM软件与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，实现道路BIM信息模型与车辆仿真模块中的道路模型间的数据互通； S3、在车辆行驶仿真模块中基于当前的道路模型进行车辆驾驶仿真模拟，得到车辆在当当前道路上行驶过程中的车辆动力学参数结果集合； S4、基于BIM与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，从车辆仿真模块中读取车辆动力学参数并集成到道路BIM模型中； S5、在BIM平台中进行二次开发，基于仿真行驶结果，对当前道路线形设计方案的安全性与舒适性进行评估； S6、基于BIM道路信息模型，利用BIM进行道路设计方案的挖方与填方量统计结果，对当前道路线形设计方案的经济性进行评估； S7、基于评估结果，在BIM中构建道路线形设计方案的优化算法，通过更改线形设计参数，在BIM中重新生成路面线形模型，重复步骤S2-S7，直到当前道路线形的安全舒适性满足要求，且经济性小于成本阈值。 作为本发明的一种优选技术方案：所述S1中，建立的参数化模型包括了道路平面线形参数化与道路纵断面线形的参数化，其中用于表征道路平面线形设计方案的控制变量集合为：其中PStart,PEnd,Pi分别表示平面线形起点、终点以及第i个平面交点坐标(东距和北距)，Ri,Li分别表示第i个交点处的平面线形半径和缓和曲线长度，n表示平面线形的交点数量；用于表征道路纵断面线形设计方案的控制变量集合为：其中ZStart,ZEnd,Zi分别表示纵断面线形起点、终点以及第i个纵断面交点坐标(桩号和高程)，ri表示第i个交点处的纵断面线形半径，m表示纵断面线形的交点数量；通过集合与集合中的控制变量，可以唯一确定一条道路设计线形，基于此控制变量集合建立道路线形参数化模型，并实现模型与控制变量的数据绑定。 作为本发明的一种优选技术方案：所述S2中，在BIM平台中采用Python脚本语言进行二次开发，建立BIM信息模型与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，该接口实现的功能包括但不限于：(1)读取道路BIM模型的参数化控制变量值，并导出到车辆驾驶仿真模块中，以实现在仿真模块中同步建立相同的道路模型；(2)从车辆驾驶仿真模块中读取仿真分析得到的结果数据，并导回到道路BIM模型中进行数据集成；(3)修改道路BIM模型的参数化控制变量值，以此实现道路设计模型的实时调整与更新。 作为本发明的一种优选技术方案：所述S3中，在车辆行驶仿真模块中通过由BIM导出的道路模型控制参数，建立与道路BIM模型相同的道路模型，定义标准的汽车模型，以道路设计速度Vdesign进行驾驶过程模拟，实时采集车辆驾驶过程中的车辆动力学参数，包括但不限于：其中ax,ay,az分别表示车辆在路段i行驶过程中的车体纵向垂直、横向和垂直向的最大加速度(单位：m/s2)，aL,aR分别表示车辆在路段i行驶过程中的车辆左、右轮胎的最大垂直加速度(单位：m/s2)，ωy表示车辆在路段i行驶过程中的车辆最大横摆速度(单位：°/s)，n表示当前道路总共划分的路段数量。 作为本发明的一种优选技术方案：所述S5中，对道路线形的安全性评估采用以下三个评估指标分别对每个路段进行评估： (1)车辆横向滑移评估指标Ks，按照式(1)进行计算： KS＝ay/0.4g (1) 其中g是重力加速度，取9.8m/s2； (2)车辆横向倾覆评估KL，按照式(2)进行计算： (3)车辆偏转失控评估KY，按照式(3)进行计算： KY＝ωy/50 (3) 作为本发明的一种优选技术方案：所述S5中，对道路线形的舒适性评估采用如式(4)所示的评估指标aw进行评估： 作为本发明的一种优选技术方案：所述S6中，对道路线形设计方案的经济性评估采用如式(5)所示的指标Econ进行评估 ECon＝EF+EC+EM (5) 其中EF和EC(单位：元)是道路的总挖方和填方施工成本，按照式(6)进行计算： 其中，ηF是填充施工成本，ηC是切割施工成本(机械、燃料运输和人工成本，单位：元/m3)；其中EWF-i和EWC-i分别为路段i的填方体积和挖方体积(单位：m3)，n为当前道路设计方案中的路段总数； EM(单位：元)是材料成本的总成本，考虑到土壤从挖方段转移到填方段，按按照式(7)进行计算： 其中，ηS是填土的材料成本(单位：元/m3)，ρS是填土平均密度(单位：kg/m3)。作为本发明的一种优选技术方案：所述S7中，根据评估结果在BIM中进行道路设计方案的迭代优化，通过设计人员调整更改道路线形设计方案的控制变量集合与集合得到新的控制变量集合与集合再基于集合与集合在BIM中重新生成路面线形模型，并重复步骤S2-S7进行新的设计方案的安全舒适性与经济性评估，直到当前道路线形的各个路段均满足安全舒适性要求，且经济性小于成本阈值时，停止迭代更新，以此得到最终的符合需求的路面线形设计方案，并在BIM中建立得到最终的道路线形模型。 有益效果： 与现有技术相比，本申请具有以下优势： (1)本发明采用控制变量集合与集合用于表征道路线形设计方案，方便在BIM模型中建立参数化的道路信息模型，可以通过调整改变控制变量集合与集合的变量值，有利于该领域的设计人员实时调整与更新设计方案，并实现在BIM环境中快速构建与更新道路BIM模型； (2)本发明提出了道路线形设计方案的安全与舒适性评估指标模型，用于对当前道路线形设计方案的安全性和舒适性进行实时评估，提高了设计方案的安全性和舒适性，同时也提高设计效率； (3)本发明建立了一种基于BIM的道路线形设计方案经济性的评估指标，用于实现在设计过程中实时计算分析当前设计方案所需要的道路土方量施工成本，有利于帮助设计人员精确计算分析当前设计方案的成本效益，得到最经济的设计方案，同时也提高设计效率； The invention discloses a BIM-based road alignment design scheme comprehensive evaluation and optimization method. The method comprises the steps of S1, constructing a BIM-based road alignment design scheme parameterized model; s2, establishing a data interaction interface between the BIM-based road information model and the vehicle driving simulation module; s3, vehicle kinetic parameter analysis based on a vehicle driving simulation module; s4, vehicle dynamics parameter acquisition based on the vehicle simulation module and data integration with the road BIM model; s5, analyzing and evaluating the safety and comfort of the road alignment design scheme based on the BIM; s6, performing economic analysis on the road alignment design scheme based on the BIM; and S7, adjusting and optimizing the BIM-based road alignment design scheme. According to the method for rapidly designing and evaluating the road alignment design scheme in the BIM model, the optimal road alignment design scheme can be constructed, and the road alignment design quality and design efficiency are improved. 1.一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、基于BIM平台对道路线形的初步设计方案进行参数化模型构建； S2、在BIM平台进行二次开发，建立BIM软件与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，实现道路BIM信息模型与车辆仿真模块中的道路模型间的数据互通； S3、在车辆行驶仿真模块中基于当前的道路模型进行车辆驾驶仿真模拟，得到车辆在当当前道路上行驶过程中的车辆动力学参数结果集合； S4、基于BIM与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，从车辆仿真模块中读取车辆动力学参数并集成到道路BIM模型中； S5、在BIM平台中进行二次开发，基于仿真行驶结果，对当前道路线形设计方案的安全性与舒适性进行评估； S6、基于BIM道路信息模型，利用BIM进行道路设计方案的挖方与填方量统计结果，对当前道路线形设计方案的经济性进行评估； S7、基于评估结果，在BIM中构建道路线形设计方案的优化算法，通过更改线形设计参数，在BIM中重新生成路面线形模型，重复步骤S2-S7，直到当前道路线形的安全舒适性满足要求，且经济性小于成本阈值。 2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于所述S1中，建立的参数化模型包括了道路平面线形参数化与道路纵断面线形的参数化，其中用于表征道路平面线形设计方案的控制变量集合为：其中PStart,PEnd,Pi分别表示平面线形起点、终点以及第i个平面交点坐标(东距和北距)，Ri,Li分别表示第i个交点处的平面线形半径和缓和曲线长度，n表示平面线形的交点数量；用于表征道路纵断面线形设计方案的控制变量集合为：其中ZStart,ZEnd,Zi分别表示纵断面线形起点、终点以及第i个纵断面交点坐标(桩号和高程)，ri表示第i个交点处的纵断面线形半径，m表示纵断面线形的交点数量；通过集合与集合中的控制变量，可以唯一确定一条道路设计线形，基于此控制变量集合建立道路线形参数化模型，并实现模型与控制变量的数据绑定。 3.根据权利要求1所述的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于所述步骤S2中，在BIM平台中采用Python脚本语言进行二次开发，建立BIM信息模型与车辆驾驶仿真模块之间的数据交互接口，该接口实现的功能包括但不限于：(1)读取道路BIM模型的参数化控制变量值，并导出到车辆驾驶仿真模块中，以实现在仿真模块中同步建立相同的道路模型；(2)从车辆驾驶仿真模块中读取仿真分析得到的结果数据，并导回到道路BIM模型中进行数据集成；(3)修改道路BIM模型的参数化控制变量值，以此实现道路设计模型的实时调整与更新。 4.根据权利要求1所述的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于所述步骤S3中，在车辆行驶仿真模块中通过由BIM导出的道路模型控制参数，建立与道路BIM模型相同的道路模型，定义标准的汽车模型，以道路设计速度Vdesign进行驾驶过程模拟，实时采集车辆驾驶过程中的车辆动力学参数，包括但不限于：其中ax,ay,az分别表示车辆在路段i行驶过程中的车体纵向垂直、横向和垂直向的最大加速度(单位：m/s2)，aL,aR分别表示车辆在路段i行驶过程中的车辆左、右轮胎的最大垂直加速度(单位：m/s2)，ωy表示车辆在路段i行驶过程中的车辆最大横摆速度(单位：°/s)，n表示当前道路总共划分的路段数量。 5.根据权利要求1所述的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于所述步骤S5中，对道路线形的安全性评估采用以下三个评估指标分别对每个路段进行评估： (1)车辆横向滑移评估指标Ks，按照式(1)进行计算： KS＝ay/0.4g (1) 其中g是重力加速度，取9.8m/s2； (2)车辆横向倾覆评估KL，按照式(2)进行计算： (3)车辆偏转失控评估KY，按照式(3)进行计算： KY＝ωy/50 (3) 6.根据权利要求1所述的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于所述步骤S5中，对道路线形的舒适性评估采用如式(4)所示的评估指标aw进行评估： 7.根据权利要求1所述的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于，所述步骤S6中，对道路线形设计方案的经济性评估采用如式(5)所示的指标Econ进行评估 ECon＝EF+EC+EM (5) 其中EF和EC(单位：元)是道路的总挖方和填方施工成本，按照式(6)进行计算： 其中，ηF是填充施工成本，ηC是切割施工成本(机械、燃料运输和人工成本，单位：元/m3)；其中EWF-i和EWC-i分别为路段i的填方体积和挖方体积(单位：m3)，n为当前道路设计方案中的路段总数； EM(单位：元)是材料成本的总成本，考虑到土壤从挖方段转移到填方段，按按照式(7)进行计算： 其中，ηS是填土的材料成本(单位：元/m3)，ρS是填土平均密度(单位：kg/m3)。 8.根据权利要求1所述的一种基于BIM的道路线形设计方案综合评估与优化方法，其特征在于，所述步骤S7中，根据评估结果在BIM中进行道路设计方案的迭代优化，通过设计人员调整更改道路线形设计方案的控制变量集合与集合得到新的控制变量集合与集合再基于集合与集合在BIM中重新生成路面线形模型，并重复步骤S2-S7进行新的设计方案的安全舒适性与经济性评估，直到当前道路线形的各个路段均满足安全舒适性要求，且经济性小于成本阈值时，停止迭代更新，以此得到最终的符合需求的路面线形设计方案，并在BIM中建立得到最终的道路线形模型。