1 引言
1.1 铁路智能选线技术背景
1.1.1 铁路选线设计的任务和性质
选线设计是根据设计项目的功能需求，结合所经地区社会环境、自然环境和生态环境，以经济、安全、舒适、快捷、环保为目标，从大面积着手，由面到带、由带到线，逐步细化、逐步逼近，确定线路技术标准和空间位置、协调布设各种建筑物的决策过程。其基本任务包括[1]：
（1）根据国家政治、经济、国防的需要，结合线路所经地区的自然条件、资源分布、工农业发展等情况，规划线路的基本走向，选定主要技术标准。
（2）根据沿线的地质、地形、水文等自然条件和村镇、交通、农田、水利设施等具体情况，设计线路的空间位置（平面、立面），在保证行车安全的前提下，力争提高线路质量、降低工程造价、节约运营支出。
（3）与其他各专业共同研究，布置线路上各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、涵洞、路基、挡墙等，并确定其类型或大小，使其总体上互相配合，全局上经济合理，为进一步单项设计提供依据。
选线设计过程就是从无数可能方案中，根据功能主体的主观需要，搜索出评价指标集上最优方案集的多层次多目标决策过程。评价指标集为方案的多目标评价指标体系，从经济合理性、技术合理性、交通安全性、社会效益、环境影响、与其他建设项目的配合程度等角度评价设计方案。该决策过程由于受包括地形、地质、水文、土地利用等在内客观因素，以及包括各种技术规范和需满足的运输要求等主观因素的约束，需处理各种数值的、字符的、图形的、图像的资料，要考虑各种定性、定量、确定性和不确定的因素，加之主观需要和评价指标具有不可公度性和不一致性，使得该决策过程异常复杂，难以建立涉及各种因素的统一决策模型。
对于单个设计方案来说，选线设计又是约束优化问题。线路设计方案首先得满足各种设计规范，能完成所需运输任务，适应线路所经地区的地理环境，同时要求工程造价低、线路质量好、对环境影响小等，即在满足主客观约束的前提下，追求最好的经济、社会、环境效益。
1.1.2 当前铁路选线设计方法的不足
到目前为止，国内铁路选线的做法是根据不同的设计速度目标值、运输要求和包括起讫点在内主要控制点等因素，拟定很有限的几个主要技术标准方案，对每个主要技术标准方案做有限个可行线路方案，然后根据工程造价、运营特征以及财务评价等经济指标，人为确定一个与一定主要技术标准相对应的相对满意方案。这种方法在我国的铁路建设中发挥了极大作用，选评出了很多优秀的建设方案，但是也存在其本身固有的缺点：
（1）方案有限性。这是该方法的主要缺陷，是计算机及相关技术没能在选线领域发挥重大作用，选线工作复杂性决定的必然结果，无论是对主要技术标准已确定情况下的方案研究，还是技术标准的选择，都没能研究足够方案以选择出全局最优或满意方案。
（2）决策周期长。这是手工作业的必然结果。虽然现在各个设计院使用了各种CAD软件，大大缩短了预可行性研究和工程可行性研究的设计周期，但这一方面是在研究较少设计方案情况下的进程加快，另一方面随着社会进步和信息技术的深入发展，对铁路选线设计必然会提出更短的设计周期要求。
（3）设计人员劳动强度大。设计人员需要根据纸质或电子的等高线地形图，结合地质、水文等纸质的或电子的文字、图纸资料，一条直线、一个弯道的设计出可行方案，这是一个不断反复、枯燥的劳动过程，每一个设计项目需要设计6～7倍于项目长度的线路方案。
（4）评价指标的单一性。设计方案比选通常都是对满足客观约束和主观约束的可行方案，由投资额大小、满足能力的情况，辅以简单的定性说明，选择出最终采用的方案，而对环境影响、社会效益、技术合理性、与规划区内其他建设项目配合程度等，不能进行综合分析。
（5）对采用方案的科学性缺乏有效论证。前面几点决定了最终采用的方案很难就是综合效益最好的方案，同时由于缺乏对研究项目所处的片区主观和客观因素深入、细致的分析，因此一方面难以保证方案是科学的，另一方面对采用方案的科学性的论证也就不会非常令人信服。
1.1.3 聚焦智能选线
怎样加快线路设计的设计进程，减轻设计工作的劳动强度，提高设计决策方案的可行性、经济性和科学性，一直都是选线业界的研究中心。计算机技术的发展给线路设计带来了变革的契机，选线领域的研究者和工程师们一直都在利用计算机辅助设计技术变革线路设计方法。
国外计算机辅助技术在选线领域的应用可以追溯到1955～1960年，在此期间，麻省理工学院的米勒教授及其同事们开始使用数字地形模型进行公路选线设计，并明确提出了数字地形模型的概念[2]。此后，计算机辅助线路设计技术经历了简单的数值计算、纵断面优化、线路空间线形优化、交互式线路设计、勘测设计一体化等发展阶段。相应的软件也从当初只有纵断面优化功能的软件，比如英国运输与道路研究所的纵断面选线最优化软件HOPS、法国SERT公路局的APPOLO纵断面优化等程序，发展到了使用数据库、网络、图形交互等技术，综合性的勘测设计一体化设计系统，这些系统有BENTLEY的OpenRoad、Powecivil、OpenTrack、InRail/InRoads系列产品，Autodesk公司的Civil 3D系列产品，德国IB&T公司的CARD/1，以及原来隶属于澳大利亚、后被美国麦格天宝收购的能利用遥感影像的三维优化规划系统——旷达（Quantm）等。随着BIM的提出，基于三维环境的线路或路线设计方法与技术也不断出现与发展[3，4]。
我国铁路和公路线路计算机辅助设计研究起步于20世纪70年代末期。虽然起步较晚，但近四十多年的研究，也经历了与国外研究类似的历程，即从数字地面模型的利用、纵断面优化、平纵面联合优化、技术标准综合优化、交互式平纵面设计发展到勘测设计一体化阶段，目前已进入了建立三维及虚拟环境选线系统的时代[5-7]。现在国内已涌现了一批利用数字高程模型、基于三维设计环境、适用于铁路公路进行交互式线路设计的方法与软件[8，9]。总体说，选线设计CAD技术取得了非常骄人的成绩，已经完全实现了勘测设计一体化的目标。
但是，选线设计作业过程还完全依赖于设计人员的个人经验与知识，即在计算机辅助设计或虚拟现实的人机交互环境，或是单纯的图纸环境中，人工解读出设计项目所处的地形、地质、社会经济等信息，结合项目的运输和技术要求，人工比选确定线路技术标准和空间位置。选线工作劳动强度大、设计周期长、研究方案有限、评价指标单一、采用的设计方案缺乏有效论证等问题还没有得到彻底有效的解决。
因此，在人工智能技术不断得到发展与突破的今天，聚焦智能选线方法是必要的，也是有价值的。