Совершенствование методов автоматизированного проектирования трассы железной дороги

Использование информационных технологий позволяет обеспечить сопровождение процесса принятия решений на всех стадиях разработки проекта новой железнодорожной линии оперативной информационной поддержкой. Реализация такой поддержки требует организации управления источниками информации, выбора наилучших характеристик информационной модели и эффективного аппарата управления процессом проектирования.

В современных условиях проектирования трассы железных дорог с применением средств вычислительной техники (автоматизированного проектирования) процесс работы с такой информационной моделью может быть организован различными способами (методами), среди которых, вероятно, существует и оптимальный.

Произведенный анализ применяемых в настоящее время программных средств показал, что их работа основана на использовании «компьютерных аналогов» управления информационными моделями, применяемыми при традиционном (неавтоматизированном) проектировании. В первую очередь это относится к организации начального этапа проектирования — трассирования железнодорожной линии по карте в горизонталях.

Организационное управление информационной моделью на основе копирования традиционных технологий укладки трассы в период создания первых САПР определялось уровнем развития вычислительной техники того времени, однако такой подход сохраняется и в более поздних разработках.

Существенный рост мощности вычислительной техники (быстродействие, объём оперативной памяти) определяет возможность перехода от копирования традиционных технологий к реализации собственно машинных технологий, заменяющих традиционные. На целесообразность и актуальность такого перехода обращал внимание академик В. М. Глушков: «При автоматизации организационного управления на основе использования ЭВМ следует помнить, что главным залогом её успеха является коренное изменение традиционной технологии организационного управления».

Предлагаемый автором подход к организации и способам работы с информационной (визуальной) моделью трассы железной дороги является попыткой оптимизации процесса принятия решений на начальной стадии проектирования трассы железных дорог, традиционно определяемом как «трассировании по карте в горизонталях».

Как отмечалось выше возможность такого подхода определяется существенным ростом мощности вычислительной техники, однако требует повышения наукоёмкости средств поддержки процесса принятия решений по трассе железной дороги в рамках ее автоматизированного проектирования.

Целью настоящего исследования является создание такой технологии автоматизированного трассирования, которая, используя возможности средств современной вычислительной техники, позволяла бы в процессе укладки плана трассы железнодорожной линии получать оперативную информацию по продольному профилю укладываемого участка трассы в режиме реального времени. Основной задачей исследования является разработка элементов теории, методики, технологии и практическая реализация предлагаемого подхода к организации процесса автоматизированного трассирования. Исследование можно разделить на следующие этапы:

1. Обоснование критерия оптимальности очертания продольного профиля для предварительной оценки проектного решения по трассе железнодорожной линии;

2. Применение метода оптимизации для автоматического построения проектной линии продольного профиля;

3. Исследование цифровых моделей рельефа местности, обеспечивающих построение продольного профиля земли в режиме реального времени;

4. Разработка и программная реализация предлагаемой технологии трассирования железной дороги с поддержкой анализа результатов проектирования в режиме реального времени.

Задачи решались в соответствии с общепринятой методикой выполнения научных исследований. То есть, были выполнены обобщение и анализ предшествующих исследований, произведена выработка рабочих гипотез и концепций, проведены аналитические исследования, реализована разработка технологических процессов и их методического обеспечения.

В первой главе рассматривается технология традиционного трассирования, как наиболее важного начального этапа проектирования железных дорог. Именно на этом этапе закладываются основные характеристики будущей линии. Ошибки на этом этапе, выявляемые при последующем проектировании, приводят к возврату на начальный этап принятия решений по определению направления проектирования. Такие ошибки чреваты огромными временными потерями.

При появлении автоматизированного проектирования железных дорог становится возможным автоматизировать наиболее рутинные операции проектирования — производство вычислений (анализ). Именно функции анализа поддерживаются современными САПР железных дорог. Также существующие САПР ЖД ориентированы на выпуск проектной документации, как одного из условий разработки САПР.

Далее рассмотрены наиболее известные и применяемые на производстве САПР. Выявляются их достоинства и недостатки. Оказывается, что, действительно, основное внимание разработчики САПР уделили функциям автоматизации выдачи проектной документации, а функция анализа не поддерживается должным образом. Кроме того, современные САПР ЖД не ориентированы на процесс трассирования железных дорог, и лишь только копируют традиционную технологию на данной стадии разработки проекта. Такое нерациональное распределение функций машины и человека приводит к повторению ситуации, возникающей при традиционном трассировании, а, следовательно, к появлению цикличности на более поздних стадиях проектирования. Попытки внесения локальных изменений в план трассы приводят к потере данных по всей проделанной до этого работе. Конечно, в условиях автоматизации новая проработка варианта трассы ведется гораздо быстрее, чем при традиционной технологии, но временные потери все равно сказываются на процессе проектирования.

Таким образом, в первой главе ставится задача разработки элемента такой технологической линии проектирования (ТЛП) и средств ее поддержки, которые обеспечивали бы трассирование в интерактивном режиме взаимодействия САПР и человека с обеспечением оперативного анализа по направлению трассирования и корректировку плана трассы без потери данных по уже проделанной работе.

Технологическая линия проектирования является результатом разработки САПР. Фактически в работе поставлена задача разработки элемента ТЛП железных дорог. В этом случае автору представляется правомерным начать работу с рассмотрения существующих средств построения ТЛП, а именно предлагается во второй главе рассмотреть методическое обеспечение САПР, поддерживающее технологию автоматизированного проектирования железных дорог.

В этой главе сначала рассматривается методическое обеспечение САПР. В 60-х годах 20-го века проводились исследования по разработке методов получения проектного решения в автоматическом режиме. Была доказана невозможность полной формализации проектной ситуации и невозможность использования этих методов для получения оптимального проектного решения, но, тем не менее, представляется перспективным использование этих методов для создания предварительного проектного решения по какому-то одному критерию для создания ориентира и, следовательно, возможности для «интуитивного озарения» лица, принимающего решения.

Информационное обеспечение САПР наиболее полно реализуется в существующих САПР ЖД. Это информация по типовым проектам, типовые проектные процедуры.

Для современного технического обеспечения САПР характерна высокая скорость обработки информации и высокопроизводительная работа с большим объемом данных, поэтому предлагается использовать все машинные ресурсы.

Вопрос об организационном обеспечении САПР представляет собой тесную связь исследований в областях психологии труда, инженерной психологии и эргономики. Этому вопросу уделяется внимание в работе для выявления особенностей взаимодействия человека и машины.

Программное обеспечение САПР фактически представляет собой результат данной работы, и вышерассмотренное обеспечение составляет основу работы программного обеспечения. Здесь главным образом рассмотрена архитектура систем.

Третья глава посвящена разработке нового элемента поддержки автоматизированной технологии трассирования. Основой технологии АПР ЖД является построение цифровой модели рельефа (ЦМР), поэтому в работе рассмотрены существующие ЦМР, их достоинства и недостатки. В процессе предыдущего исследования выявлено, что скорость построения продольного профиля земли зависит от типа ЦМР. Для осуществления этой функции разработан новый подход к моделированию рельефа. Выявлены его достоинства и недостатки, определена точность моделирования рельефа.

В четвертой главе описана программная реализация, отвечающая заданным требованиям. Разработан программный интерфейс и заданы требования к визуальной модели. Программирование осуществлялось на языке Turbo Pascal в среде Borland Delphi. Программный интерфейс представляет собой двухоконную систему. В основном окне ведется укладка элементов плана трассы по цифровой модели рельефа. Во вспомогательном окне выдается оперативная информация по продольному профилю земли с одновременным автоматическим построением проектного продольного профиля по критерию наименьшего объема земляных масс. Выявлено, что в условиях применения средств автоматизации (т.е. электронно-вычислительных машин (ЭВМ)) последовательность действий синтез-анализ-оценка приобретает совершенно иной временной характер. Формально эти действия осуществляются последовательно, но в автоматизированном режиме представляется возможным добиться визуального представления этих действий, как выполняемых параллельно. В рамках детальной проработки этого элемента технологической линии трассирования железных дорог реализован режим контроля допустимости проектных решений по плану линии, прежде всего поддержка допустимости положения прямых вставок между круговыми кривыми.

В результате проведенного исследования был разработан, теоретически обоснован и программно реализован новый подход к организации процесса автоматизированного трассирования железных дорог с оперативным анализом проектных решений по профилю в режиме реального времени.

Для реализации данного подхода был разработан также комплекс моделей и методов, обеспечивающих его поддержку, которые также содержат элементы научной новизны, в частности:

1. Разработаны новые подходы к моделированию рельефа местности методом конечных элементов (известного в данной предметной области), которые обеспечивают считывание информации о рельефе по заданному направлению с быстродействием, необходимым для реализации предлагаемой технологии процесса укладки трассы.

2. Разработана и реализована новая модификация алгоритма известного в математике метода минимальной поправки (акад. Р.П.Федоренко) [1], которая обеспечивает синтез проектного решения по продольному профилю трассы железной дороги с необходимым для предлагаемой технологии быстродействием.

Предлагаемая методика организации процесса автоматизированного трассирования с практической точки зрения ориентирована на снижение трудоемкости вариантных проработок проектных решений по трассе железнодорожной линии.

5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ, ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Потребность в моделировании самого процесса проектирования, как вида человеческой деятельности, возникает с целью обеспечения специалиста в области системного анализа средствами описания разрабатываемой технологии проектирования. Сам процесс проектирования можно представить, как последовательно-цикличное выполнение операций: — синтеза — распознание ситуации и выделение подмножества приложимых правил из множества известных- - анализа — применение данного подмножества правил для создания модели объекта- - оценки — при соответствии полученной модели заданию на проектирование процесс завершаетсяв противном случае корректируется выделенное на стадии синтеза подмножество приложимых правил, как за счет удаления из него правил являющихся вероятной причиной такого несоответствия, так и за счет его расширения с вводом дополнительного подмножества известных правилПредставление — завершающая стадия процесса проектирования (разработка проектной документации);

2. Анализ современных САПР ЖД (Credo, Robur, Geonics, PLATEIA, CARD/1, MX) показал, что процесс трассирования реализован, как аналог традиционного трассирования.

Однако, стремительное развитие вычислительной техники и средств сбора и обработки информации позволяет создавать средства информационной поддержки процесса принятия принципиальных решений по проекту, результатом использования которых является сужение зоны поиска решений и сведения задачи трассирования к поиску оптимального решения с учетом различных критериев.

Особенности применения САПР в работе диктуют применение иных, по сравнению с традиционными, технологических приемов проектирования, и, соответственно, трассирования.

3. Для реализации такой технологии предлагается, приняв за ведущий элемент укладку плана линии, обеспечить информационную поддержку эффективности принимаемых решений по плану, путем оперативного построения продольного профиля земли с автоматическим построением проектного продольного профиля.

Реализация данного подхода даже на самых мощных ЭВМ требует применения особых методов формирования данных по продольному профилю земли и методов построения оптимального очертания проектной линии продольного профиля в автоматическом режиме.

Как показал анализ данной технологии, критический путь проходит через построение продольного профиля земли. Поэтому в работе были проанализированы различные типы ЦМР. Как известно наивысшим быстродействием с точки зрения решения основной задачи моделирования рельефа — определение отметки точки с заданными координатами, — имеют модели, описываемые регулярной прямоугольной сеткой. Таким образом был определен наиболее рациональный тип модели, обеспечивающий реализацию данной технологии. Вторым вопросом являлось определение способа аппроксимации отметок внутри полигона. В качестве варианта рассматривалась сплайн-аппроксимация. После изучения литературных источников предпочтение было отдано методу конечных элементов. В качестве финитных функций были рассмотрены поверхности второго и третьего порядков, оставляя вопрос о выборе математической модели рельефа, построенной на регулярной сетке, открытым, обязательным условием реализуемости предлагаемой технологии трассирования железных дорог является представление модели рельефа в виде массива коэффициентов уравнений поверхностей ее элементарных фрагментов (полигонов), что обеспечивает требуемое быстродействие вычислительных процедур. Необходимая точность модели обязательно должна быть увязана с требуемой точностью решаемых по ней инженерных задач.

4. В качестве метода оптимизации очертания проектной линии продольного профиля предложено использовать модификацию метода минимальной поправки, при котором каждая вариация управляемых переменных обеспечивается введением минимальной поправки. В предлагаемой модификации алгоритма данного метода используется геометрическая интерпретация алгоритма метода минимальной поправки. Данный подход, в связи с простотой использования геометрических преобразований обеспечивает высокое быстродействие, как показали расчеты, достаточное для реализации данной технологии. В качестве критерия принят профильный объем земляных работ, как единственный доступный для подсчета критерий на данной стадии проектирования;

5. Одной из самых трудоемких работ является размещение раздельных пунктов, а затем уточнение их местоположения. Таким образом включение в состав САПР блока, реализующего тяговый расчет с поддержкой определения времени хода по направлению трассирования настоятельно необходимо. Предлагаемая технология укладки трассы в связи с высоким быстродействием программной реализации позволяет поддерживать выполнение данной функции в двух режимах: В процессе укладки плана линииВ режиме поэтапного размещения РП по установленному продольному профилю. Опыт эксплуатации программного средства показывает, что предпочтительнее поэтапное размещение РП, так как в режиме реального времени затруднена фиксация положения РП при малейшем изменении плана и профиля.

6. Один из возможных вариантов реализации предлагаемой технологии разработан в составе действующей программы, в которой применена все вышеуказанные принципы организации работы САПР при автоматизированном трассировании.

В качестве аппарата поддержки данной технологии используется проектирующий луч, положением которого пользователь может управлять манипулятором типа «мышь».

При разработке данного программного средства были применены методы инженерной психологии и эргономики для организации оптимальной информационной модели. Предлагаемый автором подход к организации и способам работы с визуальной моделью трассы железной дороги представляют собой попытку оптимизации процесса принятия решений на начальной стадии проектирования трассы железных дорог.

Предлагаемая методика организации процесса автоматизированного трассирования с теоретической и практической точки зрения позволяет повысить качество проектных решений за счет снижения трудоемкости их вариантных проработок.

7. В результате проведенных исследований основными выводами, отражающими новизну работы можно считать следующие:

• В работе показано, что современный уровень развития вычислительной техники позволяет осуществить переход от копирования традиционной технологии укладки трассы железнодорожной линии к машинно-ориентированной методике организации процесса автоматизированного трассирования;

• Для оперативной поддержки принятия проектных решений по трассе в целом или по отдельным ее элементам целесообразен переход от использования моделей триангуляционного типа к моделям, основанным на методе конечных элементов;

• Реализация машинно-ориентированной технологии требует автоматического формирования проектного решения по продольному профилю трассы железнодорожной линии со скоростью, превосходящей существующие реализации. Быстродействие такого процесса может быть обеспечено применением модифицированного алгоритма метода минимальной поправки, предложенного в работе.