zobacz plik pdf

1.
Wstęp
Celem poniższej pracy jest pokazanie możliwości, jakie daje oprogramowanie przy
tworzeniu i wizualizacji projektu węzła drogowego.
W trakcie pracy nad poniższym opracowaniem postawiłem sobie dwa główne zadania:
 wykonanie projektu węzła zgodnie z obowiązującymi wytycznymi,
 wszechstronne zastosowanie dostępnego oprogramowania, w tym wizualizowanie tego projektu w postaci zdjęć i filmów ukazujących zbliżony do rzeczywistego obraz
projektowanego węzła.
W ramach pracy dyplomowej wykonałem następujące działania:
 zebranie dostępnych materiałów: wytycznych projektowych, dzienników ustaw, książek, informacji o terenie, przejrzenie stron internetowych,
 oczyszczenie mapy rastrowej i przekonwertowanie jej w programie Descartes do postaci wektorowej (patrz p.3.2.1),
 wykonanie przy pomocy programu InRoads numerycznego modelu terenu (patrz
p.3.2.2),
 wykonanie obliczeń analitycznych przepustowości odpowiednich elementów węzła
celem ustalenia wymagań geometrycznych (patrz p.2.2.),
 wykonanie odręczne szkiców kilku wariantów węzła (patrz p. 3.1.3.),
 przygotowanie w programie MicroStation trzech wstępnych wariantów węzłów (rys.
2, 3, 4, ich opis p.2.1.3.4.),
 wybór wariantu rozwiązania na podstawie przeprowadzonej analizy wielokryterialnej
(p. 2.1.3.4.5.),
 wykonanie projektu wybranego wariantu przy pomocy programu MicroStation i InRoads (patrz. p.3.1.6. – 3.1.9.),
 zwizualizowanie wykonanego projektu:
 wykonanie „zdjęć”,
 wykonanie filmu animowanego ukazującego rozkład cieni w ciągu dnia w obrębie
skrzyżowania z wyspą centralną (cienie.avi), patrz p.3.2.7.2.,
 wykonanie filmu animowanego z przejazdu przez węzeł (przejazd.avi), patrz
p.3.2.7.2.
1
2.
Projekt węzła „Przyczółkowa”
2.1.
Opis techniczny
2.1.1. Wprowadzenie
2.1.1.1.
Przedmiot i zakres opracowania, cel inwestycji
Przedmiotem opracowania jest projekt węzła komunikacyjnego łączącego drogę ekspresową S2 z drogą klasy GP – ulicą Przyczółkową. Projektowany węzeł znajduje się na trasie projektowanej Południowej Obwodnicy Warszawy łączącej autostradę A2 (węzeł Konotopa) z autostradą A2 (węzeł Lubelska) i jest częścią Warszawskiego Węzła Transportowego
(rys. I i II).
Rys. I. Planowane i będące w trakcie budowy obwodnice Warszawy [10].
2
Rys. II. Usytuowanie projektowanego węzła Przyczółkowa [10].
2.1.1.2.
Warunki techniczne projektowania, założenia
Dane projektowe:
 węzeł miejski,
 droga ekspresowa S2, prędkość projektowa 100 km/h, na podst. [3] prędkość miarodajna 110 km/h (3 jezdnie, jezdnia środkowa tranzytowa o zmiennym kierunku ruchu),
 ul. Przyczółkowa klasy GP, prędkość projektowa 70 km/h, na podstawie [3] prędkość
miarodajna 90 km/h,
 ze względu na ograniczony zakres pracy pomijam ruch komunikacji zbiorowej, zaprojektowanie rodzaju nawierzchni i pomijam warunki geotechnicznej.
2.1.1.3.
Dane
2.1.1.3.1. Podkłady geodezyjne
Podkłady otrzymałem w formie elektronicznej w postaci mapy rastrowej. Do celów
projektowych oczyściłem i przekonwertowałem ją do postaci wektorowej (patrz p.3.1.1.).
Raster był niestety mało czytelny i ta czynność zajęła mi dużo czasu.
3
Ostatecznie mogłem odczytać układ warstwic, punkty wysokościowe, układ istniejących dróg, usytuowanie istniejących budynków, a także istniejącą infrastrukturę w obrębie
projektowanego węzła (patrz rys.5).
2.1.1.3.2. Ruch
Przewidywane natężenia pojazdów w obrębie węzła [poj. rzecz./h] w 2020r. otrzymałem w temacie pracy. Dotyczą szczytu porannego, szczyt popołudniowy przyjąłem symetryczny do porannego (patrz rys. III i IV).
Ze względu na ograniczony zakres pracy przyjęto, że nie ma ruchu komunikacji zbiorowej.
Trzecia jezdnia (tranzytowa) jest przeznaczona dla pojazdów korzystających tylko z
relacji (EW). Znajduje się pomiędzy głównymi jezdniami trasy S2, jest od nich oddzielona
pasami dzielącymi i nie ma możliwości zjechania lub wjechania na nią w obrębie tego węzła.
Jezdnia ta ma zmienny kierunek ruchu. W szczycie porannym jest on w stronę Ursynowa, a w szczycie popołudniowym w stronę węzła „Wał Miedzeszyński”.
Rys. III. Kartogram ruchu dla wariantu 1 – szczyt poranny
4
Rys. IV. Kartogram ruchu dla wariantu 1 – szczyt popołudniowy
2.1.2. Stan istniejący
2.1.3. Opis rozwiązania
2.1.3.1. Projektowany odcinek drogi S2 ma długość 2330,00m. Opis
wariantów
2.1.3.1.1.
Przyjęte założenia ogólne
Wszystkie warianty węzłów są typu WB.
Droga ekspresowa poprowadzona jest w poziomie „-1” i w kierunku zachodnim jest
prowadzona dalej w wykopie. Po środku drogi ekspresowej znajduje się 3 pasowa jezdnia
tranzytowa o zmiennym kierunku ruchu w zależności od pory dnia, oddzielona od pozostałych jezdni 4,5 metrowymi pasami zieleni i barierami ochronnymi.
W obrębie węzła zdecydowałem się ją przesunąć w kierunku na zachód i zaprojektować wygodną kładkę nad drogą ekspresową S2. Jest to w miejscu gdzie trasa S2 znajduje się
w wykopie, więc kładka nie musi się znajdować na podwyższeniu i pokonanie jej przez rowerzystów będzie dość wygodne.
Kładka ta jest efektownym elementem mojej wizualizacji. Tworząc ją wzorowałem się
na istniejącej kładce dla pieszych we Wrocławiu, a jej plany zamieszczone są w [6].
5
Rys. VI. Wariant 1 – centralna część węzła
2.1.3.1.2. Wariant 2
Jest to węzeł karo zwarte, z relacją na wprost na ul. Przyczółkowej poprowadzoną na
wiadukcie składającym się z 2 jezdni (rys. 3).
2.1.3.1.3. Wariant 3
Jest to węzeł z dwoma skrzyżowaniami trójwlotowymi z sygnalizacją świetlną (rys 4).
Prawoskręt EN i SE zostały poprowadzone za pomocą łącznic bezpośrednich, a lewoskręt ES
za pomocą łącznicy pośredniej tzw. ”pętelki”.
Najbardziej obciążony lewoskręt (NE, patrz rys.4) został poprowadzony półbezpośrednią łącznicą typu P2 na estakadzie. Estakada przebiega nad wiaduktem.
2.1.3.1.4. Wybór wariantu
Najlepszą metodą wyboru wariantu jest analiza wielokryterialna.
Zatem wariant 1 uznano za wariant najlepszy.
6
Tab. 1 Kryteria oceny węzła i przypisane im punkty
kryteria głowne
waga
kryteria szczegółowe
punktów
straty czasu
warunki ruchu
miara techniczna
maks. Liczba
40
bezpieczeństwo
war.2
war. 3
dt
9
7
9
5
typ i liczba
kolizji
3
3
3
5
czytelność
5
5
3
4
możliwość
4
4
4
13
14
l. punktów
war. 1
oznakowania
przepustowość
8
PSR
5
4
7
wygoda ruchu pieszego
5
przejścia i drogi
4
4
3
30
27
29
5
5
2
5
4
3
3
2
4
5
4
2
8
6
11
26
21
22
dojścia
i rowerowego
suma
40
koszty
5
5
koszty
35
koszty budowy
20
5
5
zajęcie terenu
m2
roboty ziemne
m3
nawierzchnia
m3
obiekty i
infrastruktura
koszty eksploatacji
15
suma
20
zużycie paliwa
wpływ na środowisko
wpływ na
uciążliwość ruchu
15
7
hałas
4
4
5
rozdzielenie terenu
5
8
spaliny
4
4
5
4
4
suma
4
20
12
12
14
3
2
1
1
2
1
0
0
20
środowisko
możliwość etapowania
możliwość ruchu w
łatwość
etapowania
czasie budowy
5
łatwość ewentualnego
dostosowania do
zmiany natężenia
suma
100
suma
5
3
1
1
suma ogólna
100
71
60
66
7
3.
Oprogramowanie wspomagające projektowanie węzła
3.1.
Oprogramowanie wykorzystane na poszczególnych etapach
projektowania
3.1.1.
Oczyszczenie i przekonwertowanie mapy rastrowej do postaci wektorowej
3.1.1.1. Podstawowe definicje
Mapa rastrowa (patrz Rys. IX.) – jest wg [12] cyfrową reprezentacją mapy wykonanej w konkretnej skali i odwzorowaniu kartograficznym. Najczęściej tworzona poprzez skanowanie map analogowych (papierowych lub foliowych).
Mapa wektorowa (numeryczna, patrz Rys. X.) – składa się z linii, punktów, regionów
dla których współrzędne węzłów są zapisane, natomiast obraz mapy jest generowany w zależności od ustawionej skali. Jakość grafiki mapy nie zależy od skali.
Powstałe pliki są dużo mniejsze od rastrowych. Są bardziej czytelne i jest możliwość
do pracy na rastrach z nimi.
Jako wadę należy uznać kosztowność i pracochłonność ich utworzenia.
Kalibracja map – jest procedurą poprawiania zniekształceń geometrycznych map rastrowych w celu odpowiedniego dopasowania do określonych punktów (współrzędnych).
Wektoryzacja – działanie polegające na przekształceniu mapy rastrowej do postaci
mapy wektorowej.
3.1.1.2. Programy do obróbki rastrów.
Poniżej zestawiono wg [11] najczęściej stosowanych programy do obróbki rastrów:
 Nakładki na MicroStation:
 IRAS/B
[http://www.bentley.com/nl-NL/Products/Bentley+IRAS+B/?market=Geospatial],
 IRAS/C [http://www.intergraph.pl/rozwiazania/produkty/default.asp],
 Descartes [opis poniżej].
 Nakładki na AutoCAD-a:
 Autodesk Raster Design
[http://www.autodesk.pl/adsk/servlet/section1?siteID=553660&id=764795],
8
 Program WiseImage [http://www.itprojekt.pl/C1256C380031135B/vwContentFrame/N25G3EMG464MSWAPL ]
Do wykonania wektoryzacji postanowiłem skorzystać z programu Descartes, ze
względu na możliwości jakie ten program daje i łatwą dostępność.
3.1.1.3.
Działania zrealizowane w niniejszej pracy
Dane o terenie, na jakim miałem zaprojektować węzeł drogowy, otrzymałem w postaci mapy rastrowej. Zwykle należy najpierw taką mapę skalibrować, gdyż podczas skanowania
mapy dochodzi do deformacji. Jednak otrzymana przez mnie mapa była skalibrowana.
Aby móc skorzystać w pełni z możliwości programu InRoads musiałem dokonać wektoryzacji, czyli przetworzyć mapę rastrową na postać mapy wektorowej.
Czynność ta jest bardzo pracochłonna, gdyż w przypadku mocno zniszczonego, zeskanowanego dokumentu (a takim dysponowałem), nie da się skorzystać z funkcji automatycznie konwertujących linie. W zeskanowanym, dokumencie który otrzymałem było dużo
nieczytelnych obszarów (patrz Rys. IX.), co bardzo wydłużyło proces tworzenia mapy rastrowej.
Różnice przed i po wektoryzacji wyraźnie widać na rysunkach IX i X.
Rys. IX. Fragment mapy rastrowej (zeskanowanego podkładu)
9
Rys. X. Widok mapy po wektoryzacji (mapa wektorowa)
Czynności jakie wykonałem w procesie wektoryzacji:
Cała mapa składała się z 4 plików rastrowych dołączonych do jednego pliku w
MicroStation. W Descartesie są narzędzia, za pomocą których można dopasować rastry i odpowiednio usytuować względem siebie. Jednak nie korzystałem z nich, gdyż zestaw narzędzi
MicroStation do obróbki rastrów (przesuwanie rastra, skalowanie, wycinanie, obracanie) wystarczyły mi w zupełności.
Najpierw oczyściłem wszystkie rastry. Polegało to na usunięciu drobnych punktów.
Można to zrobić:
 metodą automatyczną,
 ręcznie (za pomocą narzędzia „gumka”).
W metodzie automatycznej należy określić jakiej maksymalnej wielkości punkty maja
zostać usunięte.
Trzeba uważać, by nie usunąć przy okazji punktów użytecznych np. kropek w liniach
oznaczających osie jezdni. Niektóre linie ciągłe były częściowo „poszarpane” i tu również
trzeba było uważać żeby nie usunąć elementów takich linii.
Narzędzie takie szczególnie dobrze nadaje się do oczyszczenia obszarów, gdzie nie
występuje wiele szczegółów, jak pola, łąki, linie działek. Na obszarach gdzie są narysowane
zabudowania można usunąć tylko najdrobniejsze zanieczyszczenia, pozostałe trzeba oddzielnie zaznaczać i usuwać ręcznie.
Dlatego nie mogłem zaznaczyć całego obszaru i usunąć na raz wszystkich zbędnych
punktów. Wszystkie rastry oczyszczałem etapami, dzieląc obszar każdego rastra na mniejsze.
10
Usunąłem również zniekształcenia powstałe podczas powielania i skanowania w formie ciemnych obszarów (patrz Rys. XI.).
Rys. XI. Obszar rastra zawierający zniekształcenia powstałe podczas powielania i skanowania
Oczyszczona mapę zacząłem wektoryzować. Próbowałem to zrobić metodą półautomatyczną, tzn. używając narzędzia Descartesa zaznaczać linię na rastrze, która powinna zamieniać się na wektor do punktu, w którym następuje rozwidlenie.
Jednak nie dawało to zadawalających efektów. Powstałe linie często kończyły się w
niewłaściwych miejscach.
Aby linie te były narysowane prawidłowo wiele z nich należałoby i tak poprawiać,
więc większa część wektoryzacji polegała na zaznaczaniu początku i końca każdej linii (znalezienie tych punktów również nie było proste).
Podczas tego działania skorzystałem z opcji likwidowania z rastra linii już zwektoryzowanej. Dzięki temu raster powoli zawierał coraz mniej elementów.
Wygodnym narzędziem jest funkcja rozpoznawania tekstów. Była szczególnie przydatna do rozpoznania wartości rzędnych punktów wysokościowych.
Jednak i tu zanieczyszczenia rastra dały znać o sobie. Rozpoznawane teksty często nie
zgadzały się z rzeczywistymi wartościami i miały różne wielkości. Odczytane teksty i cyfry
musiałem przy pomocy edytora tekstów w MicroStation kolejno poprawiać i ujednolicać.
Wszystkie wartości rzędnych umieściłem na jednej warstwie i wykorzystałem następnie do
utworzenia NMT (p. 3.2.2.).
11
3.1.2. Wykonanie przy pomocy programu InRoads numerycznego
modelu terenu
3.1.2.1.
Numeryczny model terenu
Numeryczny model terenu (ang. DTM – Digital Terrain Model) jest integralnym elementem współczesnych programów do geometrycznego projektowania dróg.
Rys. XII. Przykładowy teren utworzony na podstawie punktów rozproszonych bez wprowadzonych linii nieciągłości
12
Rys. XIII. Teren jak na rys. XII. po wprowadzeniu linii nieciągłości
Rys. XIV. Plan warstwicowy wygenerowany w programie InRoads na podstawie istniejącego
NMT
13
Rys. XV. Pochylenia jezdni w barwnej skali pochyleń – widok ogólny
Rys. XVI. Pochylenia jezdni w barwnej skali pochyleń – widok szczegółowy
14
Rys. XVII. Łącznica 5 przedstawiona w barwnej skali wysokości
3.1.2.2.
Utworzenie NMT
Metoda siatki trójkątów
Triangularyzacja - jest to utworzenie, na podstawie wprowadzonych punktów, modelu opisującego ukształtowanie powierzchni terenu.
Metoda siatki trójkątów jest oparta wg [11] na punktach rozproszonych (są to punkty o
znanych współrzędnych X, Y, Z) i liniach nieciągłości. Jest praktycznie jedyną powszechnie
stosowaną. Interpolacja wysokości następuje wg płaszczyzn opartych o najbliższe punkty
główne NMT (trójkąty).
Rys. XVIII. Obszar wyłączony z triangularyzacji (istniejące jezioro)
15
Przykłady są pokazane na rys. XII., XIII. i XIX. Na rys. XIX jest wygenerowany niewielki wycinek terenu. Widać na nim rowy trapezowe dzięki wprowadzeniu linii nieciągłości.
Na teren nałożone są też tekstury, aby rowy te były wyraźniejsze.
Rys. XIX. Wizualizowany wycinek terenu z wprowadzonymi liniami nieciągłości
Dlatego utworzyłem dwa NMT: jeden na potrzeby projektowe i drugi (uproszczony)
potrzebny do wizualizacji.
Poza tym do wizualizacji potrzebne jest też utworzenie NMT jezdni wraz z chodnikami i skarpami (patrz. p.3.2.7.2.). Dopiero ostateczny (jeden) NMT został przeze mnie użyty
do wykonania wizualizacji.
3.1.3. Projekt geometrii
3.1.3.1.
Programy do projektowania geometrii
Programy do projektowania geometrii można (wg [11]) podzielić na:
 programy samodzielne (MX, CARD/1, Droga),
16
 nakładki na programy CAD:
- MicroStation (InRoads, InRail, GEOPAK)
W swoim dyplomie korzystałem z dwóch wersji InRoads: 8.5 i 8.7.
3.1.4. Przekroje normalne
W mojej pracy dyplomowej wykonałem wiele przekrojów normalnych potrzebnych do
wykonania NMT trójwymiarowych tras (p.3.2.7.).
Rys. XXIII. Przykładowy przekrój utworzony z kilku komponentów
3.1.5. Modelowanie trójwymiarowe
3.1.5.1.
Działania wykonane podczas modelowania
Tworzenie filmu i zdjęć
Typy filmów możliwych do wykonania przy użyciu MicroStation to:

sekwencja przelotowa,

stadium słońca, przedstawiające np. rozkład cieni w ciągu dnia rzucanych
przez łącznicę,

animacja z poruszającymi się obiektami np. pojazdy.
Aby utworzyć sekwencję przelotową (patrz plik przejazd.avi), zdefiniowałem najpierw ścieżkę, po której poruszała się kamera. Określiłem również rodzaj i parametry oświetlenia.
17
4. Wykorzystane materiały
Materiały normatywne
1.
„Instrukcja obliczania przepustowości dróg I i II klasy technicznej (autostrady i drogi
ekspresowe)”, Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, Warszawa 1992
2.
„Szczegółowe warunki techniczne dla znaków i sygnałów drogowych oraz urządzeń
bezpieczeństwa ruchu drogowego i warunki ich umieszczania na drodze”, Dz. Ust. nr
220, poz. 2181, Warszawa, 23 grudnia 2003, załączniki nr 1-4
3.
Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 w
sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich
usytuowanie, Dz. Ust. Nr 43, poz. 430, Warszawa, 14 maja 1999
4.
Komentarz do warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i
ich usytuowanie. Część II: Zagadnienia techniczne. Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, Warszawa 2002
Książki, skrypty, artykuły
5.
„Węzły drogowe i autostradowe”, WKiŁ, Warszawa 1998, praca zbiorowa pod redakcją R. Krystka
6.
J. Bliszczuk, W. Barcik, P. Prabucki, J. Rudze, A. Woźniak - Budowa kładki stalowej
przez Odrę we Wrocławiu „Inżynieria i Budownictwo nr 9/2003”
7.
Zieliński T. „InRoads 2004 Edition Program do komputerowego wspomagania projektowania dróg”, Warszawa, wrzesień 2005
8.
R. Edel „Odwodnienie dróg”, WKiŁ, Warszawa 2000
9.
Zieliński T. „MicroStation V8 PL 2004 Edition”, Warszawa, wrzesień 2005
Internet
10.
http://www.siskom.waw.pl
11.
Metody Komputerowe w Inżynierii Komunikacji - wykłady 2005 r. dr T. Zielińskiego
- http://siwy.il.pw.edu.pl/~zuraw/program-mkwik.html
12.
http://pl.wikipedia.org
13.
http://www.bit-poznan.com.pl/html/vissim.html
14.
Grupa dyskusyjna Bentley’a http://discussion.bentley.com
Oprogramowanie
15.
MicroStation wersja 08.05.00.64 firmy Bentley
16.
Bentley InRoads 2004 Edition V08.05.00.00
17.
Bentley InRoads 2004 Edition V08.07.02.08
18.
Bentley Descartes 2004 Edition
19.
KAD, autor Piotr Janicki
18