Chương 2 thiết kế chương trình hỗ trợ thiết kế hình học và tổ chức giao thông nút khác mức

- Đối với nhu cầu 2: việc tính toán các thông số hình học nút là rất phức tạp và mất nhiều thời gian, mặt khác khó quản lý dữ liệu, nên việc hỗ trợ tự động hóa thiết kế các thông số này

Chương 2

Thiết kế chương trình hỗ trợ thiết kế hình học và tổ

chức giao thông nút khác mức.

2.1 Đặt vấn đề

Hiện nay việc tính toán một nút giao thông là rất phức tạp, do các yếu tố ảnh hưởng đến việc tính toán là rất nhiều

Các chương trình hỗ trợ thiết kế nút giao hiện nay đã rất nhiều như AutoCAD Civil 3D,

MX Road, Novapoint … tuy nhiên để sử dụng các chương trình này thì việc tính toán dữ liệu hình học đầu vào phải tự tính thủ công ở ngoài

Trong phạm vi yêu cầu của đồ án là rất rộng, trên cơ sở nghiên cứu cách thức xây dựng chương trình sẽ cố gắng nắm bắt phương hướng cụ thể để có thể đề xuất phương án xây dựng một chương trình có tính khả thi và hữu ích về sau

Chương trình chỉ hỗ trợ thiết kế hình học về phần mặt bằng nút

2.2 Thiết kế hệ thống phần mềm

2.2.1 Giới thiệu về dự án phần mềm

Phần mềm có tên là “TKnut” với mục đích hỗ trợ người dùng đẩy nhanh công tác thiết kế các nút giao khác mức

Đối tượng sử dụng phần mềm là tất cả những người quan tâm đến tự động hóa thiết kế bản vẽ hình học và tổ chức giao thông về nút giao khác mức (kể cả nút giao cùng mức),

cụ thể hơn là các kĩ sư thiết kế, tham gia các dự án thiết kế xây dựng nút giao

Yêu cầu đối với hệ thống hỗ trợ: đối với phần cứng là máy tính, chỉ yêu cầu cấu hình bình thường, có thể cài hệ điều hành Window XP và có thể chạy AutoCAD 2004 trở lên Yêu cầu đối với người dùng: Người dùng phải hiểu rõ về kiến thức chuyên ngành thiết kế hình học và tổ chức giao thông nút giao, có khả năng sử dụng máy tính, và phần mềm AutoCAD

2.2.3 Mục tiêu của chương trình

Mục tiêu cụ thể của phần mềm: tính toán các thông số hình học về nút giao khác mức, xuất bản vẽ bình đồ của nút giao

2.2.3 Xác định và phân tích nhu cầu người dùng

Phương pháp xác định nhu cầu người dùng:

- Qua thực tế thiết kế cụ thể nút giao khác mức

- Qua trao đổi trên các diễn đàn cầu đường, gặp gỡ hỏi thăm những người làm việc về nút giao thông

Nhu cầu người dùng:

1 Giao diện đơn giản Yêu cầu chương trình phải dễ hiểu

và có các lênh tắt dễ dùng

2 Tính toán các thông số hình

học của nút giao khác mức

Cần lấy được các thông số hình học của nút như bán kính các nhánh rẽ, chiều dài chuyển tiếp, cá kích thước tại mũi rẽ của các nhánh nối

3 Xuất bản vẽ bình đồ nút trênAutoCAD

Xuất bản vẽ bình đồ nút trên AutoCAD để dễ dàng chuyển sang các phần mềm khác chuyên nghiệp hơn để hoàn thiện thiết kế

Phân tích nhu cầu người dùng:

- Nhu cầu 1: người dùng luôn mong muốn một chương trình tiện lợi lại dễ dàng nắm bắt được cách thức hoạt động của nó, vì thể chương trình cung cấp các lệnh từ menu hoặc sử dụng các lệnh tắt để có thể gọi các giao diện làm việc một cách nhanh chóng

- Đối với nhu cầu 2: việc tính toán các thông số hình học nút là rất phức tạp và mất nhiều thời gian, mặt khác khó quản lý dữ liệu, nên việc hỗ trợ tự động hóa thiết kế các thông số này là rất cần thiết, người dùng có thể sử dụng luôn các thông số này để sử dụng các phần mềm khác hoàn thiện thiết kế về trắc dọc, trắc ngang … như phần mềm MX Road, AutoCAD Civil 3D, Mova Point…

- Đối với nhu cầu 1: vì các phần mềm thiết kế hình học đường hiện này chạy trên nền AutoCAD rất nhiều, vì vậy người dùng thông thường muốn có luôn một bản vẽ bình đồ sơ bộ về nút giao, cụ thể hơn là các nhánh nối, khi đó người dùng có thể xem xét và hiệu chỉnh lại các số liệu để có một kết quả tốt hơn

Sơ đồ chức năng cho người dùng

Mô tả chi tiết các khối chức năng

Khối 1: Nhập số liệu

Khối chức năng này cung cấp cho người dùng công cụ nhập các dữ liệu đầu vào liên quan đến dự án, là các dữ liệu về cấp hạng thiết kế của tuyến đường chính và đường phụ giao nhau (nút giao có thể là giao của hai đường cùng cấp tuy, việc phân thành đường chính và đường phụ chỉ để làm việc với dữ liệu tính toán được dễ hơn, chứ không mang tính so sánh cấp hạng đường nào là lớn, đường nào là nhỏ) Ngoài ra việc nhập dữ liệu cũng để người dùng lựa chọn dạng giao của hai đường (ngã ba, ngã tư hay đặc biệt khác) và lựa chọn một

dạng nút giao đặc trưng cho trường hợp giao, như kèn trumpet cho giao ngã ba, nút ngã tư hoa thị

Khối 2: Lựa chọn thông số tính toán

Khối chức năng này cho phép người dùng lựa chọn lại các thông số chương trình đã

tự động tính toán, tuy nhiên chưa có sự hiệu chỉnh theo các tiêu chuẩn cũng như hiệu chỉnh lại để phù hợp với công tác thi công

Khối 3: Lưu dự án

Khối này cho phép người dùng lưu lại dự án mà mình vừa làm hay đang làm dở dang

và có thể tiếp tục vào lần sau Khối này luôn thường chực tại các form sử dụng của chương trình để người dùng có thể lưu lại dự án bất kì lúc nào

Khối 4: Xuất bản vẽ

Sau khi người dùng đã lựa chọn hoặc chấp nhận các thông số tính toán, khối chức năng này cho phép người dùng xuất ra bản vẽ bình đồ nút giao (bình đồ chỉ thể hiện mặt bằng của nút)

2.2.4 Phân tích bài toán

Công nghệ xây dựng:

Xây dựng chương trình trên nền AutoCAD, kết hợp ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0

để có thể dễ dàng đóng gói chương trình

Trong AutoCAD sử dụng ngôn ngữ VBA để dễ dàng can thiệp vào các đối tượng của AutoCAD và VBA là ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ sử dụng Kết hợp AutoLip để có thể xây dựng các lệnh tắt, đơn giản hóa cho người sử dụng

Sơ đồ tổng quát của chương trình:

Hình 2.1 Sơ đồ thuật toán của chương trình

Phân tích kĩ thuật

Khối 1: dữ liệu đâu vào bao gồm:

Bắt đầu

Tính toán - Lựa chọn nút

Tính toán & lựa chọ các thông số cho nhánh rẽ

Sai Kiểm tra nhánh

Đạt

Vẽ bình đồ nút giao

Kết thúc

- Cấp hạng tuyến đường chính và đường phụ:

o Vận tốc thiết kế

o Dữ liệu mặt cắt ngang

o Lưu lượng xe thiết kế năm tương lai

- Dạng nút giao: ngã ba, ngã tư, dạng khác

- Góc giao nút giao

Khối 2: tính toán và lựa chọn nút:

- Dữ liệu đầu vào: là dữ liệu do người dùng nhập từ các bước dầu tiên, lựa chọn dạng nút giao cụ thể (nút ngã ba kèn Trumpet, nút ngã tư hình hoa thị…)

- Dữ liệu đầu ra: số lượng và dạng các nhánh rẽ:

o Nhánh rẽ trực tiếp

o Bán trực tiếp

o Gián tiếp

Khối 3: tính toán và lựa chọn các thông số cho nhánh rẽ

- Dữ liệu đầu vào: số lượng và dạng nhánh rẽ mà khối 2 đưa ra

- Số liệu đầu ra: tự động tính toán các thông số hình học cho nhánh rẽ bao gồm bán kính, vận tốc tối ưu, chiều dài đường cong chuyển tiếp, thông số làn chuyển tiếp tăng hoặc giảm tốc, cho phép người dùng lựa chọn lại các thông số cho phù hợp với thực tế

Khối 4: Kiểm tra nhánh

- Dữ liệu đầu vào: dữ liệu đầu ra của khối 3, quy tắc thiết kế hình học nút giao khác mức tại Việt Nam và một số nước khác

- Dữ liệu đầu ra: kết quả kiểm tra dữ liệu có phù hợp với một số quy định thiết

kế hay không:

o Đúng: tiếp tục

o Sai: thông báo để người dùng làm lại các bước trước hoặc đồng ý làm tiếp với dữ liệu cũ

Khối 5: vẽ bình đồ nút giao

- Dữ liệu đầu vào: kết quả các thông số hình học nhánh rẽ

- Dữ liệu đầu ra: bản vẽ bình đồ mặt bằng nút giao

Cơ sở tính toán

Từ dữ liệu đầu vào chương trình khuyến cáo nên lựa chọn dạng nút giao thông nào, nút khác mức liên thông hoàn chỉnh hay không hoàn chỉnh

Đưa ra các dạng nút giao giao cho người dùng lựa chọn, ứng với mỗi dạng nút giao sẽ bao gồm cách nhánh rẽ tương ứng, chương trình sẽ tính toán với các nhánh rẽ cụ thể này Các dạng nhánh rẽ bao gồm như sau:

- Nhánh rẽ phải trực tiếp

- Nhánh rẽ trái

o Nhánh rẽ trái trực tiếp qua cầu vượt, áp dụng cho nút ngã ba hình chữ T – khác mức liên thông hoàn chỉnh

o Nhánh rẽ trái gián tiếp

o Nhánh rẽ trái bán trực tiếp Mỗi nhánh rẽ có sơ đồ tính toán riêng do người dùng lựa chọn, tính toán thiết kế hình học cho các nhánh rẽ hiện nay thường được tính riêng theo từng dạng nút giao khác mức, có thể tham khảo trong tài liệu [12]

Ví dụ sơ đồ tính toán đường nhánh rẽ trái trong nút giao ngã 3 dạng kèn Trumpet:

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán nhánh rẽ trái nút giao kèn Trumpet

Từ hình vẽ cho thấy, nút giao hình ống có hai loại đường nhánh rẽ trái;

- Đường nhánh rẽ trái gián tiếp có dạng cánh hoa thị nối từ đường phụ vào đường chính ABCDE

- Đường nhánh rẽ trái bán trực tiếp có dạng hình cánh hoa nối từ đường chính sang đường phụ Đây là đường nhánh phức tạp nhất bao gồm các đoạn cong

và thẳng:A1KK1U1U

Ta lần lượt tính chiều dài hai đường rẽ trái trên như sau:

- Đầu tiên xác định R theo tốc độ tính toán Vd và độ nghiêng siêu cao Bán kính đường cong nằm của hoa thị bằng:

Rf =R+d

Trong đó: d – khoảng cách giữa các trục của hai làn xe trên đoạn cong tròn có đường hai

làn dành cho hai dòng xe đi ngược chiều d= 2

B E

(B-Bề rộng phần xe chạy, E – Độ

mở rộng mặt đường trên đường cong)

- Tính các khoảng cách:

Khoảng cách AO được tính theo công thức đã biết:

AO=

cos sin os

os sin sin sin

2

k

R c







AG

c 

tg

AG   

Ký hiệu: n- khoảng cách giữa các trục của hai làn xe trên đường phụ thì khoảng cách

A1A bằng:

A1A = sin 2sin

   (b: bề rộng phần xe chạy trên đường phụ)

A1S1=AS+nctg + ntg 2



= AS + n ( ctg + tg2



)

Từ đó tính được đoạn A1K:

A1K=A1S1-KS1

A1K=A1S1-TH1

TH1- Đường tang lớn với góc ngoặt bằng 900 +2



Chiều dài đường cong KK1 :

LKK1=K01+2L1

Trong đó: K01=

1 ' 180

R





Tính đoạn K1U1:

K1U1=GP+GS+SS1-S1K1-U1P

U1P=TH Nên : K1U1=2GP + SS1 –TH1-TH

Chiều dài toàn bộ đường nhánh rẽ trái bán trực tiếp trên bình đò nối từ đường chính vào đường phụ:

Lh(1) = A1K + LKK1 + K1U1+LU1U

LU1U=KO2+2L Với KO2=180

R





Trong đó: L- Chiều dài đường cong chuyển tiếp của đường cong rẽ phải, và

0

2



Chiều dài của đoạn chỉ có đường một chiều của nhánh rẽ trái 1 nối từ đường chính vào đường phụ:

180 2 2

R R

L     AB L

LBC-chiều dài đường cong chuyển tiếp BC

Chiều dài đoạn chỉ có một chiều trên bình đồ của đường nhánh rẽ trái gián tiếp (đường nhánh 2) được tính theo công thức:

' (2)

180 2

R

L   L

Trong đó : LED – chiều dài đường cong chuyển tiếp ED

Chiều dài toàn bộ đường nhánh rẽ trái gián tiếp nối từ đường phụ vào đường chính:

' 1

180 2 2 180 2

L       L

Và khoảng cách từ vị trí giao nhau A1 của trục dải chuyển tốc với trục của làn xe ngoài cùng của đường phụ đến đầu đoạn rẽ phải U của đường nhánh rẽ trái bán trực tiếp:

A1U=A1A+AP+PU

A1U=

sin sin

2

H

n GP

T



2.2.5 Thiết kế cơ sở dữ liệu

Sử dụng cơ sở dữ liệu ngoài để lưu các thông số của dự án, sử dụng định dạng file text để lưu trữ Tất cả dữ liệu được lưu chung trong một file với cấu trúc như sau:

Thông số - tab - giá trị - tab – mô tả

File bao gồm hai cột, cách nhau bởi dấu tab

Trên cùng một hàng, cột một mang tên các thông số, cột hai mang tên giá trị, cột ba

mô tả cho thông số, vd:

So lan truc chinh 3 mot ben

2.2.6 Thiết kế giao diện

Chương trình gồm 4 Form chính:

- Nhập dữ liệu: các dữ liệu ban đầu liên quan đến trục chính và trục phụ giao cắt nhau

- Lựa chọn nút: cho người dùng lựa chọn dạng nút giao phù hợp

- Tính toán nhánh rẽ: ứng với mỗi dạng nút giao, số lượng nhánh rẽ tương ứng

sẽ được chương trình tính toán theo các sơ đồ tính mà người dùng lựa chọn trong form4 “sơ đồ tính”

- Sơ đồ tính: ứng với một nhánh rẽ thông thường có các sơ đồ tính toán như có

bố trí làn xe chuyển tiếp song song hoặc sơ đồ nhánh rẽ vuốt trực tiếp

Các tính năng cơ bản:

- Chương trình có khả năng lưu dự án để có thể tính toán trong các lần tiếp theo

- Xuất bình đồ nút giao ra môi trường AutoCAD để các chương trình hỗ trợ thiết kế hình học khác như AutoCAD Civil 3D hoàn thiện

- Đưa ra một số giá trị tham khảo trong tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam và AASHTO

Form “Nhập dữ liệu”

Hình 2.3: Form nhập dữ liệu

Nhập các thông số ban đầu cho trục chính và trục phụ, trong đó:

- Nút “Tham khảo TCVN” và “Tham khảo AASHTO” đưa ra một số giá trị tham khảo về mặt cắt ngang đường chính

- Nút “Save”: có chức năng lưu các giá trị vào file dữ liệu *.txt

- Nút “lựa chọn nút >>”: chuyển sang form tiếp theo

Form “Lua chon nut”

Hình 2.4: Form lựa chọn dạng nút giao

Form này có chức năng hướng cho người dùng chọn ra một dạng nút giao có hình dạng có định đã được lưu sãn trong chương trình

- Nút “Chọn trục chính”, “Chọn trục phụ”: trong bản vẽ AutoCAD đã được vẽ

sơ bộ hai đường Polyline đại diện cho hai trục đường giao cắt nhau, người dùng sử dụng hai nút này để lựa chọn trục đường chính và trục đường phụ theo dữ liệu ban đầu nhập vào

- Nút “ Chọn tim cầu”: Chọn trục đường và vị trí có cầu vượt đi qua

- Nút “Save”: có chức năng lưu các giá trị vào file dữ liệu *.txt

- Nút “Tính toán nhánh >>”: chuyển sang form tiếp theo

Form “Tinh toan nhanh re”

Hình 2.5: Form Tính toán nhánh rẽ

- Nút “Sơ đồ tính”: chuyển sang form “So do tinh toan”, người dùng chọn sơ

đồ tính toán cho nhánh tương ứng có trong list “Chọn nhánh”, khi đó các thông số trong form sẽ được tự động tính toán, người dùng lựa chọn lại thông

số cho phù hợp

- Nút “Save”: có chức năng lưu các giá trị vào file dữ liệu *.txt, khi chọn nút này, đồng thời chương trình kiểm tra lại dữ liệu đối với các nhánh vừa tính toán và chọn thông số xem có phù hợp với các quy tắc thiết kế không

- Nút “Vẽ nhánh”: tự động vẽ nhánh ra bản vẽ AutoCAD

- Nút “thoát”: thoát khỏi dự án

Form “So do tinh toan”

Hình 2.6: Form Sơ đồ tính toán cho từng nhánh rẽ

Cho phép người dùng lựa chọn các sơ đồ tính toán riêng cho các nhánh rẽ

Kết luận

Qua việc tìm hiểu cách thức xây dựng chương trình “hỗ trợ thiết kế hình học và tổ chức giao thông nút khác mức” có thể rút ra được một số vấn đề sau:

- Chương trình thực sự chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế mà chỉ mang tính

ví dụ, tuy nhiên có thể tham khảo trong tính toán

- Việc tính toán nút là khó khi một chương trình muốn tính toán cho tất cả các dạng nút giao

- Nên xây dựng chương trình theo hướng thiết kế một dạng nhánh rẽ bất kì nối hai trục đường với nhau