CC BY
30
ТРАНСПОРТ
УДК 656(1-21):629.3
МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ТРАССЫ КАНАТНОГО МЕТРО
© 2011 г. А.А. Короткий, В.Б. Маслов, Д.В. Маслов, А.В. Панфилов
ООО ИКЦ «Мысль» Engineering - advice centre «THOUGHT»
Новочеркасского государственного техническо- Novocherkassk state technical university Ltd,
го университета, г. Новочеркасск Novocherkassk
Разработан алгоритм выбора трассы канатного метро и его расчета для урбанизированной среды на основе применения волнового алгоритма Ли, учитывающий транспортные и пассажирские потоки, функциональное зонирование и уровень развития современной технологии пассажирских перевозок.
Ключевые слова: канатное метро; пассажиропоток; трасса; профилирование.
Developed an algorithm for route selection rope Metro and its calculation for the urban environment through the use of wave-Lee algorithm that takes into account transport and passenger flows, zoning and development level of modern technology for passenger traffic.
Keywords: rope subway; passengers; trail; profiling.
Процесс проектирования канатного метро включает решение ряда самостоятельных задач, таких как выбор трассы и расчет профиля дороги, расстановку конечных и промежуточных станций, установку промежуточных опор, обоснование конструктивных и технологических схем [1].
Рассмотрим задачи, связанные с выбором трассы между заданными начальной и конечной точками трассы. При этом начальная и конечная точки известны и необходимо осуществить увязку трассы канатного метро с инфраструктурой города.
Кроме того, от трассы зависят условия строительства и даже тип конструктивных решений на различных участках канатного метро. Поэтому выбор оптимальной трассы - это одна из важнейших задач при проектировании канатного метро.
Канатное метро, как линейный объект, состоит из линейной части, куда входят собственно путевая структура дороги и ответвления от нее, а также из концевых и промежуточных станций посадок и пересадок.
Каждый участок линейной части сооружается на местности с различными физико-географическими, топографическими, гидрогеологическими условиями, влияющими на капитальные затраты, необходимые для сооружения канатного метро. Следовательно, при выборе трассы стоит задача так сформировать канатное метро, чтобы трасса была наиболее выгодной в экономическом отношении, создавала условия для выполнения строительно-монтажных работ наиболее простым способом и обеспечивала наилучшие условия эксплуатации.
Факторы, определяющие положение трассы на местности, можно подразделить на экономические, эксплуатационные и строительные. Влияние этих факторов на положение трассы выявляется в процессе технико-экономического обоснования проектирования канатного метро дважды: при определении принципиального направления трассы и при окончательном проектировании ее по выбранному главному направлению [2].
На определение главного направления трассы основное влияние оказывают экономические факторы, в число которых входят следующие показатели: рациональная потребность в перемещении пассажиров районов и улиц города, примыкающих к трассе; прогнозируемые пассажиропотоки; затраты на строительство и эксплуатацию канатного метро.
При выбранном главном направлении на процесс проектирования трассы основное влияние оказывают строительные и эксплуатационные факторы. К строительным факторам относится протяженность трассы, объемы подготовительных работ на трассе (расчистки, планировки и др.), физические особенности грунтов, рельеф местности, сложность переходов через искусственные и естественные преграды и их число на единицу длины трассы, возможность использования механизмов и принятой технологии работ на участках с неблагоприятными природными условиями.
Обобщающим критерием всего многообразия строительных показателей служат капитальные затраты на сооружение канатного метро.
Эксплуатационные факторы учитываются в процессе выбора технологической схемы канатного мет-
ро. На положение трассы они оказывают косвенное влияние через капитальные затраты. К эксплуатационным относятся факторы, отражающие надежность эксплуатации канатного метро.
Предварительные изыскания проводят по намеченным ранее вариантам трассы, конкурирующим между собой по технико-экономическим показателям, с целью выявить комплекс данных по каждому из них для составления всех разделов проектного задания. Применительно к трассе предварительные изыскания включают инструментальные работы и визуальные наблюдения.
Окончательные, или технические, изыскания проводят только по оптимальному варианту. Данные технических изысканий необходимы для окончательной привязки трассы к местности, согласования с ведомствами и всеми заинтересованными организациями. Информацию о трассе получают в результате технических изысканий.
Оценивают трассу на первом этапе проектирования по следующим характеристикам: максимальный угол наклона несущего и тягового каната на канатном метро не должен превышать 45°; канатное метро в плане между станциями должно быть прямолинейным. Отклонение каната на опоре в плане допускается не более 30'; все пересечения канатного метро или параллельное следование с ней железных дорог, линий электропередач, рек, каналов и других водных препятствий, шоссе, прокладка дороги над сооружениями, а также установка опор и станций канатного метро вблизи аэропорта; прохождение трассы канатного метро над территорией школ, детских садов, яслей и других детских учреждений не допускается; расстояние по вертикали от низшей точки подвижного состава или любого каната канатного метро до земли должно быть не менее 2,0 м; расстояние по вертикали от низшей точки подвижного состава или любого каната канатного метро должно быть не менее 2,0 м -до высшей точки здания или сооружения; приближение строений или естественных препятствий к внешним габаритам канатного метро допускается на расстояние не менее 1,0 м.
На следующем этапе проектирования информация носит более детальный характер, сохраняя дискретность и общую структуру оценок характеристик трассы. На каждый вид естественных и искусственных препятствий (надземный переход через водные преграды, переход через болота и обводненные участки, через автомобильные и железные дороги, строения, подлежащие сносу, и др.) составляют ведомости исходной информации.
При определении габаритов канатного метро должны учитываться отклонения, провесы канатов и подвижного состава под действием ветровой нагрузки при работе дороги, а также провесы и отклонения несущих, несуще-тяговых, тяговых и других канатов при остановленной дороге и воздействии нормативной ветровой нагрузки в месте размещения канатного метро.
Исходной информацией служат также различные ограничения, накладываемые на выбор варианта трассы при согласовании отвода участков земли для канатного метро.
В результате окончательных технических исследований выбранного варианта трассы представляется подробная информация о трассе, на основании которой составляются рабочие чертежи канатного метро. Эта информация содержит подробные сведения всего комплекса топографических и инженерно-геодезических работ, и сведения об окончательном закреплении трассы на местности.
Фактическая длина канатного метро, как правило, больше прямой, соединяющей начальную и конечную точки трассы. Основная причина этого, как указывалось выше, заключается в необходимости или целесообразности обхода естественных препятствий, которые встречаются при прокладке трассы канатного метро. По виду эти препятствия можно разделить на контурные и высотные, обусловливающие резкие изменения высотных отметок и усложняющие режим работы канатного метро и ведение строительно-монтажных работ.
Контурные препятствия могут быть преодолимые и непреодолимые. К преодолимым относятся препятствия, через которые в период строительства технически возможно проложить трассу канатного метро. К непреодолимым относятся такие препятствия, по которым возможность прокладки трассы по каким-либо причинам отсутствует.
Для оценки и сравнения участки местности, имеющие различные характеристики, необходимо классифицировать. Введем такие понятия, как «препятствие» и «преграда», под которыми понимают участок местности, требующий определенной технологии ведения строительно-монтажных работ, специальных машин, механизмов, оборудования и строительных материалов.
Однако при такой классификации не учитываются многочисленные факторы, оказывающие влияние на положение трассы. Так, участки местности со скальными грунтами, растительностью и микроклиматом также являются своего рода препятствиями, ибо требуют увеличения объема строительно-монтажных работ или дополнительных материальных затрат и времени на сооружение канатного метро по сравнению с эталонным участком.
Эталонным будем называть ровный участок местности без каких-либо особенностей, связанных с природно-климатическими и другими факторами. При строительстве канатных дорог такие участки практически не встречаются. Использование эталонного участка для сравнения с фактическим позволит в дальнейшем наиболее точно характеризовать трассу в целом, а также ее отдельные участки.
Вопросам поиска оптимальной трассы для канатного метро, когда критерий оптимальности представляет собой монотонную функцию пути, посвящены работы [3, 4]. Из этих работ следует выделить алгоритм Ли [5], основная идея которого может быть ис-
пользована для решения весьма широкого класса задач.
Основная идея алгоритма Ли (для определенности будем считать, что целью является минимизация критерия оптимальности трассы) заключается в следующем: если критерий является векторным, то в принятом порядке минимизируются характеристики - координаты вектора.
Алгоритм Ли - это волновой алгоритм поиска пути на карте, алгоритм трассировки. С его помощью можно построить путь, или трассу, между двумя любыми элементами на карте. Из начального элемента распространяется в четырёх направлениях волна. Тот элемент, в который она пришла, образует фронт волны. Элементы первого фронта волны являются источниками вторичных волн. Элементы второго фронта генерируют волну третьего фронта и т. д. Процесс заканчивается тогда, когда достигается конечный элемент. На втором этапе строится трасса. Построение производится в соответствии с некоторыми правилами: при построении трассы движение проходит в зависимости от выбранных приоритетов; путевые координаты уменьшаются при переходе от начального элемента к конечному.
Эти приоритеты выбираются в процессе разработки. В зависимости от выбора тех или иных приоритетов получаются различные трассы. Но в любом случае длина трассы остается одной и той же.
Используя волновой алгоритм, можно проложить сеть трасс канатного метро с любым числом непреодолимых препятствий. В этом и заключается преимущество его использования.
Суть алгоритма заключается в следующем. На двумерной клетчатой карте (матрице), состоящей из «проходимых» и «непроходимых» клеток, обозначена клетка старта и клетка финиша. Цель алгоритма -проложить кратчайший путь от клетки старта к клетке финиша, если это, конечно, возможно. От старта во все направления распространяется волна, причем каждая пройденная волной клетка помечается как «пройденная». Волна, в свою очередь, не может проходить через клетки, помеченные как «пройдены» или «непроходимые». Волна движется, пока не достигнет точки финиша или пока не останется непройденных клеток. Если волна прошла все доступные клетки, но так и не достигла клетки финиша, значит, путь от старта до финиша проложить невозможно. После достижения волной финиша, от старта прокладывается путь до финиша и сохраняется в массиве.
Естественно, что качественное проектирование, существенной частью которого является выбор трассы, возможно лишь при условии математического описания и решения возникающих проблем с использованием при необходимости соответствующих средств вычислительной техники.Удобной схематизацией проблемы выбора оптимального пути, позволяющей использовать для поиска ЭВМ, является сеточная формулировка.
Пусть имеется подробная карта местности, на которую нанесена сетка. Точки пересечения линий сетки назовем узлами. Отрезок между двумя смежными узлами назовем дугой. Сетка может быть любой конфигурации (рис. 1, а, б), а каждое звено сетки может иметь диагонали (рис. 1, в).
На карте указаны (в простейшем случае) два пункта А и В, которые должны быть соединены канатным метро. Сетку всегда можно нанести на карту так, что эти пункты окажутся лежащими в ее узлах.
Любой путь на сетке, который может служить трассой канатного метро или его частью, назовем допустимым путем. Все остальные пути будем называть недопустимыми (недопустимы, например, пути с самопересечениями). Задача состоит в том, чтобы найти допустимый путь на сетке между А и В, являющийся оптимальным.
Оптимальным будем считать трассу, вдоль которой канатное метро даст максимальную или минимальную величину критерия оптимальности.
Критерий оптимальности - это характерный показатель решения задачи, по значению которого оценивается оптимальность найденного решения, т. е. максимальное удовлетворение поставленных требований. В одной задаче может быть установлено несколько критериев оптимальности.
Выбор критерия оптимальности зависит от обстановки, в которой возникает потребность в строительстве, и от целей, которые при этом преследуются.
Вследствие этого в критерий оптимальности иногда имеет смысл включать значения нескольких характеристик, в результате чего критерий оптимальности приобретает векторный характер.
а б в
Рис. 1. Виды сеток, используемых при поиске оптимальных трасс: а - прямоугольная; б - криволинейная; в - прямоугольная с диагоналями
Все задачи по выбору трасс канатного метро можно подразделить на два класса.
Первый класс включает те задачи, в которых критерий оптимальности определен для всех допустимых путей из начальной точки, а во второй класс включены задачи с ограничением высоты опор.
Методы решения задач первого класса разработаны при расчете трасс в случае, когда критерий оптимальности является аддитивным. Если, например, целью является минимизация приведенных затрат, то при выбранной конфигурации и способе устройства трассы задача может быть поставлена так. Каждой дуге сетки соответствует свое число юг, приведенных затрат на этом участке. Требуется отыскать такой путь на сетке между А и В, вдоль которого сумма приведенных затрат минимальна.
На каждом шаге происходит осмотр всех пробных путей, построенных от начальной точки трассы, и установление пути с наименьшей стоимостью.
Этот путь в данный момент является «наиболее перспективным». Надстраиваем этот путь на одну новую дугу во всех допускаемых сеткой направлениях. Получаем несколько дополнительных путей, каждый из которых представляет собой увеличенный на одну дугу путь, который мы только что считали наиболее перспективным. Теперь среди всех построенных к настоящему моменту путей ищем новый наиболее перспективный и надстраиваем его на одну новую дугу во всех допускаемых сеткой направлениях. Этот процесс продолжается до тех пор, пока среди сфор-
мированных последовательной надстройкой путей не окажется путь, оканчивающийся конечной точкой трассы и имеющий минимальную стоимость по сравнению со стоимостями всех сформированных к этому моменту путей. Этот путь (таких путей может оказаться несколько) будет оптимальным.
Выбор оптимальной трассы канатного метро и ее профилирование на основе применения волнового алгоритма Ли достаточно сложный процесс расчета, требующий применения ЭВМ. Исходя из вышесказанного и на основании теоретических исследований, проведенных ООО ИКЦ «Мысль» НГТУ, был составлен алгоритм выбора трассы канатного метро и ее расчета для урбанизированной среды (рис. 2).
НП-Н (привод-натяжка находятся на нижней станции)
ВП-Н (привод-натяжка находятся на верхней станции)
—
НП (привод находится на нижней, натяжное устройство на верхней станции)
ВП (привод находится на верхней, натяжное устройство на нижней станции)
ДП (с распределенным дискретным приводом)
Печать/экспорт данных
Рис. 2. Алгоритм выбора трассы канатного метро и ее расчета для урбанизированной среды
В качестве среды разработки выбран пакет Delphi
7.0.
Выбор трассы и расчет канатного метро осуществляется в следующей последовательности: ввод исходных данных и выбор тяговой схемы для расчета (рис. 3); загрузка файла ведомости с исходными данными; загрузка топографической карты г. Сочи и наложение сетки для расчета; расчет, прокладка трасс и построение профиля главной трассы (рис. 4); корректировка полученных данных при проведении расчетов; результаты расчета с откорректированными данными; экспорт полученных данных для составления отчета.
Рис. 3. Ввод исходных данных и выбор тяговой схемы для расчета
Рис. 4. Расчет, прокладка и построение профиля главной трассы
Анализ спроектированной ветки канатного метро для района Мацеста г. Сочи показал, что углы поворотов трассы в горизонтальной плоскости изменяются в определенных пределах и зависят от условий прохождения трассы, рельефа местности, наличия высотных
и контурных препятствий, а также технических особенностей канатного метро. В связи с этим можно сделать вывод о целесообразности сетки из треугольников. При этом углы треугольников сетки устанавливаются в зависимости от условий местности. Угол в вершине треугольника может изменяться, как правило, от 90 до 120°. Для равнинной местности и незначительного количества препятствий этот угол достигает больших значений.
Таким образом, мы получим критерий, который наиболее тонко реагирует на условия устройства канатного метро и соответственно на прокладку трассы, что создает условия для окончательной оптимальной ее прокладки на местности. Значительного удлинения трассы и изменения других важных факторов уже не произойдет, так как оптимальный вариант выбирался в узкой области найденного на первом этапе направления.
Кроме приведенных затрат, самостоятельными критериями могут быть срок строительства и безопасность при эксплуатации канатного метро. Очень важно отыскание оптимального варианта трассы по одному из критериев с ограничением по другому или нескольким. Решение такой задачи позволяет учесть значительно большее число различных факторов, влияющих на положение трассы.
Выводы
1. Анализ спроектированногоканатного метро с помощью ЭВМ показал, что углы поворотов трасс в горизонтальной плоскости изменяются в определенных пределах и зависят от природных условий прохождения трассы в мегаполисе, наличия высотных и контурных препятствий. Угол поворота в вершине треугольника может изменяться от 90 до 120 °, что позволяет достаточно точно определять положение трассы и выполнять ее профилирование в урбанизированной среде.
2. Разработан алгоритм выбора трассы канатного метро и ее расчета для урбанизированной среды на основе применения волнового алгоритма Ли, учитывающий транспортные и пассажирские потоки, функциональное зонирование и уровень развития современной технологии пассажирских перевозок.
3. Обобщающим критерием оптимальности при выборе трассы канатного метро является сеточная формулировка, где составление алгоритма поиска оптимальной трассы должно представлять собой монотонно возрастающую функцию пути, которому соответствует минимальное значение стоимости.
Работа выполнена в рамках государственного контракта № П550 от 5 августа 2009 г. на проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание и управление новыми видами транспортных систем» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2008 года № 568.
Литература
1. Новый вид общественного транспорта для урбанизированной среды - городские канатные дороги «Канатное метро» / А.А. Короткий [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. Прилож. № 4. С. 73 - 77.
2. Подвесные канатные дороги / М.Б. Беркаман [и др.]. М., 1984. 263 с.
Поступила в редакцию
3. Современное состояние и перспективы развития новых специализированных видов транспорта СПЕЦТРАНС-85 : тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. М., 1985. 242 с.
4. Закураев А.Ф. Теория проектирования надземной универсальной трубопроводной пассажирской транспортной артерии в мегаполисе : дис. ... д-ра техн. наук. М., 2005. 413 с.
5. Экономическая и социальная география : справочные материалы. М., 1994. С. 102 - 110.
4 марта 2011 г.
Короткий Анатолий Аркадьевич - д-р техн. наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, Генеральный директор ООО ИКЦ «Мысль» НГТУ. Тел. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: korot@novoch.ru
Маслов Валерий Борисович - канд. техн. наук, доцент, директор по НИиСД, ООО ИКЦ «Мысль» НГТУ. Тел. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: niipeb@mail.ru
Маслов Дмитрий Валерьевич - инженер, ООО ИКЦ «Мысль» НГТУ. Тел. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: d_m_s_l@mail.ru
Панфилов Алексей Викторович - программист, ООО ИКЦ «Мысль» НГТУ. Тел. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: thougth@novoch.ru
Korotkiy Anatoly Arkadivich - Doctor of Technical Sciences, professor, premium Government winner of the Russian Federation in the field of a science and technics, General director of EAC «THOUGHT» NSTU Ltd, D.Eng. Ph. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: korot@novoch.ru
Maslov Valery Borisovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, The director for SECA of EAC «THOUGHT» NSTU Ltd. Ph. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: niipeb@mail.ru
Maslov Dmitry Valeriеvich -engineer, EAC «THOUGHT» NSTU Ltd. Ph. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: d_m_s_l@mail.ru
Panfilov Alexey Viktorovich - The programmer of EAC «THOUGHT» NSTU Ltd. Ph. 8 (8635) 22-20-56. E-mail: thougth@novoch.ru
