Содержание к диссертации
Введение
1 Автоматизированное проектирование трассы новой железной дороги 10
1.1 Анализ традиционной технологии проектирования трассы железных дорог 10
1.2 Автоматизированное проектирование. Основы теории и практики 15
1.3 Направления автоматизации проектирования железных дорог в России и за рубежом 22
1.4 Обзор существующих САПР железных дорог 26
1.5 Экономические аспекты автоматизированного проектирования 40
1.6 Перспективы автоматизации проектирования новых железнодорожных линий 43
1.7 Цели и задачи исследования 50
2 Основы теории проектирования трассы новой железной дороги 51
2.1 Принципы организации и функционирования систем автоматизированного проектировании трассы железных дорог 51
2.2 Исследование критерия оптимальности при проектировании продольного профиля трассы 54
2.3 Обзор и анализ методов оптимизации проектных решений 59
2.4 Метод минимальной поправки 65
2.5 Выводы по второй главе 71
3 Цифровое и математическое моделирование рельефа местности 73
3.1 Методы построения цифровых моделей местности 73
3.2 Задачи цифрового моделирования рельефа 76
3.3 Виды цифровых моделей рельефа 79
3.4 Математические модели рельефа 90
3.5 Моделирование рельефа методом конечных элементов 101
3.6 Выводы по третьей главе 107
4 Технология автоматизированного трассирования железных дорог ... 110
4.1 Моделирование плана и разбивка пикетажа 110
4.2 Поддержка допустимости проектных решений по плану линии 112
4.3 Размещение площадок раздельных пунктов в режиме реального времени 116
4.4 Программная реализация 119
4.5 Выводы по четвертой главе 124
5 Основные результаты, выводы, задачи дальнейших исследований 127
Список использованных источников 131
- Направления автоматизации проектирования железных дорог в России и за рубежом
- Исследование критерия оптимальности при проектировании продольного профиля трассы
- Моделирование рельефа методом конечных элементов
- Размещение площадок раздельных пунктов в режиме реального времени
Введение к работе
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.МГлушков: «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 ха рактер. 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.
Направления автоматизации проектирования железных дорог в России и за рубежом
Проектирование трассы - это итерационный процесс, основанный на варьировании, то есть на назначении и сравнении некоторого числа вариантов, что позволяет найти лучший из них, но, может быть, не лучший из всех возможных, оптимальный по некоторому критерию.
Оптимизация проектного решения, всегда осуществляемая именно на стадии проектирования, предполагает выполнение большого (иногда очень большого) объема вычислений. С развитием средств вычислительной техники (60-е годы XX в.) появилась возможность реализации этих вычислений на базе использования ЭВМ. Интеграция средств вычислительной техники и технических наук в систему проектирования, приводит к автоматизации процесса проектирования в рамках автоматизированного проектирования (АПР).
Следует различать проектирование автоматическое и автоматизированное. При автоматическом проектировании процесс получения, преобразования, передачи информации формирования управляющих команд осуществляется ЭВМ без участия инженера-проектировщика. Однако в этом случае проектировщик принимает участие в главных этапах проектного процесса: на этапе подготовки задания на проектирование и на этапе оценки полученного проектного решения с последующей возможностью его корректировки. При автоматизированном проектировании инженер-проектировщик непосредственно участвует в процессе выработки проектного решения, направляя проектный процесс в нужном направлении [7].
С момента появления автоматизированного проектирования в нашей стране и за рубежом были выработаны принципиальные направления автоматизации проектных работ. Подходы к применению ЭВМ в проектной практике основывались на представлении о человеческом факторе, как основного критерия выбора направления автоматизации [8]. Составляющие процесса автоматизированного проектирования можно представить следующим образом (Рис. 1.4): Положительной стороной человеческого фактора является интуиция и опыт проектировщика, то, на чем основывается традиционная технология проектирования железных дорог. К отрицательным сторонам человеческого факто ра относятся невнимательность, утомляемость и др., все, что негативно влияет на получение оптимального проектного решения. Существует три принципиальных направления автоматизации проектных 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 выполнятся на ЭВМ. 3. Оптимизация трассы, когда, минуя принцип варьирования и пользуясь специально разработанными методами, получают наилучшее (оптимальное) по выбранному критерию решение. Любой подход к автоматизации проектирования железных дорог требует представления исходной информации (рельеф местности, инженерно-геологические, климатические и др. характеристики района проектирования) в формальном виде, чтобы она могла быть воспринята ЭВМ. В частности, для задания рельефа местности в числовой форме предложены цифровые модели рельефа (ЦМР), назначение которых в том, чтобы каждой паре координат, определяющих положение точки в плане, поставить в соответствие третью координату - отметку точки. При этом необходимо, чтобы объем информации, требуемый для создания рельефа с достаточной для поставленных целей степенью детализации, был наименьшим, а алгоритм вычисления отметки по двум координатам плана был простым и быстродействующим, так как он должен повторяться многократно. Первое направление позволяет за счет быстродействия ЭВМ расширить сферу варьирования и таким образом приблизиться к наилучшему решению. Ориентация на получение проектного решения в режиме диалога человека с ЭВМ характерна для западной школы проектировщиков. Порядок действий при трассировании в режиме диалога может быть построен следующим образом [1,3]: 1. Инженер назначает вариант трассы в плане (задает координаты ВУ, радиусы круговых кривых, длины переходных кривых) 2. ЭВМ выполняет расчет плана - элементы кривых, координат точек деления трассы (пикеты и плюсы) 3. ЭВМ выполняет расчет отметок земли и строит линию земли на про 25 дольном профиле 4. ЭВМ или Инженер наносит проектную линию продольного профиля 5. ЭВМ - 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 пункту 4. Если дальнейшего улучшения решения не происходит, то переход к п. 1 Если изменение положения трассы в плане не приводит к улучшению критерия, то процесс закончен
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 величине критерия.
Исследование критерия оптимальности при проектировании продольного профиля трассы
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 (Рис. 1.6). 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.
Общее для всех САПР, как уже отмечалось ранее, это ориентация на интерактивную работу проектировщика с ЭВМ. При этом осуществляется оперативный анализ всех производимых проектировщиком действий, достаточный для принятия необходимых решений. Во время интерактивного синтеза проектных решений данные системы поддерживают функцию контроля проектных решений на соответствие нормам и стандартам. Основная направленность рассмотренных САПР - это автоматизация чертежных работ. Неоспоримым достоинством большинства рассмотренных САПР является автоматическое создание AVI — роликов для визуализации выполненных проектов с целью оценки ситуации. Следует также отметить, что в САПР отечественной школы разработчиков присутствует элемент оптимизации - автоматическое получение проектного продольного профиля по по заданному критерию.
При использовании вышеуказанных продуктов для трассирования в интерактивном режиме необходим уже готовый вариант линии по заданному направлению, полученный при традиционном трассировании на карте в горизонталях. Кроме этого отмечается сложность увязки участков проектируемой линии длиной более десяти километров в масштабе карты (и, соответственно, экрана). Отмечается также то, что при необходимости внесения локальных изменений в плане в уже запроектированную трассу, приходится заново перепроектировать продольный профиль, что увеличивает трудоемкость работ и приводит к возникновению рутинных операций, выполняемых человеком в процессе АГТР, приводящих к появлению ошибок в принятии решений [12].
Основным режимом функционирования САПР является автоматизированное решение проектных задач, при котором происходит обязательное чередование функций автоматического проектирования с функциями, выполняемыми инженером-проектировщиком по подготовке заданий, по визуальному логическому контролю и принятию решений. Как показывает опыт системного автоматизированного проектирования сложных объектов строительства, даже незначительное ущемление возможностей инженера-проектировщика оперативно вмешиваться в процесс автоматизированного проектирования сильно снижает эффективность функционирования всей системы - возникают «аварийные» ситуации в связи с потерей информации, потери времени при длительной обработке сложных пакетов программ с незамеченной в начале счета ошибкой в исходных данных, получение непригодных по каким-либо показателям законченных проектных решений и т. д. В САПР инженер-проектировщик является основным звеном, на плечи которого ложатся определяющие функции процесса автоматизированного проектирования: выбор исходных параметров для проектируемого объекта; анализ, контроль и подготовка исходной информации для проектирования; принятие решений о составе и последовательности проектных работ; выбор метода решения тех или иных проектных задач, что требует от проектировщика широкого кругозора и достаточно глубоких теоретических знаний по современным методам расчета и проектирования; формулирование принципиальных вариантов проектных решений, которые подлежат последующей детальной автоматизированной проработке; оперативная работа в режиме «проектировщик — ЭВМ»; оценка результатов проектирования; принятие принципиальных решений (корректировка полученного проектного решения, принятие решения о переходе к последующему этапу программной обработки и т. д.); выполнение согласований по инстанциям (некоторые из которых могут выполняться и автоматически).
Так как все существующие и находящиеся в свободной продаже САПР являются коммерческими продуктами - инженерными разработками, ориентированными на выполнение определенного спектра задач - то следует отметить, что все эти системы не являются наукоемкими в той степени, в какой должны быть. Они ориентированы на пользователей-профессионалов, для которых важно, чтобы система автоматизировала хотя бы какую-то часть их работы.
В мировой проектной практике широкое распространение получила САПР проектирования новых железных дорог разработанная во Франции и впервые использованная в начале семидесятых годов при проектировании высокоскоростной магистрали Париж-Лион, характеризующаяся высоким уровнем комплексности и оперативности анализа вариантных проектных решений по трассе новой железной дороги [13]. Под непосредственным влиянием данной разработки сложилось современное представление о высокой технологии автоматизированного проектирования железных дорог вообще и их трассирования в частности. В комплект поставки САПР входят автоматизированное рабочее место (АРМ) проектировщика с уникальным оборудованием и программное обеспечение. В связи с высокой стоимостью, ее приобретение требует крупных инвестиций, экономически обоснованных лишь при большом объеме проектно-изыскательских работ. В России данная САПР не используется.
В 2005 г. на отечественном рынке была представлена программная разработка от коллектива разработчиков CARD под названием Corridorfinder. Возможности данного программного продукта направлены на оценку ситуации и исследование реализации возможных проектных решений. Данная программная разработка обладает многооконным интерфейсом, и при построении плана в одном из окон автоматически строится продольный профиль земли в режиме реального времени. Проектную линию необходимо наносить в интерактивном режиме. Такая организация работы проектировщика позволяет просматривать и корректировать в интерактивном графическом режиме варианты трассы. Таким образом проектировщик получает возможность исследования проектной ситуации - взаимного расположения объектов искусственной среды.
При этом, несмотря на реализацию функции применения различных типов ЦМР, данная программа позволяет комфортно работать с участками до трех километров в длину в масштабе карты. При работе с более длинными участками отмечается замедление работы программы вследствие нехватки машинных ресурсов (Нехватка ресурсов отмечается на Р IV, 2,5 MHz, 512 RAM). Однако, при всех своих недостатках, программа выполняет поставленную перед ней задачу: автоматизация работы проектировщика при обосновании выбора направления трассы дороги, вписывания ее в ландшафт и ее взаимного расположения с другими искусственными объектами.
Моделирование рельефа методом конечных элементов
В первой главе было сформировано представление о процессе проектирования как о последовательно-циклическом выполнении операций «синтеза-анализа-оценки».
Объем необходимой исходной информации для проектирования зависит не столько от способа решения проектных задач, а главным образом, от стадии проектирования и соответствующей ей точности вычисления параметров проектируемого объекта и стоимостных показателей [17].
При проектировании новых железных дорог одним из основных факторов, влияющий на поиск решения является рельеф местности. Попытки игнорировать или как-то усреднить рельеф по отдельным участкам с тем, чтобы свести задачу поиска пространственной кривой (трассы) к поиску ее проекции на горизонтальную плоскость не привели к практическим результатам. Поэтому проектное решение по плану трассы получают в интерактивном режиме работы с САПР.
Остается, однако, возможность применения математических методов для получения первого приближения проектного решения по продольному профилю трассы. Такой подход к автоматизации работ на стадии формирования концептуальной схемы объекта в настоящее время применяется в САПР автомобильных и железных дорог, при этом отмечается удобство работы проектировщика, связанное с сокращением времени цикла синтеза-анализа-оценки проектного решения. Однако такой процесс работы также не гарантирует получение единственного оптимального решения, а лишь сокращает количество выполняемых человеком рутинных операций на стадии формирования вариантов трассы. Автор полагает, что такой подход к автоматизации начальной стадии проектирования железных дорог является перспективным, а оптимизация проектного решения должна осуществляться посредством оптимизации процесса проектирования, а именно реализацией наиболее комфортного для инженера-проектировщика режима работы с информационной моделью среды проектирования. При этом эмпирическим путем установлено, что основой комфорта является скорость работы с моделями объектов. В исследовании предполагается первоначально рассмотреть существующие методики решения задачи выбора положения трассы в продольном профиле (в двух измерениях), а затем методику решения задачи интерактивного выбора положения трассы одновременно в плане и в продольном профиле, т.е. пространстве или в трех измерениях.
Развитие вычислительной техники и технических средств автоматизации предопределило не только фундаментальное переосмысление и видоизменение технологи проектно-изыскательских работ, но методов проектирования [7]. Широкое распространение в практике проектирования железных дорог получили математические методы оптимизации и моделирования, применение которых определяет заметное снижение материалоемкости и стоимости строительства и повышение качества проектируемых объектов. Реализация методов оптимизации и математического моделирования в связи с очень большим объемом вычислений немыслима при ручной технологии и реализуемы только в процессе АПР.
Основная задача теории оптимизации сводится к отысканию экстремума (минимума или максимума) скалярной функции F(X) n-мерного векторного аргумента X при заданном комплексе ограничений G(X) = gj(xi,x2,...xn) , = , 0; і = l,...m, где m - число ограничений. Каждое значение X является решением задачи. Если решение удовлетворяет ограничениям, оно называется допустимым. То решение, которое удовлетворяет ограничениям и дает минимальное или максимальное значение целевой функции называется оптимальным. Применительно к решению задач проектирования железных дорог функция цели (объемы работ, строительная стоимость, приведенные затраты и т.д.) является функцией многих переменных. При этом математическая запись функции цели оказывается столь громоздкой, что поиск ее экстремумов методами классического анализа в большинстве случаев невозможен. В связи с этим в практике проектирования железных дорог стали применять многочисленные специальные математические методы оптимизации [6, 7,10, 11, 17, 18, 19, 20], в частности: методы оптимизации, основанные на решении задач линейного программирования и позволяющие определять экстремумы линейных функций при заданном комплексе ограничений; методы оптимизации, основанные на решении задач нелинейного программирования и позволяющие определять экстремумы нелинейных функций при заданном комплексе ограничений; эвристические методы, дающие возможность за приемлемое машинное время находить проектные решения, приближающиеся к оптимальным. В настоящее время при проектировании железных дорог с использованием оптимизационных алгоритмов решают главным образом следующие задачи: проектирование продольного профиля; проектирование пойменных насыпей на подходах к мостам; проектирование поперечных профилей; проектирование верхнего строения пути; проектирование водопропускных труб, мостов и путепроводов;
При многовариантной проработке на уровне САПР железных дорог большого числа возможных вариантов направлений трассы железной дороги уже недостаточно информации, собираемой на узкой полосе вдоль априори принятого варианта железной дороги, а необходима информация в весьма широкой полосе варьирования, где могут пройти конкурирующие варианты железной дороги. С использованием имеющейся информации строят предварительную цифровую модель местности (ЦММ), которой охватывается заведомо большая территория, чем это требуется для установления наилучшего положения трассы. Таким образом, для реализации поставленных в исследовании задач необходимо выбрать цифровую модель рельефа (ЦМР) такого типа, которая позволяет охватить довольно обширную зону варьирования, при этом работа с такой моделью должна обеспечивать скорость построения продольного профиля по намеченной трассе в режиме реального времени.
Технология автоматизированного проектирования железных дорог представляет собой совокупность правил, определяющих действия инженерно-технического персонала по высококачественному решению проектной проблемы в фиксированные сроки и с минимальными затратами при комплексном использовании всех компонентов САПР ЖД. Разработка новых методов проектирования плана, продольного и поперечного профилей, методов расчета стока, размеров искусственных сооружений, включение новых критериев оценки проектных решений и т.д. определяют изменение компонентов методического и прикладного программного обеспечения САПР ЖД и, как следствие, немедленное изменение технологии автоматизированного проектирования.
Размещение площадок раздельных пунктов в режиме реального времени
В дальнейшем (к 1975 г.) с ростом мощности доступных ЭВМ разработчиками метода последовательного анализа был реализован метод динамического программирования в «чистом» виде («сравнение в отрезок») и создан работоспособный комплекс программ. Но к тому времени выяснилось, что в условиях пересеченного рельефа исходное предположение о том, что целевую функцию можно вычислять по элементам, не имея всей проектной линии, чаще всего не выполняется. Дело в том, что при строительстве дорог насыпи сооружаются из грунта выемок и, если этого грунта недостаточно, используется привозной грунт. Строительные затраты существенным образом зависят не только от объемов работ, но и от соотношения объемов насыпей и выемок, грунт которых можно использовать. Но это соотношение меняется при вариациях проектной линии. Оптимум чаще всего соответствует балансу грунтов. При оптимизации не объемов работ, а стоимостей нужно задать единичные затраты (на 1 м3), которые различны при различном соотношении объемов грунта в насыпях и в выемках. Оказалось, что при задании единичных затрат в расчете на использование фунта выемок для сооружения насыпей, как правило, получается вариант с недостатком грунта в выемках, и наоборот. Получается, что для вычисления значения целевой функции нужно иметь проектную линию полностью, вычислить соответствующие ей объемы работ и только потом — строительные затраты. Это означает неприменимость динамического программирования при решении задачи с учетом данного фактора, который никак нельзя считать второстепенным. Именно поэтому задача была решена методами нелинейного программирования, которые на каждой итерации имеют дело с проектной линией как с единым целым.
Сказанное не означает неприменимость динамического программирования к проектированию продольного профиля других линейных сооружений. Например, в проектировании трасс трубопроводов и вообще траншей различного назначения система ограничений практически та же, что и в проектировании дорог, но нет дополнительной взаимосвязи элементов, так как нет балансировки грунтов. Метод динамического программирования был успешно реализован и при проектировании реконструкции железных дорог [10, 22, 23, 25].
Проектирование оптимального продольного профиля дороги как задача математического профаммирования впервые рассматривалась ЮіС Полосиным [11]. Один из методов состоит в улучшение уже имеющейся проектной линии на основе сочетания методов дифференциального исчисления и операций. Ограничения, которым исходная проектная линия удовлетворяет как равенствам, фиксируются, остальные офаничения не фиксируются. Новое положение проектной линии получается путем решения системы линейных уравнений, выражающих кроме офаничений-равенств условия равенства нуль частных производных целевой функции по неизвестным смещениям. Недостатком предложенного метода является то, что выбор тех офаничений, которые должны выполняться как равенства, в каждом случае должен быть обоснован.
Наиболее развитым приложением методов математического профаммирования к решению задачи проектирования профиля дороги является метод проекции фадиента, разработанный В.И.Струченковым [10]. Методика оптимизации и соответствующие алгоритмы формализованы в комплексе машинных профамм «Профиль», рекомендованным для применения при проектировании продольного профиля новых железных дорог. Подробное описание модифицированного метода проекции градиента приведено в [10] и широко известно. При аналогичности основных свойств целевой функции и систем ограничений применительно к оптимизации профиля новых линий принципиальных препятствий, ограничивающих возможность применения метода проекции градиента нет. Трудности возникают в связи с невозможностью использования наиболее целесообразных алгоритмических моделей критерия оптимальности.
Действительно, отмечается, что увеличение числа высотных ограничений приводит к прогрессивному росту времени счета. Проведенный анализ показывает, что метод проекции градиента может быть применен для решения задачи об оптимальном профиле линии, однако с увеличением числа высотных ограничений, его эффективность с точки зрения затрат машинного времени будет снижаться.
Метод локальных вариаций, разработанный Л.Ф.Черноусько [30] и реализованный И.В.Турбиным [9] для проектирования продольного профиля новых железных дорог, представляет собой наиболее широко используемую форму метода вариаций в фазовом пространстве. Метод носит итерационный характер, каждая итерация является переходом от некоторой траектории к близкой к ней, лучшей по величине минимизируемого функционала. Этот метод состоит в численном решении исходной вариационной задачи путем локальных вариаций ломанной линии, аппроксимирующей экстремаль функционала критерия оптимальности.
Метод локальных вариаций прост в реализации на ЭВМ и не требует хранения большого числа информации. При проектировании продольного профиля железной дороги он позволяет учитывать конкретные особенности строительства данной линии, определяющие уровень эксплуатационных расходов. В [20] отмечается, что в общем случае сходимость метода локальных вариаций доказана быть не может.
Метод трубки (подвижной сетки) является упрощенным вариантом полного метода вариаций в фазовом пространстве [21]. Нецелесообразность использования метода трубки определяется необходимостью применения неоправданно громоздких алгоритмов отсева вариантов при нахождении наилучшей сеточной траектории методом динамического программирования.
Для методов современной прикладной математики, предназначенных для решения конкретных задач, абсолютная предпочтительность применения того или иного из них не может быть обоснована сугубо теоретическими предпосылками. При одинаковой разрешающей способности в смысле возможности решения задачи определенного типа за конечное число итераций, собственно число итераций прямо связано с затратами машинного времени, и обуславливает эффективность метода. Таким образом, окончательный вывод о выборе математического метода может быть сделан только на основе доказательства того, что он обеспечивает решение поставленной задачи с требуемой точностью за меньшее машинное время, чем другие. Определенное значение имеет также объем исходной информации необходимой для функционирования алгоритмических реализаций метода.
