Road computer-aided design system IndorCAD/Road.pdf Система автоматизированного проектирования автомо-бильных дорог IndorCAD/Road развивается с 1991 г. До2003 г. система разрабатывалась в Инженерном дорожномцентре «Индор» (Томск) и называлась ReCAD (по аббревиа-туре слов РеКонструкция Автомобильных Дорог). На на-чальном этапе развития система ReCAD представляла собойисследовательскую систему, на которой отрабатывались но-вые подходы и алгоритмы автоматизированного проектиро-вания автомобильных дорог. До 2001 г. система ограничен-но применялась в производственной практике в ряде до-рожных проектных организаций Западной Сибири.В 2001 г. была завершена разработка системы ReCAD3-го поколения под управлением ОС Windows, которая бы-ла анонсирована и сертифицирована как программный про-дукт для массового применения. С этого времени системаReCAD широко применяется в производственной практикев России и странах СНГ.В марте 2003 г. система ReCAD была передана длядальнейшего развития в специализированную фирму поразработке программного обеспечения ООО «ИндорСофт.Инженерные сети и дороги», которая наряду с системамиавтоматизированного проектирования разрабатываетВ системе реализован принцип единой модели до-роги, то есть любые изменения в одной из проекцийдороги (план, продольный и поперечный профили)приведут к немедленным изменениям в других проек-циях (внешний вид системы вместе с основнымивключенными окнами представлен на рис. 1). Такойподход позволяет получать непротиворечивые про-ектные решения, дает возможность одновременнокорректировать поперечный и продольный профили.Инструментальные средства системы предостав-ляют возможность:- обрабатывать геодезическую информацию, полу-ченную разными методами: нивелирование, тахео-метрическая съемка, GPS-съемка;- на основе обработанных данных формироватьцифровые модели местности (ЦММ), редактироватьих, отображать в различных представлениях (изоли-нии, твердотельная модель, уклоны и т.д.) для визу-ального анализа;- трассировать автомобильные дороги в плане ипродольном профиле как с применением традицион-ных геометрических элементов (дуги окружности иклотоиды), так и современных инструментов вычис-лительной математики (кривые Безье 3-го и 5-го по-рядков, а также интерполяционные сплайны) [1];- объединять несколько проектов в один, что по-зволяет легко разбить сложный проект на несколькоболее мелких, обработать их, затем произвести склей-ку проектов в один;- осуществлять параллельный перенос трассы, из-менять азимут ее начального направления;- проектировать верх земляного полотна (виражи),в том числе и с учетом сплайновой природы трасс;- конструировать дорожную одежду и поперечныепрофили как типовые, так и индивидуальные;- отображать 3D-вид как существующей поверхно-сти, так и проектируемой;- одновременно отображать на экране все проек-ции проектируемого объекта;- формировать чертежи, ведомости и таблицы дляпоследующего их редактирования соответственно вIndorDraw [2] и Microsoft Excel;- богатый ActiveX-интерфейс позволяет создаватьсобственные модули расширения и надстройки сис-темы для выполнения частных задач.Система IndorCAD/Road состоит из пяти основныхразделов: плана, продольного профиля, верха земля-ного полотна, поперечного профиля, 3D-вида.ПЛАНВ основе любого проектного решения лежит циф-ровая модель местности (ЦММ). В качестве ЦММ всистеме проектирования IndorCAD/Road используетсятриангуляционная модель местности, построенная спомощью триангуляции Делоне с ограничениями ифлипами [3]. Особенностью системы является то, чтово внешних файлах никогда не хранится сама струк-тура триангуляции и вычисленные изолинии, зоныподтопления и т.д. В системе хранятся только исход-ные данные для построения триангуляции. Самаструктура триангуляции и все вторичные построениявыполняются только по требованию, например, припоступлении команды отображения на экране.В дополнение к классическим видам исходныхданных (включая точки, структурные линии, регионы,переброски рёбер) для триангуляции хранится множе-ство линий, определяющих цветовую раскраску тре-угольников при отображении на экране. После по-строения триангуляции система автоматически про-веряет, какие треугольники пересекает каждая линияраскраски и соответственно назначаются цвета тре-угольникам (рис. 2).Рис. 2. Плановое представление автомобильной дорогиВвод исходных данных для построения ЦММ мо-жет выполняться вручную, либо на основе данных,полученных в ходе геодезических изысканий. Дляэтого в системе предусмотрена возможность импортафайла снятых точек реальной местности, а такжевстроены функции для обработки результатов тахео-метрической и нивелировочной съёмки. Кроме того,ввод исходных данных может быть выполнен по рас-тровой подложке (сканированные карты, чертежи, аэ-рофотографии), подложенной под ЦММ.Помимо представления ЦММ в виде плана в сис-теме предоставляется возможность построение про-филей дороги вдоль произвольно заданных линий.В процессе проектирования следующим шагом по-сле построения ЦММ является создание проектнойповерхности - цифровой модели проекта (ЦМП), ко-торая также является триангуляционной моделью. Та-ких ЦМП может быть построено несколько в соответ-ствии с требуемых количеством вариантов проектныхрешений. Все эти модели (ЦММ и ЦМП) могут одно-временно или поочередно отображаться на экране,что позволяет визуально анализировать полученныерешения. В дополнение к этому в системе предусмот-рена возможность построения разности двух задан-ных поверхностей с целью определения, какая по-верхность и где находится выше, и для оценки тре-буемых объемов земляных работ.После выработки требуемого решения (завершенияпостроения ЦМП) полученный проект может бытьоформлен в соответствии с существующими требованияоформления топографических планов и проектов авто-мобильных дорог. Для этого в системе предусмотренодостаточно большое число вспомогательных оформи-тельских инструментов для работы с точками, линиями,полигонами, трассами и т.п. Для оформления этих объ-ектов применяется технология ex-fonts отображения ус-ловных знаков, разработанная С.А. Субботиными [4].В процессе проектирования после построения ЦММследующим шагом идёт трассировка трассы дороги -построение в плане кривой, описывающей траекториюдороги и удовлетворяющей определенным ограничени-ям по допустимым радиусам поворотов. После этоговыполняется разбивка трассы (дискретизация отметоктрассы через 10-50 м) и работа с проектом переходит вокно продольного профиля, в котором производитсякорректировка вертикальных отметок трассы.ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬВ окне продольного профиля (рис. 3) представленасовокупность дискретных точек проектной линии, ко-торые требуется привести в соответствие с требова-ниями на максимальные допустимые уклоны и мини-мальные вертикальные радиусы изгибов трассы. Этодостигается посредством перемещения соответст-вующих вертикальных отметок трассы.Рис. 3. Продольный профиль автомобильной дорогиДля работы с профилем в системе IndorCAD/Roadможет быть использовано два способа проектирова-ния: классический и сплайновый. На основе различ-ных ограничений, накладываемых на точки проектнойлинии (задание ограничений на допустимые верти-кальные перемещения точек), система позволяет вы-полнить автоматический поиск наиболее подходяще-го решения. Следует отметить, что система IndorCAD/Road является единственной в России системой, кото-рая обеспечивает сплайн-сглаживание с последую-щим ручным редактированием проектной линии.Для удобства работы в продольном профиле авто-матически строятся графики рабочих, проектных иинтерполированных отметок земли, графика кривиз-ны, уклонов и др.Одним из наиболее важных факторов, влияющих навыбор проектных решений, является состояние грунтовв месте планируемого строительства дороги. На практи-ке для учета грунтов выполняется бурение скважинвдоль дороги, на основании чего строятся графики зале-гания грунтов. Для учета такого вида информации в сис-теме IndorCAD/Road встроены специальные средствадля ввода информации по геологическим колонкам ипостроения графиков залегания грунтов. Для построенияграфиков может быть использованы несколько различ-ных методов интерполяции, включая линейный, методинверсных расстояний, методы геостатистики (методкригинга и др.). Рассчитанные графики отображаются награфике продольного профиля дороги.Следует отметить, что в практике проектированияавтомобильных дорог в настоящее время используютсятолько линейные методы интерполяции. Это связано стем, что бурение геологических скважин выполняетсяобычно достаточно близко к осевой линии дороги. В тоже время в ряде случаев это условие не выполняется. Втаком случае наиболее приемлемыми бывают болеесложные методы геостатистики, используемые в геофи-зике для составления прогнозных карт полезных иско-паемых. В системе IndorCAD/Road выбор используемо-го метода интерполяции остается за пользователем.После выполнения проектирования продольногопрофиля имеется возможность автоматического фор-мирования чертежа продольного профиля различнойстепени детализации как для реконструкции, так и длянового проектирования.ВЕРХ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНАПосле проектирования плана трассы и продольно-го профиля выполняется проектирование верха зем-ляного полотна. В окне верха земляного полотна сис-темы IndorCAD/Road можно выполнять:- формирование проезжих частей и обочин, разде-лительных полос, бордюров с применением как ли-нейного, так и синусоидального интерполирования;- моделирование отгонов виражей, виражей, уши-рений проезжей части на кривых, формирование ав-тобусных карманов и переходно-скоростных полос;- анализ соответствия виража расчетной скоростиавтомобиля при заданном коэффициенте поперечнойсилы;- локальную псевдо-3D визуализацию формируе-мого полотна.ПОПЕРЕЧНЫЙ ПРОФИЛЬНа следующем этапе выполняется проектированиепоперечного профиля дороги (рис. 4).Рис. 4. Поперечный профиль автомобильной дорогиДля этого вначале формируется конструкция по-перечного профиля и дорожной одежды. Для этогоможет быть использована библиотека типовых попе-речников и конструкций дорожной одежды, либо вы-полнено ручное проектирование. По выбору проекти-ровщика проектная линия профиля может быть авто-матически доведена до пересечения с реальной илиинтерполированной землей.Сформированный профиль на конкретном участкеможет быть запомнен в библиотеке профилей, либоприменен на любые другие участки трассы.По результатам проектирования может быть вы-полнен расчет объемов дорожной одежды, площадейоткосов, а результаты выданы в виде таблиц MicrosoftExcel. Кроме того, можно получить чертежей попе-речных профилей в заданном масштабе по одномуили несколько поперечников на лист в виде чертежейсистемы подготовки чертежей IndorDrawing.ТРЕХМЕРНЫЙ ВИДОдной из важных задач, выполняемых при проек-тировании автомобильных дорог, является визуальнаяоценка проектного решения. При этом оцениваютсятакие параметры решения, как достаточная простран-ственная видимость трассы, видимость на поворотахи примыканиях, правильность расстановки и види-мость дорожных знаков, отсутствие частых изгибовтрассы в плане и по вертикали, отсутствие чрезмернодлинных прямых перегонов и пр.В системе IndorCAD/Road для визуальной оценкирешений разработан модуль трехмерной визуализа-ции, позволяющий достаточно реалистично представ-лять дорогу вместе с инженерным обустройством до-роги и другими объектами вокруг дороги (рис. 5).Рис. 5. Трехмерный вид автомобильной дорогиВ число стандартных трехмерных элементов вхо-дят деревья, опоры ЛЭП, уличные фонари, светофорыи др. Элементы, представленные в виде полигональ-ных объектов на карте, могут быть преобразованы всоответствующей этажности здания, водоёмы и пр.Объекты, линейные в плане, могут быть представле-ны в трехмерном виде в виде мостов, ограждений,шумозащитных экранов и пр.Отличительной особенностью системы являетсято, что любые изменения, выполняемые в плане, про-дольном или поперечном профиле дороги, сразу жевидны в окне трехмерного вида.Для визуальной оценки проектных решений поль-зователю предоставляется возможность интерактив-ного перемещения по свободной траектории в про-странстве, в том числе предоставляется функция«проезда» по автомобильной дороге, когда отобража-ется вид на дорогу с точки зрения водителя.Результаты пролета над дорогой или проезда поней могут быть записаны в видеофайл AVI для после-дующей демонстрации без системы IndorCAD/Road.Такой приём с демонстрацией видеофильма можетбыть очень полезен, например, при защите выполнен-ных проектов у заказчика.Другой важной функцией окна трехмерного видаявляется возможность быстрой визуальной оценкисоотношения существующей ранее, проектной и по-строенной поверхностей. Так можно легко увидетьрезультаты «врезки» проектной поверхности в суще-ствующую.Еще одной функцией окна трехмерного вида явля-ется возможность моделирования потока автомобилейв движении с учетом заданной для каждой трассы ин-тенсивности и возможных направлений движения. Этопозволяет визуально оценить возможные места заторови принять необходимые меры по их устранению.ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯВ 1996 г. система ReCAD (IndorCAD/Road) апро-бировалась в Непале для проектирования автомо-бильных дорог в горных условиях. Специфика проек-тирования дорог в горах связана с тем, что приходит-ся часто применять повороты дорог в виде так назы-ваемых «серпантин». Проектирование «серпантин»удобнее выполнять с применением сплайнов и кри-вых Безье [2], которые были широко представлены врассматриваемой системе. Опыт проектирования гор-ных дорог в Непале показал высокую гибкость и уни-версальность алгоритмов системы IndorCAD/Road.В 1996 - 1999 гг. были выполнены пилотные про-екты дорог для Томской области, в которых впервые вроссийской практике план и продольный профильописывались с помощью сплайн-функций. В настоя-щее время эти проекты реализованы и автомобильныедороги функционируют.В 2001 - 2003 гг. с помощью системы IndorCAD/Road было выполнено проектирование участков Чуй-ского тракта в Алтайском крае по параметрам четы-рехполосной автомагистрали 1-й категории.В 2004 г. планируется широкая апробация системыдля проектирования дорог в горных и степных усло-виях Казахстана и с учетом специфики их норматив-ной базы проектирования.

Скачать электронную версию публикации