автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Количественные оценки сочетания автомобильной дороги с рельефом

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ СОЧЕТАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ С РЕЛЬЕФОМ

(Специальность 05.23.11 -Строительство автомобильных дорог и аэродромов)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена в Московском государственном

автомобильно-дорожном институте /техническом университете/ на кафедре "Изыскания и проектирование дорог"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук,

профессор Лобанов Е.М.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук,

профессор Гаврилов Э.А. - кандидат технических наук Живописцев И.Ф.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ГП "Союздорпроект"

Защита состоится 19 октября 1995г. в 10 -часов в аудитории № 42 на .заседании диссертационного совета Д 053.30.01 ВАК России в Московском - государственном автомобильно-дорожном - институте /техническом университете/, по адресу: 125829, ГСП-47, Москва, Ленинградский проспект, д. '64, МАДИ-ТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " сентября 1995г.

Учёный секретарь диссертационного совета

/Ситников Ю.М./

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В нашей стране и за рубежом большое внимание .при проектировании автомобильных дорог уделяется гармоничному сочетанию дороги и элементов ландшафта. Дорога должна удовлетворять не только транспортно - эксплуатационным требованиям, ■ но и обладать определённым эстетическим качеством. Известно, что неудачное проложение трассы на местности сказывается на психофизиологическом состоянии водителя, а следовательно, и на безопасности движения. Эмпирически ' установленные рекомендации по согласованию взаимного положения элементов дороги с формами ландшафта не выражены в количественные, показатели. Поэтому, так актуален вопрос о создании методики количественной оценки степени сочетания автомобильной: дороги и ландшафта. Количественные показатели , позволят исключить участие эксперта в оценке, сократить время анализа и улучшить качество проекта за счет ыноговариантной проработки, технических решений.

■ Целью работы' является разработка методики количественной оценки сочетания автомобильной дороги и рельефа, определение нормативных значений. .

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана методика количественной оценки степени сочетания автомобильной дороги и рельефа;

• определены нормативные количественные показатели, в пределах .которых сочетание дороги и элементов ландшафта, следует считать удачным;

.• разработан программный комплекс ' реализующий предложенную методику оценки степени взаимного сочетания дороги и рельефа местности.

Практическая ценность определяется тем, что предложена теоретически обоснованная методика определения количественной оценки взаимного сочетания рельефа местности и автомобильной дороги. Использование этой программы позволит автоматически

выявлять места неблагоприятного положения трассы по отношению к формам- рельефа. Предложен критерий, характеризующий динамическое изменение обстановки по мере движения автомобиля. Методика позволяет использовать цифровую модель местности любого типа, что делает возможным её использование в системах автоматизированного проектирования автомобильных дорог. Автоматическое выполнение анализа без присутствия эксперта на основе цифровой модели .местности позволит найти предложенной методике широкое применение в проектных организациях.

Реализация работы. Результаты исследований использованы: при проектировании автомобильных дорог в Республике Карелия Лендеры - Инари (участок км 0-10) и Санкт-Петербург -Мурманск (участок км 652-661)"техническим отделом Управления автомобильных дорог при Совете Министров Республики Карелия; кафедрой "Промышленный транспорт" Петрозаводского Государственного ^Университета в разработке проекта автомобильной дороги Петрозаводск - Крндопога, км 34-43.

йпробация работы. Основные . положения диссертации доложены, обсуждены и.одобрены:

на 51-й и 52-й научно - методических и научно - исследовательских конференциях МАДИ (1993, 1994 гг.);

Публикации по теме. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов•и предложений и содержит 152 страницы машинописного текста, 5 . таблиц, 45 рисунков. Список использованной литературы включает 75 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, даёмся общая характеристика- работы.

В первой главе рассматриваются ранее разработанные методы оценки сочетания автомобильной дороги с рельефом^ Определены

недостатки и положительные стороны предлагавшихся методов, сформулированы основные критерии, которым должна отвечать методика количественной оценки.

Существующие методы оценки сочетания автомоОильной дороги с рельефом можно разделить на два типа:

1.- Аналитические методы, результатом которых является параметр, по значению которого можно судить о пространственном положении дороги. К ним относятся: методы коэффициентов безопасности и аварийности, график скоростей движения по дороге, график расстояния видимости проезжей части дороги, методы, основанные на анализе кривизны и видимых размеров перспективного изображения ведущих линий дороги (бровка, ось дороги, кромка проезжей части).

2. Методы визуальной оценки изображения дороги. В свою очередь их можно разделить на два типа:' создание масштабных моделей дороги и местности .на основе данных продольного профиля и плана трассы, построение перспективных изображений участков местности. '.-.

Методы первой группы хорошо известны и нашли своё отражение в нормативной литературе. В большей степени эти метода характеризуют безопасность движения и основаны на .анализе геометрических параметров дороги и лишь косвенно отражают рельеф местности. Ряд аналитических методов позволяют оценивать плавность дороги. Они основаны на изучении изменения кривизны перспективного изображения характерных линий дороги: бровок, кромки проезжей части, оси дороги. На основании многочисленных исследований, проведенных Е.М. Лобановым, было установлено, что три показателя: радиус кривизны в экстремальной точке, угловые размеры ширины проезжей части в этой точке и параметр видимой кривой являются критериями зрительной плавности закругления. Одни из первых шагов в этом направлении бьши сделаны И.В. Бегмой и Е.С. Томаревской. Общим для всех аналитических методов, связанных с оценкой перспективного изображения, является то,

что оценивается степень перспективного искажения линии оси дороги или внутренней кромки закругления.

Второй тип методов .основан на визуальной оценке физических моделей дороги. Большой шаг в этом направлении сделали П.Я. Дзенис, М. Гос, В. Веселы, В.Б. Ивасик. По построенной модели можно было судить о плавности и зрительной ясности дороги, взаимном положении элементов плана и продольного профиля трассы. В настоящее время, современное программное обеспечение позволяет создавать на экране дисплея реальные картины трехмерных объектов, однако в любом случае оценка, носит субъективный характер и .полностью зависит от индивидуальных качеств эксперта. В связи с этим возникла необходимость создания методики количественной оценки сочетания автомобильной дороги с рельефом местности, не зависящей от художественного вкуса и профессионального опыта эксперта.

На основе анализа ранее предложенных методов оценки, были сформулированы общие требования к методике количественной оценки:

1. Методика должна базироваться на анализе перспективного изображения участка местности, как .наиболее, достоверного отображения окружающего мира.

2. Оценка должна происходить автоматически, без. участия человека, являться результатом работы программы.

3. Исходной информацией должна быть цифровая модель местности и геометрические параметры элементов дороги. Величина оценки не должна зависеть от типа цифровой модели местности, только детальность представления „ рельефа должна влиять на точность оценки.

4. Необходимо дать динамическую оценку смены обстановки по мере движения автомобиля.

Для создания полноценной методики оценки восприятия изображения были рассмотрены физиологические аспекты

механизма восприятия зрительных абъектов^__В_работе—решеньГ

следующие зада^

• обоснован выбор критериев и принципов, на основе которых будет выноситься суждение об изображении;

• разработаны алгоритм и программа для компьютера, практически реализующие предложенную методику;

• проведены экспериментальные исследования по изучению влияния геометрических параметров дороги и взаимного положения форм рельефа и трассы на величину количественной оценки;

• проведен опрос, наблюдателей с целью обоснования выбора нормативного значения количественной оценки.

Вторая глава определяет основные критерии, на основе которых производится оценка изображения, а также выбран математический аппарат, , обеспечивающий работу модели. Для более точного понимания работы механизма зрительной системы человека " изучались ' исследования, проведенные в области физиологии зрения рядом специалистов, такими как: а.Л. Ярбус, Д. Роббинс, _.Л. Риг'гс, •■ • Ф-. 'Рэтлиф, Е.М. Лобанов, В. Филин. Исследование траектории движения глаз при рассматривании различных изображений, подтверждают тот факт, что движение глаз осуществляется по наиболее - контрастным участкам изображения. Под понятием "контрастность" в данной работе 'понимается любое .нарушение информативности, упорядоченности, структуры системы. Поэтому методика оценки контрастности перспективного изображения рельефа местности должна строиться ка изучении степени изменения структуры, которой представлен рельеф, возникшей в результате перспективных преобразований.

В термодинамике степень хаоса, беспорядка выражается понятием энтропии. В теории информации обратной понятию энтропии является информация (количество информации). В классической теории информации К. Шеннона понятие информации строится на вероятностной основе.и рассматривается как снятая неопределённость:

Более широкое толкование понятию количества информации открывает ■ так называемый "алгоритмический подход", предложенный ■ академиком - А.Н. Колмогоровым. В таком представлении под величиной рА следует понимать любое относительное изменение, степень различия одной величины относительно другой. В трактовке А.Н. Колмогорова под значением Я следует понимать сложность перехода из одного состояния в другое, оцениваемое как длина программы преобразования. В диссертационной работе в качестве базового математического аппарата количественной оценки степени изменения анализируемой величины принята теория информации в виде, предложенном академиком А.Н. Колмогоровым.

Третья глава, диссертации посвящена. теоретическому обоснованию создания информационной модели перспективного изображения участка местности. Обычно изображение объёмного предмета представляют в виде регулярной сети. По изменению перспективных размеров • клеток можно судить о его реальных формах. Чем мельче сетка, тем.выше точность описания объекта. Поэтому, в качестве параметра, характеризующего изменение структуры системы, предлагается считать площадь перспективной проекции клеток сети цифровой модели местности (ЦММ). Количественной мерой изменения структуры, согласно выводам второй главы, следует считать величину количества информации:

# = (2)

S,

где: р, = -г» Si - площадь проекции i-ои клетки сети ЦММ;

Scp=const - площадь сравнения; Rx - площадь горизонтальной проекции клетки.

Чем выше значение В. тем меньше степень искажения форм рельефа., меньше контрастность в изображении клеток сети IIMM. Анализируются только видимые участки изображения. В качестве Sep, характеристики ынохества__значений—изучаемого параметра.

(площадей перспективного изображения клеток сети), следует считать удвоенное значение координаты центра тяжести фигуры распределения значений Si. Это необходимо для определения условий, при которых Н=0:

*

(3)

j

потому, что согласно предлагаемой методике, количество информации в ненарушенной, первоначальной структуре должно равняться нулю (одинаковые площади проекций клеток сети). Однако, выбор Sep принципиален только с логической точки зрения (как характеристика "фона"), поскольку всегда можно перейти от одного' значения S^, к стандартной, ранее принятой величине:'

Г н.ЛиЛ-1 s>

к-^-; S - площади сравнения, .тогда:

я/Цч*,-^-?*^)-

Единственным параметром, от которого.зависит значение Н, является площадь клеток. Форма клеток не влияет на величину количества, информации, поэтому методика может работать с ЦММ любого типа, как регулярными, так и нерегулярными. Расчеты показали, что точность вычислений зависит только' от размеров клеток, длины и ширины анализируемого участка местности. Величина Н вычисляется как объём фигуры, очертания которой в плане соответствуют очертаниям полосы анализируемого участка, а значения по оси аппликат являются значениями hi для соответствующих клеток сети.

logj

5,

(4)

Степенью изменения рельефа после строительства дороги предлагается считать разницу между количеством информации, полученном при анализе изображения лишь одного рельефа, и количеством информации при анализе изображения местности^ и расположенной на ней дороге:

- В(р), (5)

где: Я(р»д) - оценивается дорога и рельеф;

Н|р) - оценивается только рельеф (до строительства

дороги).

При этом, положение наблюдателя в плане при оценке изображения только одного рельефа принимается таким же, что и при оценке рельефа вместе е дорогой, разница лишь в высоте глаз наблюдателя (равна высоте насыпи или глубине выемки в точке его стояния) . Если 4Я >0, то дорога своим положением сгладила формы рельефа. И наоборот, если ЛИ <0,. то дорога "испортила" изображение ландшафта, не вписалась в его формы (негармоничное сочетание).

Величина Я. является характеристикой статического изображения, полученного с определённой точки зрения наблюдателя. Параметром, - отражающим изменение обстановки цо мере движения, является скорость изменения- количества информации за единицу времени:

дг „т+УШЮ. (б)

Д*

Эта. величина характеризует неожиданность, внезапность- смены обстановки и должна сказываться на эмоциональном состоянии человека. Она коррелирует с характеристиками психо-физиологи-чеокого состояния человека (кожно-гапьваническая реакция, частота- сердцебиения и т.д.).

Четвертая глава посэяшена экспериментальным исследованием изучения закономерностей изменения^^величииы——количесггва-иноосмации а зависимости—от—сложности рельефа, геометрических

параметров элементов дороги и взаимного сочетания трассы относительно форм рельефа.

На основе предложенной методики разработана программа для компьютера с помощью которой проводились эксперименты по выявлению оптимального диапазона изменения величин В, /SB, >T(t). Определены оптимальные размеры анализируемого участка, которые обеспечивают погрешность не более 5%, которые составляют 1200 м по длине (от наблюдателя) и 200 м по ширине (по 100 метров в обе стороны от оси * дороги или направления луча зрения)-.

Рис. 1. Изменение количества информации при переходе из выемки в насыпь. Цифры на кризых-высста холма: 1-2м; 2-4м; 3-6м: 4-Вм: 5-10м

В процессе изучения влияния размеров клеток цифровой модели местности было установлено, что наибольшую точность обеспечивают регулярные модели, нежели статистические-. При

прочих равных условиях точность вычисления В для регулярных сеток выше на. 7-10%. Оказалось, что на точность бычислений влияет ориентация клеток сети относительно направления луча зрения. Наибольшая точность достигается когда направление одной из сторон клетки совпадает с направлением луча зрения. Наиболее оптимальными являются размеры клетки 1x10м, (1м в поперечном направлении, 10 метров в направлении параллельном лучу зрения). На основании проведенных экспериментов можно отметить, что только детальность представления форм рельефа, (т.е. размеры клеток) влияет на точность вычислений, а не их форма. '

Рассматривалось влияние на значение количества информации следующих факторов: высота глаз наблюдателя, величина заложения откосов, •глубина выемки, высота насыпи, положение холма относительно' середины дороги, изменение расстояния от вершины' холма . до наблюдателя. Эксперименты проводились с

а- 16000

§ 14000 а о

"= 12000 а

и 10000

Е« О

| 8000 Ч

* 6000

тг СМ О СО ЛО ^ ОЭ'О сч) • ч*

1Л ГО г-» 1

Положение холма относительно луча зрения, м

Рис. 2. • Влияние положения дороги относительно холма на величину количества.информации середине холма соответствует значение 0 на горизонтальной оси графика. Цифры на кривых-высота^хопма • 1 -?м; 3-6м;-^4-8м;—5-10ы——--

О 1000 2000 3000 4000 Количество авфоркацвя, бктж^

Рис. 3. Гистограмма и кривая нормального распределения ЛЯ

дороги и рельефа

рельефом различной сложности.

Для определения нормативных значений величин Я, ЛВ, J(t) был проведен опрос наблюдателей. В экспериментах принимали участие люди различных специаль-ностей (проектировщики, имеющие опыт проектирования более 12 лет, художники). Каждому из

наблюдателей было предъявлено около 70 перспективных

изображений различных форм рельефа и дороги. В общей сложности анализировалось

приблизительно 1200 изображений. Примеры типовых изображений сочетания приведены на рис.5.

Полученные зависимости имеют нормальный закон распределения, что подтвердили тесты Колмогорова-Смирнова и X2. Яа основании полученных результатов опроса (с обеспеченностью 85%) удалось установить ' оптимальные значения исследуемых параметров:

Я < 8500 бит.м2 -отсутствие зрительной ясности, плавности дороги, дорога не гармонирует с рельефом (глубокая выемка, резкий поворот);

8500 < Н < 12400 бит.м2 -область оптимальных значений (дорога гармонирует с рельефом, обеспечена видимость, зрительная и психологическая ясность,. плавность трассы гармоничное сочетание, дорога "вписалась" а рельеф);

Я > 12400 бит.м2 -слишком открытая местность, отсутствие невидимых участков, однообразная, близкая к. гомогенной зрительная обстановка (ровная местность)

1-4

«xn . ton юно иода an- ш кип о am адо изо 12000 шш иооо Количество Ев^орхацхи, Сат^и®. Колячсство кнфориацин,

Рис. 4. Кривая распределения (а) и кумулятивная кривая (6) ответов наблюдателей при оценке величины Я .. •

Для динамической характеристики считается, • что . если ■J(t> выше 1500 ÖMT.wVceK, то смена обстановки расценивается как неожиданная, внезапная. Оптимальной считается ситуация со скоростью изменения количества информации от 200- бит.м2/сек до 1500 бит.м^сек.

Следует считать, что дорога не сильно изменила рельеф

если:

|ДН| < 2100 бит*м2.

■ На рис. 6 и -7 приведен пример -использования предлагаемой методики на участке автомобильной дороги Олонец-Сортавала (км' 137-140) в- Республике Карелия. Сопоставление графика изменения величины количества.информации с продольным профилем и планом ■ трассы " позволяет выявить причины, вызывающие снижение информативности обстановки.-К ним в первую очередь относятся: участки прохождения дороги через выемку, снижение видимости из-за . наличия' перелома в продольном профиле, небольшие радиусы закруглений. Для улучшения зрительной обстановки необходимо: сгладить края выемки, понизить высоту насыпи или увеличить•заложение откоса насыпи, увеличить радиус выпуклой

Рис.5. Примеры различных сочетаний положения дороги и рельефа местности. Величина Н соответственно - 3850 (выемка), 15500 (ровная поверхность), 12470 (трасса огибает холм), бит.м2. Вертикальная ось на графиках - количество информации

вертикальной кривой, обеспечить боковую видимость срезкси откосов (увеличить ширину эакюветной полки).

Рис.6 План и продольный профиль участка абтомобильной дороги Олонец-Сортабала

км 137-140

£10000

0,25 0,5 I 1,25 1,5 1,75 — СУЩЕСТВУЮЩАЯ ДОРОГА —НОВАЯ ДОРОГА

Рис.7 График изменения Я ло и после улучшения геометрических параметров дороги Олонец-Сортавала км 137-140

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Метод количественной оценки сочетания автомобильной дороги и рельефа целесообразно базировать на. принципе определения степени изменения - сетки ЦММ в результате перспективных преобразований.

2. Разработан . программно-целевой комплекс реализующий предложенную методику. Первоначальными данными служат ЦММ и результаты проектирования плана и продольного профиля трассы. Выходными данными являются перспективные изображение анализируемого участка и вычисленные критерии оценки.

3. В результате экспериментов проанализировано влияние различных типов рельефа и геометрических характеристик элементов дороги на величину оценки. На основании результатов опроса экспертов определены оптимальные • значения критериев сочетания дороги и рельефа.

4. Предметом дальнейших исследовании должны стать: изучение влияния горных условий, искусственных сооружений, движения а транспортном потоке на. критерии оценки, разработка, методики, учитывающей наличие логических связей между элементами обстановки.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Буслаев А.П., Маркианов В.А. К математической постановке задачи об оптимальном проектировании дорог. В сборнике тр. МАДИ *Оптимизационные методы в задачах автомобильного транспорта", 1990, с.33-40.

'2. Маркианов В.А. Количественные меры оценки зрительного восприятия.ландшафта. "Автомобильные дороги" № 7, 1993,с. 1214.

3. Маркианов В.А. К вопросу обоснования метода количественной оценки сочетания автомобильной дороги и элементов ландшафта. В сборнике тр.МАДИ "Совершенствование методов проектирования.автомобильных дорог", 1995, с.76-80.

Подписано к печати 23.08.95р. Формат бОхЭ^Гб. Бум. офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд.лЛ. Тир. ТООэкэ. Зак.Шб. Бесплатно.

Карельский научный центр РШ г.Петрозаводек, ул.Пушкинская,II.