CC BY
63
УДК 004.9 + 656.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМ ГЛОНАСС, GPS И ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ
Г.Я. Гудима1, С.Н. Алецкий2
12Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003
'e-mail: [email protected] 2e-mail: [email protected]
В статье приводятся доступные средства мониторинга дорожной обстановки и подходы к их использованию в автоматизированных системах управления дорожным движением.
Ключевые слова: дорожное движение, мониторинг, технические средства мониторинга, улично-дорожная сеть, транспортные потоки.
Use of GLONASS, GPS and video surveillance for monitoring and control traffic flows. G.Ya. Gugima1, S.N. Aleckiy2 2Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatski, 683003)
Available tools for monitoring of road conditions and its usage in automated traffic control systems are represented in the article.
Key words: traffic monitoring, hardware monitoring, road network, traffic flows.
В современном обществе актуальным является транспортный вопрос. Такие его аспекты, как мониторинг транспортных потоков и выработка адекватных механизмов регулирования дорожного движения, крайне важны. В рамках данной статьи рассматривается вопрос оценки доступных средств мониторинга дорожной обстановки. Это позволит выработать адекватные алгоритмы эффективного управления дорожно-транспортными потоками. Статья состоит из трех частей. В первой части производится обзор нескольких доступных средств мониторинга подвижных объектов. Во второй части излагаются варианты практической реализации систем сбора информации об улично-дорожной сети (УДС) на базе рассмотренных технических средств мониторинга как по отдельности, так и в их совокупности. В третьей части статьи предлагается вариант реализации автоматизированной системы управления дорожным движением.
Обзор технических средств мониторинга и история их эволюции
GPS (англ. Global Positioning System) - обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования) - спутниковая система навигации. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США [2].
Основной принцип использования системы - определение местоположения путем измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами - спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приема антенной GPS-приемника, то есть для определения трехмерных координат GPS-приемнику нужно знать расстояние до трех спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приемника используются сигналы как минимум с четырех спутников.
Идея создания спутниковой навигации родилась еще в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские ученые во главе с Р. Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника, и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.
Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 г. была инициирована программа DNSS, позже переименованная в Navstar-GPS и затем в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
Первоначально GPS - глобальная система позиционирования - разрабатывалась как исключительно военный проект. Но после того как в 1983 г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолет корейских авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Р. Рейган разрешил частичное использование
системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом.
Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности отменил своим указом президент США Б. Клинтон.
Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS все чаще используется в гражданских целях. GPS-приемники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть свое местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учетом дорожных знаков, разрешенных поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.
- Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
- Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии.
- Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация.
- Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведется мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением.
- Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х гг. В некоторых странах, например США, это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 г. начата реализация аналогичного проекта - Эра-глонасс [4].
- Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) - советская и российская спутниковая система навигации - разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российские космические системы» [3].
Российская глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара на основании указа Президента РФ предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.
Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.
В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстает от аналогичных показателей для GPS.
Согласно данным СДКМ на 22 июля 2011 г. ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при p = 0,95) по долготе и широте составляли 4,46-7,38 м при использовании в среднем 7-8 КА (в зависимости от точки приема). В то же время ошибки GPS составляли 2,00-8,76 м при использовании в среднем 6-11 КА (в зависимости от точки приема).
При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки составляют 2,37-4,65 м при использовании в среднем 14-19 КА (в зависимости от точки приема).
Системы видеонаблюдения. Родиной систем видеонаблюдения считается Америка. Именно там, в 1965 г. появились первые оптико-электронные устройства, а их пользователями стали государственные органы правопорядка, а точнее полиция. Первые камеры, далекие по своим возможностям от тех, которые используются сейчас, были предназначены для визуального контроля над территорией
и обеспечения безопасности в местах скопления людей. Уже потом, в 1969 г. здание муниципалитета в США также было оборудовано камерами слежения за окружающей его территорией [1].
В 1970-е гг. видеокамеры для наблюдения не прекратили использовать, а как раз наоборот с ними были успешно совмещены первые прототипы видеорегистраторов, которые производили запись всего происходящего перед объективом. Только хранилищем информации в те времена являлась магнитная лента. В это десятилетие камеры для видеонаблюдения уже вовсю применялись для регистрации событий судебных дел, ситуации на дорогах и в ряде других сфер.
Первые шаги перехода от аналоговых систем видеонаблюдения к цифровым наблюдаются в 1990-е гг. прошлого века. Тогда были изобретены первые мультиплексоры цифрового типа. Эти видеокамеры для наблюдения и обеспечения безопасности были основаны на инновационных матрицах ПЗС типа, но полностью
41
считать такие решения цифровыми было нельзя, так как для коммутации с внешней аппаратурой в них применялся выход на основе коаксиального разъема. Переход на цифровое видеонаблюдение происходит и по сей день. Сегодня цифровые видеокамеры для наблюдения за охраняемым объектом практически полностью заместили аналоговые устройства. Впрочем, это легко объяснимо, так как цифровые системы видеонаблюдения лучше проявляют себя в плане защищенности от внешних помех, а также на их основе гораздо проще, чем на цифровых решениях организовывать целые видеосети, то есть можно использовать один видеорегистратор для подключения к нему нескольких видеокамер, установленных в различных точках на охраняемом и наблюдаемом объекте.
Появление первых сетевых или TCP/IP камер для видеонаблюдения датировано началом XXI в., а точнее 2005 г. Благодаря появлению таких устройств для видеонаблюдения на рынке стало возможным создавать комплексные системы видеонаблюдения, комбинировать их с компьютерными технологиями, что значительно расширило возможности таких комплексов.
Обзор вариантов реализации системы сбора технических параметров улично-дорожной сети с помощью систем мониторинга
Рассмотрим вопрос сбора данных о подвижных объектах улично-дорожной сети (УДС), то есть -автотранспорте. Как создать такую систему мониторинга, которая максимально адекватно, емко и точно давала бы сведения о состоянии дорожной ситуации в городе, с учетом многих аспектов? Несомненно, необходим комплексный подход к решению задачи.
Рассмотрим описанные ранее средства мониторинга для решения поставленной задачи как при отдельном их применении, так и в комплексе, со своими достоинствами и недостатками, и почему совмещение технологий дает неоспоримые плюсы.
Системы спутникового мониторинга, такие как ГЛОНАСС/GPS, необходимо рассматривать вместе, так как по принципу действия они схожи [5].
Такие системы развиты довольно хорошо и позволяют позиционировать подвижные объекты с достаточной точностью. Допустим, можно оборудовать такими системами мониторинга некоторую часть транспорта в городе. Что это может дать? Если ГЛОНАСС/GPS-приемник на транспортном средстве будет обладать возможностью отсылать свои координаты в централизованный центр сбора информации, то можно оценить состояние дорожной сети. Понятно, что картина событий будет неполной, так как невозможно обязать всех участников УДС оборудовать такими приборами свои автомобили, что и является одним из больших недостатков такой системы, если ее использовать в отдельности. Не секрет, что Правительство РФ желает оборудовать такими системами весь служебный и маршрутный транспорт. Таким образом, если маршрутный транспорт будет ими оборудован, то возможно получить неплохую взвешенную оценку состояния всей УДС города, так как маршрутная сеть охватывает почти всю УДС, также без проблем можно диагностировать узлы напряженности в сети.
Теперь рассмотрим системы видеонаблюдения применимо к оценке дорожной обстановки. Системы видеомониторинга уже давно стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, они применяются в охранных системах, в медицине и в оценке состояния дорожной обстановки (видеорегистраторы, видеокамеры полиции и проч.). На данный момент большая часть видеоматериала сохраняется в цифровом формате, что открывает безграничные возможности для цифровой обработки информации [6]. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) - очень динамично развивающаяся сфера науки. С помощью ЦОС можно обрабатывать видеосигнал и извлекать из обработанной информации необходимые данные. Существует множество алгоритмов распознавания лиц, автомобильных номеров и т. д. Таким образом, при подборе необходимого программного обеспечения можно оценивать все необходимые параметры УДС в конкретно взятом месте. Но здесь кроется и главный недостаток такой системы - можно анализировать только конкретный участок дороги: невозможно оборудовать всю протяженность УДС видеокамерами, только отдельные ключевые ее элементы. Но это и не нужно для достижения данной цели.
Поэтому предлагается рассмотреть целесообразность применения совокупности систем спутникового позиционирования и видеонаблюдения.
В результате применения системы ГЛОНАСС/GPS возможно получение взвешенной (неточной, но глобальной) оценки всей УДС города. Здесь и скорость потока движения автотранспорта, и информация о пробках и т. д. С помощью системы видеонаблюдения можно получить очень точную локальную оценку всех узлов УДС, оборудованных видеокамерами. Среди оцениваемых параметров могут быть: количество автомобилей перед светофором, пропускная способность перекрестка и еще множество данных, необходимых для подбора оптимального времени свечения светофоров. Есть еще один немаловажный плюс использования совокупности этих систем мониторинга: перекрестки города взаимосвязаны. С помощью видеонаблюдения невозможно установить корреляционную зависимость перекрестков, но можно обеспечить локальную микронастройку отдельного узла УДС. В свою очередь, с помощью систем ГЛОНАСС/GPS можно иметь картину всей УДС города, что без труда позволит оценить зависимости одних узлов от других. Это при правильной обработке информации как раз и даст четкое представление
о состоянии улично-дорожной сети города.
Вариант реализации системы адаптивного дорожного регулирования на базе данных, собранных с помощью систем мониторинга ГЛОНАСС/GPS и видеонаблюдения
Идея автоматизированного управления дорожным движением не нова. Ее начали разрабатывать еще в 80-х гг. в Японии. Изначально целью было не достижение автоматизации дорожного регулирования, но оснащение автомобилей системами позиционирования с обратной связью. Это было необходимо в случае ДТП, чтобы можно было определить координаты происшествия, своевременно сообщить о случившемся в соответствующие службы. В нашей стране тоже ведется разработка схожего проекта - Эра-ГЛОНАСС [4].
Мы предлагаем рассмотреть такую систему, которая бы самостоятельно собирала данные от рассмотренных выше систем мониторинга, анализировала их и выбирала бы оптимальный алгоритм светофорного регулирования на основе полученных и обработанных данных. В нее должен входить централизованный центр сбора информации, центр обработки информации от разных источников и автоматизированный центр принятия решений с возможностью оперативного вмешательства в ручном режиме.
Разработка систем мониторинга и управления дорожным движением является перспективным направлением научной деятельности. Актуальность работы в этом направлении растет наравне с ростом автопарка городов и расширением их УДС. Надеемся, что внедрение результатов таких исследований и разработок поможет оптимизировать дорожное движение, уменьшить аварийность и в целом сделает передвижение по дорогам страны комфортным и приятным.
Литература
1. История систем видеонаблюдения [Электронный ресурс] // Sandkastele. - Режим доступа: http://sndkstl.ru/86/istoriya-sistem-videonablyudeniya.
2. GPS [Электронный ресурс] // Википедия: всемирная энциклопедия. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS
3. ГЛОНАСС [Электронный ресурс] // Википедия: всемирная энциклопедия. - Режим доступа: http: //ru.wikipedia.org/wiki/.
4. Эра-ГЛОНАСС [Электронный ресурс] // Википедия: всемирная энциклопедия. - Режим доступа: http: //ru.wikipedia.org/wiki/.
5. Спутниковый мониторинг транспорта [Электронный ресурс] // Википедия: всемирная энциклопедия. -Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/.
6. Лукьяница А.А., Шишкин А.Г. Цифровая обработка видеоизображений. - М., ООО «Ай-Эс-Си Пресс», 2009.
