За галузевим призначенням

MCAD (англ. mechanical computer-aided design) — автоматизоване проектування механічних пристроїв. Це машинобудівні САПР, застосовуються в автомобілебудуванні, суднобудуванні, авіакосмічній промисловості, виробництві товарів народного споживання, включають в себе розробку деталей і зборок (механізмів) з використанням параметричного проектування на основі конструктивних елементів, технологій поверхневого і об'ємного моделювання (SolidWorks, Autodesk Inventor, КОМПАС, CATIA);

· EDA (англ. electronic design automation) або ECAD (англ. electronic computer-aided design) — САПР електронних пристроїв, радіоелектронних засобів, інтегральних схем, друкованих плат тощо, (Altium Designer, OrCAD).

· AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) або CAAD (англ. computer-aided architectural design) — САПР в області архітектури і будівництва. Використовуються для проектування будівель, промислових об'єктів, доріг, мостів та ін. (Autodesk Architectural Desktop, AutoCAD Revit Architecture Suite, Piranesi, ArchiCAD).

Класифікацію САПР здійснюють за різними ознаками, наприклад, за додатками, цільовим призначенням, комплексністю вирішуваних завдань, характером базової підсистеми.

За додатками найбільш актуальними і широко розвиненими є:

САПР машинобудування;

САПР радіоелектроніки;

САПР архітектури та будівництва.

САПР автомобільних доріг можна класифікувати як архітектурно-будівельну САПР. У той же час САПР АД необхідно розглядати як самостійну гілку (підклас) в цьому класі.

Специфіка проектування доріг полягає в тому, що це лінійно-протяжні об'єкти. Обриси дороги, з одного боку, істотно залежать від рельєфу, грунтово-геологічних та гідрологічних умов місцевості. З іншого боку, геометричні характеристики проектованої дороги тісно пов'язані з планованою інтенсивністю і складом транспортного руху.

Основою формоутворення майбутньої дороги є її траса, яка проектується з урахуванням фізичних законів руху транспортних засобів. І обриси цієї траси багато в чому зумовлюють технічні та транспортно-експлуатаційні якості майбутньої дороги.

До підкласу лінійно-протяжних проектованих будівельних об'єктів, поряд з автомобільними дорогами, можна також віднести: аеродроми, залізниці, трубопроводи, канали, лінії електропередач.

САПР включає такі технології:

· CAD (англ. Computer-aided design) — технологія автоматизованого проектування;

· CAM (англ. Computer-aided manufacturing) — технологія автоматизованого виробництва;

· CAE (англ. Computer-aided engineering) — технологія автоматизованої розробки;

· CALS (англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support) — постійна інформаційна підтримка поставок і життєвого циклу.

Згідно цього за цільовим призначенням розрізняють підсистеми САПР, що забезпечують різні аспекти проектування. Так, наприклад, під терміном CAD зазвичай мають на увазі процедури геометричного проектування.

Розрахунки міцності, стійкості, довговічності та інших аспектів функціональності об'єктів проектування виконують у підсистемі СAE. При проектуванні доріг до завдань CAE слід віднести: розрахунки дорожніх одягів на міцність, морозостійкість, зсув і згин; розрахунки осідання земляного полотна на слабкій основі і стійкості укосів; гідрологічні розрахунки отворів штучних споруд; моделювання транспортних потоків та ін.

Розрахунки, пов'язані з технологічною підготовкою виробництва, реалізують в підсистемі САМ. До завдань CAM в дорожній галузі можна віднести: підготовку розбивочних відомостей, технологічних карт виробництва робіт; розробку схем організації руху транспорту при виробництві робіт, складання лінійно-календарних графіків робіт та ін.

Важливим компонентом комплексних систем останнім часом стають підсистеми управління даними PDM ( Product Data Management ), які забезпечують колективну роботу над проектами, цілісність даних і сприяють реалізації ефективних систем управління якістю.

Здатність комп'ютерних технологій підтримувати функціонування об'єктів від стадії проектування до їх утилізації в єдиній інформаційній системі породила концепцію PLM ( Product Lifecycle Management ), яка є надзвичайно перспективною і для майбутнього дорожньої галузі.

Принципи проектування автомобільних доріг та розвиток теорій їхнього проектування пройшли ряд етапів. В ХІХ столітті при проектуванні доріг для гужового транспорту факторами, що визначають положення доріг в плані та профілі, являлися вартість та зручність будівництва. Подовження траси завжди вважалося кращим за здійснення великих об’ємів робіт, необхідних для прокладання більш короткої дороги.

Автоматизація проектування зняла цілий ряд технічних проблем і дозволила вдосконалити сам процес проектування плавних трас. Перші спроби в СРСР автоматизувати процес проектування траси автомобільної дороги були зроблені в 1970-х роках та були направлені в основному на вирішення окремих проектних завдань: визначення оптимального положення лінії поздовжнього профілю, розрахунок трансформації ескізної траси в послідовність елементів клотоїдної траси, визначення об’єму проектних робіт і т.д.

Найбільш розповсюджені методи автоматизованого проектування плану траси автомобільної дороги базуються на принципі “гнучкої лінійки”. Перші програми представляли собою реалізацію методу опорних елементів. Метод ще має назву “однозначно визначеної осі”. Вперше його було розроблено в 60-х роках у ФРГ, реалізовано у вигляді програми “План-1” в Союздорпроекті М.А.Григорьєвим. Вихідною інформацією при цьому слугували координати положення опорних елементів (прямі і кругові криві, що спрягаються між собою клотоїдами), які найкращим чином апроксимують ескізну трасу дороги. В результаті автоматизованого розрахунку отримували інформацію, необхідну для подальшого проектування: параметри геометричних елементів траси, координати магістрального ходу. При чому складність полягала не тільки в числі спряжень, але й в тому, що кожен з елементів траси має свій математичний вираз.

Наступним етапом було трасування автомобільних доріг поліномами, що проходять через задані точки з відомими координатами. Кінцеве рівняння осі дороги в цьому випадку дається як диференційованої просторової кривої в параметричній формі. Даний метод було розроблено в кінці 60-х років в США. Він отримав назву методу “згладжування ескізної лінії траси”. Одним з різновидів методу “згладжування ескізної лінії траси” є метод “апроксимації послідовності точок” реалізовано М.А.Григорьєвим у вигляді практичної програми “План-2”. Також було розроблено програми “План-3” та “План-4”, призначені відповідно для розрахунку координат головних та проміжних точок траси та поперечників траси, для розрахунку даних розбивки траси від довільного магістрального ходу за методами: абсцис та ординат, полярним та методу засічок, отримання поздовжніх та поперечних профілів з використанням цифрової моделі місцевості. Метод “згладжування ескізної лінії траси” на відміну від методу “однозначно визначеної осі” не потребує графічної проробки траси за допомогою шаблонів та лінійки.

Ще один з різновидів методу “згладжування ескізної лінії траси” – метод “кубічних сплайнів,” реалізований в Союздорпроекті Федотовим Г.А. При методі сплайнів виконується математичне усереднення введеної в машину великої кількості точок траси, наміченої по шаблонам або просто від руки. При цьому одні контрольні точки фіксуються точно, біля інших можуть бути задані можливі зони зміщення. Машина підбирає кінцеве положення траси виходячи з вимог мінімальної суми квадратів відхилень проектованої лінії траси від намічених точок її проходження.

Основні переваги сплайн-функцій простота та ефективність розрахунку на ЕОМ. Недолік – складність розбивки на місцевості. Крім того поліноміальний метод не оцінює трасу саме як просторову криву. План і профіль мають свій окремий математичний вираз і повинні бути ув’язані між собою.

Головні методи автоматизованого визначення положення лінії поздовжнього профілю – метод “опорних точок”, метод “проекції градієнта” і метод “граничних ітерацій” – з’явилися в нашій країні ще в 1970-х роках.

На даний час найбільше застосування має метод проектування поздовжнього профілю вертикальними кривими, які спрягаються безпосередньо між собою або при допомозі прямих вставок. Метод було розроблено Антоновим Н.М..

Метод опорних точок було розроблено в 1965р. К.А.Хавкіним в Київському автомобільно-дорожньому інституті і в подальшому був розвинений в Союздорпроекті. Але даний метод не є оптимізаційним. Оптимізаційний метод проектування поздовжнього профілю “проекції градієнта” було розроблено в 70-х роках, а в 1974 його було модернізовано для проектування профілю автомобільних доріг. Метод “граничних ітерацій” розроблено Е.Л.Фільштейном в Київському філіалі Союздорпроекту в 1967р.

Вже давно при проектуванні автомобільних доріг між коловою кривою та прямолінійною ділянкою дороги почали передбачати перехідну криву, радіус якої поступово зменшується від нескінченності до радіусу колової кривої. Як перехідну криву використовують різні математичні криві, що задовольняють дану вимогу: клотоїду (радіоїдальну спіраль), кубічну параболу, лемніскату Бернуллі, синусоїду, криву Шрама та ін. На даний час з усіх видів кривих із змінною кривизною найбільше застосування знайшла клотоїда.

В проектуванні автомобільних доріг крім клотоїди використовуються так звані «гальмівні криві» (Breamskurve), криві сімейства ПЕРС – перехідні криві, що відповідають умовам руху із змінною швидкістю, кадіоїда з плавною зміною доцентрового прискорення.

Перші САПР були створені в 1960-х роках й одержали найбільше поширення в електроніці й точній механіці. Це пояснюється тим, що об'єкти проектування в цих областях порівняно легко формалізуються, а результати проектування являють собою програму для верстатів із числовим програмним керуванням (ЧПУ), що різко скорочує період між початком розробки й початком серійного випуску виробу.

Однієї з перших САПР у будівельній галузі стала система автоматизованого проектування автомобільних доріг (САПР-АД). Ще на початку 70-х років був випущений перший банк програм, складених інститутом "Союздорпроект" для ЕОМ типу "Наірі". Згодом ці програми були переведені на ЕС-ЕОМ й інші, більш сучасні машини. Програми призначалися для вирішення таких завдань, як розрахунок координат плану траси, узгодження елементів поздовжнього профілю, проектування віражів, підрахунок обсягів земляних робіт, розрахунки швидкостей руху.

В 80-х роках в інституті "ГіпродорНДІ" було покладено початок розробки пакета прикладних програм "ГІП". При створенні пакета був узагальнений досвід автоматизації виконання проектних і дослідницьких робіт і виділені найбільш характерні завдання. Програми для вирішення цих завдань були об'єднані в строгу технологічну послідовність, що дозволило істотно полегшити роботу з пакетом, а також скоротити строки обробки матеріалів вишукувань, проектування автомобільних доріг і споруд на них. У цей час ГІП є потужним і зручним у використанні програмним комплексом, що дозволяє практично повністю автоматизувати весь процес проектування доріг від обробки матеріалів вишукувань до випуску проектної документації, створити альтернативні проектні рішення й вибрати найкраще.

Як правило, основою САПР є графічний редактор, за допомогою якого створюються та редагуються креслення, що складаються із примітивів (крапок, відрізків, дуг, текстів). Примітиви можуть бути об'єднані в блоки й багаторазово використані при створенні інших креслень, що колосально підвищує продуктивність праці інженера-проектувальника. Перші САПР дозволяли автоматизувати процес створення креслень, генеруючи їх по деякому наборі вихідних даних, які підготовлялися вручну, або створювалися іншими програмами, будучи результатами розрахунків.

Останнім часом усе більше застосовується інший підхід до автоматизації інженерної діяльності, заснований на створенні тривимірних геометричних моделей проектованих об'єктів. Сучасні програми дозволяють створювати й редагувати просторові моделі об'єктів практично необмеженої складності, а аналітичне вирішення геометричних завдань забезпечує високу точність. Використання математичних моделей об'єктів дозволяє робити різні розрахунки, наприклад міцністні, що ще більше скорочує витрати на розробку проектної документації. Безперечно, ці особливості забезпечують перехід на якісно новий рівень проектування

Cфера застосування САПР стала невід'ємною частиною проектування доріг. Найбільший ефект може бути отриманий лише при організації комплексного процесу автоматизованого проектування, що охоплює всі стадії проектних робіт і графічний діалог, що включає використання наочних зображень.

У цей час існує безліч програмних комплексів для автоматизованого проектування доріг. Практично всі комплекси мають схожу структуру і припускають приблизно однакову технологію проектування, що включає наступні етапи:

обробка матеріалів вишукувань і створення цифрової моделі місцевості;

- проектування плану траси;

- проектування поздовжнього профілю;

- проектування верху земляного полотна;

- проектування укосів і кюветів;

- оцінка проектних рішень.

Розглянемо коротенько кожний із цих етапів.

Обробка матеріалів вишукувань і створення цифрової моделі місцевості є одними з найбільш відповідальних процесів. Адекватність моделі реальному рельєфу в значній мірі визначає оптимальність наступних результатів проектування.

На даному етапі здійснюється введення в комп'ютер даних геодезичних вишукувань з електронних приладів або вручну, вирівнювання теодолітних ходів і формування бази даних знімальних точок. Потім по точках будується ряд поверхонь, що моделюють рельєф і геологічну будову місцевості.

Проектування плану траси полягає в прокладанні проектної осі дороги, що складається з відрізків прямих, дуг кіл і ділянок клотоїд. Проектування ведуть за допомогою спеціалізованих програмних засобів, що дозволяють погоджувати елементи плану між собою, вписувати їх в існуючу ситуацію і формувати виконавчі відомості для виносу осі траси в натуру.

На етапі проектування профілю створюється вертикальний поздовжній профіль дорогі, що складається із прямих ділянок і криволінійних вставок. Положення елементів профілю визначається відстанню від початку траси і відмітками. Як криволінійні вставки використовуються або дуги кіл, або ділянки квадратних або кубічних парабол.

Верх земляного полотна являє собою набір поверхонь, що утворюють конструктивні шари дорожнього одягу. Проектування поверхонь верху земляного полотна є досить нетривіальним завданням, тому що необхідно враховувати локальні зміни ширини дороги, додаткові смуги, перетинання й примикання, віражі. Як правило, формалізація верху земляного полотна набором простих таблиць виявляється явно недостатньою. Найбільш універсальний підхід до цієї проблеми полягає у використанні параметричного подання конструкції дорожнього одягу у вигляді шаблонів. Шаблон дозволяє описати довільну конфігурацію поперечного профілю (наприклад, бортові камені, дренаж і т.д.). Більше того, замкнуті контури усередині шаблона можуть бути використані для підрахунку обсягів робіт.

Проектування укосів, як правило, виробляється за допомогою типових поперечників. Опис кожного типового поперечника містить інформацію про коефіцієнти закладення укосів, ширини полиць і висоти щаблів. Таким чином, проектне земляне полотно моделюється дискретними поперечними перерізами, які згодом поєднуються в проектну поверхню.

Проектування кюветів найбільш доцільно робити у два етапи. Спочатку на всій довжині траси задається глибина кювету від бровки і будується поздовжній профіль кювету. Потім редагується отриманий профіль з метою організації водовідводу і імпортується виправлений профіль назад на поперечники.

Оцінка проектних рішень виконується при варіантному проектуванні для вибору оптимального варіанта дороги по технологічних, економічних, транспортно-експлуатаційних і екологічних показниках. Окремі найбільш складні і відповідальні ділянки, які важко представити на звичайних проектних документах, зображуються в більш наочному вигляді. Зорова ясність оцінюється в основному побудовою перспективних зображень. Наочні зображення забезпечують можливість не тільки побачити перекручування дороги, але й виміряти відхилення для внесення виправлень у план і профіль.

Загалом САПР- це колектив проектувальників, об'єднаних у рамках однієї предметної області єдиним проектним завданням, загальним і однорідним організаційним, методичним, програмним і інформаційним забезпеченням на основі певних технічних засобів.

В САПР входять спеціалізовані підсистеми, орієнтовані на рішення завдань певного етапу проектування: інженерних розрахунків, конструювання, створення проектної документації, технологічної підготовки виробництва й ін. Система забезпечує введення, зберігання, обробку і вивід графічної інформації у вигляді інженерних документів.

Огляд існуючих систем САПР в проектуванні автомобільних доріг.

Розглянемо існуючі на цей час системи автоматизованого проектування доріг і ті методи, які використовуються в програмах проектування автомобільних доріг для знаходження положення траси.

CREDO

Однією з останніх розробок є білоруська система CREDO. Комплекс програмних продуктів CREDO розробляється і поширюється науково-виробничим об'єднанням "Кредо-Діалог", (м. Мінськ, Республіка Бєларусь) починаючи з 1989 року. За час свого розвитку комплекс пройшов шлях від системи проектування нового будівництва і реконструкції автомобільних доріг (САПР Кредо) до багатофункціонального комплексу, що забезпечує автоматизовану обробку інженерних вишукувань, підготовку даних для різних геоінформаційних систем, створення й інженерне використання цифрових моделей місцевості, автоматизоване проектування автомобільних доріг і генеральних планів об'єктів промислового і цивільного будівництва. В даний момент комплекс CREDO складається з декількох великих систем і ряду додаткових задач, об'єднаних у єдину технологічну лінію обробки інформації в процесі створення різних об'єктів від вишукувань і проектування до експлуатації об'єкта.

Система СRЕDО працює з єдиним набором даних у загальній оболонці, забезпечуючи безперервність процесу обробки вишукувань і проектування, а також впровадження сучасних ефективних технологій.

Функціональні можливості даного комплексу:

- обробка геодезичних даних при проведенні геофізичних розвідницьких робіт;

- підготовка даних для створення цифрової моделі місцевості інженерного призначення;

- створення й коректування цифрової моделі місцевості;

- обробка лабораторних даних інженерно-геологічних вишукувань;

- створення й коректування цифрової моделі геологічної будови площадки або смуги вишукувань;

- підрахунок обсягів земляних робіт;

- проектування профілів зовнішніх інженерних комунікацій;

- проектування нового будівництва, реконструкції та капітального ремонту автомобільних доріг;

- проектування транспортних розв'язок.

Одним з головних достоїнств комплексу CREDO є те, що він забезпечує зв'язок з іншими системами за допомогою файлів текстового і 2D-, 3D-DXF, МIF/МID форматів, що дозволяє ефективно вписувати модулі СRЕDО у вже сформовані технологічні ланцюжки.