Анализ и исследование методов проектирования автоматизированных систем безопасности на автодорогах с использованием новых широкополосных беспроводных средств и RFID технологий Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Анализ и исследование методов проектирования автоматизированных систем безопасности на автодорогах с использованием новых широкополосных беспроводных средств и RFID-технологий

Ключевые слова: RFID-технология, широкополосная беспроводная связь, математическая модель.

Описывается новый подход к построению автоматизированных систем контроля нарушений правил дорожного движения (ПДД), обеспечивающих существенное повышение вероятности обнаружения нарушителей ПДД. Предложена методология построения широкополосной беспроводной сети и математическая модель для оценки ее про-изводительности.

Вишневский В.М.,

дт.н., проф. Генеральный директор Научно-производственной фирмы "Информационные и сетевые технологии"

Ларионов АА,

научный сотрудник Научно-производственной фирмы "Информационные и сетевые технологии"

Целикин Ю.В.,

ведущий инженер Научно-производственной фирмы "Информационные и сетевые технологии"

Введение

Во многих странах мира, в том числе и в России, одним из наиболее действенных путей решения проблемы аварийности на автодорогах является создание систем автоматической фиксации нарушений правил дорожного движения (ПДД). В мировой практике для автоматизированного контроля правонарушений на автодорогах широко используется аппаратура видеофиксации, включающая радарное устройство для измерения скорости движения гранспортного средства (ТС) и оптическую фотокамеру для фиксации номерного знака (идентификации) ТС.

Однако указанная аппаратура имеет ряд существенных недостатков, которые затрудняют, а порой делают невозможной идентификацию автомобиля - нарушителя ПДД. К основным из них относятся:

- отсутствие возможности распознавания сильно загрязненных государственных регистрационных знаков (ГРЗ) в плохих погодных условиях (туман, дождь, снег) или намеренно загрязненных номерных знаков;

- отсутствие оперативной передачи информации в центр управления и контроля, что лишает возможности реагирования на правонарушения в реальном масштабе времени.

Из-за указанных недостатков вероятность обнаружения автомобиля, нарушившего скоростной режим, составляет менее 40%. В настоящей работе приводится описание разработки автоматизированной системы контроля безопасности на автодорогах с использованием

КР1 П-технологии и широкополосных беспроводных средств, обеспечивающих значительное повышение вероятности обнаружения нарушителя ПДД. Повышение качества идентификации ТС на автодорогах достигается за счет применения метода радиочастотной идентификации, обладающего целым рядом существенных преимуществ относительно других известных методов бесконтактной идентификации автомобилей:

- радиометки, расположенные на номерном знаке автомобиля читаются через грязь, воду, туман, пластмассу и т.д.;

- радиометки несут большое количество информации о ТС, допуская не только чтение, но и возможность записи/ перезаписи информации;

- практическая невозможность подделки и разрушения информации за счет использования различных систем шифрации радиометки;

- возможность считывания информации ридером на большом расстоянии от активной метки, расположенной на ГРЗ автомобиля, движущемся со скоростью до 150 км/час.

Для ликвидации второго недостатка существующих систем видеофиксации в настоящей работе предлагается методология построения высокоскоростной беспроводной связи вдоль автодорог для передачи информации от систем фиксации нарушений ПДД в центр управления и контроля в реальном масштабе времени. Таким образом, будет обеспечена не только высокоскоростная связь с разрабатываемой новой стационарной и подвижной аппаратурой идентификации нарушений ПДД, но и с патрульными машинами и постами ГИБДД вдоль всей трассы.

Несмотря на широкое развитие и применение систем видеофиксации [ 1 ], широкополосной беспроводной связи [2] и ЯРЮ-технологий [3], в настоящее время в мире отсутствуют автоматизированные системы, предлагаемые в данной работе. Новизна и оригинальность разрабатываемой системы подтверждена проведенным патентным поиском и получением патента № 99207 от 10 ноября 2010 г. “Автоматизированная система контроля нарушений ПДД на базе широкополосных беспроводных сетей передачи информации и ЯПО-технологий” [4].

В статье дано краткое описание ЯРЮ-технологий, приведены характеристики промышленно выпускаемых ЯРЮ-меток и считывателей (ридеров). Обоснован выбор ЯРЮ-меток и их мест расположения на транспортном средстве для использования в разрабатываемой автоматизированной системе контроля нарушений ПДД. Описаны принципы построения автоматизированной системы безопасности и основного модуля идентифика-

ции нарушений ПДД, включающего ридер (считыватель RFID-метки, расположенной на номерном знаке автомобиля), радар, видеоаппаратуру и радиомаршрутизатор беспроводной сети. Дано описание методологии построения высокоскоростной беспроводной сети для передачи мультимедийной информации от средств идентификации нарушений ПДД в центр управления в реальном масштабе времени. Приводится математическая модель стохастической многофазной системы обслуживания, адекватно описывающей функционирование сети передачи данных автоматизированной системы контроля нарушений ПДД.

Краткое описание RFID-технологии и возможности

ее использования для фиксации нарушений ПДД

Термин радиочастотная идентификация (от английского Radio Frequency IDentification, сокращенно RFID) используется с 60-х годов прошлого века. Однако лишь в последнее десятилетие радиочастотная идентификация получила широкое распространение и является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений в области автоматической идентификации объектов и беспроводной связи.

Использование технолог ии радиочастотной идентификации предполагает наличие трех основных компонентов:

- радиометка или RFID-метка (она же транспондер, иногда также применяется термин RFID-тег или RF1D-tag) - средство маркировки отслеживаемого объекта;

- устройство чтения и записи таких радиометок (считыватель, ридер, reader или интеррогатор);

- серверное программное обеспечение, которое расшифровывает полученную со считывателей информацию о радиометках и представляет ее в формате, подходящем для систем управления, образующих информационную инфраструктуру.

Принцип работы системы радиочастотной идентификации состоит в следующем: антенна считывателя излучает электромагнитные волны, которые принимает антенна радиометки. За счет энергии этих волн осуществляется питание чипа, встроенного в метку. В результате этого метка активизируется, вступает в радиообмен для самоидентификации и передает информацию считывающему устройству или производит запись информации полученной от считывателя в свою память.

RFID-метки обладают возможностью многократной записи и считывания информации, а также хранения большого объема информации (до 10000 байт). При условии нахождения метки в зоне считывателя, скорость считывания достигает более 1000 меток в секунду с достоверной точностью до 100%. При этом в зависимости от модели метки и считывателя, радиус считывания может составлять до нескольких сотен метров. В настоящее время промышленно выпускаются пассивные метки для работы на расстояниях до 10-12 м от считывателя и активные метки, обеспечивающие дальность считывания до 100 м.

RFID-метка может размещаться в различных местах установки на транспортном средстве: на номерном знаке; на решетке радиатора, гга ветровом стекле; в корпусе зеркала заднего вида и бокового зеркала. Наиболее рациональным и перспективным вариантом является установка RFID-метки на номерном знаке. Это связано с тем, что такое решение может быть тиражировано в

промышленном масштабе, а также тем, что существующие системы видеоконтроля уже “нацелены” на фиксацию и считывание зоны, где расположен номерной знак.

На рис.1 представлены габаритные размеры государственного регисграционного знака и возможные зоны размещения RFID-метки, работающей в частотном диапазоне 433 или 860-930 МГц, на его поверхности. Представленные размеры четырех зон А, В, С и D полностью вписываются в габаритные размеры номерного знака и не могут повлиять на его визуальную идентификацию (читаемость знака).

При размещении на номерном знаке необходимо использовать RFID-метку для металлических поверхностей (onMetal). Крепление RFID-метки к номерному знаку может быть выполнено с помощью заклепок, винтов или клея. На стадии внедрения такой технологии данная процедура выполняется сотрудниками ГИБДД. В дальнейшем, при массовом использовании технологии RFID на автомобильном транспорте, установка метки на ГРЗ может выполняться в промышленном масштабе.

После установки RFID метки на Г'РЗ сотрудники ГИБДД осуществляют процесс программирования и записи информации на нее с помощью ридера. Весь объем записанной информации, а также идентификатор метки заносятся в базу данных ГИБДД, после чего ГРЗ с меткой выдается владельцу транспортного средства для крепления на автомобиль.

Перспективным способом размещения радиоидентификаторов на автотранспортных средствах является интегрирование RFID-мeтoк внутри регистрационных номерных знаков (рис. 2). Такой способ позволяет упростить процедуру распространения радиометок, так как в новых номерах, получаемых при регистрации автомобилей, уже будут содержаться RFID-мeтки. Кроме того, метки оказываются скрытыми от глаз, а особенности конструкции существенно осложняют подделку и обеспечивают защиту от механических повреждений. Регистрационный номерной знак, обеспечивающий радиоидентификацию транспортного средства, содержит пассивный RFID-чиn и антенну. Такой регистрационный номерной знак состоит из нескольких слоев, один из которых является проводящим. Проводящий слой представляет собой алюминиевый лист или проводящую поверхность, нанесенную на пленку. В проводящем слое имеется прорезь, внугри которой, в электроизолирую-

14шчршионный м* unm I с треиипммм tem рспюм рггастршш Г лофшиые |м «меры 5?# я 11? им

Зонд С - 90 х 26 ии Зонд D 90 х 22 мы

Рис. 1. Зоны размещения RFID-метки на ГРЗ

щей оболочке, располагается пассивный ЛНО-чип. Проводящий слой с прорезыо выполняет функции антенны. Непроводящие слои позволяют зафиксировать чип на месте, а также обеспечить защиту от механических повреждений и контакта с проводящими объектами. Чип связан с проводящим слоем посредством генерируемого чипом магнитного поля, что избавляет от необходимости соединять метку с антенной через кабели и обеспечивает защиту системы при механических деформациях.

м976мм!ВД

Антенно пассивной метки RFID

Чип пассивной метки RFID

Рис. 2. ЯТЮ-чип и антенна, интегрированные с ГРЗ

Принципы построения автоматизированной системы и основного модуля идентификации нарушений ПДД

Радиочастотная идентификация и видеофиксация по сути являются автономными системами. Они могут работать вне зависимости друг от друга. Однако комбинированное использование этих систем позволит уменьшить вероятность ошибок, повысить достоверность информации и оперативно реагировать структурам ГИБДД на правонарушения.

Полученная информация от системы видеофиксации и параллельно от системы радиочастотной идентификации оперативно передается в Центр Управления и заносится в базу данных (БД) ГИБДД. Ввиду функционирования этих систем в режиме реального времени, возможен сравнительный анализ данных по одному и тому же

транспортному средству. В условиях плохой погоды и слабой читаемости номерного знака (на фото видны только несколько символов) вступает в действие программная реализация алгоритма выборки и сравнения наиболее вероятных совпадений данных видеофиксации и радиочастотной идентификации (по времени фиксации, известным символам ГРЗ). Кроме того, возможно осуществить сравнительный анализ полученных данных по цвету кузова транспортного средства, его типу, марке или модели автомобиля.

Общая схема функционирования автоматизированной системы безопасности на автодорогах может быть представлена в следующем виде.

Стационарные и мобильные модули, установленные на автомобильной трассе, осуществляют фотофиксацию транспортных средств, измерение их скорости, распознавание ГРЗ, радиочастотную идентификацию меток ТС, а также запись и оперативное хранение полученной информации. Кроме того модули идентификации имеют в своем составе радиомаршрутизатор для настройки, управления и передачи информации на мобильный или стационарный пост. Вся информация от этих модулей по каналам связи передается на сервер идентификации, расположенный в структурном подразделении УГИБДД, который осуществляет сбор и обработку информации от всех модулей идентификации данного подразделения. Удаленный доступ к серверу имеют инспекторы ГИБДД в целях осуществления проверки данных по транспортному средству и его владельцу, а также для принятия процессуального решения. Кроме того сервер идентификации осуществляет автоматический обмен данными с модулем интеграции, который осуществляет преобразование формата всех полученных данных. В свою очередь модуль интеграции осуществляет автоматический обмен данными с сервером регионального УГИБДД, в памяти которого находятся базы данных владельцев ТС, базы розыска ТС, базы административных нарушений. Данный сервер также осуществляет учет оформленных нарушений и учет оплаты по квитанциям.

МИКРОПРОЦЕССОР

Дрифметико-

логическое

устройство

Регистры Схемы

управ-

ления

кэш-память ииной

Схемы

внутреннего

управления

Радарный датчик

С

Видеокамера

Считыватель RFID меток

Радио

маршрутизатор

Шины: управляющая, адресная и шина данных

Внутренняя память

РОМ ВАМ

Порты ввода-вывода

Сетевой

адаптер

.

параллельные

коммуникационные

порты

Дополни-

тельные

слоты

расширения

Рис. 3. Архитектура основного аппаратного модуля идентификации

В состав модуля идентификации входят четыре основных узла, которые осуществляют контроль за объектом идентификации и передачу полученной информации: радарный датчик; видеокамера; считыватель RFID меток; радиомаршрутизатор. Управление всеми узлами модуля идентификации осуществляется микропроцессором по трем шинам: управляющей, адресной и шине данных. В качестве дополнительных узлов используются: внутренняя память (ROM и RAM); порты ввода-вывода; сетевой адаптер LAN; параллельные порты СОМ; дополнительные слоты расширения. Электропитание всех узлов модуля идентификации осуществляется от внутреннего блока питания.

Архитектура основного аппаратного модуля ин-дентификации представлена на рис.З.

Радарный датчик модуля идентификации должен включать в свой состав блок радиолокационного измерителя скорости и дальности объектов контроля, а также внешнюю плоскую антенну диапазона 24 ГГц. Данный узел построен по классической импульсной схеме передачи сигналов с последующим цифровым накоплением и обработкой всех принятых отраженных импульсов. Далее производится экстраполяция полученных данных и формируется матрица координат целей, которая передается в микропроцессор.

Видеокамера модуля идентификации должна включать в свой состав высокочувствительную телекамеру и инфракрасный прожектор для подсветки в темное время суток. Информация от видеокамеры (видеопоток) передается в микропроцессор для распознавания ГРЗ транспортного средства на программном уровне видеоаналитики. Кроме того, на основе этой информации микропроцессор осуществляет оценку “пиксельной” скорости транспортных средств, производит трассировку движения автомобиля, а затем производит сравнение вычисленных данных с информацией, полученной от радарного датчика. Благодаря этой операции производится “отсеивание” случайных радарных данных, осуществляется различие объектов, движущихся на одной дальности, но с разными скоростями.

Как только объект, находящийся в пределах рабочего диапазона радара, превышает пороговую скорость, он автоматически заносится в список объектов “на сопровождение”. При этом формируется кадр “Захват объекта” и, при достижении установленной дальности, микропроцессор вырабатывает команду “Захвата кадра”. При этом осуществляется обнаружение и распознавание ГРЗ транспортного средства.

Считыватель RFID меток модуля идентификации включает в свой состав непосредственно ридер меток и антенное устройство. При поступлении команды “Захват кадра” от микропроцессора производится запуск процедуры считывания RFID меток, находящихся в зоне действия считывателя.

На основе полученных данных от радарного датчика, видеокамеры и считывателя RFID меток окон-

чательно формируется кадр изображения объекта, на котором присутствует следующая информация: отчетливо видимый ГРЗ на реальном фото; дата и время события; скорость ТС; автоматически распознанный ГРЗ; номер модуля идентификации.

Радиомаршрутизатор осуществляет передачу данного кадра по клиентским и магистральным радиоканалам опорной сети передачи информации в оперативный Центр Управления УГИБДД. Кроме того, осуществляется передача всего потока видеокадров, а также информация обо всех радиометках в зоне действия модуля идентификации, для возможности их просмотра, сравнения и архивирования в базу данных оператором в режиме реального времени.

Широкополосная беспроводная сеть

автоматизированной системы безопасности

на автодорогах

В настоящем разделе приводится описание методологии построения высокоскоростной телекоммуникационной сети, обеспечивающей передачу информации от устройств фиксации нарушений ПДД в центр управления в реальном масштабе времени. Реализация такой сети устраняет один из основных недостатков существующих систем контроля нарушений ПДД - отсутствие оперативной связи с центром управления и контроля ГИБДД.

Высокоскоростная связь вдоль автодорог может быть реализована как с использованием наземных оптоволоконных технологий, так и на базе современных беспроводных средств. Следует, однако, отметить, что прокладка нового оптического волокна вдоль существующих автомобильных трасс практически не осуществима из-за высокой стоимости таких проектов. Там же где оптоволокно проложено, подключение к нему стационарных систем фиксации нарушения ПДД затруднено из-за технических и финансовых трудностей и невозможно для передвижных пунктов фиксации нарушений. Кроме того, существуют и проблемы межведомственного согласования с владельцами оптических линий связи. Поэтому единственным эффективным средством является использование современных беспроводных технологий IEEE 802.1 In (WiFi), IEEE 802.16m (WiMAX), LTE и CDMA 2000 (сотовая связь) для создания высокоскоростной сети передачи информации вдоль автодорог.

Среди перечисленных вариантов реализации беспроводной сети по критериям стоимости, времени проектирования, простоты реализации и сопровождения целесообразен выбор аппаратно-программных средств, функционирующих под управлением протокола IEEE 802.1 In с использованием технологии MIMO. Такой выбор обеспечивает высокую номинальную скорость (до 300 Мбит/с в полудуплексном режиме), качество и надежность передачи мультимедийной информации в сети.

Ниже (рис. 4) представлен вариант размещения базовых станций опорной сети передачи информации на участке автодороги. Беспроводная сеть передачи данных должна быть условно разделена на две

ности является многофазная стохастическая система, описываемая в обозначениях Кендалла [5], как: Л//М/«,/«— /М/«,/«— ... — 1М/пг/<*, т.е. многофазная система массового обслуживания (СМО), состоящая из г последовательных многоканальных СМО с неограниченными буферными накопителями. Учитывая то, что передача информации о нарушениях ПДД должна осуществляться в реальном масштабе времени, основными характеристиками, исследуемыми в рамках модели, является среднее время передачи пакетов в центр управления, маргинальные длины очередей и время пребывания пакетов на фазах системы и т.д.

Пусть X — интенсивность входящего пуассонов-ского потока пакетов и плотность распределения длин пакетов/(х)=Ь ехр-Ьх,

где 1/Ь - средняя длина пакета, измеряемая в байтах. Тогда функция распределения длительности обслуживания пакетов в каждом канале к-ой фазы является экспоненциальной с параметром

Мк =гкьк,к = \,г

где 7.к - пропускная способность канала к-ой фазы, измеряемая в бит/с.

Обозначим 1к (/) число пакетов в СМО к-ой фазы в момент времени &0, к=1,г и Р0|, 1Г)

стационарную вероятность состояния {!,, (г}

многофазной системы, то есть Р(/,= 1|т Р{/, (/) = /,(О = О Л ^ = Ъг

(1)

Легко показать, что условием существования пределов (1) является выполнение неравенств

/?,. =Л/я.//. <1,1 = 1,г

где /?( - число каналов обслуживания на 1-ой фазе.

Далее будем полагать эти неравенства выполненными. Используя «А1 - метод», можно получить систему дифференциальных уравнений для вероятностей /*{/,(/) = 1*1/г (/) = 1Г} , откуда переходя к пределу I—»оо, получим следующую систему линейных уравнений для стационарных вероятностей

РО

(Л + Xй* ('* )А* )Р01.-Л) = | -1,»2)(1 -) +

*=1

с (2)

*■=1

+ />(/„.+1 К(|'г +1 )//„/* -0,* = 1,г, где

' /,0: /: пк, пк,1>пк,

и=л 0 ,/*,/

Непосредственной подстановкой можно убедиться, что решение линейной системы (2) имеет следующий вид:

«*(0 =

*,=■

р(і\ ) = р(0,-,0)П ск {Ік ), (3)

*=1

где

с (І) = І

* 1 Йр[)Іпк\,і>пк

Вероятность р(0,...,0) находится из условия нормировки:

(4)

*1=0 1'г=О

и имеет вид

\-1

т..,о)=П(1с,а,»-*=1 4=0

Из (3), (4) следует, то стационарные вероятности Р(/| ) рассматриваемой многофазной системы

представимы в мультипликативном виде:

р(/,/г)=п 1іпгр{/* (о=** ь

і—

к=1

(5)

то есть совместная вероятность того, что в произвольный момент времени на к-ой фазе находится

і к пакетов (к = \,г ) равна произведению вероятностей того, что і к пакетов в данный момент находится на к-ой фазе независимо от числа пакетов на других фазах.

Этот факт, а также теорема Берка позволяют сразу выписать выражения для маргинальных длин

очередей пакетов Ь: и средних времен пребывания

пакетов 7] на фазах системы в следующем виде:

(6)

Т _ МіРі -

I: ~

1

Т-'Ъ-К, ' 2&- А/

где Д.- интенсивность потока пакетов, поступающих на ью фазу, и складывающегося из потока Л с предыдущей (1-1) фазы и потока Л, , образованного КРЮ-считывателем и видеофиксатором нарушений ПДД на ьой фазе (/ = 1,г).

Из (5), (6) следует, что максимальная задержка пакетов, т.е. среднее время прохождения пакетов с момента поступления в очередь первой фазы до поступления в центр управления имеет вид:

;=|

Для получения численных данных будем полагать, что: производительность беспроводных каналов одинакова на всех фазах и равна 2=54 Мбит/с или 300 Мбит/с; средняя длина пакета 1 /Ь= 1400 байт; количество каналов на каждой фазе одинаково и /7, = п2..-,пг = 1; число фаз - 3; потоки

Д, = Л> = Я, = Л.

Зависимость максимальной задержки пакетов до поступления в центр управления приведен на рис. 5.

Литература

1. Минниханов Р.Н. Опыт применения систем видеофиксации нарушений правил дорожного движения (на примере Республики Татарстан). - Казань: Из-во ГУ “НЦБЖД”, 2009,- 128 с.

2. Вишневский В.М. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G / Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович C.JI. -М.: Техносфера, 2010. -471с.

3. Фннкенцеллер К. Справочник по RFID. — М.: Издательский дом "Додека-ХХГ, 2008. - 4% с.

4. Вишневский В.М., Минниханов Р.Н. Патент № 99207 от 10.11.2010 “Автоматизированная система контроля нарушений ПДД на базе широкополосных беспроводных сетей и RFID-технологии”.

5. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. - М.: “Техносфера”, 2003. -509 с.

Research and analysis of design methods of automated road security systems using novel broadband w'reless and RFID technologies

Vishnevsky Vladimir M., Doctor of Sciences, Prof., General Director of Research and Development Company "Information and Networking Technologies"

Larionov Andrey A., Researcher at Research and Development Company "Information and Networking Technologies"

Tselikin Yuri V., Senior engineer at Research and Development Company "Information and Networking Technologies"

Abstract: A novel approach to automated traffic rules volations registration systems development, significantly enhancing the probability of volators disclosure, described. Methodology for wireless broadband network design and mathematical model for the network performance estimation are proposed.

Keywords: RFID technologies, wireless broadband communications, mathematical model.

Рис. 5. Зависимость максимальной задержки от потока пакетов }■. при пропускной способности беспроводного канала 54 Мбит/с и 2=300 Мбит/с