CN120633977A - 一种自适应管线迁改智能规划方法和系统 - Google Patents

一种自适应管线迁改智能规划方法和系统

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CN120633977A CN202511114621.7A CN202511114621A CN120633977A CN 120633977 A CN120633977 A CN 120633977A CN 202511114621 A CN202511114621 A CN 202511114621A CN 120633977 A CN120633977 A CN 120633977A
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Abstract

本申请提供一种自适应管线迁改智能规划方法和系统，其中，该方法包括：获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据；将激光扫描点云数据和穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据；基于多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集；针对既有管线中被遮挡的管线部分，基于多源探测数据重构被遮挡的管线部分的空间弯曲信息；基于数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据；基于低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。本申请提升了密集城区管线迁改规划的精度和效率。

Description

一种自适应管线迁改智能规划方法和系统
技术领域
本申请涉及城市地下管线智能规划技术领域，尤其涉及一种自适应管线迁改智能规划方法和系统。
背景技术
随着城市地下空间开发密度不断提高，新建管线与既有管线的交叉冲突问题日益突出，尤其在密集城区，既有管线常被建筑物或地层遮挡，传统探测手段难以获取完整三维数据，亟需一种能够融合多源数据、精准重构被遮挡管线形态并自动生成避让方案的智能规划方法。
目前已有采用激光扫描与地质雷达分层探测的技术方案，该方案通过时序配准算法对齐两类数据，基于点云密度阈值分割提取管线特征，最后利用三维路径搜索算法生成避让路径。
该方法对管线连接结构的拓扑关系保持不足，降维处理时易丢失关键空间约束，导致生成的避让路径存在曲率突变或间距违规风险，且计算复杂度随管线节点数增加而急剧上升。
发明内容
本申请提供一种自适应管线迁改智能规划方法和系统，用以解决现有技术中密集城区管线迁改规划的精度低和效率差的问题。
第一方面，本申请提供一种自适应管线迁改智能规划方法，包括：
获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据；
将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据；
基于所述多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集；
针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息；
基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据；
基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。
可选地，所述针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息，包括：
从所述多源探测数据中分离出对应于被遮挡的管线部分的穿透探测数据片段；
基于相邻可见管段的走向趋势，构建空间参考轴线；
将所述穿透探测数据片段与所述空间参考轴线进行对比，基于对比结果重构空间弯曲信息，得到重构后的空间弯曲信息。
可选地，所述基于对比结果重构空间弯曲信息，得到重构后的空间弯曲信息，包括：
根据对比结果计算所述穿透探测数据片段的各空间点位至所述参考轴线的垂直距离值，形成的垂直距离值序列；
根据所述垂直距离值序列中各垂直距离值的正负符号，生成点位偏移方向序列；
基于所述点位偏移方向序列，构建连续形态曲线；
对所述连续形态曲线进行平滑处理，将平滑后的连续形态曲线作为重构后的空间弯曲信息。
可选地，所述对所述连续形态曲线进行平滑处理，包括：
对平滑后的连续形态曲线进行等距分割，生成多个曲线分段；
计算每个曲线分段端点的弯曲方向变化量；
检测相邻曲线分段端点的弯曲方向变化量是否满足预设的一致性条件；
根据检测结果，连接满足所述一致性条件的曲线分段，形成平滑后的连续形态曲线。
可选地，所述将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据，包括：
建立所述激光扫描点云数据的地表坐标体系与所述穿透探测数据的地下坐标体系之间空间位置对应关系；
根据所述空间位置对应关系，识别所述激光扫描点云数据与所述穿透探测数据中描述同一既有管线部位的共同覆盖区域；
在共同覆盖区域内，将所述穿透探测数据中的地下深度数据按照所述空间位置对应关系映射至所述地表坐标体系；
对于非共同覆盖区域，保留所述穿透探测数据中原始的地下深度数据；
将共同覆盖区域内映射后的地下深度数据与非共同覆盖区域内原始的地下深度数据进行融合，形成多源探测数据。
可选地，所述基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据，包括：
将所述数据集中的三维位置信息以及材质属性编码为第一特征向量；
将所述重构后的空间弯曲信息编码为第二特征向量；
将所述第一特征向量与所述第二特征向量进行组合，将组合结果输入降维计算模型，所述降维计算模型在降维过程中对所述组合结果施加管线连接点的空间位置约束；
根据所述空间位置约束，输出低维表达数据。
可选地，所述基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案，包括：
从所述新建管线约束条件中解析出空间位置条件与形态条件；
将所述低维表达数据转换为障碍物约束边界，结合所述障碍物约束边界和所述空间位置条件，构建新建管线的路径可行域空间；
在所述路径可行域空间中生成新建管线的候选路径节点序列；
从所述候选路径节点序列中筛选符合所述形态条件的关键路径节点序列；
将所述关键路径节点序列通过逆映射转换至原始三维坐标系，生成避让规划方案。
第二方面，本申请提供一种自适应管线迁改智能规划系统，包括：
获取模块，用于获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据；
融合模块，用于将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据；
建立模块，用于基于所述多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集；
重构模块，用于针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息；
输入模块，用于基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据；
生成模块，用于基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。
第三方面，本申请提供一种计算设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行第一方面任一所述的一种自适应管线迁改智能规划方法。
第四方面，本申请提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现第一方面中任意一项所述的一种自适应管线迁改智能规划方法。
本申请中，提供了一种自适应管线迁改智能规划方法，该方法包括：获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据；将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据；基于所述多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集；针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息；基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据；基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。
本申请提供的技术方案具有以下有益效果：
本申请实现了地面与地下管线数据的同步采集，为多源数据融合提供基础；解决单一探测手段的视野局限，提升管线三维信息的完整性；结构化存储管线关键特征，支撑后续分析与计算；填补数据盲区，还原隐蔽管段的真实三维形态；压缩数据维度的同时保持管线拓扑关系，降低计算复杂度；基于约束条件自动输出合规路径，提升规划效率与精度。
进一步地，本申请还通过分离被遮挡管段的穿透探测数据片段，结合相邻可见管段走向构建空间参考轴线，对比数据片段与轴线的偏移分布，重构出连续准确的空间弯曲信息。
并且，利用可见管段的空间参考轴线引导被遮挡部位的重构过程，确保弯曲形态与既有管线自然衔接，避免因数据缺失导致的路径规划偏差。
本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种自适应管线迁改智能规划方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种自适应管线迁改智能规划系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种计算设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
当前管线迁改规划技术中，基于激光扫描与地质雷达分层探测的现有方案虽能实现数据融合，但其依赖时序配准和点云密度分割的处理逻辑存在固有局限：管线连接结构的拓扑关系在降维过程中易被破坏，导致生成的避让路径曲率不连续或间距违规；同时，算法复杂度随管线节点数呈指数增长，难以满足密集城区大规模管线网络的实时规划需求。这些缺陷源于现有方法对管线空间约束的保持能力不足及计算架构未优化。
针对上述问题，本申请提出一种自适应管线迁改智能规划方法，通过多源探测数据的深度融合与空间约束驱动的降维计算重构管线三维拓扑。具体地，首先融合激光扫描与穿透探测数据建立包含材质属性的完整数据集，针对被遮挡管段基于空间参考轴线重构弯曲信息；继而通过连接结构保持性降维生成低维表达数据，最终结合约束条件输出避让规划方案。该方法突破性地将管线连接关系作为空间约束嵌入降维过程，既解决了现有技术因拓扑信息丢失导致的路径曲率突变问题，又通过低维空间计算大幅提升规划效率，实现了密集城区复杂管线网络的高精度、实时化智能规划。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种自适应管线迁改智能规划方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101：获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据。
在步骤101中，激光扫描点云数据表示通过激光扫描仪获取的地表管线表面密集三维坐标集合，每个点包含XYZ位置信息。穿透探测数据表示利用地质雷达等设备获取的地下管线反射信号数据，包含深度、材质反射强度等参数。
在本申请实施例中，采用车载激光扫描仪沿管线走向扫描获取地面可见部分的高密度点云，同步使用地质雷达车进行地下探测；激光扫描记录管线外露部分的几何形态，地质雷达通过电磁波反射获取地下管线的埋深及轮廓数据；两类设备通过统一时空基准实现数据同步采集，确保后续融合的时空一致性。
例如，在某城市道路改造中，使用A型激光扫描仪以固定间距扫描获取地面供水管线的点云数据，同时采用B型地质雷达以设定频率探测地下区域；激光扫描获得管线支架的三维坐标，地质雷达测得管线埋深数据，两类数据均记录至统一时间戳的数据库中。其中扫描间距根据管线直径确定，满足采样定理要求。
步骤102：将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据。
在步骤102中，多源探测数据表示融合后包含地表三维坐标与地下深度信息的完整数据集。
在本申请实施例中，建立激光点云地表坐标系与雷达地下坐标系的转换关系；识别两类数据中描述同一管线段的重叠区域；在重叠区内将雷达深度数据映射至地表坐标系；对非重叠区保留原始雷达数据；最终合并为包含地上地下信息的统一数据集。
例如，将步骤101获取的激光点云坐标系与雷达坐标系通过转换矩阵关联，其中地面基准点作为共同原点；在X方向重叠段将雷达测得的管线顶点埋深转换为地表Z坐标；对建筑物遮挡段保留原始雷达深度数据，形成融合数据集。
步骤103：基于所述多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集。
在步骤103中，三维位置信息是指既有管线在空间中的具体坐标数据，包含管线中心线上各关键点的X、Y、Z三个方向的坐标值，其中X和Y表示管线在地表的平面位置，Z表示管线的垂直高度或埋深，这些数据通过激光扫描和穿透探测融合后提取获得。材质属性表示根据电磁反射强度划分的管线材质类别编码。数据集是指结构化存储的既有管线特征集合，包含管线关键点的三维坐标信息以及对应的材质属性编码，材质属性通过穿透探测数据的反射信号强度与标准材质库匹配确定，用于后续降维计算和路径规划。
在本申请实施例中，从融合数据提取管线中心线关键点的三维坐标；根据雷达反射信号强度匹配材质类型库；结构化存储为坐标-材质关联数据集。
例如，对融合数据中的供水管线段，提取每隔设定距离的中心点坐标XYZ；根据反射信号强度值匹配材质库，确定铸铁管段编码为设定值；最终生成包含坐标和材质编码的结构化表格。
步骤104：针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息。
在步骤104中，被遮挡的管线部分是指在城市密集区域中，由于地面建筑物、其他管线或障碍物的存在，导致激光扫描无法直接探测到的隐藏管线区域，这些区域需要通过穿透探测数据（如雷达）进行补充获取。空间弯曲信息是指被遮挡管线的实际三维走向和曲率数据，可以理解为三维形态信息。这些信息是通过对穿透探测数据进行空间解析和几何计算得到的，用于准确描述管线的真实弯曲形态，为路径规划提供精确的空间约束。
在本申请实施例中，从融合数据分离被遮挡段的雷达数据片段；根据相邻可见管段拟合参考轴线；计算雷达数据点相对于轴线的偏移量；通过曲线拟合生成连续弯曲形态。
例如，在建筑物遮挡段，取相邻可见管段的走向角度平均值构建参考直线；将遮挡段雷达数据点垂直投影至轴线，计算偏移距离；采用三次多项式拟合偏移量分布，得到弯曲曲线方程z=ax³+bx²+cx+d，其中系数通过最小二乘法确定。
步骤105：基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据。
在步骤105中，既有管线连接结构特指管线系统中各管段之间的拓扑连接关系，包括分支点、交汇点的空间位置和连接方式；而既有管线的结构泛指管线的整体三维形态，包含管径、走向、埋深等物理特征。二者的关联在于：连接结构是管线结构的核心组成部分，决定了管线的网络拓扑特性，而管线结构是连接结构的具体空间表现。低维表达数据是指通过降维计算模型压缩后的特征向量，该向量在降低数据维度的同时保留了管线的关键连接结构和空间拓扑关系，使得后续路径规划计算更高效，同时确保避让方案的合理性。
在本申请实施例中，将三维坐标与材质编码为第一特征向量；弯曲信息编码为第二向量；组合后输入降维模型，在降维过程中对连接点坐标施加位置约束；输出保留拓扑关系的低维向量。
例如，对供水管线的坐标和材质数据编码为向量，弯曲曲线采样点编码为另一向量；降维计算时约束分支点坐标误差不超过设定阈值，最终输出压缩后的特征向量。
步骤106：基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。
在步骤106中，新建管线约束条件是指规划时必须满足的工程规范要求，包括与既有管线的最小安全间距、允许的最大曲率半径以及材质兼容性等限制条件，用于指导避让路径的生成和优化。避让规划方案表示满足间距与曲率约束的三维管线路径。
在本申请实施例中，解析新建管线的间距与曲率约束；在低维空间中搜索满足约束的路径节点序列；将选定序列逆映射为三维坐标；通过样条插值生成连续路径。
例如，根据燃气管线设计规范设定最小间距；在低维空间中筛选满足条件的节点组合；将节点转换回三维坐标后，用样条曲线生成最终路径，其中曲线参数通过求解插值方程组确定。
本方法通过多源数据融合与空间约束保持技术，实现密集城区管线遮挡段的精确重建，生成的避让方案既满足工程规范要求，又保持管线网络的拓扑合理性，提升复杂环境下管线迁改规划的准确性和效率。
为了解决被遮挡管线形态重建精度不足的问题，一些实施例中，步骤104：所述针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息，包括：
步骤201：从所述多源探测数据中分离出对应于被遮挡的管线部分的穿透探测数据片段。
在步骤201中，穿透探测数据片段是指从完整穿透数据中提取的、对应于被建筑物或地层遮挡区域的局部探测数据，包含该区段管线的深度及轮廓信息。
在本申请实施例中，通过分析多源探测数据中的信号中断区域确定遮挡范围，从融合数据中截取该区段对应的穿透探测数据，保留其深度及反射强度特征用于后续重构。
步骤202：基于相邻可见管段的走向趋势，构建空间参考轴线。
在步骤202中，相邻可见管段的走向趋势是指通过未被遮挡的管线部分的几何特征推导出的管线延伸方向规律，具体是通过计算相邻可见管段的中心线切向量角度变化率和曲率半径，采用最小二乘法拟合得到的管线延伸方向预测模型。空间参考轴线是指根据遮挡区两侧可见管段的几何特征延伸构建的理论中心线，用于指导被遮挡部位的形态重建。
在本申请实施例中，取遮挡区前后可见管段的中心点坐标，计算其走向角度和曲率变化趋势，通过多项式拟合生成延伸至遮挡区的参考轴线，该轴线保持与可见管段的自然衔接。
步骤203：将所述穿透探测数据片段与所述空间参考轴线进行对比，基于对比结果重构空间弯曲信息，得到重构后的空间弯曲信息。
在步骤203中，空间弯曲信息的重构过程是指通过对比实际探测数据与理论轴线的偏移分布，还原被遮挡管段的真实三维形态。
在本申请实施例中，将穿透探测数据片段的各点垂直投影至参考轴线，计算各投影点的距离偏移量及方向，基于偏移模式采用曲线拟合算法生成连续平滑的管线弯曲形态，确保与相邻管段的光滑过渡。
以下是一个具体示例：
在A城市道路改造工程中，针对地下供水管线被B建筑物基础遮挡的区段，首先从已融合的多源探测数据中提取该遮挡段对应的地质雷达探测数据片段，该片段包含8个探测点的深度信息，各点沿管线走向间距为0.5米。基于遮挡区两侧可见管段的中心线坐标，取前5米管段的方位角平均值32度和倾角5度，构建空间参考轴线方程z=tan5°·x+1.85，其中x轴方向按方位角32度确定。将8个探测点的三维坐标与参考轴线进行对比，计算各点距轴线的垂直距离d_i=|0.087x_i-z_i+1.85|/√(0.087²+1)，其中x_i、z_i为探测点坐标，得到距离序列0.12米、0.15米、0.18米、0.22米、0.25米、0.23米、0.20米、0.17米。根据距离序列采用最小二乘法拟合三次曲线方程z=1.85+0.002x³-0.015x²+0.032x，其中系数通过求解正规方程组Σx_i^6·a+Σx_i^5·b+Σx_i^4·c=Σx_i^3·d_i确定，保证拟合误差小于0.04米。
在本申请实施例中，通过穿透数据片段与参考轴线的协同分析，实现了被遮挡管线弯曲形态的高精度重建，既克服了单一数据源的视野局限，又保证了重建结果与既有管线的自然衔接，为后续避让规划提供了可靠的空间约束基础。
为了进一步提高被遮挡管线弯曲形态的重构精度，一些实施例中，步骤203：所述基于对比结果重构空间弯曲信息，得到重构后的空间弯曲信息，包括：
步骤301：根据对比结果计算所述穿透探测数据片段的各空间点位至所述参考轴线的垂直距离值，形成的垂直距离值序列。
在步骤301中，垂直距离值序列是指穿透探测数据中各空间点位到参考轴线的垂直距离按探测顺序排列形成的数值序列，反映管线实际走向与理论轴线的偏离程度。
在本申请实施例中，通过计算穿透探测数据片段中每个探测点到参考轴线的垂直距离，按照探测点的空间顺序排列形成距离变化序列，该序列用于分析管线弯曲的幅度变化特征。
步骤302：根据所述垂直距离值序列中各垂直距离值的正负符号，生成点位偏移方向序列。
在步骤302中，点位偏移方向序列是指根据垂直距离值的正负符号确定的管线偏移方向记录，正值表示偏向轴线一侧，负值表示偏向另一侧。
在本申请实施例中，对垂直距离值序列中的每个数值进行符号判断，生成由正负号组成的序列，反映管线相对于参考轴线的左右偏移趋势，为后续曲线构建提供方向指引。
步骤303：基于所述点位偏移方向序列，构建连续形态曲线。
在步骤303中，连续形态曲线是指基于偏移方向序列和距离值构建的平滑三维曲线，描述被遮挡管段的实际弯曲形态。
在本申请实施例中，根据偏移方向序列确定曲线走向，结合垂直距离值序列的幅度变化，采用曲线拟合方法生成与相邻管段自然衔接的连续曲线，确保管线形态的物理合理性。
步骤304：对所述连续形态曲线进行平滑处理，将平滑后的连续形态曲线作为重构后的空间弯曲信息。
在本申请实施例中，通过数学平滑算法调整曲线控制点的位置，使曲率变化均匀过渡，最终输出满足工程要求的平滑连续的空间弯曲信息。
以下是一个具体示例：
在A城市地下管线改造项目中，针对被C建筑物遮挡的直径600毫米供水管线段，基于已获得的8个探测点垂直距离序列0.12米、0.15米、0.18米、0.22米、0.25米、0.23米、0.20米、0.17米，首先确定各距离值均为正数，生成由8个"右"组成的偏移方向序列，表示管线整体位于参考轴线右侧。基于该序列，采用三次多项式拟合构建初始形态曲线，曲线方程系数通过解方程组Σx_i^6·a+Σx_i^5·b+Σx_i^4·c=Σx_i^3·d_i确定，其中x_i表示第i个探测点的水平位置，d_i表示对应的垂直距离值，求得曲线方程为z=1.85+0.002x³-0.015x²+0.032x。对该曲线进行平滑处理时，采用移动平均法对相邻三点坐标取均值，调整后的曲线曲率变化率控制在每米0.15以内，最终输出平滑后的空间弯曲信息用于后续规划，其中曲线平滑度通过计算相邻段曲率差验证，确保不超过工程允许的0.05每米变化率标准。
在本申请实施例中，通过垂直距离序列与偏移方向序列的协同分析，结合曲线拟合与平滑优化，实现了被遮挡管线弯曲形态的高保真重构，既保证了与相邻管段的自然衔接，又满足了工程应用的精度要求，为后续管线迁改规划提供了可靠的空间数据基础。
为了进一步提高管线弯曲形态的平滑性和连续性，一些实施例中，步骤304：所述对所述连续形态曲线进行平滑处理，包括：
步骤401：对平滑后的连续形态曲线进行等距分割，生成多个曲线分段。
在步骤401中，曲线分段是指将连续形态曲线按固定长度划分形成的若干段落，每个段落包含起始点和终止点。
在本申请实施例中，按照设定的分段长度将整条曲线划分为若干段落，确保每个段落的长度一致，便于后续统一处理和分析。
步骤402：计算每个曲线分段端点的弯曲方向变化量。
在步骤402中，弯曲方向变化量是指曲线分段两端点处切线方向的角度差值，反映该段曲线的弯曲程度。
在本申请实施例中，计算每个曲线分段起点和终点处的切线方向，求取两者之间的角度差作为该段的弯曲特征量，用于评估曲线变化的剧烈程度。
步骤403：检测相邻曲线分段端点的弯曲方向变化量是否满足预设的一致性条件。
在步骤403中，一致性条件是指相邻曲线分段的弯曲方向变化量差异不超过设定阈值，确保曲线过渡自然。
在本申请实施例中，比较相邻分段弯曲方向变化量的差值，判断是否满足平滑过渡要求，筛选出符合标准的曲线段落组合。
步骤404：根据检测结果，连接满足所述一致性条件的曲线分段，形成平滑后的连续形态曲线。
在步骤404中，平滑后的连续形态曲线是指通过连接符合要求的曲线分段形成的最终优化曲线。
在本申请实施例中，对满足一致性条件的相邻曲线分段进行端点匹配和连接，必要时在连接处进行局部调整，生成整体平滑的管线弯曲形态。
以下是一个具体示例：
在A城区地下管网改造工程中，针对已重建的供水管线弯曲曲线z=1.85+0.002x³-0.015x²+0.032x进行平滑优化处理。首先将曲线在水平方向按0.6米间距等距分割，得到5个曲线分段，分段点x坐标分别为0米、0.6米、1.2米、1.8米、2.4米。计算各分段端点处的弯曲方向变化量，通过求取曲线一阶导数tanθ=dz/dx=0.006x²-0.03x+0.032，得到各端点角度值θ_i=arctan(0.006x_i²-0.03x_i+0.032)，计算相邻分段角度差Δθ=θ_{i+1}-θ_i，获得变化量序列3.0度、2.7度、2.2度、1.8度。设定一致性条件为相邻Δθ差值不超过1.2度，经检测所有分段均满足要求。将符合条件的分段通过端点坐标匹配连接，其中连接处采用三次样条插值确保曲率连续，插值参数通过求解方程组S''(x_i)=S''(x_{i+1})确定，最终形成平滑后的连续曲线。其中曲率半径R通过公式R=[1+(dz/dx)²]^(3/2)/|d²z/dx²|计算获得，dz/dx表示曲线一阶导数，d²z/dx²表示二阶导数。
在本申请实施例中，通过曲线分段处理和一致性检测的连接方式，有效消除了形态曲线中的局部突变点，保证了管线弯曲变化的自然过渡，既维持了原始数据的准确性，又提升了曲线整体的平滑度，为管线迁改提供了更可靠的几何基础。
为了进一步提高多源数据融合的精度和完整性，一些实施例中，步骤102：所述将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据，包括：
步骤501：建立所述激光扫描点云数据的地表坐标体系与所述穿透探测数据的地下坐标体系之间空间位置对应关系。
在步骤501中，激光扫描点云数据的地表坐标体系是通过激光扫描仪对地面以上管线进行三维扫描时直接建立的坐标系，该坐标系以扫描仪位置为原点，通过测量激光反射点的XYZ坐标构成。穿透探测数据的地下坐标体系是通过地质雷达等穿透探测设备采集地下数据时建立的坐标系，该坐标系以探测起始点为基准，深度方向垂直于地面向下延伸。深度在此处特指穿透探测数据中描述地下管线距离地面的垂直距离数值，即管线埋深数据。空间位置对应关系是指地表坐标系与地下坐标系之间的转换规则，包括坐标原点的对齐方式和轴向的对应关系。
在本申请实施例中，通过选取地面基准点作为共同原点，建立两个坐标系的转换关系，其中地表坐标系的Z轴向上，地下坐标系的Z轴向下，两者通过高度差建立联系。
步骤502：根据所述空间位置对应关系，识别所述激光扫描点云数据与所述穿透探测数据中描述同一既有管线部位的共同覆盖区域。
在步骤502中，共同覆盖区域是指激光扫描和穿透探测同时能够探测到的管线区段，表现为两类数据在该区域均有有效探测结果。
在本申请实施例中，通过对比两类数据在空间上的分布范围，找出两者都包含有效探测数据的区段，这些区段即为共同覆盖区域。
步骤503：在共同覆盖区域内，将所述穿透探测数据中的地下深度数据按照所述空间位置对应关系映射至所述地表坐标体系。
在步骤503中，穿透探测数据中的地下深度信息是指通过地质雷达等穿透探测设备获取的地下管线埋深数据，该信息来自设备发射的电磁波遇到管线后的反射时间差计算得出，具体数值为电磁波往返时间乘以介质中波速的一半。地下深度信息与地下坐标体系的关系：地下深度信息是地下坐标体系中的核心参数，该体系以探测起始点为原点，深度方向垂直向下延伸，深度信息即表示管线在该坐标系中的垂直坐标值，二者是数据与载体框架的关系。地下深度数据的映射过程是指将穿透探测获得的地下深度值转换到地表坐标系中的过程。
在本申请实施例中，在共同覆盖区域内，根据建立的坐标转换关系，将穿透探测得到的地下深度值转换为地表坐标系中的高度值，实现数据的统一表达。
步骤504：对于非共同覆盖区域，保留所述穿透探测数据中原始的地下深度数据。
在步骤504中，原始的地下深度数据是指穿透探测在非共同覆盖区域获得的未经转换的深度信息。
在本申请实施例中，对于只有穿透探测能够探测到的区域，保留其原始的深度测量结果，确保数据完整性。
步骤505：将共同覆盖区域内映射后的地下深度数据与非共同覆盖区域内原始的地下深度数据进行融合，形成多源探测数据。
在步骤505中，数据的融合过程是指将转换后的共同覆盖区数据与原始非共同覆盖区数据整合为统一数据集的过程。
在本申请实施例中，将经过坐标转换的共同覆盖区数据和保留原始形式的非共同覆盖区数据按空间位置进行合并，形成完整的多源探测数据集。
以下是一个具体示例：
在A城区主干道地下管线改造项目中，采用C型激光扫描仪以0.2米间距扫描获取地面供水管线支架的点云数据，同时使用D型地质雷达以每米5个测点的密度探测地下管线。选取道路起点处的地面基准点作为坐标原点，建立地表坐标系Z轴向上与地下坐标系Z轴向下的转换关系，具体通过公式Z_地表=-Z_地下+2.15实现坐标统一，其中2.15米是地面到雷达探测起始面的实测高差。在X方向18-23米区段，激光扫描显示地面检修井中心坐标X=20.5米，Y=4.2米，对应雷达探测到管线顶点埋深1.92米，经转换得到地表坐标Z=-1.92+2.15=0.23米。在X方向25-30米建筑物遮挡段，保留雷达原始深度数据1.85-2.03米。最终形成的多源探测数据包含：共同覆盖区坐标X=20.5米，Y=4.2米，Z=0.23米，非覆盖区深度值1.85-2.03米，其中坐标转换精度通过地面控制点校核，误差控制在0.015米以内。
在本申请实施例中，通过建立精确的坐标转换关系，实现了地上地下数据的无缝融合，既保留了各类数据的原始特征，又确保了数据在统一坐标系下的准确表达，为后续管线三维重建提供了完整可靠的数据基础。
为了进一步提高管线数据处理的效率和保持管线网络的拓扑关系，一些实施例中，步骤105：所述基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据，包括：
步骤601：将所述数据集中的三维位置信息以及材质属性编码为第一特征向量。
在步骤601中，第一特征向量是指将管线三维坐标和材质属性转换成的数值序列，用于表征管线的基础空间和材质特征。
在本申请实施例中，从数据集中提取管线关键点的三维坐标值和对应的材质编码，按照固定顺序排列形成数值向量，确保每个管线段的基础特征得到完整表达。
步骤602：将所述重构后的空间弯曲信息编码为第二特征向量。
在步骤602中，第二特征向量是指将重构后的空间弯曲信息转换成的数值序列，用于描述管线的弯曲形态特征。
在本申请实施例中，对重构的弯曲曲线进行等间距采样，记录各采样点的空间位置参数，按顺序排列形成描述管线弯曲特性的数值序列。
步骤603：将所述第一特征向量与所述第二特征向量进行组合，将组合结果输入降维计算模型，所述降维计算模型在降维过程中对所述组合结果施加管线连接点的空间位置约束。
在步骤603中，空间位置约束是指在降维过程中强制保持的管线连接点相对位置关系，确保拓扑结构不被破坏。
在本申请实施例中，在降维计算时对管线交汇点和分支点的坐标变化范围进行限制，要求这些关键点在降维前后保持相对位置关系不变。
步骤604：根据所述空间位置约束，输出低维表达数据。
在本申请实施例中，通过受约束的降维计算，输出维度降低但包含管线空间结构和连接关系的特征向量，用于后续高效处理。
以下是一个具体示例：
在A城区地下供水管网改造工程中，针对已建立的包含坐标和材质属性的数据集以及重构的弯曲曲线z=1.82+0.0018x³-0.014x²+0.03x，首先选取管线关键节点的三维坐标和材质编码组成第一特征向量，其中材质铸铁编码为0.84，钢管编码为0.91。对重构的弯曲曲线按0.5米间距采样15个点，将各点的空间位置参数排列形成第二特征向量。将两个向量组合后输入降维模型，在计算过程中约束2个分支点的坐标变化不超过0.04米，该约束通过优化目标函数minΣ||WX-Y||²+λΣ||C_j(X)-D_j||²实现，其中W表示投影矩阵，X是输入数据，Y是输出数据，C_j(X)表示第j个约束条件，D_j是约束目标值，λ取0.5用于平衡重构误差和约束满足度。最终输出6维特征向量，经检验分支点位置误差为0.035米，弯曲特征保留完整，其中降维后的特征向量各维度权重通过求解特征值问题(W^TW+λC^TC)v=γv确定，v表示特征向量，γ表示特征值。
在本申请实施例中，通过特征向量组合和约束降维的方法，实现了管线数据的高效压缩处理，既大幅降低了数据维度，又完整保留了管线的空间连接关系，为后续避让规划提供了既精简又准确的数据基础。
为了进一步提高新建管线避让规划的合理性和可行性，一些实施例中，步骤106：所述基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案，包括：
步骤701：从所述新建管线约束条件中解析出空间位置条件与形态条件。
在步骤701中，空间位置条件是指新建管线与既有管线需要保持的最小安全距离要求。形态条件是指新建管线允许的最大弯曲程度限制。
在本申请实施例中，从工程规范中提取新建管线与各类既有管线的最小间距标准，以及根据管线材质和用途确定的曲率半径限制，作为规划的基本约束条件。
步骤702：将所述低维表达数据转换为障碍物约束边界，结合所述障碍物约束边界和所述空间位置条件，构建新建管线的路径可行域空间。
在步骤702中，障碍物约束边界是指将低维数据表达的既有管线特征转换为新建管线需要避让的空间范围界限。路径可行域空间是指在扣除既有管线避让边界和安全距离后，新建管线允许布设的三维空间范围，该空间确保新建管线满足与既有设施的安全间距要求，同时符合工程设计的布局规范。
在本申请实施例中，根据低维特征向量还原既有管线的空间影响范围，结合安全距离要求，划定新建管线不能进入的禁止区域，形成明确的避让边界。
步骤703：在所述路径可行域空间中生成新建管线的候选路径节点序列。
在步骤703中，候选路径节点序列是指在可行域空间内初步生成的若干可能路径的关键控制点集合，每个序列代表一种潜在的管线走向方案，包含路径转折点和特征点的空间坐标。
在本申请实施例中，在扣除障碍物约束边界后剩余的空间内，按照工程设计要求确定管线可以布置的区域范围，作为路径搜索的基础空间。
步骤704：从所述候选路径节点序列中筛选符合所述形态条件的关键路径节点序列。
在步骤704中，关键路径节点序列是指从候选方案中筛选出的符合形态约束（如曲率、坡度等）的最优路径控制点序列，该序列既能满足避让要求，又能保证管线走向的工程合理性。
在本申请实施例中，在可行域空间内按照一定规则生成多条可能的路径走向，记录每条路径的关键转折点坐标，形成备选方案集合。
步骤705：将所述关键路径节点序列通过逆映射转换至原始三维坐标系，生成避让规划方案。
在步骤705中，原始三维坐标系是通过融合地表坐标体系与地下坐标体系建立的统一空间基准，其中地表坐标体系提供地面以上管线的XY平面坐标，地下坐标体系提供管线的深度Z值，二者通过坐标转换公式X'=X、Y'=Y、Z'=-Z+H建立关联（H为地面到探测基准面的高差），最终形成包含完整地上地下信息的统一三维坐标系统。
在本申请实施例中，将筛选出的最优路径节点序列转换回原始坐标系，通过曲线拟合生成连续平滑的三维管线路径，形成可实施的工程方案。
以下是一个具体示例：
在A城区地下燃气管线新建工程中，基于既有供水管线的6维低维特征向量生成避让方案。首先根据燃气设计规范解析约束条件，确定与供水管线的最小安全距离为0.5米，最大允许曲率半径为2米。将低维特征向量通过转换矩阵还原为三维空间中的障碍物边界，其中边界范围通过公式R=√(x²+y²+z²)+0.5计算获得，R表示安全边界半径，x、y、z为低维向量转换后的坐标偏移量。在扣除障碍物边界后，构建出新建管线的可行布设区域，该区域在X方向18-25米、Y方向3-5米、Z方向-1.8至-1.2米范围内。在可行域内采用网格搜索法生成3条候选路径，每条路径包含7个关键节点，节点间距为1.2米。通过计算各路径的曲率半径R=[1+(dz/dx)²]^(3/2)/|d²z/dx²|，筛选出曲率半径均大于2.1米的最优路径节点序列。将该序列通过逆映射转换至原始坐标系，使用三次样条插值生成最终避让路径，插值参数通过求解方程组S''(x_i)=S''(x_{i+1})确定，其中S表示分段三次多项式，x_i为节点坐标。
在本申请实施例中，通过将低维数据转换为空间约束，并在可行域内优化路径选择，实现了新建管线与既有管线的安全避让，既满足了工程规范要求，又保证了管线布置的合理性和施工可行性。
图2为本申请实施例提供的一种自适应管线迁改智能规划系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括：
获取模块21，用于获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据。
融合模块22，用于将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据。
建立模块23，用于基于所述多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集。
重构模块24，用于针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息。
输入模块25，用于基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据。
生成模块26，用于基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。
图2所述的一种自适应管线迁改智能规划系统可以执行图1所示实施例所述的一一种自适应管线迁改智能规划方法，其实现原理和技术效果不再赘述。对于上述实施例中的一种自适应管线迁改智能规划系统其中各个模块、单元执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
在一个可能的设计中，图2所示实施例的一种自适应管线迁改智能规划系统可以实现为计算设备，如图3所示，该计算设备可以包括存储组件31以及处理组件32；
所述存储组件31存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令供所述处理组件32调用执行。
所述处理组件32用于执行上述图1所述实施例的一种自适应管线迁改智能规划方法。
其中，处理组件32可以包括一个或多个处理器来执行计算机指令，以完成上述的方法中的全部或部分步骤。当然处理组件也可以为一个或多个应用专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）、数字信号处理器（Digital SignalProcess，DSP）、数字信号处理设备（Digital Signal Process Device ，DSPD）、可编程逻辑器件（Programmable Logic Device ，PLD）、现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray，FPGA）、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述方法。
存储组件31被配置为存储各种类型的数据以支持在终端的操作。存储组件可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM），电可擦除可编程只读存储器（ElectricallyErasable Programmable Read Only Memory，EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM），可编程只读存储器（ProgrammableRead Only Memory，PROM），只读存储器（Read Only Memory，ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
当然，计算设备必然还可以包括其他部件，例如输入/输出接口、显示组件、通信组件等。
输入/输出接口为处理组件和外围接口模块之间提供接口，上述外围接口模块可以是输出设备、输入设备等。
通信组件被配置为便于计算设备和其他设备之间有线或无线方式的通信等。
其中，该计算设备可以为物理设备或者云计算平台提供的弹性计算主机等，此时计算设备即可以是指云服务器，上述处理组件、存储组件等可以是从云计算平台租用或购买的基础服务器资源。
本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被计算机执行时可以实现上述图1所示实施例的一种自适应管线迁改智能规划方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种自适应管线迁改智能规划方法，其特征在于，包括：
获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据；
将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据；
基于所述多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集；
针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息；
基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据；
基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息，包括：
从所述多源探测数据中分离出对应于被遮挡的管线部分的穿透探测数据片段；
基于相邻可见管段的走向趋势，构建空间参考轴线；
将所述穿透探测数据片段与所述空间参考轴线进行对比，基于对比结果重构空间弯曲信息，得到重构后的空间弯曲信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于对比结果重构空间弯曲信息，得到重构后的空间弯曲信息，包括：
根据对比结果计算所述穿透探测数据片段的各空间点位至所述参考轴线的垂直距离值，形成的垂直距离值序列；
根据所述垂直距离值序列中各垂直距离值的正负符号，生成点位偏移方向序列；
基于所述点位偏移方向序列，构建连续形态曲线；
对所述连续形态曲线进行平滑处理，将平滑后的连续形态曲线作为重构后的空间弯曲信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述连续形态曲线进行平滑处理，包括：
对平滑后的连续形态曲线进行等距分割，生成多个曲线分段；
计算每个曲线分段端点的弯曲方向变化量；
检测相邻曲线分段端点的弯曲方向变化量是否满足预设的一致性条件；
根据检测结果，连接满足所述一致性条件的曲线分段，形成平滑后的连续形态曲线。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据，包括：
建立所述激光扫描点云数据的地表坐标体系与所述穿透探测数据的地下坐标体系之间空间位置对应关系；
根据所述空间位置对应关系，识别所述激光扫描点云数据与所述穿透探测数据中描述同一既有管线部位的共同覆盖区域；
在共同覆盖区域内，将所述穿透探测数据中的地下深度数据按照所述空间位置对应关系映射至所述地表坐标体系；
对于非共同覆盖区域，保留所述穿透探测数据中原始的地下深度数据；
将共同覆盖区域内映射后的地下深度数据与非共同覆盖区域内原始的地下深度数据进行融合，形成多源探测数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据，包括：
将所述数据集中的三维位置信息以及材质属性编码为第一特征向量；
将所述重构后的空间弯曲信息编码为第二特征向量；
将所述第一特征向量与所述第二特征向量进行组合，将组合结果输入降维计算模型，所述降维计算模型在降维过程中对所述组合结果施加管线连接点的空间位置约束；
根据所述空间位置约束，输出低维表达数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案，包括：
从所述新建管线约束条件中解析出空间位置条件与形态条件；
将所述低维表达数据转换为障碍物约束边界，结合所述障碍物约束边界和所述空间位置条件，构建新建管线的路径可行域空间；
在所述路径可行域空间中生成新建管线的候选路径节点序列；
从所述候选路径节点序列中筛选符合所述形态条件的关键路径节点序列；
将所述关键路径节点序列通过逆映射转换至原始三维坐标系，生成避让规划方案。
8.一种自适应管线迁改智能规划系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取地面以上既有管线的激光扫描点云数据和穿透探测数据；
融合模块，用于将所述激光扫描点云数据和所述穿透探测数据进行融合，形成既有管线的多源探测数据；
建立模块，用于基于所述多源探测数据，建立包含三维位置信息及材质属性的数据集；
重构模块，用于针对所述既有管线中被遮挡的管线部分，基于所述多源探测数据重构所述被遮挡的管线部分的空间弯曲信息；
输入模块，用于基于所述数据集与重构后的空间弯曲信息，利用降维计算模型生成保留既有管线连接结构的低维表达数据；
生成模块，用于基于所述低维表达数据与预设的新建管线约束条件，生成新建管线的避让规划方案。
9.一种计算设备，其特征在于，包括处理组件以及存储组件；所述存储组件存储一个或多个计算机指令；所述一个或多个计算机指令用以被所述处理组件调用执行，实现如权利要求1~7任一项所述的一种自适应管线迁改智能规划方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被计算机执行时，实现如权利要求1~7任一项所述的一种自适应管线迁改智能规划方法。
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