Автоматизация обработки и анализа интегрированных данных при изысканиях инженерных сооружений с распределенной структурой с применением геоинформационных технологий

Одними из важнейших элементов инженерных изысканий являются современные информационные технологии и автоматизированный процесс решения проектных задач. От них в значительной степени зависит получение необходимых материалов для экономически целесообразных и технически обоснованных решений при проектировании и строительстве объектов, данных для составления прогноза изменений окружающей природной среды под воздействием строительства и эксплуатации автомобильной дороги и в итоге эффективное использование финансовых ресурсов.

В настоящее время в проектных организациях разработка и внедрение компьютерного аналитического обеспечения по темпам роста отстает от общей информатизации инженерных работ, в которой наметились изменения в сфере получения, обработки, обмена данными и повышение требований к качеству проектов. Поэтому недостаточно полно удовлетворяется потребность в современных программных пакетах, способных помочь проектировщикам в выполнении всесторонней глубокой проработки проектных решений с обоснованием их оптимальности, эффективности, долговечности, безопасности и экономичности, а также обеспечивающих возможностями современного оформления проектной продукции.

Система и методология проектирования, сформированные в условиях отсутствия высокопроизводительной вычислительной техники и программного обеспечения, требуют инноваций. В связи с этим возникает необходимость в развитии информационных систем технической подготовки производства, способных повысить объективность, достоверность и оперативность принимаемых решений, обеспечить современный подход к оформлению проектной документации, которая должна в полной мере отвечать современным требованиям.

Росавтодор не устраивает качество разрабатываемой проектной документации. За 1999 год 50% инженерных проектов, рассмотренных управлением экспертизы, были возвращены на доработку [70]. Причиной этого обстоятельства являются недостатки и недоработки по инженерным и рабочим проектам, в которых не имеется обоснования выбранного пространственного положения трассы в полосе отвода в части ее наилучшего решения: оптимальности по отдельным участкам и в целом с представлением соответствующих табличных данных, достижения наилучшего сочетания элементов плана и профиля для обеспечения требуемой и максимально возможной видимости полотна дороги и ее зрительного восприятия. Поэтому преимущество в современных условиях проектирования имеют проектные организации, располагающие высококвалифицированными специалистами в области пространственного проложения дороги в многовариантном анализе.

Не редки случаи, когда в ходе выполнения дорожных работ или после ввода объектов в эксплуатацию обнаруживаются ошибки проектировщиков, которые приводят к увеличению стоимости работ, возникновению участков с повышенной аварийностью или сокращению сроков службы дорожных сооружений. Поэтому на каждом этапе разработки проекта инженер должен с помощью гибкого многокритериального компьютерного механизма дополнять решение поставленных задач и обеспечивать необходимый уровень представления данных.

Одной из основополагающих задач современной технологии инженерных изысканий автомобильных дорог и подъездных и внутренних путей промышленных и транспортных предприятий является разработка методов и создание алгоритмов автоматизированного установления границ полосы варьирования конкурентоспособных вариантов трассы. В настоящее время эта важнейшая задача решается субъективно, без надлежащего научного и экономического обоснования, при этом нередки существенные просчеты, влекущие за собой большие экономические потери.

Работа предназначена для создания метода определения полосы варьирования с применением геоинформациониых технологий, чтобы автоматически генерировать полосу варьирования для проложения трассы с минимальными затратами, удовлетворяющего определенным ограничениям. Разработанный алгоритм позволяет проводить пространственный многокритериальный анализ района изысканий и таким образом обосновывать решение задачи установления полосы варьирования трассы дорог и путей промышленных и транспортных предприятий.

Проектировщикам в оценке расходов при прокладке маршрутов по различным участкам полосы варьирования трассы благодаря применению разнообразных комбинаций строительных сооружений и проходов через препятствия предоставляется свобода балансирования между социальными воздействиями (работа с местными жителями) и воздействиями на окружающую среду (расход топлива, эмиссия вредных веществ). Компьютерный анализ ни в коем случае не может заменить проектировщика, но это — инструмент поддержки решения, основанный на формализованных параметрах, который помогает минимизировать воздействие субъективных решений, сделанных им.

В процессе разработки проекта стремятся обеспечить высокие потребительские свойства дороги пользователям транспортной системы. Эти свойства должны находиться в равновесии с социальными и экономическими критериями, окружающей средой, техническими параметрами. Поэтому, проект автомобильной дороги должен выполняться с учётом суммарной эффективности, а также общественных целей, планов и показателей. При проведении экономических изысканий и составлении проекта обоснования инвестиций строительства инженерного сооружения требуется проведение инженерных изысканий. Для оптимизации и совершенствования проектпо-изыскательских работ па этом этапе можно использовать высокоэффективное гео-информационпое программное обеспечение.

Конечно, главный инженер проекта как ответственный за все аналитические и практические работы обладает соответствующими знаниями и опытом трассирования. Трассирование дороги ведется в какой-то степени субъективно. Уже при беглом взгляде на карту инженер подсознательно, интуитивно ассоциирует исходный материал с предыдущими проектами и назначает, по его мнению, оптимальные границы полосы варьирования. Но интуиция, к сожалению, подразумевает долю субъективной оценки и, следовательно, не исключает просчеты [109]. Поэтому для формализации, повышения уровня технического обоснования процесс установления полосы варьирования трассы требует разработки, развития и совершенствования информационно-аналитических систем и алгоритмов их функционирования па базе компьютерных систем.

Затраты на строительство новой дороги или реконструкцию существующей непосредственно зависят от выбранного направления трассы на местности. В.Ф. Баб-ков отмечал, что «.если плохое покрытие может быть без особых трудов улучшено и усовершенствовано в процессе капитальных ремонтов, то неудачно запроектированные в плане и профиле участки дороги в течение многих лет являются источником экономических потерь автомобильного транспорта и местами систематических дорожных происшествий» [5]. Увеличения затрат связаны с нерациональным удлинением дороги, значительными колебаниями отметок земли, большими размерами выемок и насыпей, дисбалансом между объёмами изымаемого и привозного грунта. Эти недоработки возникают в связи с тем, что трассирование подчиняется многим ограничивающим факторам типа геометрических параметров и обходов различных областей на маршруте. Проблема увеличивается в городских или пригородных условиях, где на проектирование новой или реконструкцию существующей дороги также влияют расположение предприятий дорожного сервиса, существующие дороги и сооружения, а также экономические, социальные и политические аспекты землепользования.

Первый шаг в создании полос варьирования — это получение подходящих данных о ландшафте, геологии, гидрогеологии, гидрографии, водотоках, поймах, существующей улично-дорожной сети и границах урбанизированных территорий. Кроме того, необходимы сведения об использовании земли и собственности, экологически чувствительных областях, социально-экономическом воздействии в ходе реализации инвестиционного проекта. В зависимости от длины дороги и сложности материальной и социальной среды могут потребоваться месяцы, чтобы собрать необходимые данные. Сбор данных на локальном участке может даже протекать с конфликтами, поскольку местные жители будут пытаться придумывать какие-либо факты неблагоприятного воздействия инженерного сооружения на стадии проектирования, задолго от строительства дороги.

Проведенная автором работа расширила область применения геоинформационных систем для установления полосы варьирования при пространственном проложе-нии трассы в многовариантном анализе. Она позволяет достичь наилучших строительных, транспортно-эксплуатационных и экономических показателей на основе использования современных моделей местности с геодезическим обоснованием и представлением данных для обработки в пакетах прикладных программ автоматизированного выполнения расчетов, иллюстрированием промежуточных результатов соответствующими изображениями и графиками. Исследования обеспечивают повышение уровня обоснованности выбранного пространственного положения трассы в связи с ее наилучшим решением: оптимальностью по отдельным участкам и в целом (с представлением соответствующих данных), достижением наилучшего сочетания элементов плана и профиля с ландшафтом, обеспечением требований строительных норм.

Общая цель работы состоит в совершенствовании процесса установления полосы варьирования трассы таким образом, чтобы обеспечить в его рамках учет технических, социально-экономических, экологических вопросов, а также внедрение формализованного подхода установления полосы варьирования автомобильной дороги, подъездных и внутренних путей промышленных и транспортных предприятий с применением геоинформационных систем.

Актуальность темы

Современные технологии проектирования инженерных сооружений с распределенной структурой позволяют разрабатывать большое число проектных вариантов в широкой полосе района проектирования. Это обстоятельство расширяет возможности проектировщика, но требует выполнения комплексных дорогостоящих изыскательских работ, затраты на которые составляют до 10% объема инвестиционного проекта строительства инженерного сооружения.

Так основные изыскательские мероприятия включают в себя: сбор данных о ландшафте, геологии, гидрогеологии, гидрографии, водотоках, поймах, существующей улично-дорожной сети и границах урбанизированных территорийсбор сведений об использовании земли и собственности, экологически чувствительных областях, социально-экономическом воздействии в ходе реализации инвестиционного проекта.

Как показывает практика, перечисленные мероприятия требуют денежных затрат в размере до 10% объема инвестиционного проекта строительства автомобильной дороги. Если учесть, что такие работы необходимо проводить для каждого варианта трассы, то получаются значительные затраты, обусловленные следующими факторами: большими массивами разнородной информации в базах и банках данныхнеобходимости сквозной технической совместимости, единообразия описания, представления и обработки интегрированных данных при организации и ведении специализированного информационного и программного обеспечения.

Практика установления полосы варьирования инженерного сооружения с распределенной структурой (подъездные и внутренние пути промышленных и транспортных предприятий, конвейер промышленного предприятия, трасса автомобильной дороги) во многом зависит от опыта, знаний, интуиции проектировщика и поэтому не гарантирует отсутствия грубых ошибок и просчетов.

Задача повышения надежности и обоснованности принятия решений при установлении расположения инженерных сооружений с распределенной структурой, а также ограничения полосы варьирования за счет ранжирования территории изысканий с применением формализованных алгоритмов и геоинформационных технологий является актуальной и должна решаться комплексно в автоматизированных системах технической подготовки производства (АСТПП).

Целью исследования диссертационной работы состоит в автоматизации технологических процессов обработки и анализа интегрированных данных при изысканиях инженерных сооружений с распределенной структурой и снижении стоимости изысканий за счёт разработки нового подхода и методики формализованного установления полосы варьирования трассы автомобильной дороги, подъездных и внутренних путей промышленных и транспортных предприятий и расположения конструктивных элементов с применением геоинформационных технологий.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи, ориентированные на разработку метода, позволяющего наиболее полно оценить влияние различных факторов на установление полосы варьирования и создать алгоритм работы с реализацией его в виде геоинформационного проекта: проведение анализа практики изысканий, принципов трассирования и методов сравнения зон варьирования для изысканий инженерных сооружений с распределенной структуройпровести исследования комплексного использования возможностей современных информационных систем сбора данных о районе изысканийоценка геоинформационных технологий пространственного анализа и возможностей их применения для достижения цели исследования, включающая классификацию пространственных инструментов геоинформациоипых систем (ГИС), их математического обеспеченияразработать модели, аппроксимирующие условия района изысканий с возможностью их классификацииразработка алгоритмов и программы установления и построения полосы варьирования трассы на основе комплексного анализа информационных слоев, определяющих условия района изысканийразработка нового подхода к построению суммарной стоимостной поверхностиразработка метода формализованного установления полосы варьирования трассы по накапливаемой стоимости в каждой ячейке грида.

Объектом исследования являются промышленные геоинформациопные технологии и инструменты пространственного анализапредмет исследования — автоматизация сбора, обработки и анализа необходимой для технического установления полосы варьирования трассы информации с использованием классификации района изысканий по информационным слоям, геоинформациопные компоненты системы технической подготовки производства при инженерных изысканиях.

Методы исследования. Теоретической и методологической базой исследования являются геоинформационные технологии получения и обработки интегрированных данных о районе изысканий, к которым относятся современные методы информатики, включающие в себя компьютерную геометрию, алгебру карт, теорию графов.

Научная новизна работы заключается в следующем: предложены методы формализации пространственных данных на основе применяемых на практике классификаций характеристик исследуемого района местностиразработан метод представления района инженерных изысканий в информационных слоях в формате гридразработан новый подход комплексной оценки района изысканий через построение суммарной стоимостной поверхности, получаемой как результат суммирования частных стоимостных поверхностей, выражающих влияющие на стоимость строительства факторыразработан новый подход к установлению полосы варьирования трассы путем его формализованного вычисления с применением теории графов по суммарной стоимостной поверхностиразработаны и теоретически обоснованы алгоритмы, реализующие методику установления полосы варьирования трассы.

Практическая ценность работы. Реализована и предоставлена методика применения инструментов сбора исходной информации в широкой полосе местности. Теоретические разработки и практические исследования доведены до методики в виде программного продукта, позволяющего выполнять работы по установлению полосы варьирования трассы. Результаты диссертационного исследования нашли практическое применение, подтвержденное справками о внедрении и используются в учебном процессе по специальностям 291 000 — «Автомобильные дороги и аэродромы» и 220 200 — «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Реализация работы. Разделы методики обработки и анализа интегрированных данных при изысканиях инженерных сооружений с распределенной структурой и установления полосы варьирования трассы с применением геоинформационных технологий были использованы и послужили основой при проведении исследований и подготовке отчетов по следующим программам:

НТП «КОНВЕРСИЯ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. 1997;2000 годы», НИР Б70 197 «Разработка теоретических основ и принципиальных методов изыскания, проектирования и эксплуатации сети автомобильных дорог с использованием спутниковых навигационных систем и компьютерных технологий», 1997;2000 гг.

МНТП «Перспективные технологии в геодезии, кадастре и мониторинге земель России на основе спутниковых, оптоэлектронных и геоинформационных систем („ГЕОИНФОКАД“)», НИР Б70 298 «Разработка и исследование автоматизированных ГИС-технологий и сетевых информационных систем для территориальных баз ф данных картографической, экологической и кадастровой информации для дорожного хозяйства», 1998;2000 гг.

НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», НИР Б70 301 «Управление и обеспечение безопасного функционирования транспортно-дорожного комплекса с использованием ГИС-технологий и спутниковых навигационных систем», 2001;2002 гг.

НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», НИР Б70 303 «Исследование возможностей геоинформационных систем для мониторинга уровня безопасности движения на автомобильных дорогах», 2003;2004 гг.

ВНП «Развитие научного потенциала высшей школы», НИР Б70 305 «Применение геоинформационных систем для оперативного информационного учета параметров безопасности дорожного движения в режиме реального времени», 2005 г.

Апробация работы. Основные положения исследования докладывались на: научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ), 19 992 001 гг.- Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы дорожного строительства и хозяйства Северо-Западного региона России», 1999 г., ВологдаВсероссийском совещании работников дорожного хозяйства по вопросам # совершенствования проектно-сметного дела в дорожном хозяйстве, 2000 г., Москва;

Пятой Международной конференции «Современные информационные технологии и эффективные организационные решения в управлении развитием городов и регионов» УРБИС-2000, 2000 г., Химкинский район Московской областиежегодных международных конференциях «Современные технологии изысканий, проектирования и геоинформационного обеспечения в промышленном, гражданском и транспортном строительстве», 2000;2001 гг., МоскваМеждународной научно-практической конференции «Проблемы автомобильных дорог России и Казахстана», 2001 г., Омскотчетной конференции-выставке по подпрограмме «Транспорт» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2002 г., Москва-ЗвенигородXI Всероссийском форуме «Рынок геоинформатики в России. Современное состояние и перспективы развития», 2004 г., Москва, РАГСвыставке «Достижения МАДИ (ГТУ)-75», 2005 г., Москва, МАДИ (ГТУ).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, общих выводов, списка литературы из 144 наименований, 11 приложений и изложена на 168 страницах текста, содержит 89 рисунков, 9 таблиц.

Общие выводы.

1. Проведенный анализ существующих методов трассирования и установления полосы варьирования трассы автомобильной дороги показал, что им присущи следующие недостатки: под понятием установления полосы варьирования трассы понимают довольно узкий круг вопросов, связанный со сравнением пробных вариантов трассы по отдельным экономическим показателям района изысканийосновные решения по плану трассы принимаются изыскателями априори в поле, а это не гарантирует того, что удовлетворительное положение трассы на местности будет найденовопросы поиска проектных решений по различным сооружениям не решаются в рамках сквозной единой технологии из-за отсутствия методики комплексного пространственного анализа района изысканий с целыо установления полосы варьирования трассы, что приводит к потере информации, необходимой на следующих стадиях строительства и эксплуатации инженерного сооружения.

В связи с этим выявлена необходимость разработки новых подходов в совершенствовании такого важного этапа проектирования, как установление полосы варьирования трассы автомобильной дороги на стадии обоснования инвестиций.

2. Проведенная экспериментальная работа по оценке современных автоматизированных инструментальных средств сбора, храпения и обработки информации, необходимой для решения поставленных задач, показала: достаточность информационных (спутниковых, геофизических, фотограмметрических) технологий для сбора необходимой информации в широкой полосе местности расположения конкурирующих вариантов трассы в сжатые сроки и с регламентируемой техническими нормами точностьюпреимущества их использования благодаря расширенным возможностям геоинформационной интеграции и представления материалов изысканий как в традиционном виде (чертежи, профили, таблицы), так и в электронном виде (цифровые и математические модели).

Разработаны рекомендации по использованию инструментов сбора, хранения и обработки интегрированных данных о районе изысканий автомобильной дороги на базе технологий дистанционного зондирования, спутниковых навигационных систем, методов прикладной геофизики.

3. Проведен комплексный сравнительный анализ использования ГИС в целях работы над установлением полосы варьирования трассы: проведено исследование комплексного использования геоинформационных компонентов АСТПП (методического, программного, информационного, технического и организационного обеспечений) — выделены и структурированы возможности ГИС для осуществления комплексной обработки информации — от сбора данных до ее хранения, обновления и представления.

4. Разработана методика установления полосы варьирования трассы, основанная на многофакторном анализе района изысканий, в которой учитываются: существующие методики по оценке влияния различных условий района изысканий на стоимость строительства автомобильной дорогистадийность и последовательность в сужении полосы варьирования автомобильной дороги на различных стадиях по работе над проектомрасширяемость алгоритма с возможностью включения новых и модернизации имеющихся информационных слоев.

5. Разработан метод определения путей зон варьирования по заданной сетке грида для установления полосы варьирования трассы автомобильной дороги, в том числе произведено: обоснование схемы хранения интегрированных данных в грид-форматемоделирование данных о районе изысканий в виде дискретных и непрерывных поверхностей с применением специализированных интерполяторовреализация алгоритма для работы программы установления полосы варьирования на основе представления района изысканий в виде неориентированного неполного взвешенного графа.

6. Предлагаемая методика апробирована на экспериментальной модели района изысканий и продемонстрировала свою эффективность по следующим показателям: комплексный учет влияния нормализованных факторов на процесс установления полосы варьирования трассыбыстродействие выработки решений на всех стадиях анализа района изысканийпредставление широких возможностей по дополнению алгоритма программы с расширением перечня анализируемых слоев и функций классификации и нормализации.

7. Ожидаемый экономический эффект от внедрения методики автоматизированного установления полосы варьирования трассы составляет по разным источникам до 10% от общего объема проектно-изыскательских работ за счет: гарантированного нахождения в установленной полосе варьирования вариантов трассы, строительная стоимость которых ниже стоимости вариантов без детального обоснования полосы варьированияснижения стоимости изысканий, трудовых затрат и сокращения сроков выполнения проектно-изыскательских работ благодаря сужению полосы местности для проведения детальных дорогостоящих проектно-изыскательских работсокращение числа вариантов проектных решений трасс за счет комплексного пространственного установления полосы варьирования с применением высокопроизводительных информационных технологий.

Технология комплексной оценки района изысканий на базе геоинформационных систем позволяет вырабатывать формализованные решения полосы варьирования трассы автомобильной дороги и подъездных и внутренних путей промышленных и транспортных предприятий для детального проектирования инженерного сооружения с распределенной структурой.