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研究生: 林蓁
Lin, Chen
論文名稱: 以基因演算法為基礎之交流道平面線形最佳化模式
A Genetic Algorithm Model for Optimizing Horizontal Alignments of An Interchange
指導教授: 李宇欣
none
學位類別: 博士
Doctor
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 259
中文關鍵詞: 平面線形設計交流道基因演算法啟發式演算法匝道公路幾何設計
外文關鍵詞: Ramp, Interchange, Geometric Design, Highway Horizontal Alignment, Heuristic, Genetic Algorithm
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  • 高速公路幾何設計極繁複且需大量運算,多設計線公路之平面線形則由於須同時考量兩兩設計線於空間中之相對關係而更為複雜,此類問題又以交流道匝道系統之平面線形設計為最。由於其複雜性,以人工設計要完全滿足各種規定已屬難事,更無法有系統地尋找優良設計,故多設計線平面線形最佳化設計的數學模式與高效率的求解方法,對降低設計成本及幾何設計自動化極為重要。本研究所探討之主題為交流道平面線形設計問題,旨在建立一個以基因演算法 (Genetic Algorithm) 為基礎之交流道平面線形最佳化模式,利用其廣域搜尋的優點,求得滿足規範要求之優良交流道平面線形。
    文中首先分析組成匝道平面線形之基本元素 (包含直線、緩和曲線以及圓弧) 之組合型態,經歸納後發現一匝道之平面線形在任兩連續反曲點間基本元素之組合具有一定之規則。本研究根據此規則,依平面線形之局部曲率半徑變化情形,重新定義四種平面線形設計元素,並以此構建基因演算法架構中之基本元件 (包含基因、染色體、基因運算子以及適合度函數等) 與求解交流道平面線形之基礎模式。
    交流道平面線形之設計除考慮運輸需求、環境限制以及行車安全順暢外,亦會對交流道之整體外觀有所要求。因此,為提供設計者操控交流道平面線形設計結果之空間,本研究設計一套設計者參數,將其架構於基礎模式上,構建設計模式。設計模式可讓設計者對單一匝道本身、兩兩匝道之間或是兩匝道群之間指定所需之特殊設定。而為增加設計模式之彈性,本研究另外提出兩個具不同求解策略之設計模式,分別為雙母體演化設計模式與回饋式設計模式。
    最後,由模式驗證的結果可知,本研究所提出的最佳化模式的確可以有效率地設計高速公路交流道的平面線形。

    The work of highway geometric design is very complicated and consumes significant labor, time, and cost. The design of the horizontal alignments of an interchange system is even more complex because the relativities of any two alignments in the system need to be considered simultaneously. Obtaining a feasible solution to meet all code requirements manually for engineers is difficult, let alone a systematical search for better designs. In order to reduce design cost and enable automatic computerized design to search for better solutions, it is necessary to develop mathematical models to solve for the optimized geometric design of the horizontal alignments of a multi-lined highway system. This research proposes an optimazation model based on the genetic algorithm for getting a good solution that satisfies all constrains in the design of the horizontal alignment for an interchange.
    By analyzing the basic elements (including tangent line, clothoid curve and circular curve) for the horizontal alignment of ramps and cumulating the regularity of the basic elements between inflection points, we define four new ramp element types according to the variation of the curvature radius along the horizontal alignment. We also define components for the genetic algorithm including gene, chromosome, gene operators and fitness functions, and develop a model for solving interchange horizontal alignments.
    In additional to traffic demand, environment restrictions and safety, the appearance of the interchange is considerded in the interchange horizontal alignments. The resulting model combines the basic model and a set of designer parameters, and provides a means for designers to determine settings on a single ramp or relationships between any two ramps or any two groups of ramps when necessary. Besides, in order to increase the flexibility of the design model, two extensions with different solving stratages, “Two-population evolution design model” and “Feed back design model”, are also proposed in this research.
    Testing results suggest that the model and heuristic can determine horizontal layouts of interchanges correctly and efficiently.

    目 錄 摘 要 I ABSTRACT III 誌 謝 V 目 錄 VII 表目錄 XI 圖目錄 XV 第一章 緒 論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究範圍 2 1.3 研究方法 2 1.4 論文架構 4 第二章 文獻回顧 7 2.1 公路幾何設計模式 7 2.1.1 縱坡度設計 7 2.1.2 平面線形與平縱面線形設計 12 2.2 相關公路設計規範 16 2.2.1 平曲線最小半徑 17 2.2.2 最短緩和曲線 20 2.2.3 免設緩和曲線規定 23 2.2.4 複曲線與反向曲線 26 2.2.5 平曲線最短長度限制 27 2.2.6 車道寬 31 2.2.7 路肩寬 33 2.2.8 平曲線行車道加寬 35 2.3 基因演算法 38 第三章 問題描述 43 3.1 高速公路設計流程 43 3.2 高速公路交流道平面線形設計簡介 45 3.2.1 行車安全順暢考量 45 3.2.2 環境限制考量 49 3.2.3 工程成本考量 50 3.3 匝道平面線形剖析 51 3.3.1 匝道平面線形設計問題 51 3.3.2 複合元素-CB元素 56 3.3.3 複合元素-CS元素 58 3.3.4 複合元素-LT元素 60 3.3.5 複合元素-LC元素 61 3.3.6 反曲點 63 3.3.7 匝道端點之處理 65 3.4 交流道平面線形設計問題 70 3.5 基本假設 73 第四章 基因演算法基礎模式之構建 75 4.1 基礎模式概說 75 4.2 染色體與細胞 77 4.3 適合度函數 81 4.3.1 複合元素CB終點之計算 84 4.3.2 複合元素CS終點之計算 85 4.3.3 複合元素LT終點之計算 86 4.3.4 複合元素LC終點之計算 87 4.4 基因運算子 88 4.4.1 基因運算子crossover 89 4.4.2 基因運算子mutation 89 4.5 子代之產生 90 4.5.1 子代染色體之產生 90 4.5.2 子代染色體之合法化 92 4.5.3 子代細胞之組成 99 4.6 基礎模式演算架構 101 第五章 基因演算法設計模式之構建 105 5.1 設計模式概說 105 5.2 設計者參數 106 5.2.1 匝道級設計者參數 107 5.2.2 匝道組設計者參數 117 5.2.3 匝道組間之設計者參數 124 5.3 設計模式 128 5.3.1 染色體與細胞 128 5.3.2 適合度函數 129 5.3.3 子代細胞之組成 134 5.3.4 設計模式演算架構 141 5.4 雙母體演化設計模式 146 5.4.1 概說 146 5.4.2 第二母體之演化 147 5.4.3 雙母體演化設計模式演算架構 151 5.5 回饋式設計模式 153 5.5.1 概說 154 5.5.2 回饋參數與回饋方法 155 5.5.3 回饋式設計模式演算架構 160 第六章 模式驗證 163 6.1 匝道組成說明 163 6.1.1 型式一匝道 163 6.1.2 型式二匝道 166 6.1.3 型式三匝道 169 6.1.4 型式四匝道 172 6.1.5 型式五匝道 174 6.1.6 型式六匝道 177 6.2 基礎模式測試 181 6.2.1 測試例說明 181 6.2.2 測試結果 184 6.3 設計模式測試-含匝道級與匝道組設計者參數 186 6.3.1 測試例說明 186 6.3.2 測試結果 192 6.4 設計模式測試 200 6.4.1 測試例說明 200 6.4.2 設計模式測試結果 204 6.4.3 求解策略應用說明 208 6.4.4 雙母體演化階段測試結果 209 6.4.5 回饋式設計模式演算結果 214 6.5 小結 218 第七章 結論與建議 221 7.1 結論 221 7.2 後續研究 224 參考文獻 227 附 錄 233 附錄一 緩和曲線 233 附錄二 模式驗證求解所得線形資料 243 A2.1 基礎模式求解所得線形資料 243 A2.2 設計模式匝道組一求解所得線形資料 245 A2.3 設計模式匝道組二求解所得線形資料 246 A2.4 設計模式匝道組三求解所得線形資料 247 A2.5 設計模式匝道組四求解所得線形資料 248 A2.6 設計模式求解所得線形資料 250 A2.7 雙母體演算階段求解所得線形資料 253 A2.8 回饋式設計模式求解所得線形資料 256 自 述 259

    ˙ 台灣省交通處公路局,快速公路規劃設計手冊,1992年5月。
    ˙ 交通部,公路路線設計規範,2001年。
    ˙ 伍裕華,整合式公路縱坡度與爬坡車道配置最佳化模式,國立成功大學土木工程學系碩士論文,1997年。
    ˙ 李宇欣、伍裕華,整合式公路縱坡度與爬坡車道配置最佳化模式,中國土木水利工程學刊,第十一卷,第三期,pp. 529 - 542,1999年。
    ˙ 李宇欣、李盈慧,使用廣域搜尋法精密調整公路平面線形,中國土木水利學刊,第十七卷,第四期,pp. 655 - 668,2005年。
    ˙ 李宇欣、林蓁,以計算幾何為基礎之交流道平面線形最佳化模式,中國土木水利學刊,第十三卷,第一期,pp. 147 - 160,2001年
    ˙ 李宇欣、林蓁,高速公路交流道平面線形最佳化模式,電子計算機於土木水利工程應用研討會,台中,2000年。
    ˙ 李宇欣、施能豪,公路縱坡度設計之最佳化橋樑與隧道設置模式,中國土木水利工程學刊,第十卷,第二期,pp. 351 - 360,1998年。
    ˙ 李宇欣、劉效良,公路平面線形近似最佳化模式,九十四年電子計算機於土木水利工程應用研討會,台南,2005年。
    ˙ 李宇欣、鄭瑞富,交流道縱坡度最佳化設計模式,中華民國運輸學會第十三屆學術論文研討會論文集,pp. 365 - 374,臺北,1998年。
    ˙ 李盈慧,公路平面線形調整最佳化模式,國立成功大學土木工程學系碩士輪文,2004年。
    ˙ 周茂森,公路工程設計實務,1989年。
    ˙ 周義華,運輸工程,鼎和國際工程顧問股份有限公司,1996年。
    ˙ 林蓁,高速公路交流道平面線形最佳化模式,國立成功大學土木工程學系碩士論文,1999年。
    ˙ 林蓁、李宇欣,以基因演算法為基礎之雙匝道平面線形最佳化模式,電子計算機於土木水利工程應用研討會,台南,2005年。
    ˙ 施能豪,公路縱坡度設計之最佳化橋樑隧道設置,國立成功大學土木工程學系碩士論文,1996年。
    ˙ 孫沁芬,交流道平面近似線形最佳化模式,國立成功大學土木工程學系碩士論文,2000年。
    ˙ 張仕龍,整合式公路縱坡度與車道數設計自動化模式,國立成功大學土木工程學系碩士論文,2000年。
    ˙ 黃笙玹,公路縱坡度與附屬設施配置最佳化模式,國立成功大學土木工程學系碩士論文,2003年。
    ˙ 劉效良,公路平面近似線形最佳化模式,國立成功大學土木工程學系碩士論文,2005年。
    ˙ 蔡攀鰲,公路工程學,國立成功大學公共工程研究中心,2000年。
    ˙ 鄭瑞富,公路平縱面線形最佳化模式,博士論文,國立成功大學土木工程學系博士論文,2000年。
    ˙ 社団法人日本道路協会、道路構造令の解説と運用(改訂版)、平成16年(西暦2004年)。
    ˙ AASHTO, “A Policy on Geometric Design of Rural Highways”, American Association of State Highway and Officials, Washington, D.C. (2001).
    ˙ Chen, Z. P., Jiang, J. H., Li, Y., and Yu, R. Q., “Nonlinear mapping using real-valued genetic algorithm”, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, Vol. 45, pp. 409 - 418 (1999).
    ˙ Chew, E. P., Goh, C. J., and Fwa, “Simultaneous Optimization of Horizontal and Vertical Alignments for Highways”, Transportation Research, Part B, Vol. 23B, No. 5, pp. 315 - 329 (1989).
    ˙ Cochran, J. K., Horng, S. M., and Fowler, J. W., “A multi-population genetic algorithm to solve multi-objective scheduling problems for parallel machines”, Computer & Operations Research, Vol. 30, pp. 1087 - 1102 (2003).
    ˙ Easa, S. M., “Optimum vertical curves for highway profiles.” Journal of Surveying Engineering, 125(3), pp. 147 - 157 (1999).
    ˙ Easa, S. M., ”Selection of Roadway Grades that Minimize Earthwork Cost Using Linear Programming”, Transportation Research, Part A, Vol. 22A, No. 2, pp. 121 - 136 (1988).
    ˙ Fwa, T. F., “Highway Vertical Alignment Analysis by Dynamic Programming”, Highway Research Record 1239 (Eds.), HRB, National Research Council, Washington, D.C., pp. 1 - 9 (1989).
    ˙ Fwa, T. F., Chan, W. T., and Sim, Y. P., “Optimal Vertical Alignment Analysis for Highway Design”, Journal of Transportation Engineering, September/October 2002, pp. 395 - 402 (2002).
    ˙ Gen, M. and Cheng, R., “Genetic Algorithms and Engineering Design”, John Wiley & Sons, Inc., New York (1997).
    ˙ Goh, C. J., Chew, E. P., and Fwa, T. F., “Discrete and Continuous Models for Computation of Optimal Vertical Highway Alignment”, Transportation Research, Part B, Vol. 22B, No. 5, pp. 399 - 409 (1988).
    ˙ Hayman, R. W., “Optimization of Vertical Alignment for highways Through Mathematical Programming”, Highway Research Record 306 (Eds.), HRB, National Research Council, Washington, D.C., pp. 1 - 9 (1970).
    ˙ Jha, M. K. and Schonfeld, P., “A highway alignment optimization model using geographic information systems.” Transportation Research, Part A: Policy and Practice 38(6), pp. 455 - 481 (2004).
    ˙ Jha, M. K. and Schonfeld, P., “Trade-offs Between Initial and Maintenance Cost in Cross-Slopes”, Journal of Infrastructure System, ASCE / March 2003, pp. 16 - 25 (2003).
    ˙ Jha, M. K., McCall, C. and Schonfeld, P., “Using GIS, genetic algorithms and visualization in highway development” Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 16(6), pp. 399 - 414 (2001).
    ˙ Jong, J. C. and Schonfeld, P., “Cost functions for optimizing highway alignments”, Transportation Research Record (1659), pp. 58 - 67 (1998).
    ˙ Jong, J. C., “Optimizing Highway Alignments with Genetic Algorithms”, Ph.D. Dissertation, University of Maryland, College Park, Maryland, USA (1998).
    ˙ Kim, E., Jha, M. K. and Son, B., “Improving the computational efficiency of highway alignment optimization models through a stepwise genetic algorithms approach”, Transportation Research, Part B: Methodological 39(4), pp.339 - 360 (2005).
    ˙ Lee, Y. and Cheng, J. F., “Modeling the Highway Vertical Alignment Design Process”, Proceedings of XIIIth IRF Word Meeting, Toronto, Canada (1997).
    ˙ Lee, Y. and Cheng, J. F., “A Model for Calculating Optimal Vertical Alignments of Interchanges”, Transportation Research, Part B, Vol. 35, No. 5, pp. 423 - 445 (2001).
    ˙ Lee, Y. and Cheng, J. F., “Model for Three-dimensional highway alignment”, Journal of Transportation Engineering, ASCE, Vol. 132, No. 12, pp. 913 - 920 (2006).
    ˙ Lee, Y. and Liu, H. L., “An Optimization Heuristic for the Highway Horizontal Alignment Problem”, Joint International Conference on Computing and Decision Making in Civil and Building Engineering, Montreal, Canada (2006).
    ˙ Michalewicz, Z., “Genetic Algorithms + Data Structures = Evolution Programs”, Springer, Springer-Verlag, Berlin (1996).
    ˙ Moreb, A.A., “Linear Programming Model for Finding Optimal Roadway Grades that Minimize Earthwork Cost”, European Journal of Operational Research, Vol. 93, pp. 148 - 154 (1996).
    ˙ Packer, N. A., “Rural Highway Router Corridor Selection”, Transportation Planning and Technology, Vol. 3, pp. 247 - 256 (1977).
    ˙ Tomassini, M., “A Survey of Genetic Algorithms”, Annual Reviews of Computational Physics, Vol. 3, pp. 1 - 38 (1995).
    ˙ Turner, A. K. and Milesm, R. D., “The GCARS System: A Computer-Assisted Method of Regional Location”, Highway Research Record 384 (Eds.), HRB, National Research Council, Washington, D.C., pp. 1 - 15 (1971).
    ˙ Turner, A. K., “Adecade of Experience in Computer Aided Route Selection”, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol. 44, pp. 1561 - 1576 (1978).
    ˙ Walton, D. J. and Meek, D. S., “Computer—Aided Design for Horizontal Alignment,” Journal of Transportation Engineering, Vol. 115, No. 4, pp. 411 - 424 (1989).
    ˙ Wang, L.Z., Miura, K.T., Nakamae, E., Yamamoto, T., and Wang, T.J., “An approximation approach of the clothoid curve defined in the interval [0, PI/2] and its offset by free form curves,” Computer-Aided Design, Vol. 33, pp. 1049-1058 (2001).

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2007-08-01公開
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