Компьютерные технологии и моделирование при проектировании железных дорог

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Результативность инвестиционных проектов в большей степени зависит от решений принимаемых при выполнении проектно-изыскательских работ.

Ранее пользовались нормами, которые обычно давались в определенных пределах. Но то, что план и профиль оказывают на поезд силовое воздействие, в нормах не указывалось.

Сокращение трудозатрат и сроков разработки проектно-сметной документации достигается за счет применения новых технических средств изысканий и систем автоматизации проектных работ (САПР).

Повышение качества проектных решений и снижение затрат труда особенно заметно при использовании современных информационных технологий, в частности: геоинформационных систем (ГИС), цифровых моделей местности (ЦММ). Они широко применяются при проектировании, строительстве и эксплуатации железнодорожных и автомобильных дорог. Исследования по разработке методов решения отдельных задач проектирования железных дорог на новой информационной базе ведутся в университетах путей сообщения и в проектных организациях РФ. Однако комплексной САПР, работающий на основе ЦММ для железных дорог, в настоящее полностью не разработан. Поэтому сейчас актуально адаптировать имеющиеся программные обеспечения к задачам проектирования железных дорог с использованием ЦММ, создания на их основе САПР и разработки метода выполнения проектных работ на новой информационной базе. Решение этой проблемы требует проведения многогранных исследований.

С появлением ПЭВМ с помощью технологических линий проектирования стали разрабатываться автоматизированные рабочие места (АРМ), но по ряду причин рассматриваемые задачи не получили комплексного решения в виде САПР.

Рассмотрим краткие характеристики наиболее распространенных программных продуктов.

«Топоматик Robur» ­– программный комплекс для автоматизированного проектирования транспортных сооружений. Сертификат Госстандарта России № РОСС RU.СП15.Н00014. Включает программы: «Robur – автомобильные дороги» (Robur-road); «Robur – геодезия»; «Robur – железные дороги» (Robur-rail); «Robur – дорожная одежда».

«Robur ­– железные дороги» – это совместная разработка научно-производственной фирмы «Топоматик» и Проектно-изыскательского института «Ленгипротранс».

Пакет для проектирования железных дорог Robur-rail включает в себя модули по геометрическому проектированию плана, продольного и поперечного профилей, модули выправки плана и расчета плана линии. Может быть использован при проектировании как для новой железной дороги, так и для реконструируемой; проектирование учитывает существующие нормы. Так, в Robur-rail 2.3 используются модули: геодезия, формирование планшетов, геология, визуализация и динамическое трассирование. Последние две функции удобны для визуального представления (рис. 1) и обоснования инвестиций при вариантном проектировании [1].

Рис. 1

Этот комплекс совсем недавно появился для проектирования железных дорог. Он в настоящее время находится в стадии адаптации к применению в проектных организациях.

Функциональные возможности «GeoniCS Желдор» включают поддержку принятия проектных решений при проектировании новых путей, реконструкции и капитальном ремонте существующих железных дорог.

Проектирование основано на пространственном моделировании объектов местности, проекта, а также их взаимосвязей. Объекты (геоны) характеризуются их представлением в модели, взаимодействием с другими объектами, оформлением и поведением. Модель динамическая: при изменении параметров объекта она автоматически перестраивается — это позволяет реализовать многовариантное проектирование и находить наилучшие решения.

Структура программы разбивает весь технологический процесс на логические блоки: «Трасса» (план); «Выправка»; «Профиль»; «Поперечники» (сечения); «3D-модель» (коридор); «Проектная документация и экспорт данных».

В функционал «GeoniCS Желдор» включены инструменты автоматического расчета объемов насыпей и выемок – как для целого коридора, так и для ограниченного контура (по пикетам, участкам и т.д.) [3].

«Kaprem» – программный комплекс, разработанный в Проектно-изыскательском институте «Иркутскжелдорпроект», предназначен для выполнения полного цикла проектирования капитального ремонта железнодорожного пути, а также изыскательских работ, связанных с содержанием пути.

В качестве источников данных для программного комплекса Kaprem может использоваться современное оборудование, например, электронный тахеометр и GPS приемник.

Кроме того, «Kaprem» поддерживает традиционные способы съемки, что позволяет безболезненно перейти к новым технологиям [4].

Рассмотрим некоторые программы, используемые для проектирования автомобильных дорог, и программы комплексного проектирования, так как именно они стали основоположниками используемых программ для проектирования железных дорог: Robur-road, Credo, Plateia, GEO+CAD, AutoCAD Civil 3D, IndorCAD, Pythagoras, LISCAD, MX ROAD, GIP, Intergraph, Bentley, Consistent Software.

CREDO – это комплекс, состоящий из нескольких крупных систем и ряда дополнительных задач, объединенных в единую технологическую линию обработки информации в процессе создания различных объектов от производства изысканий и проектирования до эксплуатации объекта. Каждая из систем комплекса позволяет не только автоматизировать обработку информации в различных областях (инженерно-геодезические, инженерно-геологические изыскания, проектирование и другие), но и дополнить своими данными единое информационное пространство, описывающее исходное состояние территории (модели рельефа, ситуации, геологического строения) и проектные решения создаваемого объекта.

«GEO+CAD» – это программный комплекс представляет собой открытый набор совместимых программных продуктов для платформы AutoCAD, предназначенных для решения задач инженерных изысканий, геоинженерного проектирования и ГИС инженерного назначения [6].

PLATEIA – программа предназначена для разработки проектов строительства, реконструкции, ремонта автомобильных дорог и городских улиц всех технических категорий. Российская версия PLATEIA разработана с учетом двух основных нормативных документов: СНиП 2.05.02 – 85 «Автомобильные дороги» и ГОСТ Р21.1701 – 97 «Правила выполнения рабочей документации автомобильных дорог».

AutoCAD®Civil 3D 2009 – это программа нового поколения, базирующаяся на платформе AutoCAD®2009 и предназначенная для землеустроителей, проектировщиков автомобильных дорог, генплана, проектировщиков линейных сооружений. Ключевой особенностью программы является интеллектуальная связь между объектами, позволяющая динамически обновлять все связанные объекты при внесении изменений в результаты изысканий или проектные решения. Области применения: проектирование генеральных планов, земельный кадастр, проектирование дорог, ландшафтное проектирование и благоустройство, геодезия, трубопроводные канализационные сети, охрана окружающей среды.

IndorCAD – это системы автоматизированного проектирования предназначенные для линейных объектов, генеральных планов и землеустройства; они интегрируют возможности обработки материалов геодезических изысканий, построения и обработки цифровых моделей местности, трассирования линейных объектов, проектирование рельефа, насыпей и выемок произвольной сложности, автомобильных дорог, зданий, инженерных сетей и прочей инфраструктуры. IndorCAD – это: система проектирования автомобильных дорог (IndorCAD/Road); комплексное решение для эксплуатации электрических сетей (IndorPower); подготовка топопланов (IndorCAD/Topo); проектирование генеральных планов (IndorCAD/Site); составление лоцманских карт (IndorCAD/River).

Pythagoras – программа позволяет быстро и эффективно обрабатывать данные полевых измерений, проектировать, создавать чертежи, выполнять различные измерения и расчеты, вычислять объемы выемки/насыпи, разрабатывать модули автоматизации, производить контроль исполнительной съемки и выводить готовую документацию на печать. Чертежные возможности программы позволяют вычерчивать практически любые графические объекты.

LISCAD – это программное обеспечение предназначенное для геодезистов и изыскателей; её основные функции: ввод и вывод данных, обмен данными с не менее чем 40 различными типами приборов. Возможен обмен данными с другими программными системами, включая AutoCAD DWG/DXF и Microstation DGN; вычисления (COGO), создание, редактирование и работа с точками, линиями, сплайнами, полигонами, текстом и трассами; уравнивание линейно-угловых сетей любой конфигурации, импорт данных из полевого файла или ввод вручную; вычисление объемов, ограниченных двумя поверхностями, расчет объемов выемок и насыпей; построение продольных и поперечных профилей, полный набор данных для вывода в CAD; преобразование координат из одной системы в другую.

Leica LISCAD CAD – это система автоматизированного проектирования LISCAD – чрезвычайно мощная и одновременно простая в освоении автоматизированная система черчения, специально разработанная для применения при изысканиях и картографировании. Предназначена для окончательного оформления и подготовки планов и профилей к печати. Поддерживает импорт-экспорт в форматах DXF и DGN. Обеспечивает удобный интерфейс для редактирования информации на экране монитора, представленной в графическом виде [11].

Талка – это программный комплекс предназначен для создания (на основе космических и аэрофотосъемочных материалов) разнообразных ГИС-данных. В состав комплекса входят программные обеспечения: «ЦФС-Талка», «Талка-космос», «Талка-TSP», «Талка-КПК», «Талка-ГИС». Выходная продукция «Талки»: фотосхемы, фотопланы, ортофотопланы; цифровые модели рельефа в виде горизонталей, матрицы высот, треугольников (TIN); электронные карты и планы [12].

1. 
   безопасности (габаритов и );
   
2. 
   плавности: и др.
   

Соблюдение норм проектирования в ряде случаев приводит к большим запасам, что удорожает проект.

Моделирование движения поезда по запроектированному профилю и плану позволило бы выявить силовые взаимодействия, обусловленные геометрией трассы, что позволило бы создать более экономичные проекты по сравнению с «нормативными» решениями.

Широкое применение для синтеза уравнений движения в символьной форме нашли универсальные системы: «Adams», «Reduce», «Neweul», «Medyna», «Dads», «LINDA», «Nubemm», «Unigraphics NX», «Solid Edge», «ProEngineer».

В России разработан программный комплекс «Универсальный механизм» (UM). Программный комплекс предназначен для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических систем.

UM включает в себя специализированный модуль для моделирования динамики железнодорожных экипажей: локомотивов, пассажирских и грузовых вагонов, путевых машин. Моделирование производится во временной области, то есть в зависимости от времени. С помощью UM можно создавать параметрические модели: задавать с помощью идентификаторов или выражений инерционные и геометрические параметры (в числе и графические изображения элементов), а также основные характеристики силовых элементов (например, жесткости пружин, коэффициенты диссипации зависимости гасителей, коэффициенты трения в контактах и так далее (рис. 2)).

Рис. 2

Для уточнения результатов моделирования и/или для решения задач долговечности отдельные элементы конструкции, например, хребтовые балки и кузова вагонов, могут быть представлены в виде упругих тел. Параметризация модели является основой эффективного анализа динамических свойств железнодорожных экипажей и их оптимизации.

При создании модели исследователь указывает количество единиц подвижного состава, их тип, а также тип поглощающих аппаратов, используемых на соответствующем экипаже. Тип экипажа выбирается из базы, включающей модели локомотивов и вагонов, наиболее распространенных на российских железных дорогах (рис. 3). Эта база может быть дополнена моделью любого экипажа. Для этого достаточно создать графический образ экипажа, задать длину по осям автосцепок, массу экипажа, силы основного сопротивления движению, тяговые характеристики для локомотивов, а также (при необходимости) силы, специфичные для данного экипажа. Каждая единица подвижного состава в терминах программного комплекса представляет собой подсистему, которая, вообще говоря, может быть моделью любой сложности. Несмотря на то, что в большинстве случаев достаточно одномассовой модели экипажа, в железнодорожный состав может быть включена, например, уточненная модель грузового вагона с трехэлементными тележками или модель трехвагонного сцепа для более подробного анализа динамики отдельного экипажа в поезде при помощи модуля UM Train 3D.

Рис. 3

В качестве исходных данных о пути вводят файлы описания координат рельсовой колеи (продольный профиль, вертикальные координаты, план линии, описание поперечного профиля головки рельса), поперечного профиля колес и характеристик подсистем пассажирского вагона (кузов, тележки, колесные пары, рессорное подвешивание, демпферы, автосцепка и т.д.), взаимной ориентации колес и рельсов. Левое и правое колесо вагона рассматривают отдельно со своими системами координат.

В расчетах принимают во внимание отступления в геометрии рельса от правильной кривой или прямой (его геометрические отступления в плане и профиле от проектного положения). Отступления в плане учитываются смещением основания контактной площадки. Демпфирование колебаний определяют с учетом скорости деформации демпферов в соответствии с их нелинейными характеристиками [13].

Используя существующие на сегодняшний день программы проектирования и моделирования можно создать программный комплекс, который не только поможет выполнить проекты, но и прогнозировать поведение самого проектируемого объекта в будущем, что облегчило процесс нахождения необходимых решений для проектирования.

1. 
   НПФ «Топоматик»: официальный сайт программного продукта «Топоматик Robur». URL: http://www.topomatic.ru (дата обращения 20.01.2009).
   
2. 
   НПЦ «Геоника»: официальный сайт программного продукта «GeoniCS». URL: www.geonika.net (дата обращения 25.03.2009).
   
3. 
   ГК CSoft: каталог: программное обеспечение: «GeoniCS Желдор». URL: http://www.csoft.ru (дата обращения 26.03.2009).
   
4. 
   Программный комплекс автоматизированного проектирования капитального ремонта пути Kaprem 5.1: руководство пользователя. Иркутск, 2007. 5с.
   
5. 
   Кредо-Диалог: официальный сайт программного продукта «CREDO». URL: http://www.credo-dialogue.com/ (дата обращения 10.05.2009).
   
6. 
   Геокад: официальный сайт программного продукта «GEO+CAD». URL: http://www.geocad.com.ua/ (дата обращения 10.05.2009).
   
7. 
   ГК CSoft: каталог: программное обеспечение: «Plateia». URL: http://www.csoft.ru (дата обращения 26.03.2009).
   
8. 
   Autodesk: официальный сайт программного продукта «AutoCAD®Civil 3D». URL: http://www.autodesk.ru (дата обращения 30.08.2009).
   
9. 
   ИндорСофт: официальный сайт программного продукта «IndorCAD». URL: http://www.indorsoft.ru (дата обращения 20.07.2009).
   
10. 
    Принт: геодезическое оборудование: программное обеспечение: «Pythagoras». URL: http://www.prin.ru (дата обращения 10.02.2009).
    
11. 
    Фирма Г.Ф.К.: обработка измерений: «LISCAD». URL: http://www.gfk-leica.ru (дата обращения 04.03.2009).
    
12. 
    Талка-ГИС: официальный сайт программного продукта «Талка». URL: http://gis.talka2000.ru (дата обращения 02.03.2009).
    
13. 
    Универсальный механизм: официальный сайт программного продукта «UM» . URL: http://www.umlab.ru (дата обращения 15.03.2009).