Автоматизированное проектирование реконструкции трассы железных дорог

Проектирование реконструкции трассы железной дороги и ее элементов носит ком­плексный характер и состоит в последовательно-цикличной разработке проектов реконструк­ции. За ведущий элемент обычно принимается план, при этом последовательность разработки следующая: план → продольный профиль → поперечные профили (с возвратами).

Для получения информации о геометрических параметрах сущест­вующего пути обычно используют геодезическую съемку электрон­ными тахео­мет­рами, автоматически фикси­рующими на ма­шинных носителях результаты измерений, которые затем авто­матически преобразуются в исход­ные данные для проектирующих программ. Использование координатной съемки обеспечивает:

· повышение точности съемки;

· сокращение сроков камеральной обра­ботки;

· четкую ориентацию снятых объектов в коор­динат­ном пространстве;

· создание ЦММ по результатам съемки.

Кодирование данных съемки производится или непосредственно за прибором, или в камеральных условиях. Код каждой точки определяет ее при­надлежность определенному объекту (железнодорожный путь, опора контактной сети, светофор, бровка земляного полотна и т.д.). Наличие кодов то­чек, позволяет использовать их для последующей авто­матической обработки результатов съемки с формированием всех необходимых исходных данных для проектирующих и чертежных программ.

Рис.11.14

Технология координатной съемки (рис.11.14), совместно с системой кодирования была разрабо­тана для повышения уровня автоматизации проектно-изыска­тельских работ, повышения точно­сти цифрового моделирования объектов проектирования и сокращения вре­мени камеральной обработки данных съемки. Эта технология потен­циально несет в себе много воз­можно­стей, которые будут от­крываться вместе с ее раз­витием.

Рис.11.15

Результаты съемки преобразуются в координатную модель объекта проек­тирования (рис.11.15) с автоматическим формированием исходных данных для проектирующих программ.

Исходными данными для проектирования реконструкции плана железных дорог являются результаты геодезической съемки, включая информацию о габа­ритах, междупутьях и т.п.

Возможно использование результатов и других методов съемки, но основ­ной – координатный, позволяющий использовать цифровые техноло­гии при раз­работке проектов. Длина участка съемки для совместного расчета параметров элементов плана существующего пути обычно составляет 15-35 км. Возможен расчет и отдельной кривой, но после перехода к координат­ной съемке это не характерно.

Рис.11.16

Для расчета параметров элементов плана может использоваться координатная модель, показанная на рис.10.16. В формализованном виде она пред­ставляет собой таблицу (матрицу, массив) данных, содержащих описание элементов плана.

Набор данных, составляющих модель плана, разделен на две части: первичные и вторичные (расчетные).

К первым относятся: для круговой кривой – координаты центра и радиус (на­правление кривой определяется знаком, для левых кривых задается положительный радиус, для правых отрицательный), для прямой координаты ее начала и признак прямой (формально соответствует радиусу кривой, но зада­ется равным нулю).

Первичные данные содержат минимальный объем информации необходимой и достаточной для расчета всех параметров элементов плана, состав­ляющих набор вторичных (расчетных) данных. К этим данным относятся: углы поворота круговых кривых, длины круговых и переходных кривых, а также прямых вставок.

Рис.11.17

Для расчета проектных координат и сдвигов используется модель другого типа (рис.10.17). В ней все элементы плана – круговые и переходные кривые, прямые – описываются последовательно. В набор сведений по каждому элементу плана входят:

· координаты, , , точки начала элемента;

· расстояние, , до начала элемента от начала расчетного участка;

· угол, , поворота в начале элемента;

· радиус, , круговой кривой, для левых кривых он положительный, для пра­вых отрицательный; задание радиуса равным нулю - признак прямой.

Таков минимальный объем информации необходимый и достаточный для опреде­ления проектных координат и углов поворота, любой точки плана проектного пути, положение которой определено расстоянием от начала расчетного участка.  

Координатные модели плана формируются и взаимно преобразуются в процессе расчета.

Рис.11.18

Для определения величины проектного сдвига в точке c координатами ,  и углом поворота , лежащей на существующем пути и находящейся на расстоянии  от начала расчетного участка вычисляются (рис.11.18):

· координаты,  и , точки на проектном пути, лежащей на расстоянии  от на­чала уча­стка (используется специальный алгоритм):

- на параметрической координатной модели (см.рис.11.16) находится точка i, для которой ;

- если i-й элемент плана – прямая, то

                                                                  (11.1)

- если i-й элемент – круговая кривая, то

;                                                         (11.2)

,                                                         (11.3)

где ;

· разность длин проектного и существующего путей – расстояние от расчетной точки на проектном пути с координатами ,  до нормали к существующему пути, восстановленной из точки с координатами , :

,                                      (10.4)

- если , где e- малое число, вычисляется величина сдвига , иначе  и расчет повторяется;

· сдвиг – расстояние от данной точки на проектируемом пути до расчетной на су­ществующем пути (по нормали к существующему пути):

                                       (10.5)

Окончательная величина , полученная при  – разность длин суще­ствую­щего и проектного путей – включается в состав выходной информации.

Сами по себе все эти расчетные формулы не сложны, соответствующие расчетные схемы также проще, чем в традиционных методах, и проблема их использо­вания состоит лишь в очень большом объеме вычислений, необходимом для получения проектного реше­ния, который может быть выполнен только с ис­пользованием современной вычисли­тельной техники.

Рис.11.19

Результаты расчета параметров элементов плана (рис.11.19):

· точная, геометрически правильная, математическая модель плана на рас­четном участке с учетом всех пространственных и нормативных ограничений. Точность модели обеспечивает корректность отображения плана ли­нии на чертежах, создаваемых с использованием цифровых технологий, при разработке проектной документации, а затем и выносе проекта в натуру;

· геометрические параметры элементов плана. Структура плана – положе­ние кривых и прямых, их число, деление кривых на однорадиусные и мно­горадиусные, параметры элементов – распознаются автоматически и оп­ти­мизируется;

· точные значения проектных сдвигов и координат оси пути в точках съемки или на протяжении всего участка с выбранным шагом дискретности.

Рис.11. 20

При проектировании реконструкции продольного профиля обеспечивается автоматическая укладка проектной линии с учетом всех формализо­ван­ных ограничений. В режиме интерактивной корректировки возможен учет неформализованных и/или не формализуемых условий проектирования (рис.11.20).

Все результаты проектирования представляются в виде таблиц стандартного образца и/или в виде файлов в формате специализированных чер­тежных программ или AutoCAD.

Математические методы проектирования реконструкции про­дольного профиля железных дорог – проекции градиента, последовательного анализа вариантов, мини­мальной поправки, используемые в различных проектирующих программах – стан­дартные математические методы, реализация которых к настоящему времени доста­точно хорошо освоена разработчиками про­граммных средств АПР.

Например, метод проекции градиента сводится к последовательной реализации множества стандартных операций с матрицами большой размерно­сти (транспониро­вание, обращение, умножение), которые обеспечивают по­иск точки минимума целе­вой функции (строительной стоимости) при вариа­циях управляемых переменных (отметок проектной линии) в пределах до­пускаемой области их изменения, опреде­ляемой ограничениями оптимизаци­онной задачи (нормы проектирования).

Рис.11.21

Проектирование реконструкции поперечных профилей земляного полотна ведут в интерактивном режиме после определения проектного положения оси реконструируемого пути в плане и продольном профиле (рис.11.21)