RELAZIONE DI FINE TIROCINIO

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA Corso di Laurea Magistrale in Infrastrutture Viarie e Trasporti Anno Accademico 2014/2015 RELAZIONE DI FINE TIROCINIO ACQUISIZIONE DELLE ABILITÀ INFORMATICHE FINALIZZATE ALL UTILIZZO DEI SOFTWARE STISIM DRIVE E AMESIM Tirocinio per Tesi Magistrale svolto presso il Laboratorio di Simulazione in Realtà Virtuale CRISS Tutor Universitario: Prof.ssa Maria Rosaria De Blasiis Tirocinante: Alessandra Mattioli

2 Indice Introduzione... 3 Il Software STISIM Drive... 4 Lettura dati di input... 5 Lettura dati di output...12 Il Software AMEsim...16 Modellazione...17 Elementi acquisiti per lo sviluppo del lavoro di tesi...24

3 Introduzione L attività di tirocinio si è svolta presso il Nuovo Simulatore di Guida del CRISS Centro Interuniversitario di Ricerca per gli Studi sulla Sicurezza Stradale del Dipartimento di Scienze dell'ingegneria Civile (DSIC) dell'università degli Studi Roma Tre. Il tirocinio ha avuto inizio il 23 Marzo 2015 concludendosi il 15 Maggio 2015 ed è stato condotto per una durata complessiva di 150 ore, corrispondenti a 6 CFU (Crediti Formativi Universitari). La finalità di tale attività è stata l acquisizione delle conoscenze necessarie alla comprensione e all utilizzo dei Software STISIM Drive e AMEsim. 3

4 Il Software STISIM Drive Il software STISIM Drive è lo strumento di supporto al sistema del Simulatore di Guida di Realtà Virtuale programmabile e interattivo, di ausilio a numerosi tipi di ricerca condotti nell ambito di guida su strada. Durante il tirocinio si sono apprese le conoscenze indispensabili alla lettura degli scenari processati con il simulatore di guida, al fine di interpretarli, classificarli, acquisendo le competenze necessarie per implementare i file di output su foglio elettronico. Il software permette di ricostruire scenari molto complessi, si possono inserire elementi sia statici (ad esempio edifici e segnaletica stradale) che dinamici (ad esempio pedoni e automobili), sviluppando un ambiente che raffigura una carreggiata realistica sulla quale un utente può inserirsi, interagendo con i vari eventi inseriti. Ogni simulazione realizzata con STISIM Drive è composta da due elementi primari, il file scenario che descrive ciò che sta accadendo nella scena della carreggiata e la configurazione che definisce tutti i parametri globali per il simulatore. Conclusa la simulazione si ottengono i file contenenti gli output richiesti, risulta perciò importante comprendere come leggere sia gli scenari creati, ricostruendo le geometrie stradali e le interferenze, sia gli output ottenuti, capendo il comportamento dell utente. 4

5 Lettura dati di input Come accennato nell introduzione, STISIM Drive permette di ricostruire scenari molto complessi, che partendo dalla definizione di una geometria plano-altimetrica, contengono elementi statici, ad esempio edifici, e dinamici, ad esempio pedoni. Ogni configurazione è composta da sei componenti, il file di configurazione, il file scenario event, il file Open Module Object, la control console, le periferiche di visualizzazione, e infine il Driving Simulation Kernel, software di gestione ed elaborazione. La control console, composta da sterzo, pedale e gli ingressi dei pulsanti, e le periferiche di visualizzazione, composte da monitor, proiettori, etc., sono le componenti hardware, sulle quali non si può intervenire in modo significativo essendo definite inizialmente. Perciò ciò su cui si agisce per modificare l ambiente di guida sono il file di configurazione e il file scenario event, il primo è costituito da tutti i parametri che non incidono su un singolo evento di simulazione bensì al modo complessivo in cui il simulatore verrà eseguito, tra i vari parametri ci sono ad esempio i colori di simulazione, la texture, le diverse configurazioni hardware. I singoli scenari sono costruiti mediante l impostazione di alcuni file: file evento (.evt ) file di configurazione (.cfg ) file di richiamo per stringhe particolari (.pde ) file grafici.3ds richiamati nelle stringhe Più precisamente il file evento (.evt) richiama al suo interno i file di configurazione (.cfg ), i file di richiamo per stringhe particolari (.pde ) ed i file grafici (.3DS.). 5

6 All interno del file.evt, che contiene le informazioni relative agli elementi che definiscono lo scenario, si hanno le informazioni di progetto, le stringhe ROAD e bsav comprendono le indicazioni riguardanti rispettivamente la sezione trasversale e gli output che verranno emessi a fine sperimentazione. Cominciando dalla stringa ROAD, in essa si hanno le istruzioni che definiscono la geometria trasversale dell infrastruttura: larghezza di ogni corsia, numero totale di corsie, numero di corsie di destra rispetto all asse stradale, tipologia della linea di divisione delle carreggiate, lunghezza delle linee bianche discontinue, distanza tra due strisce delle linee discontinue, larghezza della linea di divisione, larghezza delle linee di separazione tra le corsie, lunghezza di transizione nella quale c è la variazione lineare tra due sezioni consecutive, pendenza trasversale della falda destra della piattaforma stradale, pendenza trasversale della falda sinistra della piattaforma stradale, pendenza trasversale della banchina destra, larghezza della banchina destra, pendenza trasversale della banchina sinistra, larghezza della banchina sinistra, altezza scarpata di destra, larghezza trasversale della scarpata di destra, altezza scarpata di sinistra, larghezza trasversale della scarpata di sinistra, larghezza dello spartitraffico centrale. Ai fini di una corretta ricostruzione dello sviluppo plano-altimetrico della piattaforma, le informazioni necessarie si trovano nel file.evt; nei comandi Curve (C) e Vertical Curvature (VC) che definiscono rispettivamente l andamento planimetrico del tracciato e l andamento altimetrico, mediante i raccordi verticali. La stringa del comando Curve (C) contiene le informazioni sulla lunghezza della curva di transizione (clotoide) in ingresso ed uscita, sulla lunghezza dell arco di cerchio, sulla curvatura (inverso del raggio dell arco di cerchio) ed infine l eventuale sopraelevazione della pendenza trasversale della piattaforma in corrispondenza dell arco di cerchio. 6

7 In Figura 1 sotto riportata si ha un estratto da un file.evt nel quale si hanno delle stringhe riferite alle curve, come si vede i numeri evidenziati in rosso sono proprio le informazioni precedentemente elencate. Figura 1- Esempi di stringhe Curve Il comando Vertical Curvature (VC) contiene nella sua stringa le indicazioni sulla lunghezza del raccordo ed il rapporto di variazione della pendenza trasversale lungo il raccordo con la distanza, tali informazioni sono evidenziate in verde in Figura 2 sotto riportata, tratta da un file.evt. Figura 2 - Esempi di stringhe Vertical Curvature Come precedentemente detto il file.evt richiama i file di richiamo.pde, i file di configurazione.cfg ed i file grafici.3ds; nei quali si trovano ulteriori specificazioni relative alla configurazione che si andrà a simulare, contenendo infatti una serie di comandi con cui è possibile implementare il tracciato e definire gli elementi di arredo. 7

8 Si riporta in Figura 3 un estratto di un file.evt nel quale si vede come ci siano richiami ad altri file, si sottolinea a titolo esemplificativo una stringa in cui c è il richiamo al file contentente le informazioni relative ai new jersey. Figura 3 - Esempi di file di richiamo.pde In Figura 4 si riportano le informazioni relative all elemento new jersey a cui la parte sottolineata nella Figura 3 si riferisce, nel file di richiamo le stringhe JBAR riportano gli event parameters che danno informazioni sullo spartitraffico. Figura 4- Esempi di stringhe JBAR 8

9 I file di richiamo possono contenere altri esempi di elementi di arredo come la vegetazione o eventuali muri di controripa; dalla lettura delle stringhe corrispondenti si conoscono le informazioni come la progressiva alla quale l utente inizia a vedere un oggetto, la distanza a cui lo vede, la distanza laterale in metri dell origine dell oggetto dalla linea mediana, la distanza verticale in metri dell origine dell oggetto dal piano terreno, gli angoli di rotazione. Per quanto riguarda il livello di valori di traffico, qualora presente, si possono inserire veicoli che si trovano sullo stesso verso di marcia o che provengono dal verso opposto. Le stringhe con le informazioni su tali elementi, riportano la progressiva a cui l utente comincia a vedere il veicolo, la velocità del veicolo, la distanza laterale del baricentro della vettura dalla linea di mezzeria ed il tipo di veicolo. All interno del file.evt, come già detto, si ha la stringa.bsav che comprende l elenco di output emessi a fine sperimentazione, a titolo esemplificativo si riporta in Figura 5 un estratto di un file.evt relativo ad una sperimentazione effettuata. Figura 5 - Esempi di stringa.basv Nella stringa bsav sono riportati dei valori numerici, ognuno dei quali è correlato ad un output specifico, si riporta di seguito l elenco con l output e il valore numerico corrispondente: tempo trascorso dall inizio della simulazione [1] accelerazione longitudinale [2] accelerazione trasversale [3] 9

10 velocità longitudinale [4] velocità trasversale [5] distanza percorsa [6] posizione longitudinale del veicolo rispetto alla linea d asse [7] curvatura della traiettoria [8] curvatura dell asse stradale [9] angolo di inclinazione del veicolo lungo l asse longitudinale [10] angolo di sterzatura del veicolo e del volante [11] accelerazione longitudinale per rallentamento [12] accelerazione longitudinale per frenatura [13] colore del semaforo [14] segnale acustico [15] freccia a sinistra [16] freccia a destra[17] collisioni [18] velocità longitudinale in km/h [23] rapporto di imbardata [24] rapporto di marcia [25] angolo di beccheggio totale [30] angolo di rollio totale [31] rapporto di sterzatura [32] 10

11 parametro di traffico con identificazione del veicolo che precede [19] 11

12 Lettura dati di output Il software restituisce dopo ogni simulazione gli output in un file di testo in formato.dat; nella stringa.bsav nel file.evt si hanno tutti gli elementi di output che dovranno essere restituiti a valle della sperimentazione. Il file di output contiene una sezione iniziale con le informazioni generali, comprendenti il numero di identificazione del conducente, la data e l ora in cui è stata eseguita la simulazione. Segue la sezione che riepiloga lo scenario, sono incluse le stringhe bsav e Road e le stringhe che riportano tutti gli elementi presenti nella configurazione, ad esempio nella Figura 6 riportata si hanno delle stringhe contenenti l elemento JBAR (Jersey barrier), ogni stringa, se ne evidenzia in Figura 6 una in rosso a titolo esemplificativo, contiene le informazioni dell elemento, ad esempio il primo valore rappresenta la distanza, espressa in feet [ft], che intercorre tra l estremità della barriera più vicina al conducente ed il conducente stesso quando la barriera appare al conducente. Figura 6 - Esempio della sezione di riepilogo di un file di output 12

13 Successivamente si ha la sezione con gli output restituiti, il passo sia spaziale che temporale è arbitrario ed è scelto nel momento in cui si configura lo scenario. Si riporta in Figura 7 un estratto dei dati di output, ogni colonna corrisponde ad uno specifico output, l insieme di tutti gli output da salvare è riportato nella stringa.bsav, come già specificato. Figura 7 - Esempio della sezione con gli output restituiti dalla simulazione Il file.dat riporta anche i risultati Time to collision results sia in-lane vehicles, sia other-lane vehicles, distinzione che nasce sulla base che i veicoli siano sulla stessa corsia o sulla corsia opposta, si riporta in Figura 8 un esempio di tale distinzione. Figura 8 Esempio distinzione in-lane vehicles e other-lane vehicles I dati Time to collision riportano quanto si avvicina il veicolo del guidatore agli altri veicoli sul percorso del guidatore. 13

14 Questa sezione è composta da alcune componenti: Vehicle (vehicle number), Min range (minimum range), Min T2C (minimum time to collision), Time from start (elapsed time from the start of the run) riportate in forma evidenziata in rosso in Figura 9. Figura 9 - Esempio della sezione Time to collision results di un file di output Nell ultima sezione del file si ha un elenco degli errori che il conducente ha prodotto durante la simulazione, nella prima parte, evidenziata in rosso in Figura 10, sono elencati i seguenti elementi: total number of off road accidents, total number of collisions, total number of pedestrians hit, total number of speed exceedances, total number of speeding tiekets, total number of traffie light tiekets, total number of stop sign tickets, total number of center line crossings, total number of road edge excursions, total number of stops at traffic lights, total number of correct DA responses, total number of incorrect DA responses, total number of DAs with no response, total run length (Drive T, X, Total T), total number of illegal turns, total 14

15 number of low speed warning, total number of high speed warnings, over speed limit (% Time, %Distance), out of lane (% Time, %Distance). La sezione Individual mistakes, evidenziata in giallo in Figura 10, è composta da mistake, elapsed time from the start of the run, elapsed distance from the start of the run. Il elapsed time from the start of the run è misurato in secondi, mentre elapsed distance from the start of the run è misurata in piedi. Infine si ha la sezione Fuel usage results, evidenziata in verde in Figura 10, nella quale si riportano le seguenti informazioni di carattere generale: total fuel consumed, kilometers Driven, elapsed time, average speed, average fuel usage, average flow rate. Figura 10 - Esempio della sezione finale di un file di output Le informazioni recepite dai file delle simulazioni saranno poi implementate su foglio elettronico. 15

16 Il Software AMEsim Il Software AMEsim, Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems, permette di effettuare simulazioni in 1D per modellare ed analizzare sistemi multi-dominio, prevedendone le prestazioni. Lo strumento è in grado di simulare i consumi, analizzare le emissioni (ad esempio l efficienza del catalizzatore), prevedere le prestazioni del veicolo, verificare le prestazioni di un sistema di controllo effettivo (ad esempio stabilendo l'efficienza energetica). Le simulazioni, attraverso modelli analitici, sagomano sistemi molto complessi partendo dai loro costituenti base per ogni diverso dominio fisico, idraulico, pneumatico, elettrico, meccanico. Durante il tirocinio si sono apprese le conoscenze necessarie per utilizzare il software ottenendo gli output relativi ad emissioni e consumi. Si è appreso prima di tutto ciò che concerne la fase di modellazione, ovvero si sono assimilate le competenze relative alla modellazione di un sistema, cioè ad impostare le sue componenti ed i parametri, quali ad esempio le condizioni iniziali e le caratteristiche fisiche; successivamente si sono acquisite le conoscenze relative l elaborazione dei risultati ottenuti dalla simulazione. 16

17 Modellazione La creazione di un modello di simulazione si basa sull iniziale assemblaggio di componenti appartenenti ad ogni dominio fisico, essi sono predefiniti e si hanno a disposizione nelle library. Si ottiene quindi un interfaccia grafica, di cui si riporta un esempio in Figura 11, composta da schemi di diagrammi a blocchi, sintetizzanti i sistemi, che hanno la particolarità di permettere uno scambio bidirezionale delle informazioni appartenenti a domini fisici differenti tra di loro come il dominio idraulico ed il dominio elettrico, ad esempio. Figura 11 Esempio di schema di diagramma a blocchi 17

18 Più precisamente ogni componente ha una o più porte che rappresentano i valori di input ed output. Il ciclo di guida è scelto nella componente Mission profile & ambient data", che raccoglie le grandezze caratteristiche di un profilo di missione e i dati ambientali, in Figura 12 è evidenziata in rosso l icona della componente. MISSION PROFILE & AMBIENT DATA Figura 12 Icona della componente Mission profile & ambient data" Essa contiene due sottomodelli, profilo di missione in funzione della velocità del veicolo e profilo di missione in funzione dello spostamento del veicolo. Nel primo caso si definisce un profilo definito in funzione della velocità del veicolo, utilizzando un ciclo di guida standard o un ciclo di guida personale, bisogna in questo caso inserire il file di dati nel quale è definito il profilo temporale della velocità del veicolo ed eventualmente anche le informazioni relative il controllo del rapporto di cambio contro il tempo. Si possono inoltre specificare i dati ambientali quali ad esempio la velocità del vento e la densità dell'aria. 18

19 La modellazione di un sistema che si vuole studiare si sviluppa attraverso quattro fasi: sketch mode, submodel mode, parameter mode, run mode. In Figura 13 si riporta l immagine con le icone delle fasi suddette, evidenziate in verde. Figura 13 Icone delle fasi componenti la modellazione di un sistema Nella prima fase di sketch mode si definisce il sistema inserendone i vari componenti presenti nelle librerie disponibili, facendo attenzione al fatto che siano compatibili. Successivamente nella fase submodel mode, si sceglie ed associa ad ogni componente il sottomodello fisico, nel quale si tiene conto di altri fenomeni che si vuole considerare, in tal modo si definisce anche il livello di dettaglio che si vuole raggiungere a fine simulazione. Nella successiva fase parameter mode per ogni componente si impostano i parametri (condizioni iniziali, caratteristiche fisiche, geometriche, cinematiche, chimiche o termodinamiche). A questo punto si può procedere con la fase di simulazione, run mode, che restituisce tutti i risultati ottenuti 19

20 esportandoli nei formati.txt e.xls sia in formato grafico sia in forma tabellare. Si possono impostare i diversi parametri quali durata della simulazione ed intervallo di acquisizione, nonché la tolleranza desiderata durante i calcoli. Nella componente vehicle si deve apportare la modifica legata al parametro di velocità iniziale [m/s], come si vede nella parte evidenziata in Figura 14. Figura 14 Parametro velocità iniziale del veicolo Le simulazioni accolgono dei file di input in formato.txt che contengono il tempo, espresso in secondi [s], e la velocità, espressa in metri al secondo [m/s]. Ogni file, per comodità di utilizzazione successiva, è identificato con una dicitura nella quale si riportano le seguenti informazioni: tempo iniziale [s], tempo finale [secondi] ed infine velocità iniziale [m/s]. Tale classificazione permette durante la simulazione, e più precisamente nella fase di cambiamento dei run parameters ( start e final time ) di procedere più rapidamente, leggendo infatti dal titolo di ogni file le informazioni 20

21 necessarie senza dover aprire di volta in volta ogni file cercando le informazioni necessarie. I file.txt entrano in simulazione durante la fase parameter mode, mediante la componente mission profile and ambient data, operando su change parameters, più precisamente su file name for vehicle velocity [m/s] si accede alle cartelle di input contente i file.txt per ogni utente. Nella fase di run mode si inseriscono il tempo iniziale e finale, espressi in secondi [s]. Si avvia la simulazione, di cui si possono impostare alcuni parametri quali la durata della simulazione, l intervallo di acquisizione, la tolleranza di calcolo voluta. A valle di quest ultima fase si ottengono numerosi risultati. Relativi alle emissioni prodotte si hanno i valori emessi dei fluidi necessari per descrivere il comportamento di una linea di scarico, che sono di dodici specie: N2, O2, H2, H2O, CO, CO2, NO, NO2, HC, NH3, particolato. Tali emissioni si ottengono dai componenti Mass Sensor e Gas Analyzer, evidenziati in Figura 15. Mass Sensor Gas Analyzer Figura 15 Componenti Mass Sensor e Gas Analyzer 21

22 Tali emissioni possono essere visualizzate sia in forma cumulata (Figura 16) che istantanea (Figura 17), nonché in forma tabellare; il salvataggio può avvenire in formato (.dat) per poi essere implementati su foglio elettronico. Figura 16 Forma cumulata delle emissioni Figura 17 Forma istantanea delle emissioni 22

23 Analogo discorso vale per i consumi prodotti (Figura 18). Figura 18 Consumi prodotti Ogni sperimentazione fornisce un numero di file.dat pari alle informazioni che si vorranno in seguito approfondire. Una volta raccolti i risultati del modello si passa alla validazione ed analisi dei risultati. 23

24 Elementi acquisiti per lo sviluppo del lavoro di tesi Le abilità informatiche acquisite durante il tirocinio hanno permesso la conoscenza dei software STISIM Drive e AMEsim e quindi il loro utilizzo nel lavoro di tesi. La conoscenza degli elementi costituenti i file che compongono la costruzione degli scenari processati con il simulatore di guida, il cui software è STISIM Drive, ha consentito la corretta ricostruzione degli scenari stessi, a partire dallo sviluppo plano-altimetrico sino a tutte le componenti statiche e dinamiche inserite. La ricostruzione degli scenari ha permesso una loro classificazione e una loro interpretazione necessaria nelle fasi successive del lavoro di tesi. Il software, infatti, permette un approfondita ricostruzione di scenari molto complessi mediante l inserimento di elementi sia statici, come edifici, che dinamici, come altri veicoli. Si ha una composizione dei file in cui il file evento (.evt) richiama al suo interno i file di configurazione (.cfg ), i file di richiamo per stringhe particolari (.pde ) ed i file grafici (.3DS.). All interno del file.evt si hanno le stringhe ROAD e bsav ; ogni stringa contiene elementi che rappresentano le indicazioni riguardanti la geometria trasversale dell infrastruttura e gli output che verranno emessi a fine sperimentazione, inoltre ai fini di una corretta ricostruzione dello sviluppo plano-altimetrico della piattaforma si devono leggere le informazioni presenti sempre nel file.evt, contenute nei comandi Curve (C) e Vertical Curvature (VC), che definiscono l andamento planimetrico del tracciato e l andamento altimetrico, mediante i raccordi verticali. 24

25 Inoltre tutti gli altri elementi, di arredo, di traffico, etc sono contenuti file evento (.evt) e richiamati nei file di configurazione (.cfg ), nei file di richiamo per stringhe particolari (.pde ) ed nei file grafici (.3DS.). L ambiente così progettato risulta nel suo insieme particolarmente realistico, l utente si inserisce e interagisce con gli altri elementi; si andrà quindi ad analizzare il comportamento dell utente tenuto in tali configurazioni e con le condizioni al contorno stabilite. Perciò, come già detto, una prima analisi ha riguardato la comprensione degli scenari simulati. Conclusa la simulazione si ottengono dei file contenenti gli output richiesti nella fase di modellazione, risulta perciò importante comprendere, oltre gli scenari creati, composti da geometrie e da interferenze, quali siano gli output ottenuti, capendo così il comportamento dell utente. I file di output restituiti si presentano in un formato.dat la cui corretta lettura ed estrapolazione ha permesso l utilizzo di alcuni di essi nel software AMEsim, che li ha opportunamente implementati e modellati. Il Software AMEsim effettua simulazioni in 1D modellando sistemi multidominio, definisce le prestazioni del veicolo, simula i consumi, analizza le emissioni. I modelli analitici alla base delle simulazioni sagomano sistemi molto complessi partendo dai loro costituenti base, appartenenti ad ogni dominio fisico. Si sono quindi apprese le conoscenze necessarie al giusto utilizzo del software e alla lettura e alla gestione dei file di output, relativi ad emissioni 25

26 (le specie di scarico restituite sono N2, O2, H2, H2O, CO, CO2, NO, NO2, HC, NH3, particolato) e consumi. L ottenimento di tali output ha permesso successive analisi ed interpretazioni del fenomeno emissivo in accordo al lavoro di tesi. 26