Поиск оптимального варианта лесовозной автомобильной дороги в системе автоматизированного проектирования Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

математической модели и определять конструктивно-технологические параметры фрезы [9]. Автоматизированные расчеты показали, что наименьшее значение сталкивающая сила Ra и сила реакции Rb имеют при угловой скорости вращения 5-15 об/с и скорости подачи, равной 2-4,5 мм/с. При увеличении угла наклона режущих кромок в соотношение сталкивающей силы Ra и силы реакции Rb составляет для в = 30°-2,34 раза, в = 45°-3,62 раза, в = 60°-9,27 раза .Исходя из этого приняты следующие конструктивные параметры конической фрезы:

- угол наклона режущих кромок - 45°;

- высота корпуса рабочего органа - 200 мм;

- высота центрирующего элемента - 150 мм;

- масса рабочего органа (с учетом жидкостного наполнителя) - 37 кг;

- высота приводного вала - 92,2 мм.

Библиографический список

1. Степановских, А.С. Охрана окружающей среды / А.С. Степановских. - Курган: ГИПП «Зауралье», 1988. - 512 с.

2. Концепция развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003-2010 годы. Одобрена рас-

поряжением Правительства Российской Федерации от 18 января 2003 года. № 69-р. - 22 с.

3. Лосев, А.В. Социальная экология: учеб. пособие для вузов / А.В. Лосев, Г.Г. Провадкин. - М.: Гума-нит. изд. центр ВЛАДОС, 1998. - 312 с.

4. Пахомова, Н.В. Экономика природопользования и охраны окружающей среды: учеб. пособие / Н.В. Пахомова, К.К. Рихтер. - СПб: Изд-во С.-Пе-терб. ун-та, 2003. - 220 с.

5. Шелгунов, Ю.В. Машины и оборудование лесозаготовок, лесосплава и лесного хозяйства / Ю.В. Шелгунов, Г.М. Кутуков, Г.П. Ильин - М.: Лесная пром-сть, 1982. - 453 с.

6. Рабочий орган для измельчения пней: Пат. на изобретение № 2170005 А 01 G 23/06 / А.В. Зацепин, В.В. Цыплаков, С.В. Фокин; заявл. 05.01.2000.; опубл.10.07.2001., бюл. № 19.

7. Шихельман, Х.Л. Фрезерование на прецензионных станках / Х.Л. Шихельман. - М.: Машиностроение, 1978. - 249 с.

8. Яблонский, А.А. Курс теоретической механики. Динамика / А.А. Яблонский. - М.: Высшая школа, 1977. - Ч. 2 - 283 с.

9. Цыплаков, В.В. Компьютерная программа для расчета конструктивно-технологических параметров измельчения пней конической фрезой с жидкостным наполнителем / В.В. Цыплаков, С.В. Фокин // Инновации в науке и образовании. - 2008. -№ 2(37) - С. 36.

ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА

лесовозной автомобильной дороги в системе автоматизированного проектирования

Е.В. КОНДРАШОВА, доц. каф. транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА, канд. техн. наук

Решение задач повышения скорости, уменьшения перерасхода горючего, удобства и безопасности движения, снижения негативного воздействия транспорта лесного комплекса и дорог на экосистемы придорожной полосы, составляющих комплекс транспортно-экологических качеств лесовозных дорог в сложной системе «водитель-автомобиль-дорога-сре-да» требует системного подхода в теоретических и экспериментальных исследованиях.

За последние годы автомобильный транспорт обеспечивает свыше 60 % объемов внутренних грузовых перевозок с тенденцией увеличения этой доли, являясь таким образом «главным перевозчиком» для растущих секторов экономики России.

[email protected]

Поиск резервов, которые помогут решить проблему интенсификации автомобильного транспорта, приводит к необходимости исследовать пути совершенствования транспортно-экологических характеристик лесовозных автомобильных дорог. Разработка мероприятий по снижению негативных воздействий на окружающую придорожную среду является одной из важнейших задач подпрограммы «Автомобильные дороги» до 2010 г., концепции развития автомобильной промышленности, основных направлений развития лесной промышленности до 2015 г.

Это обуславливает необходимость использования научных подходов к решению задач составной части автоматизированного

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2009

117

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

проектирования - имитационной подсистемы, позволяющей видеть дорогу в действии. При этом ЭВМ выступает в роли полигона для испытания проектируемой дороги. Концепцию научного направления, рассматривающую транспортно-эксплуатационные качества лесовозных автомобильных дорог с учетом всех существенных компонентов и взаимосвязей, в системах автоматизированного проектирования исследовали профессора А.И. Алябьев, Ю.Я. Дмитриев, Б.А. Ильин, Б.И. Кувалдин, В.К. Курьянов, И.И. Леонович, Н.П. Вырко, В.П. Немцов, Э.О. Салминен и др., а их труды способствовали развитию лесного комплекса России.

Исследования проводились на кафедре транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА. Основная задача заключалась в разработке принципов оптимизации проектных решений с использованием комплекса программ имитации функционирования дороги. Требование всесторонности испытания проектируемой дороги заставило рассчитать в процессе моделирования не только общие и средние показатели, но и эпюры видимости, детальные эпюры расхода топлива, себестоимости перевозок, эмиссии токсичных веществ и т.п., позволяющие выявлять элементы и участки дорог, требующие вариантного проектирования. Таким образом, алгоритм моделирования обеспечил данными подсистему направленного выбора варианта оптимального по комплексу показателей иногда взаимно противоречивых.

Основная трудность при проектировании дороги - это выбор параметров. Таких параметров сотни и тысячи: параметры земляного полотна, дорожной одежды, искусственных сооружений, обстановки дороги, объемы строительных работ, сметная стоимость, транспортно-эксплуатационные расходы, приведенные затраты, стоимость отчуждения земель, затраты на зимнее содержание дороги, обеспечение видимости, оценка зрительной ясности и плавности трассы и вписывания ее в окружающий ландшафт, время сообщения, уровни удобства и безопасность движения, пропускная способность, степень загрязнения окружающей среды транспортным шумом и прочее. Первоначальный вариант до-

роги не будет достаточно хорошим по всем критериям. Типичная задача проектирования дороги - это улучшение параметров дороги, но изменение одной группы параметров влечет за собой изменение другой. Транспортноэксплуатационные характеристики дороги в результате этого становятся нестабильными.

Проблема выбора новых параметров, улучшающих дорогу при вариантном проектировании, очень сложная, и необходим направленный поиск наилучшего варианта, основанный на методах прикладной математики. Конечной целью проектирования в результате является сужение полосы поиска наилучшего варианта дороги и возрастание детализации проектных проработок.

Основной принцип технико-экономического сравнения вариантов дороги, то есть минимизация приведенных суммарных затрат, основан на идеях окупаемости и сравнительной эффективности [1].

Известны методики расчета приведенных суммарных затрат [2]. Однако составить выражение, в которое входили бы параметры дороги, и затем минимизировать приведенные затраты, то есть выбрать соответствующий набор параметров, который обеспечивал бы наименьшую величину - это задача непосильна ни для исследователей, ни для ЭВМ.

При направленном поиске автор проекта может оперировать небольшим количеством параметров. Поэтому именно декомпозиция проблемы, предложенная В.М. Глушковым [3], Г.С. Поспеловым [4], Н.Н. Моисеевым [5], наиболее приемлема для вариантного проектирования дорог. Декомпозиция заключается в установлении относительно небольшого количества агрегированных характеристик дороги. Агрегирование заключается в замене большого комплекса характеристик и конструктивных параметров дороги небольшим количеством обобщенных характеристик и параметров.

Таковыми в настоящее время считают экономичность и безопасность дорожного движения. Экономичность обусловлена дорожной и транспортной составляющими. Поэтому для дальнейшего используются характеристики: С - стоимости дороги, D - количество дорожно-транспортных проис-

118

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

шествий, Э - затраты на перевозки. Эти характеристики являются функциями параметров земляного полотна, дорожной одежды, искусственных сооружений, обстановки дороги и т.д.

Из этих параметров на каждом этапе проектирования выбирают наиболее важные. Так, например, на этапе вариантного проектирования трассы такими обобщающими параметрами можно считать V - расчетную скорость, H - условия проложения дороги через населенные пункты, П - условия пересечения с другими дорогами. Расчетная скорость обусловит геометрические параметры трассы (продольные уклоны, радиусы вертикальных и горизонтальных кривых, расстояние видимости поверхности дороги встречного автомобиля, параметры полученного профиля); с величиной H связаны такие параметры, как наличие в населенном пункте полос местного движения, тротуаров, пешеходных переходов, светофорной сигнализации, освещения и т.п.); параметр П можно оценить общим числом конфликтных точек, или средним их количеством на пересечении.

Так как проектирование дорог - это всегда решение иерархически все более детальных задач (от выбора общего направления трассы к проектированию земляного полотна, дорожной одежды, пересечений и т.п.), то в каждой задаче более низкого уровня существенными будут параметры, более близкие к конструктивным.

В задаче вариантного проектирования трассы характеристики C, D, Э связаны с параметрами V, H, П определенными зависимостями, которые можно представить параболами

C = Cv + Ch + Cn, (1)

CVH.n = COVOH.On + (х — Xmm) Х Х (а CVCH.Cn + b CVCH.Cn (Х - ХтЛ (2)

где CVH П- затраты на строительство дороги, на благоустройство населенных пунктов, на строительство пересечений и

примыканий соответственно; aCVCHCn, bCVCHCn - эмпирические коэффициенты, которые уточняются в про-

цессе проектирования; x - значения параметров V, H, П;

Х - минимальные значения параметров

mm г г

V, H, П, обеспечивающие минимальные затрагы CovoH.on-Аналогично любую i-ю характеристику представляем зависимостью

Fi = Fio +Z[(x, - XmrnXa- + bjj (xj - x,m„))], (3)

i=1

Vх J

J mm>

гдеFio = £F , J - номер параметра x.;

j=i 1

n - общее количество параметров; a , b - коэффициенты для j-го параметра и i-ой характеристики.

Для направленного поиска оптимального варианта в системе автоматизированного проектирования (САПР) необходимо знать идеальные характеристики, максимально допустимые возможности дороги. В окончательном варианте дороги эти идеальные характеристики должны гармонично сочетаться. При этом приведенные суммарные затраты Р должны быть минимальны.

Имеется набор параметров VC, HC, Пс, при которых дорога имеет наименьшую стоимость Cmin, другой набор VD, HD, nD, при которых прогнозируется наименьшее количество ДТП, оцениваемое величиной Dmin, имеется набор V^ H П обеспечивающий минимум затрат на перевозки Э .

Любой вариант дороги отличается по своим характеристикам C, D, Э от идеальных решений. Это отклонение можно определить величинами

X = (F - F . )/ (F - F . ). (4)

7Ч v i immy v imax immy v y

Коэффициенты x находятся в пределах от 0 до 1 и показывают, насколько тот или иной вариант дороги хуже соответствующего идеального решения по i-ой характеристике.

Характеристики C, D, Э не одинаково важны для оптимального варианта. Для определения их важности введем относительные веса XC, XD, ХЭ, и оптимальный вариант дороги будем искать по минимуму

Ц = ^ссээ, Хсдэ, =£hXi ^min . (5)

i=1

Для оптимального варианта существует такое сочетание XC, X X которое обеспечивает минимум приведенных затрат. Задача направленного вариантного проектирования заключается в установлении этих значений. И здесь без имитационной системы, моде-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2009

119

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

лирующей работу дороги, ее «испытание» на ЭВМ, не обойтись. По каждому варианту дороги с уровнем затрат С следует промоделировать пропуск транспортных потоков расчетной интенсивности, определить по результатам моделирования характеристики D, Э, приведенные суммарные затраты Р

Так как значения Хс, XD, ХЭ заранее известны, то ими нужно задаться в виде сетки с узлами X(XC, XD, ХЭ). Для каждого k-го узла (набора значений XCk, XDk, X3k) следует найти значения V Hk, Пк, при которых Ц^шш. Этим самым отсеиваются варианты, далекие от гармонического сочетания характеристик C, D, Э. Значения Vk, Hk, Пк находят решением уравнений dU/dxik = 0, которые дают в общем виде

[ £ К Щ - aj )]

xik =^=—n---------, (6)

2

j=i

где a'., b’ получены путем деления коэффи-

ijij

циентов а и b на F - F .

ij ij imax imin

Если x., < x , принимать x., = x ,

ik imm7 A ik imin7

и если x., > x , принимать x., = x , если

ik imm7 r ik imax7

V, < V . , принимать V, = V . и если V. > V ,

k mm7 A k min k max7

принимать V > V .

Значения Vk, Hk, Пк направленно определяют требования к новому варианту трассы. Конструктивные параметры этого варианта служат исходной информацией для моделирования дорожного движения имитационной системой. Результаты этого моделирования используют для вычисления критерия P. Затем выбирают другой узел ЛА_ (другие значения Хс, XD, ХЭ), процесс повторяют и вычисляют новое значение P. Таким образом, на сетке Л находят узел, при котором P достигает минимума. Этим окончательно определяют вариант трассы, наилучшим образом сочетающий основные транспортно-эксплуатационные характеристики - стоимость, безопасность, экономичность, и обеспечивающий минимум приведенных затрат.

При необходимости в число характеристик F можно ввести энергетические, эргономические, эстетические и т.п., а также расширить количество параметров x. Разработанные методы оценки проектных решений автомобильных дорог способствуют повышению качества проектов в системе автома-

тизированного проектирования лесовозных автомобильных дорог (САПР ЛАД). Путем направленного поиска лучшего варианта оптимальность обеспечивается гармоническим сочетанием обобщенных характеристик дороги, которыми считаются сейчас стоимость дороги, экономичность и безопасность движения и минимумом приведенных затрат.

При направленном поиске оптимального варианта дороги следует руководствоваться весовыми коэффициентами отклонения каждой характеристики от идеального значения, не стесненного ограничениями. Весовые коэффициенты, заданные вначале интуитивно, в процессе оптимизации окончательно определяются.

Всесторонней глубокой оценке проектных решений по каждому из вариантов дороги и их соответствующей корректировке способствует разработанный на кафедре транспорта леса и инженерной геодезии пакет программ комплексного моделирования процесса функционирования дорог (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2004612478, 10.11.2004 г.). Результат моделирования показывает проектировщику направление оптимизации проектного решения.

С использованием комплекса программ достигается снижение срока разработки проектов за счет уменьшения времени поиска оптимального варианта, что обеспечивается повышением достоверности и существенным расширением номенклатуры транспортно-эксплуатационных показателей работы дороги, необходимых для оптимизации проектных решений, уменьшением времени моделирования работы дороги.

Библиографический список

1. Бабков, В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения: учеб. / В.Ф. Бабков. - М.: Транспорт, 1982. - 280 с.

2. Сильянов, В.В. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог: учеб. / В.В. Сильянов.- М.: Транспорт, 1984. -287 с.

3. Глушков, В.М. Автоматизация проектирования вычислительных машин: монография / В.М. Глушков. - Украина, 1975.

4. Поспелов, Г.С. Искусственный интеллект: учеб. / Г.С. Поспелов. - М.: Знание, 1985.

5. Моисеев, Н.Н. Математика ставит эксперимент / Н.Н. Моисеев. - М.: Наука, 1979. - 223 с.

120

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009