Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viarie e dei Trasporti a.a. 2013 2014 RELAZIONE DI FINE TIROCINIO Laboratorio di simulazione in realtà virtuale CRISS Tirocinante: Cristina Di Pippa Tutor: Francesco Bella
LABORATORIO DI SIMULAZIONE IN REALTA VIRTUALE 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 per una durata complessiva di 1 mese circa, dal 15/07/2014 al 20/09/2014, con una media di 8 ore lavorative al giorno, per un totale di 150 ore. In questo periodo è stato possibile apprendere nuove nozioni informatiche e progettuali per la sicurezza dell esercizio viario. Il laboratorio di simulazione del CRISS consente di verificare in ambiente interattivo situazioni geometriche di qualsiasi tipo, in condizioni di traffico (livello di servizio) e in condizioni ambientali (p.es. pioggia, abbagliamento, nebbia, bassa aderenza, ecc.) predeterminati, attraverso procedure sperimentali standardizzate, controllate e completamente ripetibili. Il laboratorio di simulazione è composto da due postazioni computer: - Computer principale - Computer secondario Da questi è possibile costruire lo scenario di guida, si hanno poi tre videoproiettori che riproducono la visuale sia centrale che laterale (135 ) dello scenario costruito e quindi il processo di simulazione, che è governato da un modello dinamico completo di veicolo in grado di operare in tempo reale. Nello specifico il veicolo, un Alfa Sud, consente di guidare sia con cambio automatico che con quello manuale. Il modello dinamico si basa sull'analisi Non Lineare della Dinamica del Veicolo (VDANL Vehicle Dynamics Analysis, Non Linear) sviluppata per la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA). Figura 1 - simulatore di guida
FINALITÀ DELLE ATTIVITÀ DI TIROCINIO La prova finale consiste nella costruzione di uno scenario che possa rappresentare a pieno l interazione tra utente e la presenza di un ciclista alle intersezioni. Sviluppato in ambito suburbano e quindi prendendo in considerazione una strada di tipo E urbana di quartiere (Figura 2), lo scenario propone diverse situazioni che mettono in relazione i due soggetti sopra indicati agli attraversamenti ciclabili. Figura 2 - dimensioni sezione stradale considerata Nello specifico il lavoro di tesi mira a studiare diverse condizioni: 1. L interazione tra utente e ciclista quando questi si trovano ad una stessa distanza temporale dall intersezione 2. L interazione tra utente e ciclista quando questi si trovano a due distanze temporali differenti 3. L interazione tra utente e ciclista ponendo una pista ciclabile colorata 4. L interazione tra utente e ciclista ponendo un isola materializzata precedente all intersezione che diminuisce la sezione stradale da 3 a 2,75 metri. Ne risultano quindi 9 combinazioni che si possono riassumere nei seguenti punti: PRESENZA CICLISTA: PROVVEDIMENTI: No ciclista Provvedimento 0 No provvedimento Ciclista a distanza d1 Provvedimento 1 isola materializzata Ciclista a distanza d2 Provvedimento 2 pista ciclabile colorata La costruzione di tale scenario è stata possibile sfruttando alcuni studi precedenti che indicano il rapporto tra la visuale libera che deve avere l utente quando approccia ad un intersezione e la distanza L a cui si trova il soggetto che attraversa trasversalmente l intersezione stessa e gode del diritto di precedenza (in questo caso il ciclista). Il lavoro ha previsto la descrizione delle condizioni sopra indicate come segue: - Dimensionamento delle intersezioni in modo tale che il veicolo che deve dare precedenza (l utente alla guida in questo caso), giunto 20 metri dal ciglio della strada principale, debba vedere il veicolo della strada principale (il ciclista) ad una distanza L tale da sgomberare l area di intersezione e non disturbare le correnti in transito (Figura 3).
- Figura 3 - triangolo di visibilità Il punto di conflitto tra utente e ciclista è da considerarsi come il punto di intersezione tra la linea di mezzeria della corsia e la linea di mezzeria della pista ciclabile. La lunghezza L è tabellata a seconda della velocità del veicolo che attraversa l intersezione. Nel caso del ciclista, assunta per questo una velocità di 20 km/h, bisogna assicurare che questo sia visibile già a 66,66 metri. Scopo della tesi è quindi quello di valutare diverse distanze a cui porre il ciclista quando l utente è a 20 metri dall intersezione ed è in grado di vedere tramite cono di visibilità, almeno fino a 66,66 metri trasversalmente. - Definizione della lunghezza L a cui si troverà il ciclista in due casi particolari Distanza d1 stessa distanza temporale dell utente che approccia all intersezione Distanza d2 diversa distanza temporale dell utente che approccia all intersezione Definizione d1: si assume come velocità dell utente alla guida del veicolo un valore di 50 km/h, giustificati dalle velocità ammesse in ambito suburbano. Considerando quindi questo valore, si avrà che la distanza temporale dell utente posto a 20 metri dall intersezione sarà di 1,5 secondi fino al punto di conflitto con il ciclista posto trasversalmente. Analogamente la distanza d1 del suddetto ciclista sarà pari al prodotto di 1,5 secondi per la velocità del ciclista stesso, considerata di 20 km/h, per cui ne risulta che la distanza d1 del ciclista sarà 8,325 metri. Definizione d2: nel caso di distanza d2, il veicolo sarà posto sempre a 20 metri dal ciglio della pista ciclabile, mentre il ciclista sarà posto ad una distanza temporale dal punto di conflitto pari a 3 secondi per cui, considerando sempre una velocità pari a 20 km/h da parte del ciclista, ne risulta una distanza di 16,65 metri. Valutate queste lunghezze è stato costruito al simulatore lo scenario precedentemente descritto ed è stata verificata la validità dello studio, esaminando la guida di un campione di almeno 42 utenti che hanno effettuato le prove direttamente al simulatore.
PROCESSO LAVORATIVO Il lavoro ha previsto ore di attività al simulatore in cui è stato possibile valutare a pieno lo studio della sicurezza stradale sia da un punto di vista propriamente progettuale, sia da un punto di vista esclusivamente empirico. Durante le ore di tirocinio, il lavoro ha interessato diversi ambiti: Ambito informatico sono state acquisite nozioni circa nuovi programmi di simulazione quali STISIM 3.00, fondamentale per la costruzione di scenari da inserire nella realtà virtuale e 3DS Studio max, per la costruzione in 3D delle strutture. Ambito progettuale sono stati realizzati diversi progetti, tra cui l implementazione dello scenario oggetto della tesi finale tramite STISIM e la verifica, da parte di diversi utenti, della validità del suddetto scenario. COSTRUZIONE DELLO SCENARIO Per costruire lo scenario di guida è stato fondamentale studiare quello che è il linguaggio del simulatore: le informazioni base (dimensioni della strada, presenza banchine, presenza elementi al contorno, ecc ) vengono scritte in base ad un codice alfanumerico che restituisce output leggibili. I valori di input sono quindi: - Geometria plano altimetrica - Elementi al contorno - Livelli di traffico - Condizioni ambientali - Caratteristiche del veicolo Gli elementi di output invece sono: - Variabili cinematiche e dinamiche - Posizione del veicolo - Stato del veicolo - Posizioni reciproche tra l utente e altri veicoli Questi input si possono inserire con il programma del simulatore STISIM e determinare diversi file: 1. File evento (.evt) 2. File di configurazione (.cfg) 3. File di richiamo per stringhe particolari (.pde) 4. File di richiamo ad oggetti particolari (.3ds) 1. Il file evento contiene tutti gli altri tre file, nella figura sottostante è possibile vedere uno stralcio di tale documento che permette di inserire le diverse informazioni. Tra queste informazioni le iniziali riguardano tutti i parametri che dovranno essere registrati dal simulatore (ad ogni parametro è associato un numero con davanti il codice bsav), poi si hanno tutte le altre informazioni scritte in forma di stringhe in una struttura ad albero. 2. Il file configurazione è il file che rappresenta la configurazione che l utente vedrà durante la guida e quindi quello che può considerarsi il contesto in cui si sviluppa lo scenario: le configurazioni ovviamente cambiano se si è in ambito urbano o extraurbano. Nel primo caso si avrà una configurazione semplice (con il solo cielo), nel secondo caso invece la configurazione prevede anche
la presenza di montagne che possono rappresentare appunto un ambito di tipo extraurbano. Nel caso studio è stata scelta una configurazione adatta ad un contesto urbano. 3. Il file pde è invece un file di richiamo di stringhe particolari: si crea un file in cui si inseriscono specifiche informazioni dello scenario, più precisamente quelle informazioni che si ripetono in determinate progressive. Il file pde quindi si può creare per la segnaletica, piuttosto che per la piantumazione o l inserimento degli edifici. Questo fa in modo che il file evt non sia eccessivamente carico di righe, poiché si ha appunto un richiamo di file pde all interno di questo. Fondamentale ai fini dello studio è stato il comando cross traffic che permette di inserire il veicolo che attraversa trasversalmente; nel caso specifico, alle progressive delle intersezioni, è stato inserito il ciclista proveniente da sinistra secondo le due distanze temporali oggetto di studio. Secondo il linguaggio del simulatore, il ciclista è stato inserito in questo modo: 750.27,ct,49.73,5,-18.5{1},5.55,l,36,0 Dove: 750.27 è la progressiva a cui è posto Ct è il comando di cross traffic 49.73 è la distanza a cui si trova l utente quando si attiva il ciclista -18,5 è la distanza trasversale a cui parte il ciclista a sinistra (in metri) 5.55 è la velocità costante del ciclista in m/s L è la direzione da cui arriva il ciclista (l per indicare sinistra) 36 è il codice numerico che indica il ciclista In questo caso quindi si ha il ciclista che arriva da sinistra alla progressiva 800 (750.27+49.73) con una distanza d1 (parte 18,5 metri prima in modo tale che, se entrambi gli utenti mantengono le velocità costanti, si ha l incontro nel punto di conflitto). 4. Il file 3ds è un file che richiama un oggetto costruito con il programma 3ds; tale programma consente di costruire oggetti in 3D e di inserirli all interno del file evt. La metodologia usata è la seguente: si inseriscono le figure degli oggetti che dovranno poi essere utilizzati nello scenario e, tramite programma 3ds, si ricalcano. Passo successivo è quello di inserire determinate textures e foto in formato.bmap per creare l oggetto. Nel caso specifico è stato necessario creare con 3ds il segnale di pericolo che segnala un intersezione ciclabile; la realizzazione di tale oggetto è stata possibile inserendo due figure, ossia un cilindro ed un triangolo, e ponendo sopra il triangolo la foto del segnale. Il risultato è stato (Figura 4): Figura 4 - Segnaletica in 3ds
Come si nota si ha nella finestra in alto a destra la costruzione del segnale con le figure geometriche e quindi un cilindro per creare il palo ed il triangolo per il segnale, nella finestra in basso a sinistra si ha una prospettiva di tale segnale e nella finestra in basso a destra si ha la fase finale. Dopo aver costruito l oggetto si salva in formato.3ds e si inserisce nel linguaggio del simulatore tramite stringa: 410,SOBJ,240,-3{1},-2.8,0,0,0,C:\STISIM\DiPippa\SV1.3ds Dove: 410 è la progressiva a cui è posto il segnale SOBJ è il comando per inserire l oggetto 240 è la distanza a cui si vede il segnale (in metri) -3 è la distanza trasversale a cui è posto (tutto a destra) -2.8 è la distanza a cui è posto rispetto alla pavimentazione stradale C:\ STISIM\DiPippa\SV1.3ds è l indirizzo a cui si fa riferimento per l inserimento dell oggetto Stesso procedimento è stato considerato per la realizzazione dell isola rialzata oggetto del provvedimento 1 e quindi è stata costruita prima l isola tramite figure geometriche (rettangolo) e poi sono state inserite le textures per colorarla. Il risultato è stato restituito dal simulatore come nella figura5 sottostante: Figura 5 - isola rialzata Si riporta inoltre uno stralcio del file evento finale (Figura 6): Figura 6 - Stralcio file evento.evt
È possibile notare tutte le informazioni descritte precedentemente nelle diverse righe: Parametri registrati Informazioni sezione stradale Informazioni file pde per la segnaletica, edifici, traffico verso opposto, Presupposto fondamentale per la costruzione dello scenario al simulatore è stato il voler progettare l intero percorso in modo tale che l utente, prima di incontrare un intersezione, percorra sempre lo stesso tratto in modo tale da mantenere sempre le stesse condizioni (stessa cinematica, stesse condizioni al contorno, ecc ). Nel costruire il percorso quindi si sono volute ricreare sempre le stesse situazioni e ne è derivato che ad ogni rettifilo di 400 metri è stato posto un semaforo (l utente incontra sempre il segnale di rosso) a cui l utente deve fermarsi (Figura 7). Figura 7 - Costruzione semaforo al simulatore Dalla costruzione degli scenari sono risultati tre percorsi in cui sono state poste le 9 combinazioni; ogni intersezione è stata tradotta con un codice: Codice intersezione Presenza ciclista Provvedimento 1A No ciclista no provvedimento 1B No ciclista provvedimento 1 isola rialzata 1C No ciclista provvedimento 2 pavimentazione colorata 2A Ciclista d1 no provvedimento 2B Ciclista d1 provvedimento 1 isola rialzata 2C Ciclista d1 provvedimento 2 pavimentazione colorata 3A Ciclista d2 no provvedimento 3B Ciclista d2 provvedimento 1 isola rialzata 3C Ciclista d2 provvedimento 2 pavimentazione colorata Nei tre percorsi le intersezioni sono state così ripartite: PERCORSO 1: 2A 1C 1B 2C 1A - 3C 2B 3A - 3B PERCORSO 2: 3C 2B 2A - 1B 3A - 2C 1C 3B 1A PERCORSO 3: 1C 2B 3A 2A - 1B 3C 1A - 2C 3B Nel costruire lo scenario sono stati disegnati anche i tre provvedimenti e quindi è stata progettata l isola rialzata per il provvedimento 1 ed è stata colorata di rosso la pavimentazione della pista ciclabile per il provvedimento 2. In figura è possibile vedere come sono stati restituiti i progetti dei provvedimenti dal simulatore (Figura 8):
Figura 8 - Provvedimenti restituiti dal simulatore A valle di tale costruzione ne è risultato un percorso di 7600 metri percorribile in circa 10 minuti.
PROVE DI GUIDA Dopo aver costruito e verificato lo scenario in tutti i suoi elementi, 42 utenti sono stati sottoposti alla guida per verificare il loro comportamento in relazione alle intersezioni ciclabili. L intero percorso, lungo 7600 metri, è percorribile in circa 10 minuti. Come descritto precedentemente ogni 14 utenti è stato cambiato il percorso di guida, questo per evitare che tutti gli utenti guidassero lo stesso percorso e per verificare ancor di più il comportamento di questi quando si ha un alternanza delle intersezioni (e quindi della presenza o meno dei ciclisti) (Figura 9). Figura 9 - Prova di guida
IL QUESTIONARIO Dopo aver effettuato la guida, è stato chiesto ad ogni utente di compilare un questionario; questo per due motivi principali: Verificare come l utente ha considerato la sua guida Verificare come l utente ha valutato gli elementi incontrati durante la guida Le domande poste nel questionario infatti, mirano ad appurare come l utente ha considerato la presenza del ciclista, come ha valutato la presenza dei tre provvedimenti e se ha sentito qualche disagio durante la guida. Il questionario sottoposto è stato il seguente: Dati personali dell utente utente n.... 1 Nome 2 Cognome 3 Indirizzo mail 4 Sesso maschio femmina 5 Età 6 Anno acquisizione patente 7 Percorrenza annua su strada extra-urbana < 2500 > 2500 km/anno 8 Percorrenza annua su strada urbana < 2500 > 2500 km/anno 9 Che macchina guidi?(marca, modello e anno)
Questionario di autovalutazione Da 1 a 10, quanto secondo te la simulazione di guida rispecchia quella reale? Restituzione visuale: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Prestazioni veicolo: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Quali criticità hai riscontrato durante le prove? difficoltà nel guidare alle intersezioni visuale del tracciato altro (specificare)... Per quale motivo? restituzione visiva controllo e gestione delle dinamiche del veicolo (acceleratore, freno ) difficoltà nella guida causa non reale restituzione degli effetti legati all uso del volante altro (specificare)... Secondo te, quanto prima dell intersezione hai visto il ciclista? (metri) 10 20 30 40 L attraversamento del ciclista ha condizionato la tua guida? si no Se si, perchè? obbligato a dare precedenza mi ha costretto a frenare improvvisamente mi ha portato ad accelerare per evitare l urto
Come hai percepito la segnaletica all intersezione? (vedi foto) (0=indifferente; 1= basso; 2 = medio; 3 = alto) un ausilio alla guida 0 1 2 3 un ostacolo 0 1 2 3 Come hai percepito l intersezione colorata? (vedi foto) (0=indifferente; 1= basso; 2 = medio; 3 = alto) un ausilio alla guida 0 1 2 3 un ostacolo 0 1 2 3
Come hai percepito la presenza dell elemento rialzato precedente l intersezione? (vedi foto) (0=indifferente; 1= basso; 2 = medio; 3 = alto) un ausilio alla guida 0 1 2 3 un ostacolo 0 1 2 3 Questionario finale 1 - Hai provato malessere, senso di disagio durante le prove? si no 1.1 - Se si, di che tipo e livello? (0=nullo; 1= malessere lieve; 2 = malessere medio; 3 = malessere alto) nausea 0 1 2 3 giramento di testa 0 1 2 3 stordimento 0 1 2 3 affaticamento 0 1 2 3 altro (specificare)...
CONCLUSIONI A valle delle guide e della raccolta dei questionari, è stato possibile iniziare ad organizzare i dati di output, concentrandosi sullo studio di determinati parametri: Velocità iniziale longitudinale dell utente Vi (m/s) Velocità minima Vmin (m/s) Distanza a cui si ha la velocità minima Lvmin (m) Distanza a cui si ha la velocità iniziale Li (m) Decelerazione massima d max (m/s²) Decelerazione media d media (m/s²) Distanza a cui si ha la decelerazione massima Ld max (m) Distanza temporale a cui si trova realmente il ciclista quando l utente è a Li di (sec) Tutti questi parametri sono stati studiati 150 metri prima della progressiva di intersezione perché: A 150 metri l utente non ha ancora la visuale libera e quindi non può vedere il ciclista: questo vuol dire che la sua velocità è ancora non condizionata da questa presenza A 150 metri si ha il primo segnale verticale che indica la presenza di un attraversamento ciclabile, quindi l utente potrebbe essere influenzato nella sua guida La velocità iniziale longitudinale Vi è la velocità che l utente ha quando inizia a frenare; questo dato è facilmente estraibile dai dati restituiti dal simulatore poiché si ha la progressiva precisa in cui l utente ha fatto pressione sul pedale di freno, a cui corrisponde un determinato valore di velocità; inoltre si verifica costruendo un grafico della velocità del singolo utente. E stato eseguito lo studio della velocità inziale per verificare quando l utente ha l interazione con il ciclista e a quale velocità. La distanza a cui si ha la velocità iniziale Li è considerata come la distanza dal punto in cui è registrata la velocità iniziale fino alla progressiva dell intersezione, così come per la distanza a cui si ha la massima decelerazione. È stata studiata tale variabile per vedere quanti metri prima dell intersezione l utente vede il ciclista o comunque si accorge della sua presenza. La velocità minima longitudinale Vmin è la velocità più bassa che l utente ha durante la sua guida. Viene considerato questo parametro per vedere quanto l utente ha ridotto la sua velocità in prossimità dell intersezione. La distanza a cui si ha la velocità minima LVmin è la distanza a cui si registra la velocità minima. Questo parametro è preso per valutare quanto prima l utente riduce al massimo la sua velocità (probabilmente per dare precedenza al ciclista). Il valore di decelerazione massima dmax si estrapola sempre dai dati ed è appunto il valore massimo che si ha nei 150 metri precedenti la progressiva delle intersezioni. È stato registrato questo valore per valutare quanto l utente decelera e se quindi la sua guida non è costante. La decelerazione media dmedia invece, è considerata come il rapporto tra la differenza della velocità minima e la velocità iniziale rispetto alla differenza che si ha tra il tempo alla velocità minima e il tempo iniziale (tempo percorso fino alla progressiva corrispondente alla velocità iniziale). Si studia questo parametro perché si vuole verificare quanto la guida dell utente è di tipo costante o, al contrario, se si trova a frenare bruscamente a ridosso dell intersezione.
La distanza a cui si ha la decelerazione massima Ldmax è la distanza dal punto in cui è registrata la decelerazione massima fino alla progressiva dell intersezione. La distanza temporale a cui si trova realmente il ciclista di è il tempo a cui è il ciclista rispetto al punto di conflitto quando l utente è alla progressiva corrispondente alla velocità iniziale, ossia quando inizia a ridurre la sua velocità poiché molto probabilmente ha già visto il ciclista.