ІМІТАЦІЙНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ПРОСТОРОВОГО ПОЛОЖЕННЯ ТРАСИ АВТОМОБІЛЬНОЇ ДОРОГИ

brief description

Національний університет водного господарства та природокористування

На правах рукопису

Піліпака Людмила Михайлівна

УДК 625.7

ІМІТАЦІЙНЕ ПРОЕКТУВАННЯ
ПРОСТОРОВОГО ПОЛОЖЕННЯ
ТРАСИ АВТОМОБІЛЬНОЇ ДОРОГИ

Спеціальність 05.22.11 Автомобільні шляхи та аеродроми

Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Науковий керівник
Гайдукевич Віталій Анатолійович,
к.т.н., доцент

Рівне 2012

ЗМІСТ

Вступ.

5

РОЗДІЛ 1. ОЦІНКА ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ ПРОЕКТУВАННЯ.

10

1.1. Розвиток методології проектування траси автомобільних доріг.

10

1.2. Просторові математичні моделі траси автомобільної дороги.

18

1.3. Огляд існуючих систем САПР в проектуванні автомобільних доріг.

21

1.3.1. CREDO.

22

1.3.2. Система проектування автомобільних доріг IndorCAD/Road.

23

1.3.3. PLATEIA.

24

1.3.4. AutoCAD Дороги CS.

25

1.3.5. Сімейство програмних комплексів (ПК) МХ.

25

1.3.6. CADdy STR.

27

1.3.7. АД Robur .

29

1.3.8. PYTHAGORAS .

29

1.3.9. AutoCAD Civil3D.

30

Висновки до першого розділу.

33

РОЗДІЛ 2. ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОСТОРОВОЇ ТРАСИ АВТОМОБІЛЬНОЇ ДОРОГИ.

35

2.1. Основна схема і математичний вираз імітаційної моделі просторової осі автомобільної дороги.

35

2.2. Прив’язка імітаційної моделі до конкретних умов проектування автомобільної дороги.

60

2.2.1. Спряження двох сусідніх ділянок траси, що проектується.

68

2.3. Аналіз оптимальності отриманої осі автомобільної дороги.

70

Висновки до другого розділу.

84

Розділ 3. РОЗРОБКА АЛГОРИТМУ ВИКОРИСТАННЯ ІМІТАЦІЙНОГО МЕТОДУ ПРОЕКТУВАННЯ ПРОСТОРОВОЇ ТРАСИ АВТОМОБІЛЬНОЇ ДОРОГИ.

86

3.1. Загальні дані.

86

3.2. Підготовка до розрахунку просторової траси.

91

3.2.1. Розміщення моделюючого стрижня на карті місцевості.

91

3.2.2. Нумерація вузлів моделюючої конструкції.

92

3.2.3. Задавання опорних точок.

93

3.2.4. Задавання початкових умов.

94

3.2.5. Задавання меж смуги варіювання траси.

95

3.3. Розрахунок точок просторової кривої траси автомобільної дороги.

97

3.3.1. Розрахунок моделюючої конструкції.

97

3.3.2. Розрахунок геометричних характеристик траси.

105

3.3.3. Перевірка відповідності величин радіусів кривизни траси нормативам.

111

3.4. Оптимізація отриманої кривої траси автомобільної дороги.

117

3.4.1. Побудова «чорнових» плану і профілю.

117

3.4.2. Зменшення величин робочих відміток і перевірка ухилі.

117

3.4.3. Побудова графіків.

121

3.5. Особливості розрахунку моделюючого стрижня при реконструкції

129

3.6. Побудова креслень і винесення в натуру отриманої кривої траси автомобільної дороги.

130

3.6.1. Оформлення креслень.

130

3.6.2. Підготовка даних для винесення в натуру.

130

Висновки до третього розділу.

134

Розділ 4. ПРОПОЗИЦІЇ ЩОДО СТВОРЕННЯ ПРОГРАМНОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВІ ІМІТАЦІЙНОГО ПРОЕКТУВАННЯ.

136

4.1. Перевірка математичної моделі та порівняльна оцінка проектних рішень.

136

4.2. Загальні зауваження до форми та наповнення програмного модуля.

139

4.2.1. Послідовність дій щодо створення програмного модуля.

Висновки до четвертого розділу.

152

ВИСНОВКИ

154

Список використаних джерел.

156

Додаток А. Розрахунок частини траси автодороги Київ-Чоп на ділянці км 119+150 км 121+050 (за матеріалами проекту капітального ремонту, виконаного ДП Укрдіпродор, м. Київ)

169

Додаток Б. Розрахунок частини траси автодороги Київ-Чоп на ділянці км 376++371 км 379+822 (за матеріалами проекту капітального ремонту, виконаного ДП Укрдіпродор, м. Київ).

179

Додаток В. Варіант програми для розрахунку за імітаційним методом з допомогою програми MAV.Structure

199

Додаток Г. Алгоритм розрахунку моделюючої конструкції в ПК ЛИРА9.0

203

Акт про впровадження результатів дисертаційного дослідження, виданий управлінням транспорту і зв’язку Рівненської міської ради.

204

Довідка про впровадження результатів дисертаційної роботи. видана Рівненським ВКП.

205

Довідка про впровадження результатів дисертаційної роботи. видана ДП «Житомирдіпродор».

206

Вступ
Щорічне зростання чисельності автомобілів, загальне підвищення темпу життя людей потребує постійного покращення умов роботи автомобільного транспорту, що в свою чергу вимагає постійного розширення мережі автомобільних доріг, проектування нових, реконструкції та ремонту вже існуючих.
При цьому саме вдалий вибір просторового положення траси автомобільної дороги визначає безпеку руху і комфортність автомобільної дороги як для водіїв, так і для пасажирів, мінімізацію транспортно-експлуатаційних витрат, впливає на розвиток прилеглої території впродовж довгих років функціонування автомобільної дороги.
Актуальність роботи.
З позицій системного підходу процес проектування автомобільної дороги починається зі знаходження положення її траси в просторі. Традиційно це питання вирішується через дві проекції: план і поздовжній профіль, які розглядаються окремо. Такий підхід вимагає наступного етапу цілої системи дій як по узгодженню елементів плану, профілю, параметрів місцевості між собою, так і по досягненню їхньої відповідності динаміці руху автомобіля. Але навіть цей етап узгоджень не гарантує оптимального проектного рішення.
Сучасні методи проектування траси автомобільної дороги розроблені в цілому на достатньому рівні й широко застосовуються на практиці, проте вони засновані на застосуванні математичного апарата плоских кривих (прямі, кругові криві, клотоїди, квадратні та кубічні параболи та ін.) і при їхньому поєднанні отримані просторові криві трас автомобільних доріг не завжди відповідають вимогам плавності. Іншими словами, оптимізація положення поздовжнього профілю дороги виконується при фіксованому положенні траси в плані. Існуючі на даний час рекомендації до поєднання горизонтальних та вертикальних кривих не завжди можуть бути ефективно та послідовно реалізовані в сучасних системах автоматизованого проектування автомобільних доріг. Для уникнення проблем узгодження плану та поздовжнього профілю залишається необхідність їхнього подальшого вдосконалення. При забезпеченні просторового трасування автомобільних доріг зросте ефект оптимізації положення дороги за рахунок одночасної варіативності траси в плані та поздовжньому профілі.
Пропонується замінити методологічний підхід піти зворотним шляхом: спочатку отримати проектне рішення просторового положення траси у вигляді просторової кривої безперервно змінної кривизни, яка б вписувалась в ландшафт та інфраструктуру території по бажаній траєкторії і потім одержати відповідний план та поздовжній профіль дороги. Оптимальне положення траси при цьому відповідатиме сукупному критерію, який враховує як планове, так і , одночасно, профільне положення дороги.
Вищезазначене обумовлює актуальність дисертаційного дослідження, спрямованого на теоретичне обґрунтування та розробку нового методу отримання просторового положення траси автомобільної дороги.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконана відповідно до тематичних планів науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт Державної служби автомобільних доріг України за період 2000-2012 р., а також її результати використано при розробці госпдоговірної теми Вдосконалення вулично-дорожньої мережі м. Рівне” (договір № 4-347, замовник: міськвиконком м. Рівне), яку виконувала кафедра автомобільних доріг, основ та фундаментів в 2010 році.
Метою роботи є розробка нового методу проектування просторового положення траси автомобільної дороги для оптимізації та підвищення безпеки руху автомобільного транспорту.
Задачі роботи:
- запропонувати новий підхід до отримання просторової кривої траси автомобільної дороги з безперервно змінною кривизною;
- розробити методику математичного моделювання траси автомобільної дороги за допомогою розрахунку зігнутої осі пружного стрижня;
- формалізувати вимоги до знаходження оптимальної форми просторової кривої в межах методу імітаційного проектування за рахунок мінімізації наступних критеріїв: сумарного відносного відхилення кривизни та ухилів проектної осі дороги від нормативних значень, кручення осі траси, сумарного об’єму робіт;
- розробити алгоритми використання імітаційного методу при проектуванні будівництва та реконструкції автомобільних доріг різних категорій в умовах рівнинного і пересіченого рельєфу;
- розробити практичні рекомендації щодо автоматизації проектування із застосуванням імітаційного методу.
Об’єкт дослідження: траєкторія траси автомобільної дороги.
Предмет дослідження: просторове трасування автомобільних доріг з урахуванням нормативних вимог до геометричної плавності траси, особливостей рельєфу та інфраструктури ділянки проектування.
Методи дослідження: фундаментальні принципи проектування автомобільних доріг, математичний аналіз, методи векторної геометрії, математичне моделювання, метод кінцевих елементів.
Наукова новизна роботи:
1. Обґрунтовано можливість зворотного усталеній практиці підходу до проектування просторового положення траси автомобільної дороги: спочатку пропонується отримати просторове положення траси автомобільної дороги, що найкращим чином відповідає параметрам місцевості та інфраструктури району проектування, а вже потім одержати план і поздовжній профіль.
2. Вперше запропоновано для реалізації даного підходу метод імітаційного моделювання просторового положення траси автомобільної дороги з використанням в якості моделі пружного стрижня, що імітує вісь дороги. Знаходження просторового положення траси відбувається через визначене просторове положення зігнутої осі такого стрижня. Використання методу кінцевих елементів для розрахунку моделі дозволяє отримати вісь дороги, описану просторовою кривою з плавною зміною кривизни та з неперервною до третьої похідною.
3. Розроблено метод просторового проектування осі траси, який гарантує отримання плавної просторової кривої осі траси з безперервно змінною кривизною, що дозволяє покращити узгодження траси з рельєфом місцевості; покращує огляд дорожньої ситуації, сприяє плавній зміні режимів і швидкості руху.
Практична цінність роботи: в роботі розроблено методологію знаходження просторового положення траси автомобільної дороги, яка проходить через всі визначені точки, найкращим чином відповідає параметрам місцевості та інфраструктури району проектування та нормативним вимогам за критерієм кривизни плану та поздовжнього профілю відповідної категорії дороги. Розроблено практичні рекомендації для застосування методики в автоматизованому проектуванні автомобільних доріг.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на наукових конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів Національного університету водного господарства та природокористування у 2003-2009 роках.
Результати дисертаційного дослідження доповідалися:
· на міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми автодорожнього комплексу" (Київ, ДерждорНДІ, 12-14 квітня 2006 р.) ”;
· на міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених та аспірантів Сучасні технології будівництва та експлуатації автомобільних доріг” (24-25 квітня 2008 р., м. Харків);
· на міжнародній науково-технічній конференції молодих фахівців Молоді вчені автомобільним дорогам XXI століття” (29-30 травня 2008 р., м. Київ);
· на всеукраїнській науково-практичній конференції молодих учених та студентів «Інноваційні процеси в галузі дорожнього будівництва» (25-26 жовтня 2012р., м. Луцьк);
· на міжнародній науково-практичній конференції за участю студентів і молодих вчених «Сучасні комп’ютерно-інноваційні технології проектування, будівництва, експлуатації автомобільних доріг і аеродромів» (1-4 листопада 2012р., м. Харків).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 8 статей у фахових виданнях з переліку ВАК України, з них 5 одноособові; 3 у співавторстві.

bibliography

Висновки

1. За окремими експертними оцінками, щорічні збитки для економіки України від ДТП сягають $7 млрд. Значна частини з них стається через недотримання швидкісного режиму. Певної кількості з них вдалося б уникнути при правильному виборі геометричних елементів доріг, проектуванні доріг з безперервно змінною кривизною. Існуючі сьогодні методи проектування траси автомобільної дороги ґрунтуються на роздільному підході до проектування плану та поздовжнього профілю з наступним їх узгодженням. Такий підхід вимагає постійної ув’язки як різних елементів окремо в плані та поздовжньому профілі, так і плану та профілю між собою в цілому, проектувальники змушені формально дотримуватись вимог до просторової плавності доріг і тому близько 80% побудованих в Україні доріг мають так звані «жорсткі» траси. До цього часу не було запропоновано методу одержання просторової кривої, яка б приймала будь-яку бажану форму в певних умовах і при цьому відповідала б вимогам плавності і зручності руху по ній автомобіля. Сучасні системи автоматизованого проектування автомобільних доріг дають можливість одержання перспективних зображень трас автомобільних доріг та їхніх пересічень, але при цьому все ще розглядають проектування просторової траси роздільно: окремо план і поздовжній профіль.
2. Для знаходження плавної просторової кривої траси автомобільної дороги з постійно змінною кривизною пропонується підхід, заснований на імітаційному проектуванні, при цьому об’єктом імітаційної моделі, що розглядається, є просторова вісь дороги, а еквівалентом вісь навантаженого гнучкого стрижня. Основою розрахунку моделюючої конструкції є нелінійні рівняння рівноваги стрижня, осьова лінія якого після навантаження просторова крива третього порядку та другого порядку гладкості, що дає можливість імітувати за її допомогою просторову вісь автомобільної дороги з нелінійно змінною кривизною.
3. Запропонована методика дозволяє одразу, лише намітивши на карті початкову, кінцеву та опорні точки траси, отримати просторову криву траси автомобільної дороги, яка проходить через всі задані точки, а потім розкласти її на план і поздовжній профіль.
4. Імітаційний метод проектування траси автомобільної дороги дає можливість оптимізації кривизни траси, поздовжніх похилів, об’ємів земляних мас через зменшення робочих відміток. Дозволяє розробляти проекти як нового будівництва, так і реконструкції автомобільної дороги.
5. Порівняльний аналіз дозволив підтвердити ефективність розробленої моделі. Формування траси за імітаційним методом дозволило зменшити довжину траси на 5 50%, збільшити мінімальні радіуси в плані в межах 9 43%, збільшити мінімальні радіуси в профілі в межах 32 46%, середнє значення радіусів плану зросло на 65 12%, максимальний поздовжній ухил зменшився на 6,5 3%, довжина ділянок з максимальним значенням ухилу також зменшилася на 9 19%. Новий метод дозволив також збільшити як швидкості одиночних автомобілів вздовж траси (на 2,57 1%), так і швидкість транспортного потоку на 4,5.
6. В роботі на основі математичної системи методу та схеми методу розроблено загальну блок-схему для розробки системи автоматизованого проектування та запропоновано форму вікон комп’ютерної програми для імітаційного проектування автомобільних доріг.
7. Запропонований метод дозволяє розширити можливості проектувальника у вирішенні задач оптимізації просторового положення автомобільної дороги.

Список використаних джерел.

1. Савелов А. А. Плоские кривые / А. А. Савелов М. : Физматгиз, 1960. 210 с.
2. Федотов Г. А. Автоматизированное проектирование автомобильных дорог / Г.А. Федотов М. : Транспорт, 1986. 200 с.
3. Проектирование автомобильных дорог : Справочник инженера-дорож-ника / [под ред. Г. А. Федотова]. М. : Транспорт, 1989. 437 с.
4. Бойчук В. С. Довідник дорожника / В. С. Бойчук. К. : Урожай, 2002.557 с.
5. Бабков В.Ф. Современные автомобильные магистрали / В. Ф. Бабков - [2-е изд. перераб. и доп.]. М. : Транспорт, 1974. 280 с.
6. Анпилогова В. А. О геометрических вопросах в задачах оптимального проектирования / В. А. Анпилогова, О. П. Витюк // Прикл. геометрия и инж. графика. К. : Будівельник, 1984. Вып. 44. С. 32-33.
7. Анпилогова В. А. Численное моделирование линий, принадлежащих поверхности и удовлетворяющих интегральному критерию / В. А. Анпилогова , О. П. Витюк // Прикл. геометрия и инж. графика. К. : Будивельник, 1984. Вып. 37. С. 35-36.
8. Арциховская-Кузнецова Л. В. Искажаемость двумерных визуальных моделей построенных методом центрального проектирования / Л. В. Арциховская-Кузнецова // Труды МАДИ. 1975. Вып. 108. С. 38-43.
9. Справочник по машинной графике в проектировании / [под редакцией В. В. Михайленко, А. А. Ляшенко]. К. : Будивельник, 1984. 184 с.
10. Технико-экономическое обоснование при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов / [под ред. Е. В. Болдакова]. М. : Транспорт, 1981. 206 с.
11. Бабков В. Ф. Ландшафтное проектирование автомобильных дорог: [учеб. пособие для автомобильно-дорожных вузов] / В. Ф. Бабков. [2-е изд. перераб. и доп. ]. М. : Транспорт, 1980. 189 с.
12. Кавун Ю. М. Способы моделирования и реконструкции круговых картин обзора транспортных средств: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : спец. 05.01.01 «Прикладная геометрия, инженерная графика» / Ю. М. Кавун. К., 1974. 16 с.
13. Кузнецов Н. С. Что такое геометрическая перспектива / Н. С. Кузнецов // Геометрия и восприятие изображений : Труды МАДИ, 1973. Вып. 64. С. 4-22.
14. Николаевский Г. Н. Алгоритмизация построения аксонометрии на криволинейных осях / Г. Н. Николаевский // Прикл.геометрия поверхностей. М. : МАДИ, 1966. С. 81-84.
15. Современное состояние и перспектива развития автоматизации проектно-изыскательных работ / [под ред. Ю. С. Кариха]. М. : Минавтодор РСФСР, 1977. 53 с.
16. Жук К. Д. Методы системного проектирования как основа разработки САПР / К. Д. Жук. Киев, 1976. 24 с.
17. Муждобаев Н. Р. Математическое моделирование оси автодороги / Н. Р. Муждобаев // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. К., 1980. Вип.26. С. 12-15.
18. Голубин В. Ю. Моделирование трассы с использованием сплайн-функции / В. Ю. Голубин // Совершенствование методов проектирования автомобильных дорог : сб.науч.тр. МАДИ. М. : МАДИ, 1986. С. 68-76.
19. Сальков Н.А. Геометрическое и программно-математическое моделирование линейных и поверхностных форм автомобильных дорог : дис. канд. техн. наук : 05.01.01 / Сальков Николай Андреевич . М. : МАДИ, 1990 276 с.
20. Вишневская А. К. Использование полиномной интерполяции при проектировании автомобильных дорог / А. К. Вишневская // Геометрия и восприятие изображений : труды МАДИ. М, 1975. Вып. 108. С. 103-107.
21. Григорьев М. А. Автоматизация проектирования плана трассы дорог / М. А. Григорьев , В. А. Харитонов // Автомобильные дороги. 1975. № 7. С. 17-19.
22. Григорьев М. А. Графо-аналитический метод проектирования плана трассы дороги / М. А. Григорьев // Труды МАДИ. М, 1976. Вып. 99. С. 93-95.
23. Федотов В. А. Трассирование посредством сплайнов / В. А. Федотов, А. В. Королев // Автомобильные дороги. 1977. № 8. С. 28-30.
24. Проектирование и разбивка вертикальных кривых на автомобильных дорогах (описание и таблицы) / [Антонов Н. М., Боровиков Н. А., Бычков Н. Н., Фриц Ю. Н.]. М. : Транспорт, 1968. 200 с.
25. Хавкин К. А. Проектирование продольного профиля автомобильных дорог / К. А. Хавкин, А. М. Дашевский. М. : Транспорт, 1966. 239 с.
26. Васильев Ф. П. Методы решения экстремальных задач / Ф. П. Васильев. М. : Наука, 1981. 145 c.
27. Бойков В. Н. Автоматизированное проектирование автомобильных дорог (на примере IndorCAD/Road) / В. Н. Бойков, Г. А. Федотов, В. И. Пуркин. М. : Изд-во МАДИ (ГТУ), 2005. 224 с.
28. Пальчик А.М. Проектування червоної лінії поздовжнього профілю кривими змінного радіуса дорожніх розв’язок в різних рівнях / Пальчик А.М., Олійник М.О. // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Наук.-тех. збірник . Київ: НТУ, 2011. Вип. 81. С.3-14.
29. Проектирование вертикальных кривых переменного радиуса (поликлотоида) // Автомобильные дороги. 1990. № 1. С. 28-30.
30. Рунэ Эльвик.