База нормативной документации: www.complexdoc.ru
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
ГЛАВА 25. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И СООРУЖЕНИЙ НА НИХ
25.1. Понятие о системах автоматизированного проектирования
Накопленный в настоящее время отечественный и зарубежный опыт показывает, что применение математических методов и средств автоматизации и вычислительной техники при проектировании существенно повышает технический уровень и качество проектируемых объектов при заметном снижении строительной стоимости, а также резко сокращает сроки разработки проектов. Автоматизированное проектирование оказывается особенно эффективным, когда от отдельных расчетов на компьютерах переходят к разработке и использованию систем автоматизированного проектирования, в которых уже взаимосвязаны все стадии проектно-изыскательских работ, начиная со сбора, обработки и представления исходной для проектирования информации и кончая оформлением проектно-сметной документации.
Система автоматизированного проектирования (САПР) - это организационнотехническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации, выполняющей автоматизированное проектирование (Федотов Г.А. Автоматизированное проектирование автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1986. - 318 с).
Следует различать проектирование автоматическое и автоматизированное. При автоматическом проектировании процесс получения, преобразования, передачи информации, формирования управляющих команд осуществляется автоматически без участия инженера-проектировщика. Однако и в этом случае проектировщик принимает участие в главных этапах проектного процесса: на этапе подготовки исходных данных для проектирования и на этапе оценки полученного проектного решения с последующей возможной его корректировкой. В автоматическом
1187
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
режиме возможно проектирование относительно простых инженерных сооружений (например, гражданских и промышленных зданий и т.д.).
При автоматизированном проектировании, предназначенном для проектирования сложнейших и даже уникальных инженерных сооружений, таких как автомобильные дороги и сооружения на них, инженер-проектировщик непосредственно участвует в процессе выработки проектного решения, направляя проектный процесс по нужному руслу.
Главный эффект от применения САПР возникает в результате автоматизации различных творческих функций человека на ранних стадиях разработки проекта, когда вырабатываются самые принципиальные решения (например, выбор общего направления трассы автомобильной дороги, установление положения проектной линии продольного профиля и т.д.) Творческий процесс создания инженеромпроектировщиком с помощью технических средств САПР математической модели объекта строительства, оперативный анализ в ходе этого процесса достоинств и недостатков модели определяют качественно новую ситуацию в проектировании: инженер-проектировщик в ходе диалога с компьютером всесторонне анализирует большое число вариантов, осуществляет оптимизацию проектных решений, моделирует поведение объекта или отдельных его элементов во времени и пространстве и в конечном итоге выбирает (чаще всего методом экспертных оценок) наилучший вариант для последующей детальной проработки.
САПР - это принципиально новая организационная система, основу которой составляют компоненты методического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения. Проектирование на уровне САПР предусматривает перестройку всего проектно-изыскательского дела: радикальное изменение состава и знаний инженерно-технического персонала, изменение существующей структуры проектно-изыскательских институтов и фирм, а также технологии изысканий и проектирования.
Функциями САПР являются разработка и выпуск проектно-сметной документации, обладающей уровнем качества, недостижимым средствами традиционного (неавтоматизированного) проектирования.
Коренное отличие системного проектирования от эпизодического применения компьютерной техники при традиционном проектировании заключается в том, что все подсистемы САПР взаимосвязаны и результаты проработок по одной из подсистем непосредственно используются в качестве исходных данных для последующего проектирования без промежуточной переподготовки. Эти результаты, кроме того, могут выдаваться на экран монитора и при необходимости корректироваться инженером-проектировщиком. Таким образом, осуществляется диалог инженера с компьютером.
Целью создания САПР являются:
1188
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
повышение качества объектов проектирования. Например, разработка проектов автомобильных дорог, имеющих зрительно плавную трассу, органически вписывающуюся в окружающий ландшафт и обогащающую его, обеспечивающую наилучшие транспортно-эксплуатационные показатели (уровни удобства и безопасность движения, скорости движения, время сообщения, пропускную способность и т.д.);
снижение стоимости строительства объектов и их материалоемкости. Стоимость автомобильных дорог и материалоемкость проектных решений при системном автоматизированном проектировании оказывается на 10-15 % (а иногда и более) ниже соответствующих показателей при использовании традиционной технологии;
сокращение сроков проектирования, трудовых затрат и повышение качества проектно-сметной документации. При системном автоматизированном проектировании сроки проектно-изыскательского цикла (с соответствующим ростом производительности труда) сокращаются в среднем на 20-25 % и более. Подготовка проектно-сметной документации с использованием средств автоматизации обеспечивает оформление проекта (пояснительных записок, смет и чертежей) с качеством, недостижимым при традиционной технологии.
При проектировании автомобильных дорог с использованием САПР наибольший экономический эффект достигается в связи с повышением качества объектов проектирования и снижением сметной стоимости и материалоемкости строительства. Экономический эффект при проектировании с использованием САПР обеспечивают следующие факторы:
системное использование средств автоматизированного проектирования. Результаты проектирования по одной из подсистем САПР автоматически используются в качестве исходной информации для последующих этапов автоматизированного проектирования без трудоемкой ручной переподготовки, определяющей к тому же большое количество неизбежных ошибок. Использование САПР автоматизирует трудоемкие и рутинные операции традиционной технологии (подготовка пояснительных записок, чертежей, смет, расчетов и т.д.);
создание новой технологии производства проектно-изыскательских работ. Проектирование на уровне САПР предполагает использование качественно отличной технологии выполнения проектно-изыскательских работ, характеризуемой системностью, комплексностью, широтой охвата и исключительной глубиной проработки;
повышение специализации труда. Зарубежный и отечественный опыт системного проектирования убеждает в необходимости разделения функций изысканий и собственно проектирования между специализированными организациями, оснащенными соответствующим оборудованием, изыскательскими и проектными организациями, а также в разделении функций проектирования
1189
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
между узкими специалистами по проектированию трассы, земляного полотна, дорожных одежд, водопропускных сооружений, транспортных развязок движения и т.д. Структура проектно-изыскательских институтов, определенная старой технологией производства проектно-изыскательских работ, должна быть существенно реорганизована;
совершенствование методов управления процессами проектирования;
внедрение математических методов оптимизации проектных решений. Использование оптимизирующих алгоритмов, реализация которых при ручном проектировании практически исключена, позволяет заметно снизить стоимость и материалоемкость основных проектных решений (земляного полотна, дорожных одежд, водопропускных сооружений и т.д.);
внедрение методов математического моделирования. Использование методов математического моделирования, реализация которых при ручном проектировании также немыслима, позволяет моделировать поведение проектируемого объекта во времени и пространстве (моделирование объектов проектирования, моделирование работы мостовых переходов, малых водопропускных сооружений, моделирование транспортных потоков и т.д.), что резко повышает обоснованность и качество принимаемых проектных решений;
многовариантность проработки проектных решений. Элементы автомобильных дорог, для которых еще в настоящее время не представляется возможным аналитически находить экстремальные значения целевых функций, проектируют многовариантно, т.е. используют эвристический принцип нахождения проектных решений, приближающихся к оптимальному.
25.2. Средства обеспечения систем автоматизированного проектирования
За последние три десятилетия процесс развития средств вычислительной техники и внедрения ее в область проектирования ознаменовался переходом от использования в автономном режиме отдельных программ на отдельных этапах проектирования к созданию крупных объектно-ориентированных программных систем, предназначенных для комплексного выполнения проектных работ. В результате сложилось новое представление о системах автоматизированного проектирования, как об организационно-технических системах, основу которых составляют компоненты методического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения (рис. 25.1).
1190
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
Рис. 25.1. Виды обеспечения систем автоматизированного проектирования
Компоненты САПР - это элементы средств обеспечения, выполняющие определенные конкретные функции.
Компонентами методического обеспечения являются документы, в которых полностью или со ссылками на первоисточники изложены теория, методы, способы, математические модели, алгоритмы, алгоритмические языки программирования, терминология, нормативы и другие данные, обеспечивающие методологию проектирования в САПР.
Теория и методы проектирования автомобильных дорог и сооружений на них в последние годы получили сильное развитие именно в связи с возможностью перехода на автоматизированное проектирование. Применение компьютерной техники позволяет на качественно более высоком уровне реализовывать основные вопросы проектирования автомобильных дорог (проектирование плана трассы, продольного профиля, земляного полотна, дорожных одежд, малых водопропускных сооружений, мостовых переходов, развязок движения и т.д.), а также оценки получаемых проектных решений. Монографии, учебники, труды институтов и фирм, журнальные статьи и другие издания, где изложены теория и методы автоматизированного проектирования автомобильных дорог, составляют фундамент методического обеспечения САПР.
Методы решения конкретных задач проектирования автомобильных дорог выражают однозначно в виде, удобном для реализации на компьютере, т.е. представляют в виде алгоритма.
Алгоритм - это последовательность вычислительных и логических процедур, по которым можно определить значения искомых величин при заданных значениях исходных данных. Алгоритм отличается от метода большим совершенством и определенностью, а также формой написания, максимально приспособленной для реализации на компьютере. Для этого используют алгоритмические языки программирования, понятные инженеру-проектировщику и компьютеру.
Алгоритмы решения конкретных задач проектирования автомобильных дорог, содержащиеся обычно в программной документации, составляют вторую часть методического обеспечения САПР.
1191
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
Проектирование автомобильных дорог и сооружений на них всегда осуществляется в соответствии с действующими нормативными документами, к которым относятся: государственные общероссийские стандарты (ГОСТ), стандарты отрасли (ОСТ), отраслевые дорожные нормы и нормативы (ВСН, ОДН), общероссийские строительные нормы, инструкции, указания и правила (СН), строительные нормы и правила (СНиП), пособия к СНиП, своды правил по изысканиям и проектированию (СП), руководящие документы системы (РДС, РСН) и разного рода методические указания и рекомендации.
Нормативно-методическая документация составляет третью часть методического обеспечения САПР.
По мере развития науки и совершенствования средств вычислительной техники непрерывно видоизменяются и совершенствуются методы и технологии изысканий и проектирования автомобильных дорог, появляются новые методы и технологии, новые алгоритмы и программы, совершенствуются и обновляются нормативнометодические документы. В связи с этим на методическое обеспечение САПР нельзя смотреть как на нечто раз и навсегда установленное и определенное. Методическое обеспечение в ходе эксплуатации САПР непрерывно видоизменяется в соответствии с развитием научно-технического прогресса.
Компонентами программного обеспечения САПР являются документы с текстами программ, программы на машинных носителях информации и эксплуатационные документы, обеспечивающие функционирование систем.
Программа - это последовательность команд, написанная на одном из алгоритмических языков программирования, и дающая ей точное задание для всех этапов обработки данных. Подпрограмма - это завершенная часть программы, которая не может, однако, функционировать как самостоятельная, а только лишь будучи включенной в основную программу или другую подпрограмму.
Программное обеспечение САПР подразделяют на общесистемное и прикладное.
Общесистемное программное обеспечение представлено различными операционными системами (ДОС, ОС, "Windows 2000, Windows ХР Professional и
т.д.), трансляторами, супервизорами и т.д.
Компонентами прикладного программного обеспечения являются пакеты прикладных программ и системы прикладных программ, предназначенные для получения конкретных проектных решений. Пакет прикладных программ - это несколько связанных между собой вычислительных программ для решения определенной проектной задачи, когда ввод и вывод данных каждой отдельной программы должен быть согласован с остальными программами пакета. Системы прикладных программ, составляющие основу технологических линий
1192
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
проектирования, формируются таким образом, что связь между отдельными программами осуществляется через данные промежуточных результатов, когда результаты расчета по одной программе автоматически используются в качестве исходной информации по другой.
Технологическая линия проектирования - это связанная проектно-
технологическая фаза обработки главных этапов проектирования с использованием системы прикладных программ и других вспомогательных средств автоматизированного проектирования с обеспечением возможности контроля и изменения данных. Технологическая линия проектирования - это система с вполне определенной рациональной последовательностью выполнения конструкторских, расчетных, машинописных, чертежных, множительных и других работ, подобная конвейеру.
Компонентами информационного обеспечения САПР являются документы, содержащие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также массивы и базы данных на машинных носителях информации с записью указанных документов, обеспечивающие функционирование САПР.
К информационному обеспечению САПР-АД относят, прежде всего, типовые проектные решения по земляному полотну, дорожной одежде, конструкциям пролетных строений, опор мостов и путепроводов, водопропускным трубам, подпорным стенкам, укреплениям, обстановке и принадлежностям дороги, зданиям и сооружениям службы эксплуатации и т.д. Вся информация о типовых проектных решениях хранится в долговременной памяти компьютеров, к которым обеспечен оперативный доступ в ходе системного автоматизированного проектирования.
Типовые проекты постоянно совершенствуются, обновляются, разрабатываются новые. Все это требует систематического обновления и расширения информационной базы САПР.
Компонентами технического обеспечения САПР являются устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи информации, измерительные и другие устройства или их сочетания, обеспечивающие функционирование САПР.
Создание комплекса технических средств САПР связано с необходимостью выполнения ряда противоречивых требований, которые включают:
быстрое освоение имеющегося парка вычислительной техники. Моральное старение вычислительной техники требует полной ее замены на принципиально новые более совершенные модели в среднем каждые 5-7 лет, что требует соответствующей организационной перестройки без остановки функционирования САПР;
1193
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
увязку прикладного программного обеспечения с общесистемным;
обеспечение постоянного быстрого доступа инженера-проектировщика к компьютерам и другим средствам автоматизации;
повышение эффективности и качества проектирования, без чего реализация проектирования на уровне САПР становится бессмысленной.
Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность компьютеров, периферийных устройств и средств связи.
Компьютеры - это современная мощная персональная вычислительная техника типа PC IT, обладающая огромной оперативной и внешней памятью, а также быстродействием. Современные компактные компьютеры «Ноутбуки» часто объединяют в одном устройстве - кроме собственно компьютера - ряд других необходимых периферийных устройств: дисплеи, клавиатуры, манипуляторы, устройства ввода с дискеток и дисков. Кроме того, они имеют набор интерфейсов для быстрого и простого подключения принтеров, плоттеров и других средств автоматизации, используемых при системном автоматизированном проектировании.
Периферийное оборудование включает в себя три группы устройств:
устройства ввода и вывода информации, объединенные или связанные каналами связи с центральным процессором; дисплеи; плоттеры; принтеры; клавиатуры; манипуляторы и т.д.;
устройства сбора, регистрации и обработки данных, не связанные с центральным процессором или периодически подключаемые к нему: аэро- и наземное стереосъемочное, стереофотограмметрическое оборудование; геодезическое оборудование для сбора топографической и других видов информации о местности (электронные теодолиты, электронные и компьютерные тахеометры, регистрирующие нивелиры, лазерные дальномеры, наземные устройства систем спутниковой навигации «GPS», геодезические лазерные сканеры и т.д.); инженерно-геологическое и геофизическое оборудование для инженерногеологической разведки и т.д.;
обслуживающие устройства: хранилища, бумагорезательные, копировальные машины, переплетные мастерские и т.д.
Средства связи - это устройства, обеспечивающие связь между компьютерами, а также между компьютерами и периферийными устройствами, телефонная, телефаксная, радио- и другие виды связи между пользователями и компьютерами, электронная почта и т.д.
1194