У вступі викладено актуальність обраної теми; надано критичний аналіз існуючого стану проблеми та висвітлений зв’язок роботи з науковими програмами; сформульована мета та задачі дослідження; розкрито у логічній послідовності застосування системи методів наукових досліджень, що були використані у дисертації; викладено наукову новизну та практичну значимість результатів.
Впершому розділі дисертаційної роботи проаналізовано розвиток методології проектування траси автомобільної дороги, а також сучасні методи трасування доріг та пов’язані з ними проблеми поєднання елементів плану і поздовжнього профілю; розглянуто різні підходи до забезпечення просторової плавності траси дороги як через обмеження її кривизни, так і через використання різного роду перехідних кривих.
Існуючі сьогодні методи проектування траси автомобільної дороги ґрунтуються на роздільному підході до проектування плану та поздовжнього профілю з наступним їх узгодженням. Такий підхід має істотні недоліки. Він вимагає окремої, громіздкої та тривалої процедури узгодження, яка апріорі може дати тільки наближене до оптимального рішення. Він не дозволяє отримати постійну плавну зміну кривизни траси в просторі, яка б найбільше відповідала динаміці руху автомобіля, не забезпечує плавності дороги та відсутності зорових «провалів» траси, тобто не дозволяє створити безпечні і зручні умови руху. Такий підхід вимагає постійної ув’язки як різних елементів окремо в плані та поздовжньому профілі, так і плану та профілю між собою в цілому.
Розуміючи усі складності і недоліки роздільного трасування, різні дослідники намагались знайти загальний підхід до трасування автомобільної дороги саме в просторі. Основні поняття проектування плану та поздовжнього профілю, а також власне просторового трасування були закладені Г.Д. Дубеліром, А.К. Біруля, В.Ф. Бабковим, М.С. Замахаєвим, Ю.Я. Науджуном, В.І. Ксеноходовим, К.А. Хавкіним та ін. Методи оцінки проектних рішень, принципи ландшафтного проектування, питання забезпечення зручності та безпеки руху, екологічності трас були відображені в роботах В.Ф. Бабкова та його учнів і послідовників Н.А. Орнатського, Е.М. Лобанова, В.В. Сільянова, П.Я. Дзеніса, В.В. Філіппова, Є.Б. Угненко, О.А. Білятинського та ін.
Пропонувалися як різні види просторових кривих для проектування окремих елементів траси, так і різні варіанти побудови просторової математичної моделі траси автомобільної дороги загалом: роботи Ю.Г. Сорокіна, А.В. Вдовенко, В.В. Філіппова, А.Г. Батракової, В.Н. Бойкова, П.А. Елугачева. Вивчення даних робіт показало, що при побудові математичних моделей просторової траси автомобільної дороги як просторові криві, як правило, розглядаються лише одиничні елементи траси, з яких потім конструюється траса. Дані геометричні елементи формуються шляхом поєднання геометричних елементів плану і поздовжнього профілю і розраховуються на дотримання лише окремих вимог: геометричних або техніко-економічних. Крім того, існує складність поєднання таких елементів без втрати плавності в точках спряження.
Важливим аспектом є й те, що просторове проектування на даний час неможливе без використання комп’ютерних технологій. Питання автоматизованого проектування автомобільних доріг найбільш повно сформульовано та розроблено Г.А. Федотовим, Я.В. Хомяком, М.А. Григорьєвим, Г.В. Величко, В.В. Філіпповим. В розділі також проаналізовано існуючі на цей час системи автоматизованого проектування доріг (CREDO, IndorCAD/Road, Plateia, AutoCAD, MXRoad, CADdy STR, АД Robur, Pythagoras) і ті методи, які використовуються в програмах проектування автомобільних доріг для знаходження просторового положення траси. З огляду сучасних систем автоматизованого проектування автомобільних доріг можна зробити висновок, що вони розглядають проектування траси роздільно: окремо план і профіль; проектування відбувається за допомогою збирання траси з окремих елементів, характеристики яких відповідають прийнятим нормам з подальшим їх узгодженням.
Аналіз зарубіжного досвіду свідчить про розвиток тенденцій проектування доріг безперервно криволінійними. Безперервна криволінійність покращує не тільки узгодження просторової траси з рельєфом місцевості, а й огляд дорожньої ситуації та полегшує оцінку дистанцій та швидкостей усім водіям (а не лише лідеру колони); усуває присипляючу монотонність руху; підвищує зорову плавність трас.
Вивчення всієї області дослідження показало, що існуючі на сьогодні принципи і методи трасування автомобільних доріг не дають можливості уникнути виконання двох етапів проектування: траса в плані та траса в профілі. Використання просторових методів трасування на основі побудови тільки цифрових моделей місцевості та цифрових моделей проекту не дає бажаного ефекту отримання плавних просторових ліній трас без переходу від «плоского» проектування до просторового. Від схеми: план, поздовжній профіль, до схеми просторова крива.
Таким чином необхідність трасування таких автомобільних доріг, які б були безперервно криволінійними та відповідали нормативним вимогам і параметрам місцевості та району проектування, з точки зору просторового трасування до сих пір не вирішена. Саме це обумовлює мету даної роботи: розробити новий метод проектування просторового положення траси дороги.
Причому отримана просторова крива траси повинна дати можливість плавного проїзду по ній автомобілем. Тобто, векторна функція кривизни такої кривої повинна мати неперервну похідну, а сама лінія траєкторії – бути неперервною до третіх похідних. Дана вимога призвела до визначення перших двох задач роботи: запропонувати новий підхід до отримання просторової кривої траси та розробити відповідну методику за допомогою розрахунку зігнутої в просторі осі стрижня (така вісь матиме необхідну плавність – третього порядку, та гладкість – другого відповідно).
Крива траси, крім того, має бути динамічно та зорово плавною, враховувати дорожні умови та вартість виконання будівельних робіт. Ці критерії обумовили задачу формалізації вимог до знаходження оптимальної форми кривої в межах нового методу. Для практичного застосування методу заплановано розробити відповідний алгоритм та рекомендації щодо автоматизації проектування в його межах.
Другий розділ дисертації присвячений вирішенню першої з поставлених задач імітаційного моделювання траси автомобільної дороги – пропозиції нового підходу до отримання просторової кривої траси з постійно змінною кривизною.
Для знаходження деякої плавної просторової кривої з постійно змінною кривизною пропонується використати в якості моделі гнучкий стрижень, який під дією зовнішнього навантаження (сил, моментів) приймає бажане просторове положення. Розв’язавши рівняння рівноваги цього стрижня, ми отримаємо математичний опис його осі у вигляді графіків переміщень точок осі, кутів повороту перерізів стрижня.
Таким чином, об’єктом імітаційного моделювання є просторова вісь автомобільної дороги. При чому, в першу чергу нас цікавить її геометрія і саме в просторовому положенні. За еквівалент об’єкта приймаємо просторову зігнуту вісь навантаженого стрижня, геометричні характеристики якої залежать від величини і характеру прикладеного до стрижня навантаження та умов закріплення кінців стрижня.
На рис.1 представлено основну схему імітаційної моделі, що пропонується. Як видно з рисунка, модель являє собою пружній стрижень, закріплений на двох кінцях (точки А та В) і вигнутий в тривимірному просторі під дією деяких сил і моментів. 1 – вісь стрижня до прикладення навантаження, 2 – після. Категорія автомобільної дороги, що проектується, на цій схемі представлена умовним циліндром. Перерізом циліндра є еліпс, тому що допустимі радіуси кривих в плані і профілі відрізняються на порядок. Якщо просторово зігнутий стрижень знаходиться в межах циліндра, вважатимемо, що його кривизна як просторова, так і кривизна проекцій, відповідає категорії дороги. При розміщенні моделюючого стрижня на місцевості ми можемо отримати просторову вісь автомобільної дороги. Різним чином комбінуючи навантаження на моделюючий стрижень, разом з цим контролюючи, щоб він не вийшов за межі умовного циліндру, ми можемо досягти найбільш прийнятної його форми при заданому рельєфі та інфраструктурі району проектування. При цьому отримана вісь автомобільної дороги є просторовою кривою, внутрішньо несуперечливою (оскільки моделюючий стрижень є однорідним, з жорсткістю і перерізом незмінними по довжині) і такою, що відповідає потрібній категорії дороги по кривизні.
