OPENSIM TRAFIKVERKET FUD PROJEKTRAPPORT

TRAFIKVERKET FUD PROJEKTRAPPORT OPENSIM Projekteringsanpassad VR för körsimulatorn på VTI, Linköping. Dataflyt och teknisk synkronisering av CAD-projekterat underlag baserat på Open Source. Upprättad av: Odd Tullberg Michael Connell WSP Projektledare TRV: Göran Blomberg 2010-12-30 rev 2011-04-12

INNEHÅLL INNEHÅLL Innehåll...2 Bakgrund och syfte...3 Förutsättningar...5 Genomförande...6 Mål...6 Fas I...6 CAD till xodr...6 CAD till osg/ive...6 Resultat...7 Rekommendation till Fas 2...7 Fas II...8 CAD till xodr...8 CAD till osg/ive...9 Resultat...10 Riktlinjer för att skapa en simulering...11 Fortsatt utveckling...12 Bilagor...13

BAKGRUND OCH SYFTE Vägverket, nuvarande Trafikverket, har under ett decennium drivit ett samarbete med Vägoch Transportforskningsinstitutet i Linköping (VTI) och olika konsulter för att skapa nya möjligheter i Virtual Reality för simulering av väg- och tunnelmiljöer. Ett första försök att tillämpa denna teknik var inför planeringen av Dennispaketet och senare Södra Länkenprojektet. Det gav goda erfarenheter av att göra tunnelsimuleringar med hjälp av VTI:s körsimulator. Idag är det ett omfattande arbete att driftsätta en korrekt projekterad vägmiljö i VTI:s körsimulator då man i princip får programmera efter ritningsunderlaget. Det kan alltså dra ut på tiden att föra över det projekterade underlaget till simuleringen och därmed riskerar man att det inte kommer det aktuella projektet till godo. Linjerna i den programmerade modellen blir inte riktigt den samma som den projekterade modellen. Det finns alltså ett behov att förkorta denna process för att skapa realistiska simuleringsmiljöer. Det är vår vision. Det är ett långsiktigt mål, och vi tar det första steget på vägen med denna studie. Dagens CAD-projekteringsverktyg ger möjlighet att relativt snabbt generera underlag för VRmodeller antingen i form av vanliga plan- och profillinjer, eller som en sammanslagen 3Dlinje eller i form av 3D-ytmodeller. Alla dessa olika former kan omvandlas till olika objekt i VR beroende i vilken fas projektet befinner sig. I denna studie har vi testat alla formerna. Modern VR-teknik för PC är nu inte enbart en presentationsform för färdiga projekt utan börjar även bli ett användbart verktyg i projekteringsfasen. VR-modellen kan användas för många olika syften, tex som projekteringshjälp tidiga skeden, visualisering av alternativa lösningar i arbetsplanen, som ett samgranskningsverktyg med hantering av underlag från många olika teknikområden mm. I den här studien skall vi använda VR som ett verktyg för att redovisa en rörelsesimulering i realtid. Målet med forskningsprojektet är att göra en första studie om dataflyt från en traditionell CAD-projektering (i 2D eller 3D) till ett underlag för en PC-baserad VR-modell,och vidare till ett underlag anpassat för VTI:s avancerade körsimulator. 3(13)

Projektet har delats in i två faser: Fas I studerades en enkel väggeometri med mål att se om det överhuvudtaget var intressant och möjligt och i så fall skulle vi ge rekommendationer för den fortsatta studien i Fas II. Fas II skulle följa rekommendationerna från Fas I med en mer avancerad väggeometri - sammankoppling av flera olika CAD-linjer och ge en reflektion över hur/om dataflytet kunde automatiseras. Underlag från projektet Förbifart Stockholm (Arbetsplan och Systemhandlingsskedet) andvänds i studien. Förbifart Stockholm är ett av Sveriges största infrastrukturprojekt, kostnadsberäknat till 27 miljarder kronor i 2009 års index. Förbifarten sträcker sig i en båge väster om Stockholm med en längd av ca 20 km, varav 17 km är tunnel. Det är ett utmärkt projekt där man kan bedriva många olika sorters studier i och med dess mycket komplexa och oprövade lösningar. Huvudtunneln är extremt lång, ramperna är extremt långa, antal körfält i södra och norra anslutningarna är extremt många. Alla dessa faktorer ställer mycket höga krav på väglinje, arkitektur, skyltning, säkerhet mm. 4(13)

FÖRUTSÄTTNINGAR En körsimulator bygger på två delar, en rörelsesimulering och en visualisering av miljön. Rörelsekänslan simuleras med ett avancerat datorprogram som styr det mekaniska kraftspelet - som i sin tur styr rörelsen av bilen. Visualiseringen av den virtuella modellen sköts via en VR-programvara och ett antal grafikkort som visar en samlad bild på en stor skärm. I denna studie kommer det projekterade CAD-materialet att användas både för att ta fram underlag för simulering och för visualisering. VR-objekten är framtagna under projekteringen och vår ansats var att dessa inte skulle behöva anpassas utan kunna användas direkt. En väg definieras av dess linjer i plan och profil samt dess sektion. Linjerna beskriver vägens förändring i höjd- och plan. Sektionen beskriver hur vägen är utformad med avseende på antal körfält, lutningar, slänter och liknande. Tillsammans bildar informationen från ritningarna en beskrivning av hur vägen ser ut i 3D. I detta projekt använder vi CAD-data från det AutoCAD-baserade NovaPoint, men vi försöker att hålla studien öppen för en mer generell lösning. VR-modellen är skapad i Open VR från WSP, som är baserat på öppen källkod från OpenSceneGraph (version 2.8). Körsimulatorn på VTI är också baserad på öppen källkod. Visualiseringssystemet är baserat på samma OpenSceneGraph-system (version 2.8). Körsimuleringen använder OpenDrive (version 1.2). Xodr-formatet som används som indata till OpenDrive, är en xml-baserad kod och är (ganska) väldokumenterad, se OpenDRIVE 1.2 Format Specification medföljer som bilaga till rapporten. Underlaget till studien hämtas från projektering av Förbifart Stockholm. Projekteringen är utförd i SWEREF 99 18:00 med höjdsystem RH00. 5(13)

GENOMFÖRANDE Mål Vårt mål var att skapa ive/osg-filer och en xodr-fil. OSG/ive-filerna används för 3Dvisualiseringen i körsimulatorns OSG-system. Xodr-filen används av OpenDrive-systemet för simuleringen. Test av Fas I Fas I Vi studerar en bit av Förbifart Stockholm, norrgående sträcka som går i tunnel, en trefilig motorväg (90 km/h). CAD till xodr VTI har skapat en PC-baserad singelversion av Simulator III som kallas VISIR. WSP har en kopia av programvaran för att testköra framtagna xodr-filer. WSP har som mål att skapa ett Python-skript för att konvertera CAD-data till xodr-data. I den första testen utgick vi från staklinjen (en linje ofta centrerad mellan körbanorna) i 3D den hade vi använt oss i den tidigare VR-modellering och det är ganska lätt att få fram en sådan i Nova Point. Det visade sig dock ge en krånglig programmering för att komma över till xodr-formatet. Vi gör ett omtag och byter ut denna 3D-linje mot separata plan- och profillinjer. Det ger oss dock en del andra bekymmer, som t ex att linjerna inte börjar och slutar på samma längdsektion (längdkoordinat) det är även en annan skala på profilens z-koordinat (faktor 10). Vi löser problemen manuellt. Programmeringen från dxf till xodr blev nu enklare. Metoden med att utgå från staklinjen fungerar väl när staklinjen och väglinjens profil överenstämmer och då väglinjen är parallell med staklinjen. Vid mera komplexa väglinjer blir det svårt att generera xodr-filen, eller, det blir helt felaktigt. Efter vår test i Linköping så kommer vi överens med VTI om att i fortsättning använda konceptet med kantlinjer och Lanes i xodr-formatet. CAD till osg/ive VR-objekten från Förbifart Stockholm utnyttjades. De behövde inte anpassas (inga nya exporter från Max eller någon kodändring) men fick struktureras om för att passa VTI:s OSG- 6(13)

kod. Alla objekt samlades till ett enda övergripande objekt, en sk Paged Lod. Det är ett enkelt förfarande och kan göras via ett skript som sköter det automatiskt. För att undvika avrundningsfel i koordinaterna av linjen måste modellen (och alla linjer) flyttas till ett lokalt origo (projektionen i SWEREF innebär stora värden på koordinaterna). Flyttningen skall ske i samklang med VR-modellens flyttning. Resultat WSP har skapat ett Python-script som läser in och konverterar dxf-filerna för plan och profil till ett internt format som är mera anpassat för att skapa xodr-filen. Denna tvåstegslösning är nu implementerad och fungerar för en (1) väglinje. Koden finns i bilagan för OpenSIM.pykod. Xodr-filen fungerar helt korrekt i VISIR. XODR och IVE-filerna som skapats fungerar också helt korrekt i den stora körsimulatorn. Upplevelsen är mäktig i simulatorn bilens acceleration känns helt korrekt och vår bergtunnel med barriärelement och fläktar ser helt realistiskt ut. Det är mycket enkelt att uppdatera modellen med nya visuella objekt t ex för att studera upplevelsen med en annan gestaltning. Mike och Björn är nöjda! Rekommendation till Fas 2 Att kunna köra hela linjen att lösa problematiken med flera olika CAD-linjer och att välja en vägkantslinje med en tillhörande profillinje. Dessutom kan det bli väldigt användbart om man vill detaljera modellen så att man verkligen kan köra en hel simulering i Förbifart Stockholm. Att studera rampanslutningsproblemet och att identifiera olika metoder att lösa det på. 7(13)

Fas II Vi studerar hela sträckan från Kungens Kurva till Akalla-Häggvik. Det innebär i princip att fyra olika väg-modeller kommer att kopplas ihop: Tpl Kungens kurva (ovan mark), tunnelsektion under Kungs hatt, Lambarfjärden och fram till Hjulsta, ovanmark brosektion vid Hjulsta och Tpl Akalla-Häggvik ovanmark. I de olika trafikplatserna finns det många körfält med på- och avfarter. Vår modell begränsar simuleringen till körfält längs huvudlinjen. I tunnelsektionen finns det tre körfält, alla körfält kan användas. CAD-modellerna är skapade av tre olika vägprojektörer (från SWECO, WSP respektive Tyréns). CAD till xodr WSP:s val av Python-skript fungerade väl och utvecklingen fortsatte i denna miljön. Korrekt metod I enlighet med Fas I så rekommenderas det att vi skulle välja ut den bästa vägkantlinjen. CAD-operatören måste alltså ta fram en separat profillinje för vald kantlinje. Det är inte så vanligt att man tar ut en sådan i ett normalt vägprojekt. I en Nova Point-modell är det en enkel operation. Vi har inte haft möjlighet att få tillgång till dessa linjer i vår studie (på grund av att projekteringen är gjord av tre olika företag och att deras arbete numera är slutfört). Metoden är definitivt att föredra i ett generellt fall. Den fortsatta studien baseras alltså på en approximation av denna metod och syftar till att få en sammanbunden xodr-fil över alla delsträckorna. Alternativ metod I: Baserat på rutnätsmodeller I Förbifart Stockholm hade vi tidigare byggt VR-modellen baserat på 3D-ytorna i rutnätsformat. Från dessa rutnät kan vi extrahera vägkantlinjerna (enklast att göra från Maxmodellen). I princip skulle denna metod fungera väl om rutnätet var av lämplig storlek. I vår modell var längden på sidan ca 10m vilket innebär att vid 90 km/h kommer upplösningen av geometrin att vara för grov och bilen kommer att rycka ganska mycket. (Det skulle helt ödelägga upplevelesen i en körsimulator). I en tidigare utredning av VISSIM-simuleringar har vi konstaterat att vid ca 100 km/h får en linjär approximation av vägen ha en upplösning av max 1m. Samma sak gäller för detta fall. Tyvärr är vi då tillbaka till att använda en 3D-linje och inte separata plan och profillinjer. Denna metod har fullföljts och har körts i VISSIR, och vi konstaterar att det fungerar mellan de olika delsträckorna, men det blir en väldigt ryckig färd. Problemet är att upplösningen av geometrin är för grov. Det finns även en annan felkälla som man bör känna till: 3ds-Max använder bara enkel precision så att en import av en dxf-fil trunkerar datat kraftigt och man kan föra in stora fel om modellen är långsträckt som just i fallet med Förbifart Stockholm. I denna approximativa metod var vi tillbaka till metoden att använda en 3D-linje (som i början på Fas I). Programmet skrivs om än en gång nu mera generellt så att både 3D-linjer och alternativ med plan- och profillinje kan behandlas. Slutsatsen från användande av denna metod (med en leverans av rutnätsmodeller) är att vägprojektörerna måste göra en fin indelning längs linjen (ca 1 m). Alternativ metod II: Baserat på staklinjen För att uppfylla kravet på Fas II, som innebar att kunna köra hela sträckan Kungens kurva Akalla-Häggvikt, har vi skapat ytterligare ett alternativ (som visar på flexibiliteten av OpenSIM-koden). Vi utgår nu från den ursprungliga staklinjen den är uppdelad i tre olika CAD-filer i plan och profil. 8(13)

I projekt Förbifart Stockholm som befann sig i sk arbetsplansfasen har väglinjerna inte en detaljeringsgrad som innebär kontinuitet över delområdesgränserna. Vid framtagningen av vår VR-modell har linjerna fått justerats manuellt. Plan- och profillinjerna startar och slutar inte precis på samma sektion det innebär en manuell insats att justera detta (vissa försöka har gjorts att även programmera bort detta.) I en snar framtid kommer detaljeringsgraden i vägprojekteringen förhoppningsvis att öka i och med ökat användande av 3D och VR-modeller. För att kunna klara av variationen av avståndet mellan staklinjen och vägkantlinjen gör vi en manuell justering i koden som genererar xodr-filen. Arbetsinsatsen är väldigt lite men kräver kunskap i Python-språket och xodr-formatet. Denna metod kan användas om det är WSP som skall ta fram xodr-underlag. För att få en bredare använing måste koden och dataflytet bli tydligare, se kapitel om Fortsatt Utveckling. Xodr-filen bifogas. CAD till osg/ive Sedan Fas I slutförts har VR-modellen för Förbifart Stockholm uppdateras kraftigt. Området för Fas II har utökats med trafikplatser för Kungens kurva och Akalla-Häggvik med många ovanmark-objekt såsom broar, trafikmärken, lutfutbytesanläggningar, hus mm. Det innebär ett stort antal VR-objekt som har tillkommit i Fas II. WSP har utvecklat ett Python-skript för att sammanställa alla objekten under en enda Paged Lod som är ett krav för VTI:s visualiseringssystem. 9(13)

RESULTAT Den slutliga avrapporteringen och visning av modellen skedde för TRV på VTI. Där vi också hade en givande diskussion om framtida möjligheter. På den positiva sidan: WSP har tagit fram en metod som medför att man på mycket kort tid kan konvertera CADprojekterat material till ett underlag anpassat för VTI:s körsimulator. Arbetsinsatsen för WSP torde ligga på ett par dagar förutsatt att vägmodellen är representeras i ett dwg/dxf-format och att det föreligger en VR-modell i osg-format. Idag kan vi hantera kontinuerliga sträckor (utan divergerande ramper eller korsande vägar) bestående av flera olika delsträckor (i olika CAD-filer). Detta täcker de vanligaste behoven fär en vägstudie. Har man komplicerade vägsystem kan dessa alltid delas upp i flera olika modeller. Åkningarna kan mycket enkelt upprepas med varierande gestaltningsalternativ. Det går att få en mycket bra känsla för väglinjen väldigt tidigt i ett projekt. På den negativa sidan: Lite osäkert på hur generell metoden är för att hantera olika plan- och profillinjer beroende på olika CAD-tekniker hos vägprojektörer. Flera olika exempel borde tas ut från TRV:s Chaosdatabas för en bredare testning. Men, projekteringen går mot allt mer avancerad 3Dmodellering och i och med detta bör detta inte vara några problem, VTIs implementation av Open Drive är under utveckling, likaså hela Open Drive standarden. Dvs tolkningen av ett CAD-data över till ett xodr-format som passar i VTIs simulator, är alltså inte fullständigt dokumenterat och stabilt i dagsläget. Idag är det bara WSP (och eventuellt andra Python/OpenDrive-kunniga) som kan hantera OpenSIM-koden och konverteringen av CAD-underlaget. Detta borde generaliseras och dokumenteras för att ge möjligheter till en bredare användning. 10(13)

RIKTLINJER FÖR ATT SKAPA EN SIMULERING 1) Skapa VR-modellen i ett OSG-baserat system. Modellen skall vara centrerad runt ett lokalt origo (som ofta är annorlunda än projektionssystemet). Flyttkoordinaten skall användas genomgående för att flytta alla CAD-linjer och CAD-ytor. 2) Alla VR-objekt sammanfogas i en paged osg-fil (dvs en fil som refererar till alla ingående objekt). 3) Välj ut bästa vägkantslinje per delsträcka (som finns tillgänglig på delsträckan). 4) Erhåll plan- och profillinjer från vägprojektören. Plan och profillinjerna börjar och slutar ofta inte på gemensam längdkoordinat, detta måste justeras (eventuellt hanteras det av WSPs programvara). Dessutom måste de olika delsträckorna sluta och starta på samma längdkoordinat. De behöver dock inte vara kontinuerligt sammanbundna. 5) Flytta CAD-linjerna till lokalt origo. 6) Exportera de olika linjerna till ett DXF-format. 7) Anpassa koden i opensim.py för vilka dxf-filer som skall laddas in och antal lanes per delsträcka (ganska uppenbart för de som hanterar Python Script, men bör automatiseras). 8) Kör WSPs OpenSim-programmet som kommer att generera en xodr-fil för hela sträckan. 9) Leverera till VTI: Alla VR-objekt, en sammanställande Paged.osg-fil och en xodr-fil (den bör man testköra i VISIR på PC innan leverans). 11(13)

FORTSATT UTVECKLING Målet med en fortsatt utveckling av OpenSIM är att skapa ett tydligt dataflyt och ett enkelt handhavande av programvaran så att TRV och övriga aktörer kan nyttja det utan krav på ingående kunskaper om xodr och Python. Automatisera koden för att kunna hantera plan- och profiillinjer med olika start och slutsektioner. Automatisera koden för att hantera sammanslagning av flera delsträckor. Automatisera koden för att kunna hantera olika antal körfält ( Lanes ) per delsträcka. Skapa en handledning som gör det möjligt för TRV och andra konsulter att skapa underlag för VTI Skapa ett nytt testalternativ i Förbifart Stockholm, t ex någon ramp vid Lovön eller Vinsta. Vi bedömer storleksordningen på en sådan insats till ca 300 kkr exklusive kostnaderna för hyra hos VTI. 12(13)

BILAGOR 1. OpenSIM (källkod i Python format) 2. XODR-filen för sammankopplad väg i Fas II 3. OpenDRIVE 1.2 Format Specification 4. VR-objekten och paged.osg 13(13)