Перспективы использования кооперативных транспортных систем в задачах светофорного регулирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Перспективы использования кооперативных транспортных систем в задачах светофорного регулирования

магистрант М.Д. Бачманов

канд. техн. наук, доц. А.И. Воробьев

Аннотация

В статье приведен анализ применения систем кооперативного управления транспортным потоком в современных транспортных условиях, разобраны перспективы разработок и тенденции развития кооперативных систем в задачах светофорного управления транспортными потоками.

Ключевые слова: кооперативные системы, светофорное регулирование, V2V, V2I, DSRC.

На сегодняшний день проблема транспортных заторов стала одной из самых актуальных мировых проблем. Если еще в конце 20 века проблема транспортных коллизий была присуща только крупным городам и столицам, то сегодня, из-за стремительной растущей автомобилизации, проблема заторов стала актуальна для всех городов. Одной из базовых причин возникновения заторов является неэффективное использование светофорного регулирования. Даже правильно отрегулированный светофорный объект является причиной дестабилизации скорости транспортного потока, приводит к нестабильным процессам ускорения-замедления, что негативно сказывается на безопасности дорожного движения и экологической ситуации на дорогах. Решением данной проблемы может стать применение кооперативных систем управления транспортным потоком в задачах адаптивного управления.

Кооперативные системы управления транспортным потоком. Понятие кооперативных систем вошло в современный обиход относительно недавно, однако вне транспортной науки это определение используется уже давно. Кооперация - от латинского Сooperatio - форма организации труда и производственных процессов, в котором n-ое количество участников одновременно задействовано в одном процессе. Данное определение так же применимо и к современным кооперативным системам управления транспортными потоками. Под кооперацией подразумевается совместная работа элементов дорожной сети, то есть постоянная взаимосвязь между автомобилем, человеком (водителем или пешеходом) и дорожной инфраструктурой [1]. Кооперативные системы подразделяются по видам взаимодействующих объектов. Сегодня это: Vehicle-to-vehicle (V2V), Vehicle-to-infrastructure (V2I), Vehicle-to-Pedestrian (V2P), Vehicle-to-device (V2D), Vehicle-to-everything (V2X). V2V - кооперативное взаимодействие по типу «автомобиль-автомобиль», V2I - взаимодействие по типу «автомобиль-инфраструктура».

Сегодня кооперативные системы уже не являются новшеством, активно их разработкой занимаются крупнейшие мировые автомобильные концерны и корпорации, такие как «General Motors», «Honda» «Tesla», «Kapsh», «Siemens» и другие. Однако развитие технологии еще не позволяет говорить о ее широкомасштабном применение и выводе на потребительский рынок. Усугубляет развитие конкуренция между компаниями-производителями и, как следствие, отсутствие единых стандартов и норм по разработке, интеграции и применению кооперативных систем на автомобильных дорогах. В рамках взаимодействия транспортного средства со светофорным объектом применяются системы V2I и V2V.

В научно-исследовательских работках можно встретить различные описания архитектуры V2I-систем, однако в большинстве случаев они состоят из одних и тех же ключевых компонентов. Департамент транспорта США в рамках развития политики интеллектуальных транспортных систем (ИТС) определил архитектуру V2I системы, как совокупность элементов:

- бортовой телематический модуль (БТМ);

- дорожный телематическиий модуль (ДТМ);

- безопасного канала связи.

Это необходимый минимум, из которого должны состоять V2I система [2]. Между оборудованием, установленным на ТС и интегрированным в элементы транспортной инфраструктуры (в том числе и светофорными объектами), по средствам передачи данных по каналам связи в реальном времени, происходит непрерывный бесконтактный обмен информацией (Рисунок 1).

Рисунок 1. Взаимодействие объектов кооперативного управления

Бортовой модуль транспортного средства должен состоять из GPS-системы, роутера (внутренне взаимодействие), человеко-машинного интерфейса, вычислительного блока (планшет или бортовой компьютер) и приемопередатчика (наружное взаимодействие) [3] (Рисунок 2).

Рисунок 2. Устройства для технологической реализации V2I системы

Дорожный телематический модуль должен устанавливаться на транспортных развязках, перекрестках, местах проведения работ, АЗС и других местах, обеспечивающих эффективность его действия и передачу данных на БМ в радиусе действия. ДТМ состоит из GPS или ГЛОНАСС, приемопередатчика, процессора и интерфейса V2I-сети. Через человеко-машинный интерфейс ДТМ производит передачу и прием данных от БТМ транспортных средств. ДТМ также должен иметь возможность производить выборку сообщений в соответствии с их приоритетом. Приоритет может выдаваться в зависимости от типа сообщения и от времени его поступлении. Сообщения связанные с организацией и безопасностью движения имеют самый высокий приоритет. Новостные сообщения имеют более низкий приоритет. кооперативный управление транспортный поток

DCRS связь, как безопасный канал связи для передачи данных. Для того, чтобы донести полученную от объектов транспортной инфраструктуры информацию до водителя необходим защищенный канал связи, напрямую передающий сигнал транспортному средству. Существует несколько стандартных технологий, способных обеспечить непосредственную передачу данных от объекта транспортной инфраструктуры транспортному средству, однако наиболее эффективной и приспособленной для поставленных задач является технология радиосвязи Dedicated short-range communications (DSRC) - выделенная связь ближнего действия.

DSRC - радиосвязь была специально разработана для передачи информации между транспортными средствами на основании стандартов IEEE 802.11р и IEEE 1609. Несмотря на отсутствие стандартов верхнего уровня, DSRC на сегодня является наиболее приспособленной для применения технологией. Конкуренцию ей могут составить только 5G (сотовая связь) и Wi-Fi.

Таблица 1. Сравнение DSRC, 5G и Wi-Fi

Как видно из таблицы 1, Wi-Fi технологически уступает DSRC. 5G по заявленным характеристикам опережает DSRC, однако данная технология еще не введена в пользовательскую эксплуатацию, в связи с чем нельзя подтвердить заявленные характеристики. Другие стандарты сотовой связи рассматривать нецелесообразно, поскольку их технические параметры значительно уступают перечисленным средствам беспроводной передачи данных.

Отличительной особенностью DSRC является то, что это выделенная связь для использования в рамках транспортной сети, в то время как Wi-Fi 5G и другие сотовые связи применяются как пользовательские сети, из чего возникает риск попыток взлома, перегрузок, разрывов связи и сопутствующего роста ошибок. Только выделенная сеть может обеспечить стабильную работу системы и только в рамках выделенной сети возможно развитие кооперативных систем, как будущей замены детекторов транспорта [4].

Пример применения технологии V2I в задачах косвенного управления транспортными потоками (КУТП) при помощи передачи информации по DSRC каналам приведен на Рисунке 3.

Рисунок 3. Реализация V2I системы на дорожной сети

На участке, находящемся в зоне охвата ДТМ, проводятся дорожные работы, в ходе выполнения которых перекрывается одна полоса движения. В результате сужения образовался транспортный затор. По средствам VI2-связи ДТМ получает информацию по DCRS каналу от других транспортных средств о наличии затора и его протяженности (начало затора и конец затора). Полученную информацию ДТМ по средствам DSRC направляет на БТМ транспортных средств, которые въехали в зону охвата и находятся в пределах зоны детектирования. Таким образом, водитель транспортного средства получает информацию о том, что впереди проводятся дорожные работы, перекрыта одна полоса движения и образовался транспортный затор. В результате водитель сразу может выбрать оптимальную для него траекторию движения или, если есть такая возможность, изменить маршрут своего движения. Информация на БМ от ДТМ отображается по принципу: «Что случилось? - Где? - Что делать?»

DCRS как замена детекторов транспортного потока в задачах светофорными регулирования. Сегодня мониторинг и сбор информации о транспортном потоке производиться детекторами транспорта. Это дорогостоящее оборудование, имеющие множество ограничений в эксплуатации. Для реализации адаптивного управления на х-образном перекрестке необходимо по 3 перекрестка на подъезде к пересечению с каждого направления, и один детектор после перекрестка. [5] Итого минимум 18 детекторов на одно регулируемое пересечение. Детекторы требуют постоянного технического надзора и контроля эксплуатации, т.к. выход их стоя одного детектора может нарушить работу всех остальных, что приведет к негативным последствиям.[6] Погодно-климатические условия также могут оказать влияние на работу детектора транспорта. DSRC может стать той заменой детекторам транспорта, которую требует эволюция технологий 21 века.

Согласно проведенным анализам введению адаптивного управления должен соответствовать уровень плотности сетевых детекторов 3.0.[7] Это высший уровень плотности детекторов на сегодняшний день. Однако есть и потенциально более высокий уровень.

Гипотетический уровень плотности 4.0 реализуется при массовом распространении коммуникаций, основанных на межбортовом взаимодействии транспортных средств, систем глобального позиционирования высокой точности и массовом внедрение бортовых телематических модулей [8] .

Возможность непрерывной передачи информации между транспортными средствами и объектами транспортной инфраструктуры обеспечит стабильность передачи данных на большой скорости, при этом информация будет видоизменяться по всем направлениям движения в реальном времени независимо от участка УДС (в то время как ДТ может проводить мониторинг только в месте своей дислокации). «Toyota», «General Motors» и «AUDI» произвели испытания по тестированию технологии DSRC в задачах кооперативного управления на закрытых тестовых полигонах. Среди различных видов испытаний также был проведен тест на взаимодействие со светофорными объектами. В ходе эксперимента водитель на подъезде к светофорному объекту получал на БМ информацию о длительности и смене сигналов светофорного объекта. По GPS определялось расстояние между светофорным объектом и автомобилем, а так же скорость движения транспортного средства. Зная расстояние до объекта, скорость движения и время цикла в настоящий момент, V2I информировал водителя о рекомендуемой скорости движения для проезда на разрешающий сигнал светофора. Рекомендуемая скорость задавалась в промежутке между 20 км/ч (min) и 60 км/ч (max). Если в результате расчетов устанавливалось, что рекомендуемая скорость для проезда выходит за установленные рамки, то система информировала водителя о невозможности проезда в данной фазе, предлагая ему снизить скорость и с постепенным замедлением приблизиться к перекрестку. Как показал эксперимент, за счет стабилизации скорости транспортного потока интенсивность движения увеличивается в среднем на 15%, а количество вредных выбросов уменьшается на 25%.

В рамках другого эксперимента, проводимого австрийскими инженерами в области разработки кооперативных систем, была протестирована массовая интеграция транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры. В эксперименте одновременно участвовало более 12 машин и несколько объектов транспортной инфраструктуры, среди которых был светофорный объект с функцией адаптивного управления. Автомобили выстраивались в очереди на пересечениях перед светофорным объектом в различном количестве по разным направлениям. По DSRC дорожный контроллер получал информацию от каждого ТС, находящегося в очереди, на основании чего производил расчет о длине очереди и количестве ТС в ней. Далее происходил расчет необходимого времени цикла и фаз для проезда ТС по всем направлениям. Эксперимент проводился несколько раз, и в каждом новом испытании автомобили меняли свою расстановку, приводя к перерасчету параметров дорожным контроллером. Все эксперименты были завершены с положительным результатом, информация от ДТМ по DSRC каналам беспрепятственно поступала к БМ, в результате чего дорожный контроллер производил исключительно четкий расчет и время горения разрешающего сигнала ограничивалось только временем проезда пересечению очередью. В перспективе данная технология поможет стабилизировать транспортную ситуацию на пересечениях в одном уровне и уменьшить количество транспортных заторов, вызванных светофорными объектами, до минимума.

Заключение

Исходя из проведенного анализа применения кооперативных систем в задачах адаптивного светофорного регулирования можно с уверенностью говорить о постепенно эволюции данной технологии и скором выходе её на пользовательский рынок. Однако эффективное применение кооперативных систем управления транспортным потоком возможно только при условии внедрения более чем на 20%, поскольку ТС, пешеход или объект транспортной инфраструктуры вне системы будет «невидимым» для пользователей дорожной сети с кооперативными системами. Это приведет не только к высокому риску аварийности, но и к полной деструктивности всей глобальной системы кооперативного взаимодействия. Поэтому в реалиях сегодняшнего дня полноценное применение V2V, V2P и V2I технологий возможно только в рамках выделенной территории без вмешательства посторонних пользователей. Одной из таких территорий является полигон МАДИ, где на данный момент проводятся эксперименты по развитию кооперативных технологий и их применению в рамках эксплуатации автономного автомобиля.

Литература

1. Воробьев А.И., Субботин Б.С., Власенко Г.В. Анализ технологий косвенного управления транспортными потоками на примере зарубежного опыта // Вестник МАДИ. 2013. № 4. С. 83-89.

2. Воробьев А.И., Власенко Г.В. Процесс информационного обмена в рамках комплексной автоматизированной системы управления дорожным движением // Автотранспортное предприятие. 2013. № 8. С. 27-29.

3. Воробьев А.И., Пахомов С.Ю., Изонов С.В. Концепция бортового телематического модуля // В мире научных открытий. 2012. № 12 (36). С. 144-148.

4. Мактас Б.Я., Тур А.А., Воробьева Т.В. Стандартизация коммуникативных технологий на автомобильном транспорте Автотранспортное предприятие. 2013. № 5. С. 13-17.

5. Бачманов М.Д. Гаврилюк М.В., Лоцирование детекторов транспортного потока в задачах адаптивного управления светофорными объектами // Автоматизация и управление в технических системах. 2015. № 3. С. 117-124

6. Бачманов М.Д. Опыт применения современных детекторов транспорта в задачах управления транспортным потоком// Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. 2014. № 2 (2). С. 41.

7. Воробьев А.И. Современные методы светофорного регулированият // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. 2014, № 2(2), С. 3-6.

8. Власов В.М., Жанказиев С.В., Мактас Б.Я., Тур А.А. DSRC-радиосвязь ближнего действия в интеллектуальной транспортной среде // Вестник ГЛОНАСС. 2013 №4 (15) С. 3

9.Воробьев А.И., Гаврилюк М.В., Морданов И.С. Проведение экспериментов по адаптации средств организации дорожного движения на исследовательском комплексе по интеллектуальным транспортным системам // Вестник МАДИ. - 2014. - №2 (21). - С. 101.

10.Плетнев М.Г., Воробьев А.И. Обоснование оптимальных мест установки динамических информационных табло // Автоматизация и управление в технических системах. - 2015. - №3 (15). - С. 165-172.

11. Воробьев А.И., Гаврилюк М.В. Методика определения мест установки системы фото- и видеофиксации и дополнительных элементов инфраструктуры // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). - 2013. - № 2. - С. 82-87.

Размещено на Allbest.ru