Методы / САПР

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ

Практикум

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2017

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ

Практикум

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2017

УДК 004

ББК 30.2-5-05 С34

Системы автоматизированного проектирования транспортных маС34 гистралей : практикум / Ю. А. Милюшкан, Ю. В. Федорова, В. А. Голуб-

цов. – СПб. : ФГБОУ ВО ПГУПС, 2017. – 50 с.

В практикуме описаны общие положения и порядок работы с современными программными продуктами для проектирования строительства транспортных магистралей.

Издание предназначено для обучающихся транспортных вузов очной и заочной форм, выполняющих лабораторные работы и дипломные проекты с использованием систем автоматизированного проектирования.

УДК 004

ББК 30.2-5-05

© ФГБОУ ВО ПГУПС, 2017

2

Основная цель создания САПР – повышение эффективности труда инженеров, в том числе:

сокращение трудоёмкости проектирования и планирования;

сокращение сроков проектирования;

сокращение себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;

повышение качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;

сокращение затрат на натурное моделирование и испытания. Достижение этих целей обеспечивается путем:

автоматизации оформления документации;

информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений;

использования технологий параллельного проектирования;

унификации проектных решений и процессов проектирования;

повторного использования проектных решений, данных и наработок;

стратегического проектирования;

замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;

повышения качества управления проектированием;

применения методов вариантного проектирования и оптимизации. Сфера применения САПР стала неотъемлемой частью проектирова-

ния железных дорог. Наибольший эффект может быть получен лишь при организации комплексного процесса автоматизированного проектирования, охватывающего все стадии проектных работ и включающего графический диалог машины и человека с использованием наглядных изображений.

В настоящее время существует множество программных комплексов для автоматизированного проектирования дорог. Практически все комплексы имеют похожую структуру и предполагают примерно одинаковую технологию проектирования, включающую следующие этапы проектирования участка новой железной дороги:

обработка материалов изысканий и создание цифровой модели местности;

трассирование железной дороги;

проектирование продольного профиля;

проектирование поперечных профилей и верхнего строения пути;

проектирование искусственных сооружений;

расчет объемов работ и оценка проектных решений и реконструкции существующей железной дороги;

выполнение тяговых расчетов;

проектирование выправки (рихтовки) существующего плана линии;

4

проектирование реконструкции продольного профиля существующего пути и вторых путей;

расчет объемов работ.

1.2.Создание цифровой модели местности

Обязательным для проектирования в САПР новых и реконструкции существующих железных дорог является наличие цифровой модели местности (ЦММ).

Обработка материалов изысканий и создание ЦММ – одни из наиболее ответственных процессов. Соответствие модели реальному рельефу в значительной степени определяет достоверность последующих результатов проектирования.

ЦММ – это информационная база, элементами которой является то- пографо-геодезическая информация о местности, включающая в себя метрическую, синтаксическую, семантическую, структурную и общую информацию.

Топографическая ЦММ характеризует ситуацию и рельеф местности. Она состоит из цифровой модели рельефа местности (ЦМРМ) и цифровой модели контуров (ситуации) местности (ЦМКМ). ЦММ может дополняться моделью специального инженерного назначения (ЦМИН). В инженерной практике часто используют сочетание цифровых моделей, характеризующих ситуацию, рельеф, гидрологические, инженерно-геологические, тех- нико-экономические и другие показатели.

Способ создания ЦММ (или цифровой модели рельефа – ЦМР) определяется исходными данными.

Решение о способе получения исходных данных, на основе которых будет построена ЦММ, определяется, в свою очередь, объёмами работ, ситуационными условиями исследуемого района, а также необходимой точностью и стадией проекта.

Исходными данными для создания ЦММ являются результаты топографической съёмки, данные о геологии и гидрографии местности, представленные в том или ином виде в зависимости от назначения создаваемой ЦММ.

Основой для ЦММ могут служить следующие материалы:

1.Существующие графические документы – картографический материал на бумажном носителе (карты в горизонталях различного масштаба). Подобные материалы для создания ЦММ используются в основном на стадии предпроекта.

2.Натурная топографическая съёмка местности.

3.Фотограмметрия – технология дистанционного зондирования Земли, позволяющая определять геометрические, количественные и другие свойства объектов на поверхности Земли по фотографическим изображе-

5

ниям (как правило, по стереоснимкам), получаемым с помощью летательных аппаратов любых видов.

4.Радиолокационная съёмка, в основе которой лежит сбор пространственной информации с использованием радиолокаторов для определения расстояний относительно радиолокационной станции, размещённой на аэрокосмическом аппарате (спутник, космическая станция, самолёте и пр.). Полученные расстояния переводятся с помощью опорных пунктов в известную систему координат.

5.Лазерное сканирование (наземное и воздушное) представляет собой метод сбора геопространственной информации, который заключается в получении трехмерной точечной модели исследуемого объекта с помощью лазерных сканеров. Принцип их действия основан на измерении расстояний до исследуемых объектов и фиксации направлений на эти расстояния.

При создании ЦММ на основе графического материала необходимо учитывать, что их точность будет зависеть от масштаба и качества исходного материала. Как правило, моделями, созданными на основе растровых карт, пользуются на предпроектном этапе разработки проекта.

Главными этапами создания ЦММ, от которых будет зависеть качество результата, являются векторизация и введение дополнительных структурных линий.

Векторизация – это преобразование чертежей, карт, схем, представленных в растровом виде (фотография), в цифровые форматы для дальнейшей работы с ними в системах автоматического проектирования.

Существуют десятки программ, предназначенных для обработки и векторизации растровых данных, как в виде самостоятельной программы

(AutoTrace, Easy Trace, Raster to Vector и пр.), так и в виде модуля в составе программного комплекса (ArcView, AutoCAD Raster Design, Панорама и пр.).

Обработка исходных данных может осуществляться, в зависимости от возможностей программного обеспечения (ПО) и качества растровых изображений, следующими способами:

1.Ручным – этот способ поддерживается всеми программными комплексами и используется при обработке растров очень плохого качества, когда программа самостоятельно не в состоянии распознать векторизуемые объекты или при незначительных объёмах работы.

2.Полуавтоматическим, иначе называемым интерактивным. Это способ, при котором оператор в режиме реального времени контролирует работу программы, внося, по мере необходимости, исправления и корректируя ее. Данный способ применяется при работе с растрами среднего качества.

3.Автоматическим способом, при котором программа по заданным параметрам в полностью автоматическом режиме преобразует растровую информацию в векторный (цифровой) вид. В данном случае оператор не

6

контролирует процесс преобразования данных, а внесение исправлений возможно лишь после прекращения работы программного обеспечения. Автоматический метод обработки возможен только при высоком качестве исходных данных, в противном случае требуется предварительная обработка растровых изображений для повышения их качества. Автоматический режим работы поддерживают не все программные комплексы.

Порядок создания ЦММ на основе графических материалов:

1.Исправление искажений и привязка растровых материалов в требуемой системе координат.

В ряде случаев, когда для создания ЦММ используются ветхие или плохо напечатанные графические материалы, на них могут присутствовать хаотические искажения в пределах каждой ячейки сетки. В таких случаях требуется геометрическая коррекция растров с последующей привязкой. Геометрические искажения растра не всегда можно полностью исправить. Результат зависит от методики устранения искажений (методики деформации растра) и исходного состояния графических материалов.

2.Векторизация рельефа местности (горизонталей) и отдельных высотных точек с известными отметками выполняется в программе векторизации.

3.Векторизация гидрологической сети (ручьи, реки, водоёмы) – отличие этой стадии от векторизации горизонталей заключается в создании пространственных (трёхмерных) линий, соответствующих рекам, а не линий, лежащих на плоскости, как в случае с горизонталями. Выполняется в соответствующей программе, в случае наличия у неё функции построения трёхмерных линий, или в программе создания ЦММ путём введения структурной линии по оси водотока.

4.Восстановление форм рельефа местности по характерным формам

спомощью введения структурных линий. В первую очередь восстанавливаются линии логов и водоразделов. Выполняется в программе векторизации или программе создания ЦММ.

5.Исправление ЦММ, созданной программой, введением уточняющих структурных линий. Выполняется с целью совмещения горизонталей, рассчитанных и построенных программой, с горизонталями, восстановленными на основе графических материалов.

Таким образом, с помощью дополнительных структурных линий воссоздаётся каркас рельефа местности (ЦМР), который будет служить основой для выполнения проекта железной дороги.

В разделе 2 данных методических указаний представлен порядок выполнения работ по созданию ЦММ с помощью программного комплекса

Easy Trace v 7.99 Pro FREE.

7

1.3. Проектирование участка новой железной дороги в САПР

Основой формообразования будущей дороги является ее трасса, которая проектируется с учетом физических законов движения железнодорожных средств. Очертания этой трассы во многом предопределяют технические и транспортно-эксплуатационные качества будущей дороги.

При проектировании железных дорог применяют блочно-иерархический подход, который заключается в декомпозиции проектных задач на иерархические уровни и установлении связей между уровнями:

проектирования плана трассы;

проектирования продольного профиля;

проектирования поперечных профилей земляного полотна и ВСП. С момента появления автоматизированного проектирования были

выработаны принципиальные направления автоматизации проектных работ. Подходы к применению ЭВМ в проектной практике основывались на представлении о человеческом участии как основном критерии выбора направления автоматизации.

Положительной стороной человеческого участия является интуиция и опыт проектировщика – то, на чем основывается традиционная технология проектирования железных дорог. К отрицательным сторонам относятся невнимательность, утомляемость и другое – все, что негативно влияет на получение оптимального проектного решения.

Существуют три принципиальных направления автоматизации про-

ектных работ:

1. Использование возможностей ЭВМ для расширения круга рассматриваемых вариантов. При этом инженер-проектировщик назначает принципиальные решения, а все трудоемкие расчеты выполняются на ЭВМ.

2.Направленный поиск лучшего варианта трассы, когда инженер, пользуясь математическими методами, не просто интуитивно назначает каждый следующий вариант для рассмотрения, а постепенно, используя уже полученную информацию, приближается к лучшему решению. Все расчеты для каждого варианта выполняются на ЭВМ.

3.Оптимизация трассы, когда, игнорируя принцип варьирования и пользуясь специально разработанными методами, получают наилучшее (оптимальное) по выбранному критерию решение.

Порядок действий при трассировании в режиме диалога может быть следующий:

1.Инженер назначает вариант трассы в плане (задает координаты вершины угла (ВУ), радиусы круговых кривых, длины переходных кривых).

2.ЭВМ выполняет расчет плана – элементы кривых, координат точек деления трассы (пикеты и плюсы).

8

3.ЭВМ выполняет расчет отметок земли и строит линию земли на продольном профиле.

4.ЭВМ или инженер наносит проектную линию продольного профиля.

5.ЭВМ выполняет подбор типовых поперечных профилей земляного полотна, расчет объемов земляных работ и их стоимости, расчет эксплуатационных расходов.

6.Инженер анализирует полученные результаты, определяет необходимость и содержание корректировки назначенного решения.

7.Переход к п. 4. Если дальнейшего улучшения решения не происходит, то переход к п. 1. Если перемена положения трассы в плане не приводит к изменению критерия, то процесс закончен.

Перед проектированием инженер обрабатывает материалы изысканий и создает цифровую модель местности.

Процесс нахождения лучшего положения трассы может быть усовершенствован, если заменить в п. 4 нанесение проектной линии вручную на автоматизированное. Такая или подобная система проектирования дает возможность существенно расширить сферу варьирования. Но остается нерешенным вопрос о том, когда надо прекратить варьирование, хотя эмпирическим путем удалось установить, что варианты, близкие к оптимальному, очень незначительно отличаются один от другого по выбранным критериям.

На отечественном рынке разработчики Robur впервые реализовали такой подход к организации интерфейса. При редактировании плана изменяется продольный профиль; при изменении профиля смещаются поперечники; при модификации поперечника результат тут же отображается на плане. Robur-rail автоматически обеспечивает целостность пространственной модели. По выбранному варианту трассы железной дороги Robur-rail автоматически создает первое приближение проектного продольного профиля с соблюдением технических требований и позволяет выполнить динамический контроль геометрических параметров объекта.

В разделе 3 данных методических указаний представлен порядок выполнения работ по проектированию участка новой железной дороги с помощью программного комплекса «Топоматик Robur (ознакомительная вер-

сия) 15.0.20.8».

1.4.Выполнение тяговых расчетов в САПР

При разработке проекта новой или реконструкции существующей железной дороги тяговыми расчетами решают такие задачи, как:

выбор ограничивающего уклона;

определение энергетических показателей, связанных с движением поездов;

выбор элементов технического оснащения линии, в том числе типа локомотива;

9