1

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 te-

go 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, ksią-

żek, informacji o terenie, przejrzenie stron internetowych,

oczyszczenie mapy rastrowej i przekonwertowanie jej w programie Descartes do po-

staci 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 InRo-

ads (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.

2

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 eks-

presową S2 z drogą klasy GP – ulicą Przyczółkową. Projektowany węzeł znajduje się na tra-

sie projektowanej Południowej Obwodnicy Warszawy łączącej autostradę A2 (węzeł Konoto-

pa) 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].

3

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 miaro-

dajna 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, zapro-

jektowanie 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.

4

Ostatecznie mogłem odczytać układ warstwic, punkty wysokościowe, układ istnieją-

cych 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. otrzyma-

łem w temacie pracy. Dotyczą szczytu porannego, szczyt popołudniowy przyjąłem syme-

tryczny do porannego (patrz rys. III i IV).

Ze względu na ograniczony zakres pracy przyjęto, że nie ma ruchu komunikacji zbio-

rowej.

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 Ursy-

nowa, a w szczycie popołudniowym w stronę węzła „Wał Miedzeszyński”.

Rys. III. Kartogram ruchu dla wariantu 1 – szczyt poranny

5

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 pozosta-

łych jezdni 4,5 metrowymi pasami zieleni i barierami ochronnymi.

W obrębie węzła zdecydowałem się ją przesunąć w kierunku na zachód i zaprojekto-

wać 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 rowe-

rzystów 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].

6

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 półbezpo-

średnią 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.

7

Tab. 1 Kryteria oceny węzła i przypisane im punkty

waga kryteria szczegółowe maks. Liczba miara technicz-

na l. punktów kryteria głow-ne punktów war. 1 war.2 war. 3

straty czasu 13 dt 9 7 9

5 typ i liczba

kolizji 3 3 3

warunki ruchu 40 bezpieczeństwo 14 5 czytelność 5 5 3

4 możliwość 4 4 4 oznakowania

przepustowość 8 PSR 5 4 7

wygoda ruchu pieszego 5 przejścia i drogi 4 4 3 i rowerowego dojścia

suma 40 30 27 29

koszty

5 zajęcie terenu

m2 5 5 2

5 roboty ziemne

m3 5 4 3

koszty 35 koszty budowy 20 5 nawierzchnia

m3 3 2 4

5 obiekty i 5 4 2 infrastruktura

koszty eksploatacji 15 zużycie paliwa 8 6 11

suma 20 26 21 22

wpływ na środowisko

uciążliwość ruchu 15 7 hałas 4 4 5

wpływ na 20 8 spaliny 4 4 5

środowisko rozdzielenie terenu 5 4 4 4

suma 20 12 12 14 możliwość etapowania

możliwość ruchu w 3 2 1 1 łatwość czasie budowy

etapowania 5 łatwość ewentualnego dostosowania do 2 1 0 0 zmiany natężenia

suma 100 suma 5 3 1 1 suma ogólna 100 71 60 66

8

3. Oprogramowanie wspomagające projektowanie węzła

3.1. Oprogramowanie wykorzystane na poszczególnych etapach

projektowania

3.1.1. Oczyszczenie i przekonwertowanie mapy rastrowej do posta-ci wektorowej

3.1.1.1. Podstawowe definicje

Mapa rastrowa (patrz Rys. IX.) – jest wg [12] cyfrową reprezentacją mapy wykona-

nej w konkretnej skali i odwzorowaniu kartograficznym. Najczęściej tworzona poprzez ska-

nowanie 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 za-

leżności 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 ra-

strowych 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],

9

Program WiseImage [http://www.it-

projekt.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 posta-

ci 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 wek-

toryzacji, czyli przetworzyć mapę rastrową na postać mapy wektorowej.

Czynność ta jest bardzo pracochłonna, gdyż w przypadku mocno zniszczonego, ze-

skanowanego dokumentu (a takim dysponowałem), nie da się skorzystać z funkcji automa-

tycznie konwertujących linie. W zeskanowanym, dokumencie który otrzymałem było dużo

nieczytelnych obszarów (patrz Rys. IX.), co bardzo wydłużyło proces tworzenia mapy ra-

strowej.

Różnice przed i po wektoryzacji wyraźnie widać na rysunkach IX i X.

Rys. IX. Fragment mapy rastrowej (zeskanowanego podkładu)

10

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 od-

powiednio usytuować względem siebie. Jednak nie korzystałem z nich, gdyż zestaw narzędzi

MicroStation do obróbki rastrów (przesuwanie rastra, skalowanie, wycinanie, obracanie) wy-

starczyły 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 oddziel-

nie 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.

11

Usunąłem również zniekształcenia powstałe podczas powielania i skanowania w for-

mie ciemnych obszarów (patrz Rys. XI.).

Rys. XI. Obszar rastra zawierający zniekształcenia powstałe podczas powielania i skanowania

Oczyszczona mapę zacząłem wektoryzować. Próbowałem to zrobić metodą półauto-

matyczną, tzn. używając narzędzia Descartesa zaznaczać linię na rastrze, która powinna za-

mieniać 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 (zna-

lezienie tych punktów również nie było proste).

Podczas tego działania skorzystałem z opcji likwidowania z rastra linii już zwektory-

zowanej. Dzięki temu raster powoli zawierał coraz mniej elementów.

Wygodnym narzędziem jest funkcja rozpoznawania tekstów. Była szczególnie przy-

datna 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.).

12

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 ele-

mentem współczesnych programów do geometrycznego projektowania dróg.

Rys. XII. Przykładowy teren utworzony na podstawie punktów rozproszonych bez wprowa-

dzonych linii nieciągłości

13

Rys. XIII. Teren jak na rys. XII. po wprowadzeniu linii nieciągłości

Rys. XIV. Plan warstwicowy wygenerowany w programie InRoads na podstawie istniejącego

NMT

14

Rys. XV. Pochylenia jezdni w barwnej skali pochyleń – widok ogólny

Rys. XVI. Pochylenia jezdni w barwnej skali pochyleń – widok szczegółowy

15

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, mode-

lu 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)

16

Przykłady są pokazane na rys. XII., XIII. i XIX. Na rys. XIX jest wygenerowany nie-

wielki 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 chodnika-

mi 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),

17

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 naj-

pierw ścieżkę, po której poruszała się kamera. Określiłem również rodzaj i parametry oświe-

tlenia.

18

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 Pu-

blicznych, Warszawa 2002

Książki, skrypty, artykuły

5. „Węzły drogowe i autostradowe”, WKiŁ, Warszawa 1998, praca zbiorowa pod redak-

cją 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 projek-

towania 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