автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Метод автоматизированного проектирования плана и продольного профиля горных лесовозных дорог в условиях КНДР

, * ' ! 1'

ЛЕНИНГРАДСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНЙНА ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ШИШ С .М.КИРОВА

На правах рукописи

КИМ ДОН ИР

МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЛАНА И ПРОДОЛЬНОЮ ПРОФИЛЯ ГОРНЫХ ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ

В УСЛОВИЯХ КНДР 05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготозок

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

- 2 -

Диссертационная работа выполнена на кафедре сухопутного трансаорта леса Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С.М.Кирова.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

ВВДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЗ

- кандидат технических иаук, доцент САЛМИНЕН Э.О.

- доктор технических наук, профессор ЗАХАРЕНКОВ Ф.Е.

- кандидат технических наук, доцент КОЧАНОВ А.Н.

- государственный проектный институт ШПРСШЕСТРАНС

Защита диссертации состоится "Зо " 1Э90 г.

в II часов на заседании специализированного совета к 063.50.05 в Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С.М.Кирова (194013, Ленинград, Институтский пэр., 5).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "Зо " рЬня&^Я- 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета ГЗДЕВ Р.И.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Как ХХУП съездом КПСС, так У1 съездом ТПК перед лесной промышленностью поставлены задачи повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции. Современный этап развития вопросов проектирования лесовозных дорог характеризуется широким внедрением и совершенствованием автоматизированного проектирования с включением оптимизационных методов выбора проектных решений, которые позволяют существенно повысить производительность труда, снизить стоимость строительства дороги и повысить качество проектируемого объекта. В настоящее время стоимость строительства лесовозных дорог в горных условиях КНДР остается чрезмерно высокой, в связи с чем проектировщики находятся под огромным влиянием экономики. Постоянно увеличиваются объем строительства и проектирования, сложность проектируемых объектов, в сеязи с тем, что строятся лесовозные дороги в более сложных условиях, например, на крутых косогорах. Постоянно существует нехватка количества опытных проектировщиков. Одним из важнейших средстз для решения вышеизложенных проблем являются оптимизация и автоматизация проектирования лесовозных дорог на основе использования современных математических методов и ЭВМ. Однако, в настоящее время отсутствует практически приемлемые методы автоматизированного проектирования лесовозных дорог в горных условиях, которые учитывали бы сложность рельефа и другие особенности горной местности, обеспечивали бы комлекс-ное проектирование дороги, включая трассирование и проектирование продольного профиля одновременно.

В связи с этим, исследования и разработка методов автоматизированного проектирования плана и продольного профиля горных лесовозных дорог в условиях КНДР, направленные на снижение стоимости строительства лесовозных дорог,, повышение качества их проектирования, являются актуальными и отвечают нуждам развития лесной отрасли.

Цель работы. Повышение эффективности и качества проектирования плана и продольного профиля горных лесовозных дорог за счет применения математических методов оптимиза-

-- 4 -

ции, позволяющих путем выбора лучшего проэктного варианта получать снижение строительных затрат на проектируемом объекте, за счет автоматизации информационных, вычислительных и оформительных операций, позволяющих сократить затраты на выполнение проектных работ.

Научная новизна. Разработан комплексный метод автоматизированного пространственного проектирования плана и продольного профиля лесовозных дорог б сложных горных условиях КНДР и созданы алгоритмы и системы прогрела! для его реализации на ЭВМ.

ПШ£ТД2бская_значимостьл Использование предложенной автором системы программ АПАД позволяет снизить сметную стоимость строительства лесовозных дорог в горных условиях в среднем не менее чем на 25,8$, снизить себестоимость и повысить производительность труда в проектной работе в 8,3 раза, значительно снизить дола нетворческого труда в процессе проектирования.

Апробация работы. Результаты исследований отражены в научном отчете за 1989 год (№ г.р. 01860041677) кафедры сухопутного транспорта леса ЛТА им. С.М.Кирова, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЛТА им. С.М.Кирова в 1989-1990 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из двух томов, первый том - из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников, второй тем - из приложений. Общий объем работы 281 страница, основное содержание работы изложено на 215 страницах машинописного текста, включая 102 рисунка и 10 таблиц.

СОДЕЕКАНИЕ РАШШ

Бо введении вскрыта актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследований и дана краткая аннотация работы.

Во втором -разделе, посвященном состоянию вопроса, приведен краткий обзор исследований по методам автоматизированного проектирования лесовозных дорог, приведен анализ

горных лесовозных дорог к методов их проектирования.

Горные лесовозные дороги имеют рад особенностей, которые отличают их от автомобильных лесовозных дорог в равнинной и пересеченной местностях. К таким особенностям относятся: больше объемы земляных работ, сильно изменяющиеся рельефные условия, высокая стоимость строительства, превышающая б 2, 3 стоимость строительства автомобильны:: дорог в равнинной местности, большое разнообразие поперечных профилей и т.д. Б настоящее время горные лесовозные дороги практически во всех странах с горными районами находятся в отсталом состоянии, экономичное и рациональное их проектирование невозможно без коренного изменения организации л традиционного метода проектирования. Одним из важнейших путей решения этих проблем является внедрение ЭВМ в проектной работе и оптимизация проектирования с использованием современных математических методов.

Исследованию методов автоматизированного проектирования проектной линии дороги посвящены работы Л.С.Понтряиша, В.М.Глушкоза, В.С.Михалевича, Н.З.Шора» Г.А.Еорисова, В.П. Ляховского, К.А.Хавкина, И.В.Турбина, Ю.К.Полосина, Н.И.Попова, А.Н.Сибярко, В.И.Струченкова, Л.З.Филыптейна, Р.А.Сю-каяйнена, Р.И.Абдрашитова и других. В области лесотраяспор-та создана специальная система программ СА1ВД и успешно применяется в проектировании лесовозных дорог. Следует отметить, что разработанные методы предназначены для равнинных и пересеченных условий и не приемлема для горных условий. Все известные метода основызаотся на одномерной или двухмерной оптимизации выбора проектной линии и не могут быть использованы для пространственной оптимизации, необходимой в горных условиях. Разработанные метода подсчета объемов земляных работ на ЭВМ не учитывают взаимосвязанное положение поперечников.'Методики построения системы вариантных точек не учитывают сложный рельеф местности, который характеризуется крутыми косогорами, большим колебанием отметок, большим количеством плюсовых точек как в продольном, так и в поперечном профиле, и т.д.

В связи с этим, поставлены следующие задачи исследо- ■

ванмй:

- разработать методику применения. ЦММ и МММ для математического представления поперечного сечения;

- разработать методику построения системы вариантных точек с учетом сложного рельефа косогора;

- разработать методику Еыбора лучшего варианта проектной линии в трехмерном пространстве;

- разработать методику подсчета объемов земляных работ на ЭВМ в горных условиях, которая может дать более точный результат;

- разработать алгоритмы и программы дая реализации на ЭВМ вышеизложенных методик и для вывода на АЦПУ продольного профиля, поперечных профилей и кривой земляных масс;

- обосновать оптимальные ширины зоны варьирования трасса при проектировании лесовозных дорог на ЭВМ;

- обосновать эффективность использования предлагаемой системы программ путем эксперимента.

В третьем разделе приводится метод пространственного оптимизационного проектирования лесовозных дорог в горных условиях. Сущность задач оптимального пространственного проектирования проектной линии дороги заключается в отыскании такого положения линии, которое соответствует наименьшему значению критерия оптимальности Л :

= Р (Xj.Yf.Zj),........(I)

зависящего от множества природных, технических и экономических факторов, и на область существования которого накладывается ряд ограничений. В качестве критерия оптимальности принята стоимость строительства:

¿.¿(сГ + с'+сГ^Г+с^

811 ^

где С-ь - стоимость возведения земляного полотна; С; - . стоимость дорожной одежды; стоимость подготовитель-

ных работ; ~ стоимость укрепительных работ; СТ ~ ■

стоимость искусственных сооружений.

Задача выбора оптимального варианта проектной линии в пространстве основывается на применении идеи динамического программирования. Представляется проектная линия как разви-

- 7 -

ващаяся система з моменты времени i -i, Z, •••»"Г . Состояние системы а каждой момент времени t характеризует вектор состояния системы tyt =(Wi»W*»' " "»W* ) • Множество всех состояний системы в момент времени t = ж обозначим V/w • Состояние системы в момент времени (t ■»■ 1 ) определяется вектором w Ш и управлением U Ш :

WCt+i) = ф (ty'it), и м).

Развитие системы в точение всего периода определяет стратегию

GUty Wir)}/V^7nj € W« щяЪ-ш.

Каждая стратегия оценивается функцией цела К С в-) , которая задается суммой оцениваемых -функций • получаемых при. переходе от Wem)к W(w+1):

K(ftilO) * ju &«(W<m),W(»+i>).

я»о

Используя приведенные определения, задача формулируется следующим образом: Найти последовательность управлений IX* ~ Ua > и*> ••<> U-т » определяющую такую стратегию ß. (U.*), чтобы <

K(fl.U*j) = тп к. to, (.и**)).

Um 6 Um

Определяется вектор состояния системы по формуле

V/i-fcJ» =l(X...±Р(2) = О, til , г - оТя, где ni,R - число отрезков соответственно на горизонтальной и вертикальной осях, проходящих через точку (ХоооШ, YeooC-t), Zooott)} > fH» - величина элементарного перемещения

по горизонтальной и вертикальной осям. Управление IL (t) определяется сложным движением трех смежных точек, находящихся в трех смежных поперечниках, во Есех допустимых ситуациях. Ситуация считается допустимой, если выполнены условия системы ограничений. Выбор оптимального варианта проектной линии осуществляется при условии, что первая точка W(p)= (Xo.Ys,-?«) и последняя Wct)-(Xm.Ym.Zm) закреплены. При t*m(.tntö,mtf/ каждая компонента VVw имеет связь с 71-t -i компонентами ty'ci-i) и TU +1 компонентами вектора Wi-t+i) (РИС.1).

Рис.1. Возмошше варианты связи векторов jy(i-i) # Y/(t) > Vfct-ti) I - поперечный профиль земли; 2 - вариантные точки. Из Jlt-i условно-оптимальных стратегий, сходящихся в точке "У/^ , из условия минимизации функции цели выбирается одна:

¿Wit) = min{ Qui*-*) .....О)

i=I7nt . l =int-i.

Из решения системы (3), получается вектор связности Л (t) :

R(U=R(?u ш, Лг It),---.^rtJ, -Ли*

где - номер компоненты вектора W C-t-i) , оцределяю-

щий единственную условно-оптимальную стратегию для щ Переход систеш из состояния i в состояние (-6+1) определи» (Tit х 7lt+i) состояний. Каждому состоянию ставится в соответствие оценочная функция (¡¡Ц^ it) :

Связь векторов "Wt и ]"Jiti определяют матрица связности Эа) , матрица стоимости (3ct) и вектор связности R(-fc)

ftW = i Шк (i)}, . ]c=IW+i.

- 9 -

При ^-Т все Лт-1 условно-оптимальных стратегий сходятся в одну точку и из них выбирается одна минимизирующая функция цели. Последовательность векторов связности 1^(1) , Я (¡0, ..•, К(т-Х) определяет оптимальную стратегию 0. С'-Л* ) . Вычислительный процесс производится как шогошагорый. Поиск продолжается до тех пор, пока не достигнута заданна! точность оптимизации.

На каждом последующем этапе оптимизации "коридор" варьирования сужается, каждый отрезок интервала разбивается еще на более мелкие отрезки, положения которых вычисляются по 26 зависимостям, полученным в зависимости от ее различных положений в области "коридора", и все вычислительные процедуры повторяются, тем самым уточная положение проектной линии дороги.

Представление информации о зоне варьирования за счет ЦММ и МММ представляет собой необходимый этап для проектирования дороги на ЭВМ. В нашей системе программ применяется ЦММ, построенная на поперечниках к магистральному ходу, в связи с тем, что исходная изыскательская информация собирается в настоящее время в условиях КНДР еще во многом в соот-ёетствии со старой технологией и идет переход на автоматизированное проектирование горных лесовозных дорог. Массив исходных данных представляется в следующем виде:

РЛТ/И.т.ЛХю.Шо.Ми.Ня. ■ ■ -РКЦ.На', •' -Мя.Нш JSTAi.HrЫЖи.Цго.ШгШ, ■ • ШЖ • ■ -Шпфш

: : ; (4)

^т.НГВя.РХяв.Нвв.^Н««.- • -Ш.н»(.-•МгаЛт.Нтпт

где ^¿ТЛ а а • м) - расстояние от начала трассы до

точки пересечения оси трассы с I-ым поперечником; НГВ £ -уровень грунтовых вод; РХ.Ц - расстояние от оси трассы до о -ой исходной точки в и -ом поперечнике; Ни отметка земной поверхности в точка (¿.о) ; РРк - расстояние от

- 10 -

начала трассы до К -го перелома. На основе цифровой модели (4) в каждом поперечнике составляется МММ, которая математически представляет земную поверхность в виде кубического сплайна: ь х

=«й• - щ• (х-***/-

+ Ш-1 • ¿х/-хЛ £1 сх-хи) + шУ^-1 (5)

+ • СХ-Хп)1- (* СК^-Х) + 'гЧ-О/Ии .

Учитызая краевые условия, условия гладкости и интерполяции, параметры ГО/ определяются из системы линейных уравнений. Методом прогонки, из системы линейных уравнений определяются неизвестные коэффициенты в виде первых производных Ш , Шг » •••»Жл-1 » входящих в уравнение (5). Используя полученные уравнения б виде формулы (5), математически представляется каждый поперечный профиль земной поверхности.

В работе нами предложена методика подсчета объемов земляных работ на ЗЗМ. Суть методики заключается в следующем. Используя составленные МММ, в каждом поперечнике в каждой точке варианта рассчитывается отметка земли, поперечный 'уклон земной поверхности. Иоиеречный профиль представляется как линейный и однородный в небольшем интервале (3-5 Ю (.рис.2), что позволяет учесть ряд специфических особенностей горных условий, легко автоматизировать процесс счета, иметь широкую область применения программ при малых методических погрешностях расчета, гкояомно расходовать оперативную память ЭВМ. Выделяется четыре основных типа земляного полотна - насыпь, выемка и 2 вида полунасыпи-полувыемки. В рис.2

Рис.2, Схема расчета поперечного сечения.

координаты точек Д , В , С » D » Е » F вычисляются по зависимостям, получаемым за счет решения уравнений линий

$Ав I $86 » <fcD » • Автоматически определяется соответствующий тип поперэчника из четырех видов за счет того, что рассчитываются значения абсцисс точек Е , В » С ( Е% , Вх , Сх ) и сравниваются их величины. Далее рассчитываются площади насыпи и выемки jScte , S aïe , длины укрепления откосов , J-.C» и другие величины поперечника.

В отличие от существующих , в нашем методе учитывается действительное взаимополояение смежных поперечников при подсчете объемов земляных работ. Учитываются все возможные случаи (16 вариантов) взаимосвязи смежных поперечников. Для них выведены 64 формулы расчета объемов земляных работ, алгоритм для выбора типа сочетаний поперечников У TYPE?* в соответствии с типом поперечника NTYPE i •

приводится методика и результаты экспериментальных исследований по определению условий эффективности применения системы программ для проектирования лесовозных дорог.

Экспериментальные исследования были направлены на обоснование эффективности применения разных систем программ, в которых реализованы разные методы построения системы вариантных точек, и на определение оптимальных ширин зоны варьирования при проектировании плана и продольного профиля горных лесовозных дорог на ЭВМ по системе программ АПДд. Для эксперимента разработаны 2 системы программ - ШАЦ-А, в которой количество вариантных точек в каждый момент времени принимается постоянным, АЛАД-В, в которой количество вариантных точек в каждый момент времени изменяется в зависимости от сложности рельефа местности. Выбраны 6 факторов для эксперимента: средний поперечный уклон местности

, категория леса Xz , вид грунта Хз , количество плюсовых точек на I км Xt, ширина зоны варьирования XS , среднее колебание отметок Xi • Дня получения исходных данных выполнены расчеты затрат на строительство, изыскательские работы и проектирование по 76 участкам некоторых лесовозных дорог СССР и КНДР с использованием систем

~ 12 -

АПАД-А и А1Щ-В. С помощью ЭВМ "ЕС-1022" произведен анализ зависимостей между относительным отююнением $ затрат по АПАД-А, АПАД-В и факторами XI между затратами & по АПАД-В и факторами . анализировались степень влияния факторов на результативные признаки и отбрасывались малозначащие факторы. В результате найдены зависимости:

$ = +0.5Ч-Х1 + 0.001Х*

а = 35.331 + М53-ДЛ +£.М-Хз-0.зо£-,Хе -о.й&Х1* (6)

о.СЗГ-Лз + О.оо$-Хс-0.005-XIX.з С использованием зависимости (6) и рис.3 найдены оптимальные ширины гоны варьирования х\" , при которых получаются минимальные затраты б- .

Из результатов экспериментов можно сделать следующие выводы:

- с увеличением среднего поперечного уклона, количества плюсовых точек на 1 км увеличивается эффективность использования АПАД-В по сравнению с АПАД-А, т.е. дая сложных горных условий использование системы АПАД-В эффективнее:

- минимальные затраты, подсчитанные по системе АПАД-В, получились при величинах ширины зоны варьирования 40-70 м.

Рис.3. Изменение затрат, подсчитанных по АПАД-В, от среднего уклона XI , ширины зоны варьирования Хж при Хз=1 .

3 пятом.•разделе приводятся алгоритмы и программы. С учетом неравномерности положений поперечников, сложности задачи черчения поперечного сечения, ограниченности объема оперативной памяти ЭВМ, наш программы состоят из двух подсистем, то есть, АПАД-А состоит из АПАД-1 и Л1Щ-2, а АПАД--В - из АЕ1АД-3 и АПАД-2. На основе результатов расчетов по АПАД-1 или АПАД-3 производится вычисление по АПАД-2..

После завершения работы на ЭВМ получаются нужные для строительства дороги данные в виде таблиц и чертежей.

Укрупненная блок-схема системы АПАД следующая:

В шестом разделе изложены результаты испытаний системы программ АПАД, дана экономическая оценка системы. Для оценки экономической эффективности применения системы программ АПАД нами запроектированы экспериментально проектные линии некоторых объектов (Туркинской лесовозной автомобильной дороги Баргузинского лесокомбината ТПО "Забайкаллес" и двух лесовозных дорог, расположенных в горной области Кореи) на ЭВМ. "ЕС-1022" в ИВЦ ЛТА им.С.М.Кирова по системе программ ' АДАД. На основе испытаний получена экономия по строительным работам в среднем 25,78$ от стоимости работ по проекту обычным 'градационным способом. Ожидаемый экономический эффект от ее внедрения (при годовом объеме проектирования 250 км) составит 1143,23 тыс.руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненные исследования направлены на повышение эффективности и качества проектирования горных лесовозных дорог в условиях КНДР за счет оптимизации решений и автоматизации информационных, вычислительных и оформительских операций.

1. Б настоящее врамя требуется метод комплексного проектирования горных лесовозных дорог з условиях КНДР, включающий не только оптимизацию положения продольного профиля, но и трассирование в определенной зоне варьирования.

2. При исследовании методики автоматизированного проектирования плана и продольного профиля горных лесовозных

- 15 -

дорог необходимо учесть ряд особенностей: большую изменяемость продольного профиля и поперечников на весьма близких расстояниях, разнообразие вида поперечников и рельефа, особенность сбора исходной изыскательской информации .

3. Разработана методика выбора оптимального варианта проектной линии в трехмерном пространстве с применением идеи динамического программирования, составлены методики построения "коридора" варьирования и точек в "коридоре" с учетом сложного рельефа местности.

4. При составлении ЦММ и МММ для изображения горного рельефа местности рекомендуется использовать ЦММ, построенную на поперечниках-к магистральному ходу или к оси трассы,

с учетом существующей методики сбора исходной изыскательской информации.

5. Рекомендуются формулы и методики расчета объемов земляных работ в горных условиях с учетом взаимосвязи поперечников, позволяющие легко автоматизировать процесс счета, иметь широкую область применения программы при малых методических погрешностях расчета, экономно расходовать оперативную память ЭВМ.

6. Рекомендуются алгоритмы и системы программ АПАД-В для проектирования на ЭВМ плана и продольного профиля горных лесовозных дорог в сложных условиях, а дая равнинных и

и пересеченных условий - система программ АПАД-А.

7. Оптимальные ширины зоны варьирования при изыскательской работе и проектировании плана и продольного профиля горшее лесовозных дорог на ЭВМ с использованием системы программ АПАД-В находятся в пределах 40-70 м. При проектировании горных лесовозных дорог на ЭВМ ширину зоны изысканий рекомендуется определять по составленной нами таблице в зависимости от сложности рельефа.

8. По оценке экономической эффективности применения системы программ АПАД-В получено снижение стоимости строительных работ на 25,78$ по сравнению с проектами составленными проектными организациями (ШПРОШЗТРАНС) традиционным способом. Годовой экономический эффект составляет 1143,29 тыс.руб. в год.

- 16 -

9. Рекомендуется руководство по пользованию системой программ АПАД для проектирования плана и продлького профиля горных лесовозных дорог на ЭВМ.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:^

1. Ким Дон Ир, Э.О.Салминен. Автоматизированное проектирование лесовозных дорог в горных условиях // Межвузовский сб.научн.тр.-Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса.-л.-1390. -

2. Ким Дон Ир. Автоматизированное вычисление объемов земляных работ лесовозных автомобильных дорог в горных условиях // Лесная промышленность.-1989. № 12 (КНДР).

3. Ким Дон Ир. Оптимальные ширины зоны варьирования при проектировании горных лесовозных дорог на ЭВМ // Лесная промышленность ,.-1990. £ 4 (КНДР).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 194018, Ленинград, Институтский пер.,5, Лесотехническая академия имени С.М.Кирова, Специализированный ученый совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 30.08.90г. Формат 60x90 1/16. Бумага оберточная. Печать офсетная. Изд.46 № . Уч.-изд.л. 1.0. Печ.л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ Й139 . Бесплатно.

Редакционно-издательский отдел ЛТА.

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА. 194018, Ленинград, Институтский пар., 3.