前言
铁路选线是铁路建设项目勘测设计的关键环节，是以经济、安全、舒适、快捷、环保为目标，确定铁路线路空间位置和布置形式的过程，其任务包括技术标准选择、空间位置规划和相关构造物协调布置三个层次。为提高选线工作的质量和效率，减轻设计人员的劳动强度，线路设计研究人员，相继把数值分析、优化方法、交互式图形、数据库相关技术、遥感及地理信息系统、虚拟现实等技术引入选线领域，使选线CAD技术经历了简单数值计算、纵断面优化、空间线形整体优化、交互式线路设计、勘测设计一体化的发展历程，直到现在的三维及虚拟环境中的线路设计。
选线设计CAD技术取得了非常骄人的成绩，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，结合项目的经济、技术及运输要求，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。
为此，铁路或公路选线领域的研究者曾经并正在将目光投向智能选线，基于GIS、人工智能、遥感影像、数据库等技术研究铁路或公路智能选线方法。
铁路选线设计任务的重要性、复杂性、创造性也决定了，继续对设计方法进行深入研究是很有必要的，而常规软件方法未能有效解决问题，需要探索智能化方法。人工智能的知识工程与智能优化是解决此问题的两个重要途径。本书力求成体系介绍基于知识工程的铁路智能选线方法，提出基于三维GIS、协同人机智能、统一规划选线知识、联合数值处理与知识工程方法的铁路智能选线理论与方法。
主要内容包括：
1）铁路智能选线的本体建模方法及铁路选线设计领域本体
借鉴知识系统开发经验，根据铁路选线对知识模型的共享、交互以及互操作等要求，提出使用本体建立铁路选线知识模型，介绍了本体在基于GIS的铁路选线系统智能环境（GBRLIE）中的地位和作用；结合GBRLIE特点，提出使用改进迭代法、UML语言和微软的Visio构建本体；提出并详细描述了采用面向对象技术和UML轻量级扩展的领域本体形式化表示方式；构建了铁路选线设计的领域本体，包括线路本体、选线地理环境本体和线路评价本体。
2）铁路智能选线的人机协同知识表示、获取与利用技术
（1）将选线系统知识分为面向领域人员和面向计算机知识，基于本体构建概念关系词典和面向计算机的知识模型，基于概念关系词典建立面向领域人员的知识模型，面向计算机和面向领域人员的知识通过概念关系词典映射。
（2）面向领域人员的知识在概念上用语义网络表示，实现时采用面向对象和流文档技术表示为带元知识的知识森林。
（3）用面向对象技术表示面向计算机知识：一般知识类表示事实知识，规则采用层次模型和双层形式化模型，把问题求解知识表示为推理机控制知识，实现推理机与控制策略的分离。
（4）提出并实现了提案—目标验证通用嵌入式推理，即通过提出可能方案，经过一系列推理，然后再验证其是否满足目标条件的方式解决问题。
（5）提出了GBRLIE中符号推理和数值计算的集成方法。通过采用统一的知识模型，利用面向对象技术表示知识对象，并把这些知识内部表示为可执行形式，实现符号推理时直接使用数值方法中的对象；推理机按组件形式开发，在常规软件系统中直接调用推理机。
3）铁路智能选线地理信息相关知识与信息的获取方法
首先介绍GBRLIE中地理信息获取与利用的任务层次。然后阐述基于本体以及遥感图像建立铁路选线地理信息数据库的方法。接着介绍GBRLIE中地形分析与可视化技术以及基于地理信息的线路评价知识获取方法。最后给出了基于知识与栅格路径分析的线路初始平面生成方法：通过采用16单元的骑士邻域单元模式，在费用模型上考虑桥梁、隧道、线路长度相关费用以及线路坡度、速度目标值，改进了Dijkstra算法，在多个控制点间生成栅格最优路径；利用平面设计相关知识和提案—目标验证推理机，实现自动曲线配置；最后通过二分渐进和自动曲线配置，依据最优路径生成线路初始平面。
4）基于智能环境的选线方法
（1）采用方法本体表示与领域无关的问题求解方法，并用UML和面向对象技术描述方法本体；根据铁路选线设计任务需要，介绍了多目标决策问题求解的多目标决策方法本体，以及采用“生成—筛选—改进”方法解决的、追求在多个目标值上全局最优或最满意的创新性多目标（IMO）设计方法本体。
（2）通过改造方法本体适应领域本体和应用的方法，把多目标决策和IMO设计方法本体用于解决新建单线铁路局部方案和局部方案纵断面的自动设计问题。
（3）利用局部方案自动设计方法，借助GBRLIE的地形可视化技术和人机协同地理信息利用模型，基于IMO设计的“生成—筛选—改进”思想，提出了既能发挥传统技术标准选择和技术标准综合优化方法优点，避免各自缺点，又能实现技术标准多目标比选的人机协同技术标准比选方法。
5）铁路智能选线辅助设计系统
描述铁路智能选线辅助设计系统的体系结构、实现方法和主要功能，并利用实例演示系统的应用。
智能选线方法能通过快速的大量方案比选，提供满足设计规范的更为经济合理的设计方案，通过三维的交互设计环境，设计人员能更直观的研究线路方案、分析考察设计方案的合理性，更方便地实现人机协同设计。这种设计理念和方法将会进一步减轻设计人员的劳动强度，让设计人员把更多精力投入需要更高创造性的劳动中；通过生成、评价、筛选布满整个设计空间的设计方案，使最终采用的设计方案在指定的评价指标集上取得令人满意的结果，提高设计质量，并且能改善以往设计方法在采用的设计方案上缺乏有效说服力的情况；利用铁路智能选线方法可缩短设计项目的规划设计时间。因此研究成果具有推广应用前景。
基于国家自然科学基金“面向智能公路选线的三维空间语义信息建模及应用关键技术研究（51268023）”，中铁二院“铁路快速方案比选智能辅助设计方法研究”、“山区高等级公路通道方案三维快速智能辅助设计方法研究”等科研项目，中铁二院工程集团有限责任公司朱颖提出本书体系结构，并牵头组织撰写。全书由朱颖、昆明理工大学韩春华及中铁二院工程集团有限责任公司许佑顶共同创作完成，由西南交通大学易思蓉教授担任主审。其中第1章、第2章、第6章由朱颖完成，第3章、第4章、第5章、第7章由韩春华完成，第8章由许佑顶完成。本书的编写过程中得到了中铁二院工程集团有限责任公司胡新明、魏永幸、林世金、郑天池、王毅、谢毅、张可军、崔文勇、罗庆、王建、刘洋、杨健、胡光常、葛根荣、曾榜荣、周世林、何学刚、乐重、徐国华等，以及昆明理工大学许强强、卢玉韬、闫智、李懿等同志的大力支持，感谢他们为完成本书在素材提供、案例准备、代码编写等方面提供的帮助。
为加深对理论与方法体系的理解，促进智能选线技术的交流与发展，推进共享价值理念，同时也是招引同行的指导与批评，本书涉及的所有核心代码和大部分系统源代码，以可编译执行的Visual Stutio 2015解决方案形式共享。共享资料还包括大部分文本化和可执行形式的知识，地理信息数据库模式，以及一个完整的试验案例。若读者对共享资料感兴趣，可以致电028-86445224，或电邮hanunhua@kmust.edu.cn与作者取得联系。
本书在编写中，引用了相关的参考文献，在此向原作者单位和个人表示感谢。铁路选线技术在不断创新发展，限于著者水平，书中疏漏不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。
作者
2018年6月