Modelação procedimental de ambientes rodoviários para simulação de condução

50 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução Carlos José Ribeiro Campos Programa Doutoral em Engenharia Informática Orientador: Prof. António Fernando Coelho Coorientador: Prof. João Miguel Leitão ii Copyright © Carlos José Ribeiro Campos, 2015 iii Para a minha família iv v Agradecimentos Gostaria de começar por agradecer ao Professor Miguel Leitão, a confiança, o apoio, a dedicação, a paciência, os conselhos e a orientação científica prestada ao longo da realização deste trabalho. Gostaria também de agradecer os ensinamentos na elaboração dos artigos científicos e em particular o especial contributo na revisão da tese. Gostaria também de agradecer ao Professor António Coelho, o incentivo na realização do meu trabalho de doutoramento, a disponibilidade na publicação e revisão dos artigos científicos. Gostaria também de agradecer o apoio contínuo, por acreditar na concretização deste trabalho e em especial o contributo na revisão da tese. Aos professores Miguel Leitão e António Coelho o meu agradecimento por contribuírem para o meu desenvolvimento como docente e investigador. Um agradecimento especial ao Professor Carlos Rodrigues, pelo apoio incondicional prestado, os conhecimentos transmitidos em engenharia de vias, a dedicação e os bons conselhos dados para levar a bom porto a realização deste trabalho. Um particular agradecimento ao Professor Ângelo Jacob, pela amizade, o apoio, os ensinamentos em engenharia de vias e o indispensável acompanhamento. Aos meus colegas do Instituto Superior de Engenharia do Porto, pela amizade, apoio e incentivo indispensáveis ao longo da realização deste trabalho. Aos meus colegas de curso, a colaboração e o apoio prestados no desenvolvimento deste trabalho. A todos os meus amigos, que apesar do meu afastamento não deixaram de estar presentes para apoiarem a realização deste projeto de investigação. Aos meus pais pela compreensão da minha ausência e o apoio prestado durante o desenvolvimento desta tese. O meu agradecimento a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho. O meu especial agradecimento, como não poderia de deixar de ser, à minha família, Patrícia, Lara e Tomás, por tudo! vi vii Resumo A utilização de ambientes virtuais para fins científicos, que envolvam simulação de condução, requerem modelos tridimensionais de estradas que obedeçam aos elevados requisitos de especificação relativos a cada trabalho experimental. A criação de modelos rodoviários com este nível de detalhe requere a prévia definição das redes rodoviárias e dos respetivos traçados. Dependendo dos requisitos específicos de cada trabalho experimental, os traçados das estradas podem ser obtidos através do trabalho dedicado de especialistas em vias de comunicação. O recurso a especialistas de vias pode tornar o processo de obtenção de traçados demorado e dispendioso em termos de recursos. A simulação de condução para fins científicos, para além do modelo visual, requer ainda uma descrição semântica de todo o ambiente gerado de forma a permitir a parametrização de atores, parametrização de eventos de tráfego, a produção de relatórios, entre outros. Esta dissertação apresenta o trabalho desenvolvido no âmbito da conceção e implementação de um método integrado de geração procedimental de ambientes rodoviários adequados para simulação de condução para fins científicos. O método proposto integra num único processo todas as fases de geração de ambientes rodoviários, desde os nós de ligação até à geração dos modelos geométrico e semântico. A geração de ambientes por fases, permite que o preparador do modelo possa interagir em qualquer etapa do processo no sentido de impor os requisitos específicos de cada trabalho experimental. O método concebido reduz significativamente o recurso a especialistas em vias de comunicação para a elaboração de definições de redes e de traçados de estradas. O processo de geração de estradas foi inspirado nos métodos utilizados em engenharia de vias, produzindo traçados segundo as normas e as boas práticas em projeto de vias. Os traçados gerados possuem caraterísticas geométricas semelhantes às estradas encontradas no mundo real. A descrição semântica gerada permite a parametrização procedimental de atores no ambiente simulado, a produção de relatórios relativos à experiência realizada e a parametrização de eventos de tráfego específicos. Os modelos rodoviários gerados são adequados à realização de trabalho científico no simulador de condução. viii ix Abstract The use of virtual environments aimed to scientific purposes, integrating driving simulation, require three-dimensional road models that must obey to the detailed standards of specification for these scientific experiments. The creation of road models with this level of quality requires previous definition of the road networks and the road paths. Depending of each experimental work, the road paths can be obtained through the dedicated work of roadway design specialists, resulting in a long time consuming process. The driving simulation for scientific purposes also requires a semantic description of all elements within the environment in order to provide the parameterization of actors during the simulation and the production of simulation reports, and others. This thesis presents a method to automatically generate road environments suitable to the implementation of driving simulation experiences. This method integrates every required step for the modelling of road environments, from the interchanges nodes to the generation of the geometric and the semantic models. The human supervisor can interact with the model generation process at any stage, in order to meet every specific requirement of the experimental work. The proposed method reduces the workload involved in the initial specification of the road network and significantly reduces the use of specialists for preparing the road paths of all roadways. The proposed method was inspired in the procedures used in road engineering, producing road paths definitions according the design standards, current practices in road design, thus producing roads similar to those found in the real world. The generated semantic description allows procedural animation of actors in the simulated environment. The models are thus suitable for conducting scientific work in a driving simulator. xvi xvii Lista de Figuras Arquitetura geral do simulador. .............................................................. 15 Sala de simulação e posto de condução. ................................................. 15 Sala de controlo. ..................................................................................... 16 Blocos funcionais do simulador de condução. ........................................ 17 Sistema de simulação de som. ................................................................ 19 Painel de instrumentos. ........................................................................... 21 Sistema ACC. .......................................................................................... 21 Sistema Telnav. ....................................................................................... 22 Sistema de feedback de força. ................................................................. 23 Figura 3.1 Representação da clotóide (InIR, 2010). ................................................ 39 Figura 3.2 Curva composta em planta. ..................................................................... 40 Figura 3.3 Combinação desejável de raios do traçado em planta (InIR, 2010). ...... 42 Figura 3.4 Sinal da concordância. ............................................................................ 43 Figura 3.5 Perfil longitudinal. .................................................................................. 43 Figura 3.6 Sinal do trainel. ....................................................................................... 43 Figura 3.7 Representação esquemática da sobrelevação (InIR, 2010). .................... 46 Figura 3.8 Perfil transversal típico. .......................................................................... 46 Figura 3.9 Sinalização de um cruzamento. .............................................................. 47 Figura 3.10 Estrada de montanha sinuosa. ............................................................. 48 Figura 3.11 Estrada sinuosa. ................................................................................... 49 Figura 3.12 Tangente ao arco no ponto S (Jia,2014). ............................................. 50 Figura 3.13 Curvatura de um traçado. .................................................................... 50 Figura 3.14 Representações do eixo da via (plano e orientação). .......................... 53 Figura 3.15 Representação do eixo da via pelo seno do azimute. .......................... 53 Figura 3.16 DFT para o traçado exemplo. .............................................................. 54 Figura 3.17 DFT para o traçado da estrada nacional N105. ................................... 54 Figura 3.18 DFT para o traçado da autoestrada A25. ............................................. 55 Figura 3.19 DFT para os traçados da autoestrada e estrada nacional. .................... 55 Figura 4.1 Geração do modelo visual em camadas (Smelik, 2008). ........................ 58 Figura 4.2 Ambiente rodoviário urbano (Thomas, 2000). ....................................... 59 Figura 4.3 Rede hierárquica de estradas (Galin, 2011). ........................................... 60 Figura 4.4 Visão da cidade (Teoh, 2008). ................................................................ 61 Figura 4.5 Geração de redes por tensor fields (Chen, 2008). ................................... 61 Figura 4.6 Geração da rede primária (Kelly, 2008). ................................................ 62 xviii Figura 4.7 Avaliação local da trajetória da estrada (Galin, 2010). ........................... 63 Figura 5.1 Arquitetura geral. ..................................................................................... 65 Figura 5.2 Refinamento da rede de autoestradas. ..................................................... 70 Figura 5.3 Rede de autoestradas gerada. ................................................................... 71 Figura 5.4 Rede topológica de estradas. ................................................................... 72 Figura 5.5 Geração do traçado da ligação. ................................................................ 72 Figura 5.6 Zona classificada. .................................................................................... 73 Figura 5.7 Construção em ponte. .............................................................................. 74 Figura 5.8 Construção em túnel. ............................................................................... 74 Figura 5.9 Movimento de terras. ............................................................................... 75 Figura 5.10 Volume do movimento de terras. ......................................................... 75 Figura 5.11 Geração dos vértices do corredor. ....................................................... 78 Figura 5.12 Curva composta simétrica. ................................................................... 79 Figura 5.13 Desenvolvimento da clotóide. ............................................................. 80 Figura 5.14 Levantamento da cota do terreno. ........................................................ 82 Figura 5.15 Concordância vertical. ......................................................................... 82 Figura 5.16 Concordância em perfil longitudinal. .................................................. 83 Figura 5.17 Ângulo de inclinação lateral. ............................................................... 85 Figura 5.18 Sobrelevação em curva. ....................................................................... 86 Figura 5.19 Colocação da sinalização vertical. ....................................................... 87 Figura 5.20 Cota do terreno sob a via. .................................................................... 88 Figura 5.21 Cota do terreno com taludes. ............................................................... 89 Figura 5.22 Geração dos modelos geométricos. ..................................................... 95 Figura 5.23 Tira de triângulos. ................................................................................ 95 Figura 5.24 Cálculo dos Vértices dos polígonos da via. ......................................... 96 Figura 6.1 Arquitetura geral das implementações. ................................................... 99 Figura 6.2 Geração de nós de ligação. .................................................................... 100 Figura 6.3 Aplicação interativa de geração da rede. ............................................... 101 Figura 6.4 Geração do traçado por níveis. .............................................................. 102 Figura 6.5 Taludes de escavação e aterro. .............................................................. 106 Figura 6.6 Talude de escavação (esq.) e aterro (dir.). ............................................. 106 Figura 6.7 Modelo da estrada. ................................................................................ 114 Figura 6.8 Estrutura hierárquica da estrada. ........................................................... 114 Figura 6.9 Sinalização horizontal e vertical. ........................................................... 116 Figura 6.10 Ambiente rodoviário. ......................................................................... 116 Figura 6.11 Divisão do terreno em células. ........................................................... 117 Figura 6.12 Árvore hierárquica do terreno. ........................................................... 117 xix Figura 7.1 Nós de ligação organizados por tipologia. ............................................ 121 Figura 7.2 Rede topológica de autoestradas. .......................................................... 122 Figura 7.3 Rede topológica de estradas. ................................................................. 122 Figura 7.4 Capitais de distrito ligas por autoestrada. ............................................. 123 Figura 7.5 Largura de referência para a estrada nacional ...................................... 126 Figura 7.6 Largura de referência para a autoestrada. ............................................. 126 Figura 7.7 Ligação inicial entre dois nós. .............................................................. 127 Figura 7.8 Hipóteses de traçado do corredor de 5 km de largura. .......................... 128 Figura 7.9 Traçados em alinhamentos retos da nacional(esq.) e autoestrada(dir.). 136 Figura 7.10 Traçado em alinhamentos retos e em planta. .................................... 137 Figura 7.11 Traçado em planta da estrada nacional. ............................................ 138 Figura 7.12 Traçado em planta da autoestrada. .................................................... 140 Figura 7.13 Relevo do terreno e trainéis da estrada nacional. .............................. 143 Figura 7.14 Relevo do terreno e trainéis da autoestrada. ...................................... 144 Figura 7.15 Vista 3D do traçado rodoviário da autoestrada. ................................ 145 Figura 7.16 Traçados em altimetria da estrada nacional e autoestrada. ............... 145 Figura 7.17 Ambiente rodoviário da estrada nacional. ......................................... 147 Figura 7.18 Ambiente rodoviário da autoestrada. ................................................ 148 Figura 7.19 Ambiente rodoviário com sinalização de trânsito. ............................ 148 Figura 7.20 Ambiente de simulação com veículos. .............................................. 149 Figura 7.21 Ambiente rodoviário com taludes de escavação e aterro. ................. 149 Figura 8.1 DFT para o traçado da estrada nacional gerada. ................................... 160 Figura 8.2 DFT para o traçado da autoestrada gerada. ........................................... 161 Figura 8.3 Avaliação do traçado dos corredores. ................................................... 164 Figura 8.4 Avaliação do traçado da estrada nacional. ............................................ 166 Figura 8.5 Avaliação do traçado da autoestrada. ................................................... 166 Figura 8.6 Avaliação do ambiente rodoviário da estrada nacional. ....................... 168 Figura 8.7 Avaliação do ambiente rodoviário da autoestrada. ............................... 168 Figura 8.8 Avaliação dos ambientes e da simulação. ............................................. 170 xx xxi Lista de Tabelas Tabela 3.1 Extensão das redes rodoviárias previstas nos PRN 85 e PRN 2000. ...... 34 Tabela 3.2 Extensão das retas em função da velocidade de base (InIR, 2010). ....... 41 Tabela 3.3 Raios das curvas circulares em planta (InIR, 2010). .............................. 41 Tabela 3.4 Parâmetro (A) da clotóide (InIR, 2010). ................................................. 39 Tabela 3.5 Inclinação máxima dos trainéis (InIR, 2010). ......................................... 44 Tabela 3.6 Raios das concordâncias em perfil longitudinal (InIR, 2010). ............... 44 Tabela 3.7 Índices de sinuosidade para rios (Mueller, 1968). .................................. 49 Tabela 3.8 Índice de sinuosidade para traçados de estradas reais. ........................... 49 Tabela 3.9 Índice de curvatura para traçados de estradas reais. ............................... 51 Tabela 3.10 Índice de curva para traçados de estradas reais. .................................. 52 Tabela 5.1 Matriz de ligações entre nós. .................................................................. 67 Tabela 5.2 Largura transversal de referência. ........................................................... 76 Tabela 5.3 Parâmetros utilizados para definição dos corredores (km). .................... 77 Tabela 5.4 Piquetagem em perfil longitudinal. ......................................................... 84 Tabela 5.5 Caraterísticas do perfil transversal tipo (InIR, 2010). ............................ 84 Tabela 5.6 Definição dos corredores. ....................................................................... 91 Tabela 5.7 Definição da estrada. ............................................................................... 92 Tabela 5.8 Definição do traçado em planta. ............................................................. 92 Tabela 5.9 Definição do traçado em perfil longitudinal. .......................................... 92 Tabela 5.10 Definição da sinalização horizontal. .................................................. 93 Tabela 5.11 Definição de sinalização vertical. ....................................................... 93 Tabela 5.12 Definição de objetos. ........................................................................... 94 Tabela 5.13 Movimentações de terras. .................................................................... 94 Tabela 5.14 Pontes e túneis. .................................................................................... 94 Tabela 7.1 Nós de ligação e respetiva população. .................................................. 120 Tabela 7.2 Extensão da rede real e da rede gerada (km). ....................................... 123 Tabela 7.3 Definição topológica da rede de estradas. ............................................ 124 Tabela 7.4 Tempos de geração de redes rodoviárias. ............................................. 125 Tabela 7.5 Valores de custo dos indicadores considerados. ................................... 128 Tabela 7.6 Hipóteses de corredores de 5km largura (nacional). ............................. 130 Tabela 7.7 Hipóteses de corredores de 5km largura (autoestrada). ........................ 130 Tabela 7.8 Hipóteses de corredores de 1km de largura (nacional). ........................ 131 Tabela 7.9 Hipóteses de corredores de 1km de largura (nacional, cont.). .............. 132 Tabela 7.10 Hipóteses de corredores de 1km de largura (autoestrada). ............... 133 xxii Tabela 7.11 Hipóteses de corredores de 1km de largura (autoestrada, cont.). ...... 134 Tabela 7.12 Traçado final em alinhamentos retos (nacional). ............................... 135 Tabela 7.13 Traçado final em alinhamentos retos (autoestrada). .......................... 135 Tabela 7.14 Caraterização da estrada nacional. ..................................................... 136 Tabela 7.15 Dados do traçado em planta (nacional). ............................................ 139 Tabela 7.16 Dados do traçado em planta (autoestrada). ........................................ 141 Tabela 7.17 Dados do traçado em perfil longitudinal (nacional). ......................... 143 Tabela 7.18 Dados do traçado em perfil longitudinal (autoestrada). ..................... 144 Tabela 7.19 Tempos de geração de traçados rodoviários. ..................................... 146 Tabela 7.20 Definição do traçado em alinhamentos retos (m). ............................. 150 Tabela 7.21 Descrição do traçado em planta (m). ................................................. 151 Tabela 7.22 Descrição do traçado em perfil longitudinal (m). .............................. 151 Tabela 7.23 Especificação de um ambiente de simulação. .................................... 152 Tabela 7.24 Especificação do perfil transversal. ................................................... 153 Tabela 7.25 Especificação da sinalização horizontal e vertical. ............................ 153 Tabela 7.26 Representação do eixo da via (vértices). ........................................... 154 Tabela 8.1 Índice de sinuosidade dos traçados gerados. ......................................... 158 Tabela 8.2 Índice de curvatura dos traçados gerados. ............................................. 159 Tabela 8.3 Índice de curva dos traçados gerados. ................................................... 159 Introdução A modelação procedimental de ambientes rodoviários é uma área de investigação de grande interesse, que se dedica à automatização da geração dos modelos tridimensionais dos elementos integrantes. Estes ambientes podem ter como vertente de aplicação, não só o entretenimento, mas também aplicações científicas, como a simulação de condução. Uma alternativa à realização de experiências de condução em ambiente real é a simulação de condução que, para além de um evidente aumento das condições de segurança, permite o controlo e monitorização de diferentes variáveis difícil de atingir em condições de tráfego real. Os simuladores de condução são cada vez mais uma ferramenta de estudo muito importante em áreas muito diversas, nomeadamente na psicologia, ergonomia e na engenharia rodoviária. Os simuladores permitem o controlo e estudo isolado de variáveis que podem influenciar o comportamento dos condutores, garantindo-se sempre as mesmas condições de realização dos testes experimentais. A simulação de condução permite a realização de estudos experimentais impraticáveis em contexto real, uma vez que reflete condições de total segurança para os participantes em eventos de tráfegos de alto risco, como por exemplo, o estudo de manobras de ultrapassagem com risco de colisão frontal. Independentemente do objetivo do estudo, a realização de experiências num simulador de condução exige a prévia preparação de modelos de ambientes rodoviários representativos do país ou região que se pretende simular. As estradas constituintes de uma rede, devem possuir características geométricas semelhantes às encontradas no mundo real e serem concebidas de acordo com as normas de traçado em vigor e as práticas correntes em projeto de vias. Um modelo de um ambiente virtual com alguma complexidade pode facilmente atingir várias dezenas de quilómetros de estrada o que torna impraticável a sua especificação de forma manual. A geração de modelos de Capítulo 1 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 2 estradas com o nível de qualidade exigido para simulação de condução requer a prévia definição dos traçados rodoviários. A conceção de traçados, quando realizada por especialistas da área de projeto, pode-se tornar numa tarefa demorada e bastante dispendiosa de recursos, mesmo recorrendo a ferramentas de auxílio, como o AutoCAD Civil 3D 1 . A modelação procedimental de ambientes rodoviários apresenta-se assim como uma alternativa promissora para a produção de traçados realistas de redes de estradas. Após serem obtidas as definições dos traçados da rede rodoviária é ainda necessário que o preparador do modelo despenda recursos para proceder à geração dos modelos geométricos. A geração de modelos geométricos de estradas a partir das definições dos traçados pode ser otimizada utilizando ferramentas de modelação automáticas (Campos, 2007b). Adicionalmente, para além da geração dos modelos geométricos dos traçados, ainda é necessário proceder à edição do modelo de terreno em função das definições das estradas. Desta forma o modelo visual do ambiente rodoviário será apresentado sem falhas de integração entre os diferentes elementos constituintes da cena, estradas e terreno. Para a preparação de experiências de condução é preciso criar um conjunto de informação relativa ao ambiente de simulação devidamente organizada e estruturada (Leitão, 2000). Os simuladores de condução destinados a estudo científico, tipicamente requerem duas representações distintas mas correlacionadas para especificar um mesmo ambiente. Uma destas definições contém as representações geométricas dos objetos e as suas propriedades visuais e destina-se unicamente ao processo de visualização. Para a implementação desta representação utilizam-se frequentemente formatos de ficheiros conhecidos que permitem uma organização otimizada para a visualização em tempo real. Sempre que se deseje parametrizar o comportamento de atores ou avaliar desempenhos de participantes humanos, é fundamental que outros níveis de informação coexistam com a informação geométrica (Thomas, 2000; Ostadabbas, 2011). A outra representação contém informação semântica, que facilita a consulta em tempo real do ambiente rodoviário. Esta definição incluí normalmente representações de alto nível da rede viária, dos veículos, da sinalização e de todos os outros elementos cuja consulta rápida é importante para a simulação e para o controlo dos cenários. Esta representação semântica é requerida para a colocação de atores, por exemplo peões ou outros veículos para além daquele que é conduzido pelo utilizador, que interagem diretamente com o ambiente dinâmico de simulação. Adicionalmente, é também 1 www.autodesk.pt/products/autocad-civil-3d/overview Introdução 3 utilizada para a produção de relatórios relativos à experiência de simulação de condução realizada, possibilitando o posterior tratamento e análise de dados. Na preparação destas representações, geométrica e semântica, deve ter-se um cuidado especial, nomeadamente na organização hierárquica da cena, pois dessa organização resulta uma boa qualidade da simulação. Assim como o desempenho dos sistemas de síntese de imagem pode ser drasticamente afetado pela qualidade das representações e organização dos modelos tridimensionais, também a eficiência dos processos de simulação física e produção de resultados é normalmente dependente da qualidade e organização da informação semântica integrada. As ferramentas tradicionais de modelação de ambientes virtuais normalmente não permitem a criação conjunta destas duas representações, semântica e geométrica. Para permitir um processo totalmente controlável de geração dos ambientes rodoviários, deve ser possível ao preparador da experiência interagir ao longo do processo, editando as definições geradas em qualquer fase, de modo a impor os requisitos particulares de cada trabalho experimental. 1.1 Motivação Os procedimentos utilizados na conceção e construção de vias rodoviárias encontramse definidos e normalizados com sucesso no âmbito da implementação de estradas reais. A modelação de ambientes rodoviários de acordo com os procedimentos utilizados em projeto de vias reais coloca-se como um enorme desafio a vencer, não só pela abrangência do tema à área científica de engenharia de vias como também na área da modelação 3D. Dedicando a este tema o esforço e o empenho merecidos, estou certo de que resultados de elevada qualidade poderão surgir. A motivação pessoal para a realização deste projeto surge também no decurso do trabalho de investigação anteriormente desenvolvido, na área da computação gráfica. Desde o trabalho final de curso da licenciatura, em 2002, que estou envolvido na preparação de ambientes rodoviários adequados para a realização de experiências científicas no simulador de condução DriS da FEUP, onde tenho colaborado com equipas multidisciplinares em diversos projetos de investigação em múltiplas áreas científicas. Foi também no âmbito do DriS que realizei o trabalho de investigação apresentado na minha tese de mestrado em 2006, sobre a geração automática de ambientes rodoviários de grandes dimensões a partir de dados de projeto. O tema tem também um interesse prático para o aperfeiçoamento e melhoria do simulador de condução DriS, proporcionando uma rápida e eficiente preparação de experiências. A realização deste trabalho de investigação vai também de encontro às necessidades das instituições às quais estou ligado, o Instituto Superior de Engenharia do Porto, como Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 10 No capítulo 4, são apresentados os trabalhos mais relevantes relacionados com a modelação de ambientes virtuais, onde na secção 4.1, são apresentados os trabalhos dedicados especificamente à modelação de ambientes rodoviários. Na secção 4.2 são apresentados os trabalhos desenvolvidos na geração de redes rodoviárias. Na secção 4.3 são referidos os trabalhos desenvolvidos mais relevantes na área da geração de traçados de estradas. No capítulo 5, dedicado à apresentação do método proposto para a geração procedimental de ambientes rodoviários para simulação de condução, aborda na secção 5.1, a geração de nós de ligação e a sua organização por tipologia. A definição topológica da rede rodoviária é referida na secção 5.2. Na secção 5.3 é apresentada a geração do traçado rodoviário de estradas. A definição da sinalização e edição do modelo de terreno em função da rede rodoviária são descritas na secção 5.4. Na secção 5.5 é referida a interação com o preparador do modelo de ambiente e geração da descrição semântica. Uma abordagem a geração dos modelos geométricos é apresentada na secção 5.6. No capítulo 6, dedicado à implementação do protótipo funcional para a geração de ambientes rodoviários, é descrita nas secções 6.1 e 6.2 a implementação do módulo de geração de nós e geração da rede topológica de estradas. É ainda apresentada a aplicação interativa desenvolvida no âmbito da geração da rede topológica. Na secção 6.3 é descrito o módulo de geração do traçado rodoviário de estradas, desde a geração de corredores, traçado em planta e traçado em perfil longitudinal. A implementação dos módulos de sinalização e edição do modelo de terreno é descrito na secção 6.4. Na secção 6.5 é descrita a estrutura de dados concebida para a especificação de um ambiente rodoviário. Por último na secção 6.6 é descrita a implementação do módulo de geração dos modelos geométricos das estradas, da sinalização e do modelo de terreno. No capítulo 7, são apresentados os modelos produzidos pelo protótipo funcional implementado. Para demonstrar a funcionalidade do método concebido, são apresentados em detalhe dois tipos de traçado rodoviário, autoestrada e estrada nacional. Na secção 7.1 é apresentada a definição da rede rodoviária gerada. As definições dos corredores, dos traçados em planta e dos traçados em perfil longitudinal das estradas produzidas, são apresentadas na secção 7.2. Os modelos visuais dos ambientes gerados são apresentados na secção 7.3. Na secção 7.4 é apresentada a especificação de um modelo de ambiente de simulação. No capítulo 8, são apresentados os resultados da avaliação realizada recorrendo aos indicadores de sinuosidade apresentados na secção 3.6. Estes resultados são discutidos na secção 8.1. Na secção 8.2 são apresentados os resultados da avaliação experimental realizada em laboratório recorrendo a especialistas da área de projeto e a utilizadores mais jovens. São apresentados e discutidos os resultados obtidos na análise de dados de projeto dos traçados concebidos e dos modelos visuais apresentados em simulação. Na Introdução 11 secção 8.3 são apresentados os comentários recebidos por parte dos participantes no decorrer da avaliação experimental em laboratório. No capítulo 9, na secção 9.1 são apresentadas as conclusões finais retiradas da realização deste trabalho de investigação. Na secção 9.2 são apontados os desenvolvimentos futuros a realizar no sentido de melhorar o processo concebido de geração procedimental de ambientes rodoviários para simulação de condução. Por último são apresentadas as referências bibliográficas que suportaram o desenvolvimento deste trabalho, nomeadamente no estudo do estado da arte, conceção e implementação do protótipo funcional. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 12 Simulação de Condução Um Simulador de condução define-se como sendo a união de um conjunto de elementos que interagem entre si, como por exemplo som e imagem, recriando situações de tráfego real, num ambiente virtual (Leitão, 1997). Assim, a simulação de condução apresentase com uma alternativa à realização de experiências de condução em ambiente real. Os simuladores de condução com fins científicos são cada vez mais uma ferramenta de estudo importante em áreas diversas, como por exemplo a psicologia, a ergonomia e a engenharia rodoviária. Em psicologia, os simuladores são importantes para a realização de estudos relacionados com a avaliação dos comportamentos dos condutores. Por exemplo, avaliar a interferência da realização de tarefas secundárias, como o uso de telemóvel, sistemas de navegação ou sistemas de informação de tráfego, na tarefa principal de condução. Os simuladores são também utilizados em ergonomia, para realização de estudos de interação do condutor com os sistemas embarcados (In Vehicle Information System, IVIS), como por exemplo sistemas de ajuda à navegação (Global Positioning System, GPS) ou sistemas de telefone móvel. Em engenharia de vias, os simuladores de condução são usados para estudos dos traçados, não só os que ainda se encontram em fase de projeto, permitindo experimentar o traçado final com condutores reais, mas também os já implementados na realidade, possibilitando por exemplo o estudo de fatores que propiciem a condução de risco. Uma vez que as experiências se realizam em ambiente simulado, pode-se ainda elevar a prática de condução em situações de perigo, sem que daí resulte qualquer risco para o participante. Em engenharia de tráfego, possibilitam o estudo de manobras de ultrapassagem com risco de colisão frontal em vias com dois sentidos, o estudo da influência da largura das bermas na velocidade praticada pelos condutores, ou outros. Capítulo 2 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 14 2.1 Simulador de condução DriS O simulador de condução DriS (Driving Simulator, DriS) foi desenvolvido integralmente em Portugal por uma equipa multidisciplinar e pode ser classificado como um dos melhores simuladores de base fixa existentes na Europa (Leitão, 1997). O simulador de condução DriS encontra-se no laboratório de análise de tráfego, do departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. O seu desenvolvimento começou por volta do início da década de noventa, tendo vindo a ser melhorado a nível de hardware e software. A primeira arquitetura era constituída por uma estação gráfica Silicon Graphics Onyx RealityEngine, a qual obrigava a um sistema de ar condicionado vocacionado unicamente para a sala onde esta se encontrava instalada. Atualmente o simulador de condução é baseado num computador com processador Intel-Core i5 3.3GHz, com 8GB de memória RAM e com uma placa gráfica Nvidia GeForce GTX460. Neste momento para além da arquitetura de simulação, pode-se contar com a presença de um veículo real, devidamente instrumentados, como posto de condução e com a possibilidade de simular feedback de força no volante (Campos, 2007a). A arquitetura deste simulador pode ser dividida nos seguintes elementos:  Sala de simulação e posto de condução;  Sala de controlo e preparação de experiências;  Sistema de simulação principal e síntese de imagem;  Sistema de projeção de imagem;  Simulação de som 3D;  Sistema de painel virtual de instrumentos;  Sistema de feedback de força no volante do veículo conduzido;  Sistema ACC (Adaptive Cruise Control);  Sistema de navegação;  Módulo de produção de relatórios. A arquitetura geral do simulador de condução encontra-se ilustrada na figura 2.1, onde se pode observar a integração dos diferentes sistemas. Simulação de Condução 15 Arquitetura geral do simulador. 2.1.1 Sala de simulação e posto de condução A realização de estudos experimentais de simulação de condução decorre numa sala especialmente preparada para o efeito. Esta sala onde se encontra o posto de condução, está revestida por um material que não propicia a reflexão de luz. Assim consegue-se um ambiente totalmente controlado durante a realização das experiências. Para permitir uma boa qualidade de projeção de imagem e total controlo de luminosidade, foram instaladas cortinas de material opaco de modo a não permitir a entrada de luz do exterior. Na sala de simulação pode-se encontrar um sistema de projeção de imagem, constituído por um projetor e uma tela. O posto de condução é constituído por um veículo real (Volvo 440 turbo) que foi instrumentado à medida. Na figura 2.2, apresentam-se imagens da sala de simulação e respetivo posto de condução. Sala de simulação e posto de condução. A instrumentação integrada no veículo inclui sensores de atuação nos pedais, da embraiagem, do travão e do acelerador. O veículo possui também instrumentação para Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 16 leitura da velocidade engrenada, indicadores de mudança de direção, leitura da posição da chave de ignição e leitura de todos os controlos de luzes. A leitura da posição da embraiagem é efetuada através do acionamento mecânico, por rodas dentadas, de um potenciómetro de precisão. A medida de ação de sobre o pedal de travagem é obtida através de um transdutor de pressão instalado no circuito hidráulico de travagem próprio do veículo. A posição do pedal acelerador é obtida com um potenciómetro instalado na borboleta de combustível originalmente pertencente ao veículo. A indicação da velocidade engrenada pelo condutor é obtida através de uma caixa de velocidades previamente instrumentada pertencente a um autocarro, que foi devidamente instalada no veículo do simulador de condução. Foi também instalado um botão para comutar entre caixa automática e caixa manual, uma vez que o modelo de simulação do veículo permite essa possibilidade. Os sinais do controlo de luzes e de mudança de direção do veículo são obtidos diretamente dos interruptores que acionam estes equipamentos. A posição da chave de ignição é obtida diretamente do sistema original da chave do veículo, não alterando as funcionalidades originais. A informação dos sensores é recolhida por um sistema próprio de aquisição de sinal, que comunica com o sistema de simulação principal através de uma ligação RS232. Na instrumentação do posto de condução existiu sempre o cuidado de manter a aparência original do habitáculo. 2.1.2 Sala de controlo e de preparação de experiências A sala de controlo e preparação de experiências situa-se junto à sala de simulação. Nesta sala estão localizados todos os computadores associados à simulação de condução e equipamentos anexos de monitorização e controlo das experiências (figura 2.3). Durante a realização das experiências, o supervisor pode, a partir desta sala, acompanhar o desempenho do condutor, desencadear eventos em tempo-real e interagir com o condutor. Sala de controlo. É também neste local que se efetua o desenvolvimento do simulador e a preparação das experiências. Testes experimentais podem ser realizados utilizando um posto de Simulação de Condução 17 condução simplificado, constituído por um monitor e um conjunto de volante e pedais, com instrumentação adequada ao simulador. 2.1.3 Sistema de simulação e síntese de imagem Da arquitetura geral do simulador de condução, destaca-se a estação gráfica baseada num computador, que gere toda a simulação, mantendo a base de dados de objetos da cena e efetuando tarefas de simulação física e de síntese de imagem. O software de simulação foi desenvolvido de acordo com as especificidades do equipamento disponível, criando-se a aplicação Genes (Generic Enviroment Simulator, Genes), baseada em OpenSceneGraph 2 . Na figura 2.4, apresenta-se um diagrama com os blocos funcionais principais do simulador de condução. No centro encontra-se a representação do mundo simulado que inclui as definições visuais de todos os objetos existentes no mundo virtual, a representação lógica da rede viária e as representações dos comportamentos físicos dos atores e do veículo conduzido interactivamente. Blocos funcionais do simulador de condução. O veículo conduzido está modelado fisicamente, tendo em consideração as características de um veículo real e pode ser dividido em dois blocos. O bloco da mecânica interna incorpora as descrições dos componentes mecânicos internos fundamentais de um veículo, nomeadamente o motor, a embraiagem, a caixa de velocidades, o travão e ainda um controlador automático da caixa de velocidades. As 2 www.openscenegraph.org Mundo Simulado Condutor Condutor Condutor Condutor Supervisor Gerador de Imagem Gerador de Sons Gerador de Relatórios Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 18 informações recebidas dos pedais e da alavanca de velocidades são utilizadas pelos módulos respetivos para determinar o binário fornecido às rodas motoras. O bloco da dinâmica do corpo do veículo limita o binário recebido nas rodas em função da aderência dos pneus ao pavimento, combina a força resultante com as devidas à gravidade e ao atrito e determina a componente longitudinal da velocidade do veículo. Para obter um maior realismo de simulação é importante a presença de outros veículos para além do veículo conduzido. A simulação do tráfego ambiente é implementada pela inclusão de outros veículos que podem seguir percursos pré-programados, reagir a eventos de tráfego determinados ou evoluir de forma autónoma, de acordo com o modelo comportamental definido. O mundo simulado é constituído por definições de objetos puramente visuais, objetos animados ou com comportamento, e pela rede viária. O modelo visual da rede viária é criado em pré-processamento, em que alguns dos objetos integrantes, como por exemplo a sinalização vertical, podem ser definidos por referência a ficheiros externos de modelos 3D. Na implementação atual, a estruturação de especificação de um ambiente no simulador de condução DriS, no ficheiro wdf (World Description File, WDF) , permite a consulta bem como a edição de um ambiente de forma rápida e eficiente. O módulo independente de leitura de ficheiros wdf foi preparado para aplicar pré-processamentos de macros, utilizando o pré-processador standard da linguagem C e o pré-processador M4 3 . 2.1.4 Sistema de projeção de imagem A imagem gerada pelo sistema de simulação principal é enviada através de um derivador Barco universal VGA interface a um projetor Barco Data 801s. Trata-se de um projetor de alta qualidade, com três sistemas de projeção de cor independentes (RGB), permitindo uma calibração de focagem independente e balanceada. Este projetor possibilita imagens com uma de resolução de 1280x1024 pixeis, a uma taxa de refrescamento de 50 Hz. A imagem é projetada numa tela plana de material próprio para estes sistemas, situada numa das extremidades da sala, com a dimensão de 3,20 metros de largura por 2,40 metros de altura. A imagem é gerada no sistema de simulação principal através de uma placa gráfica GeForce GTX460. 3 www.gnu.org/software/m4 Simulação de Condução 19 2.1.5 Simulação de Som 3D A integração de um sistema de som vai conferir à simulação de condução um ambiente mais próximo do real. Assim as experiências de simulação de condução são realizadas com a simulação da presença de inúmeras fontes sonoras distintas. A arquitetura do sistema de som implementado divide-se em: computador para simulação e geração do som, grupo de dois amplificadores de áudio e grupo de quatro colunas de som. Na figura 2.5, ilustra-se a arquitetura geral do sistema de simulação de som do simulador de condução DriS. Sistema de simulação de som. O sistema de simulação de som está implementado num computador comercial com duas placas de som Sound Blaster AWE32 da Creative Labs, permitindo a reprodução de som em 4 canais independentes. Três desses canais estão associados à reprodução de som envolvente que para além da espacialização das fontes sonoras permite diversos efeitos acústicos como dispersão, absorção atmosférica, efeito de Doppler, bem como a fricção e a turbulência provocadas pelos objetos no seu deslocamento e a alteração do som gerado pelas fontes sonoras associadas a motores (Coelho, 1996; Coelho, 1998). Um dos canais está associado ao som do próprio veículo, reproduzindo os efeitos sonoros devido à velocidade do veículo, à rotação do motor e ao binário motor. O processo de síntese de som é caracterizado pelas seguintes etapas: criação de fontes sonoras, instanciação dos sons aos objetos, propagação do som e composição dos sinais sonoros. A criação de fontes sonoras consiste em obter um conjunto de sons através de um processo de amostragem, não estando agregadas a nenhum objeto específico da cena. A instanciação consiste em associar fontes sonoras a objetos, obtendo-se entidades que possuem sons em conjunto com as propriedades tridimensionais dos objetos, como posição e velocidade. Também é possível modular dinamicamente as fontes sonoras de acordo com parâmetros de simulação, como rotação e binário motor. Na fase de propagação do som, procede-se à avaliação das transformações necessárias para determinar como o som produzido pelas fontes sonoras é recebido. Na composição dos sinais sonoros, calculam-se as transformações finais e misturam-se as contribuições de Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 26 eventos de tráfego que potenciassem a manobra de ultrapassagem e parametrização de veículos nos dois sentidos. O trabalho experimental consistiu na realização da tarefa de condução num traçado com cerca de 10 km e com 10 zonas de permissão de ultrapassagem. Quando o candidato entendesse efetuaria uma manobra de ultrapassagem. À sua frente e imediatamente antes das zonas de ultrapassagem encontrava-se um veículo a circular no mesmo sentido, que quando o candidato se aproximava, iniciava a sua marcha e seguia com uma velocidade de 50 km/h. Nas zonas de permissão de ultrapassagem, faziam parte do meio ambiente, veículos a circular em sentido contrário, a uma velocidade de 65 km/h. O intervalo entre estes veículos podia variar entre 8 e 17 segundos. Na área da psicologia, foi também realizado o projeto de investigação de avaliação de limiares de deteção de movimentos relativos em diferentes meios ambiente, com diferentes densidades de fluxo ótico, denominado “Ambientes Rodoviários e Deteção de Movimento” (Noriega, 2010). O objetivo do projeto consistia em avaliar tempos de perceção do movimento relativo, em diferentes meios ambientes. Os candidatos realizaram experiências de condução em três ambientes, com cerca de 30 km de extensão cada, com diferentes densidades de fluxo ótico. O primeiro ambiente, com mais densidade de fluxo ótico, era constituído por uma via com árvores nas bermas de ambos os lados e pavimento sombreado. O segundo ambiente com menor densidade de fluxo ótico que o primeiro era constituído por uma via com a presença de muros laterais com cerca de 2,5 m de altura de ambos os lados. O terceiro ambiente com menos densidade de fluxo ótico era constituído por uma via apenas com a representação do pavimento, sem qualquer meio envolvente, caracterizado como uma planície Alentejana. Na área de engenharia de vias, o simulador foi utilizado para a realização do projeto “SafeSpeed” (Melo, 2012). A escolha da velocidade praticada pelos condutores é fortemente influenciada pelas características geométricas da estrada. Para avaliar como a velocidade é influenciada pela largura da seção transversal da estrada, neste estudo foram considerados dois tipos de estradas, com velocidades de projeto diferentes (40km/h e 80km/h). As estradas apresentadas aos condutores no simulador de condução correspondiam a troços da estrada nacional N105-2 e da estrada nacional N222. Este projeto envolveu a criação de diferentes perfis transversais ao longo do traçado longitudinal, com zonas de transição entre os diferentes perfis. Envolveu ainda a parametrização de veículos a circular em sentido contrário de modo a criar um meio rodoviário mais realista e a quebrar a monotonia da tarefa de condução. A validação dos dados obtidos no simulador foi confirmada através de uma análise comparativa das velocidades registadas em seis pontos de controlo nos ambientes reais e nos pontos de controlo equivalentes dos ambientes apresentados no simulador. A realização deste estudo confirmou a variação da velocidade praticada pelos condutores, para diferentes perfis transversais da estrada (faixa de rodagem). Por outro lado também Simulação de Condução 27 se verificou que a velocidade praticada pelos condutores não é condicionada pela largura das bermas, para a mesma largura da seção transversal da estrada (faixa de rodagem). Na área da ergonomia, com objetivo estudar o impacto na tarefa de condução de múltiplos estímulos auditivos e visuais produzidos por sistemas de informação instalados no veículo, foi realizado no simulador o projeto de investigação com o título “In-vehicle Information and Communication System and the Driver Behaviour” (Pereira, 2008a; Pereira, 2008b). Neste trabalho experimental foram utilizados dois tipos de sistemas, um telemóvel e um sistema de navegação. A seleção desses equipamentos foi justificada pela alta frequência do uso de telemóvel e a cada vez maior aceitação e utilização de sistemas de navegação. O trabalho experimental em simulador permitiu avaliar e estudar a influência na tarefa de condução do uso de telemóvel e do uso do sistema de navegação. Essa influência foi avaliada através da análise da carga mental do condutor enquanto interage com esses sistemas embarcado e também pela identificação das principais alterações produzidas na tarefa de condução. Este estudo foi também orientado para identificar as diferenças relacionadas entre a idade de condutores adultos e condutores mais idosos, nestas condições de teste. Os resultados obtidos revelaram para os condutores mais idosos, apresentam decréscimos de desempenho assinaláveis na tarefa de condução durante a interação com o sistema de navegação ou o telemóvel. Esses decréscimos foram identificados em variáveis de desempenho específicas e no comportamento da tarefa de condução. Sinais de níveis de carga cognitiva mais elevada, também foram revelados pelos participantes mais velhos, devido principalmente à ocorrência de situações de quase-acidente. Este projeto envolveu a modelação de cruzamentos, rotundas, colocação de sinalização vertical e parametrização de outros veículos. O ambiente rodoviário desenvolvido permitia manter o plano de percurso até ao destino final, independentemente da decisão tomada pelo condutor em qualquer interseção de estradas. Esta especificidade foi implementada com recurso a portais virtuais, colocados em todas as estradas de saída de qualquer interseção. Na área da ergonomia e segurança rodoviário foi realizado no simulador um estudo experimental que envolveu o uso do sistema ACC (Adaptative Crusie Control, ACC) instalado no carro (Giulio, 2013; Giulio, 2014). O ACC é um sistema de auxílio ao condutor que mantém a velocidade predefinida e a distância o veículo da frente. O presente estudo tinha como objetivo avaliar se os condutores tinham a perceção do risco e da carga mental associada ao uso do ACC, analisando a posição das mãos no volante. Tinha ainda como objetivo compreender o efeito da pesquisa de conforto na colocação das mãos no volante. Este trabalho experimental teve também como objetivo investigar o efeito da experiência adquirida com o uso de ACC na velocidade adotada e na manutenção da distância ao veículo da frente. Foi ainda explorado o impacto da utilização da ACC na velocidade e Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 28 na distância ao veículo da frente para utilizadores habituais do ACC e condutores regulares. O trabalho experimental no simulador de condução foi realizado com a participação de 26 candidatos, os quais conduziram duas vezes no mesmo percurso, uma com ACC e outra manual. Para este estudo foi concebido um ambiente de autoestrada com cerca de 50 km de extensão, com a colocação de guardas de proteção, sinalização e parametrização de veículos nos dois sentidos. Foram ainda parametrizados eventos de tráfego, como por exemplo: obras, zonas de nevoeiro e veículos avariados na via da esquerda. A geração do modelo da estrada foi realizada a partir de dados de projeto de uma autoestrada real (A25) e recorrendo às ferramentas previamente desenvolvidas (Campos, 2007b). Os resultados mostraram que a colocação das mãos no volante não é influenciada pelo uso do ACC. Além disso, não foram encontradas diferenças entre o uso de ACC e condução manual, na carga mental e perceção de risco. Os resultados também mostram que o uso de ACC trouxe uma pequena, mas não significativa, redução da velocidade e principalmente uma redução da distância ao veículo da frente. A redução de velocidade e distância foi mais significativa para os utilizadores habituais do ACC, provavelmente como consequência da sua experiência na utilização do sistema. Na área do Design, foi realizado no simulador um estudo com o objetivo de avaliar a consonância da tomada de decisão dos condutores, quando durante a tarefa de condução, são confrontados com uma situação de emergência e simultaneamente recebem informações de trânsito no sistema de navegação (visual e audiovisual). O estudo envolvia dois tipos de avisos a mostrar no painel, um estático e outro multimodal. O aviso estático era desencadeado durante a simulação de condução mostrando imagens estáticas de informação de trânsito. O aviso multimodal também era desencadeado durante a tarefa de condução, mas mostrando uma imagem animada com a reprodução de uma mensagem sonora. O objetivo do projeto consistia em avaliar a respostas (obediência) dos condutores, perante os dois tipos de avisos em situações de tomada de decisão num cruzamento. Foi utilizada uma metáfora altruísta no que se refere à narrativa utilizada com o condutor. A mensagem sonora inicial reproduzida a partir de uma gravação, antes do início da simulação indicava a urgência em levar uma criança ferida, para o hospital o mais rápido possível. O trabalho experimental realizado no simulador de condução utilizou ambientes rodoviários realistas produzidos pelo protótipo funcional apresentado no capítulo 6. Ao longo do percurso de 10km foram parametrizados eventos que pudessem gerar situações de stress, nomeadamente a utilização de sirenes de ambulância e choros de criança. As conclusões preliminares relevam que os participantes confrontados com a Simulação de Condução 29 posição de tomada de decisão, na sua maioria ignoraram as mensagens do sistema de navegação. Um projeto de investigação na área dos jogos sérios, atualmente a decorrer no simulador, tem como principal objetivo a certificação de competências de condução (Batista, 2013). As métricas de competência implementadas neste projeto permitem acompanhar de forma individualizada a evolução do desempenho do aluno e a correspondente validação do treino face aos planos/ missões predefinidos e aos objetivos de aprendizagem. Esta abordagem foi elaborada para o contexto de aprendizagem da carta de condução, onde se tenta usar os jogos sérios como ambientes virtuais de aprendizagem, com o intuito de reduzir os índices de acidentes registados entre os jovens pré-encartados. Com a utilização do simulador pretende-se testar a aplicação do conceito de validação de competências no controlo e domínio da viatura (operacional), bem como de adaptação às constantes alterações ocorridas no ambiente rodoviário (tático) da matriz de GDE – Goals for Driver Education (Engstrom, 2003). Para a preparação dos ambientes rodoviários específicos para este projeto, foi utilizado o protótipo funcional apresentado no capítulo 6. A abordagem concebida permite a configuração dos treinos de forma automática, utilizando uma análise contínua das métricas de performance do aprendiz. Durante o treino, pode ser utilizado um módulo de comunicação de mensagens (feedback) para a interação em tempo real entre o instrutor e o aprendiz. 2.2 Ambientes para simulação de condução Para a realização de estudos científicos em simuladores de condução é necessária a prévia preparação de ambientes rodoviários. Estes ambientes rodoviários, em função do tipo de trabalho experimental, terão que obedecer rigorosamente às especificações do estudo. Destas especificações podem constar, como por exemplo a inclusão de sinalização, cruzamentos, rotundas, tipo de pavimento, entre outros elementos rodoviários típicos. Para além destes requisitos, estes ambientes podem também ter como especificação a modelação de estradas de grandes dimensões, atingindo frequentemente várias dezenas de quilómetros. Estas especificações podem ser de tal ordem complexas, detalhadas e particulares que impliquem um controlo cuidado na geração do modelo virtual. Para a preparação de experiências de condução é ainda necessário gerar um conjunto de informação relativa ao ambiente de simulação devidamente organizada e estruturada. Sempre que se deseje incluir participantes virtuais ou avaliar desempenhos de participantes humanos, é fundamental que outros níveis de informação coexistam com a informação geométrica. É vulgar encontrar, nos simuladores de condução destinados Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 30 a estudo científico, duas bases de dados distintas mas correlacionadas para especificar um mesmo cenário. A forma como se organizam os diversos componentes de uma cena é também uma questão importante. O desempenho dos sistemas de síntese de imagem pode ser drasticamente afetado pela qualidade da representação e organização dos ambientes modelados (Leitão, 2000). Uma destas bases de dados destina-se unicamente ao processo de visualização e contém as representações geométricas dos objetos e as suas propriedades visuais. Para a implementação desta base de dados utilizam-se frequentemente formatos de modelação conhecidos que permitem uma organização otimizada para a visualização em tempo real. A base de dados semântica contém uma representação de alto nível da cena, onde são estabelecidas as propriedades dos objetos, os seus atributos característicos e a relação entre os diferentes objetos que integram o ambiente rodoviário virtual. A base de dados semântica deve incluir representações de alto nível da rede viária, dos veículos, da sinalização e de todos os elementos cuja consulta rápida possa ser importante para a simulação e para o controlo dos cenários. Desta base de dados deve constar, por exemplo, a representação topológica da rede rodoviária e as definições dos traçados das vias. Essa informação é crucial durante a simulação para, por exemplo, determinar a localização de veículos e atores no ambiente rodoviário, analisar desvios de trajetória do veículo conduzido, calcular do tempo de colisão para o veículo da frente, despoletar eventos, ou outros parâmetros dinâmicos. A possibilidade de incluir atores é crucial para o realismo de uma simulação visual interativa. Quando se pretende estudar o tempo de reação de um condutor a uma situação de tráfego inesperada, como por exemplo: o aparecimento repentino, no campo de visão, de outros veículos, peões a atravessar a rua, entre muitas outras situações. Thomas et al. apresentam uma cidade virtual em que é possível encontrar diferentes atores, como: peões, veículos a circular nos diferentes sentidos, transportes públicos e veículos conduzidos por outros condutores, num complexo ambiente rodoviário urbano (Thomas, 2000). Ostadabbas et al. apresentam um trabalho onde referem também a importância da inclusão de atores, parametrização de eventos de tráfego, na simulação de condução para fins científicos (Ostadabbas, 2011). Uma simulação realista da condução, tal como referido nos trabalhos de Thomas et al. e Ostadabbas et al., deve portanto incluir outros veículos para além daquele que é conduzido pelo utilizador, peões, rede de transportes públicos, entre outros. A parametrização de atores é crucial para o realismo de uma simulação visual interativa. Para que esses acontecimentos dinâmicos sejam despoletados durante a simulação é necessário garantir a existência de uma base de dados semântica. A necessidade da criação de uma descrição semântica de acordo com o mapa rodoviário é também referida em outros trabalhos relacionados (Campos, 2007b; Bayarri, 1996; Pareja, 1999). A adição de peões pode também ser fundamental para uma simulação convincente de determinados tipos de ambientes rodoviários, com por exemplo, meios urbanos. Simulação de Condução 31 Sumário Neste capítulo foi apresentado o simulador de condução DriS, instalado no laboratório de análise de tráfego do departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Este simulador encontra-se operacional desde o início da década de noventa, sendo considerado um dos melhores simuladores de base fixa. Foi apresentada a sua arquitetura geral e foram descritos os seus módulos funcionais. O simulador de condução foi já utilizado na realização de experiências científicas nas mais diversas áreas, tendo sido apresentados alguns dos trabalhos mais relevantes. Por último, foram referidos os requisitos que os ambientes rodoviários devem possuir para a realização de estudos científicos em simulador. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 32 Vias de Comunicação As infraestruturas rodoviárias são projetadas para interligar pontos de interesse, permitindo a movimentação de pessoas e bens entre os diversos nós da rede. A construção de uma estrada obedece primeiramente a uma definição de traçado. Neste capítulo descrevem-se os conceitos gerais associados ao planeamento de uma rede rodoviária, em engenharia de vias de comunicação. Faz-se referência ao Plano Rodoviário Nacional (PRN) e à classificação de estradas por categorias. Apresenta-se, para Portugal, uma breve caraterização da rede rodoviária por categoria e a respetiva extensão, segundo os relatórios das entidades competentes (IMT - Instituto da Mobilidade e dos Transportes, IP). Descrevem-se os conceitos gerais associados ao planeamento, conceção e implementação de traçados rodoviários. O projeto de uma estrada desenvolve-se em várias etapas, sendo o traçado em planta o primeiro a ser realizado, seguindo o traçado em perfil longitudinal e a definição do perfil transversal. Uma das últimas tarefas a ser realizada é a sinalização, onde são sempre incluídos dois tipos de sinalização, um referente à marcação horizontal e a outro referente à sinalização vertical. Por último, é apresentada uma discussão sobre avaliação de sinuosidade de traçados rodoviários, onde são introduzidos diversos indicadores: índice de sinuosidade, índice de curvatura e índice de curva. São apresentados os resultados utilizando estes indicadores para traçados reais do tipo estrada nacional e autoestrada. Por último é apresentado o estudo de sinuosidade de traçados realizado no domínio da curvatura, recorrendo à transformada discreta de Fourier. Capítulo 3 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 34 3.1 Rede rodoviária Uma rede rodoviária tem como objetivo servir as necessidades de deslocação das populações, serviços, entre outros. O planeamento de uma rede deve portanto ir ao encontro das necessidades dos utilizadores e em simultâneo tentar minimizar os custos de construção, os custos de operação, e minimizar os impactos desta no meio ambiente. Os custos de construção estão associados à implantação da via em terreno real, onde se englobam os custos da própria via e também os custos com aterros, terraplanagens, expropriações, entre outros. Os custos de operação estão relacionados com a deslocação veículos entre dois pontos na rede. No cálculo do custo de operação são avaliados vários fatores, como por exemplo: combustível, extensão do percurso, tempo de duração da viagem, entre outros. Em Portugal, existe um documento designado por Plano Rodoviário Nacional (PRN), com a última publicação em 2000, onde está definida a Rede Nacional de Estradas de Portugal. O Instituto da Mobilidade e dos Transportes (IMT) tem como competências o acompanhamento da execução do Plano Rodoviário Nacional. Este documento é elaborado, tipicamente, com uma periocidade de 10 anos, por análise da rede rodoviária nacional existente. O mapa da rede nacional de estradas publicado em 2000 pode ser consultado em (EP, 2012). Na última versão do Plano Rodoviário Nacional, a rede rodoviária nacional é definida apenas pela rede fundamental e pela rede complementar. Na rede fundamental são comtemplados os itinerários principais (IP's), e as autoestradas (AE’s). Na rede complementar são comtemplados os itinerários complementares (IC's), e estradas nacionais (EN's). O Plano Rodoviário Nacional refere-se ainda às Redes de Estradas Municipais e cria um novo grupo de estradas, as Estradas Regionais (ER's), a partir da transformação de parte das antigas EN's. Na tabela 3.1, são apresentadas as extensões aproximadas da rede rodoviária prevista no PRN de 1985 e no PRN de 2000 (IMT, 2011). Tabela 3.1 Extensão das redes rodoviárias previstas nos PRN 85 e PRN 2000. Estrada PRN 85 (km) PRN 2000 (km) IP’s 2600 2600 IC’s 2500 3400 EN’s 4800 5300 ER’s - 5000 Total 9900 11300 Como se pode ver pela tabela 3.1, a rede rodoviária nacional do PRN de 1985 com cerca de 9 900 km, foi alargada para 11 300 km em 2000, através da inclusão e reclassificação de novos percursos, acrescida ainda pela rede de estradas regionais. Vias de Comunicação 35 As necessidades de ligações rodoviárias futuras, podem ser estabelecidas partindo da análise da rede global de estradas existente. A análise e estudo das necessidades rodoviárias são da responsabilidade do grupo de planeamento. Este organismo é responsável por comunicar às instâncias superiores, decisores políticos, as necessidades futuras a nível da rede rodoviária nacional. Em Portugal, a rede complementar tende a estabilizar, existindo apenas pequenos focos de novas construções. Essencialmente, são realizadas obras de conservação e manutenção. Na grande maioria, as novas vias rodoviárias a construir serão do tipo autoestrada ou vias rápidas, que em alguns casos podem resultar da conversão de estradas de outro tipo. 3.2 Conceção de vias de comunicação A conceção de uma via parte inicialmente por uma decisão estratégica de que nós na rede existente, a nova estrada irá interligar. Esta decisão é tomada tendo em consideração parâmetros como:  Custo de construção: fator preponderante no planeamento estratégico de uma nova via;  Nível de serviço: classificado de A a E, estando relacionado com a intensidade de tráfego previsto para a via;  Planeamento: o Crescimento demográfico; o Estudos de tráfego; o Estudos publicados pelo Instituto Nacional de Estatística. Em engenharia de vias, um projeto de uma estrada desenvolve-se de acordo com as seguintes fases: programa preliminar, estudo prévio e projeto de execução (França, 2011). A definição do traçado deverá obedecer aos critérios estabelecidos nas normas aplicáveis (InIR, 2010). 3.3 Programa preliminar A elaboração do programa preliminar parte de uma decisão estratégica de que via irá ser construída. O programa preliminar é basicamente um caderno de encargos base, constituído por disposições gerais, com pouca pormenorização, onde figuram as características gerais pretendidas e que condicionaram logo à partida a escolha do traçado. Na elaboração do programa preliminar são considerados diversos fatores: Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 42 Numa sucessão de curvas, o valor de variação do raio, não deve ser superior a duas vezes e meia (boa prática). Na figura 3.3, apresenta-se a relação admissível de raios numa sucessão de curvas. 1Relação muito boa; 2 - Relação boa; 3 - Relação aceitável Figura 3.3 Combinação desejável de raios do traçado em planta (InIR, 2010). Como referido anteriormente, uma curva composta é tipicamente constituída por uma parte em arco de circunferência entre duas clotoides. As curvas de transição visam assegurar os seguintes aspetos: condição de segurança, comodidade dinâmica para o condutor, variação gradual da força centrifuga entre a reta e a curva circular, disfarce de sobrelevação, critérios estético e ótico. 3.5.2 Perfil longitudinal Após a definição do traçado em planta, estuda-se o traçado da estrada em altimetria, o qual é designado por rasante. A rasante é condicionada geralmente pelo perfil longitudinal do terreno natural. Um dos objetivos nesta fase é posicionar a via o mais próximo possível do terreno natural, de forma a minimizar os volumes de escavações e aterros e consequentemente os custos da obra. Tendo em conta o perfil longitudinal do terreno segundo a diretriz, traça-se a designada rasante, a qual é constituída por trainéis, segmentos retos do perfil longitudinal, em rampa ou declive (ascendente ou descendente) e concordâncias verticais. Vias de Comunicação 43 As concordâncias verticais podem ser de dois tipos, côncava ou convexa (cavidade ou lomba) e permitem fazer uma transição gradual e suave entre trainéis de inclinação diferentes. Numa concordância convexa, considera-se que o raio é positivo (+R) e numa concordância côncava, considera-se que o raio é negativo (-R), como se ilustra na figura 3.4. +R -R Figura 3.4 Sinal da concordância. As concordâncias verticais são definidas por equações do 2º grau, cujos parâmetros são geralmente o raio mínimo e o desenvolvimento, sendo necessário conhecer as inclinações dos trainéis associados a essa concordância, trainel de entrada e de saída. A definição do traçado em perfil longitudinal também tem como base os critérios definidos nas normas de traçado. Estas definem as inclinações máximas e mínimas, assim como os raios mínimos das concordâncias verticais a implementar entre os trainéis. Na figura 3.5, a cor vermelho, pode ver-se um exemplo do perfil longitudinal da estrada, e a cor verde, o perfil natural do terreno. Figura 3.5 Perfil longitudinal. Quando a inclinação do trainel tem sentido ascendente, considera-se que a inclinação é positiva (+i) e quando a inclinação do trainel é descendente considera-se que a inclinação é negativa (-i), como se ilustra na figura 3.6. +i -i Figura 3.6 Sinal do trainel. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 44 Os trainéis em perfil longitudinal devem ter em conta a inclinação máxima em função da velocidade base de projeto da via, conforme se define nas normas de traçado (tabela 3.5). Tabela 3.5 Inclinação máxima dos trainéis (InIR, 2010). Velocidade Base (km/h) Inclinação máxima (%) 60 7 100 5 120 3 Como se constata pela tabela 3.5, no caso de uma autoestrada concebida para uma velocidade de base de 120 km/h, a inclinação máxima dos trainéis não deve exceder os 3%. Por outro lado, para uma boa drenagem, o trainel deverá ter uma inclinação mínima de 0.5%. Nos casos em que a inclinação seja superior ao determinado nas normas de traçado, terão que ser tomadas medidas adicionais de segurança, como por exemplo: vias adicionais, rampas de escapatória, entre outras. Para determinar as características mínimas de uma concordância vertical deve atenderse aos seguintes critérios: segurança de circulação, comodidade de circulação, comodidade ótica e estético. Os dois primeiros parâmetros são garantidos recorrendo a raios de concordância suficientemente grandes, os dois últimos são garantidos estabelecendo desenvolvimentos mínimos (França, 2011). As normas de traçado definem os valores de raio mínimo de concordância convexa e de concordância côncava (tabela 3.6). Tabela 3.6 Raios das concordâncias em perfil longitudinal (InIR, 2010). Velocidade base (km/h) Raio da condordância (m) Desenvolvimento (m) Côncava Convexa Côncava/Convexa 60 1600 3000 120 90 4500 8500 120 120 7000 16000 120 O raio mínimo estabelecido nas normas de traçado para as concordâncias côncavas é geralmente menor, comparado com o raio convexo, devido às suas caraterísticas geométricas que asseguram à partida uma maior comodidade e segurança. O desenvolvimento mínimo das concordâncias tem como principal objetivo assegurar o conforto ótico dos condutores Vias de Comunicação 45 No cálculo do perfil longitudinal, pode-se optar por fixar o valor do raio (Rc) da concordância vertical e a partir deste, retirar os restantes elementos, como o seu desenvolvimento (D). Uma alternativa será fazer coincidir o desenvolvimento da concordância vertical (D) com o desenvolvimento da curva composta (darco + 2*Lcolotóide) e a partir deste retirar o raio (Rc) da concordância. 3.5.3 Perfil transversal A escolha do perfil transversal está associada quer à velocidade de base adotada para a estrada quer ao tipo de estrada que se pretende construir. Na descrição do perfil transversal encontra-se informação necessária para a implantação da estrada, tal como as larguras das vias e das bermas, as camadas do pavimento, a inclinação dos taludes de escavação e aterro, características das valetas, concordâncias de aterro, inclinações transversais, entre outras. Geralmente, a plataforma para estradas nacionais de duas vias é composta por uma faixa de rodagem e bermas. Em ambiente urbano, a plataforma poderá ser complementada com passeios para peões em detrimento das bermas. Em autoestradas a plataforma é constituída por duas faixas de rodagem e um separador central com largura a especificar consoante os casos. Estes últimos elementos de traçado permitem definir com pormenor, à escala 1/200, cortes transversais com equidistância geralmente de 25 em 25 m ao longo da diretriz da via. Estes perfis transversais são desenhados após o estudo da diretriz e respetiva rasante. É também com estes perfis transversais que se identificam zonas mais críticas de traçado, como por exemplo, estabilidade de taludes, ou zonas onde sejam necessários muros, entre outros condicionalismos. A plataforma das estradas, em reta, apresenta-se com uma inclinação transversal a duas águas, para garantir o correto escoamento das águas pluviais. Em curva adota-se uma inclinação única, designada sobrelevação. A sobrelevação é utilizada para diminuir a incomodidade e o risco de derrapagem para o exterior (por excesso de velocidade) e para continuar a assegurar a drenagem das águas pluviais. Em Portugal, a especificação da sobrelevação segue geralmente uma regra exposta nas normas de traçado, em que se refere que no início da curva de transição a inclinação transversal da estrada deve ser a uma água e inclinada a 2.5% para o intradorso da curva, ou seja, para o lado interior da curva. No fim da curva de transição ou início da curva circular a inclinação deverá ser de valor Se (%) para o intradorso da curva. O valor de Se (%) é definido segundo o raio da curva circular e pode apresentar o valor máximo de 7%, de forma a diminuir o risco de derrapagem para o interior da curva em condições de má aderência e velocidades reduzidas (InIR, 2010). Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 46 A rotação para processar as variações ao longo da curva de transição é feita tendo como referência o eixo da estrada, para as estradas de uma faixa de rodagem e duas vias, como se ilustra na figura 3.7. L (m) Se (%) Figura 3.7 Representação esquemática da sobrelevação (InIR, 2010). 3.5.4 Taludes Um talude é a superfície de terreno que se localiza junto a estrada e pode ser de origem natural ou artificial. Os taludes artificiais são criados durante da construção da estrada e identificam-se como resultantes de escavação ou aterro no terreno. As inclinações dos taludes de escavação e de aterro são definidas em função de resultados dos estudos geológico-geotécnicos e têm como função garantir a estabilidade natural do terreno. Regra geral, os taludes de escavação e de aterro apresentam uma relação de 1:1.5 (V/H), para que a estabilidade do terreno esteja garantida. Na figura 3.8, ilustra-se o projeto de um perfil transversal típico, composto por um aterro do lado esquerdo e uma escavação do lado direito Figura 3.8 Perfil transversal típico. Nos casos de terreno pouco estável a relação é de 1:2, em ambos os tipos de taludes, escavação e aterro. Do lado esquerdo representa-se ainda a concordância de aterro, que Vias de Comunicação 47 é a superfície de terreno que faz a transição entre a berma e o talude; do lado direito representa-se a valeta, que serve para efetuar o escoamento longitudinal das águas pluviais. 3.5.5 Sinalização Uma das últimas tarefas a realizar num projeto de vias de comunicação é a execução do projeto de sinalização e segurança, onde se implementa a tradicional sinalização horizontal (marcas rodoviárias) e a sinalização vertical (sinais de trânsito). Nesta fase são também definidos os locais a dotar com guardas de segurança, atenuadores de impacto, ou outros dispositivos que propiciem uma circulação mais segura (Rodrigues, 2008; Roque, 2005). A sinalização horizontal é pintada no pavimento da via normalmente com material refletor. A sinalização vertical é colocada junto a berma e pode ser do tipo informativa, de obrigatoriedade ou de proibição. Na figura 3.9, ilustra-se um cruzamento com a sinalização horizontal e vertical que é utilizada normalmente. Figura 3.9 Sinalização de um cruzamento. Com a sinalização horizontal, ou seja, a marcação no pavimento com pintura geralmente branca e refletora, pretende-se guiar e orientar o tráfego, assim como, alertar para situações de proibição de ultrapassagem. Fazem parte da sinalização horizontal a marcação longitudinal e a marcação transversal. A sinalização longitudinal, inclui normalmente as guias laterais e de separação de vias de sentidos (linha axial). A linha axial pode ser do tipo contínua, descontínua ou mista. As marcas transversais podem ser, por exemplo, barras de paragem relacionadas com um sinal de STOP ou uma passadeira para peões. Os critérios da colocação da sinalização horizontal são definidos pela norma de marcas rodoviárias e pelo Regulamento de Sinalização do Trânsito (InIR, 2015a; RST, 2011). Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 48 A sinalização vertical é constituída por sinais de código (informativos, de perigo, de obrigação) e são geralmente colocados junto às bermas das estradas de forma visível mas sem prejudicar o tráfego. Os critérios para a colocação da sinalização vertical, assim como o dimensionamento dos sinais são definidos pelas normas de sinalização vertical e pelo Regulamento de Sinalização do Trânsito (InIR, 2015b; RST, 2011). 3.6 Sinuosidade de traçados A sinuosidade ou tortuosidade de um traçado é uma definição igualmente utilizada na classificação de rios, e relaciona o desvio do trajeto em linha reta com o percurso atual do rio ou da estrada (Mueller, 1968). A perceção de sinuosidade, alta ou baixa, depende do desenvolvimento da curva e da velocidade do objeto que se desloca através dela. A sinuosidade de uma mesma linha curva pode ser considerada alta para uma autoestrada, mas baixa para uma estrada de montanha. Na figura 3.10, é possível ver uma estrada de montanha com grande sinuosidade. Figura 3.10 Estrada de montanha sinuosa. Como se pode ver na imagem da figura 3.10, o traçado atual da estrada é significativamente mais extenso, por este seguir o perfil da colina, comparativamente a uma trajetória imaginária em linha reta. Nesta secção são apresentadas métricas de avaliação de sinuosidade de traçados de estradas: índice de sinuosidade (IS), índice de curvatura (IC) e índice de curva (Icurva). Adicionalmente, é feita uma análise de sinuosidade no domínio da curvatura, segundo a transformada discreta de Fourier. Para se obterem valores de referência destes indicadores, de forma a permitir a futura validação de traçados gerados procedimentalmente, foram estudados troços dos traçados da autoestrada A25 e da estrada nacional N105. Vias de Comunicação 49 3.6.1 Índice de sinuosidade O índice de sinuosidade mede a relação entre um dado percurso atual e uma trajetória em linha reta (Mueller, 1968; ArcGis, 2011; IMT, 2014). Para percursos em linha reta, este índice de sinuosidade toma o valor de 1. Para trajetórias de rios ou de estradas, o índice de sinuosidade assume valores superiores a 1. Na tabela 3.7, apresentam-se as classes convencionais de índices de sinuosidade para rios. Tabela 3.7 Índices de sinuosidade para rios (Mueller, 1968). Índice de sinuosidade Designação IS < 1.05 Maioritariamente em reta (almost straight) 1.05 ≤ IS < 1.25 Ondulado (winding) 1.25 ≤ IS < 1.5 Sinuoso (twisty) IS ≥ 1.5 Enroscado (meandering) O índice de sinuosidade (IS) é calculado pela relação entre a extensão atual da estrada e a extensão mais curta seguindo em linha reta (3.4). 𝐼𝑆= 𝐿𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 𝐿𝑟𝑒𝑡𝑎 ⁄ (3.4) Onde, Latual corresponde à distância percorrida ao longo do traçado da via e Lreta corresponde à distância em linha reta entre dois pontos, como se observa na figura 3.11. Latual Figura 3.11 Estrada sinuosa. Foram calculados os índices de sinuosidade para traçados reais do tipo autoestrada (A25) e do tipo estrada nacional (N105), obtendo os valores que se apresentam na tabela 3.8. Tabela 3.8 Índice de sinuosidade para traçados de estradas reais. Estrada nacional Autoestrada IS 1.17 1.11 Como se pode ver pela tabela 3.8, um traçado do tipo autoestrada tende a ser menos sinuoso comparativamente com um traçado de estrada nacional. Os valores do índice de sinuosidade calculados para os traçados reais localizados no litoral norte de Portugal, enquadram-se nos valores médios publicados em (IMT, 2014) para esta região (1.0 – 1.20). Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 50 3.6.2 Índice de curvatura A curvatura é uma medida da taxa de variação da direção da tangente a uma curva ao longo do seu percurso (Jia, 2014). x θ(s) s f(x) y Figura 3.12 Tangente ao arco no ponto S (Jia,2014). A curvatura (C) de uma curva definida pela função f(x), num ponto S (figura 3.12), pode ser calculada pela equação (3.5). 𝐶=𝑑𝜃 𝑑𝑠 ⁄ (3.5) Onde θ é o ângulo formado pela tangente ao arco no ponto S e o eixo x. No plano horizontal, curvas com um desenvolvimento para a esquerda têm uma curvatura positiva e curvas que se desenvolvem para a direita têm uma curvatura negativa. O valor de curvatura em qualquer ponto de um arco de circunferência (Raio = const.) pode ser calculado pelo inverso do raio (C=1Raio ⁄). A curvatura de uma curva de uma estrada vai afetar a velocidade com que os veículos podem viajar sem derraparem. A curvatura de um traçado rodoviário pode ser representada com se ilustra na figura 3.13. reta clotóide arco L 1/R Figura 3.13 Curvatura de um traçado. Como se pode ver pelo gráfico da figura 3.13, o raio em reta tem um valor constante (infinito), sendo o seu inverso igual a zero. Durante a descrição da clotóide o inverso do raio tem uma variação linear. Durante o desenvolvimento do arco, o inverso do raio tem um valor constante (R = const.). Vias de Comunicação 51 A curvatura total (CT) de um arco de uma curva circular mede a variação total do vetor tangente (Milnor, 1950). Para a mesma extensão de desenvolvimento, curvas que se desenrolam lentamente, quase linhas retas, tem um valor de curvatura total pequeno. A curvatura total de uma curva no plano horizontal é calculada pelo integral da curvatura ao longo do seu percurso (3.6) 𝐶𝑇=∫ 𝐶(𝑠) 𝑑𝑠 ,𝐶(𝑠)=1R(s) ⁄ (3.6) A curvatura total de uma curva fechada é sempre um número inteiro múltiplo de 2π. O ângulo descrito (𝑑𝜃) num percurso infinitesimal (ds) sobre uma curva depende do raio (R) de osculação (3.7). 𝑑𝜃=𝑑𝑠 R ⁄ ≡ 𝑑𝑠=R∗𝑑𝜃 (3.7) Juntando as e equações 3.6 e 3.7, obtém-se a expressão que permite calcular o valor de curvatura total (3.8). 𝐶𝑇=∫1R ⁄∗R∗𝑑𝜃 ≡ 𝐶𝑇=∫𝑑𝜃 (3.8) No caso de um traçado rodoviário definido por uma sequência de segmentos retos, a curvatura total (CT) pode ser calculada através da acumulação de todos os ângulos (θ) de desvio entre os segmentos retos ao longo da estrada (3.9). 𝐶𝑇= ∑ |∆𝜃| (3.9) Para permitir a obtenção de um indicador independente da extensão (L) da estrada analisada, é possível definir o índice de curvatura (IC), como sendo a curvatura média por unidade de percurso (3.10). 𝐼𝐶= 𝐶𝑇L ⁄ (3.10) Para calcular o índice de curvatura, é necessário acumular todos os desvios de orientação ao longo do traçado. Foram calculados os índices de curvatura (equação 3.10) para o traçado da autoestrada (A25) e para o traçado da estrada nacional (N105), obtendo-se os valores apresentados na tabela 3.9. Tabela 3.9 Índice de curvatura para traçados de estradas reais. Estrada nacional Autoestrada IC 5406.76 853.78 Como se pode ver pelos dados apresentados na tabela 3.9, a estrada nacional apresenta um índice de curvatura (IC) significativamente superior, comparativamente com a autoestrada. Esta diferença é devida às caraterísticas geométricas do traçado, permitidas pelas normas para estradas desta tipologia. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 58 4.1 Modelação de ambientes Uma proposta para a modelação procedimental de um ambiente virtual e adequado para simulação em tempo real é apresentada por Smelik et al. em 2008 (Smelik, 2008). O autor descreve um processo em que o ambiente virtual é criado de forma hierárquica em camadas, a partir de um esboço inicial, incluindo o tratamento da rede rodoviária (figura 4.1). Figura 4.1 Geração do modelo visual em camadas (Smelik, 2008). Na base do modelo hierárquico encontra-se a definição do modelo do terreno, seguindose o modelo hidrográfico, o modelo da vegetação, o mapa rodoviário e por último o modelo dos edifícios e outros elementos urbanos. Uma vantagem desta hierarquização é que cada camada pode ser tratada individualmente. No processo de geração do modelo final é tida em consideração a adequação do modelo de terreno às restantes instanciações de objetos 3D, como abordado em (Latham, 2006). No entanto, na proposta apresentada por Smelik et al. não é muito percetível qual a metodologia utilizada para geração do traçado rodoviário. Smelik et al. em 2011 apresentam uma abordagem de modelação de um ambiente virtual, recorrendo a um modelador interativo (Smelik, 2011). A geração do ambiente virtual utilizando um modelador interativo obriga a um controlo demasiado elevado por parte do utilizador, fazendo com que o processo deixe de ser totalmente automático. Para a geração do modelo geométrico rodoviário são exploradas as técnicas de modelação procedimental de redes urbanas apresentadas por Kelly et al. em 2008, onde a criação destas redes tem por base modelos pré-definidos (grelha, radial, etc.) (Kelly, 2008). Em (Thomas, 2000) é possível encontrar um ambiente rodoviário urbano complexo, com a participação de atores (figura 4.2) Modelação de Ambientes Virtuais 59 Figura 4.2 Ambiente rodoviário urbano (Thomas, 2000). O ambiente urbano apresentado por Thomas et al., é criado recorrendo ao modelador interativo VUEMS sobre uma definição do terreno em mapa de elevação (Donikian, 1997). O uso de um modelador interativo não é adequado à geração de um ambiente rodoviário extenso de forma automática e eficiente, uma vez que requerem um controlo demasiado elevado pelo preparador para produzir modelos. O projeto OpenDRIVE propõe um standard para a completa descrição de uma estrada, de modo a ser compatível com diversos sistemas de simulação (OpenDRIVE, 2010). É referido que a norma proposta permite a parametrização das principais caraterísticas de estradas reais. Um modelador interativo que usa o standard proposto pelo projeto OpenDRIVE é o Road Designer 5 . Este modelador, além de gerar o modelo visual, gera uma descrição do ambiente rodoviário no formato definido no projeto OpenDRIVE. No entanto não são conhecidas ferramentas de geração automática de modelos neste formato. Este formato também não permite a descrição integrada de um ambiente rodoviário que inclua a definição dos nós, da rede topológica, corredores (definição de alto nível da ligação), estrada e terreno. Por outro lado, a organização num único ficheiro (estrutura) da definição do eixo da via, mesmo para estradas de pequena extensão, torna impraticável qualquer tentativa de edição manual pelo preparador do modelo. 4.2 Geração de redes Vários trabalhos de relevo têm sido realizados com objetivos relacionados com a geração de redes rodoviárias. Nestes trabalhos, as redes rodoviárias geradas seguem tipicamente um determinado padrão: ortogonal, radial ou em ramificação (Kelly, 2008; Sun, 2002). Geuter et al. e Weber et al., apresentam uma metodologia de geração contínua de modelos de cidades pseudo-infinitas (Geuter, 2003; Weber, 2009). A metodologia apresentada foca-se essencialmente na geração de modelos de cidades e na geração de modelos de edifícios, resultando apenas redes rodoviárias urbanas. 5 www.vires.com/docs/Rod201306.pdf Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 60 Um sistema chamado Citygen, apresentado por Kelly e McCabe, destina-se a criar a geometria urbana típica de uma cidade moderna e baseia-se numa variedade de padrões de redes de estradas, que o utilizador pode modificar (Kelly, 2008). A fase final da geração de modelos é a construção de edifícios. Os resultados obtidos por estes métodos são usáveis pela maioria das aplicações de simulação. O problema destas abordagens é a necessidade de um controlo excessivo pelo preparador do ambiente para obter modelos realistas. Por outro lado, o uso de modelos predefinidos de redes não é adequado quando é requerido um ambiente rodoviário específico. Adicionalmente, estes métodos não produzem redes rodoviárias extraurbanas. As experiências de simulação de condução podem necessitar de ambientes rodoviários mistos, que combinem traçado em ambiente urbano e rural. Uma metodologia de geração de uma rede rodoviária que integra diferentes tipologias de estradas, autoestradas, estradas principais e estradas secundárias, é apresentada por Galin et al. em (Galin, 2011). Nesta abordagem, a criação da rede rodoviária é iniciada pela geração da rede de autoestradas, seguindo-se a rede principal e por último a rede secundária (figura 4.3). Figura 4.3 Rede hierárquica de estradas (Galin, 2011). Cada tipologia de rede é criada de forma independente e no final é realizada a sobreposição dos diferentes tipos de estradas numa única rede rodoviária. No final, todas as estradas são sobrepostos numa única rede de estradas. O objetivo é a fusão de algumas partes de caminhos rodoviários próximos, através da inserção de nós interseções (steiner points). Com o modo como este problema é tratado, fazendo a fusão dos diferentes grafos de redes de estradas, podem resultar novas interseções entre estradas próximas e exigir que alguns segmentos das estradas tenham que ser novamente reanalisadas. Soon Teoh descreve um processo baseado no Autopolis (Teoh, 2007) para a criação automática de cidades realistas, onde os pontos de interesse da cidade são localizados estrategicamente em função das caraterísticas geográficas do terreno e das regras de planeamento de cidades. Como exemplo, os aeroportos devem ser preferencialmente localizados em zonas planas e junto ao mar, para permitir a expansão futura (figura 4.4) (Teoh, 2008). Modelação de Ambientes Virtuais 61 Figura 4.4 Visão da cidade (Teoh, 2008). O processo fixa primeiro as zonas importantes da cidade, como centros comerciais, centros históricos e áreas residenciais. Depois, é construída a rede de autoestradas e estradas principais. Por último é construída a rede urbana por toda a cidade. Sun et al. apresentam uma metodologia para a criação de uma rede rodoviária virtual baseada em padrões (Sun, 2002). Os padrões das estradas são criados com base em imagens modelo de entrada e num sistema de regras. É utilizado, um mapa da densidade populacional em cada área como entrada e são produzidos padrões de ruas, com base nas restrições geográficas e urbanas, tais como elevação do terreno e congestionamento urbano. Chen et al. apresentam uma metodologia para a criação de uma rede rodoviária urbana baseada em tensor fields (figura 4.5) (Chen, 2008). Figura 4.5 Geração de redes por tensor fields (Chen, 2008). Os vetores tensores podem ser interactivamente criados e editados para conceber uma rede rodoviária, que é criada em várias fases. Primeiro o utilizador começa por desenhar um conjunto base de vetores tensores, recorrendo a uma interface gráfica. A seguir é criado o grafo das ruas usando as linhas da corrente dos vetores tensores previamente criados pelo utilizador. Por último, o grafo da rede é usado para criar todo o modelo tridimensional da cidade. Este método é capaz de produzir padrões de redes do tipo radial ou em grelha e também é capaz de criar estradas segundo a restrições naturais do terreno, como por exemplo o trajeto de um rio. A interação exigida ao utilizador por este método, para produzir um Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 62 modelo rodoviário, não se enquadra na abordagem de geração automática de redes rodoviárias de grandes dimensões. 4.3 Geração de traçados Várias abordagens têm sido tentadas para a geração de traçados rodoviários de forma automática. Por exemplo, L-systems e CGA Shapes são abordagens promissoras para diversos tipos de modelação procedimental, sobretudo devido às vantagens oferecidas em termos de repetibilidade (Coelho, 2007; Muller, 2006; Paris, 2001; Vanegas, 2010). Apesar disso podem não ser a solução mais adequada para produzir traçados rodoviários extensos para simulação de condução. É conhecido que o candidato de um ensaio experimental facilmente aprende o traçado de uma estrada, por isso a repetição de segmentos não é aconselhada. No estudo do comportamento de condutores automóveis, a componente de expectativa de um traçado é uma variável muito importante (Ostadabbas, 2011). Kelly et al. apresentam um trabalho em que primeiro começam por gerar um conjunto de estradas principais, as quais são depois interligadas por estradas secundárias, criando a rede rodoviária de uma cidade (Kelly, 2008). Cada estrada é criada a partir de um conjunto de nós de controlo de alto nível, ou um esboço do percurso por onde a estrada deverá passar (figura 4.6). Figura 4.6 Geração da rede primária (Kelly, 2008). O refinamento do traçado é depois processado, onde é conjugado o controlo de alto nível com a definição do terreno. Nesta abordagem apenas é tido em consideração a elevação do terreno na escolha do trajeto da estrada. Uma vez crida a rede principal é criada a rede secundária, utilizando L-systems com um conjunto de regras definidas pelo utilizador. Algumas das ideias utilizadas nesta abordagem ao nível da rede da cidade podem ser aplicadas a redes rodoviárias em larga escala, particularmente o refinamento sucessivo dos traçados em níveis de detalhe crescente. Galin et al. apresentam uma metodologia de geração procedimental de traçados de estradas (Galin, 2010). A geração do traçado é realizada recorrendo a um algoritmo Modelação de Ambientes Virtuais 63 complexo, sobre um terreno definido em mapa de elevação. Em cada etapa do processo de geração do traçado da estrada sobre o modelo do terreno, a direção a seguir é determinada em função da avaliação local do custo de cada alternativa. O custo de cada alternativa é determinado recorrendo a uma função que avalia vários indicadores, como a relação com o terreno e a relação com as condicionantes (figura 4.7). Figura 4.7 Avaliação local da trajetória da estrada (Galin, 2010). O facto de ser utilizada uma função de avaliação local impede a correta avaliação e otimização global da solução final. O uso de uma abordagem que analise o custo por níveis de forma global poderia conduzir a uma melhor otimização dos traçados finais, produzindo modelos de qualidade. Dependendo do modelo de terreno e do tipo de estrada a gerar, determinar o número de alternativas a estudar pode-se tornar num problema demasiado complexo. Pela descrição do autor não se conclui que esta metodologia produza traçados rodoviários semelhantes aos encontrados em estradas reais, não sendo apresentada nenhuma avaliação conclusiva relativamente ao realismo dos modelos obtidos. A geração de um traçado rodoviário realista deve satisfazer um elevado número de condições, pelo que um algoritmo que tem por base o caminho mais curto, não se apresenta como a abordagem mais adequada. Na geração do modelo visual são instanciados modelos 3D, como pontes, túneis e cruzamento. Ostadabbas et al. apresentam um método de geração de diferentes tipos de traçados rodoviários, em montanha, tipo autoestrada e residencial (Ostadabbas, 2011). Apesar de ser referido o facto do traçado de uma estrada apresentar um desenvolvimento imprevisível, isso é conseguido à custa de uma descrição minuciosa de todos os segmentos de estrada a que os autores designam por layers. O traçado da estrada é obtido pela especificação de um conjunto de curvas, com caraterísticas parametrizáveis, sobre segmentos com extensão pré-definida. A introdução de curvas é feita pela parametrização da direção, extensão de desenvolvimento e ângulo de orientação, o que à partida não prossupõe a definição de curvas compostas (clotóide, arco, clotóide). A avaliação apresentada foca-se essencialmente no ambiente rodoviário, em particular no modelo dinâmico, não tratando com cuidado a questão do realismo do traçado. Apesar dos autores referirem que os resultados da avaliação apontam para modelos rodoviários realistas, não é referido o facto de o traçado gerado possuir caraterísticas geométricas semelhantes às encontras no mundo real. Por outro lado também não é referido que as caraterísticas de traçado cumpram algum tipo de normas rodoviárias. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 64 Nos trabalhos apresentados por Bayarri et al., são descritos métodos para a geração de ambientes rodoviários adequados para simulação de condução a partir de dados de projeto (Bayarri, 1996; Pareja, 1999). Cada vez que se pretenda obter um modelo de uma via, é exigida a prévia interação com a área de engenharia de vias, ou outras fontes, para obter a definição do traçado da via. Alguns destes métodos já foram explorados em trabalhos anteriores (Campos, 2003; Campos, 2007b). A criação de modelos de estradas realistas para simulação de condução passa muitas vezes por processos manuais, trabalhosos e morosos, mesmo quando são disponibilizadas ferramentas interativas. Mesmo os trabalhos mais relevantes de geração automática de redes viárias não abordam especialmente a possibilidade da utilização dos ambientes gerados em simulação de condução em tempo real para fins científicos (Smelik, 2008; Galin, 2011). Sempre que se pretende criar um ambiente de traçado realista para tarefas de condução para fins científicos é necessário um elevado nível de interação com o preparador do modelo, que muitas vezes passa por recorrer a especialistas na área de projeto de vias para obtenção do traçado. Uma alternativa a este problema passa por conceber um método de geração automática de traçados rodoviários. Sumário Neste capítulo foram apresentados os trabalhos mais relevantes na modelação de ambientes, na geração de redes e traçados rodoviários de estradas, estudados no âmbito da realização deste trabalho de investigação. Apesar de reconhecido o contributo destas abordagens, persiste a necessidade de tornar mais expedito o processo de preparação de ambientes rodoviários adequados para simulação de condução. A preparação destes ambientes deve produzir definições de modelos de forma integrada, desde os nós de ligação, rede, traçado até a geração dos modelos geométricos das estradas e do terreno. Os traçados de estradas gerados devem apresentar caraterísticas geométricas semelhantes às encontradas no mundo real. Deve ser possível interação do preparador do modelo na definição semântica gerada, de forma a permitir impor os requisitos específicos de cada trabalho experimental. A possibilidade de geração de modelo a partir de dados de projeto ou outras fontes deverá ser uma funcionalidade a considerar. No capítulo seguinte é apresentado o método concebido para a geração procedimental de ambientes rodoviários adequados para simulação de condução. Geração de Ambientes Rodoviários Neste capítulo propõe-se um método concebido para a geração de forma integrada de ambientes rodoviários completos, desde os nós de ligação até à obtenção dos modelos tridimensionais. A definição do ambiente rodoviário gerado inclui também uma descrição semântica. O processo de geração do ambiente rodoviário está organizado hierarquicamente em camadas, como ilustrado na figura 5.1. Topological Network Centerline Road Enviro Nodes Nós de Ligação Terreno Rede Topológica Traçado Rodoviário Ambiente Rodoviário Modelos geométricos Models Generator Figura 5.1 Arquitetura geral. Em todo o processo de geração do ambiente rodoviário é considerada a definição do terreno. A definição do terreno inclui a especificação do relevo e das condicionantes. Uma condicionante é uma restrição que pode influenciar as trajetórias das estradas, Capítulo 5 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 66 como por exemplo, a floresta, cursos de água, edificações, entre outros elementos típicos. A definição do relevo de um terreno é tipicamente obtida em mapa de elevação, em que cada célula contém o valor da cota (z). A geração do relevo de um terreno pode ter por base algoritmos fractais que, de forma simples e rápida, definem o seu contorno altimétrico (Teoh, 2009). A definição do relevo de um terreno pode ser ainda melhorada através de algoritmos de simulação de erosão provocada por chuvas, ventos entre outros processos naturais. O processo de geração do relevo do terreno não é tratado no âmbito deste trabalho. Nesta abordagem, a geração procedimental do ambiente rodoviário inicia-se pelo módulo Nodes, o qual cria uma definição de nós de ligação num modelo de terreno (Nós de Ligação). Estes nós correspondem a lugares ou localidades que se pretende ligar por estrada. Este módulo, recebe como entrada, a definição do terreno onde os nós irão ser distribuídos. Na distribuição de nós devem-se ter-se em consideração as zonas costeiras, os cursos de água, entre outros elementos que condicionem de forma natural a sua localização. Zonas planas junto à costa são propícias ao desenvolvimento de grandes centros urbanos, com a presença de zonas industriais, aeroportos marítimos e terrestres, entre outros. Na lista de nós produzida, cada nó tem associada a sua localização geográfica e um fator de importância. O fator de importância é utilizado para organizar os nós por tipologia, como por exemplo cidade, vila ou aldeia. A rede de estradas a definir pelo módulo Topological Network usa esta organização para definir as diferentes redes de estrada, como por exemplo, autoestrada, secundária e nacional. O módulo Topological Network é responsável por gerar uma definição topologia da rede rodoviária (Rede Topológica). A rede topológica de estradas é criada hierarquicamente em níveis, à semelhança do que acontece em outros trabalhos semelhantes (Teoh, 2008; Weber, 2009; Galin, 2011). Este módulo, recebe como dados de entrada a definição dos nós de ligação, gerada pelo módulo Nodes, e produz uma definição topológica, que especifica a tipologia da ligação entre cada par de nós, (autoestrada, secundária ou nacional). Uma rede de autoestradas, tipicamente é planeada para a interligação de grandes centros urbanos. A rede primária de autoestradas é gerada a partir dos nós do tipo cidade. A rede secundária é originada pelos nós do tipo vila, sendo planeada para interligar cidades a vilas e vilas a vilas. A rede de estradas nacionais é criada a partir dos nós do tipo aldeia, sendo planeada para interligar vilas a aldeias e aldeias a aldeias. Na tabela 5.1 apresentam-se os tipos de ligações consideradas entre pares de nós. Geração de Ambientes Rodoviários 67 Tabela 5.1 Matriz de ligações entre nós. Cidade Vila Aldeia Cidade AE ES {EN, ES} Vila ES ES EN Aldeia {EN, ES} EN EN AE - Autoestrada, ES - Estrada secundária, EN - Estrada nacional. Na geração da definição da rede topológica poderão ser criados nós adicionais de interligação, os quais têm associado um fator de importância de zero, uma vez que não geradores de tráfego. O módulo Centerline é responsável por gerar a definição do traçado de cada estrada da rede rodoviária (Traçado de Estradas). Este módulo recebe a definição topológica da rede gerada pelo módulo Topological Network e, para cada ligação, gera a definição do traçado, tendo em consideração a definição do relevo do terreno e as respetivas condicionantes. O método de geração de traçados foi inspirado nos procedimentos utilizados em engenharia de vias. A geração do traçado é realizada por fases, com um nível de detalhe crescente. Em cada fase são geradas várias alternativas de traçado. Cada alternativa de traçado é analisada individualmente em função do relevo do terreno e das condicionantes. Depois de avaliadas todas as alternativas num determinado nível, é escolhida a melhor, avançando-se para as fases seguintes. O processo desenvolve-se até se obter uma definição de traçado com o detalhe adequado para o desenvolvimento do traçado em planta e em perfil longitudinal. Por último, é definido um perfil transversal em função do tipo de estrada em estudo. Os traçados produzidos devem ter em consideração as normas de traçado e as boas práticas em projeto de vias, a fim de produzir modelos de estradas com caraterísticas geométricas semelhantes às encontradas no mundo real. A definição de uma estrada engloba ainda a especificação da sinalização horizontal e vertical. A definição da sinalização é realizada pelo módulo Road Enviro. Este módulo recebe como dados de entrada o traçado de uma estrada e em função deste, gera procedimentalmente uma definição da sinalização. A sinalização deve ter em consideração as normas respetivas, especificando para cada tipo de via a marcação rodoviária horizontal e a sinalização vertical adequada. Na implantação de estradas reais são consequentemente efetuadas alterações ao terreno, como escavação e aterros. Da mesma forma, a implementação de estradas virtuais implica a edição do modelo de terreno, realizada também pelo módulo Road Enviro. Este módulo recebe a definição do traçado de cada estrada produzida pelo módulo Centerline e adequa o modelo do terreno à respetiva definição geométrica da via. Deste Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 74 Área=∫(f(x)−g(x)) dx ≅∑Apixel i n i=0 (5.9) Alternativamente, as condicionantes podem ser representadas por imagem, em que o valor do pixel, representa a existência ou não de condicionante. A área da zona classificada atravessada pela estrada pode ser calculada, pelo somatório das áreas dos pixels (Apixel i) abrangidos pela passagem da estrada (5.9). Para determinar a extensão da estrada que é construída em ponte ou túnel é feita uma análise à diferença entre a cota da estrada e a cota do terreno ao longo do eixo da via. É considerada construção em ponte, sempre que a diferença entre a cota da estrada e a cota do terreno seja superior ao valor de referência (hrefponte), como se ilustra na figura 5.7. vale rio hrefponte hrefponte estrada Figura 5.7 Construção em ponte. Também é considerada construção em ponte sempre que a estrada atravesse água, como por exemplo, rio ou lago. É considerada construção em túnel sempre que a diferença entre a cota do terreno e a cota da estrada seja superior ao valor de referência (hreftunel) e esse valor se mantiver no mínimo numa extensão superior ao valor de referência (Ltunel) para construção em túnel, como se ilustra na figura 5.8. hreftunel Ltunel estrada Figura 5.8 Construção em túnel. A avaliação do movimento de terras é também realizada pela análise das diferenças (h) entre a cota do terreno e a cota da estrada. O movimento de terras tem associados dois tipos de volumes, o volume de movimento de terras de escavação e o volume de movimento de terras de aterro (figura 5.9). Geração de Ambientes Rodoviários 75 escavação aterro L(m) estrada z Figura 5.9 Movimento de terras. O volume de aterro é calculado sempre que se verificam as condições (5.10). 0 < h ≤ hrefaterro ⋀ água       (5.10) O volume de escavação é calculado quando se verificam as condições (5.11). 0 < h ≤ hrefexc ⋀ L’ < Ltunel (5.11) Conhecendo a função g(x,y) da superfície do terreno e a função f(x,y) da região (R) do troço da estrada (figura 5.10), o volume total do movimento de terras pode ser calculado pela equação (5.12). Volume=∬| (f(x,y)−g(x,y)) | dxdy R ≅ ∑Vprisma i n i=0 (5.12) O volume de terras também pode ser calculado pelo somatório do volume dos prismas, do terreno abrangido pela passagem da estrada, como se ilustra na figura 5.10. superfície g(x,y) Figura 5.10 Volume do movimento de terras. Num troço de estrada, além de minimizar os volumes de aterro e escavação deve-se tentar minimizar a diferença (Dv) entre os dois volumes (5.13). 𝐷𝑣=| 𝑉𝑎𝑡𝑒𝑟𝑟𝑜−𝑉𝑒𝑠𝑐𝑎𝑣𝑎çã𝑜 || (5.13) O custo associado ao movimento de terras é determinado utilizando o maior dos dois volumes calculados, aterro e escavação. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 76 Por último, na avaliação de alternativas de traçado também é considerada a variação em altimetria (dz) ao longo do eixo da via, calculada pela equação 5.14. dz =∑si+ ∑ |di| (5.14) Onde, si corresponde à variação em altimetria positiva (subidas) e di à variação em altimetria negativa (descidas). A integração deste indicador na avaliação de alternativas permite ao preparador do traçado parametrizar a geração de estradas com diferentes sinuosidades em perfil longitudinal (dz), em função da utilização prevista (secção 5.2). Os valores de referência dos indicadores analisados no estudo de alternativas foram determinados recorrendo a especialistas da área de projeto de traçado (Campos, 2014). 5.3.3 Traçado de corredores O processo de geração de corredores foi concebido segundo um método de refinamento sucessivo do nível de detalhe. Partindo da definição de uma ligação entre dois pontos, começa-se por gerar um conjunto de soluções de alto nível (corredores), com pouca pormenorização. A escolha da melhor hipótese em cada etapa do processo é realizada recorrendo a uma função de custo (secção 5.3.2), como também abordado em (Galin, 2010). A avaliação de diferentes alternativas de corredores num determinado nível, implica estudar as diferentes hipóteses de traçado. Para o estudo comparativo de hipóteses de traçado de corredores e para este nível de abstração da definição do terreno, uma boa aproximação, consiste em utilizar uma largura transversal de referência ao longo do traçado. O uso de um perfil transversal de referência ao longo do traçado é semelhante ao que acontece nesta fase de projeto durante a conceção de uma estrada em engenharia de vias. Na tabela 5.2, apresentam-se os valores de perfil transversal de referência definidos para cada tipo de estrada considerada. Tabela 5.2 Largura transversal de referência. Autoestrada (120 km/h) Estrada secundária (90 km/h) Estrada nacional (60 km/h) Lref (m) 40 22 12 A largura transversal de referência (lref) utilizada na avaliação de indicadores no estudo de alternativas de corredores, reflete uma aproximação obtida com base na ocupação no solo pela plataforma via, acrescida dos elementos adjacentes (i.e., taludes de escavação e aterro, barreira de proteção para animais). A utilização do nível de detalhe adequado permite gerar e estudar um qualquer número de propostas sem prejudicar o processo em termos de esforço computacional. O uso de Geração de Ambientes Rodoviários 77 muitos níveis de detalhe dificulta a identificação da solução final ideal porque, em cada nível, a avaliação da estrada e da sua relação com o terreno e respetivas condicionantes é feita com pouco detalhe, orientando e condicionando as escolhas nos níveis seguintes. A partir do momento em que a localização de um vértice do traçado é determinada, esta não volta a ser processada. Por outro lado, um número reduzido de níveis implica um maior peso computacional a processar a relação com o relevo do terreno e condicionantes, ao analisar com maior detalhe cada alternativa de traçado. Esta estratégia da geração do traçado por níveis de detalhe foi inspirada nos métodos utilizados em engenharia de vias para conceção de um traçado rodoviário (secção 3.2), o que facilitou a parametrização do processo e a escolha do número de níveis proposto. A criação da tabela 5.3 foi inspirada nos procedimentos utilizados em engenharia de vias para a conceção de traçados, em que o projeto se desenvolve em diferentes fases. Na tabela 5.3 os parâmetros Lmin e Lmax correspondem aos limites mínimos e máximos da distância entre os dois nós que se pretendem ligar por estrada e permitem determinar em que nível se inicia o processo de geração de corredores. Independentemente do nível em que o processo se inicia, a geração de um novo corredor é realizada sobre uma definição de um corredor mais largo. A geração de um novo corredor, com largura definida pelo parâmetro Corredor gerado, é realizada dentro de um corredor com largura definida pelo parâmetro Corredor inicial. Este processo termina quando já não existir alinhamentos com extensão superior à condição de paragem definida pelo parâmetro Lparagem. Pela tabela 5.3, é possível determinar em que nível o processo se inicia e quantas etapas serão realizadas até obter a definição do traçado em alinhamentos retos com o detalhe adequado. Tabela 5.3 Parâmetros utilizados para definição dos corredores (km). Nível Lmin > Lmax ≤ Corredor inicial (largura) Lparagem < Corredor gerado (largura) 1 0,02*Vb (i) 10 5 0,02*Vb (i) 1 2 10 50 20 10 5 3 50 200 100 50 20 4 200 1000 500 200 100 5 1000 5000 2000 1000 500 (i) Vb, velocidade de base em km/h. Por exemplo, Vb=120 km/h, Lparagem = Lmin = 2.4 km. Como exemplo: uma ligação inicial entre dois nós distantes 150km entre si, pela tabela 5.3, o processo de geração do traçado inicia-se no nível 3 (50 < 150 ≤ 200). A partir de um corredor inicial com 100 km de largura é gerado um novo corredor com 20 km de largura. Na geração do novo corredor, a definição do traçado é refinada até que todos os alinhamentos possuam uma extensão inferior a 50 km, valor definido no parâmetro Lparagem. O refinamento de um corredor é descrito na secção 5.3.4. Após obter a definição Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 78 de traçado do novo corredor, o processo continua para o nível de detalhe seguinte, que neste exemplo corresponde ao nível 2. No nível 2 é realizado o mesmo procedimento que o descrito anteriormente para o nível 3. Independentemente do nível em que o processo se inicia a geração de corredores é realizada até chegar ao nível 1, nível em que é produzida uma definição do traçado em alinhamentos retos. 5.3.4 Vértices do corredor A geração de um novo corredor tem por base a definição de um corredor anterior. O processo de geração de um novo corredor consiste na divisão binária sucessiva dos alinhamentos da definição de entrada, adicionando novos vértices ao traçado. A figura 5.11 exemplifica a obtenção de um novo vértice, na geração de corredores. Entre os vértices A e B da figura 5.11, é determinado o ponto médio (m), obtendo-se o vetor 𝐴𝑚 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 . É introduzida uma perturbação no módulo do vetor 𝐴𝑚 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 para que os alinhamentos adjacentes ao ponto m tenham extensões diferentes. Do resultado dessa perturbação obtém-se o vetor 𝐴𝑃 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 . De seguida calcula-se o vetor tensor 𝑃𝑃′ 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , que é perpendicular ao vetor 𝐴𝑚 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , permitindo deslocar o novo vértice para o ponto P’. No cálculo do novo vértice situado no ponto P’ é considerada a largura do corredor, para que o novo vértice não se desloque para além dos limites definidos pelo corredor de entrada, como se ilustra na figura 5.11. Limites do corredor αmax α’’ A B P’ m P α’ d1d2 α’max α’’max Figura 5.11 Geração dos vértices do corredor. Na determinação do novo vértice P’ também são considerados os ângulos αmax entre os novos alinhamentos e os ângulos dos alinhamentos adjacentes, α’ e α’’ da figura 5.11, impondo um limite ao deslocamento para o vértice P’ (5.15). α’max ≤ 2*atan ( d1Rmin ⁄ ) - α’ α’’max ≤ 2*atan (d2Rmin ⁄ ) - α’’ (5.15) αmax ≤ min ( α’max , α’’max ) Geração de Ambientes Rodoviários 79 Onde α’max é o ângulo formado entre o alinhamento adjacente ao vértice A e o novo alinhamento formado pelos vértices A e P’, Rmin corresponde ao valor mínimo do raio a implementar. Dependendo do valor de αmax, o limite de deslocamento do vértice P’ pode ser inferior aos limites do corredor. Esta consideração (αmax) permite garantir que posteriormente é possível desenvolver o traçado em planta de acordo com as normas, cumprindo os raios mínimos (Rmin) de traçado (InIR, 2010). A cota dos novos vértices é determinada depois de conhecidas a suas localizações em planta. Considerando que a cota dos pontos extremos foi previamente definida pelo preparador do traçado ou por instâncias superiores no processo de geração de corredores, estas não são alteradas. No cálculo da cota do vértice é tida em consideração a inclinação dos segmentos para que esta se enquadre nos limites máximos impostos pelas normas de traçado, para o tipo de via em estudo. À medida que o processo de geração de uma estrada avança, o traçado rodoviário vai sendo refinado, até se obter uma definição de traçado em alinhamentos retos com nível de detalhe adequado ao desenvolvimento do traçado em planta. 5.3.5 Traçado em planta A partir da definição do traçado em alinhamentos retos é desenvolvido o traçado em planta, com a introdução de curvas compostas. As curvas em planta são constituídas por uma clotóide de entrada, um arco de curva circular e uma clotóide de saída. Esta sequência em termos geométricos resulta numa curva composta, como se ilustra na figura 5.12. o V α Figura 5.12 Curva composta simétrica. Dependo do tipo de via, existem parâmetros a nível geométrico que constam das normas de traçado e que devem ser respeitados, como por exemplo: o parâmetro A da clotóide e o raio mínimo em planta. Os valores mínimos admissíveis para estes parâmetros estão relacionados com a velocidade de base da via. Conhecido o parâmetro A, o ângulo (α) entre os alinhamentos retos (figura 5.13) e as respetivas extensões LA e LB, calcula-se o valor do raio (R) do arco da curva circular (5.16). Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 80 R = 𝐿𝑠𝑒𝑔2 ⁄ tan (α2 ⁄ ) (5.16) Na equação anterior, Lseg corresponde à menor das extensões dos alinhamentos retos adjacentes, min( LA, LB ). Conhecido o raio (R) do arco da curva circular, o parâmetro (A) da clotóide e o ângulo (α) entre os dois alinhamentos retos é possível determinar os restantes elementos do desenvolvimento da clotóide (figura 5.13). XC YC oL α Xm Tcci V R’ Figura 5.13 Desenvolvimento da clotóide. Os elementos em falta são: a extensão (L) de desenvolvimento da clotóide, o ângulo da tangente no ponto final da clotóide (τ), o valor do desvio (∆R) do raio devido à introdução da clotóide e o ponto de osculação (o) situado no fim do alinhamento reto e início da clotóide (figura 5.13). O valor do desvio (∆R) do raio corresponde à diferença entre o raio (R’) antes da introdução da clotóide e o raio (R) devido à introdução da clotóide (∆R =R’- R). Conhecido o parâmetros A e o raio R, o valor de desvio (∆R) do raio pode ser calculado pela equação (5.17). ∆R ≈ A424R3 ⁄ (5.17) Para determinar o ponto de osculação (o) ainda é necessário determinar os parâmetros Tcci e Xm da figura 5.13. A distância Tcci é calculada pela equação (5.18). Tcci = R’ * tan (𝛼2 ⁄) (5.18) Onde, R é o raio da curva circular, ∆R é a variação do raio com a introdução de clotóide e α o ângulo entre os dois alinhamentos. O parâmetro Xm é calculado pela equação (5.19). Xm = Xc – R * sin (τmax) (5.19) Onde, τmax corresponde ao ângulo entre a tangente e o alinhamento reto no ponto final da clotóide (τmax = L / 2R). Geração de Ambientes Rodoviários 81 O valor de Xc e Yc é determinado pelo sistema de equações (5.20). Xc = L – ( L540A4 ⁄ ) + ( L93456A8 ⁄) (5.20) Yc = ( L36A2 ⁄) - ( L7336A6 ⁄ ) + ( L1142240A10 ⁄ ) Onde, L corresponde ao desenvolvimento da clotóide, e A o parâmetro da clotóide. As variáveis Xc e Yc correspondem ao desenvolvimento da clotóide segundo os eixos x e y, respetivamente. O valor do desenvolvimento (d) da curva circular é calculado pela equação (5.21). d = R * (α - 2 *τmax) (5.21) Onde α é o ângulo de desvio dos alinhamentos retos, R o raio da curvatura circular e τmax corresponde ao ângulo da tangente no ponto final da clotóide. O desenho do arco da curva circular, segundo os eixos x (M) e y (P), é determinado pelo sistema de equações 5.22. M = Xc + d’ * sen (θ) (5.22) P = Yc + d’ * cos (θ) Onde, θ é o ângulo de desvio no arco na extensão d’ e varia entre zero e (α - 2*τmax). Com a introdução de curvas compostas entre as definições dos alinhamentos retos, o traçado em planta fica concluído, seguindo-se a definição do traçado em perfil longitudinal. 5.3.6 Traçado em perfil longitudinal O traçado em perfil longitudinal tem como objetivo adequar a cota da via ao relevo do terreno. O perfil longitudinal deve aproximar-se o mais possível da cota do terreno, minimizando desta forma o volume de movimentos de terras e outro tipo de construções como pontes e túneis, diminuindo os custos totais de construção. Para traçar o perfil longitudinal é necessário fazer um levantamento, com espaçamento regular, da cota do terreno sobre o eixo da via da estrada. Após conhecer a relação entre a definição do terreno e o traçado da estrada, procede-se à definição dos vértices em altimetria (v1, v2, v3) como se exemplifica na figura 5.14. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 82 v2 Cota (z) Distância ao longo da diretriz (L) Altimetria terreno t1t2 v1v3 Figura 5.14 Levantamento da cota do terreno. Os vértices em altimetria definem os alinhamentos retos em perfil longitudinal, designados em engenharia de vias por trainéis. O perfil longitudinal de uma estrada desenvolve-se com a introdução de condordâncias verticais entre as definições dos trainéis, como se ilustra na figura 5.15. v1 v2 v3 concordância t1t2 Distância ao longo da diretriz (L) Cota (z) Figura 5.15 Concordância vertical. As concordâncias verticais podem ser dos tipos côncavas ou convexas. As caraterísticas geométricas destas concordâncias devem obedecer aos critérios definidos nas normas de traçado. Os trainéis t1 e t2 da figura 5.15, correspondem aos alinhamentos retos em altimetria obtidos a partir da definição dos vértices v1, v2 e v3. A inclinação in de um trainel (tn) é determinada em função das cotas dos vértices (Cv) que lhe dão origem e da distância (d) sobre o eixo da via entre os respetivos vértices (5.23). in = Cv(n) – Cv(n+1) d (5.23) Onde, Cv(n) e Cv(n+1) correspondem às cotas dos vértices do trainel (tn). As normas de traçado definem a inclinação máxima dos trainéis em função da velocidade de base. Como exemplo, para uma autoestrada projetada para uma velocidade de 120 km/h, a inclinação máxima não deve exceder os 3%. Já no caso de uma estrada nacional projetada para uma velocidade de 60 km/h, a inclinação máxima não deve exceder os 7%. Na aproximação da cota do vértice ao terreno é tida em consideração a inclinação do trainel, de forma a obedecer aos limites máximos recomendados pelas normas de traçado para o tipo de via em conceção. Geração de Ambientes Rodoviários 83 Conhecidas as inclinações i1 e i2, e as extensões L1 e L2 dos trainéis t1 e t2, formados pelos vértices v1, v2 e v3 da figura 5.16, determina-se o valor do raio de concordância vertical (5.24). R = 0.5∗Lmin(i1−i2) ⁄ (5.24) Onde, Lmin corresponde à menor extensão dos trainéis t1 e t2, min(L1, L2). Após obter o valor do raio, estão definidos todos os elementos necessários para traçar a concordância vertical, definida matematicamente por uma parábola (5.25). y = y0 + (m*d - d22R ⁄) (5.25) Como se ilustra na figura 5.16, a concordância é implementada entre os pontos T e T’, numa extensão de desenvolvimento (D) sobre o eixo da via. v1 v2 v3 T D t1, i1t2, i2 Distância ao longo da diretriz (L) R Cota (z) p T’ Figura 5.16 Concordância em perfil longitudinal. A extensão de desenvolvimento (D) da concordância é obtida em função da inclinação (in) dos trainéis e do raio (R) da curva (5.26). D = R * (i1 - i2) (5.26) O ponto T no traçado é determinado conhecendo a extensão (L1) do trainel t1, e o desenvolvimento (D) da concordância (5.27). T = L1 - D2 ⁄ (5.27) A cota do ponto T (CT) é determinada em função da cota do vértice inicial do trainel (Cv1), a inclinação do trainel (i1) e a extensão (L1) do trainel t1 (5.28). CT= Cv1 + i1 * (L1 - D2 ⁄) (5.28) A cota de um ponto p (Cp) na concordância é calculada em função da cota do ponto T (CT), da inclinação do trainel (i1), do raio (R) e da distância (d) percorrida ao longo da concordância (5.29). Cp=CT + (i1 * d - d22R ⁄) (5.29) Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 90 a cor pode transitar entre o verde da vegetação natural e o castanho correspondente à terra movimentada. Na edição do modelo do terreno é guardada informação das áreas afetadas pela passagem da estrada, permitindo a visualização com um aspeto diferente. 5.5 Modelo semântico Durante a criação do ambiente rodoviário é produzida uma descrição semântica de todo o modelo gerado. O modelo semântico de um ambiente rodoviário é uma descrição de alto nível de caraterização de todo o modelo. Esta descrição é fundamental em simuladores de condução para fins científicos, não só para a produção de relatórios mas também para a parametrização de atores, parametrização de eventos de tráfego e consulta por outros sistemas. É conhecido que diversos fatores contribuem para o realismo e a imersividade das experiências de simulação de condução, como o modelo fisco de simulação do carro conduzido, o realismo do traçado e o enriquecimento dos ambientes rodoviários com elementos dinâmicos. É também reconhecido que a inclusão de atores e a parametrização de eventos tráfego torna a experiência de condução mais imersiva a realista (Ostadabbas, 2011). Tipicamente, em experiências de simulação de condução pretende-se estudar o comportamento dos condutores em determinadas circunstâncias específicas. Para a implementação deste tipo de experiências é normalmente requerida a colocação de outros veículos e a especificação de eventos de tráfego precisos. Para a colocação de atores e especificação de eventos de tráfego, outros níveis de informação devem coexistir, para além do modelo visual. O modelo semântico deve incluir a definição do eixo da via, informação sobre o número e a largura das faixas de rodagem, a largura das bermas, o número e a largura das vias e a definição da sinalização rodoviária, horizontal e vertical, limite legal de velocidade em cada troço de estrada, entre outros elementos. A representação do eixo da via através de listas ordenadas de vértices com diferentes níveis de detalhe, como referido na secção 5.3.7, permite obter facilmente uma base de dados que contém a informação vetorial requerida sobre o eixo da estrada. Este tipo de informação é fundamental para consulta durante a simulação de condução. Durante o funcionamento do simulador de condução, as representações dos eixos das vias são exaustivamente consultadas. Alguns dos processamentos típicos mais pesados sobre as informações dos eixos das vias, são realizados várias vezes por cada ciclo de simulação, pelo que devem ser otimizados. A determinação da distância de um ponto qualquer no espaço ao eixo da via é realizada sempre que se pretende, por exemplo, conhecer a posição de um veículo relativamente à estrada. Com base na descrição semântica da estrada também é possível determinar a posição, orientação, entre outros fatores, de um Geração de Ambientes Rodoviários 91 veículo relativamente à via. É possível por exemplo, determinar o tempo para cruzar a linha de sinalização (guia lateral ou separadora central). Adicionalmente, com base na definição semântica do modelo gerado e recorrendo a ferramentas desenvolvidas no âmbito da preparação procedimental de ambientes rodoviários, é possível povoar um ambiente rodoviário com atores de forma rápida e eficiente. A definição semântica de um modelo, obtida no final do processo integrado de preparação de ambientes rodoviários é composta pelas seguintes definições:  Definição da rede;  Definições do traçado em alinhamentos retos, com diferentes níveis de detalhe;  Definição do eixo da via, em planta e em perfil longitudinal;  Definição do perfil transversal da estrada;  Definição da sinalização;  Definição do modelo de terreno. Este conjunto de informações é obtido dos diferentes módulos que constituem o processo integrado de modelação de ambientes. Associado a cada nó, pode-se encontrar informação como: localização, nome, população e tipo (secção 5.1). Na geração da rede, é produzida uma definição de ligações entre pares de nós, como referido na secção 5.2. Na geração do traçado, são produzidas diferentes definições em alinhamentos retos correspondentes a cada nível de detalhe (corredores), como se exemplifica na tabela 5.6. Tabela 5.6 Definição dos corredores. Corredor Vértices Largura (1km) Extensão Volumes de movimentos terras Áreas afetadas pelas condicionantes Extensões em ponte e túnel 1 2 . . . n Largura (5km) . . . 1 2 . . . n . . . . . . No final da geração do traçado dos corredores, obtém-se uma definição em alinhamentos retos com o detalhe adequado ao desenvolvimento do traçado em planta em perfil longitudinal. Relativa a cada estrada é gerada uma definição da estrada, permitindo Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 92 consulta do nome, da tipologia, da extensão, da velocidade base, entre outros elementos (tabela 5.7). Tabela 5.7 Definição da estrada. Descrição Nome Nome da estrada Nós extremos Identificação dos nós extremos da ligação Tipo Tipologia da ligação: AE, ES, EN. Largura da faixa Largura da plataforma da estrada (m) Velocidade base Velocidade base/limite da estrada (km/h) Tipo de pavimento Betuminoso, pedra, etc. Extensão Extensão da estrada (m) No desenvolvimento do traçado em planta é gerada uma definição que carateriza o traçado em planta de cada estrada, por uma sequência de retas e curvas. Para cada reta e curva pode ser consultada, por exemplo, a posição longitudinal de início e fim( tabela 5.8. Tabela 5.8 Definição do traçado em planta. Nome da estrada Reta (Início, fim, extensão) Curva Clotóide (Parâmetro, extensão, início, fim) Arco (Raio, início, fim, extensão) Clotóide (Parâmetro, extensão, início, fim) Reta (Início, fim, extensão) . . . No desenvolvimento do traçado em perfil longitudinal é gerada uma definição que carateriza o traçado por uma sequência de trainéis e concordâncias, como se exemplifica na tabela 5.9. Tabela 5.9 Definição do traçado em perfil longitudinal. Nome da estrada Trainel (Início, fim, extensão, tipo: subir/descer) Concordância (Raio, desenvolvimento, tipo: concava/convexa) Trainel (Início, fim, extensão, tipo: subir/descer) Concordância (Raio, desenvolvimento, tipo: concava/convexa) Trainel (Início, fim, extensão, tipo: subir/descer) . . . Na definição da sinalização horizontal é gerada uma lista de linha longitudinais (separadores), permitindo delimitar a largura da faixa de rodagem e as vias em cada Geração de Ambientes Rodoviários 93 faixa. Com base nesta informação, por exemplo, é possível determinar, por exemplo, se um veículo se encontra numa zona de proibição de ultrapassagem, em excesso de velocidade, entre outros (tabela 5.10). Tabela 5.10 Definição da sinalização horizontal. Descrição Id Separador (esq.) -n, …,-2, -1, 0 (eixo), 1, 2, …, n (dir.) Distância ao eixo Distância ao eixo da via (m) Tipo Linha contínua ou descontínua Cor Cor da linha (branca, amarela) Largura Largura da linha (m) Relação espaço/traço Na linha descontínua, relação espaço / traço Início Posição longitudinal de início de representação da linha (m) Fim Posição longitudinal de fim de representação da linha (m) Limite de Velocidade Limite de velocidade da via definida pela linha (km/h) Na definição da sinalização vertical é gerada uma lista de sinais, indexada pela posição longitudinal. Esta definição permite por exemplo, identificar em cada troço de estrada a velocidade permitida imposta pela sinalização vertical (tabela 5.11). Tabela 5.11 Definição de sinalização vertical. Descrição Nome Nome do sinal Tipo Tipo de sinal: Obrigatoriedade, proibição, informação) Limite velocidade Em sinais de limite de velocidade (km/h) Posição longitudinal Posição longitudinal na estrada (m) Distância ao eixo Posição lateral (m) Orientação Orientação do sinal (heading, pitch e roll) Modelo Nome do modelo do sinal A definição do limite de velocidade é hierárquica, prevalecendo a imposição da sinalização vertical sobre o valor especificado por cada via, e esta sobre a velocidade base da estrada. Um ambiente rodoviário é constituído por inúmeros objetos envolventes. Também pode ser criada uma definição de objetos típicos destes ambientes. Para esta especificação é gerada uma lista com a definição dos objetos (tabela 5.12). Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 94 Tabela 5.12 Definição de objetos. Descrição Nome Nome do objeto Tipo de colocação Simples ou repetitiva Posição longitudinal Posição longitudinal na estrada (m) Distância ao eixo Posição lateral (m) Orientação Orientação do objeto (heading, pitch e roll) Modelo Nome do modelo do objeto Para a definição de objetos que se repetem ao longo do traçado, à informação anterior apresentada na tabela 5.12, é acrescentado o início/fim de colocação e intervalo de repetição, como se descreve na secção 6.5.3. Após obter o traçado final da estrada é realizada uma avaliação entre a cota da estrada e a cota do terreno, identificando os troços onde existe movimentação de terras. No final desta avaliação é produzida uma lista que carateriza cada aterro e escavação ao longo do traçado (tabela 5.13). Tabela 5.13 Movimentações de terras. Escavação Aterro Início Posição longitudinal (m) Início Posição longitudinal (m) Extensão Extensão de escavação (m) Extensão Extensão de escavação (m) Volume Volume de terras (m3) Volume Volume de terras (m3) Nesta avaliação, também são identificados os troços da via que serão construídos em ponte ou túnel, sendo produzida uma lista correspondente (tabela 5.14). Tabela 5.14 Pontes e túneis. Ponte Túnel Nome Nome da ponte Nome Nome do túnel Início Posição longitudinal de início (m) Início Posição longitudinal de início (m) Extensão Extensão em ponte (m) Extensão Extensão em túnel (m) Como referido anteriormente a definição semântica gerada por cada módulo ao longo do processo automático de criação de um ambiente rodoviário pode ser consultada e editada pelo preparador do modelo. Esta possibilidade de interação é fundamental para cumprir os requisitos específicos de cada trabalho experimental, na geração procedimental de ambientes. Adicionalmente a definição semântica gerada também pode ser exportada para outros sistemas, que necessitem de consultar as definições do ambiente rodoviário. Como exemplo, sistemas de auxílio à condução gerando avisos do limite legal de velocidade permitida num determinado troço de uma estrada. Geração de Ambientes Rodoviários 95 A definição semântica e dados da simulação também podem ser disponibilizados em tempo real para outros sistemas, como por exemplo, sistemas de auxilio à condução com vista à economia de combustível, sistemas de ensino da tarefa de condução permitindo o controlo externo de eventos, entre outas aplicações. 5.6 Modelo geométrico A obtenção de imagens num simulador de condução requer um modelo geométrico de um ambiente virtual completo, composto pelos modelos das estradas e do terreno, entre outros elementos típicos. A geração dos modelos geométricos das estradas, da sinalização e do terreno é realizada pelo módulo Models Generator. Os modelos geométricos são gerados a partir das definições produzidas pelos módulos constituintes do processo integrado de geração de ambientes, como se ilustra na figura 5.22. Ambiente rodoviário Terreno Models Generator Modelos geométricos Figura 5.22 Geração dos modelos geométricos. À semelhança do modelo semântico do ambiente rodoviário, os modelos geométricos criados também podem ser exportados para outros sistemas. 5.6.1 Modelo da estrada Por analogia a uma estrada real em que esta é construída pela extrusão do perfil transversal ao longo do seu percurso, para representar graficamente um modelo de uma via, utiliza-se uma tira de triângulos interligados entre si, como se ilustra na figura 5.23. Vértices do polígono eixo da via Figura 5.23 Tira de triângulos. Em situações de reta, não existe a necessidade de ter uma elevada concentração de polígonos para visualizar o modelo da via. Para minimizar o número de polígonos utilizados na representação da estrada, é reduzido o número de polígonos gerados em reta relativamente ao utilizado em zonas de curva, utilizando um passo adaptativo Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 96 (Bayarri, 1998). Esta simplificação é realizada analisando o ângulo de desvio entre dois segmento retos consecutivos, suprimindo vértices da definição do eixo da via, caso o desvio seja inferior ao parametrizado por defeito. Para a criação dos modelos geométricos das estradas, são também exploradas as técnicas desenvolvidas em trabalhos anteriores (Campos, 2007b). O método concebido para a geração do modelo poligonal da via é idêntico ao utilizado em terreno real para a construção da estrada. O modelo da estrada é construído percorrendo o eixo da via e para cada vértice, são traçadas perpendiculares ao eixo. Com a informação do perfil transversal e utilizando cálculo vetorial determinam-se os vértices dos polígonos que compõem a via (Lagoa, 2003). Na figura 5.24, ilustra-se o cálculo dos vértices dos polígonos que compõem a via. P1 P2 eixo da via v1 v2 vRvértice vértice Figura 5.24 Cálculo dos Vértices dos polígonos da via. Como se pode observar na figura 5.24, o vetor resultante (vR) da soma dos vetores v1 e v2, permite determinar a posição em planta dos vértices P1 e P2. Para determinar a cota dos vértices P1 e P2, é considerado o ângulo de sobrelevação da via. Para cada vértice do eixo da via, o vetor resultante (vR) passa a ter uma orientação considerando a sobrelevação da via. A partir da classificação obtida na geração do traçado (secção 5.3.6), são nesta fase integrados os diferentes elementos geométricos, como por exemplo, pontes e túneis. Essa tarefa é realizada percorrendo o eixo da via e em função da tipologia de cada troço, são instanciados os respetivos modelos de pontes e túneis. 5.6.2 Sinalização À semelhança do modelo da estrada o modelo da sinalização horizontal será representado por uma tira de polígonos ao longo da estrada. A obtenção dos polígonos da linha longitudinal é efetuada através de um método semelhante ao utilizado na construção do modelo poligonal da via. Este método implica percorrer o eixo da via e Geração de Ambientes Rodoviários 97 para cada vértice da definição do traçado, calcular os vértices dos polígonos que formam a linha. No caso da linha descontínua é gerado um polígono retangular para cada traço. No sentido de otimizar a deteção de visibilidade pelo sistema de síntese de imagem, os modelos de sinalização horizontal são organizados hierarquicamente com o modelo da estrada, utilizando layers. Os layers são utilizados para definir prioridades de representação, identificando qual o objeto que se sobrepõe relativamente a outro, no processo de síntese de imagem. Em sistemas de visualização em tempo real, o uso de layers, aumenta significativamente a qualidade da simulação. Ao definir que a camada da sinalização horizontal se sobrepõe ao modelo da via, consegue-se diminuir o efeito de aliasing, obtendo-se uma representação de melhor qualidade. A sinalização vertical é colocada no ambiente rodoviário instanciando modelos de sinais rodoviários pré-modelados. Foi criada uma base de dados de sinais verticais de diferentes tipologias, informação, perigo, proibição, entre outros. O método de criação de novos sinais apenas requer a indicação do modelo tridimensional e do material a aplicar na superfície do sinal. Os modelos tridimensionais foram construídos com dimensões correspondentes as definidas nas normas de sinalização vertical para cada tipo de via (InIR, 2015b). O formato de especificação descrito na secção 6.5.2, possibilita a povoação de um ambiente rodoviário com sinalização de forma rápida e permite que o preparador do modelo possa consultar e editar a definição gerada automaticamente, impondo os requisitos específicos de cada ensaio experimental. 5.6.3 Modelo do terreno A visualização de terrenos de grandes dimensões pode sobrecarregar até os sistemas de síntese de imagem mais poderosos. É portanto necessário otimizar o modelo do terreno de forma a não comprometer as taxas de refrescamento da imagem. Uma forma de otimização consiste em simplificar o modelo de terreno, eliminando polígonos que se considerem de pouca importância. A simplificação do modelo de terreno aumenta as prestações dos sistemas de síntese de imagem, uma vez que permite uma diminuição do número total de polígonos tratados na geração da imagem. Uma técnica de otimização muito utilizada consiste em obter mais do que uma definição do mesmo modelo do terreno através de simplificações sucessivas. O modelo do terreno original permite uma visualização com o máximo detalhe disponível e cada modelo simplificado corresponde a um nível de detalhe inferior. Na visualização, estes modelos associados a técnicas de seleção automática de nível de detalhe (Level of Detail, LOD) permitem obter ótimos resultados. Para o caso de terrenos definidos por mapa de elevação, como os que se utilizam neste trabalho, estes modelos simplificados podem ser obtidos através da redução uniforme da malha de pontos, como explorado em (Campos, 2007b). Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 98 Modelos de terrenos de grandes dimensões devem também ser organizados hierarquicamente de acordo com a localização espacial. A hierarquização do terreno adotada consiste em dividir o modelo global em células de menor dimensão. Depois de obter todas as células, estas são organizadas sucessivamente em conjuntos. A variação do nível de detalhe aliada à organização espacial dos modelos da estrada e do terreno na geração dos modelos visuais, permite a geração de imagens adequadas à realização de experiências científicas em simulador de condução Sumário Neste capítulo foram referidos os aspetos relevantes na conceção de um método integrado de preparação procedimental de ambientes rodoviários adequados para simulação de condução. O capítulo iniciou-se com a descrição dos módulos de geração de nós e da rede topológica. Inspirado nos procedimentos utlizados em engenharia de vias, descreveu-se a abordagem adotada na conceção do método de geração de traçados de estradas, em planta e em perfil longitudinal. A colocação da sinalização e a edição do modelo de terreno em função da rede de estradas foi também abordada neste capítulo. Uma das principais caraterísticas do método proposto é a possibilidade de interação do preparador do modelo em qualquer etapa do processo. Esta possibilidade de interação é realizada através da edição das definições geradas por cada um dos módulos do processo integrado. Por último foram referidas as abordagens adotadas na geração dos modelos geométricos das estradas, da sinalização horizontal e do terreno. No capítulo seguinte são apresentados os aspetos relacionados com a implementação de um protótipo para a geração procedimental de ambientes rodoviários. Implementação Neste capítulo é descrita a implementação de um protótipo funcional, em C++, que aplica o método proposto para a geração procedimental de ambientes rodoviários. São apresentados os aspetos relevantes na implementação dos diferentes módulos que integram o processo automatizado de preparação de ambientes, como se ilustra na figura 6.1. Topological Roads Centerline Road Enviro Nodes Models Generator Figura 6.1 Arquitetura geral das implementações. O capítulo começa pela descrição da implementação do módulo de geração de nós de ligação e sua organização por tipologia. A seguir descreve-se a implementação do módulo de geração da definição topológica da rede rodoviária, onde se apresenta a aplicação interativa desenvolvida. Em seguida, descreve-se o módulo corresponde à geração do traçado rodoviário de estradas em diferentes fases (corredores, traçado em planta e em perfil longitudinal). Capítulo 6 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 106 se a distância mínima a cada estrada. Deste processo podem resultar taludes de escavação ou aterro, como ilustrado na figura 6.5. Talude de escavação Talude de aterro eixo da via Z d α Figura 6.5 Taludes de escavação e aterro. Na figura 6.6, apresentam-se duas imagens, onde se podem visualizar os taludes de escavação (esquerda) e aterro (direita). Figura 6.6 Talude de escavação (esq.) e aterro (dir.). O processo implementado de edição do terreno garante que na análise de cada estrada, um ponto do terreno só é tratado uma única vez. Para otimizar este processo, os pontos do terreno que se encontrem relativamente longe das estradas não são tratados. O módulo desenvolvido, para além de alterar a cota do modelo de terreno relativamente à passagem das estradas, guarda numa matriz a informação sobre a alteração de aspeto das zonas onde existiu movimentação de terras. As posições da matriz são indexadas pelos índices, linha e coluna. Assim à medida que os pontos do terreno vão sendo alterados devido à passagem das estradas, é associada uma etiqueta com o tipo de movimento de terras (aterro ou escavação), que mais tarde é consultada na geração do modelo visual. A estrutura de dados utilizada para guardar a informação sobre a alteração provocada no terreno integra a definição do terreno. Implementação 107 Na geração do modelo visual do terreno, estes atributos do terreno são consultados e os polígonos afetados são tratados em conformidade. Como se pode ver nas imagens da figura 6.6, as zonas mais acentuadas onde existiu alteração da cota do terreno devido à passagem da estrada, encontram-se com um aspeto diferente da restante paisagem. 6.5 Estrutura de dados No método proposto, cada módulo do processo integrado de preparação de ambientes rodoviários produz uma definição do resultado gerado. Esta descrição é útil, não só como dados de entrada para os módulos seguintes, mas também para que o preparador do modelo possa interagir na definição gerada, editando o resultado obtido por cada módulo. Esta possibilidade de interação permite que se possam cumprir os requisitos específicos de cada ensaio experimental. A definição de um modelo, obtida no final do processo integrado é composta pelas seguintes definições: rede (nós e ligações); corredores; eixos das vias; perfis transversais das estradas; sinalização e definição do modelo do terreno. A definição da rede é constituída pelas listas de nós e ligações entre pares de nós. A definição dos vértices do traçado em alinhamentos retos resulta do processo hierárquico de geração de corredores, em que em cada nível é gerada uma definição. Após obter o traçado da estrada em alinhamentos retos resultante do processo de geração de corredores, desenvolvem-se os traçados em planta e em perfil longitudinal, obtendo-se as definições dos eixos das vias, representados por uma lista ordenada de vértices. A partir da especificação de cada tipo de via é gerada a definição do perfil transversal. Esta organização do modelo da estrada permite posteriormente a geração automática da definição da sinalização e edição do modelo de terreno, pelo módulo Road Enviro. A partir da definição do eixo da via e do perfil transversal, o módulo Models Generator gera o modelo geométrico das estradas. Na definição de um ambiente de simulação, referido na secção 2.1.3, também se pode encontrar a especificação do modelo dinâmico da simulação, como por exemplo: parametrização de outros veículos para além do veículo conduzido, colocação de peões, parametrização de eventos de tráfego, entre outros. A vantagem desta organização é a facilidade com que o preparador do modelo, com um vulgar editor de texto, pode consultar e editar uma definição de um ambiente de simulação. 6.5.1 Definição da estrada No processo integrado de geração de um modelo de ambiente rodoviário, o módulo Centerline de geração de traçado, produz uma definição da estrada composta pelos Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 108 corredores, eixos das vias e perfis transversais. Para cada nível na geração dos corredores é gerada uma definição, como referido na secção 5.5. A definição final do eixo da via, resulta do desenvolvimento do traçado em planta e em perfil longitudinal, pelo módulo Centerline. Na definição de uma estrada, para além do eixo da via, é associada uma definição de sinalização e um perfil transversal. A seguir apresenta-se um exemplo da definição de uma estrada, que permite mais tarde gerar o modelo geométrico e iniciar a simulação de condução. DEF_ROAD N3 CENTERLINE estrada.pts ROADSINGS sinais.def PERFIL Nacional TYPE EN END_ROAD A etiqueta DEF_ROAD representa o início da secção de definição de uma estrada, seguindo-se o nome atribuído à estrada. Esta secção termina com a etiqueta END_ROAD. A seguir à etiqueta CENTERLINE define-se o nome do ficheiro correspondente ao eixo da via, que neste exemplo tem o nome estrada.pts. Na etiqueta ROADSIGNS, refere-se o nome do ficheiro de sinalização, onde se encontra definida a sinalização horizontal e vertical. O nome que se segue à etiqueta PERFIL refere-se ao tipo de perfil transversal. A especificação do perfil transversal gerada procedimentalmente permite definir com pormenor o modelo geométrico da estrada. O perfil transversal refere-se às caraterísticas geométricas da estrada em corte transversal, podendo obter-se diferentes definições de perfil transversal ao longo do traçado de uma estrada. Por último, a seguir à etiqueta TYPE é definido o tipo de via (AE, ES ou EN). Uma estrada é normalmente composta pela faixa de rodagem, com uma ou mais vias, e bermas de ambos os lados. A definição do perfil transversal faz-se portanto pela indicação da largura total da plataforma da estrada e pela indicação do tipo de pavimento. O tipo de pavimento, para além de influenciar o aspeto visual, influencia o fator de aderência do carro à estrada e consequentemente o comportamento dinâmico. O tipo de pavimento também influencia a simulação do som, sendo produzido um som correspondente ao tipo de pavimento. Em seguida apresenta-se uma definição típica do perfil transversal de uma estrada. Esta definição inicia-se com o separador DEF_PERF, seguindo-se o nome atribuído ao perfil, e termina com o separador END_PERF. Implementação 109 DEF_PERF Nacional OFFSET 0.0 WIDTH 9.6 PERFINIT 0.0 PERFEND 12000.0 SURFACE Betuminoso SPEED 50.0 END_PERF O valor especificado na etiqueta OFFSET refere-se a um deslocamento transversal do modelo visual relativamente à definição do eixo da via. Esta parametrização permite que a partir da mesma definição do eixo da via, se possa obter mais do que uma representação visual. Como exemplo, pode ser utiliza na geração de modelos visuais de autoestrada, em que tipicamente se constroem duas faixas de rodagem paralelas, para a mesma definição do traçado. A segunda etiqueta WIDTH, refere-se à largura da plataforma da estrada. Os valores especificados nas etiquetas PERFINIT e PERFEND medidos ao longo do eixo da via, referem-se ao início e fim desta especificação do perfil transversal. Na etiqueta SURFACE é definido o tipo de pavimento, que mais tarde na geração do modelo visual é representado por uma textura. A seguir à etiqueta SPEED define-se o limite de velocidade legal permitido para esta estrada (em km/h). A especificação do perfil transversal produzida é de fácil interpretação, permitindo que o preparador do ambiente rodoviário possa consultar editar as definições geradas. 6.5.2 Definição da sinalização A sinalização horizontal, caraterizada por marcações rodoviárias no pavimento, contínua ou descontínua, permite também definir com pormenor as vias de uma estrada, é indexada por distância transversal relativamente ao eixo da via e por posição longitudinal relativa ao início da estrada. Este formato de definição da sinalização horizontal permite obter troços de estrada com diferentes marcações rodoviárias. Em função do tipo de via, é gerada procedimentalmente uma definição da sinalização horizontal. Para a definição da sinalização horizontal, desenvolveu-se um formato próprio. A sinalização horizontal é especificada numa lista de separadores associados a cada estrada. Em seguida apresenta-se um exemplo da especificação de uma linha axial, eixo da via, utilizada na preparação de um ambiente rodoviário. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 110 DEF_SEPARATOR LATDIST 0.0 LINE ( D , 0.12 , 0.0 , 486.0 , 10.0 , 4.0 , BRANCO ) LINE ( C , 0.12 , 486 , 4486.0 , BRANCO) LINE ( D , 0.12 , 4486.0 , 4991.0 , 10.0 , 4.0 , BRANCO ) . . . END_SEPARATOR No exemplo que se apresenta, DEF_SEPARATOR é a etiqueta de início da especificação de um separador horizontal, terminado com a etiqueta END_SEPARATOR. O valor numérico precedido da etiqueta LATDIST representa a distância transversal em metros do centro do separador ao eixo da via. Neste exemplo como se trata de uma linha axial, representada no centro da faixa de rodagem, o valor de LATDIST é zero. A seguir à etiqueta LATDIST encontram-se a especificação das diferentes linhas associadas a este separador. Esta especificação pode ser constituída por uma sequência de linhas longitudinal de diferentes tipos, ou seja, podem ser encontradas várias etiquetas do tipo LINE. Associada à etiqueta LINE encontram-se definidos 7 campos, que correspondem à possibilidade de especificação de diferentes tipos de linha, contínua e descontínua. O primeiro campo após a etiqueta LINE corresponde ao tipo de linha a ser representada sobre o modelo da estrada (C - continua, D - descontinua). O segundo campo após a etiqueta LINE corresponde à largura da linha. Neste exemplo corresponde a linhas com 0,12 metros de largura (12 cm). O terceiro e quarto campo correspondem, respetivamente, às posições longitudinais do início e do fim da representação da linha. Estes valores são especificados em metros e correspondentes à distância percorrida sobre o eixo da via desde o início da estrada. O quinto e sexto são necessários para a especificação de linhas descontínuas e representam a relação espaço-traço (10.0 - espaço / 4.0 - traço). Estes dois últimos campos, não são especificados no caso de se tratar de linhas contínuas, definidas com a letra C no primeiro campo. O último campo corresponde à cor da linha a ser representada na via. Neste exemplo, é especificada a cor branca através de uma etiqueta predefinida. É também possível definir qualquer cor através da especificação direta das suas componentes RGB. Normalmente são utilizadas apenas duas cores para marcações rodoviárias, branco para marcações definitivas e amarelo para marcações temporárias. No caso de sinalização horizontal com linha dupla, o modelo visual é obtido a partir da especificação de duas linhas simples, podendo cada uma delas ser de diferentes tipos (contínua ou descontínua). A sinalização vertical, caraterizada por sinais verticais colocados nas laterais da faixa de rodagem, é indexada por distância transversal relativamente ao eixo da via e por posição longitudinal relativa ao início da estrada. Esta pode ser do tipo obrigatoriedade, proibição, informação de perigo ou simplesmente informativa. A sinalização vertical é especificada numa lista, associada à distância longitudinal da estrada. Desenvolveu-se Implementação 111 um formato próprio para a definição da sinalização vertical, de forma a tornar a tarefa de preparação de ambientes simples e amigável. A sintaxe de especificação desenvolvida para a definição procedimental da sinalização vertical, inicia-se com a etiqueta DEF_SIGN e termina com a etiqueta END_SIGN. DEF_SIGN LATDIST 4.5 LONGDIST 20.0 ZROT 0.0 MODEL limite_50kmEN END_SIGN Na etiqueta, LATDIST, está definida a posição transversal (4.5 m), relativamente ao eixo da via e medida sobre a sua perpendicular. A etiqueta LONGDIST permite definir a posição longitudinal (20.0 m), medida ao longo do eixo da via. Para além da especificação da posição longitudinal e da posição transversal, é possível efetuar uma rotação do modelo 3D em torno do eixo vertical z, definida na etiqueta ZROT. Esta vantagem permite orientar a superfície visual do sinal de forma a aumentar a sua visibilidade por parte do condutor. O último parâmetro, MODEL, permite indicar o tipo de sinal ao qual corresponde o modelo 3D do sinal vertical a colocar no ambiente. Desta forma, o preparador do modelo pode, de forma simples, consultar e editar a definição da sinalização gerada. 6.5.3 Definição de objetos Um ambiente rodoviário é composto por inúmeros objetos envolventes, tais como, árvores, casas, arbustos, postes de iluminação, sinalização informativa, entre muitos outros. Foram desenvolvidas funcionalidades para a criação de ambientes rodoviários, considerando-se também a colocação de objetos envolventes. A tarefa de edição da definição de objetos pelo preparador do modelo é simples, pois pode ser realizada sobre um formato próprio, idêntico ao desenvolvido para a sinalização vertical. A sintaxe de especificação desenvolvida para a definição de um objeto no ambiente rodoviário apresenta-se a seguir. DEF_OBJ LATDIST 5.0 LONGDIST 4846.0 ZROT 0.0 MODEL posteA END_OBJ Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 112 O valor 5.0 (m) definido na etiqueta LATDIST corresponde à posição transversal relativa ao eixo da via. O valor 4846.0 (m) definido na etiqueta LONGDIST corresponde à posição longitudinal medida ao longo da via. Na etiqueta ZROT, o valor 0.0º refere-se ao ângulo de rotação em torno do eixo vertical z. Na etiqueta MODEL é especificado o objeto a colocar no ambiente rodoviário. Muitas vezes, a definição de objetos é referente a um modelo que se repete com intervalo constante ao longo do traçado da estrada, como por exemplo postes de iluminação e guardas de proteção. Para simplificar a definição de grupos de objetos deste tipo, que se repetem com um intervalo constante, desenvolveu-se uma sintaxe própria. A definição de um sinal repetitivo inicia-se com a etiqueta DEF_OBJREP e termina com a etiqueta END_OBJ, como se apresenta no exemplo a seguir. DEF_OBJREP LATDIST 10.0 INTERREP 100.0 INITREP 0.0 ENDREP 29160.0 ZROT 0.0 MODEL arvore5 END_OBJ O valor 10.0 (m) definido na etiqueta LATDIST refere-se à posição transversal relativamente ao eixo da via. O valor 100.0 (m) especificado no parâmetro INTERREP corresponde ao intervalo de repetição das ocorrências do objeto. Em INITREP define-se qual a posição longitudinal (0.0 m), medida ao longo da via, a partir da qual se inicia a representação do modelo. Em ENDREP define-se à distância longitudinal (29160.0 m) ao longo da via em que termina a repetição do objeto. Na etiqueta ZROT, o valor 0.0º, corresponde ao ângulo de rotação do objeto em torno do eixo z. O nome arvore5, definido na etiqueta MODEL, identifica o modelo do objeto a colocar no ambiente rodoviário. 6.5.4 Definição do terreno Para a definição de um terreno, relevo e condicionantes, desenvolveu-se um formato próprio. A definição de um terreno inicia-se com a etiqueta DEF_TERRAIN e termina com a etiqueta END_TERRAIN, como se exemplifica a seguir. Implementação 113 DEF_TERRAIN MODEL ASTGTM2_N41W009.bt MODELATTR ASTGTM2_N41W009.attr END_TERRAIN A seguir à etiqueta MODEL especifica-se o nome do ficheiro em mapa de elevação (Digital Elevation Map, DEM) do modelo do terreno, do qual se pretende gerar o respetivo modelo visual. Associado ao modelo de terreno pode existir uma especificação de atributos. Esta especificação encontra-se num ficheiro definido a seguir à etiqueta MODELATTR. No ficheiro de atributos pode-se encontrar, por exemplo, a definição do material da superfície do terreno a aplicar na criação do modelo visual. As definições das condicionantes, como por exemplo, zonas florestais, cursos de água, edificações, entre outros, também se encontram especificadas no ficheiro de atributos, associado ao respetivo modelo de terreno. 6.6 Geração do modelo geométrico A geração do modelo geométrico do ambiente rodoviário é realizada a partir das definições produzidas por cada um dos módulos do processo integrado de preparação de ambientes. A definição semântica gerada, contém toda a informação necessária para a criação automática dos modelos geométricos das estradas, da sinalização e do terreno (Campos, 2015a). Os modelos geométricos dos ambientes rodoviários, podem ser exportados para outros sistemas no formato nativo do OpenSceneGraph. 6.6.1 Modelo da estrada Tipicamente, a representação de superfícies em sistemas gráficos é aproximada por uma malha poligonal, sendo as mais comuns as malhas triangulares. A superfície da estrada será representada graficamente por uma tira de triângulos (figura 5.23 da secção 5.6.1). A tira de triângulos formada ao longo da via é uma das primitivas gráficas disponíveis em OpenSceneGraph, designada por TRIANGLE_STRIP. Sobre o modelo poligonal da via é mapeada uma textura de modo a criar um modelo de estrada mais realista, como se pode observar no exemplo da figura 6.7. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 114 Figura 6.7 Modelo da estrada. O processo de mapeamento da textura no modelo poligonal da estrada consiste na determinação das coordenadas 2D de textura para cada vértice. A partir das posições transversal e longitudinal dos vértices da estrada são determinadas as coordenadas (u, v) da textura. A coordenada u é determinada a partir da posição transversal dos vértices. As coordenadas v são obtidas a partir da posição longitudinal dos respetivos vértices da estrada. Como as estradas podem atingir várias dezenas de quilómetros, tipicamente é definida uma textura com uma dimensão longitudinal inferior, normalmente de 100 m de extensão. Na geração do modelo visual, no processo de mapeamento da textura, esta é repetida ao longo do trajeto. Para acelerar o processo de geração de imagens em tempo real, o modelo é organizado numa estrutura hierárquica de acordo com a localização espacial. A hierarquização da estrada consiste em seccionar o modelo global em troços de menor extensão. Depois de obter todos os troços, estes são agrupados em conjuntos. Por sua vez agrupam-se os conjuntos de troços, e assim sucessivamente até se obter a árvore hierárquica do modelo da via, como se ilustra na figura 6.8. via grupo grupo grupo grupo grupo grupo Figura 6.8 Estrutura hierárquica da estrada. Nos níveis inferiores da árvore encontram-se os modelos de todos os troços da estrada. Os níveis superiores da estrutura hierárquica são obtidos por agrupamentos sucessivos destes modelos. A cada nó da árvore é adicionada informação sobre o volume envolvente de todos os segmentos individuais. Implementação 115 O modelo da via é também estruturado com diferentes níveis de detalhe (LOD), de forma a permitir aumentar as prestações do sistema de síntese de imagem. O primeiro nível de detalhe definido, correspondente a um modelo com pouco pormenor, consiste apenas pela visualização da plataforma da via. O nível de detalhe seguinte considera a visualização da via e a visualização da sinalização horizontal. O terceiro nível de detalhe corresponde a todo o modelo de ambiente rodoviário. A seleção do nível de detalhe adequado a visualizar é feita com base na distância ao observador. 6.6.2 Sinalização No caso da sinalização horizontal, a definição de uma linha incluí a parametrização do tipo de linha, da espessura do traço, do início e do fim de representação, da cor e no caso de linhas descontínuas, a parametrização da relação espaço-traço, como referido na secção 6.5.2. Tipicamente a sinalização horizontal tem uma coloração uniforme, branca ou amarela. Na sinalização horizontal apenas se utilizam polígonos com cor, não sendo realizada a tarefa de texturização. Desta forma, obtém-se um modelo igualmente realista com menos peso computacional na simulação em tempo real. Na imagem da figura 6.9, pode-se ver um ambiente rodoviário com sinalização horizontal, linha axial no centro da estrada e linhas guias de ambos os lados. De forma a facilitar a deteção de visibilidade durante a visualização, na representação das linhas de sinalização horizontal juntamente com a hierarquização espacial da estrada é utilizada a técnica de representação hierárquica em camadas, designada por layers. A sinalização vertical é colocada no ambiente rodoviário instanciando objetos 3D previamente modelados. Para a criação dos sinais verticais foram desenvolvidas ferramentas específicas, que a partir de um modelo geométrico 3D e de um material, produzem automaticamente um novo sinal. A base de dados de sinais criada, pode ser melhorada com a produção de novos sinais, bastando para isso utilizar às ferramentas desenvolvidas, escolher o tipo de sinal e o material a aplicar. Um ambiente rodoviário com alguma complexidade pode facilmente atingir um elevado número de sinais verticais. O formato de especificação, apresentado na secção 6.5.2, permite que o preparador do modelo possa facilmente consultar e editar a definição de sinalização gerada procedimentalmente, impondo os requisitos específicos de cada ensaio experimental. Na figura 6.9, apresenta-se uma imagem de uma via rodoviária onde se pode ver a colocação de sinalização horizontal e vertical. Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 122 Figura 7.2 Rede topológica de autoestradas. Após obter a definição da rede de autoestradas, representada a cor azul na figura 7.2, segue-se a geração da rede de estradas secundárias. Por último é gerada a rede de estradas nacionais. Na imagem da figura 7.3, pode-se ver toda a rede rodoviária gerada, rede de autoestradas, rede secundária e a rede nacional. Figura 7.3 Rede topológica de estradas. Resultados 123 Nesta figura, a rede de autoestradas esta representada por ligações a azul, a rede de estradas secundárias por ligações a verde e a rede de estradas nacionais por ligações a preto. Como neste exemplo foram definas apenas 5 aldeias, as ligações do tipo estrada nacional (preto) estão essencialmente concentradas junto aos nós do tipo aldeia (laranja). Neste exemplo foram analisados 33 nós correspondendo a 18 cidades, 10 vilas e 5 aldeias, resultando no final, uma rede rodoviária com 52 nós. Os nós representados a cinzento correspondem a nós de interligação resultantes da interseção de estradas das diferentes tipologias analisadas. Na figura 7.4, apresenta-se a rede de autoestradas gerada, mapeada sobre as 18 capitais de distrito de Portugal. Figura 7.4 Capitais de distrito ligas por autoestrada. Na tabela 7.2 apresenta-se a extensão total da rede de autoestradas gerada procedimentalmente e a extensão da rede real de autoestradas em Portugal, valor obtido em (IMT, 2011). Tabela 7.2 Extensão da rede real e da rede gerada (km). Extensão da rede real Extensão da rede gerada Autoestrada 3770.0 3719.2 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 124 O valor apresentado para a extensão da rede de autoestradas, foi retirado do relatório de monitorização da rede rodoviária nacional com referência ao final de 2010, que pela classificação do PRN 2000, engloba a rede de IP’s com cerca de 2217 km e a rede de IC’s com cerca de 1553 km (IMT, 2011). O valor obtido para a rede gerada procedimentalmente apesar de considerar apenas as ligações entre capitais de distrito, mapeia ligações classificadas na rede real por IC’s, as quais possuem caraterísticas de autoestrada, como por exemplo, IC14 (Apúlia – Braga), IC23 (CRIP), IC25 (Alfena – Lousada), entre outras. Analisado a rede de autoestradas gerada em termos da sua extensão, comparativamente com a rede de autoestradas real, considerando o conjunto das ligações IP e IC, pode-se concluir que esta tem aproximadamente a mesma extensão, como discutido anteriormente em (Campos, 2015c). No final do processo de geração de uma rede rodoviária é produzida a respetiva definição semântica. Na figura 7.3, apresenta-se um extrato da descrição semântica da rede. Tabela 7.3 Definição topológica da rede de estradas. <?xml version=”1.0”?> <header> <Population_min> <City>20000</City> <Town>3000</Town> </Population_min> <BuildCost_km> <highway>50000</highway> … </header> <network> <Nodes> <Node Id="0"> <long>-8.653683</long> <lat>40.640433</lat> <elev>0.0</elev> <pop>78450</pop> <type>city</type> </Node> <Node Id="1"> <long>-7.859988</long> … <highway> <Connection Id="0"> <Node>0</Node> <Node>5</Node> </ Connection > < Connection Id="1"> <Node>0</Node> <Node>9</Node> </ Connection > … <nacional > < Connection Id="0"> <Node>1</No> <Node>28</No> </ Connection > < Connection Id="1"> <Node>1</Node> <Node>31</Node> </ Connection > … Na tabela 7.4, apresentam-se as dimensões das redes topológicas geradas e os tempos necessários para a sua obtenção pelo método apresentado, com diferentes configurações de nós de entrada. Resultados 125 Tabela 7.4 Tempos de geração de redes rodoviárias. Número total de nós Cidades Vilas Aldeias Rede autoestrada (km) Rede secundária (km) Rede nacional (km) Tempo (s) 142 25 16 15 4303 1505 1812 11 52 (1) 18 10 5 3720 940 604 4 30 18 0 0 3720 - - 2 (1) Dados correspondentes ao exemplo apresentado. Os valores apresentados na tabela 7.4 foram medidos num computador, com processador Intel i7 a 2.4 GHz e 6 GB de memória RAM. Sumário Apesar do protótipo desenvolvido possuir a capacidade de propor autonomamente um conjunto inicial de nós de ligação, neste exemplo de estudo optou-se por utilizar um conjunto de nós previamente definidos. Esta opção tem, por um lado, a pequena desvantagem de não permitir demonstrar a distribuição automática de nós, mas por outro lado, ao introduzir como dados de entrada uma definição previamente conhecida, permite analisar comparativamente o resultado produzido. Assim, é também possível analisar mais facilmente a distribuição de nós por tipologia. Adicionalmente, em termos de ligações, consegue-se ter uma melhor avaliação do resultado gerado e efetuar uma análise qualitativa comparativamente com a rede rodoviária real, uma vez que são utilizados nós reais. Analisando os resultados obtidos procedimentalmente, com a rede real de autoestradas em Portugal, pode-se concluir que o método concebido produz definições de redes similares às encontradas em rede reais (Campos, 2015). A rede secundária e a rede nacional produzida não podem ser comparadas com as redes reais, uma vez que o número de vilas e aldeias utilizadas neste exemplo não mapeia a realidade em Portugal. A aplicação interativa permite visualizar o resultado obtido para a definição global da rede topológica, assim como analisar cada uma das redes em particular, bastando para isso selecionar qual das tipologias se pretende visualizar, através da opção disponível no canto inferior direito do painel de controlo. A definição semântica gerada permite uma análise textual do resultado obtido assim como a exportação para outros sistemas, em particular o simulador de condução, onde uma descrição deste nível é requerida para a organização hierárquica da rede rodoviária. Pelos resultados obtidos na geração da definição topológica de uma rede rodoviária, apresentados na 7.4, pode-se concluir que o processo implementado produz definições de forma rápida e eficiente com baixo custo em termos de tempo, servindo assim os propósitos pretendidos. Relativamente a outras abordagens, como abordado em Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 126 (Campos, 2015b), os ganhos em termos de tempo na obtenção de uma definição topológica de uma rede rodoviária, também se consideram positivos. Para concluir, o método apresentado permite obter uma definição topológica de uma rede de estradas, sem recurso a especialistas de vias de comunicação, reduzindo assim os custos e o tempo de preparação de ambientes rodoviários. 7.2 Traçado rodoviário Nesta secção apresentam-se os dados relativos a dois traçados rodoviários correspondentes a duas estradas, concebidas para velocidades de 60 km/h (nacional) e 120 km/h (autoestrada) respetivamente. As estradas geradas correspondem aos traçados utilizados na avaliação experimental por especialistas, apresentada na secção 8.2.1. Na preparação dos modelos dos ambientes rodoviários, para a estrada nacional utilizouse uma largura de referência da via de 12 m (faixa de rodagem, bermas e valetas), correspondendo a uma estrada com duas vias de circulação de 3.5 m cada (InIR, 2010), uma em cada sentido, como se ilustra na figura 7.5. berma berma faixa de rodagem 1.5 1.5 7.0 Lref ≈ 12 m Figura 7.5 Largura de referência para a estrada nacional Para a autoestrada, considerando um perfil transversal tipo, utilizou-se uma largura de referência de 40 m (plataforma da via, valetas, barreira de proteção para animais e taludes), com vias de rodagem de 3.75 m (InIR, 2010), como se ilustra na figura 7.6. berma berma faixa de rodagem faixa de rodagem separador 3.75 3.757.507.50 ≥ 6.0 plataforma ≥ 28.5 m Lref ≈ 40 m Figura 7.6 Largura de referência para a autoestrada. Na avaliação de alternativas de traçado, considerou-se construção em ponte sempre que a altura (h) entre a cota da via e a cota do terreno tenha sido superior a 15 m ou em Resultados 127 atravessamentos de cursos de água. Considerou-se construção em túnel sempre que a altura (h) entre a cota da via e a cota do terreno tenha sido superior a 50 m e esta condição se tenha mantido numa extensão superior a 200 m. Estes valores de referência apresentados foram fixados após consultar especialistas em projeto de vias de comunicação. 7.2.1 Traçado dos corredores O método concebido para a geração de corredores, produz várias definições de traçado, com um nível de detalhe crescente. Partindo da definição de uma ligação entre dois pontos, da definição das condicionantes e da definição do modelo de terreno, começase por gerar um conjunto de soluções de alto nível, com pouca pormenorização. O modelo de terreno real definido em mapa de elevação correspondente à área geográfica dos nós de ligação em análise foi obtido do repositório United States Geological Survey 6 . As condicionantes foram definidas num ficheiro de imagem no formato tiff 7 . Na imagem da figura 7.7, ilustra-se a representação dos nós de ligação e a representação das condicionantes num modelo de terreno. Figura 7.7 Ligação inicial entre dois nós. A partir da definição da ligação inicial entre dois nós, neste exemplo com cerca de 50km de extensão, geram-se um conjunto de hipótese de traçado. Como se explica na secção 6.3.1, para o projeto de vias desta extensão é definido, num primeiro nível, um corredor com 5 km de largura, através de um traçado em 6 earthexplo-rer.usgs.gov 7 www.libtiff.org Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução 128 alinhamentos retos. Aplicando o método descrito na secção 6.3.1, são propostas 5 hipóteses de traçado. Como exemplo, na imagem da figura 7.8 ilustram-se as 5 hipóteses geradas para a estrada nacional. Figura 7.8 Hipóteses de traçado do corredor de 5 km de largura. Cada uma destas hipóteses de traçado é em seguida analisada considerando o relevo do terreno e as respetivas condicionantes definidas, floresta e água. As condicionantes estão representadas na figura 7.8, pelas manchas a verde (floresta) e azul (água). Para cada uma das hipóteses, foram considerados os seguintes custos parciais:  Construção da plataforma da via;  Construção em ponte;  Construção em túnel;  Aterro;  Escavação;  Zona classificada (floresta, água);  Custo de operação. Na tabela 7.5 apresentam-se os valores em unidades de valor, parametrizados por defeito, para cada um dos indicadores considerados na avaliação de alternativas. Estes valores foram determinados após consultar especialistas na área de projeto de vias de comunicação. Tabela 7.5 Valores de custo dos indicadores considerados. Indicador Via (u.v/m2) Ponte (u.v/m2) Túnel (u.v/m2) Aterro/ escavação (u.v/m3) Floresta (u.v/m2) Custo de operação Tráfego (u.v/km/veículo) Relevo (u.v de ∆z /km/veículo) Custo 65.0 700.0 2000.0 5.0 12.5 0.20 0.05 Resultados 129 Na avaliação de cada uma das hipóteses obtém-se um valor de custo total, apresentado na tabela 7.6 para a estrada nacional e na tabela 7.7 para a autoestrada. Pelo método concebido é escolhida a hipótese de solução que apresente um menor valor de custo total. Deste conjunto soluções, a hipótese 2 é aquela que apresenta um custo total menor, para os dois traçados. O facto da hipótese 2 apresentar um custo total menor deve-se essencialmente por ter uma menor extensão de construção em túnel, não acarretando assim um acréscimo de custos de construção. Outro aspeto é o facto de também não atravessar a condicionante água, refletindo-se numa menor extensão de construção em ponte. O corredor selecionado com largura 5 km, para as duas estradas, é constituído por 7 segmentos retos (S1, S2, …, Z7), sendo cada uma deles processado individualmente no nível seguinte. Na tabela 7.8/7.9 e 7.10/7.11, apresentam-se as hipóteses geradas para cada um dos 7 segmentos (Si), para a estrada nacional e autoestrada respetivamente. Após os vários níveis obtém-se o traçado final em alinhamentos retos. Como referido na secção 6.3.1, o número de iterações depende da extensão inicial da ligação entre dois nós. Neste exemplo a extensão inicial em linha reta é de cerca de 50 km, sendo efetuadas 3 níveis de iteração até se obter o traçado em alinhamentos retos. Na tabela 7.12 e 7.13, é apresentada uma estimativa dos custos associados ao traçado final em alinhamentos retos (construção da via, construção em ponte e túnel, movimento de terras de escavação e aterro, as condicionantes consideradas: água e floresta, e custo de operação). Após a execução do processo de geração de corredores, nesta fase de projeto, o traçado encontra-se definido em alinhamentos retos. O traçado em alinhamentos retos apresenta um nível pormenorização superior comparativamente com os resultados produzidos nas interações anteriores (corredores), apresentando uma trajetória em altimetria mais próxima do terreno natural e considerando as condicionantes especificadas. Nesta fase de projeto, como resultado de um maior detalhe na definição do traçado e uma maior aproximação ao terreno natural, o custo total de construção estimado é significativamente inferior aos calculados nas iterações anteriores. 130 Modelação Procedimental de Ambientes Rodoviários para Simulação de Condução Tabela 7.6 Hipóteses de corredores de 5km largura (nacional). Hipótese L via (m) L ponte (m) L túnel (m) Floresta (m2) Água (m2) Aterro (m3) Escavação (m3) Max (aterro, escavação) (m3) Vol. Mov. T./m2 de estrada Custo de operação Custo total 1 47409.36 16570 1910 12592.9 7830.6 328274.7 3607861.5 3607861.5 6.9 4.04 262.9 2 (1) 47752.35 14800 1490 45040.0 0.0 361626.2 3864634.0 3864634.0 7.4 2.42 222.4 3 47515.69 7910 5280 0.0 9035.3 474619.1 5051929.5 5051929.5 9.7 2.96 269.1 4 47803.74 14530 3490 51110.6 9637.7 513284.4 4031198.0 4031198.0 7.9 3.25 259.1 5 48342.30 9360 6230 1769.4 7228.2 559478.3 3957819.8 3957819.8 7.8 2.76 292.1 (1) Dentro do conjunto de hipóteses analisadas, esta é a escolhida, avançando-se para a iteração seguinte. Tabela 7.7 Hipóteses de corredores de 5km largura (autoestrada). Hipótese L via (m) L ponte (m) L túnel (m) Floresta (m2) Água (m2) Aterro (m3) Escavação (m3) Max (aterro, escavação) (m3) Vol. Mov. T./m2 de estrada Custo de operação Custo total 1 47405.79 18090 2910 41960.78 26101.96 1057818.5 12939812.0 12939812.0 7.38 3.59 933.14 2(1) 47752.35 15270 1720 150188.23 0.0 1432443.8 12722082.0 12722082.0 7.41 2.42 766.17 3 47515.69 7820 5290 0.0 29113.73 1808681.4 17333478.0 17333478.0 10.07 2.96 891.39 4 47803.74 14710 3280 171349.01 34133.34 1823676.5 13744061.0 13744061.0 8.14 3.25 879.06 5 48342.30 8910 6120 3968.63 24094.12 2084123.1 13359935.0 13359935.0 7.99 2.76 949.88 (1) Dentro do conjunto de hipóteses analisadas, esta é a escolhida, avançando-se para a iteração seguinte. 131 Resultados Tabela 7.8 Hipóteses de corredores de 1km de largura (nacional). Hipótese L via (m) L ponte (m) L túnel (m) Floresta (m2) Água (m2) Aterro (m3) Escavação (m3) Max (aterro, escavação) (m3) Vol. Mov. T./m2 de estrada Custo de operação Custo total S1 1 6507.64 420 0 0.0 0.0 184031.3 73126.4 184031.3 3.3 0.39 10.0 2 7113.04 110 0 0.0 0.0 93687.9 195702.9 195702.9 3.4 0.58 8.4 3 7264.65 420 0 0.0 0.0 72625.1 140950.2 140950.2 2.4 0.58 10.3 4(1) 6279.25 180 0 0.0 0.0 124068.7 62311.9 124068.7 2.5 0.37 7.0 5 6514.33 250 0 0.0 0.0 77224.5 186947.8 186947.8 3.4 0.35 8.4 S2 1(1) 8712.15 120 0 0.0 0.0 212697.4 344562.5 344562.5 5.3 1.06 10.2 2 9040.99 320 0 0.0 0.0 149865.3 483084.9 483084.9 5.8 0.92 14.3 3 8484.82 470 0 0.0 0.0 111018.9 224441.4 224441.4 3.3 1.04 12.4 4 9625.96 890 0 0.0 0.0 121268.3 526826.6 526826.6 5.6 1.05 19.3 5 8526.54 870 0 0.0 0.0 205183.1 129507.1 205183.1 3.3 0.85 15.0 S3 1 11014.38 460 0 22856.5 0.0 237767.2 711497.5 711497.5 7.2 1.22 19.1 2 10267.00 1150 0 0.0 0.0 127520.7 547123.7 547123.7 5.5 1.20 22.4 3 11101.15 120 0 22164.7 0.0 80157.9 916500.4 916500.4 7.5 1.04 18.8 4(1) 10038.00 760 0 26456.5 0.0 328130.2 485546.3 485546.3 6.8 0.92 17.6 5 11287.54 470 510 24042.4 0.0 141950.2 407669.7 407669.7 4.1 0.96 28.1 S4 1 6925.47 1190 0 0.0 0.0 151557.5 64755.5 151557.5 2.6 0.62 15.6 2 6260.52 320 0 0.0 0.0 99728.3 287657.0 287657.0 5.2 0.68 10.2 3 6777.33 120 0 0.0 0.0 185148.6 255497.6 255497.6 5.4 1.03 8.7 4(1) 5932.88 170 0 0.0 0.0 183109.5 138364.0 183109.5 4.5 0.93 7.5 5 6471.85 720 0 0.0 0.0 183608.5 262958.7 262958.7 5.8 0.84 12.9 (1) Dentro do conjunto de hipóteses analisadas, esta é a escolhida.