本發(fā)明涉及水利工程，尤其涉及水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、在現(xiàn)有技術中，水利工程中的土石方施工通常依賴于傳統(tǒng)的人工經驗和機械操作。這些方法通常包括地形測量、土方量估算、施工規(guī)劃及機械調度等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的地形測量主要依靠人工測量或簡單的gps設備，土方量的計算也多依賴于手工估算或低精度的軟件工具。此外，施工規(guī)劃和機械調度通?；谑┕と藛T的經驗，缺乏科學的優(yōu)化手段，整體效率較低。

2、然而，現(xiàn)有技術存在一些顯著的不足。首先，傳統(tǒng)的地形測量和數(shù)據(jù)采集手段精度有限，容易導致后續(xù)施工中的錯誤和資源浪費。其次，土石方的填挖平衡往往缺乏系統(tǒng)的優(yōu)化策略，造成運輸距離不合理、施工時間過長以及設備利用率低下。此外，施工過程中的環(huán)境因素和資源調度問題無法得到有效解決，導致成本控制和項目進度管理困難。

3、因此，迫切需要一種能夠提高土石方施工精度和效率的方法及系統(tǒng)來解決這些問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本技術提供一種水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化方法及系統(tǒng)，以提高水利工程的施工效率。

2、本技術提供一種水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化方法，包括：

3、利用激光掃描儀、無人機航測設備及gps定位裝置，對水利工程的施工現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息；

4、確定與水利工程相關的施工要求，包括施工進度、施工順序、資源可用性、環(huán)境限制和成本控制；

5、基于所采集的地形數(shù)據(jù)、土石方分布信息以及設定的施工要求，利用遺傳算法進行土石方填挖平衡優(yōu)化，獲得最優(yōu)的土石方填挖平衡方案，其中，所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案包括施工路線、設備調度計劃和資源分配方案；

6、根據(jù)所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案進行水利工程施工。

7、更進一步地，所述利用激光掃描儀、無人機航測設備及gps定位裝置，對水利工程的施工現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息，包括：

8、使用激光掃描儀對施工現(xiàn)場進行高精度的地形掃描，通過激光掃描儀發(fā)射激光脈沖并測量其反射時間；基于反射時間生成包括施工區(qū)域內地形起伏、坡度和邊界信息的初始三維地形模型。

9、利用搭載航測設備的無人機對施工現(xiàn)場進行航拍，利用航拍設備拍攝高分辨率圖像；使用影像拼接技術生成施工現(xiàn)場的二維正射影像圖和三維影像模型；將生成的三維影像模型與初始三維地形模型進行數(shù)據(jù)融合，形成綜合三維地形模型；

10、應用gps定位裝置對施工現(xiàn)場的關鍵點進行精確定位；將獲得的gps定位信息與綜合三維地形模型進行同步標定，建立統(tǒng)一的地理坐標系，以確保所有地形數(shù)據(jù)在空間上的一致性；

11、將激光掃描數(shù)據(jù)、航拍影像數(shù)據(jù)和gps定位數(shù)據(jù)進行綜合處理，生成高精度、高分辨率的施工現(xiàn)場數(shù)字地形模型；

12、基于所述數(shù)字地形模型提取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息。

13、更進一步地，所述使用激光掃描儀對施工現(xiàn)場進行高精度的地形掃描，包括：

14、在進行激光掃描之前，對施工現(xiàn)場進行區(qū)域劃分，將施工區(qū)域分為若干個掃描子區(qū)域，并針對每個子區(qū)域設置掃描參數(shù)，包括掃描角度、掃描密度和掃描范圍，以適應各子區(qū)域的地形特征和土石方分布特點；

15、在完成各子區(qū)域的掃描后，對所有子區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)進行拼接和整合，以生成施工現(xiàn)場的初始三維地形模型，從而確保模型的完整性和精度。

16、更進一步地，所述將激光掃描數(shù)據(jù)、航拍影像數(shù)據(jù)和gps定位數(shù)據(jù)進行綜合處理，生成高精度、高分辨率的施工現(xiàn)場數(shù)字地形模型，包括：

17、對激光掃描數(shù)據(jù)進行精度校正，通過比對gps定位裝置獲取的關鍵點位置，調整激光掃描數(shù)據(jù)中的高程和位置信息；

18、對航拍影像數(shù)據(jù)進行幾何校正，以糾正影像中的畸變和投影誤差，使其與激光掃描數(shù)據(jù)和gps定位數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一致；

19、在綜合處理過程中，優(yōu)先采用高精度數(shù)據(jù)源的位置信息，以提高最終生成的施工現(xiàn)場數(shù)字地形模型的精度和可靠性。

20、更進一步地，所述基于所采集的地形數(shù)據(jù)、土石方分布信息以及設定的施工要求，利用遺傳算法進行土石方填挖平衡優(yōu)化，獲得最優(yōu)的土石方填挖平衡方案，包括：

21、步驟p101：初始化一個種群，所述種群包括多個個體；每個個體代表一種特定的土石方填挖平衡方案，所述土石方填挖平衡方案考慮到施工路線、設備調度計劃和資源分配方案；

22、步驟p102：對該種群中的每一個個體進行性能評價，所述性能評價基于預定義的多目標適應度函數(shù)進行，所述多目標適應度函數(shù)綜合考慮填挖平衡、施工效率、資源利用率和成本控制目標；

23、步驟p103：進行非支配排序，將種群中的個體根據(jù)在各優(yōu)化目標上的表現(xiàn)進行排序，個體間的比較基于個體的多目標適應度分數(shù)；根據(jù)所述非支配排序，選擇優(yōu)秀個體進入下一代種群；

24、步驟p104：對下一代種群執(zhí)行交叉和變異操作，以生成新的土石方填挖平衡方案；

25、步驟p105：重復執(zhí)行步驟p102至p104，直到達到預定的迭代次數(shù)或指定的性能指標滿足停止條件。

26、更進一步地，所述預定義的多目標適應度函數(shù)采用如下的公式1：

27、

28、其中，fitness表示適應度評分；wbalance表示土石方填挖平衡度；wefficiency表示施工效率；wutilization表示資源利用率；wcost表示成本控制；k、α、β、γ和δ是權重系數(shù)；

29、其中，土石方填挖平衡度wbalance通過如下的公式2進行計算：

30、

31、其中，vfill,i表示第i個施工區(qū)的填方體積；vcut,i表示第i個施工區(qū)的挖方體積；n表示施工區(qū)的總數(shù)量；di表示第i個施工區(qū)內，土石方從挖掘點到指定填埋點的平均運輸距離；dmax表示所有施工區(qū)中土石方從挖掘點到指定填埋點的最大平均運輸距離；

32、施工效率wefficiency通過如下的公式3進行計算：

33、

34、tactual為實際施工時間；tplanned為計劃施工時間；uj表示第j個設備的利用率；n為設備的總數(shù)量；

35、資源利用率wutilization通過如下的公式4進行計算：

36、

37、其中，ractual,j表示第j個資源在施工過程中實際使用的量；ravailable,j表示第j個資源的可用量；m為資源的總數(shù)量；

38、表示成本控制wcost通過如下的公式5進行計算：

39、

40、其中，cactual為實際施工成本；cbudget為預算成本；ctransport,j表示第j個運輸任務的成本；ctransport,max為所有運輸任務中最高的運輸成本；p表示運輸任務的總數(shù)量。

41、更進一步地，所述交叉操作包括：

42、選擇至少兩個優(yōu)選的土石方填挖平衡方案作為父代個體；

43、基于各父代個體的施工路線、設備調度計劃和資源分配方案，通過分析施工區(qū)域的地形復雜度和土石方分布特點，動態(tài)調整交叉點的位置，以生成新的子代個體，使得子代個體的施工路線能夠更好地適應特定的地形條件，優(yōu)化運輸路徑和資源調度的效率。

44、更進一步地，所述變異操作包括：

45、施工路線參數(shù)的變異通過微調路徑中的關鍵節(jié)點位置來適應局部地形變化，同時保持原有路徑的整體結構；

46、設備調度計劃和資源分配方案的變異通過調整資源優(yōu)先級，對資源利用率較低的部分進行優(yōu)化，重新分配資源以提高整體資源利用率。

47、更進一步地，所述變異操作包括：

48、在復雜地形中提高變異率，增加探索新路徑的可能性；

49、在簡單地形中降低變異率，以保持當前方案的穩(wěn)定性。

50、本技術提供一種水利工程土石方智能填挖平衡優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

51、獲取單元，用于利用激光掃描儀、無人機航測設備及gps定位裝置，對水利工程的施工現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息；

52、確定單元，用于確定與水利工程相關的施工要求，包括施工進度、施工順序、資源可用性、環(huán)境限制和成本控制；

53、獲得單元，用于基于所采集的地形數(shù)據(jù)、土石方分布信息以及設定的施工要求，利用遺傳算法進行土石方填挖平衡優(yōu)化，獲得最優(yōu)的土石方填挖平衡方案，其中，所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案包括施工路線、設備調度計劃和資源分配方案；

54、執(zhí)行單元，用于根據(jù)所述最優(yōu)的土石方填挖平衡方案進行水利工程施工。

55、本技術提供的技術方案的有益效果包括：

56、(1)通過利用激光掃描儀、無人機航測設備及gps定位裝置對施工現(xiàn)場進行高精度數(shù)據(jù)采集，本發(fā)明能夠精確獲取地形數(shù)據(jù)和土石方分布信息。這種高精度的數(shù)據(jù)采集大大提高了土石方填挖平衡方案的準確性，確保施工過程能夠緊密貼合實際地形條件，減少誤差和返工。(2)本發(fā)明通過綜合考慮施工進度、資源可用性和成本控制等因素，利用遺傳算法進行多目標優(yōu)化，生成最優(yōu)的土石方填挖平衡方案。優(yōu)化后的方案不僅能夠提高施工效率，還能夠最大化資源的利用率，避免資源浪費，降低施工成本。(3)本發(fā)明的優(yōu)化方法能夠根據(jù)不同施工區(qū)域的地形復雜度，動態(tài)調整施工路線和資源分配方案。通過適應性強的優(yōu)化策略，能夠在復雜地形中找到更為有效的施工方案，同時在簡單地形中保持方案的穩(wěn)定性，確保施工的連貫性和整體效率。(4)通過精確的施工規(guī)劃和優(yōu)化的設備調度，本發(fā)明有效減少了土石方運輸距離和施工時間，從而降低了施工成本。此外，合理的資源分配和設備使用計劃有助于減少能源消耗和環(huán)境影響，提升工程的可持續(xù)性。