Савченко К.А. (e-mail: kirill.savchenko@yandex.ru), Котиков Ю.Г. (e-mail: cotikov@mail.ru); Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ), г. Санкт-Петербург
Possibilities of 3D GIS-modeling of seating facilities for traffic management on the road interchanges
Одной из особенностей развития дорожной сети в России является рост числа многоуровневых транспортных развязок.
Как известно, средством донесения до участников дорожного движения (ДД) правил ДД являются технические средства организации дорожного движения (ТСОДД). Установка ТСОДД в РФ выполняется в соответствии со стандартом ГОСТ Р 52289-2004 [1].
Традиционно все проекты организации дорожного движения (ОДД) осуществляются в плане: дислокация дорожных знаков и разметки наносится на проект плана дороги. Такое представление является удобным для плоских дорог. Однако для дорог в пересеченной местности и особенно для многоуровневых развязок появляются особенности, связанные с расчетом истинных расстояний, позиционированием знаков по вертикали, видимостью знаков на трехмерных (3D) пространственных кривых и ориентацией их относительно приближающегося автомобиля, а также – со скоростью этого автомобиля (которая меняется на переходных участках). И эти факторы необходимо учитывать как в ходе проектирования, так и при дальнейшей эксплуатации.
Технологии не стоят на месте, развивается 3D-техника и ГИС-технологии. Проектные организации внедряют эти средства, позволяющие решать перечисленные задачи на современном уровне, демонстрировать решения на плазменных экранах и видеопроекторах. В соответствующих стандартах и регламентах, однако, нормирование названных действий и процедур в РФ пока отсутствует.
Целью данной статьи и является оценка и демонстрация возможностей и эффективности трехмерного ГИС-моделирования размещения средств ОДД на транспортных развязках.
Передовым и мощным средством для создания картографической информации и чертежей, а также для создания трехмерных сцен и видеорядов в 3D-пространстве является система ArcGIS компании Esri, признанного лидера рынка геоинформационных систем (ГИС). Использование этого инструментария позволяет по-новому подойти к проектированию ОДД. К основным положениям ГОСТ Р 52289-2004, опираясь на которые можно продемонстрировать новый геоинформационный подход к проектированию размещения средств ОДД, можно отнести следующие:
- Знаки и светофоры (условные обозначения – по таблице А.1 Приложения А названного ГОСТ) размещают таким образом, чтобы они воспринимались только участниками движения, для которых они предназначены, и не были закрыты какими-либо препятствиями (рекламой, зелеными насаждениями, опорами наружного освещения и т.п.), обеспечивали удобство эксплуатации и уменьшали вероятность их повреждения.
- ТСОДД, применение которых было вызвано причинами временного характера (дорожно-ремонтными работами, сезонными особенностями дорожных условий и т.п.) и которые должны быть демонтированы после устранения указанных причин.
- Допускается по согласованию с федеральным органом управления Госавтоинспекции в экспериментальных целях применять технические средства организации движения, не предусмотренные действующими стандартами. В необходимых случаях участников дорожного движения информируют о назначении такого технического средства и устанавливают транспаранты, разъясняющие смысл и значение проводимого эксперимента.
Во всех этих приложениях сквозит мысль о том, что размещение знаков, светофоров, технических средств, не предусмотренных действующими стандартами, необходимо визуально оценить и провести анализ заблаговременно, до момента их установки. Для полноценного восприятия вновь устанавливаемых или перемещаемых средств ОДД, по нашему мнению, полезно оценивать проектные решения в трехмерном пространстве, ставя себя на место участника ДД. В настоящее время, однако, проекты ОДД не оснащаются дополнительной визуализацией, такой как трехмерные сцены или видеоряды, имитирующие восприятие средств ОДД.
Для реализации трехмерного подхода к проектированию средств ОДД, в приложении ArcGIS для работы с трехмерными объектами (ArcScene) необходимо создать трехмерную сцену с 3D-моделью транспортного узла, на котором размещаются средства ОДД, спроектировать на нем дорожные знаки, разметку, искусственные сооружения и представить все это в совокупности c 3D-моделью транспортного узла. Также 3D-сцену для более детального анализа необходимо оснастить объектами реального градостроительного слоя (АЗС, промышленные объекты, различные магистральные и инженерные коммуникации).
Пример такого подхода рассмотрен нами на существующей транспортной развязке Южной части ЗСД с КАД в г. Санкт-Петербург. Вся проектная информация хранится в базе геоданных – модели фирмы Esri, определяющей структуру и правила хранения различных видов данных: векторных и растровых, адресных точек, данных геодезических измерений, и многих других. Моделирование развязки осуществлялось с привлечением САПР Autodesk AutoCAD и Autodesk 3dsMAX. Отображение 3D-модели развязки в приложении ArcScene представлено на рис. 1.
Так как данная развязка является существующей, для условного примера моделирования размещения и перемещения знаков в качестве изначальной была снята реальная дислокация дорожных знаков. В базе геоданных дорожные знаки представлялись в качестве точечного класса пространственных объектов. Для позиционирования дорожных знаков были применены инструменты систем линейных координат ArcGIS. Линейные координаты – это координаты М, привязанные к линейному объекту, в данном случае – к дороге. При помощи инструментов линейных координат дорожные знаки были привязаны к пикетажу дороги. В качестве исходной информации для привязки выступала таблица базы геоданных со знаками на данной развязке, одними из атрибутов которой являлось поле, характеризующее привязку к определенной дороге, и поле, характеризующее номер пикета, на котором расположен данных знак. Также для использования инструментов работы с системами линейных координат все оси дорог были трансформированы в маршруты (routes), которые повторяли геометрию осевых линий дорог и в каждой своей точке имели линейную координату М. При нанесении знаков при помощи инструментов систем линейных координат был создан виртуальный точечный слой на основании данных из таблицы. Также стоит отметить, что в таблицу внесен атрибут (distance), при помощи которого можно задать смещение того или иного знака относительно дороги и, соответственно, отразить это смещение на карте. Удобство позиционирования дорожных знаков инструментами линейных координат в ArcGIS заключается в отсутствии операций по работе с плановым изменением геометрии объектов на карте. Номер пикета расположения знака вносится в таблицу атрибутов, и позиционирование получается весьма точным.
Следующим этапом проектирования стало моделирование библиотеки трехмерных знаков. Размеры дорожных знаков были выполнены согласно ГОСТ 52290-2004. В среде 3dsMAX Создано 42 дорожных знака и 17 знаков маршрутного ориентирования. Каждая модель экспортировалась в формат 3ds и ей присваивалось название согласно номеру по ГОСТ 52290-2004, знакам маршрутного ориентирования присваивались уникальные названия, например, ind1 (рис. 2).
Проектирование дорожных знаков в трехмерной сцене производилось за счет гибкой связи атрибутивной и графической информации в ArcGIS. В дополнение к трехмерной модели развязки в сцену был добавлен точечный класс пространственных объектов дорожных знаков, каждой точке которого было присвоено высотное положение (координата Z) посредством анализа высот дорожного полотна и обочин в местах расположения знаков. В атрибутивную таблицу дорожных знаков было добавлено поле, в котором каждому дорожному знаку присваивался номер по ГОСТ 52290-2004. На основании данной атрибутивной информации в сцене в свойствах класса пространственных объектов дорожных знаков была произведена классификация по этому признаку. По результатам классификации каждой точке была присвоена 3D-модель дорожного знака из созданной ранее библиотеки. Процесс классификации дорожных знаков по номеру в соответствии с ГОСТ 52290-2004 представлен на рис. 3. Таким образом, данный процесс показал, что работа с трехмерными объектами в ArcGIS не ограничивается стандартным набором инструментов для визуализации, а позволяет вносить собственные важные дополнения к проекту и увязывать графическую информацию с атрибутивной.
Задача учета угла поворота 3D-модели знака относительно оси дороги решалась за счет возможности задания его значения в атрибутивной таблице класса пространственных объектов дорожных знаков и ссылки на данное поле в его свойствах в трехмерной сцене (рис. 4).
После завершения вышеописанных этапов проектирования сформировалась трехмерная сцена, в состав которой вошла 3D-модель многоуровневой транспортной развязки с нанесенными на нее дорожными знаками. Данную сцену можно использовать как составную часть проекта ОДД, в которой можно производить анализ расположения нанесенных дорожных знаков, анализировать их обратную видимость, то есть видимость любого знака с любого местоположения на развязке. Также можно производить оценку влияния на видимость знаков иных сооружений и геометрических параметров развязки (рис. 5).
На рис. 6 показан вид с основной магистрали развязки на знаки движения по полосам, а также знаки маршрутного ориентирования, расположенные над проезжей частью. Можно заметить, что знаки расположены очень близко, а знаки направления движения по полосам (3-я от наблюдателя металлическая ферма) закрывают знаки маршрутного ориентирования (4-я от наблюдателя ферма), что негативно сказывается на их восприятии водителями.
Для избавления от этих недочетов программа в режиме реального времени позволяет изменять местоположение знаков и анализировать изменение (улучшение или ухудшение) их видимости. Также существует возможность оценивать расстояние видимости надписей и изображений на знаках маршрутного ориентирования. Эти возможности могут показывать статическое восприятие дорожных знаков. По результатам данного анализа могут быть созданы альбомы по оценке видимости дорожных знаков с критических точек развязки с рекомендациями по изменению местоположения знака (в случае, если анализируется существующая развязка) или с заключением о том, что знаки расположены подобающим образом. В дополнение к описанной аналитической процедуре, при помощи созданной трехмерной сцены существует возможность формировать динамическое восприятие дорожных знаков. Это достигается посредством комплектации видеорядов, моделирующих движение транспортного средства по развязке с разной скоростью. Видеоряды можно записывать, моделируя различные скорости движения камеры, высоту расположения камеры (грузовое или легковое ТС), угол наклона камеры, азимут угла поворота камеры. Все эти возможности могут помочь проводить динамический анализ восприятия дорожных знаков и выносить различные рекомендации. Оценка восприятия на основании данных видеорядов будет достаточно субъективной, но ведь и все участники дорожного движения воспринимают дорожные знаки именно в динамике. Соответственно, на основании анализа данных видеорядов появляется возможность формировать статистические данные, а на их основании уже делать соответствующие выводы. Также данный вариант моделирования может послужить инструментом для обновления данных в стандартах, связанных с размерами шрифтов и количеством символов на знаках маршрутного ориентирования.
По результатам проведенного исследования можно утверждать, что предложенный подход к проектированию мероприятий ОДД характеризуется следующими достоинствами:
- Возможность совместного трехмерного анализа проектных решений конструктива развязки, компонентов реального градостроительного слоя (инженерные коммуникации, фонарные столбы, опоры мостов, рекламные щиты и т.д.) со средствами ОДД. То есть, производить оценку видимости знака при его проектном расположении с учетом иных сооружений и при необходимости в режиме реального времени перемещать его модель в зону лучшей видимости и формировать соответствующие рекомендации.
- Возможность разработки методики совместного проектирования модели развязки, ее сооружений, объектов инфраструктуры и средств ОДД. Комплексное проектирование позволит консолидировать все проектные решения и устранить невязки с меньшими затратами материальных и временных ресурсов.
- Возможность моделирования восприятия знаков индивидуального проектирования участниками дорожного движения. То есть, при просмотре видеорядов, моделирующих движение с различной скоростью, формировать статистику восприятия человеком размеров шрифта на знаках, а также различных его элементов. Данная методика может лечь в основу стандартов изготовления таких знаков при использовании ее в качестве рабочего инструмента.
В качестве заключения может выступать настоятельная рекомендация внедрения 3D-моделирования и технологии геоинформационных систем (ГИС) в практику проектирования размещения технических средств ОДД и создания соответствующей нормативной документации.
Литература
1. ГОСТ Р 52289-2004. Технические средства организации дорожного движения. Правила применения дорожных знаков, разметки, светофоров, дорожных ограждений и направляющих устройств.
 Рис. 1. Представление 3D-модели развязки в приложении ArcGIS ArcScene. |
 Рис. 2. Примеры отображения трехмерных моделей знаков. |
 Рис. 3. Процесс классификации в ArcScene дорожных знаков по номеру в соответствии с ГОСТ 52290-2004. |
 Рис. 4. Процесс задания угла пространственного поворота моделей дорожных знаков в приложении ArcScene. |
 Рис. 5. Вид на съезд развязки с установленными знаками с некоторого заданного местоположения на развязке. |
 Рис. 6. Пример варианта проектирования: вид с основной магистрали развязки на знаки движения по полосам, а также знаки маршрутного ориентирования, расположенные над проезжей частью. |
