Трехмерная визуализация движения транспортных потоков на аварийноопасном участке дороги

П.Г. Марухленко

ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ НА АВАРИЙНО-ОПАСНОМ УЧАСТКЕ ДОРОГИ

Рассмотрены этапы разработки программного обеспечения для моделирования движения транспортных потоков на аварийно-опасном участке дороги. Министерством Транспорта РФ предусмотрены ряд процедур для обеспечения безопасности на аварийных участках, существуют различные методы по выявлению причин ДТП и меры по повышению безопасности дорожного движения. К таким методам относятся и метод конфликтных ситуаций применяемый в случае возникновения конфликта между участником дорожного движения и окружением. В случае использования данного метода целесообразно использовать компьютерное программное обеспечение для построения математической и визуальной моделей, с возможность их дальнейшего анализа. В процессе разработки программного обеспечения требовалось реализовать ряд характерных задач. Создание визуальной модели окружения аварийно-опасного участка дороги, модель должна соответствовать реальному окружению на участке, а также иметь низкополигональную геометрию для экономии ресурсов системы. Построение системы дорожных знаков и разметки соответствующих стандартам. Моделирование циклов работы светофоров, на основе полученных данных от ГИБДД. Проектирование низкополигональных моделей транспортных средств следующих типов: легковой автомобиль, фургон, грузовик, автобус. Подгрузка в реальном времени данных о движении транспортных потоков, с последующей визуализацией с частотой в 24 кадра за секунду. Возможность наблюдения за движением на участке из нескольких статичных камер. Разработанное программное обеспечение представляет собой основу, визуальною модель участка дороги с реализованным на ней движением транспортных потоков, требующую лишь стороннего метода для анализа конфликтных ситуаций. Ключевые слова: транспортные потоки, аварийно-опасный участок, трехмерная визуализация, низкополигональная модель.

Введение

Программный продукт представляет собой основу для визуализации моделирования движения транспортных потоков как на реально существующих аварийно-опасных участках дороги, так и на моделях проектируемых развязок и перекрест-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 408-417. © 2016. П.Г. Марухленко.

УДК 656.13.08

ков. Данную основу можно использовать в широком спектре задач, включая выявления причин дорожно-транспортных происшествий на аварийно-опасном участке дороги.

Программный продукт построен на основе средств библиотеки OpenGL и портируется на различные платформы. В его состав входят модели объектов окружения дорожного участка, такие как здания, деревья, дорожные знаки и т.д., модели различных транспортных средств, циклы работы светофоров.

Уникальность проекта заключается в его универсальность и портативность.

Проект был реализован на основе перекрестка города Ивантеевка, пересечения улиц Новая Слобода и Толмачева. Включает в себя несколько сценариев интенсивности движения транспортных потоков.

Аварийность на дорогах России

Ситуация с безопасностью на дорогах России была и остается серьезной социально-экономической и правовой проблемой.

В РФ ежегодно происходит порядка 150 000 дорожно-транспортных происшествий, более 50 000 связаны с неудовлетворительным условием содержания и обустройством улично-до-рожной сети (таблица).

Статистика также гласит о том, что не смотря на общее снижение аварийности на 1%, число погибших в них возросло так же на 1%, при этом количество аварий связанных с состоянием улиц и дорог увеличилось на четверть. Анализ статистике приводиться в статье журнала «За рулем» [1].

Дорожно-транспортные происшествия и пострадавшие по видам ДТП

Наименование показателя Российская Федерация

ДТП погибло ранено

ДТП и пострадавшие — всего 151 085 19 015 189 960

Совершению которых сопутствовали неудовлетворительные условия содержания и обустройства улично-дорожной сети (НДУ) 50 364 6489 63 295

на пешеходных переходах 9262 580 9637

в городах и населенных пунктах 39 685 3317 47 984

Данные зафиксированы на 09.11.2015

Происшествия такого рода носят систематический характер, и связанно это с аварийной обстановкой на отрезке дорожно-транспортной сети. Подобные участки заносятся в перечень аварийно-опасных участок дорог. Критерии для их определения разместило на своем портале Министерство транспорта. Участок дороги протяженностью в 200 м, для населенных пунктов, число однотипных ДТП, на котором составило более 5 за год, относят к аварийно-опасным и заносят в реестр.

Актуальность программного решения

В настоящее время происходит автоматизация многих производственных процессов в нашей стране. Автоматизация позволяет повысить качество выполняемой работы, а так же сократить время на ее выполнение. Метод конфликтных ситуаций идеально подходит для программной реализации. Использование программного обеспечения позволяет строить как математические, так и визуальные модели конфликтных ситуаций.

Визуальная компьютерная модель позволяет проводить наблюдение за конфликтными ситуациями, как на имеющихся участках дорожного полотна, так и на стадии проектирования нового строительства. Автомобильные потоки транспорта будут строится на основе математической модели движения. Для корректности работы разработки требуется максимально точно передать расположение объектов окружения, визуальное сходство окружения, с реальной обстановкой на участке, а так же величину и интенсивность транспортного потока. Имея перечисленные выше данные, процесс дорожного движения моделируется с необходимой точностью. К преимуществам компьютерной модели можно так же отнести возможность имитации смены времени суток, а так же различных погодных условий.

Данные компьютерной модели позволяют не только установить причину опасности участка дорожного полотна, на ее основе также анализируют различные пути решения [5].

Использование компьютера для математического моделирования конфликтных ситуаций существенно сократить время затрачиваемое на анализ данных о ДТП, а визуализация модели, с учетом значимости окружения при наблюдениях, даст наглядную картину происходящего на участке.

Анализ бизнес процесса выявления аварийности

Рассмотрим модель организации процесса выявления причин возникновения ДТП на аварийном участке. Для данного

Рис. 1. Уровень А0 модели AS-IS

процесса построена функциональная модель, целью которой является выявления процессов, подлежащих автоматизации. Модель AS-IS представлена на рис. 1, 2.

Рис. 2. Декомпозиция АS-IS

Недостатки данной модели заключаются в том, что:

1. Требуется относительно длительное время на подготовку входных данных.

2. Множество сложных математических расчетов, в которых существует вероятность ошибки.

3. На каждом этапе требуется специалист.

В результате реорганизации процесса, было добавлено программное обеспечения, для проведения математических расчетов, построения модели и анализа данных. Модель данного процесса приведена на рис. 3—5.

Реорганизованный процесс модели TO-BE значительно повысил эффективность процесса выявления причин ДТП. Позволяет построить визуальную модель участка дорожного полотна, смоделировать движение автомобильных потоков и с использованием метода конфликтных ситуация выявить причины аварийности на участке. Для процесса требуются только верные входные данные, после все расчеты производятся программой. По окончанию расчетов получаем готовый отчет о проделанном анализе.

Автоматизация процесса выявления причин аварийности на участке обеспечивает повышение производительности, точность расчетов, а так же позволяет проводить анализ без специализированных знаний.

Рис. 3. Уровень А0 модели TO-BE 412

Рис. 4. Первый уровень декомпозиции TO-BE

Рис. 5. Декомпозиция блока «Построить модель участка» в модели TO-BE

Цели проекта

В начале проектирования были поставлены основные цели данного проекта:

• визуализировать данные модели движения транспортных потоков на аварийно-опасном участке;

• создать трехмерную модель узнаваемого окружения аварийно-опасного участка.

Задачи проекта

Анализирую цели проекта, были определены следующие задачи, требующие реализации:

• создать трехмерную модели дорожного полотна и окружения;

• создать трехмерные модели нескольких типов транспортных средств;

• реализовать метод чтения координат транспортных средств из базы данных;

• реализовать метод моделирования циклов работы светофора;

• реализовать наблюдение за сценой с четырех статичных камер.

Реализация проекта

В процессе разработки программного обеспечения требовалось реализовать ряд характерных задач. Создание визуальной модели окружения аварийно-опасного участка дороги, модель должна соответствовать реальному окружению на участке, а так же иметь низкополигональную геометрию для экономии ресурсов системы. Построение системы дорожных знаков и разметки соответствующих стандартам. Моделирование циклов работы светофоров, на основе полученных данных от ГИБДД. Проектирование низкополигональных моделей транспортных средств

Рис. 6. Вид с камеры 1 на перекресток 414

Рис. 7. Вид с камеры 3 на перекресток

следующих типов: легковой автомобиль, фургон, грузовик, автобус. Подгрузка в реальном времени данных о движении транспортных потоков, с последующей визуализацией с частотой в 24 кадра за секунду. Возможность наблюдения за движением на участке из нескольких статичных камер (рис. 6—7).

Программный продукт построенный на основе средств библиотеки OpenGL в среде NetBeans на языке Java, такой выбор был сделал ввиду того, что имеющийся метод для анализа аварийности так же разрабатывался на языке Java.

Модели для проекта были сделаны при помощи трехмерного редактора Blender. При построение моделей главным было количество полигонов в геометрии, а так же соответствие размерам и формам реального объекта. Минимизация количества вершин обусловлена тем, что программ работает в реальном времени и для ее стабильной работы необходимо экономить ресурсы системы. Одной геометрии недостаточно чтобы достичь реализма в сцены. Следующим этапом было — создание развертки моделей и рисование текстур. Все текстуры были нарисованы в программе Artweaver. Главное требование к текстурам было экономия ресурсов (рис. 8).

Рис. 8. Модель жилого дома с текстурой

Заключение

Программный продукт обеспечивает реалистичную визуализацию окружения аварийно-опасного участка, содержит модели различных транспортных средств, позволяет моделировать циклы работы светофоров и движение транспортных потоков на аварийном участке. Результаты проекта используются в ООО «Институт экономико-математических методов в дорожно-транспортных исследованиях». При помощи данного средства представлены конкретные меры по реорганизации перекрестка в г. Ивантеевка Московской области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. За рулем [Электр. ресурс] // Аварии на российских дорогах: ДТП — меньше, погибших — больше, режим доступа: http://www. zr.ra/content/news/732944-avarijnost-na-rossijskix-dorogax-dtp-menshe-pogibshix-bolshe/, дата обращения: 07.12.2015.

2. Федеральный портал проектов нормативных правовых актов [Электр. ресурс] // проект федерального закона «О внесении изменений в Федеральный закон 10 декабря 1995 г. № 196-ФЗ «О безопасности дорожного движения», режим доступа: http://regulation.gov.ru/ projects#npa=39232, дата обращения: 30.11.2015.

3. Помощь по ГОСТам [Электр. ресурс] // Рекомендации по обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах, режим доступа: http://www.gosthelp.ru/text/RekomendaciiRekomendaciip164. html, дата обращения: 14.11.2015.

4. Digital Tutors [Электр. ресурс] // Modeling and Texturing a Next-Gen Building for Games in 3ds Max, режим доступа: http://www.digitaltutors. com/tutorial/2445-Modeling-and-Texturing-a-Next-Gen-Building-for-Games-in-3ds-Max, дата обращения: 1.04.2016.

5. Бадалян А. М., Еремин В. М. Компьютерное моделирование конфликтных ситуаций для оценки уровня безопасности движения на двухполосных автомобильных дорогах — М.: ИКФ «Каталог», 2007. — 240 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Марухленко Павел Геннадьевич — студент, НИТУ «МИСиС».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 408-417. P.G. Marukhlenko

THREE-DIMENSIONAL VISUALIZATION OF TRAFFIC FLOW ON THE ACCIDENT-PRONE ROAD SECTION

This article discusses the steps for the development of software for the simulation of traffic flow on the emergency and dangerous stretch of road.

UDC 656.13.08

The security situation on the roads of Russia has been and remains a serious socio-economic and legal problem. Despite the fact that the total number of accidents has decreased by 1%, the number of accidents associated with the condition of streets and roads has increased by a quarter. Road segment length of 200 meters, for the settlements, the number of the same type of accident, which amounted to more than 5 per year, attributed to accident-prone. Ministry of Transport of the Russian Federation provided a number of procedures to ensure safety at emergency stations, there are various methods to determine the causes of accidents and measures to improve road safety. These methods include a method of conflict situations and used in the event of a conflict between road users and the environment. When using this method, it is advisable to use computer software to construct a mathematical and visual models, with the possibility of their further analysis.

In the process of software development required to implement a number of specific tasks. Creating a visual model of the environment emergency dangerous section of the road, the model should correspond to the actual environment in the area and have a low poly geometry to conserve system resources. Building a system of road signs and markings in accordance with standards. Simulation of cycles of traffic lights, on the basis of data received from the traffic police. Designing low-poly models of vehicles of the following types: passenger car, van, truck, bus. Uploading the real-time data on traffic flow, followed by visualization with a frequency of 24 frames per second. The ability to monitor the traffic on the site of several static cameras.

The developed software is based, visual model of the road with her realized traffic flow, requiring a third-party method for the analysis of conflict situations.

Key words: traffic flow, accident-prone land, three-dimensional imaging, low-poly model.

AUTHOR

Marukhlenko P.G., Student,

National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, e-mail: ud@msmu.ru.

REFERENCES

1. Za rulem. Avariina rossiyskikh dorogakh: DTP — men'she, pogibshikh — bol'she, available at: http://www.zr.rn/content/news/732944-avarijnost-na-rossijskix-dorogax-dtp-men-she-pogibshix-bolshe/ (accessed 07.12.2015).

2. Federal'nyyportalproektov normativnykh pravovykh aktov, proekt federal'nogo z,akona «O vnesenii izmeneniy v Federal'nyy zakon 10 dekabrya 1995 g. № 196-FZ «O bezopasnosti dorozhnogo dvizheniya», available at: http://regulation.gov.ru/projects#npa=39232 (accessed 30.11.2015).

3. Pomoshch'po GOSTam. Rekomendatsiipo obespecheniyu bezopasnosti dvizheniya na avtomobil'nykh dorogakh, available at: http://www.gosthelp.ru/text/RekomendaciiReko-mendaciip164.html (accessed 14.11.2015).

4. Digital Tutors. Modeling and Texturing a Next-Gen Building for Games in 3ds Max, available at: http://www.digitaltutors.com/tutorial/2445-Modeling-and-Texturing-a-Next-Gen-Building-for-Games-in-3ds-Max (accessed 1.04.2016).

5. Badalyan A. M., Eremin V. M. Komp'yuternoe modelirovanie konfliktnykh situatsiy dlya otsenki urovnya bezopasnosti dvizheniya na dvukhpolosnykh avtomobil'nykh dorogakh (Computer simulation of conflicts to assess safety of traffic on two-lane motor roads), Moscow, IKF «Katalog», 2007, 240 p.