Размещено на http://www.allbest.ru/

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ АВТОМАТИЗАЦИИ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Сергеева Дарья Александровна,

студент, Московский Автомобильно-Дорожный Государственный Технический Университет (МАДИ) Российская Федерация, город Москва

Максимычев Олег Игоревич,

д.т.н., профессор кафедры «АСУ», Московский Автомобильно-Дорожный Государственный Технический Университет (МАДИ) Российская Федерация, город Москва

Аннотация. В статье рассматриваются инструментальные средства информационно-управляющих систем поддержки автоматизации дорожно-строительных работ. Проанализированы существующие системы поддержки жизненного цикла (ЖЦ) дорожного строительства, которые позволяют выбирать для применения технологии автоматизации на всех этапах строительства. Рассмотрена структура базы данных средств автоматизации технологий, выполняемых дорожно-строительными машинами (ДСМ) в составе инструментальной системы обеспечения ЖЦ дорожного строительства.

Ключевые слова: автоматизация технологических процессов, дорожно-строительные машины, поддержка жизненного цикла, инструментальные средства, база данных, информационно-управляющая система дорожно-строительных работ.

строительство дорожный автоматизация

INSTRUMENTS OF DATA MANAGEMENT SUPPORT SYSTEMS OF AUTOMATIZATION FOR ROAD CONSTRUCTION WORK

Sergeeva Daria,

Student, Moscow State Automobile and Road Technical

University (MADI), Russian Federation, Moscow

Marsimychev Oleg,

D.Eng.Sc., full professor of Department "ACS" Moscow

State Automobile and Road Technical University

(MADI), Russian Federation, Moscow

Abstract. This article discusses the instruments of data management support systems of automatization for road construction work. The existing life cycle support system for road construction, which allow to select for the application of automation technology at all stages of construction is analyzed. Automation technology database structure, which are completed by track-laying engineer equipment as a component of the development life cycle support system of road construction is considered.

Keywords. automation of business process, track-laying engineer equipment, support service of life cycle, instruments, data base, data management system for road-building job.

Введение

Строительство дорог жизненно важная для нашей страны отрасль, как и во многих других областях промышленности развитие этой отрасли движется по направлению комплексной автоматизации технологических процессов. Автоматизация дорожно-строительных машин (ДСМ), информатизация процессов управления, применение систем поддержки принятия решений (СППР) всё более становятся востребованными, создавая систему средств обеспечения жизненного цикла дорог (ЖЦД).

Жизненней цикл дороги начинается с проекта и заканчивается проектом полной её реконструкции, он состоит в том числе из этапов: разработки проекта строительства дороги, осуществления плана строительства и поддержания конструкции дороги в нормативном состоянии. Для каждого из перечисленных этапов разрабатывается проект состава-комплекта применяемых ДСМ и оборудования, куда входят в первую очередь землеройно-транспортные машины (ЗТМ), организуется информационно-управляющая система проведения дорожно-строительных работ (ИУС ДСР).

Одним из этапов планирования строительных работ является выбор рабочего комплекта машин. До настоящего времени расчёт механизации строительства - являлся единственным проектным этапом выбора эффективного состава комплекта ДСМ (ЗТМ) по таким основным параметрам как: типоразмер, производительность, время рабочего цикла. Методы определения оптимальных параметров и выбор дорожно-строительных машин приводятся в работах [10,11]. Однако следует отметить: применять только методы механизации строительства, в настоящее время становится некорректным в связи с возможностью изменения эксплуатационных параметров ДСМ на основе применения систем автоматического управления (САУ) ДСМ и ИУС.

В настоящее время в ряде отраслей применяется методология функционально-стоимостного анализа (ФСА) [4]. Эта методология позволяет оптимизировать не только затраты на производство, но и сам процесс создания продукции или оказания услуг, оптимизации технологических процессов (ТП). Использование методологии ФСА, для ИУС ДСР, позволят максимально оптимизировать процессы дорожного строительства на основе систем автоматизации строительных машин.

1.Цели и задачи информационной системы ДСР

Основной задачей ИУС ДСР является разработка комплекта дорожно-строительных машин (ДСМ) на основе комплексной автоматизации. Основные этапы автоматизации ДСМ и в том числе землеройно-транспортных машин (ЗТМ) на которые приходятся основные объёмы работ отражены в работах [1,2,3]. На рис.1 изображен бизнес-процесс оптимизации дорожного строительства, который представлен в виде диаграммы по стандарту IDEF0 [7], которая отображает данные требуемые данные для информационной системы. В данном случае этими данными является проектное количество строительных машин, обозначенное на схеме как М1, которое является необходимым для осуществления строительства на участке. Следующими входными данными является производительность выбранного комплекта машин, которое на схеме получило обозначение П1. Производительность машин определяется на основе технических характеристик и расчетов [10,11]. Третьими на вход поступают данные об имеющихся компонентах-средствах автоматизации, на схеме они обозначены как К1. Эти данные поступают из индексируемой БД, которая автоматически обновляется на основе информации, полученной от производителей оборудования, и специалистов по эксплуатации ДСМ. В результате расчёта получаем актуальное количество автоматизированных машин М2, для строительства того же участка, с новой-приобретённой в результате автоматизации, производительностью П2. Сохраняется вариант расчёта системы средств автоматизации К2. Обеспечив соотношения М1?М2 и П1<П2 мы получим требуемую оптимизацию, находящуюся в предполагаемом диапазоне показателей.

График работ определяет сроки, за которые должны быть выполнены проектные работы. Ограничения по типам машин указывают на какие машины могут установлены те или иные компоненты автоматизации с учётом выполняемых технологических процессов (ТП).

Рис. 1. Бизнес-процесс оптимизации подбора ДСМ в нотации IDEF0

В соответствии с методом ФСА основную задачу следует разделить на несколько этапов-узлов, для того чтобы определить структуру разрабатываемой информационной системы.

На рис.2 представлено разделение на подзадачи, которые необходимы для выполнения оптимизации количества машин. Для того, чтобы выполнить основную задачу требуется выполнить функциональный анализ и расчёты:

A1- определить компоненты автоматизации;

A2- установить компоненты автоматизации на машины;

A3- рассчитать количество необходимых типов строительных машин М2, с учётом приобретённой производительности П2.

Рис. 2 Структура задачи оптимизации

На первом этапе А1, определяются компоненты для автоматизации, которые необходимы для осуществления автоматизации строительства на участке (захватке).

Полученный список анализируется на следующем шаге (A2) так, чтобы определить компоненты (САУ, которые будут установлены на выбранные строительные машины. На данном этапе на выбор компонентов для каждой машины оказывают влияние ограничения: устанавливается связь между компонентами и машинами в зависимости от возможности установить оборудование на конкретную строительную машину.

На третьем этапе А3 выполняется пересчет итогового количества машин, необходимых для строительства с учетом установленных систем автоматизации.

Для того, чтобы пересчитать количество необходимых машин необходимо сравнить производительность каждой машины до и после автоматизации. Для этой цели служат коэффициенты степени автоматизации - Кавт, компонента или подсистемы автоматизации. Данные коэффициенты определяются экспертными методами на основе технических характеристик оборудования, по методологии ФСА.

Задачей разрабатываемой информационной системы является использование динамически формируемой и индексируемой базы данных для поддержки жизненного цикла: дорог, проекта дорожного строительства, так и для самой ИСУ ДСР.

2.Интегрирование БД в информационную систему поддержки жизненного цикла

Существуют различные Product Data Management (PDM) системы для поддержки жизненного цикла (ЖЦ), которые позволяют хранить различную документацию. Любая PDM система - это специальное программное обеспечение, которое позволяет любому участнику жизненного цикла получать доступ к документации, а также редактировать и добавлять документы специалистам, которые занимаются поддержкой жизненного цикла.

PDM системы позволяют контролировать жизненный цикл изделия или услуги. Рассмотрим три различные PDM системы (табл.2): Teamcenter, IPS, TG Builder, АВС-4РС.

Сравнительные характеристики систем поддержки ЖЦ Таблица. 2

Система АВС-4РС, одна из наиболее используемых систем в современном строительстве [6], включает в специализированные функции, которые позволяют управлять строительством [8]. Эти функции включают в себя следующие возможности:

– эффективно применять ее строительными организациями для целей организации и управления строительным производством;

– сохранять данные об объектах на всю программу работ строительной организации с распределением объемов работ по периодам и исполнителям;

– производить учет выполненных объемов работ с позиций стоимостной, объемной и ресурсной оценок;

– обрабатывать оперативную информацию о выполненных объемах работ, вести журналы учета выполненных работ (КС-6), выдавать акты и справки о стоимости выполненных работ (формы КС-2, 2-В и 3), вести журналы учета расхода материалов и других ресурсов (формы М-29), получать справочную информацию о текущем состоянии объектов на всю программу работ строительной организации.

Интегрирование разрабатываемой информационной системы в поддержку жизненного цикла заключается организации обмена данными между ИС и PDM системой. Так, например, такая информация, как рассчитанное количество машин поступает в разрабатываемую базу данных из PDM. Из базы данных в PDM систему передается информация об установленных средствах автоматизации и пересчитанном комплекте используемых машин.

Все это позволит обеспечить организацию строительства в соответствии с технологией Building information model (BIM), которая, ставшая стандартом, широко применяется для обеспечения строительства любых капитальных сооружений в том числе и ДСР [ 5].

Так как системы IPS не обладает Набором инструментария для анализа БД, Визуализации ЖЦ и Управлением изменений, то она является наиболее неэффективной системой. Несмотря на то, что у систем Teamcenter и TG Builder почти одинаковые характеристики, TG Builder является наиболее подходящим для использования в поддержке ЖЦ, так как позволяет отслеживать изменения в документации. Однако, независимо от всех минусов, система АВС-4РС имеет специальные функции, которые позволяют управлять строительством [8], что является необходимым при поддержке ЖЦ строительства. Следовательно, для дальнейшей работы будет использована система АВС-4РС.

Отдельно стоит отметить, что АВС-4РС может взаимодействовать с различными базами знаний и CAD системами, что позволяет ей составлять более полную отчетную документацию, благодаря которой производится контроль за ЖЦ [12].

3.Описание базы данных информационной системы

Основным компонентом системы является база данных, которая состоит из данных - сущностей, показанных в табл.3.1. Сущность - это объект, информация о котором должна быть сохранена. Каждая сущность состоит из атрибутов, которые описывают объекты базы данных.

Структура сущностей БД Таблица 3.1

Идентификатором каждой сущности является первичный ключ, значения которого уникальны для каждой строки. В таблице они помечены с помощью «ID» в столбце Ключи. Так как сущность Автоматизация комплекта представляет собой связь между элементами сущностей «Комплект машин» и «Компоненты автоматизации», то она имеет сдвоенный первичный ключ: атрибут Номер комплекта ссылается на объект «Комплекта машин», а «Номер пункта» - на объект «Компонентов автоматизации».

4.Структура базы данных компонентов САУ ЗТМ

В табл. 3.3 описаны связи, которые образованны между сущностями. Эти связи показывают какие объекты могут взаимодействовать между собой. Графическое представление связей представлено на рис. 3.1.

Связи между сущностями

Таблица 3.3

Графическое представление связей между сущностями разрабатываемой базы данных представлено с помощью языка UML на рис. 3.

Рис. 3 Граф связей между сущностями в нотации UML

Так как основной задачей разрабатываемой системы является оптимизация количества используемых строительных машин на объекте, то главной сущностью является «Комплект машин», в котором хранятся объекты, описывающие количество машин каждого вида, необходимых для задачи проекта. Эти данные вводятся оператором на основе предварительных расчетов, проведенных экспертами.

Связанная с Комплектом машин посредством связи многие к одному сущность «Типоразмеры ДСМ» хранит информацию о типоразмерных рядах, которые представлены в парке предприятия. Данная информация представляет собой параметры и их значения, такие как производительность, масса машины и т.д., которые являются характерными для конкретного вида ДСМ (бульдозеры, экскаваторы и т.д.).

Также «Типоразмеры ДСМ» связана с сущностью «Технологические операции», которая содержит данные об активных операциях, которые необходимо выполнить. Данные этой сущности фиксируются на основе «СНиП 3.06.03-85. Автомобильные дороги» экспертных расчетов и информации полученной из технического задания.

Сущность «Технологические операции» связанна с сущностями «Операции рабочего цикла ДСМ» и «Параметры расчета». Первая сущность позволяет рассчитать время каждой технологической операции на основе операций, которые составляют рабочий цикл машины [11]. При помощи второй сущности можно произвести расчет производительности конкретной операции на основе параметров, хранящихся в сущности [10].

Сущность «Компоненты автоматизации» позволяет хранить информацию обо всех имеющихся в распоряжении фирмы подрядчика компонентах. Посредством взаимодействия сущностей «Комплекты машин» и «Компоненты автоматизации» образуется сущность «Автоматизация комплекта ДСМ», которая показывает, с помощью каких наборов компонент (систем) производится автоматизация каждой машины и комплекта в целом. В результате полученных характеристик пересчитывается количество и производительность машин необходимых для строительства с учётом автоматизации. Сущность «Производители систем автоматизации» являются данными, наименования производителей САУ и их компонент.

Программное обеспечение, второе основное составляющее информационной системы. Оно позволит непосредственно управлять процессом автоматизации путем обработки информации, поступающей по результатам проведенных расчетов и опытной эксплуатации, индексируемой и хранящейся в базе данных ИУС ДСР.

5.Компоненты систем автоматизации дорожного строительства

В случае рассматриваемой информационной системы, аппаратно-программные комплексы автоматизации являются ресурсами необходимыми для осуществления поставленной задачи автоматизации технологических процессов [1]. Системы автоматизации дорожного строительства используются для обеспечения автоматического управления строительной техникой. Такие системы включают в себя комплексы специализированных контроллеров, датчиков и программного обеспечения.

Известны САУ следующих производителей: Carlson, Trimble, Komatsu, Topcon и Leica. Для операционного анализа в ИС компоненты каждой системы содержатся в индексируемой БД, структура которой представлена в табл. 4., где Кту - интегральный коэффициент технического уровня, рассчитываемый на основе основных эксплуатационных параметров.

Структура базы данных ИС Таблица 4

Динамически изменяемая база данных проекта строительства позволяет систематизировать имеющиеся средства автоматизации для дальнейшего вариационного применения.

Выводы

Применение инструментальной системы обеспечения дорожного строительства с использованием базы данных обеспечивает:

– ИУС ДСР актуальной информацией о располагаемом оборудовании автоматизации;

– оптимизацию применения аппаратно-программных комплексов автоматизации на основе функционального анализа выполняемых технологических операций и характеристик ДСМ;

– выбор состава систем автоматизации на основе функционально стоимостного анализа ТП дорожного строительства.

– динамическую оптимизацию состава комплекта машин для всех этапов строительства в зависимости от складывающихся условий выполнения технологических процессов и графика работ.

Литература

Максимычев О.И., Васьковский А.М., Новые направления в автоматизации технологий дорожного строительства, Изд. "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)", Журнал, «Вестник московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)» №3, г. Москва, 2012г.

Воробьёв В.А., Максимычев О.И., Илюхин А.В., Колбасин А.М., Попов В.П Организация и автоматизация землеройно-планировочных работ в дорожном строительстве, Изд. "Российской инженерной академии", Монография, г. Москва, 2015г.-348с.

Максимычев О.И., Тенденции развития систем автоматического управления дорожно-строительных машин, Сб. Науч. Трудов МАДИ (ГТУ), 2003г.

Ходарева О.А., Оптимизация управления производственными процессами хозяйствующих субъектов на основе парадигмы функционально-стоимостного анализа и функционально-стоимостного управления Экономика промышленности, № 3-4 (59-60), 2012.

Скворцов А.В. «BIM автомобильных дорог: оценка зрелости технологии», САПР и ГИС автомобильных дорог, №2(3), 2014.

Бойков В.Н., Федотов Г.А., Пуркин В.И. Автоматизированное проектирование автомобильных дорог (на примере IndorCAD/Road). - М.: Изд-во МАДИ (ГТУ), 2005. - 224 с.

Draft Federal Information Processing Standards Publication 183 1993 December 21 Announcing the Standard for integration definition for function modeling (IDEF0).

Электронный ресурс. http://www.abccenter.ru/pages/products/ABC4.php (дата обращения: 25.01.16).

СНиП 3.06.03-85. Автомобильные дороги.

Баловнев, В.И. Определение оптимальных параметров и выбор землеройных машин в зависимости от условий эксплуатации: учеб. пособие / В.И. Баловнев; МАДИ (ГТУ). -М., 2010. - 134 с.

Баловнев, В.И. Б39 Определение оптимальных параметров и выбор дорожно-строительных машин методом анализа четвертой координаты: учеб. пособие / В.И. Баловнев. - М.: МАДИ, 2014. 180 с.

Электронный ресурс. http://www.abccenter.ru/pages/clauses/clauses.php?id=2&letter=ieses (дата обращения: 25.01.16).

Размещено на Allbest.ru