Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Интеллектуальные транспортные системы 10
1.1. Общие понятия 10
1.2. Потребители услуг ИТС 11
1.3. Краткая история развития ИТС 13
1 .4. Структура интеллектуальной информационной системы 23
1.5. Основные информационные технологии ИТС 25
1.6. Выводы по разделу 43
ГЛАВА 2. Математическая модель дорожной сети 44
2.1. Топологическая схема дорожной сети 44
2.2. Вероятностная модель движения по участку дорожной сети 45
2.3. Вероятностная модель дорожной сети 52
2.4. Мониторинг участка дорожной сети 54
2.5. Маршрутизация движения по дорожной сети 57
2.6. Выводы по разделу 59
ГЛАВА 3. Мониторинг транспортной сети 60
3.1. Координатно-временные технологии 60
3.1.1 Математическая задача позиционирования 62
3.1.2. Известные системы позиционирования мобильных объектов 68
3.1.2.1. Спутниковые радионавигационные системы 68
3.1.2.2. Способы позиционирования в сотовых сетях 71
3.1.3. Метод позиционирования мобильных терминалов по уровням электромагнитного поля
3.1.3.1. Модель электромагнитного поля базовой станции 78
3.1.3.2. Позиционирование при различном числе базовых станций 91
3.2. Телекоммуникационные технологии 105
3.3. Аппаратно-программные средства мониторинга 112
3.4. Выводы по разделу 118
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований
4.1. Испытания экспериментальной навигационно-телекоммуникационной системы
4.1.1. Общая программа испытаний 119
4.1.2. Параметры канала передачи данных 121
4.1.3. Результаты испытаний в Санкт-Петербурге 126
4.2. Испытания экспериментальной системы мониторинга мобильных объектов на базе изделия Маркер-ГНСС
4.2.1. Общая программа испытаний 127
4.2.2. Результаты испытаний 130
4.3. Экспериментальные исследования методов позиционирования мобильных терминалов 134
4.3.1. Исследования электромагнитных полей базовых станций 134
4.3.1.1. Экспериментальный регион «Центр» 134
4.3.1.2. Методика обработки экспериментальных данных 139
4.3,2, Позиционирование мобильных терминалов по уровням 143
мощности электромагнитных полей базовых станций
4.3.2.1. Позиционирование по сигналам обслуживающей станции 143
4.3.2.2. Позиционирование по сигналам двух станций 145
4.3.2.3. Позиционирование по сигналам трёх станций 148 4.4 Основные выводы по результатам испытаний 149
5. Заключение 151
6. Список использованных источников
- Структура интеллектуальной информационной системы
- Топологическая схема дорожной сети
- Координатно-временные технологии
- Испытания экспериментальной навигационно-телекоммуникационной системы
Введение к работе
Актуальность работы. Общее ухудшение транспортной ситуации в Санкт-Петербурге и в России в целом в течение последних 10-12 лет является очевидным фактом как для рядовых участников движения - водителей и пассажиров, так и для специалистов-транспортников.
Как показывает мировой опыт, при значениях уровня автомобилизации, превышающих 200 автомобилей на 1000 жителей, поддержание удовлетворительного качества функционирования автотранспортного комплекса требует применения принципиально новых подходов как к развитию транспортной инфраструктуры, так и к методам управления транспортными потоками.
Интеллектуальные транспортные системы (ИТС) базируются на использовании наукоемких инфокоммуникационных технологий, востребованных необходимостью повышения эффективности дорожного движения.
Уровень развития ИТС является одним из показателей развития страны. При общем высоком темпе развития ИТС в мире сохраняется множество задач по реализации большого числа инфокоммуникационных технологий в общей структуре ИТС, а в частности технологий позиционирования мобильных объектов.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследования базовых инфокоммуникационных технологий интеллектуальных транспортных систем.
К основным задачам относятся:
систематизация инфокоммуникационных технологий на основе целей и задач функционирования ИТС;
разработка вероятностной модели дорожной сети для задач мониторинга и управления движением в ИТС;
Аналитический обзор известных способов координатно-временного обеспечения ИТС;
разработка способа позиционирования мобильного терминала с применением только ресурсов сети сотовой радиосвязи стандарта GSM;
обоснование структурной схемы телекоммуникационного обеспечения ИТС;
выбор аппаратно-программного обеспечения инфокоммуникационных технологий ИТС;
экспериментальные исследования инфокоммуникационных технологий в задачах мониторинга мобильных объектов.
Методы исследования. Дня решения поставленных задач использовались методы теории исследований операций, случайных процессов и математической статистики, структурного системного анализа, компьютерного моделирования.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА і
С.Петербург *— {
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке способов реализации базовых инфокоммуникационных технологий в ИТС.
Практическая ценность и область применения результатов. Результаты работы могут быть использованы при обосновании требований к функциям навигационных и телекоммуникационных средств в составе интеллектуальных транспортных систем, а также при разработке методик исследований.
Результаты внедрения. Основные результаты работы внедрены в навига-ционно-связных терминалах HCT-101G, МАРКЕР-ГНСС и MAPKEP-GPS производства ОАО «РИРВ». Основные положения приняты в концепции интеллектуальной системы, утвержденной правительством Санкт-Петербурга.
Выносимые на защиту положения:
-
Обзор и сравнительный анализ базовых технологий инфокоммуникаци-онного обеспечения ИТС.
-
Способ определения местоположения мобильного терминала по уровням мощности базовых станций в точке приема.
-
Результаты экспериментальных исследований предлагаемых инфокоммуникационных технологий.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет 165 листов, в том числе 76 рисунков и 32 таблицы.
Структура интеллектуальной информационной системы
Информационное обеспечение [5] интеллектуальных транспортных систем основывается на использовании: телекоммуникационных технологий; координатно-временных технологий; геоинформационных технологий; информационные технологии обработки больших баз данных, позволяющие оперативно формировать нужные пакеты сообщений.
Телекоммуникационные технологии применяются для информационного обмена участников дорожного движения. Это должны быть цифровые системы связи, поддерживающие высокую мобильность (скорости движения до 200 км/ч и процедуру роуминга). Передаваемые данные имеют пакетную структуру, что предполагает применение сети с пакетной коммутацией.
Координатно-временные технологии используются для определения географических координат местоположения мобильного объекта и скорости его движения. Обычных радионавигационных систем космического базирования недостаточно для работы системы управления. В городах с плотной застройкой, где ограничена видимость спутников и сложная интерференционная обстановка, требуется использование альтернативных методов определения местоположения. К таким технологиям относятся активно развивающиеся в настоящее время технологии позиционирования в сотовых сетях.
Геоинформационные технологии обеспечивают системы управления и мобильные объекты электронными картами. Необходимо создать современные электронные карты регионов России и законодательно разрешить их использование корпоративным и индивидуальным пользователям.
Телекоммуникационное обеспечение
Телекоммуникационные технологии должны обеспечить передачу данных в зоне действия ИТС. Мобильность участников дорожного движения накладывает определенные ограничения на используемые способы передачи сообщений.
Основными требованиями, предъявляемыми к системам передачи данных, являются: рабочая зона предоставляемых телекоммуникационных услуг; скорость передачи цифровой информации, определяющая пропускную способность канала; надёжность канала связи, определяемая его доступностью, достоверностью получаемой информации и конфиденциальностью процесса передачи данных; стоимость аппаратно-программных средств потребителя; стоимость услуг по передаче цифровой информации; роуминг.
Рабочие зоны действия систем телекоммуникации позволяют их условно разделить на глобальные и региональные. Глобальные системы ориентированы на спутниковые системы связи, количество которых непрерывно растёт. Основными региональными системами связи с мобильными объектами, несомненно, являются сотовые системы радиосвязи.
Скорость передачи цифровых сообщений определяется как среднее за единицу времени переданное количество символов (байт). Различают максимальную мгновенную скорость (бит/с) характеризует возможности сети и среднюю скорость (бит/час) характеризует нагрузку абонента на сеть. Требуемые максимальные мгновенные скорости передачи данных, в настоящее время находятся в широком диапазоне от 300 байт до 100 Мбайт.
Надёжность канала связи является комплексным показателем и определяется рекомендациями международных и государственных организаций связи.
Стоимость аппаратно-программных средств пользователя зависит от вида получаемых телекоммуникационных услуг, включающих в себя рабочие зоны действия систем связи.
Стоимость услуг по передаче данных определяется, в основном, операторами и зависит, в первую очередь, от уровня развития систем связи с мобильными объектами в заданном районе, наличия конкуренции и количеством пользователей данной услугой. Наиболее дорогими, естественно, являются услуги операторов спутниковых систем связи.
Роуминг характеризует возможность предоставления услуг абоненту, находящемуся в зоне действия другого оператора или стандарта. Смена обсуживающего оператора не должна сказываться на качестве и объеме предоставляемых услуг.
Ниже будут рассматриваться только открытые системы телекоммуникаций, которые относятся к системам массового обслуживания, и поэтому доступны в равной мере корпоративным и частным потребителям.
Потребительскими показателями открытой системы, предоставляющей телекоммуникационные услуги, принято считать: Пространственную зону, внутри которой может быть информационный обмен; Доступность получения телекоммуникационных услуг; Временные задержки при передаче сообщений; Наличие и стоимость аппаратных и программных средств, необходимых потребителю; Тарифы на предоставляемые телекоммуникационные услуги; Сервисные дополнения; Внутренние технические и экономические особенности телекоммуникационной системы, такие как протоколы и форматы сообщений, капитальные затраты на создание системы и т.п., как правило, мало интересуют потребителя; Названные показатели взаимосвязаны, что определяет развитие множества телекоммуникационных систем, обладающих различной совокупностью показателей, по которой потребитель выбирает необходимую ему систему.
Магистральные каналы связи ИТС Телекоммуникационное обеспечение ИТС целесообразно строить в виде сети связи, привязанной к установленным зонам управления движением по улично-дорожной сети города. В качестве примера, на рисунке 1.3 показаны зоны управления с установленными в них зональными серверами ИТС. Серверы соединены друг с другом кольцевыми магистральными каналами связи, обеспечивающие информационный обмен с высокими скоростями. Два кольца ("северное" и "южное") объединены центральным сервером, который может являться администратором ИТС города.
Топологическая схема дорожной сети
Реальные условия движения транспорта количественно отображаются случайными переменными: временем, затрачиваемым на перемещение по участку дороги в выбранный момент времени - r(t); средней скоростью движения транспорта по участку дороги - V(t), интенсивностью движения, определяемой числом транспортных средств, проезжающих по участку дороги в единицу времени (1 час) - ЦІ). Выбранным моментом времени может считаться момент времени начала движения по участку дороги. Время проезда r(t) является случайной функцией детерминированной переменной времени -1,
Условия движения транспортного средства по выбранному участку дороги можно определить вероятностью проезда этого участка P(t) за заданный интервал времени т(і), при условии начала движения в момент времени -1.
Условия движения зависят от множества случайных факторов, определяющих текущее состояние движения: число движущихся транспортных единиц; количество припаркованных машин (пассивные участники движения); наличие дорожно-транспортного происшествия; ремонт дорожного покрытия; и т.п.
Участок дороги предлагается количественно определять, в общем случае направленным графом, содержащим два вектора (рисунок 2.3), связывающие два узла, и определяющие направления движения и время, затраченное на перемещение по участку в выбранном направлении.
Случайная функция времени r(t), в общем случае, является нестационарной, т.к. закон распределения её мгновенных значений не инвариантен выбору момента времени наблюдения: W{T,t) W{r,t±kt); (2.1) где: At - произвольный сдвиг по времени. Средняя скорость V(t) движения транспорта по участку дороги также является случайной нестационарной величиной, однозначно связанной с переменной r(t):
Интенсивность двизісеїтя I(t) непосредственно не может быть связана с приведёнными выше показателями, т.к. она логически не связана с длиной участка дороги или временем движения по участку.
При выборе количественного показателя, характеризующего условия проезда по участку дороги необходимо учитывать его следующие свойства: соответствие основным понятиям участников дорожного движения; использоваться как для отдельного участка дороги, так и для всего маршрута, в целом; возможность непосредственного измерения.
Интенсивность движения I(t) не может быть таким показателям, т.к. не используется для определения условий движения по всему маршруту. Кроме этого, оценку интенсивности движения невозможно дать при проезде одного транспортного средства.
Средняя скорость V(t) также не удовлетворяет сформулированным свойствам, так как не может быть измерена непосредственно; для ее определения необходимо время проезда по участку дороги.
Следовательно, единственным количественным показателем условий движения, удовлетворяющим всем трем свойствам, является время перемещения по участку дороги - r(t).
К случайным нестационарным функциям относятся и функции, стационарные на конечном интервале времени. Интервал времени, в течение которого сохраняются статистические свойства случайной функции (в частности, закон распределения мгновенных значений) будем называть интервалом стационарности - 7V.
Определение интервала стационарности состоит в проверке статистической гипотезы о равенстве законов распределения W(r,t) и W(r,t±Tw)- Проверка гипотезы основывается на статистической обработке результатов мониторинга движения транспорта на заданном участке дорожной сети. Максимальный интервал стационарности, как правило, не меньше минимального времени проезда т,„,„ участка транспортной сети, определяемого расстоянием и максимальной разрешённой скоростью Vmax S min ті- . \Z,.J) max
Стационарными "e широком смысле" принято называть случайные процессы, у которых сохраняются на интервале 7V статистические оценки математического ожидания и дисперсии. Оценки математического ожидания и дисперсии вычисляется методом усреднения случайной функции на интервале Tw
В таблице 2.1 приведены наиболее популярные законы распределения, удовлетворяющие приведенным условиям. Для корректного сравнения у всех законов распределения равны моменты распределения: математическое ожидание [M(t)=20] и дисперсия [D(t)=20]. Дополнительно, в таблице приводятся и законы распределения средней скорости движения по участку длиной S 3 км, вычисленные по известной формуле W(y) = W(tyf-. (2.7)
Законы распределения средней скорости движения и времени перемещения по участку дороги, в общем случае, различны. Математическое ожидание средней скорости не соответствует значению скорости, вычисленной как отношение длины участка к математическому ожиданию времени перемещения, а отношение длины участка к математическому ожиданию средней скорости движения: не соответствует математическому ожиданию времени проезда по участку дороги; расхождение составляет единицы процентов ( 10%).
Из приведённой таблицы 2.1 следует что вероятность попадания случайной величины т в интервал (тТ - от) т (тт + ах) для разных законов распределения находится в пределах 0,577 ... 0,687.
Следовательно, для количественного определения условий дорожного движения по учаспсу дороги выбирается случайная величина времени перемещения и её моменты — математическое ожидание, дисперсия и среднеквадратичное отклонение в выбранный для движения момент времени начала движения.
Математическое ожидание времени движения по всему маршруту, при статистически независимых временах движения по участкам дороги, равно сумме математических ожиданий времени перемещения по участкам.
Координатно-временные технологии
В некоторых случаях в ИТС одновременно с определением координат транспортного средства требуется оценить скорость его движения с погрешностью ОД ... 1,0 м/с. Определение координатно-временных параметров является отличительной особенностью координатно-временных технологий от технологий позиционирования, задача которых заключается в определении только местонахождения объекта.
Задаче определения местонахождения транспортного средства соответствует задача позиционирования мобильных терминалов в сотовых системах стандарта GSM, интенсивно решаемая в последнее время. Информационные технологии, связанные с определением местоположения абонента в сотовых сетях, в иностранных источниках (российских также) принято называть Mobile Location Service (MLS).
Наибольший интерес к задачам позиционирования проявляют операторы связи стандарта GSM, так как основная борьба за клиентов сейчас происходит именно между ними. Такая услуга, как предоставление информации о местоположении абонента дает солидное преимущество. Предоставление таких услуг массовому потребителю в России ожидается в ближайшие годы, и, как полагают, принесет большие доходы операторам связи.
В услугах позиционирования мобильных терминалов сотовых сетей могут быть заинтересованы как частные лица, так и организации, использующие сотовую связь в повседневной деятельности.
В зависимости от их рода деятельности, применение позиционирования, по мнению операторов сотовых сетей, может быть следующим: Обеспечение инженерно-прикладных работ. Информационное обеспечение в чрезвычайных ситуациях. Управление движением транспорта. Услуги частным лицам по координатному обеспечению.
Некоторые услуги, связанные с местонахождением клиента сотовой сети, представлены в таблице 3.2, где предложены таюке оценки требуемой точности позиционирования.
Целесообразно рассматривать задачи координатно-временного обеспечения транспортных средств и позиционирования мобильных терминалов в сотовых радиосетях одновременно, как задачу позиционирования мобильных объектов.
Общая информация об используемых в настоящее время методах позиционирования мобильных объектов позволяет сделать вывод, что они основываются на известных теоретических положениях навигации, локации, пеленгации и топографии.
В рассмотренных уравнениях независимыми переменными выступают координаты базовых точек и расстояния между ними и точкой М. Однако, в задаче позиционирования молено изменить условия, например, независимой переменной будет отношение расстояний между базовыми точками D = Rmb/Rma. В этом случае, исходное уравнение после деления выражений (3.3) одного на другое принимает вид; \Хт - Xb\ = D \Хт - Ха\, (3.6) которое имеет многозначное решение. Для устранения многозначности необходимо введение дополнительных условий.
В радионавигации особенно распространенной является задача, в которой заданные расстояния Rma и Rmb известны с точностью до неизвестной постоянной ARm, что объясняется особенностью измерения времени распространения сигналов от базовых станций до приёмников: шпа - Rma + ARm = \Ха Хт\ = \Хт - Ха\ %nb = Rmb + ARm = \Xb-Xm\ = \Xm Xb\ (3 ) Исходной независимой переменной в этом случае становится разность дальностей ARba = &и6 - Ъпа = Rmb - Rma = \Хт - Xb\- \Хт - Ха\ t (3.8)
не позволяющая однозначно определить координату Xm без привлечения дополнительных условий, т.к.
Испытания экспериментальной навигационно-телекоммуникационной системы
Цель испытаний
Оценка доступности получения координатно-временной информации транспортными средствами в г. Санкт-Петербурге и Ленинградской области и достоверности её передачи по каналам сотовой телефонной связи стандарта GSM.
Аппаратные средства
Экспериментальные исследования проводились с использованием прототипа оборудования Маркер ГНСС. В состав бортового комплекта (рис.4.1), устанавливаемого на мобильном объекте входили: Libretto 50СТ Рис. 4.1. Бортовое оборудование автотранспортного средства 119 Приемоизмеритель НТ-101 (производство ОАО «РИРВ»). Приемоизмеритель Placer 450. Сотовый телефон стандарта GSM (Nokia 5110). Компьютер Libretto 50СТ.
В центре обработки координатно-времеяной информации устанавливался сотовый телефон стандарта GSM (Nokia 5110), и стационарный компьютер типа IBM PC. Программные средства
В работах использовалось стандартное программное обеспечение статистической обработки баз данных на персональных компьютерах и фирменное программное обеспечение производителей аппаратных средств навигации и связи. Оцениваемые параметры Координатно-временная информация Статистическая оценка доступности и точности координатно-временной информации при приёме сигналов: - системы GPS; - систем ГЛОНАСС + GPS. Доступность - вероятность определения координат мобильного объекта в заданный момент времени с допустимой погрешностью.
Точность координатной информации — геометрический размер зоны, в которую попадают координаты мобильного объекта с заданной вероятностью. Телекоммуникационные параметры. Статистическая оценка времени установления цифрового канала передачи данных. Реальная скорость передачи данных. Достоверность передаваемых сообщений.
Время установления цифрового канала передачи данных - интервал времени с момента начала набора идентификационного номера мобильного объекта до момента времени, начиная с которого возмолша передача цифровой информации.
Реальная скорость передачи данных - отношение объёма переданной информации к времени, затраченному на её передачу.
Достоверность передаваемых сообщений — вероятность ошибки при передаче цифровой информации. Этапы испытаний Программа предусматривала три этапа испытаний.
На первом этапе проводится оценка инструментальной точности комплексов используемых аппаратных средств и работоспособности выбранных протоколов обмена информацией. Место проведения испытаний - Российский институт радионавигации и времени.
На втором этапе проводится оценка доступности и достоверности получения координатно-временнои информации в г. Санкт-Петербурге и её передачи по каналам сотовой телефонной связи стандарта GSM. Районы проведения испытаний выбираются типовыми, как по характеру застройки, так и по зонам обслуживания сотовой телефонной связью стандарта GSM.
Планируемые маршруты: 1. Мост А. Невского - Невский проспект - Василевский остров. 2. Пл. Победы - Московский проспект - Дворцовая пл. - Каменоостровский пр. 3. Озеро Долгое - правый берег Невы - мост Володарского - пр. Славы -Ленинский проспект. 4. Пр. Энгельса - Озерки - пр. Луначарского.
На третьем этапе испытаний проводится оценка доступности и достоверности получения координатно-временнои информации на и автомобильных дорогах Ленинградской области и её передачи по каналам сотовой телефонной связи стандарта GSM. Планируемый маршрут: Выборг - Санкт-Петербург - Любань.
Параметры канала передачи данных
Время установления цифрового канала передачи данных определялось во время движения по выбранным маршрутам движения. Результаты измерений представлены в таблицах 4.1 и 4.2 для режима "On-Line" и таблице 4.3 для режима коротких сообщений.
Среднее время установления цифрового канала для непрерывной передачи цифровой информации равно 21 ...23 сек. Среднее время передачи одного короткого сообщения - 4 сек.
Ниже представлены основные результаты испытаний экспериментальной навигационно-телекоммуникационной системы по одному маршруту в Санкт-Петербурге.
В качестве типового маршрута выбрано перемещение автотранспорта от пл. А. Невского по Невскому проспекту до Гавани Василевского острова. Таким образом, испытания проводились в центральной части города с интенсивным транспортным движением. Передача координатной информации выполнялась в режиме реального времени.
Обработанные результаты испытаний, содержащие данные по текущим координатам автомобиля и его скорости на одном из фиксированных участков маршрута, представлены на рис.4.2
