CC BY
401
УДК 681.324:519.613
В.А. МИЗЬ, А. В. ХАХАНОВА
АНАЛИЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА И УПРАВЛЕНИЯ ДОРОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
Анализируются наиболее масштабные проекты, направленные на реализацию автоматизированного управления дорожным движением и мониторинга автомобильного транспорта. Рассматриваются как уже реализованные в реальных масштабах проекты управления и мониторинга OnStar, NEXCO Central и ECall Japan (США, Канада, Япония), так и разрабатываемые в настоящий момент системы «ЭРА-ГЛОНАСС» и ECall Europe (Евросоюз, Российская Федерация).
Введение
На сегодняшний день актуальность систем автоматизированного управления дорожным движением непрерывно возрастает. Количество автомобилей на дорогах увеличивается, а с ним - количество аварий, травм и смертей. Правительства многих стран озабочены проблемами регулирования, контроля и мониторинга дорожного движения. В связи с глобальным переходом корпораций и пользователей в облака чрезвычайно актуальной и рыночно привлекательной становится проблема защиты информации и компонентов кибер-пространства от несанкционированного доступа, деструктивных проникновений, вирусов. Возникает необходимость создания надежной, тестопригодной и защищенной от несанкционированных проникновений инфраструктуры киберпространства и его компонентов (виртуальные персональные компьютеры и корпоративные сети) по аналогии с существующими сегодня решениями в реальном кибернетическом мире. Таким образом, каждый сервис, разрабатываемый в реальном мире, должен быть помещен в соответствующую ячейку облака, которое объединяет близкие по функциональности и полезные человеку компоненты. В США, Канаде и Японии уже реализованы масштабные проекты, призванные решить создавшиеся проблемы. Это специализированные системы автоматизированного мониторинга дорожного движения OnStar [7], NEXCO Central [8] и ECall Japan [2]. В настоящий момент Российская Федерация и Евросоюз занимаются разработкой спутниковых систем навигации и контроля дорожного движения - «ЭРА-ГЛОНАСС» [6] и ECall Europe [1, 3-5].
Данная работа раскрывает основные преимущества и недостатки каждой из систем, что позволяет принять правильные интеграционные архитектурные решения для создания абсолютно новой системы мониторинга дорожного движения и управления транспортом. Задача исследования состоит в определении необходимости, возможности и неизбежности создания интеллектуального облачного сервиса мониторинга и управления дорожным движением, оптимизирующего исполнение транспортных маршрутов всеми участниками дорожного движения.
Целью данного исследования является выявление основных достоинств и недостатков в архитектуре, эргономике и принципиальной схеме функционирования каждой из систем, анализ существующих и разрабатываемых решений.
1. Система мониторинга транспортных средств OnStar
Система разработана компанией OnSatr Corporation, основанной в 1995 году. В самом начале становления компании продавались отдельные устройства, которые были доступны только владельцам определенных моделей автомобилей: Cadillac DeVille, Cadillac Seville и Cadillac Eldorado. К 2005 году OnStar сервисы стали доступны владельцам автомобилей нескольких наиболее распространенных марок: Acura, Audi, Isuzu, Subaru, Volkswagen. Стоит отметить, что к этому времени устройства поступили в серийное производство и устанавливались в автомобили на этапе сборки. В апреле 2006 года уже насчитывалось 500 000 пользователей системы. В 2009 году компания вышла на Китайский рынок. На данный момент насчитывается около 4 000 000 пользователей данного сервиса [7]. Стоимость одного устройства мониторинга порядка $ 200.
Рассмотрим подробнее технологии, которые используются для мониторинга транспортных средств. Система использует CDMA канал связи, предоставляемый преимущественно Verizon Wireless в США и Bell Mobility в Канаде. Для определения местоположения используется GPS. Имеется возможность голосовой связи с операторами.
Информация с сенсоров (в основном это датчики ударов и срабатывания подушек безопасности) автоматически передается в call-центры. Это позволяет немедленно оповестить о местоположении аварии спасательные и правоохранительные органы. Кроме этого, все машины, оборудованные данной системой, имеют GPS передатчик, который позволяет отследить угнанный автомобиль. Также имеется возможность получения информации о скорости, расходе топлива и направлении движения. Это позволяет сделать выводы о стиле вождения автомобиля. Данная информация используется страховыми компаниями для расчета стоимости индивидуальных страховых полисов. Новые модели автомобилей оборудуются системой удаленной остановки двигателя. После такой остановки автомобиль можно завести только после ввода специального секретного кода.
Пользователи могут применять различные тарифные планы [7]:
1. Safe & Sound: 18.95$ в месяц.
Тариф включает автоматическое оповещение об аварии, мониторинг угнанного автомобиля, аварийные сервисы (вызов эвакуатора, передвижной СТО и т. п.) в не зоны покрытия мобильной сети, а также удаленную диагностику транспортного средства (позволяет решить незначительные проблемы при помощи инструкций call-центра).
2. Directions & Connections: $ 28.90 в месяц.
Тариф включает все перечисленные выше сервисы. Дополнительно имеется возможность мониторинга направления движения и стиля вождения автомобилиста.
Позволяет получить скидку при оформлении страхового полиса.
2. Система управления дорожным движением NEXCO Central
Система разработана Japan Highway Public Corporation. Принцип работы заключается в глобальном мониторинге дорожного движения на главных автострадах страны. На данный момент система покрывает порядка 2000 км дорог[8].
Система централизована. Центр управления движением находится в Токио (рис.1). Датацентр обрабатывает огромное количество данных, получаемых с дорожных датчиков с минутным интервалом. Это обеспечивает максимально реальную картину дорожной ситуации.
Рис. 1. Центр управления дорожным движением в Японии На дорогах установлено 744 точки доступа, которые позволяют работать аварийным телефонным каналам и датчикам на передачу необходимой информации о дорожной ситуации [8].
Для передачи данных используется глобальная 1Р сеть, при помощи которой информация с датчиков поступает на мониторы центра управления движением.
Глобальная передача данных обеспечивается посредством оптоволоконных коммуникаций. Это позволяет быстро обрабатывать телефонные звонки и поступающие данные.
Эта система запущена параллельно с действующей в апреле 2012 года. Серверное пространство на 90% меньше, чем у старой системы, следовательно, наблюдается значительное энергосбережение [8].
Разработчики системы предлагают полный спектр услуг по разработке и внедрению подобной системы в других странах (рис.2).
Предполагается создание наилучшей системы управления дорожным движением, позволяющей собирать, обрабатывать информацию и использовать полученные данные для решения поставленных проблем
Разработка модели системы
Подготовка руководства по реализации
Разработка спецификации
Реализация
Эксплуатация
Порядок действий для проектирования системы. Составление требований эффективности функционирования системы
Создание спецификации устройств, необходимых для реализации модели
Реализация проекта. Установка оборудования с расчетом на максимальный срок службы элементов
Проведение тренингов персонала, направленных на повышение быстродействия обработки запросов
Рис. 2. Предлагаемые услуги по разработке системы мониторинга
3. ЕСа11 Япония
С середины 1980-х гг. на всех дорогах страны была запущена интеллектуальная транспортная система, призванная осуществлять полную автоматизацию управления дорожным движением. На все автомобили стали устанавливать специальное бортовое навигационно-коммуникационное оборудование, с помощью которого обеспечивается контроль местоположения и состояния транспортного средства [1].
Передача информации и управляющих сигналов, а также дуплексная связь с водителем осуществляется диспетчерской службой быстрого реагирования под названием Еса11 [4] (рис. 3). _
Встроенная система автомобиля
Internet
08М/30/ЬТЕ сеть
Р8ТЫ или 1Р сеть
Call-центр
Службы спасения
J V
Рис. 3. Схема функционирования системы ЕСа11
В результате успешной деятельности системы смертность на дорогах Японии значительно снизилась, в 2009 году составила 5 тыс. чел. [2] Власти страны планируют сократить число погибших до нуля.
4. Система глобального мониторинга транспорта «ЭРА ГЛОНАСС»
Система «ЭРА ГЛОНАСС» проектируется в соответствии с распоряжением Правительства РФ и предназначена для снижения уровня смертности и травматизма на дорогах за счет ускорения оповещения служб экстренного реагирования при авариях и других чрезвычайных ситуациях.
Система будет включать навигационно-телекоммуникационные терминалы, которые начнут массово устанавливаться на транспортные средства, начиная с 2013 года, и соответствующую инфраструктуру, охватывающую все субъекты РФ (рис.4). Для обеспечения работоспособности системы на территории РФ Правительство России зарезервировало специальные телефонные коды, которые будут использовать для связи с экстренными центрами приема информации [6].
Предполагается законодательно обязать всех автовладельцев установить бортовое оборудование к 2020 году, стоимость которого составит около 3 тыс. российских рублей. Плата за пользование системой взиматься не будет. «ЭРА ГЛОНАСС» будет совместима с аналогичными службами, которые будут созданы в странах Таможенного союза, а также Евросоюза, где с 2015 года должна заработать система eCall [6].
Система идентификации и мониторинга объектов дорожного движения основывается на технологии радиочастотной идентификации малого радиуса действия (RFID) в сочетании с системами спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Проект решает задачи мониторинга транспортных средств, удаленного контроля документов и идентификации объектов транспортной инфраструктуры.
Рис. 4. Схема работы системы «ЭРА ГЛОНАСС» Принцип работы системы заключается в следующем (см. рис.4) [6]. При тяжелой аварии, например, сопровождающейся срабатыванием подушек безопасности, терминал автоматически определяет координаты пострадавшего транспортного средства через спутники системы ГЛОНАСС, устанавливает связь с серверным центром системы мониторинга и передает данные об аварии по каналам сотовой связи оператору (рис.5). Оператор голосом уточняет детали происшествия и в случае подтверждения информации или при отсутствии ответа направляет службы экстренного реагирования. Водитель или пассажиры могут также вручную включить устройство, передать данные и связаться с оператором.
Система «ЭРА ГЛОНАСС», терминалы которой планируется устанавливать на все новые автомобили, позволяет оперативно передавать экстренным службам информацию о ДТП. В момент аварии терминал определяет географические координаты, используя навигационный сигнал системы ГЛОНАСС (а при необходимости и GPS), и передает их
вместе с дополнительной информацией в службу «112» через доступные сети операторов 08М-связи.
Рис. 5. Архитектура системы «ЭРА ГЛОНАСС» Прогнозы аналитиков утверждают, что система может снизить количество ДТП в среднем на 5-10% и сократить наносимый экономике ущерб не менее, чем на 2% [6]. 5. Система глобального мониторинга транспорта ЕСа11 Европа
С 2001 года странами Евросоюза также стала разрабатываться программа еСа11, согласно которой в 2015 году весь автотранспорт, продаваемый на территории содружества, должен быть укомплектован навигационно-коммуникационными средствами, срабатывающими при аварии, после чего на номер 112 по каналам 08М-связи передаётся информация о местонахождении автомобиля на ближайший диспетчерский пункт (рис.6)
[3].
Рис. 6. Архитектура системы ECall В Германии такими приборами уже с 2005 года стали оснащаться фуры грузоподъемностью свыше 12 т, в Швеции — грузовики массой свыше 3,5 тонны. Программа продвигается медленно из-за задержки развёртывания спутниковой системы Galileo и бюрократических сложностей принятия совместных решений в рамках регламента ЕС.
Принцип работы системы заключаются в следующем (см. рис.6) [6]. eCall автоматически активизируется, когда датчики, которые находятся внутри автомобиля, определяют аварию. Система набирает европейский экстренный номер 112, устанавливая телефонное соединение с ближайшим Call-центром, и отправляет детали происшествия в службы спасения, включая время происшествия, точное местоположение автомобиля и направление движения (особенно важного на дорогах и в туннелях). eCall может также быть включен вручную, с помощью нажатия кнопки в автомобиле, например, если кто-то стал свидетелем серьезной аварии [3].
По некоторым оценкам, eCall сможет ускорить время реагирования на экстренные ситуации на 40 % в городских регионах и на 50 % в сельской местности, и спасать до 2500 жизней в год. Меры, принятые 26 ноября 2012 года, устанавливают условия, согласно которым центры реагирования на экстренные вызовы будут способны правильно принимать и обрабатывать вызовы eCall 112[5].
б. Сравнительный анализ рассмотренных систем
Общий анализ перечисленных выше систем мониторинга дорожного движения позволяет понять, что на сегодняшний день не существует проекта, направленного на комплексное решение поставленной проблемы. Ни одна существующая и ни одна проектируемая система не предполагает наличия полного спектра услуг, направленного на повышение комфорта автомобилиста. Речь идет либо только о полном мониторинге автомобиля (OnStar, ECall, «ЭРА ГЛОНАСС»), либо о глобальном мониторинге трафика (NEXCO Central) на основных и самых оживленных магистралях страны. Особенностью систем «ЭРА ГЛОНАСС» и ECall является использование собственных спутниковых систем навигации - ГЛОНАСС и Galileo соответственно. Однако ничто не говорит о том, что применение системы GPS (OnStar) менее эффективно. Основным преимуществом спутниковых систем навигации является большое покрытие. Недостатки таких систем можно увидеть в тоннелях, подземных и многоуровневых магистралях. В таком случае необходимо введение наземных датчиков движения. Такое решение предлагает японская система NEXCO Central. Также преимуществом системы является отсутствие необходимости установки специальных устройств на автотранспорт, однако такой подход полностью исключает мониторинг отдельных транспортных средств. Основным недостатком данного подхода является ограниченное покрытие (только основные автомагистрали и трассы).
Услуги пользователям предоставляет только система США OnStar. Данная система ориентирована на обеспечение комфорта и безопасности как водителя и пассажиров, так и самого транспортного средства. Однако этим система и ограничена. OnStar не предоставляет какой-либо статистической информации о дорожной ситуации. Также нет понятия централизованного управления. Система ориентирована только на отдельные автомобили, а не на транспортный поток.
Выводы
Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее эффективным решением будет интеграция рассмотренных систем в одной универсальной. Это позволит обеспечить автомобилиста полным спектром услуг, начиная от эффективной навигации заканчивая круглосуточным предоставлением информации об автотранспортном средстве. Необходима разработка интегрированной системы, направленной как на мониторинг каждого автомобиля в отдельности, так и на контроль дорожного движения в целом. Именно это и предлагает система мониторинга Green Wave Traffic, которая дает возможность автоматизировать процессы оптимального управления транспортными средствами и дорожным движением в режиме реального времени для решения социальных, гуманитарных, экономических и экологических проблем. Предлагаемая интеллектуальная система (инфраструктура, транспорт, облако) мониторинга и управления дорожным движением отличается от существующих структурной интеграцией трех взаимосвязанных интерактивных компонентов: 1) Существующие сервисы электронной картографии со средствами радиолокации и радионавигации. 2) Новый облачный сервис мониторинга и управления дорожным движением на основе дорожных контроллеров. 3) Усовершенствованные средства радиочастотной идентификации автомобиля и доступа к облачным сервисам для комфортного и безопасного передвижения по маршруту, оптимизации временных и материальных затрат. Научная новизна проекта определяется системной интеграцией облака мониторинга и управления, блоков радиочастотной идентификации транспорта, а также средств мониторинга и управления дорожной инфраструктуры.
Список литературы: 1. Filjar. R. ECall: Automatic notification of a road traffic accident I K.Vidovic, P. Britvic, M. Rimac II MIPRO. 2011. С. 600-605. 2. SYHu. Simplified Design of the Embedded e-Call System Using GPS I TS Wey, MH Lin, NT Hu AI Display technology. 2011. С. 45-53. 3. Pinart Carolina. ECall-compliant early crash notification service for portable and nomadic devices I J. Carlos Calvo, Laura Nicholson, Josй A. VillaverdeII MIT. 2011. С. 134-146. 4. Werner Marc. Cellular In-Band Modem Solution for eCall
Emergency Data Transmission / Christian Pietsch, Christoph Joetten // Communication. 2009. С. 198-207. 5. Kohn Andreas. The eCall Program: Overview and Design Considerations // Sierra Wireless. 2010. Р. 157-167p. 6. http://www.nis-glonass.ru/projects/era_glonass [Электронный ресурс]. 7. https://www.onstar.com/ web/portal/termsconditions [Электронный ресурс]. 8. http://media.brintex.com/Occurrence/27/Brochure/ 1544/brochure.pdf [Электронный ресурс].
Поступила в редколлегию 24.11.2012 Мизь Владимир Александрович, магистрант кафедры АПВТ ХНУРЭ. Научные интересы: обработка видео-изображений. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. +380 (95) 302-24-92. E-mail: vladimir-miz@yandex.ru
Хаханова Анна Владимировна, канд. техн. наук, доц. кафедры АПВТ ХНУРЭ. Научные интересы: сжатие и восстановление двоичных данных. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 70-21-326. E-mail: anna_hahan@mail.ru
УДК 625.8 : 624.048
В.А. БОГОМОЛОВ, С.Н. ИЕВЛЕВА, И.Л. РАЗНИЦЫН, М.В. СИДОРОВ
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СЛОЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ КАК ЛИНЕЙНОЙ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИ-НЕЛИНЕЙНОЙ ВЯЗКОУПРУГОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВАНИИ РЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОДНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ КЕЛЬВИНА
Рассматривается задача математического моделирования слоя дорожных одежд как линейной и геометрически-нелинейной вязкоупругих сред. На основании методов теории вязкоупругости с использованием одноэлементной модели Кельвина строится уравнение баланса - аналог принципа виртуальных перемещений теории упругости. Для численного анализа построенной математической модели предлагается использовать метод конечных элементов.
Введение
Актуальность исследования. Дорожная одежда является одной из наиболее распространенных и затратных строительных конструкций, содержащих слои из материалов с разными свойствами, на которые действуют нагрузки от транспортных средств и естественно-климатических факторов. В настоящее время при решении проблемы расчета напряженно-деформированного состояния слоёв дорожных одежд используются только методы, основанные на осесимметричной постановке задач теории упругости. На основании этой теории разработаны действующие ныне дорожно-строительные нормы для Украины, России и Белоруссии [1 - 3, 6]. Во многих зарубежных методиках дорожная одежда также рассматривается как многослойная упругая среда. Кроме того, математическая постановка задачи предусматривает, что дорожная одежда интерпретируется как полупространство или плита в полупространстве [8, 9, 11]. Таким образом, существующие методики расчета характеристик дорожных одежд построены в дополнительных предположениях наличия осевой симметрии в материале и в нагрузках, а также не учитывают наличия вязкости и нелинейные свойства материала, что в свою очередь не позволяет в общем случае определить полные тензоры напряжений и деформаций. Кроме того, существующие методы не позволяют рассчитать и спрогнозировать образование колеи. С учетом сказанного актуальной является задача построения математической модели дорожной одежды как вязкоупругой среды и разработка новых численных методов для её анализа.
Цели и задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка математической модели и нового метода численного анализа дорожных одежд как линейной и геометрически нелинейной вязкоупругой среды на основании одноэлементной модели Кельвина. Для этого необходимо решить следующие задачи:
- построить на основании принципа возможных перемещений математическую модель слоя дорожных одежд как вязкоупругой среды (рассмотреть отдельно линейную и геометрически-нелинейную постановки);
