Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования . 12
1.1. Существующие методы оптимального трассирования линейных сооружений и современный уровень камерального трассирования. 12
1.2. Научные разработки в области транспортного освоения лесных массивов и практика проектирования лесовозных дорог. 21
1.3. Особенности лесовозных автомобильных дорог как технологических путей лесопромышленного предприятия. Два типа задач трассирования лесовозных автомобильных дорог . 35
2. Трассирование лесовозной автомобильной дороги для вывозки сосредоточенного объема древесины . 42
2.1. Критерии оптимального положения трассы лесовозной автомобильной дороги на местности. 42
2.2. Математическое, информационное и программное обеспечение модели. 47
2.2.1. Цифровая модель местности и методы ее формирования. 48
2.2.2 Алгоритм решения задачи оптимального трассирования лесовозной автомобильной дороги на неоднородной местности. 59
2.2.3. Сглаживание оптимального варианта трассы и расчет его основных технико-экономических показателей 76
2.2.4. Исследование устойчивости результатов решения оптимизационной задачи и требования к точности исходных данных. 90
2.2.5. Основные принципы организации программного обеспечения модели. 104
2.3. Выводы по главе 109
3. Трассирование лесовозной автомобильной дороги с учетом размещения и концентрации запасов древесины . 111
3.1. Общая структура модели 111
3.2. Метод центров. Построения начального варианта трассы ветки лесовозной автомобильной дороги. 115
3.3. Оптимизация фрагмента сети лесовозных автомобильных дорог типа развилки. 125
3.4. Алгоритм трассирования ветки лесовозной автомобильной дороги с использованием цифровой модели местности. 127
3.6. Выводы по главе. 130
4. Сравнительное трассирование лесовозных автомобильных дорог с помощью традиционных и предложенных методов 131
4.1. Экономическая эффективность системы моделей для автоматизированного трассирования лесовозных автомобильных дорог . 150
4.2. Выводы по главе. 154
Выводы 155
Список использованной литературы 158
- Научные разработки в области транспортного освоения лесных массивов и практика проектирования лесовозных дорог.
- Особенности лесовозных автомобильных дорог как технологических путей лесопромышленного предприятия. Два типа задач трассирования лесовозных автомобильных дорог
- Сглаживание оптимального варианта трассы и расчет его основных технико-экономических показателей
- Экономическая эффективность системы моделей для автоматизированного трассирования лесовозных автомобильных дорог
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Эффективность производственной деятельности лесопромышленного предприятия во многом зависит от уровня развития дорожной сети в лесном массиве. Внедрение большегрузных автопоездов, увеличение грузоподъёмности и энергонасыщенности транспортных средств на вывозке лесоматериалов предъявляют повышенные требования к качеству лесовозных автомобильных дорог, которое в значительной степени определяется уровнем их изысканий и проектирования.
Важность принятия всесторонне обоснованных решений, по возможности близких к оптимальным, на этапе камерального трассирования обусловлена тем, что камерально намеченный проектировщиком вариант трассы будущей дороги служит маршрутом для изыскательской партии в период полевых работ. Повторное трассирование и перепроектирование дороги по новому направлению практически невозможно из-за ограниченности времени и средств, за редким исключением особо важных объектов, изыскания которых проводятся в две стадии. Таким образом, многие основные технико-экономические показатели будущей лесовозной автомобильной дороги закладываются уже на раннем этапе камерального трассирования, на последующих этапах происходит лишь конкретизация их и уточнение.
Степень разработанности проблемы. Проблеме автоматизированного процесса определения проектных элементов трассы лесной автомобильной дороги посвящены работы Ю.К. Полосина, А.Н. Сибирко, В.И. Струченкова, Е.Л. Фильштейна, К.А. Хав-кина, Е.В. Кондрашовой, В.К. Курьянова, О.Н. Бурмистровой, Ю.М. Смирнова, А.А. Камусина, С.В. Дорохина, К.А. Яковлева, А.В. Скрыпникова и других исследователей. В научно-исследовательских работах, касающихся рассматриваемой проблемы, содержатся рекомендации общего характера, направленные на установление оптимальных расстояний между лесовозными путями и схем размещения их в лесном массиве, оптимизацию общей схемы транспортного освоения лесосырьевой базы и т.п. Основная предпосылка, объединяющая эти работы, состоит в том, что лесовозные пути считаются прямолинейными, рельеф и другие особенности реальной местности учитываются коэффициентами сложности рельефа, коэффициентами развития трасс и прочим. Являясь необходимым исходным материалом при проектировании, эти рекомендации не освобождают проектировщика от трудностей поиска оптимального варианта трассы с учетом перечисленных выше факторов.
Цель работы. Разработка методики автоматизированного поиска и обоснования оптимальных предпроектных решений, принимаемых на этапе камерального трассирования лесовозных автомобильных дорог с переходным типом покрытия, с учетом рельефных, гидрологических и почвенно-грунтовых условий конкретной местности.
Задачи исследований:
-
Изучить специфические особенности объекта исследования, обосновать критерии оптимальности принимаемых решений и учитываемые при этом природно-производственные факторы.
-
Провести экспериментальные и теоретические исследования по выбору технологии поиска оптимальных предпроектных решений при трассировании лесовозных автомобильных дорог.
-
Разработать систему математических моделей близкую к оптимальному варианту трасс лесовозных автомобильных дорог с переходными типами покрытий с учетом рельефных, грунтовых и гидрологических условий конкретной местности.
-
Создать пакет прикладных программ, реализующий разработанную систему моделей, автоматизирующий основные этапы поиска оптимальных вариантов трасс лесовозных автомобильных дорог на этапе их камерального трассирования.
Предмет исследования. Модели и методы, поиска оптимальных предпроектных решений при трассировании лесовозных автомобильных дорог.
Объект исследования. Объектом исследования является процесс трассирования и проектирования лесовозных автомобильных дорог с переходным типом покрытия. Выбор объекта исследования обусловлен двумя причинами. Во-первых, дороги с переходным типом покрытия широко распространены среди лесотранспортных путей. Гравийно-щебеночные дороги составляют по протяженности 40-43% от общей длины лесовозных автомобильных дорог, по ним вывозится 47,1% объема лесоматериалов, вывозимой автотранспортом. Во-вторых, важной особенностью указанного вида дорог, существенно использованной при создании математического аппарата оптимизации, является преимущественное проектирование их по обертывающей.
Методы исследований. Для получения и обработки данных использовались следующие методы: метод трассирования, метод интегрального и дифференциального исчислений, натурные наблюдения и эксперимент. Обработка результатов производилась методами математической статистики: теория вероятностей, регрессионный и корреляционный анализы.
Научная новизна. Результатами диссертационной работы, обладающими научной новизной, являются:
-
Система моделей определения близкого к оптимальному варианту трасс лесовозных автомобильных дорог с переходными типами покрытий, отличающаяся учетом рельефных, грунтовых и гидрологических условий конкретной местности, а так же минимумом суммарных затрат на строительство, содержание дороги и вывозку по ней лесоматериалов.
-
Модель трассирования ветки лесовозной дороги, отличающаяся учетом размещения и концентрации лесных запасов в районах с равнинным и слабохолмистым рельефом и сравнительно однородными гидрогеологическими условиями.
-
Алгоритм оптимизации исходной сети лесовозных автомобильных дорог, состоящей из прямолинейных отрезков, отличающийся представлением исходной транспортной сети в виде комбинации элементарных фрагментов – развилок.
4. Пакет прикладных программ, реализующий разработанную систему моделей,
отличающийся поиском оптимальных вариантов трасс лесовозных автомобильных
дорог на этапе их камерального трассирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Система моделей определения близкого к оптимальному варианту трасс лесо
возных автомобильных дорог с переходными типами покрытий, позволяющая выби
рать близкий к оптимальному вариант трассы лесовозной автомобильной дорог с уче
том размещения и концентрации лесных запасов, также рельефных, грунтовых и гид
рологических условий местности.
-
Модель трассирования ветки лесовозной дороги, позволяющая получать варианты трасс, близких к оптимальным по минимуму суммарных дорожно-транспортных затрат на вывозку древесины.
-
Алгоритм оптимизации исходной сети лесовозных дорог, состоящей из прямолинейных отрезков, позволяющий учитывать рельефные, грунтовые и гидрологические условия конкретной местности.
4. Пакет прикладных программ, реализующий разработанную систему моделей,
позволяющий автоматизировать основные этапы поиска оптимальных вариантов трасс
лесовозных автомобильных дорог на этапе их камерального трассирования и повы
сить обоснованность принимаемых решений в рамках традиционной технологии ка
мерального трассирования.
Значимость для науки. Получена новая система моделей определения близкого к оптимальному варианту трасс лесовозных автомобильных дорог с переходными типами покрытий, методы поиска оптимальных предпроектных решений при трассировании лесовозных автомобильных дорог, способы повышения эффективности и обоснованности проектных решений. Теоретическая значимость заключается в разработке
модели трассирования ветки лесовозной автомобильной дороги с учетом размещения и концентрации лесных запасов в районах с равнинным и слабохолмистым рельефом и сравнительно однородными гидрогеологическими условиями.
Практическая значимость работы и результаты внедрения.
Предложенные на основе теоретико-экспериментальных работ модели и рекомендации позволяют:
- определять близкие к оптимальным варианты трасс лесовозных автомобильных
дорог с переходными типами покрытий с учетом рельефных, грунтовых и гидрологи
ческих условий конкретной местности;
- значительно повысить обоснованность и качество решений, принимаемых на
ранних этапах проектирования, за счет построения вариантов веток, близких к опти
мальным;
выполнять расчет экономической эффективности на этапе камерального трассирования лесовозных автомобильных дорог;
автоматизировать основные этапы поиска оптимальных вариантов трасс лесовозных автомобильных дорог на этапе их камерального трассирования;
облегчить технико-экономическую оценку вариантов трасс и повысить обоснованность принимаемых решений в рамках традиционной технологии камерального трассирования.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена использованием методов математической статистики при планировании экспериментов и обработке их результатов. Достоверность выполненных исследований подтверждается: экспериментами с погрешностью до 5%; доверительной вероятностью не менее 90% у полученных закономерностей.
Личный вклад соискателя заключается в выполнении теоретической части, проведении экспериментальных исследований, получения результатов, разработке и внедрении практических рекомендаций.
Реализация работы. ООО «Гиперборея» (Центрально-Черноземный регион, 2015 г., при решении задач размещения лесотранспортных путей в лесных массивах), ООО «Центр дорожно-мостового проектирования «Магистраль» (Воронежская область, город Воронеж, 2017 г., путем внедрения технологии размещения лесовозных автомобильных дорог в лесном массиве), ООО «Атлантида» (Воронежская область, 2017 г., при автоматизации поиска оптимальных вариантов трасс лесовозных автомобильных дорог), ООО «ИВК Комплект Энерго» (Воронежская область, 2016 г., при прогнозировании технического состояния сборочной единицы лесотранспортных машин), ООО «Олимп» (Воронежская область, город Воронеж, 2016 г., путем внедрения информационной базы учета информации об изменении технического состояния лесотранс-портных машин), ООО «Авангард» (Воронежская область, город Воронеж, 2015 г., путем внедрения программы индивидуального прогнозирования технического состояния лесотранспортных машин).
Разработанные математические модели и программы для ЭВМ, реализующие эти модели, используются в учебном процессе кафедры эксплуатации транспортных и технологических машин ФГБОУ ВО «Воронежский ГАУ», кафедры транспортно-технологических машин и сервиса ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет», кафедры технологий и машин лесозаготовок ФГБОУ ВО «Ухтинский государственный технический университет».
Апробация результатов работы. Результаты работы обсуждались на международных научно-практических конференциях: «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном развитии агропромышленного комплекса» (Воронеж, 2015), «Актуальные вопросы науки, технологии и производства» (Санкт-Петербург, 2015), «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном развитии агропромышленного комплекса»
(Воронеж, 2016), XVI международной молодежной научной конференции Севергео-экотех-2015 (Ухта, 2015).
Публикации. Результаты исследований отражены в 59 работах, в том числе 3 свидетельства программ ЭВМ, монографии – 1, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ – 17, в журналах, входящих в Web of Science или Scopus – 1.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Наиболее существенные результаты, выносимые на защиту, относятся к пункту: 15 – Обоснование схемы транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов и рекомендаций, библиографического списка из 166 наименований. Основные материалы диссертации изложены на 197 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 44 рисунка.
Научные разработки в области транспортного освоения лесных массивов и практика проектирования лесовозных дорог.
Последние мероприятия приводят к существенному росту объема требуемой информации, о котором уже говорилось выше. Поэтому при решении практических задач в зависимости от крупности рельефа ширины полосы варьирования принималась в пределах 300 - 400 м.
Необходимость априорного задания столь узкой полосы варьирования значительно уменьшает шансы оптимальной трассы попасть в эту полосу, заставляя испытывать серьезные сомнения в справедливости первого из двух приведенных выше предположений.
В работах [13, 14, 90] для оптимизации трассы магистрального трубопровода использовалась сетка квадратов с размерами одного квадрата на первом этапе решения в 3 км, и на втором, более детальном этапе – в 1 км. Каждая сторона квадрата тщательно исследовалась по картографическим материалам и для нее прямым замером снималась протяженность, оценивались затраты на пересечение болот, рек и т.п. и результаты заносились в таблицу. После этого методом динамического программирования определялась оптимальная трасса трубопровода, проходящая по сторонам квадратов сетки в двух фиксированных направлениях: слева – направо и снизу-вверх (в предположении, что начальная точка трассы расположена в левом нижнем углу сетки квадратов, а конечная в правом верхнем). На первом этапе за критерий оптимальности принимался минимум приведенных затрат на сооружение и эксплуатацию трубопровода, на втором этапе минимизировались трудозатраты. Та же схема решения задачи оптимального трассирования лесовозной автомобильной дороги, но с использованием диагонально – прямоугольной сетки, была предложена в [117]. Кроме односторонних движений по сторонам прямоугольника, нанесенных на карту, допускается одностороннее движение по единственной диагонали каждого прямоугольника, параллельной прямой линии, соединяющей конечные точки трассы. Необязательным представляется выдвигаемое автором требование одинакового количества прямоугольников в вертикали и горизонтали сетки. Поиску оптимальных проектных решений для нефтепромысловых автомобильных дорог Западной Сибири посвящены работы [11, 95].
Задача оптимального трассирования ставится и решается в них в плоской постановке без учета рельефа. Такой подход обосновывается авторами равнинным характером выбранного для исследований района. На положение трасс дорог, проектируемых при обустройстве нефтяных и газовых месторождений (так же, как и на положение трасс трубопроводов в упомянутой выше работе [8]), главным образом влияют контурные препятствия – в первую очередь, болота. Поэтому основное внимание в [100] уделено их классификации, отражающей условия использование торфов для возведения оснований насыпи автомобильных дорог, региональной типизации торфяных грунтов и обоснованию наиболее рациональных конструкций земляного полотна.
Трассирование осуществлялось по регулярной сетке квадратов, каждому узлу которой соответствовал стоимости функционал zi, характеризующий стоимость строительства 1 км дороги в данном узле сетки. Стоимость строительства отрезка дороги, соединяющего два узла сетки со значениями в них стоимостного функционала zi и zj, полагалась равной ij= Lij, где Lij – протяженность рассматриваемого отрезка дороги. Размеры одного квадрата сетки выбирались из условия максимального соответствия затрат на строительство любой трассы, проходящей по сторонам и диагоналям квадратов сетки, и затрат на фактическое строительство этой дороги на местности при минимальной стоимости и трудозатратах, обеспечивающих получение исходной информации для создания модели. Несмотря на явную противоречивость такого критерия, размеры одного квадрата сетки рекомендуется принимать равными 0,2 х 0,2 км2 .
Для учета рельефа конкретной территории трассирования в [56, 101] и контурных участков местности с различными условиями строительства в [4, 102] использовались цифровые модели рельефа (ЦМР) или местности (ЦММ). В самом общем виде ЦММ можно определить как совокупность числовой информации и методов ее обработки для получения характеристик реальной местности с полнотой и точностью, определяемыми задачами исследования.
Цифровые модели со случайным расположением точек получили название статистических. Кроме этого, точки могут размещаться в узлах сетки квадратов или правильных треугольников (регулярные модели), на структурных линиях или в характерных точках рельефа, на горизонталях через определенный интервал по длине или времени равномерного оцифровывания (нерегулярные модели) и т.д. [106].
Сравнение трех типов ЦМР с точки зрения их использования для решения задач автоматизации трассирования лесовозных автомобильных дорог проводится в [55]. Для сравнения выбраны а) регулярная модель в виде сетки квадратов; б) нерегулярная модель, составленная из треугольников, проходящих по структурным линиям рельефа; в) статистическая модель, основанная на методе плавающего квадрата.
Перечисленные типы ЦМР формировались для трех характерных участков местности с равнинным, холмистым и горным рельефом. С помощью каждой их трех ЦМР решалась задача укладки линии заданного направления. Высотные отметки продольного профиля эталонной трассы сравнивались с отметками, снятыми с черного профиля, и среднеквадратическое отклонение их разности служило оценкой точности ЦМР.
Особенности лесовозных автомобильных дорог как технологических путей лесопромышленного предприятия. Два типа задач трассирования лесовозных автомобильных дорог
Первый член в формуле суммарных приведенных затрат (2.8) не зависит от выбора варианта трассы дороги ВС и представляет собой часть затрат, приходящуюся на простои автопоезда под погрузкой и разгрузкой, и пробег по транзитному пути СА.
Строго говоря, коэффициенты z0 и зависят от локальных характеристик дороги (от уклонов продольного профиля, радиусов вертикальных кривых и т.п.), т.к. включают в себя удельные затраты на техническое обслуживание и ремонт автопоезда, топливо смазочные материалы, восстановление и ремонт шин, на которые указанные характеристики оказывают влияние. Однако на этапе камерального трассирования, когда будущая трасса представляет собой ломаную линию, отображающую с некоторой точностью профиль земли, эти коэффициенты можно считать постоянными величинами для фиксированного автопоезда и типа дорожного покрытия.
Для автопоезда «Урал-43204» с КМУ Атлант-90 и прицепом-роспуском и ветки с гравийно-щебеночным покрытием они равны: z0=0,125 р./(ч м3), =0,024 р./(м3 км). Коэффициенты сi линейной формы относительно li в выражении (2.8) сi = z0 Q + Q+ сдi (2.9) будем называть ценами соответствующих областей неоднородности. Алгоритм поиска оптимального варианта трассы не зависит от содержания коэффициентов сi в критериальной функции, а поэтому справедлив для любого критерия оптимальности, который может быть записан в виде . Если положить сi= сдi, то основной критерий оптимальности (2.8) превратиться в минимум строительной стоимости дороги, а при сi=1 – в минимум протяженности пути. Подбором искусственных значений z0, и сдi из общего критерия оптимальности можно получить еще два дополнительных: минимум эксплуатационных затрат на вывозку древесины и минимум времени движения автопоезда. Выбор критерия оптимальности диктуется характером задач, стоящих перед трассировщиком. Однако, заметим, что при анализе вариантов трассы будущей дороги весьма полезной оказывается оптимизация их по различным критериям с последующим сравнением полученных результатов.
Поиск близкого к оптимальному по одному из приведенных в предыдущем разделе критериев варианта трассы лесовозной автомобильной дороги для вывозки сосредоточенного объема древесины осуществляется в несколько этапов. Сначала определяется оптимальный вариант трассы, вписанный в сетку квадратов цифровой модели местности (трасса проходит по сторонам и диагоналям квадратов). Затем найденный вариант сглаживается ломаными линиями, расположенными в его окрестности. Для каждого из сглаженных вариантов трассы автоматически рассчитываются 14 важнейших технико-экономических показателей, позволяющих принять обоснованное решение при выборе окончательного варианта трассы будущей дороги.
Принятая в настоящем разделе последовательность изложения материала соответствует указанному порядку этапов процесса поиска близкого к оптимальному варианта трассы.
Для решения задачи оптимального трассирования лесовозной автомобильной дороги по неоднородной территории использовалась цифровая модель местности (ЦММ). При ее разработке к ней предъявлялись основные требования: Принципиальные: 1. Способность моделировать с произвольной степенью точности реальные участки местности с трассами лесовозных дорог из исследуемого диапазона их типов. 2. Соответствие основному алгоритму решения поставленной задачи. Информационные: 1. Использование существующих источников информации и методов их обработки формирования модели. 2. Перспективность модели с учетом современных тенденций развития информационных методов получения и обработки информации о местности.
Технологические:
1. Реальность формирования требующихся для модели числовых массивов с точки зрения трудозатрат и достижения необходимой точности результатов. 2. Реализуемость модели на существующих ЭВМ с достаточными для практических целей объемами исходной информации и сроками выполнения расчетов на ее основе.
В состав разработанной с учетом перечисленных требований ЦММ вошли следующие объекты [73, 87]: - регулярная цифровая модель рельефа (ЦМР), представляющая собой сетку квадратов, в узлах которой стоят высотные отметки этих точек от некоторого фиксированного уровня (например, в широко применяющейся в практике геодезических измерений Балтийской системе высот); - области неоднородности, которыми описываются болота, озера, овраги и другие контурные участки местности, различающиеся стоимостью сооружения 1 км пути; они задаются комбинациями выпуклых многоугольников Оi и ценами сi, определяемыми выбранными критерием оптимальности; - линейные участки неоднородности, описывающие ломаными линиями реки, ручьи, узкие канавы, существующие железные и автомобильные дороги районе трассирования и другие объекты, аппроксимация которых областями нецелесообразна по соображениям принятого уровня точности моделирования; кроме координат вершин ломаной линейный участок неоднородности характеризуется ценой ср – оценкой затрат на строительство искусственного сооружения, необходимого в месте пересечения данного участка с трассой проектируемой дороги; - особые точки; среди них могут быть фиксированные точки трассы, пункты концентрации древесины, места расположения карьеров дорожно строительных материалов и т.п.; кроме координат этим точкам могут соответствовать дополнительные параметры, например, объем запаса древесины, сосредоточенной в данной точке.
Сглаживание оптимального варианта трассы и расчет его основных технико-экономических показателей
Найденный с помощью алгоритма, описанного в предыдущем подразделе, оптимальный вариант трассы лесовозной автомобильной дороги в действительности представляет собой некоторое приближение к искомой трассе дороги и нуждается в сглаживании.
Задача сглаживания кусочно-ломаной трассы, вписанной в сетку ЦММ, близка по своему характеру задаче автоматизированного трассирования автомобильной дороги вдоль заданной оси. Сущность последней задачи заключается в задании оси, прорисованной от руки или с помощью гибкой линейки, последовательностью приблизительно равноудаленных точек, координаты которых определяются в произвольной системе координат. Трасса дороги задается при этом отрезками клотоид, круговых кривых и прямых [35, 37]. Положение трассы определяется по методу наименьших квадратов с учетом весов исходных точек, отражающих степень тяготения проектируемой трассы к той ил иной точке, обусловленную локальными условиями. Возникающая при этом задача квадратичного программирования решается методом наискорейшего спуска. Этот алгоритм реализован в технологической линии проектирования плана трассы автомобильных лесовозных дорог [88]. Кроме описанного метода получили распространение способы задания трассы сплайнами [62]. Высокая степень гладкости подбираемых сплайн-функций, например, кубических сплайнов [147], позволяет аппроксимировать их в соответствии с нормами проектирования отрезками клотоид, круговых кривых и прямых.
Для исследуемой нами категории лесовозных автомобильных дорог – автомобильных дорог с переходными типами покрытий – на этапе камерального трассирования использование автоматизированных методов сглаживания оптимального варианта трассы представляется нецелесообразным по следующей причине. Привязка трассы лесовозной автомобильной дороги на местности в период полевых изысканий осуществляется с некоторыми отступлениями от камерального намеченного варианта, вызванными локальными несоответствиями реальной территории тому картографическому материалу, на основе которого выполнялось камеральное трассирование (как правило, карты масштаба 1:25000 ил даже 1:50000). Поэтому скрупулезный расчет элементов трассы – длин переходных кривых, круговых кривых и прямых вставок – на этапе, предшествующему полевому трассированию, зачастую оказывается излишним. Учитывая это, в настоящем варианте модели 1 предусмотрено ручное сглаживание автоматически определяемой оптимальной трассы дороги, вписанной в сетку ЦММ. Вместе с тем, принимая во внимание перспективы развития разработанных моделей и методов, применение крупномасштабной аэрофотосъемки и создание условий для окончательной укладки трассы в камеральный период, принципиальная возможность включения автоматизированных методов сглаживания трассы в технологический цикл трассирования лесовозной автомобильной дороги должна быть тщательно изучена.
С этой целью один из вписанных в сетку ЦММ оптимальных вариантов трассы конкретной дороги Синегорье-Трусово сглаживался с помощью программного модуля. Исходная и сглаженная трассы показаны на рисунке 2.14.
Максимальное отклонение сглаженной трассы от исходного варианта, вписанного в сетку ЦММ, составило 140 м. Протяженность сглаженной трассы равна 10398 м.
Результаты проведенного эксперимента подтвердили принципиальную возможность создания единого технологического цикла поиска оптимального варианта трассы лесовозной автомобильной дороги с максимальной автоматизацией всех основных его этапов. В описываемом варианте модели 1 осуществлено сглаживание оптимальной трассы дороги с помощью системы точек Р={Р1, Р2,…, Рn}, расположенных в некоторой окрестности оптимального варианта, вписанного в сетку ЦММ. Частным случаем такой системы точек могут сложить узлы сетки ЦММ, совпадающие с переломами оптимального варианта трассы. При этом под сглаженными вариантами понимаются ломаные с вершинами из системы Р. Отождествляя сглаженный вариант оптимальной трассы с набором вершин соответствующей ему ломаной, можно записать: = { , , …, к}, кn, 1i1 i2 … iк=n. В целях автоматизации процесса перебора вариантов трассы сглаженный вариант можно описать вектором из нулей и единиц длиной n: компоненты с номерами i1, i2,…, iк положить равными 1, остальные – 0. Учитывая, что при фиксированных концевых точках пути первая и последняя компоненты такого вектора будут всегда единицами, общее число вариантов трасс будет равно 2n-2. Рассматривать все эти варианты нет необходимости – среди них содержатся заведомо нецелесообразные. Одно из возможных правил отсева заключается в рассмотрении лишь тех вариантов, которые целиком лежат в достаточно узкой полосе (200-300 м) около оптимального варианта трассы, вписанного в сетку ЦММ.
Экономическая эффективность системы моделей для автоматизированного трассирования лесовозных автомобильных дорог
Как известно (подраздел 2.2.2), оптимальный связывающий путь ищется в общем случае на некотором подмножестве E{Ni,N2, М1гМ2} глобального множества E{1,N, 1,М}, содержащем начальную точку и конечную точку і . Определим покрытие прямоугольного множества Е{NbN2, МЬМ2}, имеющего размеры (N2 - Nj+lJ f M2- Mj+1), прямоугольниками меньших размеров следующим образом: E \J? Г\ V где - размер частичного перекрытия двух соседних подмножеств , образующих покрытие (3 6 min{R,S}), т.к. исходное множество E{NhN2, МиМ2} ограниченно, то число непустых множеств (элементов покрытия)
О конечно. Каждому такому покрытию, однозначно определяемому тремя параметрами R, S и , соответствует разбиение матриц критерия и относительных высот на блоки меньших размеров, не превышающих R S.
Выбрав R и S такими, чтобы блоки матриц, соответствующие одному элементу покрытия, организуем просмотр вершин множества E{Nj,N2, MhMi} в последовательности, указанной в подразделе 2.2.2 (рисунок 2.8). Для этого перенумеруем элементы следующим способом. Присвоим первый номер множеству , содержащему начальную точку и имеющему среди всех таких множеств минимальные значения индексов і и j; обозначим это множество Fb Положим далее F2= , F3= ,…и т.д. до исчерпания і - го слоя покрытия множества Е{Ni,N2, МЬМ2} при росте второго индекса]. Допустим, последнему из таких элементов присвоен номер к, тогда положим Fк+1= Fк+2= , и т.д. до исчерпания всего і -го слоя покрытия. Эту же процедуру нумерации продолжаем для всех горизонтальных слоев покрытия сначала при росте первого индекса i: i +1, i +2, …, а затем при убывании его: i -l, i -2, … и т.д. до исчерпания всех элементов покрытия.
Для наглядности покрытие множества Е{N1,N2, M1,M2} и нумерация элементов Fk этого покрытия приведены на рисунке 2.24. Просмотр вершин исходного множества Е{N1,N2, M1,M2} осуществляется отдельно для каждого элемента Fk в порядке возрастания их номеров. При этом учитываются лишь пересекающиеся с данным элементом Fk областей и линейные участки неоднородности, что существенно сокращает время просмотра вершин одного множества Fk.
Пересекающие области соседних элементов покрытия, задаваемые параметром , служат для передачи измененных в процессе просмотра вершин сетки ЦММ значений критерия от одного элемента покрытия к другому. Стабилизация каждого блока Ак, соответствующих элементам покрытия Fk, еще не гарантирует стабилизации всей матрицы А= из-за влияний друг на друга соседних элементов покрытия. Поэтому процесс стабилизации всей матрицы А считается законченным тогда, когда очередной просмотр всех элементов Fk не изменяет ни одного из блоков Ак. Гибкость. Характеризуется удобством пополнения программного обеспечения за счет включения в его состав новых компонент, а так же возможность корректировки отдельных его частей без изменения целого. Достигается за счет блочной (модульной) организации системы программ и унифицированных правил обмена информацией между отдельными модулями. Примерами таких модулей в программном обеспечении модели 1 являются: блок расчета коэффициента критериальной функции сi, блок поиска оптимального пути с использованием ЦММ, блок расчета технико-экономических показателей сглаженной трассы и др. Быстродействие. Этот принцип противоречит требованию универсальности. Стремление моделировать достаточно крупные, приемлемые с точки зрения практических приложений участки территорий – обусловили приоритет принципа универсальности при реализации модели. 106 Вследствие этого повышению быстродействия вычислительных процессов уделялось особое внимание. Основные шаги в этом направлении – локализации области поиска оптимума, ускорение полного перебора с помощью метода вложенных сит, учет лишь пересекающихся с данными элементом покрытия Fk областей и линейных участков неоднородности и т.д. Диалоговый режим. Как показывает отечественный и зарубежный опыт автоматизации проектирования линейных сооружений, наилучших результатов при решении такой сложной и многофакторной задачи, как поиск оптимальной трассы лесовозной автомобильной дороги, можно добиться в условиях диалогового режима, когда проектировщик или исследователь имеет возможность проанализировать большое количество вариантов, целенаправленно изменяя те или иные исходные параметры или ограничения с учетом ответных результатов, выдаваемых в результате имитационного моделирования в режиме расчета или оптимизации. Элементы такого диалогового режима неоднократно встречались в предыдущих разделах при описании отдельных этапов выработки наиболее приемлемого решения. К ним относятся выбор различных критериев оптимальности с последующим сравнением результатов, оптимизации трассы дороги при различных ограничениях на продольные уклоны пути, директивное назначение фиксированных точек или целых участков будущей дороги, локальная коррекция трассы на этапе сглаживания оптимального варианта трассы, вписанного в сетку ЦММ, с учетом автоматически определяемых оценок технико-экономических показателей дороги и т.п. На рисунке 2.25 представлено диалоговое окно разработанной программы.
Перечисленные принципы организации программного обеспечения модели были положены в основу разработанного пакета прикладных программ на языке программирования Delphi, автоматизирующего основные этапы поиска оптимального варианта трассы лесовозной дороги (Приложение 2).