Приводятся описание базового функционала САПР железных дорог и результаты сравнительного анализа его реализации в программных комплексах, используемых в проектных институтах. Дана оценка перспектив развития функционального потенциала программных комплексов.
Программные комплексы (ПК) – Credo (НПО «Кредо-Диалог», Беларусь), Robur – Железные дороги (Топоматик, Россия), MXRail (Bentley Sysems, Inc, США), GeoniCS ЖЕЛДОР (CSoft Development, Россия), Card/1 (IB&TGmbH, Германия), AutoCAD Civil 3 D (Autodesk, Inc., США), САПР КРП (Иркутскжелдорпроект, Россия), Ferrovia (CGS plus d.o.o., Словения) – не обеспечивают полную автоматизацию разработки комплексных проектов железных дорог. Основным и, как правило, единственным объектом автоматизированного проектирования во всех ПК является трасса железнодорожного пути, проект которого реализуется более или менее полно по следующим разделам:
· план и продольный профиль (направление и общее очертание трассы с размещенными раздельными пунктами считаются заданными);
· земляное полотно (конструкция, объемы работ);
· верхнее строение пути (объем материалов);
· станции и узлы (план и продольный профиль станционных путей, размещение устройств соединений и пересечений путей).
Единственным исключением является MXRAIL, включающий ПК Bentley Rail Overhead Line и Bentley Substation предназначенные, в интеграции с ПК Bentley Rail Track, для проектирования электрификации железных дорог.
Для входа в линейку программных продуктов для проектирования железных дорог ПК должен располагать некоторым минимальным (базовым) проектным функционалом, включающим следующие компоненты:
1. Поддержка российской (национальной) нормативной базы.
2. Поддержка российских (национальных) стандартов оформления выходных документов.
3. Библиотеки типовых решений по земляному полотну, малым водопропускным сооружениям, верхнему строению пути и т.п.
4. Геометрический конструктор для создания и редактирования элементов плана линии.
5. Геометрический конструктор для создания и редактирования элементов продольного профиля.
6. Автоматическое отображение зависимости «пикет-смещение» (графики сдвигов, габаритов, междупутий).
7. Проектирование железнодорожных кривых (возвышение наружного рельса, уширение колеи, балластной призмы, земляного полотна, габаритное уширение, отводы возвышения и уширений).
8. Отображение, размещение и редактирование специальных объектов железнодорожного пути (стрелочных переводов, съездов и т.п.).
9. Ведение пикетажа (километража).
10. Автоматическое получение существующего (черного) и геометрический конструктор проектного (красного) поперечника.
11. Автоматический расчет объемов работ и материалов.
12. Проектирование дополнительных главных (станционных) путей.
Не все ПК, позиционируемые на рынке в качестве программных средств для проектирования железных дорог, поддерживают его в полном объеме.
1. Поддержка российской нормативной базы
Подключение национальной, в том числе российской, нормативной базы во всех ПК носит формальный характер. Программное обращение к нормативной базе не предусмотрено. Все нормы проектирования явно задаются проектировщиком и контроль за их соблюдением полностью лежит в сфере его ответственности.
При проектировании плана и продольного профиля железных дорог– объектов, геометрией которых проектировщик управляет в интерактивном режиме, соблюдение норм проектирования, действительно, контролируется системой и в случае выхода параметров элементов плана или продольного профиля за предельные значения выводится соответствующее предупреждение.
Однако, это не подключение национальной нормативной базы. Ограничения предельных (верхних и нижних) значений величин радиусов круговых кривых, длин и крутизны уклонов элементов продольного профиля должны быть реализованы всегда, на всех железных дорогах. Национальные нормативы различаются лишь по значениям этих ограничений. В России, например, они нормируются в зависимости от категории железной дороги по нормам проектирования и полезной длины приемо-отправочных путей, но этих данных в системе нет и правильность использования нормативов ей не контролируется.
Единственное исключение – в систему обычно вводятся данные о габарите подвижного состава, очертание которого отображается на поперечных профилях (Рис.1). Наличие данных о габарите подвижного состава можно считать единственным системным обращением к нормативной базе во всех ПК.
В отношении других нормативов вся ответственность за их применение полностью возлагается на проектировщика.
Например, в соответствии с СТН Ц-01-95: «5.10 Ширину земляного полотна на линиях всех категорий на участках, расположенных в кривых, следует увеличивать с наружной стороны кривой на величину, указанную в таблице 1, а также на величину уширения междупутий в кривых между осями первого и вновь укладываемого второго главного пути, а также третьего и вновь укладываемого четвертого пути, предусмотренную ГОСТ 9238-83».
Табл. 1 Величины радиусов кривых и уширения земляного полотна
| Радиусы кривых, м | Уширение земляного полотна, м |
| 3000 и более | 0,20 |
| 2500 — 1800 | 0,30 |
| 1500 — 700 | 0,40 |
| 600 и менее | 0,50 |
Рис. 1 Отображение габаритов подвижного состава на поперечном профиле (CARD/1, Германия)
Действия проектировщика, использующего любой ПК, сертифицированный для проектирования железных дорог со ссылками на СТН Ц-01-95 и ГОСТ 9238-83, при реализации данного норматива сводятся к следующему:
1) взять СТН Ц-01-95,
2) выбрать величину уширения (из Табл.1),
3) взять 9238-83 и уточнить величину уширения,
4) создать новый тип поперечника и применить его на соответствующем участке.
При изменении радиуса кривой вся цепочка операций повторяется.
Реальное подключение нормативной базы, даже в автоматическом режиме– не слишком сложная задача. Начинать необходимо с автоматизации контроля тех нормативов, соблюдение которых непосредственно отвечает за безопасность движения поездов.
2. Поддержка российских стандартов оформления выходных документов
Задача проектировщика – создание цифрового прототипа (модели) объекта проектирования с обеспечением всех требований его эксплуатационной надежности, безопасности и бесперебойности движения поездов и т.п. При этом обеспечение соответствия отображения этого прототипа на чертежах тем или иным стандартам оформления не является задачей проектировщика – это другая предметная область.
Если полноценное подключение нормативной базы программно не реализовано ни в одном из известных ПК, то база стандартов оформления выходной документации во всех известных ПК программно реализована – это трудоемкая, но несложная задача.
Обычно именно подключение базы стандартов оформления выходной документации, прежде всего чертежей, и определяется в сертификатах как подключение национальной нормативной базы.
3. Библиотеки типовых решений
Единственным реальным объектом проектирования во всех ПК для проектирования железных дорог в настоящее время является трасса железнодорожного пути (план, продольный и поперечные профили).
В проектах применяются следующие виды поперечных профилей земляного полотна:
· типовые – нормальные и специальные,
· специальные (региональные),
· индивидуальные,
· групповые.
Типовые нормальные поперечные профили земляного полотна принимают без расчетов. Производится их привязка к местным условиям.
Специальные типовые поперечные профили применяются аналогично нормальным, но отличаются от них тем, что являются типовыми лишь для определенных районов – распространения подвижных песков, лёссов, скальных пород, болот глубиной до 3-4 м. и т.д.
Индивидуальные поперечные профили проектируются для конкретных объектов земляного полотна, обосновываются данными детальных инженерно-геологических обследований и необходимыми расчетами; они используются для устройства земляного полотна в сложных геологических условиях, при разработке выемок взрывами и всегда при высоте откосов более 12 м.
Групповые поперечные профили занимают промежуточное положение между индивидуальными и типовыми. Они разрабатываются для участков со сложными, но многократно повторяющимися на данной линии природными условиями и требуют индивидуального обоснования.
Примеры типовых профилей (нормальных) показаны на рис. 2-4.
Описание поперечных профилей земляного полотна железных дорог не укладывается в формат описания объекта как «конструкции» (AutoCAD Civil 3 D и др.), тем более, что все размеры на приведенных чертежах, которым предшествует символ «≥», подлежат расчету.
Рис. 2 Насыпь высотой до 2 м из глинистых, мелких и пылеватых песков и легковыветривающихся скальных пород
Аналогичный подход реализован и при проектировании малых водопропускных сооружений, расположенных по трассе железной дороги – малых мостов и труб. Здесь также существует библиотека типовых проектов (нормальных и специальных), применяются индивидуальные и групповые проекты.
Желательно включение в состав ПК библиотек шаблонов типовых решений по поперечным профилям земляного полотна, малым водопропускным сооружениям, а также по конструкциям балластной призмы и т.п.
Рис. 3 Насыпь из глинистых грунтов, мелких и пылеватых песков на косогоре крутизной от 1:5 до 1:3
Рис. 4 Выемка глубиной до 12 м в супесях, суглинках и тощих глинах без кавальеров при уклоне местности не положе 1:3 (при уклоне местности положе 1:5 банкеты не устраиваются)
Для автоматизированного проектирования индивидуальных поперечных профилей (и проверки применимости типовых) необходимы специальные программные средства – расчет на прочность и устойчивость, расчет осадки насыпи на слабом основании и др. Единственный ПК, в котором такие расчеты выполняются в единой информационной среде с проектированием трассы – это система Credo. В этой системе можно также подобрать типы и размеры малых водопропускных сооружений.
В других ПК такого функционала нет.
4. Геометрический конструктор для создания и редактирования элементов плана линии
В ПК необходимо наличие геометрического конструктора для создания модели плана и корректировки параметров его элементов во всем многообразии комбинаций последовательностей прямых, круговых и переходных кривых (клотоид), а также корректировки композиции данных элементов (деление, объединение, вставка, удаление).
В большинстве ПК такой конструктор реализован.
В рамках функционала работы с проектом трассы должны быть обеспечены следующие возможности:
· редактирование трасс,
· ввод и отслеживание контурных ограничений,
· редактирование трасс при блокировке параметров их отдельных элементов,
· вписывание произвольных фрагментов трасс при блокировке элементов (с указанием условий вписывания), как средства решения на этой основе множества прикладных задач проектирования.
Расчет параметров элементов плана существующих железнодорожных путей – одна из наиболее трудоемких и массовых задач в практике проектирования реконструкции (модернизации) железных дорог, ремонтов пути. Данная функция более или менее успешно поддерживается во всех ПК для проектирования железных дорог.
Например, в MXRail (Bentley Sysems, Inc, США) проектирование начинается с проверки цифровой модели, анализа деформаций пути в плане.
По данным съемки оси пути или одного из рельсов (по выбору) с использованием встроенного аппарата регрессионного анализа (методом наименьших квадратов) производится восстановление положения оси пути в плане, отвечающее двум критериям:
· требуемым геометрическим параметрам — нормам проектирования (назначаются пользователем в виде параметров проекта или индивидуально на конкретном участке);
· максимально возможному (в смысле наименьших квадратов и без учета коридора допустимых сдвигов) приближению новой восстанавливаемой оси к существующей оси (Рис. 5).
Рис. 5 Подбор параметров кривой (MXRail, США)
После автоматического восстановления оси пути возможно ручное редактирование параметров и положения элементов (длины, радиусы, углы).
Подбор параметров элементов плана – первый шаг в технологической цепочке разработки проекта реконструкции трассы железных дорог, ремонтов пути. От уровня реализации данного функционала существенно зависит общая оценка проектировщиками любого ПК для проектирования реконструкции железных дорог.
5. Геометрический конструктор для создания и редактирования элементов продольного профиля
При создании конструктора продольного профиля железных дорог следует учитывать специфику проектирования железных дорог (для части ПК - это актуально). Вертикальные кривые устраиваются на железных дорогах (в отличие от автодорог) за счет профилирования балластной призмы.
Проектирование продольного профиля новых железных дорог ведется в уровне бровки земляного полотна и вертикальные кривые здесь не учитываются. Проектирование продольного профиля при реконструкции железных дорог, ремонтах пути ведется в уровне головки рельса и вертикальные кривые учитываются, но лишь при условии, что поправка от вертикальной кривой превышает 0,01 м. Это условие должно соблюдаться автоматически.
Многие ПК имеют встроенный функционал для автоматической укладки проектной линии продольного профиля железных дорог (Рис. 6-7).
Рис. 6 Автоматическая укладка проектной линии продольного профиля новой железной дороги (Robur – Железные дороги, Россия)
6. Автоматическое отображение зависимости «пикет-смещение» (графики сдвигов, габаритов, междупутий)
На железных дорогах каждый путь – объект (можно считать объектом и каждую рельсовую нить), на станциях таких объектов может быть десятки и сотни. Расположение железнодорожных путей должно удовлетворять нормативным требованиям по междупутьям, горизонтальным и вертикальным габаритам.
Рис. 7 Рис.7 Автоматическая укладка проектной линии продольного профиля при реконструкции железной дороги (CARD/1, Германия)
При реконструкции железных дорог проектируемый путь располагается в крайне узком коридоре, определяемом вертикальными и горизонтальными габаритами, а также междупутьями. Смещения пути (сдвиги в вертикальной и горизонтальной плоскостях) не должны выходить за пределы этого коридора и постоянно контролироваться.
В проектах реконструкции железных дорог, ремонтов пути данный функционал должен автоматически поддерживаться для множества трасс и обеспечивать возможность отображения этих данных в системе координат трассы (Рис. 8).
7. Проектирование железнодорожных кривых
Для предотвращения чрезмерных силовых воздействий на пассажиров и путь, а также обеспечения более равномерного воздействия подвижного состава на рельсы обеих нитей, на круговых кривых пути устраивается возвышение наружного рельса над внутренним.
На смежных путях в кривых междупутье увеличивается на величину габаритного уширения, зависящего от радиуса кривой, возвышений наружного рельса и их разности. Начиная с некоторого радиуса увеличивается ширина внешнего плеча балластной призмы и основной площадки земляного полотна.
Рис. 8 Ведомость междупутий в CARD/1 (Германия)
Исходными данными для расчета возвышения наружного рельса и многих других геометрических параметров рельсовой колеи являются скорости движения поездов. Возможность подключения и анализа данных о скоростях движения поездов реализована только в ПК Card /1 (Германия). Включение в состав ПК модуля для выполнения тягового расчета крайне желательно.
8. Отображение, размещение и редактирование специальных объектов железнодорожного пути
В ПК для проектирования железных дорог должна поддерживаться работа со специальными объектами, применяемыми в железнодорожных путях – стрелочными переводами и съездами.
Большинство ПК для проектирования железных дорог поддерживает функцию вставки стрелочного перевода (рис. 9). В этих ПК имеется встроенная библиотека стандартных стрелочных переводов.
Большинство ПК для проектирования железных дорог поддерживают функцию вставки съезда (Рис. 10).
Рис. 9 Окно редактора стрелочных переводов (САПР КРП, Россия)
При проектировании реконструкции плана существующих железных дорог возникает необходимость описания угловых соединений прямых – сопряжения прямых под углом без устройства круговой кривой (при малых углах поворота). На большинстве железных дорог мира угловое соединение прямых – элемент плана линии. Функционал для работы с угловым соединением прямых как с элементов плана реализован только в САПР КРП (Россия).
9. Ведения пикетажа (километража)
В ПК для проектирования железных дорог должно поддерживаться ведение пикетажа с учетом неправильных пикетов (их длина не равна стандартным 100.00 м), причем, в соответствии с практикой, принятой в национальной (российской) школе проектирования.
Во всех ПК принят формат расстояний по оси пути – «пикет + плюс». Поддержка учета неправильных пикетов обычно реализуется.
Рис. 10 Свободная установка съезда со скольжением на прямых, круговых и переходных кривых, на параллельных и не параллельных осях, динамический расчет всех параметров съезда в CARD/1 (Германия)
В организациях, эксплуатирующих железнодорожные пути, например, ОАО РЖД, пикетажные привязки имеют формат «километр + пикет + плюс». Все базы данных российских железных дорог используют такой формат пикетажа (километража). Это связано с тем, что на дорогах кроме неправильных пикетов, длина которых не равна стандартным 100 м, имеются и неправильные километры, длина которых не равна стандартным 1000 м (Рис. 11). В неправильном километре число пикетов не равно 10 (0-9).
Поддержка ведения пикетажа при наличии неправильных километров во всех ПК отсутствует.
Преобразование проектного пикетажа в эксплуатационный в проектах реконструкции (модернизации), ремонтов пути крайне затруднено.
10. Автоматическое получение существующего (черного) и геометрический конструктор проектного (красного) поперечника
Поперечники обычно строятся по нормали к оси пути и определяют конструкцию земляного полотна и верхнего строения пути. Построение таких поперечников должно производиться автоматически в любой точке пути заданной пикетажем, а также в любом диапазоне пикетов с заданным шагом.
Рис. 11 Неправильные километры
Для отображения продольного профиля объектов, пересекающих путь под углом, строятся косые поперечники. Ось поперечника может представлять собой и ломаную линию. Такие поперечники также должны строиться автоматически по заданному направлению.
Проектный поперечник должен формироваться автоматически с возможной доводкой в интерактивном режиме.
В подавляющем большинстве ПК библиотеки шаблонов типовых конструкций проектных поперечных профилей отсутствуют. Такую библиотеку пользователь создает самостоятельно – одни и те же шаблоны создаются всеми пользователями, с этого начинается работа над проектом.
Создание библиотеки типовых поперечников (и конструкций других элементов железнодорожного пути) в составе ПК – простая задача и должна быть реализована.
11. Поддержка автоматического расчета объемов
Автоматический расчет профильных объемов земляного полотна реализован во всех ПК для проектирования новых железных дорог. Автоматический расчет объемов земляных работ при укладке дополнительных главных (станционных) путей не реализован.
Расчет объемов должен производиться автоматически как на участке в целом, так и на его части, заданной пикетажем границ.
Рис. 12 Перемена сторонности второго пути на прямой (а) и на кривой (б): 1 – разбираемый участок существующего пути; 2 – уширение существующего земляного полотна; I и II – положение осей первого и второго путей; III – ось существующего пути; M1, M2 – проектные междупутья
Верхнее строение пути состоит из рельсошпальной решетки, балластной призмы и путевых устройств для скрещения и пересечения путей – стрелочных переводов. В части ПК реализован расчет объемов материалов верхнего строения пути.
12. Укладка дополнительных главных и станционных путей
Дополнительный путь укладывается обычно на совмещенном земляном полотне – пристраивается к существующему пути. На отдельных участках возможен вынос трассы дополнительного пути на раздельное земляное полотно. На прямых дополнительный путь располагается параллельно существующему на минимальном междупутье, в кривых – концентрично существующему пути с учетом габаритного уширения междупутья.
Специфическим объектом при проектировании дополнительных путей является переключение сторонности дополнительного пути, которое может выполняться на прямой или на кривой (Рис.12).
Функционал для проектирования трассы дополнительных главных (станционных) путей отсутствует во всех ПК.
Заключение
Описан минимальный (необходимый и достаточный) функционал, реализация которого позволяет в основном удовлетворить потребности проектировщика при разработке разделов «Продольный профиль и план пути» и, в меньшей степени, «Земляное полотно» проектов новых и реконструкции (модернизации) существующих железных дорог.
Результаты анализа реализации данного функционала в различных ПК представлены в таблице 2.
Все рассмотренные ПК позволяют создать цифровую модель местности и привязать к ней 3 D модель трассы железнодорожного пути, произвести расчет профильного объема земляных работ, вывести на чертеж план линии, продольный и поперечные профили, визуализировать и анимировать данную 3 D модель.
При этом все элементы конструкции железнодорожного пути принимаются без расчета и никаких гарантий эксплуатационной надежности их применения в пределах функционала ПК получено быть не может.
Исключением является только ПК Credo, в составе которого имеются расчетные модули.
Исключением также является ПК MXRail, в составе которого имеются модули для проектирования и расчета системы электрификации железных дорог, то есть впервые реализован выход за пределы работы только с геометрическим образом трассы, частью одного из разделов комплексного проекта железной дороги.
Отсутствие расчетных модулей, типичное в настоящее время для ПК проектирования железных и, в меньшей степени, автомобильных дорог, не распространяется на ПК для проектирования других инженерных сооружений, а также машин и механизмов, где расчетные модули являются обязательным элементом и реализован выход на уровень цифрового прототипа объекта.
Это, вероятно, связано с несопоставимыми емкостями рынка ПК для проектирования железных дорог и, например, ПК для проектирования промышленных и гражданских зданий. Разработка ПК требует привлечения значительных ресурсов (люди, время, деньги). Затраты должны окупиться. Факт и срок окупаемости зависит от емкости рынка.
Все рассмотренные ПК с пользовательской точки зрения примерно равноценны. Достигнут определенный предел развития функционала в рамках единой для всех ПК концепции интерактивной работы с трассой линейного объекта. Различие наблюдается только в уровне удобств, предоставляемых пользователю при решении тех или иных частных задач.
Дальнейшее развитие функционала САПР железных дорог требует привлечения стартовых ресурсов, интеллектуальных и материальных, и может происходить по инновационному и/или экстенсивному сценариям.
Продвижения в данном направлении следует прежде всего ожидать от компаний, специализирующихся в области разработки программного обеспечения для проектирования линейных сооружений по прямым заказам проектных организаций и в меньшей степени от компаний, специализирующихся в области разработки универсального (платформенного) программного обеспечения.
| № | Элемент функционала | CREDO | MXRAIL | CARD/1 | FERROVIA | Robur Rail | САПР КРП | GeoniCS Желдор | AutoCAD Civil 3D |
| Поддержка нормативной базы | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | |
| Поддержка стандартов оформления выходных документов | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | |
| Поддержка библиотек типовых решений по земляному полотну и малым водопропускным сооружениям | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ●● ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | |
| Поддержка геометрического конструктора для создания и редактирования элементов плана линии: - проекты новые линии - проекты реконструкции существующих линий | ●●● ●● ‒ | ●●● ●‒ ‒ | ●●● ●● ‒ | ●●● ●‒ ‒ | ●●● ●‒ ‒ | ‒ ‒ ‒●●● | ●●● ●‒ ‒ | ●‒ ‒ ‒ ‒ ‒ | |
| Поддержка геометрического конструктора для создания и редактирования элементов продольного профиля - интерактивный режим - автоматический режим | ●● ‒ ●‒ ‒ | ●● ‒ ‒ ‒ ‒ | ●● ‒ ●‒ ‒ | ●● ‒ ‒ ‒ ‒ | ●● ‒ ●● ‒ | ●●● ●●● | ●● ‒ ‒ ‒ ‒ | ●● ‒ ●‒ ‒ | |
| Поддержка автоматического отображения зависимости «пикет-смещение» (графики сдвигов, габаритов, междупутий) | ● ‒ ‒ | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ‒ ‒ ‒ | |
| Расчет возвышения наружного рельса и сопряженные расчеты | ‒ ‒ ‒ | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ‒ ‒ ‒ | |
| Поддержка отображения, размещения и редактирования специальных объектов железнодорожного пути | ● ‒ ‒ | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ‒ ‒ ‒ | |
| Поддержка ведения пикетажа (километража) | ●● ‒ | ●● ‒ | ●● ‒ | ●● ‒ | ●● ‒ | ●● ‒ | ●● ‒ | ●● ‒ | |
| Поддержка автоматического получения, существующего (черного) и геометрического конструктора проектного в проектах реконструкции | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ● ‒ ‒ | ●●● | ●●● | ● ‒ ‒ | |
| Поддержка автоматического расчета объемов | ●● ‒ | ●●● | ●●● | ● ‒ ‒ | ●● ‒ | ●●● | ●●● | ●● ‒ | |
| Укладка дополнительных главных и станционных путей | ‒ ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | ‒ ‒ ‒ | |
| Использование в России | да | да | нет | нет | да | да | да | да |
Табл. 2 - Реализация базового функционала САПР железных дорог в программных комплексах
Уровень реализации: ●●●хороший, ●● ‒ удовлетворительный, ● ‒ ‒ низкий, ‒ ‒ ‒ отсутствует