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Reportes Técnicos ae
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SISTEMA PARA DISEÑO : DE CARRETERAS Eduardo Fernández - Eduardo Testorelli +: Volumen
3 / Número
1 - Año
1994
CENTRO DE CALCULO Facultad de Ingeniería
Ce.Cal.
CENTRO DE CALCULO
Universidad de la República
Montevideo - Uruguay
UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA FACULTAD DE INGEMERIA DPTO. DE DOCUMENTACI ¡0H Y BIBUIoT. SA. BIBLIOTECA CENTRAL E Ing. Edo. García de Zuñiga MONTEVIDEO - URUGUAY
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ae AS, y ao
SISTEMA
PARA
DISEÑO
DE CARRETERAS
Eduardo Fernández Eduardo Testorelli Centro de Cálculo, Facultad de Ingeniería Julio Herrera y Reissig 565 CP 11300, Montevideo, URUGUAY FAX : (45982) 71 54 46 E-Mail : eduardotOfing.edu.uy , eduardofO fing.edu.uy
RESUMEN En este trabajo se presenta un sistema de CAD especializado en el diseño de carreteras. El ambiente interactivo que caracteriza al paquete permite un cómodo ingreso de
los datos del relevamiento del terreno, y constituye una poderosa herramienta para evaluar las distintas soluciones mediante la variación de los parámetros de diseño. La realización de los diferentes cálculos de diseño forman parte del núcleo básico del programa, que se
complementa con el trazado automático de las láminas que luego son empleadas en la etapa de construcción. Un sencillo editor diagramas algunos detalles finales.
gráfico
permite
generar
recuadros
e incorporar
a los
1. INTRODUCCION
Dentro del marco de un convenio firmado entre la Dirección Nacional de Vialidad (DNV) del Ministerio de Transporte y Obras Públicas y la Facultad de Ingeniería, el Centro de Cálculo de esta casa de estudios ha desarrollado un sistema de diseño de carreteras asistido por computadora, que contempla los criterios y especificaciones proporcionados por los técnicos de la DNV, entre los que se destacan: - automatización de muchos de los procedimientos utilizados en el diseño de carreteras como ser el cálculo del movimiento de suelos y el trazado de los perfiles transversales. - generación automática y trazado mediante plotter de los diagramas utilizados en los proyectos de carreteras (altimetrías, planimetrias, diagramas de masa, perfiles transversales y curvas de nivel). - ingreso de la información por teclado y por colectoras electrónicas que recogen automáticamente los datos del relevamiento del terreno obtenidos con dispositivos tales como "estaciones totales”. - desarrollo del sistema sobre PC tomando versiones en otras plataformas .
en consideración
la implementación
de nuevas
2. DESCRIPCION DEL SISTEMA El PROYECTO de una carretera en particular, involucra el manejo de un conjunto de archivos que se almacenan en un directorio asociado al PROYECTO.
SISTEMA DE CARRETERAS
Los archivos relacionados con variantes de diseño ensayadas por el ingeniero
PROYECTO 1
PROYBCTO 2
vial se asocian a las llamadas VERSIONES de
Y VERSIONES
TR
ese PROYECTO
Y VERSIONES
(Fig.1).
Algunos corresponden
PROYECTO a
|
a
de los
estos datos
que
archivos, ingresó
el
-
usuario en forma directa mediante el teclado
-
Fig. 1 - Proyectos y Versiones.
oa través de una colectora electrónica. Otros son generados automáticamente por diversos procesos de cálculo propios del diseño de carreteras y constituyen la base de la información que necesita el sistema para la generación de láminas. Todos los archivos pueden ser impresos y las láminas pueden ser compaginadas
y enviadas a un plotter, como resultado final del diseño.La Figura 2 muestra los principales módulos
del sistema y como
se relacionan.
2.1 INTERFASE CON EL USUARIO El estudio de la interfase con el usuario está adquiriendo particularimportancia, dentro de lo que es el desarrollo actual del software. Hasta
principios de la década
reducción de los tiempos disminución
de
los
costos
del '80,
la optimización del manejo de memoria
y la
de ejecución constituían el problema medular. Posteriormente, la y el incremento
de
la potencia
gráfica
de
los
computadores
personales permitió abordar el problema de la "eficiencia del usuario", a través de un estudio
LISTADOS O ARCHIVOS
MANEJADOR ARCHIVOS
DOR ana INTERFASE,
PROYECTOS Y VERSIONES
EDITOR ARCHIVOS
TRADUCCION
CALCULOS Y GENERACION ARCH. AUX.
EDITOR GRAFICO
COLECTORA ELECTRONICA
ARCHIVOS LAMINAS
PLOTTER
Fig. 2 - Esquema
general del sistema.
más exhaustivo de los ambientes de trabajo. Una buena interfase con el usuario disminuye los tiempos de aprendizaje, facilita el manejo de un sistema, posibilita un mejor aprovechamiento de sus capacidades, y minimiza los errores derivados de interpretaciones incorrectas.
Estas consideraciones
fueron las que orientaron el desarrollo del ambiente de trabajo del
sistema. Para lograrlo, se diseñó una potente función que se encarga de coordinar el funcionamiento de los dispositivos de entrada con las distintas ventanas mediante las que el sistema intercambia información con el usuario.
Al entrar al sistema, se despliegan cinco ventanas a saber ( Fig. 3): VENTANA 1 : se muestra el camino llegar a la posición actual. VENTANA 2 : VENTANA
que recorrió el usuario dentro del árbol de menúes, para
es el área de trabajo del editor gráfico y del editor y manejador de archivos.
3 : es lo que habitualmente
se denomina
línea de comandos,
y se emplea tanto
para el ingreso de datos por teclado como para el depliegue de los distintos mensajes que emite el sistema.
VENTANA 4 : es la ventana de menúes (Fig. 4). La inexistencia del "EVENT MODE” (Enderle,
1987),(Foley
et
al,
1987)
en
esta
implementación de GKS, obliga al usuario a elegir el dispositivo con el que va a interactuar con
la computadora ( "ratón” o "teclado" ) mediante la selección de la opción "M aparece en todos los menúes .
T" que
VENTANA
mostrar
5
:
se
el estado
utiliza
de
para
variables
significativas del proceso está ejecutando.
que
|
(1)
|
se
(4)
El manejo de ventanas se implementó utilizando las facilidades que
brinda el GKS
para
(2)
definir y seleccionar transformaciones geométricas "window-to-viewport" (Enderle, 1987),(Foley et al, 1990).
La
coordinación
de los procedimientos
(5)
general
de entrada
se efectúa mediante una función que puede expresarse como :
(3)
|
Fig. 3 - Ambiente
de trabajo.
valor_de_retorno comando(
mensaje, valor defecto,
valor, tipo, menu) donde:
- valor_de_retorno : es una variable lógica que indica si la función fue ejecutada con éxito. - menu : permite transferir el control a un menú cuyo nombre se especifica, o indicar que el ingreso de datos se hará por línea de comandos. En este último caso es que tienen sentido los demás
parámetros. - tipo : esta variable especifica el tipo de los datos que
ingresarse.
Dado
geométrica,
elemento
se
ha
básico
que
el
sistema
definido
para
crear
el tipo
debe
manejar
PUNTO,
primitivas
para
que
quieren
información constituye
la generación
el
de
gráficos. - valor: si se ha ingresado un dato del tipo especificado, esta variable devuelve su valor. - valor defecto: es el valor por defecto que se despliega junto al mensaje.
- mensaje: muestra un mensaje en la línea de comandos. 2
ERLQULOS
Fig.4 - Ventana 4
Este módulo es el encargado de realizar, a partir de la información ingresada, todos los cálculos propios de la ingeniería vial, generando auxiliares con los resultados. Los procesos de cálculo más importantes que emplea el sistema son:
archivos
- Conversión de un sistema de coordenadas a otro. Cuando se releva el terreno con estaciones totales, a menudo se utilizan una serie de sistemas cartesianos locales que se eligen de acuerdo con ciertas características del trazado de la carretera.
Por otra parte, muchos de los parámetros de diseño, utilizan sistemas de referencia, que como en el caso anterior, resultan cómodos para el usuario, pero inadecuados para los cálculos. Por estos motivos
se ha implementado
sistemas coordenados.
una
rutina
que
que
realiza el pasaje
entre los distintos
- Modelación del terreno.
QS
A partir de la información del relevamiento del terreno, el sistema genera un modelo , para lo cual utiliza técnicas de interpolación como ser el método de Sheppard (Yamamoto). - Curvas de nivel. En base al modelo del terreno
se determinan las curvas con igual "cota".
- Generación de la carretera. Es la determinación de la geometría de las secciones transversales que la forman ( tomando como base el modelo del terreno y los parámetros de diseño.
perfiles ),
- Cálculo de volúmenes. Es el procedimiento que permite evaluar los volúmenes de tierra que hay que desplazar en cada tramo, para lograr que la superficie del terreno tome la forma correspondiente a la carretera.
Quedan establecidos de esta manera aquellos aquellos otros donde hará falta "relleno".
tramos
en los que habrá
tierra excedente
y
- Movimiento de tierras. Es un algoritmo que en base a ciertos criterios, establece una forma eficiente de distribuir la tierra que en muchos tramos es excedente hacia aquellos en que es faltante. 2.3 MANEJADOR
DE ARCHIVOS
El sistema maneja una serie de archivos que almacenan información de distinto tipo: - experimental, que está constituída por los datos de relevamiento del terreno. - los parámetros de diseño que aporta el ingeniero vial.
- todos aquellos resultados que genera el sistema ( archivos de datos y gráficos ). A este conjunto de archivos hay que agregar todos los que se obtienen cuando el usuario ensaya variantes en los distintos parámetros de entrada, con el fin de evaluar diferentes soluciones. Esta realidad impuso el empleo de un manejador que se ocupara de la organización de todo este cúmulo de información. El manejador de archivos permite crear, borrar, y modificar los proyectos y sus versiones a través de ventanas que depliegan convenientemente el conjunto de archivos necesarios en cada caso.
2.4 EDITOR DE ARCHIVOS Los diversos archivos que maneja el sistema se pueden renombrar mediante la utilización del editor de archivos. El sistema maneja tres tipos básicos :
crear, modificar,
borrar o
- Archivos simples
Son aquellos que tienen registros de largo constante. Se despliegan
en pantalla
en forma
de planilla, donde
cada
fila corresponde
a un registro,
encolumnándose los campos. - Archivos Tienen los campos de En pantalla forma que
con un cabezal registros del mismo largo, a menos del primero de ellos que contiene algunos información común a todo el archivo. se depliega el "cabezal" en la parte superior , y el resto de los registros en igual en los archivos simples.
- Archivos con registros de largo variable. En este caso, cada registro consta de dos conjuntos de campos: un primer conjunto (cabezal del registro), de largo constante y con información general acerca del segundo conjunto, que está constituído por una serie de campos que se van repitiendo. En pantalla se despliega un registro por vez, mostrándose el "cabezal" de cada uno en la parte superior, y las series de campos en forma de planilla, en la parte inferior ( Fig 5.).
CABEZAL
1
Título
2
o.
Título
n
MN
Título
Fig.5 - Edición de un archivo con registro de largo variable. Para que el editor esté en condiciones de interpretar un archivo cualquiera con las características de algunos de los tipos anteriores, alcanza con especificar su formato en un archivo que existe para tal fin. 2.5 EDITOR
GRAFICO
El editor gráfico constituye uno de los módulos más importantes del sistema. Dentro de sus funciones más importantes se destacan : - Generación automática de las diversas láminas. - Trazado y edición de primitivas simples. - Compaginación y trazado en plotter de láminas finales. - Funciones de visualización y edición utilitarias. 2.5.1
GENERACION
DE LAMINAS
Es un proceso mediante el cual se trazan en pantalla las láminas finales de un proyecto (altimetrías, planimetrías, curvas de nivel, perfiles transversales y diagramas de masa) en forma automática. En los menúes correspondientes, el usuario dispone de una serie de opciones que le permiten "armar" cada diagrama a su gusto. La visualización de los distintos componentes
,'así como
su posición relativa en la pantalla,
constituyen algunos de los parámetros que pueden ser controlados por el usuario. La Fig. 6 muestra una vista de una altimetría. GKS permite agrupar las primitivas que componen un dibujo en los llamados "segmentos" , los cuales pueden ser direccionados y manipulados como una unidad. Un segmento tiene asociada una transformación que puede comprender traslaciones, rotaciones y cambios de escala. Ed.grafico
| Utiles
| Vistas
Tf vistas Zoom + Mover
Previa Todo
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Fig. 6 - Vista de una altimetría
La
"segmentación"
es
utilizada
por
el
sistema
para
representar
los
grupos
de
primitivas que conforman los elementos principales de cada lámina. Muchos de los comandos de edición, están basados en la manipulación que puede efectuarse sobre los segmentos, mediante el cambio
2.5.2 TRAZADO
de la transformación
Y iii
que tienen asociada.
DE PRIMITIVAS GRAFICAS SIMPLES
La generación automática, como es de esperar, que
sea
"estándar".
La incorporación
complementar los dibujos mediante el empleo circunferencias y texto.
2.5.3 FUNCIONES
contempla el trazado de todo aquello
de un sencillo editor de primitivas,
de comandos
permite
entonces,
para el trazado de líneas, arcos,
UTILITARIAS
El sistema dispone de muchas
de las funciones que son habituales en los paquetes
que manejan gráficos como ser el "zoom", mover o borrar primitivas, cambiar las scalas, representar una grilla auxiliar en pantalla, etc.
2.5.4 TRAZADO
POR PLOTTER
Como ya se mencionó, uno de los objetivos importantes del sistema era el de emitir por medio de un plotter las láminas (que documentan un proyecto. ]
Con este fin se implementó una rutina que le permite al usuario compaginar a partir de los archivos gráficos correspondientes a trabajos previamente salvados, la lámina final. Para ello el sistema despliega en pantalla un rectángulo con las proporciones de la hoja de dibujo, en el que el usuario va posicionando en forma interactiva, los distintos elementos que conforman la lámina. Cada archivo almacena no sólo la información gráfica propiamente dicha, sino una serie de variables que indican entre otras cosas las escalas y la extensión del dibujo. Con esta información el sistema representa la extensión de cada gráfico por medio de un
rectángulo que facilita la visualización de todos los componentes. Una vez finalizado el proceso de compaginación, puede volcarse a plotter.
se genera
un archivo
que
posteriormente
2.6 IMPRESION. Es un módulo que permite imprimir directamente todos los archivos sistema, o generar nuevos archivos con el formato de impresión.
que maneja
el
El sistema permite el ingreso de datos provenientes de colectoras electrónicas. Para tal fin se ha implementado un pequeño módulo externo al paquete, que convierte formato de los archivos provenientes de este dispositivo al que utiliza el sistema.
el
2.7 COLECTORAS
3. SOFTWARE
ELECTRONICAS
EMPLEADO
El hecho de desarrollar al sistema sobre?PC, de modo que su migración a otra plataforma fuera relativamente sencilla, impuso restricciones en la elección, sobre todo del paquete gráfico. : Del compromiso entre factores como la disponibilidad de este tipo software para PC y requerimientos específicos como la facilidad de manejar distintos dispositivos de salida como impresoras y plotter , orientaron la búsqueda hacia implementaciones de estándares gráficos, búsqueda que finalmente concluyó con la elección del GKS ( Graphic Kernel System (Enderle, 1987) ). GKS establece un modelo de conceptualización y especificación de operaciones gráficas, con el propósito de hacer posible la creación de programas que sean portables a diferentes instalaciones, facilitar el uso de la computación gráfica y permitir a los fabricantes de
dispositivos gráficos tener una guía sobre las capacidades esperadas de los mismos. Las implementaciones de GKS están agrupadas en diferentes niveles, según el rango de aplicaciones a la que están destinadas. El nivel utilizado en este sistema (Graphic Software Systems, 1991) tiene algunas limitaciones en las funciones de entrada, como por ejemplo la carencia de "EVENT MODE", que es el que permite al usuario trabajar indistintamente con "ratón" o teclado, sin la necesidad de indicarlo explícitamnete. La utilización del "REQUEST MODE",
impone la necesidad del empleo de un "switch"
para la selección del dispositivo de trabajo. Como lenguaje de programación se eligió el "C"”, por su gran portabilidad y por la experiencia adquirida en la implementación de otros sistemas. 4. DESARROLLOS
FUTUROS
Sobre la base de esta primera versión del sistema, que ha sido desarrollada para PC, se piensan
realizar, en un futuro próximo,
implementaciones
en plataformas más
potentes
("workstation" bajo UNIX) . Aprovechando las potencialidades para el trabajo con gráficos que tienen este tipo de equipos, está previsto incorporar a las nuevas versiones rutinas que permitan el despliegue en 3D de la carretera y el terreno circundante, con técnicas de animación que den la posibilidad de "viajar” sobre la carretera. Al respecto ya se han hecho algunas implementaciones de prueba sobre equipos SUN Sparc ll, utilizando lenguaje "C" con rutinas gráficas RenderMan, para la generación de imágenes realistas en 3D , y el paquete SunVision 2.0 para la edición de "Movies”. Por otra parte se está estudiando la forma en que pueden complementarse las futuras versiones con los sistemas de información geográfica, aprovechando las enormes capacidades que estos presentan y que podrían utilizarse, por ejemplo en el análisis del trazado de la carretera.
Así mismo, se presupuestación, etc.
incorporarán
nuevas
rutinas
aplicables
al
diseño
de
calles,
REFERENCIAS - Enderle, G.,Kansy
K.,Pfaff G. (1987) - "Computer
Graphics Programming"
Second, Revised and Enlarged Edition, Springer-Verlag. - Graphic Software Systems
(1991) - "GSS*GKS
- Foley James
Andries,
D..Van
Dam
Kernel System, Version
Feiner Steven K. »Hughes
John
2.14 for DOS".
F. Hughes
(1990)
"Computer Graphics”. 2nd Edition “+ Addison-Wesley.” - Yamamoto, Jorge Kazuo - "Representacoes gráficas espaciais em geociéncias auxiliadas por computador" - Associacao Brasileira de Geologia de Engenharia -- *
Sra
CO
copar
na
-
CENTRO DE CALCUEO
—:
Facultad de Ingeniería
J.Herrera y Reissig 565
o
1
- Montevideo- - Uruguay
Mélex FACUING UY 23859
Fax: (5982) 715446
E Mail: reportsGfing. edu. y.
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