Интелигентни транспортни системи

[Mozo]

12. ИНТЕЛИГЕНТНИ ТРАНСПОРТНИ СИСТЕМИ

12.1. Що е интелигентна транспортна система
Стара китайска поговорка казва, че есенцията на живота е в дрехите, яденето, дома и мобилността. Мобилността е основата, на която се гради индустриалното общество. Непрекъснатото икономическо развитие изисква съразмерно увеличаване на общите транспортни възможности. Предизвикателството тук е да се осигурят допълнителни възможности без неблагоприятни ефекти. Мобилността, постигната с увеличаване на пътната мрежа и автомобилите е ограничена от допълнително финансиране, площи и природни ресурси. Такова увеличаване натоварва средата и не е добро решение на потребностите от мобилност. Доброто решение може да дойде от транспортната телематика, която се дефинира като приложение на телематиката (комбинация от телекомуникации и информатика) в транспорта.
Синоним на транспортна телематика е понятието интелигентни транспортни системи.
Интелигентните транспортни системи ITS (Intelligent Transportation Systems) са транспортни системи, които използват информационни и управляващи технологии за да подпомагат водачи, диспечери и др. оператори в действията им по осигуряване на бърз, ефективен, безопасен и екологичен автомобилен транспорт.
Една друга, по-популярна и по-ясна дефиниция на ITS може да звучи така: приложение на компютри, управляващи и комуникационни технологии в помощ на водачи и оператори да вземат интелигентни решения при управлението на интелигентни автомобили, които се движат в интелигентна пътна мрежа.
ITS, чрез комбинация от информация, комуникации и транспортни технологии, както в автомобила, така и в инфраструктурната мрежа може да:
- повишава мобилността едновременно с повишаването на безопасността и комфорта и да намалява претоварването в трафика;
- информира пътниците и автомобилистите;
- оптимизира трафичния поток при съществуващата транспортна инфраструктура;
- подобрява управлението на трафика и увеличава средната скорост на пътуване;
- повишава ефективността при транспортирането на товари;
- намалява негативното влияние върху околната среда;
- осигурява икономически прираст.
Трафичната ситуация в много от големите градове днес е незадоволителна. Ежедневно автомобилистите губят много време да търсят места за паркиране или търсят самите паркинги, тъй като не познават обстановката. Твърде често се образуват задръствания, тъй като стават аварии или се извършват ремонтни дейности. Всичко това е загуба на време, загуба на гориво и замърсяване. Ежедневните загуби от трафично претоварване само в Токио се оценяват на $50 милиона. Всяка година Германия губи 4,4 милиарда часа в задръствания. Средно статистически всеки немец губи три дни годишно в задръствания, а годишните загуби от катастрофи в Германия са около $50 милиарда. С внедряването на ITS се очаква намаляване на вредните емисии с около 25 %, а разходът на гориво в градски условия да спадне с около 30%.
Една от първите внедрени форми на ITS са адаптивните системи за управление на светофари, които използват информация за трафичния поток и осъществяват координирано управление на движението в даден район. За разлика от тях, динамичните системи за управление на маршрута, които съветват водача при определяне на оптималния маршрут за достигане до определена точка, и които отчитат освен текущите, но и предишните пътни и трафични условия, са в процес на начално внедряване. За тяхното масово навлизане, за което се очаква да има характер на транспортна техническа революция, ще са нужни още доста години.
Има изобилие от съществуващи технологии, които могат да се използват в ITS. И тъй като възможностите на "високите технологии" продължават да растат, едновременно с намаляването на цената им, то така се развиват възможностите и цените на ITS. Освен това тези технологии се градят една върху друга – наблюдава се синергизъм (ефект на съгласуваност между частите на системата). Така например информацията от системата за електронно заплащане по платените магистрали може да се използва и за натрупване на трафична информация. При това не е необходимо службата, която се занимава със следенето на трафика да овладее всички високи технологии за да започне да използва ITS за решаване на своите проблеми.

12.2. Трафик и наблюдение на пътя
12.2.1. Трафични датчици
Необходима предпоставка за много от потребителските услуги е точната информация за трафика и за пътните условия. В продължение на много години наблюдението на трафика е правено с индуктивни контурни датчици, които откриват автомобила като метална маса, която изменя индуктивността на детекторен контур, разположен в пътната настилка (фиг.12.1). В най-простото приложение – с един контур – може да се броят автомобилите. Но индуктивният кръг може и по-вече. По характера на сигнала може да се съди за дължината и обема на автомобила. Два последователни контура, на фиксирано разстояние, създават условия за измерване на скорост. По намаляването на скоростта може да се съди за претоварен трафик. Тъй като подобна информация се формира и от съседни датчици, то има критерий за вярност. Датчиците се свързват към компютъра в трафичния център.
Индуктивните детектори са евтини и универсални, но трудно се поддържат, особено при лоши атмосферни условия. Те трудно класифицират автомобилите. Стоманобетонът в настилката също им пречи. Всичко това може да се преодолее с по-скъпите ултразвукови, микровълнови или инфрачервени сензори, монтирани на подходящи конструкции над пътя. Тези детектори могат да измерват точните габаритни размери на преминаващия автомобил (включително височината) и по такъв начин осигуряват по-надеждна информация за тяхната квалификация.
Към 2000г в Германия, върху 8500 km от общо 12000 km аутобани, са инсталирани 5000 инфрачервени сензора със самостоятелно захранване от слънчеви батерии. Сензорите следват през 3,5 km и непрекъснато наблюдават трафичната плътност. Същите доставят детайлна разбивка на трафика – броя на автомобилите по типове (леки коли или камиони).

12.2.2 Видеосистеми
Разгледаните до тук детектори съдействат за определянето на фактическия трафик, но не са в състояние да покажат причините за претоварването му. Те (причините) се търсят чрез живия образ на включените в системата видеокамери. (CCTV – Closed Circuit Television) и монитори в центъра за управление на трафика. Видеокамерите не са алтернатива на датчиците, а тяхно допълнение.
Видеокамерите са сравнително по скъпо средство за наблюдение на пътя, ето защо се поставят на характерни и критични места, в криви, на мостове. Монтират се на съответната височина, тъй че да обхващат широк район. Камерите се управляват дистанционно от трафичния център на различни степени по отношение на панорамата, наклона, мащаба. Може да се фокусират върху конкретен детайл. За нормален пътен контрол, камерите се разполагат приблизително през 2 km. Цветните камери са за предпочитане денем, а черно-белите нощем. Ето защо в една видео точка е добре да има две камери (цветна и черно-бяла), като превключването им се осъществява автоматично от светлочувствителен ключ.
Образите от видеокамерите се обработват с компютър (машинно зрение) и това е най-новата и най-перспективна технология за следене на трафика. При обработката се извлича информация за присъствие на возило, за скоростта му, за заетостта на пътното платно и неговите ленти, скоростта в отделните платна и ленти и т.н.
На основата на машинното зрение са разработени видеодетектори, които разпознават регистрационните номера на автомобилите. С тяхна помощ могат да се правят много и интересни трафични наблюдения, като:
- засичане и идентифициране на автомобили с превишена скорост;
- измерване на времепътуванията между две фиксирани точки;
- проследяване на автомобили.
Настоящите системи за машинно виждане искат големи инвестиции, но тенденциите за непрекъснато поевтиняване на електрониката са трайни – появяват се по-евтини камери и се счита, че наблюдението с камери и машинното виждане започват да стават по-евтини от другите средства за това – особено при големи многолентови магистрали и сложни пътни възли.

12.2.3 Други източници на трафична информация
Нуждата от първична информация за трафика не може да бъде удовлетворена напълно само с датчици и видеосистеми. Винаги има нужда и от друга допълнителна информация. Тя може да се набави от органите по поддържането, полицията и синоптичните служби. Тази допълнителна информация може да произхожда и от служители, наблюдаващи движението от вертолет или автопатрулна кола, както и от служители пешеходци, които докладват по телефона (стационарен или мобилен). Става дума за информация относно състоянието на пътя, времето (като метеорология), произшествия. Тази информация е полезна и за зоните, които не са покрити от други трафични наблюдаващи устройства.
Автомобилите, оборудвани да получават ITS услугите, също могат да са източници на трафична и пътна информация. Това става автоматично чрез мобилната им комуникация с трафичния управляващ център. Предпочитания канал е SMS на GSM. Тези автомобили се наричат "проби" или "плуващи автомобили" (фиг.12.1). Трафичните анализи и проведената симулация са доказали, че статистически надеждни параметри могат да се получават за целите на трафичното управление, ако поне 10% от автомобилите в дадения пътен сегмент могат да послужат като "проби" (т.е. поне 10% от колите са съоръжени и ползват ITS услугите).
Допълнителна информация за заледени участъци може да се получава автоматично от измервания на температурата и влажността на въздуха или пък като се измерва пътя на хлъзгане на пробните автомобили.
Изпреварваща информация, като например за затворени пътища, обособени спортни състезания (например по колоездене) и др. може да бъде получена директно от съответните служби.

12.2.4 "Свиване" и визуализация
Трафичната информация се получава в трафичния управляващ център по много пътища. Там всички данни се обработват, проверява се тяхната точност, съгласуват се противоречащите си информации и се обединяват в последователни комплекти от данни за трафика преди да бъдат разпространени и/или използвани за управлението на трафика. Този процес е известен като "свиване" на данните за трафика.
В трафичния информационен център трафичната информация се представя на оператора върху широко дисплейно табло и се допълва от многочислени монитори на TV системата, които могат да се превключват към коя да е камера от областта (фиг.12.2). Върху таблото, с цветен код може да се изобразят задръствания и инциденти.

12.2.5 Трафични комуникации
Трафичните параметри, получавани от сензорите могат да се предават по проводни линии или чрез сравнително теснолентови мобилни комуникационни системи – например пакетно радио (с комутация на пакети). Обратно, видеообразите изискват широка честотна лента от канала за връзка (напр. оптично влакно) за предаване в реално време (живо видео). Ето защо се практикува, видеообразите от TV камерите да се конвертират локално в трафични параметри и чак тогава да се пренесат в трафичния център за "свиване" на данните. Това локално конвертиране дава възможност трафичните параметри да се използват и за локално управление – например на табла с променливо съдържание (за допустимата или препоръчваната скорост). Все пак за да се обезпечи визуалния образ на оператора в трафичния център с необходимото качество, разделителна способност и скорост за смяна на кадрите, дори и при компресиране на данните, е необходима честотна лента 6-9 MHz за всеки видеоканал. Обратно, предаването на данни в обратното направление, от трафичния център към камерите за PTZ (Pan – панорама, Tilt – наклон, Zoom - лупа) управление, изисква много тясна лента и не създава никакви проблеми. Операторът в центъра за управление на трафика поддържа също така гласова връзка с патрулите и другите центрове. Това е важно за бързото излизане от непредвидени ситуации.

12.2.6. Разпространение на трафичната информация
Трафичната и другата актуална информация (пътни и метеорологични условия, достъпност на паркинги и т.н.) се разпространява от съответните служби с цел подобряване на транспортната ефективност и безопасност, както и опазване на околната среда. Разпространение може да се прави и от предлагащите услуги в частния сектор, които печелят от реклами и/или заплащане от крайния потребител. В такива случаи разпространението на трафична информация се обединява с други информационни услуги.
За разпространяване на трафична и друга актуална информация се използват фиксирани и мобилни терминали.
Фиксирани терминали са нормалните телефони, радио, телевизия, компютри, факсимилни апарати, информационни бюра и знаци с променливо съдържание.
Най-универсалните пътища за получаване на трафична информация от широката публика минават през радиото и телевизията. Тези средства могат да се използван с успех, както когато заинтересованият е в дома си, така и когато е на път. В САЩ има комерсиални радио и телевизионни канали, които предават трафична информация, предоставена им от центъра за управление на трафика и/или доставчици на информация, които я събират със собствени вертолети и патрулни автомобили, а печелят от реклами. Модерните трафични управляващи центрове осигуряват специални кабини за персонала на тези радио и телевизионни канали. Този персонал вижда дисплея на оператора в трафичния център и води предаването "на живо". Трафична информация обикновено се предава (по радиото или телевизията) в определени интервали от денонощието. През останалото време се предават прогнози за времето, реклами и други подходящи материали. В телевизионните варианти тази информация може да върви и на телетекст върху телевизионния сигнал.
Трафичната информация като правило е безплатна за телезрителите и радиослушателите, но понеже покрива голям район, потребителят трябва да чака (и слуша) дълго време, за да научи информацията за интересуващия го път. За избягване на това, вече се предлага нова трафична информационна услуга (понякога срещу заплащане) – интерактивна комуникация.
Трафични карти на градове по целия свят (с цветово кодиране на задръствания и инциденти) вече са достъпни чрез компютърен достъп до Internet, като потребителят сам "фокусира" желания сегмент за по-детайлна информация.
Други средства за разпространяване и използване на трафичната и пътната информация са пътните знаци с променливо съдържание CMS (Changeable Message Sings) , известни още като VMS (Variable Message Sings). Тези знаци са част от инфраструктурата на магистралата и са предназначени за пътуващите. Те представляват пътни знаци със съдържание, което може да бъде променяно локално - например чрез информация от трафичните и пътни сензори наоколо да се даде предупреждение за опасни условия напред, да се подава информация за свободни места в паркинги и т.н. В други случаи управлението на пътните знаци с променливо съдържание се осъществява от трафичния управляващ център. Съобщенията се изписват по мозаечен принцип – с механични плочки или светодиоди.
Мобилните терминали са приемници на специални тематично-насочени радиоканали, клетъчни телефони, лаптопи, пейджери и други цифрови устройства. Най-масовите мобилни терминали за получаване на трафична и друга актуална информация са тези в автомобилите. Достатъчно дълго водачите са се осланяли на автомобилния приемник (АМ или FM) за да чуят (например в предаването "Хора, пътища, автомобили" на програма Хоризонт) някаква трафична или свързана с нея информация. Стандартното автомобилно радио приема радиопрограми, които покриват голяма територия и получаваната информация касае минимално избрания от водача маршрут. За да се обезпечи трафична информация в актуалното време и в актуалното място, се инсталира т.н. HAR (Highway Advisory Radio – пътно консултативно радио). Типичното HAR радио има предавател с мощност до 10 W и покритие 2-3 km. HAR радиото предава съобщения, свързаните с безопасността и друга важна информация. За да може водачът да бъде предупреден своевременно и в случаите, когото не е включил радиото или слуша музика по друг канал, е необходимо приемникът в автомобила да е по-различен от стандартния и да се включва автоматично и/или да се настройва автоматично на HAR програмата щом колата попадне в зона на действие на предавател излъчващ важно съобщение. Тези радиоприемници са известни като AHAR (Automatic HAR). Ето един пример. В зоната на летището има предавател на HAR радио. На 2-3 km от летището AHAR радиоприемниците във всички приближаващи към летището автомобили автоматично се включват на HAR канала и информират водачите какви свободни места има в паркингите.
За да се осигури по-често и за по-дълго време получаване на трафична информация се използва вторично уплътняване на FM или АМ канала със относително нискоскоростен субканал ( 1000 bit/s). Това е аналогично на уплътняването на телевизионния сигнал с телетекст. Кодовите съобщения, предавани чрез тази радио-информационна система с канал за трафични съобщения RDS/TMC (Radio data system traffic message chanel) се декодират, конвертират се на езика, разбираем от водача и се визуализират върху дисплея на радиоприемника.
Тенденцията към масова цифровизация на комуникациите не подминава и връзките на автомобила с външния свят, в т.ч. и тези по които постъпва трафична и друга подобна информация. Възприемането и използването на тази информация налага в автомобила да има и подходящ мобилен цифров терминал MDT (Mobile Digital Terminal). MDT, освен че обслужва дуплексно комуникацията, позволява запомняне на данните, поддържа асинхронна връзка, изобразява графично информацията и е удобен за връзка с други компютърни устройства, факс апарат, персонални комуникационни системи (PCS).

12.3 Цифрови карти в ITS
Най-общите системи за автоматично локализиране на возилата чрез тяхната абсолютна позиция, са вече изучените системи за глобално позициониране ГЛОНАСС и GPS и тези за мобилно позициониране. Доколкото глобалните позициониращи системи изискват директна видимост на 4 спътника, общата задача за позиционирането налага да има и допълнителни системи. Те са нужни за случаите, когато автомобилът е в тунел, под мост, под големи дървета, на градска улица с високи сгради и др. Една такава допълнителна система, беше dead reckoning (определяне на месторазположението без астрономически наблюдения) е изградена на базата на относителния инерционен принцип. На автомобила трябваше да се монтира жироскоп (или електронен компас), с помощта на който, и в съчетание със системата за отчитане на изминатия път, да се определя позицията на автомобила по отношение на позната отправна точка. Dead reckoning не може да функционира самостоятелно, тъй като бързо ще натрупа грешка. Следователно текущата позиция трябва от време на време да се коригира, при това автоматично. Корекцията може да става и с маяци, разположени в определени точки, а така също и от глобалните позициониращи системи (GPS и/или ГЛОНАСС).
Друг подход за коригиране на натрупаната грешка при dead reckoning е поддържането на карта (map matching), което стъпва върху факта, че позицията на автомобила е винаги в пътната мрежа. Значи в автомобила трябваше да има цифрова карта и да се изпълнява подходящ евристичен алгоритъм за намиране на мястото на автомобила върху картата.
За целите на навигацията, позицията на автомобила, определена с GPS и другите допълнителни средства, се изобразява като икона върху цифровата карта. За автоматичното водене по маршрут, цифровата карта трябва да включва такива атрибути на пътния сегмент като разстояние, време за пропътуване съгласно ограниченията на скоростта в района и коя част от денонощието е, правилата за движение, плащането на такси и т.н.
В транспортната цифровите карти, освен за позициониране, са необходими и за други цели. Такива са маршрутното планиране, воденето по маршрут, предупреждения за опасност, проследяване на автомобили, събиране на трафична информация и др. телематични услуги. Предвижда се цифровите карти да имат все по съществена роля в бъдещите интелигентни автомобили: за дистанционно диагностициране на автомобила; за активно управление на двигатели, предавателни и запалителни системи; за автоматично шофиране.
В зависимост от интересите си водачът може да си набави цифровата карта с различни компакт-дискове. На пазара се предлагат навигационни дискове и специални издания.
Навигационният диск e разработен с цел шофьорът да бъде воден по маршрута стъпка по стъпка. Включени са само малък брой допълнителни информации – автосервизи, гари, паркинги. С помощта на този диск системата ще доведе автомобила до крайната цел.
Специалните издания, освен навигационната информация, съдържат разширена туристическа информация – хотели, ресторанти, забележителности. Тези дискове са спонсорирани от рекламодатели и трансформират навигационната система в пътеводител. За всеки от обектите има цени, забележителности, специалитети, класове. Съществува възможност водачът да поиска маршрут към точка с желани параметри – например най-близкия пет-звезден хотел.
За създаване и разпространяване на цифрови карти се използва международния стандарт GDF (Geographical Data File), при който реалните обекти се моделират с различни логически нива при обектно ориентиран подход. Информацията се представя в ASCII формат. До настоящия момент няма специализиран стандарт за цифрови карти за автомобилна навигация.

12.4 Системи за водене по маршрут
12.4.1 Кратък обзор на системите за водене по маршрут
За начало в развитието на ITS се счита създаването на Електронната маршрутно-водеща система ERGS (Electronic Route Guidance System) в САЩ през 1960г. Нейната основна задача е да предлага на водача най-добрия маршрут и най-подходящото време за тръгване, като изхожда от метеорологичните условия и информация за сериозни произшествия по пътя, закъсали коли, ремонтни работи по пътя. Системата не отчита дали водачите познават предложения и алтернативните му маршрути. Операционният модел е статичен и не реагира на текущите промени в интензивността на движението и на задръстванията.
Тези проблеми частично са решени в Европа и Япония, като съществената стъпка е локализирането на автомобила в географското пространство и показването му върху вграден в арматурното табло монитор, върху картата на близката улична мрежа.
Тук следва да бъдат коментирани няколко системи, първата от които, известна като Autoguide, е пусната в Лондон през 1989г. При нея координатите на автомобилите се определят чрез разпознаването им от крайпътни маяци, които освен това изпращат към преминаващите возила данни, необходими за определяне на най-добрия маршрут, както и зареждат в тях актуализирана за този район (около маяка) пътна карта. Централният компютър трупа информация за времепътуванията на всяка кола от един маяк до друг, като по този начин формира достатъчно пълна информация за интензивността на трафичните потоци, за тяхната скорост. Тази информация се актуализира непрекъснато и се систематизира по времето от денонощието и по дните от седмицата. Когато автомобилът премине покрай маяка получава актуалните минимални времепътувания до следващите маяци. На тази база и като се отчетат аварийните събития се определя най-добрия маршрут. Това прави бордовия компютър със стандартен алгоритъм за намиране на най-кратък път. Маршрутите се актуализират на всеки 5min. Средното разстояние между маяците е около 2km (от 0,5km в центъра на града до 5km в периферията).
Подобна система, наречена LISB e пусната през 1988г в Западен Берлин. Еквивалентността на двете системи стига до там, че автомобил, оборудван с Autoguide, при движението си в града може да получава услугата "маршрутно водене".
Следващата крачка напред е направена от Phillips със системата Carin. Тя комбинира бордовите възможности на LISB с цифрова карта върху компакт диск. Нестандартната (променящата се) трафична информация се получава по радиото, като е използван нискоскоростен субканал на комерсиални FM радиопредаватели (RDS/TMS канал). Тази възможност впоследствие е възприета от Blaupunkt за някой райони от Европа. Системата включва алгоритъм за определяне на маршрута и осигурява информация за водача.
Първата японска ITS система от този вид е пусната в Токио през 1979г и носи названието Пълнофункционална система за управление на автомобили CACS (Comprehensive Automobile Traffic Control System). Тя принадлежи към същия клас, както ERGS и Autoguide. Внедряването й е довело до съществено съкращаване на времепътуванията на оборудваните автомобили.
Вторият японски проект е реализиран през 1988г за японската полиция. Това е системата AMTICS (Advanced Mobile Traffic Information and Communication System). Това е обединение между трафична информационна и навигационна система. Характерното за нея е, че не избира маршрут, като оставя тази задача за водача (да припомним, че става дума за полицейска система), но го подпомага с богата информация. Това става по радиото. Автомобилът получава информация за текущата си позиция, която се изобразява върху дисплея. Цифровата карта е върху компакт диск. Освен това в автомобила постъпват данни за задръствания, ограничения, ремонтни работи и паркингова информация. AMTICS не предлага и специфична маршрутна информация на водача. Нещо по-вече – разширява полето на избора му с цялата възможна фактическа информация, като му позволява да обръща кръстовищни светофари (preemption).

Целият материал: