Содержание к диссертации
Введение
1. Системы автоматизированного проектирования железных дорог. Анализ существующего опыта 9
1.1. Информационные технологии. Основные понятия и определения 9
1.2. Автоматизированное проектирование. Основные понятия и архитектура систем
1.2.1. Модель процесса проектирования 14
1.2.2. Компоненты и архитектура САПР 18
1.3. Системы автоматизированного проектирования железных дорог. Перспективы развития 23
1.3.1. GeoniCS ЖЕЛДОР 27
1.3.2. Топоматик Robur - Железные дороги (Robur-rail)
1.3.3. IndorCAD/Rail 34
1.3.4. Credo 35
1.3.5. AutoCAD Civil 3D 37
1.4. Моделирование рельефа местности в системах автоматизированного проектирования железных дорог 41
1.4.1. Модели рельефа на основе триангуляции 43
1.5. Постановка задачи исследования 47
2; Цифровое нематематическое моделирование рельефа местности 48
2.1. Методы построения цифровых моделей рельефа 48
2.2. Задачи цифрового моделирования рельефа местности 50
2.3. Виды цифровых моделей рельефа 51
2.4. Триангуляционные модели рельефа местности. Достоинства и недостатки 61
2.6. Математические модели рельефа 63
2.7. Моделирование рельефа местности методом конечных элементов 67
2.8. Проблема использования» моделей рельефа для линейно-протяженных объектов 69
2.9. Выводы по второй главе 71
3. Математическое моделирование рельефа местности на стадии разработки инвестиционных проектов 73
3.1. Назначение вариантов направления проектируемой линии, ее основных технических параметров и трассирование железной дороги 73
3.2. Традиционная технология трассирования з
3.3. Триангуляционное моделирование в режиме реального времени 78
3.4. Стохастическое моделирование 80
3.5. Программная реализация стохастической и триангуляционной модели...82
3.6. Применение нейронных сетей в моделировании рельефа местности
3.6.1. Введение в искусственные нейронные сети 88
3.6.2. Моделирование рельефа местности на основе нейронных сетей радиальных базисных функций 90
3.6.3. Алгоритм обучения РБФ сети 92
3.6.2. Проблемы применения метода и пути их решения 95
3.7. Выводы по третьей главе 98
4. Моделирование рельефа местности на основе нейронных сетей РБФ в составе программы обоснования инвестиций Invest 100
4.1. Общее описание 100
4.2. Алгоритм работы комплекса CMR 101
4.3. Программная реализация
4.3.1. Задание (импорт) входных данных 104
4.3.2. Создание/Загрузка модели РБФ 106
4.3.3. Контроль модели РБФ 106
4.3.4. Создание модели Invest 108
4.4. Оценка скоростных характеристик предложенной модели в сравнении с триангуляционным методом 108
4.5. Практическое применение предложенного метода моделирования рельефа ПО
4.6. Выводы по четвертой главе 112
5. Общие выводы и предложения 114
Список использованных источников
- Системы автоматизированного проектирования железных дорог. Перспективы развития
- Задачи цифрового моделирования рельефа местности
- Триангуляционное моделирование в режиме реального времени
- Создание/Загрузка модели РБФ
Введение к работе
Актуальность темы
С появлением вычислительной техники в области автоматизации проектирования железных дорог появилась возможность автоматизировать наиболее рутинные операции проектирования – аналитические вычисления.
Ориентация первых систем автоматизированного проектирования железных дорог (далее САПР ЖД) на традиционные методы проектирования определялась уровнем развития вычислительной техники того времени, однако такой подход сохраняется и в более поздних разработках.
Существенный рост мощности вычислительной техники определяет возможность перехода от копирования традиционных технологий к реализации собственно машинных технологий, заменяющих традиционные.
Примером разработки такой технологии в области автоматизации трассирования, которая, используя возможности средств современной вычислительной техники, позволяла бы в процессе укладки плана трассы железной дороги или другого линейного сооружения получать оперативную информацию по продольному профилю укладываемого участка в режиме реального времени, являются работы д.т.н. В. А. Бучкина и к.т.н. И. М. Лисицына.
В частности, в работе И. М. Лисицына показано, что при создании САПР ЖД реального времени одним из критических моментов является получение отметок поверхности земли по оси проектируемой трассы («черного профиля»). В связи с этим необходимо применение скоростных моделей рельефа.
В качестве модели рельефа И. М. Лисицыным предложена модель, основанная на методе конечных элементов с использованием сплайн-аппроксимации рельефа местности поверхностями третьего порядка.
Опорные точки аппроксимации при этом находятся в узлах регулярной прямоугольной сетки. Одним из недостатков предложенного метода является отсутствие аппарата получение из облака точек входных данных с регулярной структурой.
Цель работы
Основной целью исследования является разработка и программная реализация такого метода, который позволял бы создавать модели рельефа местности на произвольно расположенных входных данных при сохранении точности моделирования и скорости, позволяющей использовать данный метод в САПР ЖД реального времени.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
-
Рассмотреть существующие САПР ЖД и методы создания моделей рельефа в данных САПР.
-
Рассмотреть виды цифровых и математических моделей рельефа (ЦМР и ММР соответственно), способы их получения, обработки и хранения.
-
Оценить пригодность существующих ЦМР и ММР для применения в САПР ЖД реального времени.
-
Разработать и программно реализовать метод моделирования рельефа, соответствующий поставленной цели.
Научная новизна
разработан новый метод моделирования рельефа, позволяющий реализовать трассирование железных дорог и других линейных сооружений в режиме реального времени на вычислительных машинах серийного образца;
в связи с особенностями предложенного метода погрешность расчета высотных отметок на множестве входных данных является нулевой и не зависит от характера распределения входных данных;
предложенная методика моделирования рельефа удовлетворяет как скоростным, так и точностным характеристикам, предъявляемым к моделям рельефа, используемым в различных проектных системах реального времени.
Практическая ценность
С практической точки зрения разработанный метод моделирования рельефа позволяет сократить время создания моделей рельефа, используемых в системах автоматизированного проектирования железных дорог, при сохранении скоростных и точностных требований, предъявляемых к системам проектирования реального времени. Основные положения работы реализованы в виде опытной компьютерной программы.
Апробация работы и публикации
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог» МГУПС (МИИТ) (2008-2010 г.г.), на III и IV Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог» , 2009-2010 г.г.)
В 2010 г. разработанная программная реализация предложенного метода моделирования рельефа включена в программу оценки инвестиций новой железнодорожной линии Invest (Real Geo Project, г. Москва) в качестве инструмента подготовки внутренней модели рельефа.
По теме диссертации опубликовано 5 статей, в том числе одна на английском языке, две - в источниках, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации
Системы автоматизированного проектирования железных дорог. Перспективы развития
Освоение информационной технологии и дальнейшее ее использование должны свестись к тому, что сначала необходимо овладеть набором элементарных действий, число которых ограничено. Из этого ограниченного числа элементарных действий в разных комбинациях составляются операции, которые определяют тот или иной технологический этап. Совокупность технологических этапов образует технологический процесс (технологию).
Согласно [4] Информационная система (ИС) — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) И информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы.
Процесс обработки данных в информационных системах невозможен без использования технических и программных средств.
Технические средства включают в себя — компьютер, устройства ввода-вывода, оргтехнику, линии связи, оборудование сетей. Программные средства — обеспечивают обработку данных в информационных системах и» состоят из общего и прикладного программного обеспечения(ПО). Общее ПО состоит из: - операционной системы (ОС); - системы программирования; - программы технического обслуживания. Операционная- система ЮС) представляет собой программу, которая автоматически загружается при включении компьютера и представляет пользователю базовый набор команд, с помощью которых можно осуществлять общение с компьютером и ряд действий (запустить программу, отформатировать дискету, скопировать файл и т. д.)
Операционные системы делятся на - однопрограммные, многозадачные и многопользовательские.
Однопрограммные ОС (MS-DOS) поддерживают пакетные технологии. Пакетная технология, или пакетный режим обработки данных, означает, что задания объединяются в пакет, а затем выполняются на ЭВМ без вмешательства пользователя. Задание - представляет собой последовательность команд операционной системы для указания нужных характеристик и имён выполняемых программ и обрабатываемых её данных.
Многозадачные ОС (Windows) позволяют одновременно работать с несколькими приложениями и поддерживают как пакетную технологию, так- и диалоговую технологию. Диалоговая- технология» или диалоговый режим обработки данных, означает обмен сообщениями между пользователем и системой в реальном времени, т. е. в темпе реакции пользователя, или в режиме разделеншг времени, когда процессорное время предоставляется различным задачам (пользователям) последовательными квантами.
Многопользовательские ОС (Windows NT и выше) обеспечивают совместную работу нескольких пользователей одновременно и поддерживают сетевую технологию. Сетевая:технология обеспечивает удалённую диалоговую и пакетную технологии.
Разнообразие технических средств и операционных систем вызвало необходимость ввести понятие платформы, [3]: Платформа определяет тип компьютера и ОС, а. также добавочное оборудование, на которые можно установить необходимую» ИТ. Она имеет сложную структуру. Главным компонентом является тип компьютера, определяемый типом процессора: Macintosh, Atary, Sincler, Intel и т. д. Следующим компонентом является ОС, работающая на том или ином типе процессора: например операционные системы MS-DOS и Windows работают на ПК оснащённых процессорами от фирмы Intel и не совместимы с процессорами Macintosh от фирмы Apple . Многие ИТ не зависят от добавочного оборудования и наличия других программных средств. Их называют компьютерными ИТ. Например, к ним относят текстовые, графические и табличные процессоры. Часть ИТ зависит от типа добавочного оборудования. Например, сетевые ИТ зависят от типа сетевого оборудования: модемов; адаптеров, каналов связи и т. д. и, программных средств их обслуживающих. Часть ИТ требует дополнительного оборудования и специальных программных средств его обслуживания. Например, в технологии мультимедиа используются приводы CD-ROM , видео карты, звуковые карты и т. д.
Системы программирования основном используются для проектирования ИС и представляют язык программирования и программу перевода (компилятор, интерпретатор) с этого языка в машинные коды. Программы технического І обслуживания г предоставляют сервис для эксплуатации компьютера, выявления ошибок при; сбоях, восстановления; испорченных программ и; данных. Прикладное ПО определяет разнообразие информационных технологий я состоит из; отдельных прикладных: программ юл пакетов;, называемых приложениями: Для использования части приложений: требуется! квалификация, проектировщика. Ряд приложенийшогут применять всепользователи. Прикладное ПО состоит из средства проектирования m средств; использования; Средства; проектирования; состоят из системі управления базами данных (СУБД); систем; автоматизации проектирования (САПР); систем электронного документооборота (СЭД), типовых пакетов прикладных программ (1ИШ); Средства использования! зависят от типа- используемой; информации и состоят из. текстовых, табличных и графических процессоров, электронной почты, интегрированных ППП:
Задачи цифрового моделирования рельефа местности
Цифровой моделью местности (ЦММ) называют совокупность точек местности с известными трехмерными координатами и различными кодовыми обозначениями, предназначенную для аппроксимации местности с ее природными характеристиками, условиями и объектами. Кодовые обозначения характеризуют связи между соответствующими точками ЦММ.
Появление ЦММ характерно для периода внедрения вычислительной техники в сферу проектирования, они являются развитием немашинных методов обработки топографической информации ив сравнении с последними обладают рядом достоинств. Г. Возможность достижения более высокой точности представления информации по сравнению с традиционными картами и планами; 2. Возможность многоцелевого и многократного использования данных для решения различных проектных и инженерных задач; 3. Возможность менее трудоемкого преобразования данных к любому виду окончательной документации; 4. Простой способ тиражирования данных на носителях информации; 5. Быстрота поиска нужного фрагмента в. большом информационном массиве; Эти особенности ЦММ определяют их быстрое развитие и расширяющиеся сферы использования.
Общая ЦММ — это многослойная модель, которая в зависимости от назначения может быть представлена сочетанием частных цифровых моделей (слоев): рельефа, ситуационных особенностей, почвенно-грунтовых, гидрогеологических, инженерно-геологических, гидрометеорологических условий технико-экономических показателей и других характеристик местности. В данною главе исследуется одна из таких подсистем - цифровая модель рельефа (ЦМР) с точки зрения влияния ее информационных характеристик на результат работы САПР.
Моделирование рельефа на ЭВМ преследует, как правило, две основные цели: 1. Количественное решение различных инженерных задач (например: подсчёт объёмов работ). 2. Графическое отображение рельефа с целью его качественного анализа человеком (например: проведения изысканий по плану в горизонталях). Достижение обеих указанных целей базируется на возможности вычисления высоты (отметки) произвольной точки в области моделирования по ее заданным плановым координатам. Определение ЦМР, исходя из приведенного в ГОСТ определения ЦММ: ЦМР представляет собой множество, элементами которого является топографо - геодезичеекая информация о рельефе местности и методы обращения с ней, позволяющие с требуемой точностью отобразить рельеф местности и (или) его отдельные характеристики.
Существующие и разрабатываемые ЦМР различаются - по ряду признаков, что послужило основой для их классификации по назначению, по способу получения информации о рельефе, в зависимости от структуры, пространственного размещения опорных точек, методу восстановления высот, по способу хранения готовой модели.
Вопросам разработки различных видов ЦМР было посвящено большое количество исследований [18-20]. При этом все известные ЦМР можно разбить на три большие группы: регулярные, нерегулярные и статистические [21].
Регулярные модели. В регулярных моделях опорные точки располагаются в узлах сети, причем она может быть как равномерной, с постоянным расстоянием между узлами, так и неравномерной. Регулярность сети позволяет выбрать или задавать требуемые точки без трудоемких вычислительных операций, поскольку плановые координаты любой точки определяются ее положением на сети и шагом сети, а также алгоритмом вычислений. Такие ЦМР не учитывают структурное строение рельефа, Не следует путать ЦМР с регулярным расположением опорных точек с ЦМР, использующими регулярную сетку для хранения образа рельефа местности.
Количество опорных точек, необходимых для построения регулярной модели, принимая способ интерполяции высот линейным, определяется выбором шага сетки, при котором не будут пропущены характерные особенности рельефа.
Необходимая точность описания рельефа в таких моделях может быть достигнута лишь путем увеличения в 5-10 раз плотности информации, в зависимости от степени расчлененности рельефа, по сравнению с плотностью при сборе данных по характерным точкам, и при этом значительная часть информации оказывается избыточной, излишней. Регулярные ЦМР создают путем размещения точек в узлах геометрических сеток различной формы (треугольных, прямоугольных, шестиугольных), накладываемых на аппроксимируемую поверхность с заданным шагом. Наиболее часто применяют ЦМР с размещением исходных точек в узлах сеток квадратов или равносторонних треугольников. Массив исходных данных для регулярных ЦМР может быть представлен в следующем виде: F, т, п, Хо, У(ь Ни,..., Him, » Нпт, (2.1) где F — шаг сетки; m — число точек по горизонтали; п — число строк по вертикали; Hnm — высоты точек в узлах сетки. Регулярные модели весьма эффективно использовать при проектировании вертикальной планировки городских улиц, площадей, аэродромов и других инженерных объектов на участках местности с равнинным рельефом. Однако опыт использования ЦМР с регулярным массивом исходных данных показал, что требуемая точность аппроксимации рельефа достигается лишь при очень высокой плотности точек местности, которая в зависимости от категории рельефа должна быть в 5 - 20 раз выше по сравнению с нерегулярными ЦМР.
Нерегулярные модели. Нерегулярные ЦМР, представленные большим числом типов, нашли широкое применение в практике автоматизированного проектирования объектов строительства.
Часто используют ЦМР, построенные по поперечникам к магистральному ходу. При этом создается система поперечных профилей, на которых в местах перегибов профильных линий и располагаются опорные точки модели. Положение точек такой модели может быть задано в зависимости от способа сбора информации: - при производстве наземных топографо-геодезических работ в системе координат "расстояние по трассе от начала отсчета до точки пересечения трассы с поперечным профилем (абсцисса) - "расстояние по поперечному профилю" (ордината) - "высота"; - при аэрофототопографической съемке - обычной системе прямоугольных координат X, Y, Z. При дигитализации карт можно группировать опорные точки по их принадлежности к конкретной горизонтали.
Такие разновидности ЦМР являются полурегулярными по способу расположения опорных точек, они частично учитывают структурное строение рельефа местности. Количество опорных точек, необходимых для ЦМР такого типа существенно сокращается по сравнению с регулярными. Например, для местности со спокойным, слабо расчлененным рельефом оно уменьшается на порядок.
Триангуляционное моделирование в режиме реального времени
На этапе обоснования инвестиций при проектировании участка новой железной дороги район проектирования обьгано представлен картой масштаба 1:25000 или 1:50000 (рис. 3.1).
На карте выявляются фиксированные точки по каждому из намеченных направлений линии (точки обхода контурных и пересечения высотных препятствий). Высотные препятствия пересекаются в пониженных местах. К контурным препятствиям относятся населенные пункты, заповедные территории, озера, участки со сложными геологическими условиями и т.п.
На рис. 3.1. показана карта района проектирования с намеченными фиксированными точками и вариантами направления линии. Таких вариантов должно быть, как правило, не менее двух-трех. В тех случаях, когда нет даже двух четко выраженных вариантов направления трассы, в качестве одного из спрямленных вариантов может быть принята геодезическая линия.
Затем производится анализ вариантов направления проектируемой линии с целью выявить среди них наиболее целесообразные для трассирования и наметить значения крутизны руководящего уклона (ір) для каждого варианта.
При выбранной величине ip и заданном типе локомотива определяют массу состава и полезную длину приемо-отправочных путей (1по) на раздельных пунктах - основной параметр проектирования, который, наряду с категорией линии, определяет нормы проектирования плана и профиля железной дороги. Рис. 3.1. Схема района трассирования с намеченными вариантами направления железной дороги
В результате проведенного анализа должны быть установлены: - основные направления конкурирующих вариантов для их дальнейшего трассирования; - величина руководящего уклона и трассировочный замысел вариантов; - масса состава, полезная длина приемо-отправочных путей и мощность локомотива по вариантам; - вариант, который целесообразно трассировать в первую очередь.
Общее направление трассы определено положением фиксированных точек. Задача - обеспечить минимальную длину линии в увязке с объемом работ. На участках, где средний уклон местности (іср.Єст) по направлению трассирования меньше уклона трассирования і (вольный ход) - идут по прямой. Уклон трассирования: 1тр 1р"1э(ср)э (л А) где і3(ср) - среднее смягчение ограничивающего уклона в кривых. На вольных ходах любое отклонение от кратчайшего направления должно быть обосновано в проекте. На участках, где іср.ест по направлению трассирования больше или равен і (напряженный ход) - по прямой идти нельзя, слишком велик будет объем работ, необходимо искусственное развитие линии. Определение направления и начертания плана трассы на участках напряженного хода производится путем наколки измерителем линии заданного уклона - так называемой линии нулевых работ, т.е. линии, имеющей уклон трассирования і . Для проведения на карте в горизонталях линии заданного уклона необходимо вычислить заложение d, км (расстояние между смежными горизонталями, отмеченное точками на рис.3.2): d=Ah/iTp, (3.2) где Ah - сечение горизонталей, м. После укладки линии нулевых работ строится магистральный ход -намечаются вершины углов поворота круговых кривых. Затем в эти углы поворота вписываются круговые кривые, строится продольный профиль земли (черный профиль) и укладывается проектная линия продольного профиля (красный профиль) (рис.3.2).
Традиционная технология трассирования реализована в большинстве САПР ЖД (например в программах семейства ROBUR). Целесообразность и актуальность перехода от копирования традиционных схем к реализации собственно машинных технологий опирается на существенный рост мощности вычислительной техники, однако требует также и привлечения наукоемких средств поддержки процесса проектирования в рамках его автоматизированных реализаций.
Создание/Загрузка модели РБФ
Разработанный метод моделирования рельефа включен в программу оценки инвестиций участка новой железнодорожной линии (Invest), разработанной в компании Real Geo Project (www.realgeo.ru). Данная программа позволяет оценить строительные расходы при проектировании ЖД линии. Получение высотных отметок земли вдоль оси проектируемой трассы (черного профиля) является одной из основных и трудоемких задач при проектировании железных дорог. В программе Invest пользователю предоставляется возможность работать с цифровой картой (цифровой моделью рельефа), что избавляет его от таких рутинных операций. Отличительными особенностями данной программы являются: - Автоматизированный контроль радиусов кривых при укладке трассы в плане; - Автоматическое построение проектного (красного) профиля трассы на основе черного профиля, полученного в свою очередь на основе цифровой модели рельефа; , - Автоматическое размещение раздельных пунктов на основе встроенного модуля тяговых расчетов; - Автоматический расчет количественных и стоимостных строительных показателей железнодорожной трассы с разделением по объектам (насыпи/выемки, мосты, тоннели и т.д.).
Одним из примеров практического применения программы Invest при разработке технико-экономического обоснования является работа по заказу французской компании «Lafarge cement», где ОАО «Институт Гипростроймост» выполнил предпроектные проработки вариантов внешнего транспорта для перевозки сырья из карьера на цементный завод в районе ст. Ферзиково (Калужская обл.). Основные задачи заключались в предварительной оценке первоначальных капиталовложений и технологической рациональности устройства того или иного вида внешнего транспорта. Необходимо было запроектировать и проанализировать несколько вариантов прохождения будущих осей автодороги, железной дороги и конвейера. Непосредственно в программе Invest были выполнены: - трассирование; - оценка профильных объемов земляных работ; - проектирование продольного профиля. Интуитивно понятный интерфейс программы, высокая скорость работы расчетных модулей позволили проработать в течение нескольких дней более 100 вариантов трасс по различным направлениям с различными значениями руководящего уклона по всем видам транспорта.
Данный уровень вариантности проработки технико-экономического обоснования проектных решений позволил в кратчайшие сроки получить действительно обоснованное решение, как по трассам железной и автомобильной дорог, так и по трассе конвейера.
Необходимо отметить следующие преимущества программы Invest: - все множество вариантов сохраняются в памяти программы (в том числе и виде графика объемов работ); - реализована возможность отката к вариантам с наименьшими объемами работ; - наличие мощного алгоритма проектирования продольного профиля с возможностью выбора критериев оптимизации; - наличие перспективного модуля автоматической «посадки» трассы «на рельеф».
По результатам работы над данной главой можно сделать следующие выводы: 1. Разработан новый метод моделирования рельефа на основе нейронной сети радиальных базисных функций, позволяющий создавать неявную, функцию поверхности, в связи с чем, качество модели не зависит от характера распределения входных данных. 2. В связи с особенностями предложенного метода погрешность расчета высотных отметок на множестве входных данных является нулевой. 3. Разработанный метод по скорости вычислений в десятки раз превосходит наиболее широко распространенный метод триангуляционного моделирования. 4. Скорость работы модели, созданной на основе предложенного метода полностью удовлетворяет поставленной задаче и позволяет применять данный метод моделирования при проектировании железных дорог в режиме реального времени. 5. Разработанный метод моделирования рельефа включен в программу оценки инвестиций на этапе технико-экономического обоснования строительства участка новой железнодорожной линии (Invest) и опробован при проработке ОАО «Институт Гипростроймост» предпроектных вариантов внешнего транспорта цементного завода в районе ст. Ферзиково (Калужская обл.) по заказу французской компании «Lafarge cement». При этом высокая скорость работы расчетных модулей позволила проработать в течение нескольких дней более 100 вариантов трасс.
Похожие диссертации на Цифровое и математическое моделирование рельефа местности в системах автоматизированного проектирования трасс железных дорог
