|
| |
Automatická lokalizace kolejových vozidel s využitím GPS a jiných polohových systémů
Jan Stankovič
Student GIS, VŠB-TU Ostrava.
Studentská 1770, Kolej B 3/8b
708 32 Ostrava
Tel.: +420 69 6996117 Mobil: +420 603 354933
E-mail: g96229@vsb.cz
Abstrakt
Sledování dopravy se stává s nástupem moderních komunikačních technologií velmi rozšířeným. Vyvinulo se z polohových systémů přidáním komunikačních prostředků a řídícího (kontrolního) stanoviště. Je často nasazováno z důvodu optimalizace dopravy a snížení nákladů na pohonné hmoty a v neposlední řadě také z důvodu zvýšení bezpečnosti nákladu a vozidla.
V prezentaci je nejprve objasněn obvyklý princip funkce systémů AVL a jeho částí a dále naznačeny některé z problémů které se vyskytují ve spojitosti se sledováním vozidel a jejich možná řešení.
1. Stručně o Globálních Pozičních Systémech
Global Positioning System (GPS) je skupina družic v majetku vlády USA, které zajišťují vysoce přesné navigační informace po celém světě 24 hodin denně. Je to 24 NAVSTAR GPS družic s orbitem 20.000 km nad Zemí, které konstantně posílají přesný čas a svou pozici ve vesmíru. Přijímače GPS „poslouchají“ tyto signály od minimálně tří a maximálně dvanácti družic a z těchto údajů vyhodnocují svou přesnou pozici spolu s rychlostí a směrem svého posunu.
Přijímač GPS používá triangulaci signálů z družic k určení přesné pozice na zemi. GPS družice znají své přesné umístění ve vesmíru a GPS přijímače umí vypočítat vzdálenost od družice přesným měřením času, který signál potřebuje na cestu mezi družicí a GPS přijímačem. Poté, co přijme a vyhodnotí signál ze tří nebo více družic, přijímač pomocí triangulace vypočítá svou pozici. Každá GPS družice má čtvery vysoce přesné atomové hodiny. Mají také databázi (neboli almanach) pozic vlastních i všech ostatních družic, která je doplňována z pozemního řídícího centra. Díky tomu poté, co přijímač zaregistruje jednu družici, zaznamená informace i o okolních družicích a rychleji je najde.
Obdobou Amerického systému GPS je Ruský systém GLONASS. V plné konstelaci obsahuje také 24 družic na třech orbitálních drahách po 8 družicích.
2. Obecný princip automatické lokalizace vozidel
Systém zpravidla umožňuje úplnou oboustrannou komunikaci mezi dispečerem a vozidlem. Z vozidla jsou přenášeny informace nejen o poloze, ale také o stavu vozidla. Kromě standardních stavů je možné předávat poplachové zprávy roztříděné podle stupně nebezpečí do několika tříd a na dispečinku na ně různým způsobem reagovat.
Informace o vozidlech jsou předávány prostřednictvím konvenční, paketové nebo hromadné radiotelefonní sítě (trunking net), případně GSM sítí. Interval, v němž se předávají údaje o poloze a stavu, je možné volit v rozmezí od několika sekund až po hodiny podle specifikace uživatele. Mimo údaje předávané v pravidelných intervalech mohou být z vozidla předávány informace o uskutečnění akce (otevření dveří, vypnutí motoru apod.) nebo dosažení či překročení zadané hodnoty (např. rychlost, teplota). Kromě těchto informací je možné se na okamžitou polohu a stav vozidla dotázat z dispečinku.
Vybavení vozidla
Vozidlo je vybaveno mobilní jednotkou, která umožňuje jednak prostřednictvím připojeného GPS nebo jiného přijímače zjistit polohu, jednak komunikačním zařízením, které zajišťuje spojení s dispečinkem. K mobilní jednotce mohou být připojena další zařízení zjišťující stav vozidla. Mobilní jednotku je možné programovat, a tím nastavovat její chování v různých situacích. Lze nastavit chování při sepnutí spínače (např. otevření nákladového prostoru, vyčerpání vody z cisterny), kombinaci spínačů nebo kombinaci spínače s jinak zjištěným údajem (např. rychlost vozidla určená z GPS), je možné nastavit odeslání několika zpráv současně, odeslání zprávy při stavu trvajícím déle, než je předepsáno (např. při překročení doby jízdy), odeslání zprávy při dosažení určitého místa a podobně. Komunikační prostředek se vybírá podle četnosti předávání údajů o poloze a stavu, velikosti území, pro něž je sledování vyžadováno, pokrytí území signálem a počtu vozidel. Při velkém území (celá ČR nebo Evropa) a menší četnosti sledování se nejčastěji využívá GSM sítí (SMS zprávy), při menším území (část ČR) nebo velké četnosti sledování mnoha vozidel je vhodná paketová síť, hromadná síť je vhodná při četnosti sledování nad 30 s na území pokrytém touto sítí.
Dispečink
Dispečink musí obsahovat komunikační zařízení, které mu umožní spojení se všemi vozidly. Toto zařízení je pak připojeno k počítači, na něm je spuštěna serverová část systému, která se zařízením komunikuje prostřednictvím sériového rozhraní. Server ukládá veškeré přicházející informace do databází. Při větším počtu vozidel je možné využít více komunikačních serverů. Každý server pak obsluhuje svoje vlastní komunikační rozhraní. Servery mohou být různého druhu (jak podle protokolu, tak i podle typu komunikačních prostředků). Vozidla je možné rozdělit do skupin - vrstev, každá vrstva může mít svou vlastní strukturu databáze. V jedné vrstvě mohou být buď pohyblivé, nebo nepohyblivé objekty.
Dispečerské pracoviště
Dispečerské pracoviště je zpravidla vybaveno jedním počítačem, na kterém je spuštěna klientská část programu. Při menším množství vozidel může být na jednom počítači spuštěna jak serverová, tak i klienstská část programu. Při zvyšování počtu sledovaných vozidel pak je možné zvýšit počet jak serverových, tak i klientských částí programu a umožnit tím práci více dispečerů současně. Správce systému má možnost uživatele rozdělit do několika skupin a nastavit každé z nich individuální přístupová práva na úrovni funkcí jak k serverové, tak i ke klientské části programu.
Zobrazení vozidla
Vozidla jsou zpravidla zobrazována jako vektorová značka pohybující se na mapě v mapovém okně. Za značkou vozidla může být vykreslena stopa o nastavitelné délce, definované počtem předcházejících poloh. V každém okně je možné definovat jedno vozidlo, které nesmí zmizet z mapy. Pokud toto vozidlo dosáhne okraje zobrazení, dojde k automatickému posunu mapy. Každé vozidlo (objekt) patří k určitému typu. Každý typ objektů může mít nadefinován velký počet stavů objektů. Součástí nastavení stavu pro určitý typ jsou také dva texty s informací vybranou z připojené databáze nebo přicházející z objektu, které se zobrazují nad a pod vektorovou značkou. Stav každého vozidla se dále může zobrazovat na liště s objekty - je na ní na první pohled vidět změna stavu některého objektu.
Podkladové mapy
Mohou se používat vektorové nebo rastrové mapy. Rastrové mapy tvoří digitální obrazy běžně dostupných map a plánů měst. Vektorová mapa se skládá z objektů (ploch, čar, bodů a textů). Ke každému objektu je možné připojit databázi s doplňkovými informacemi. Tyto databázové informace je možné v mapě různou formou zobrazovat (vybírat podle jména ulice, do mapy doplnit číslo silnice, zvýraznit všechny obce větší než 2500 obyvatel apod.). Pro každou mapu je možné nastavit minimální a maximální měřítko, při kterém se zobrazuje (využívá se při přechodu z přehledových map k detailním, např. plánům měst).
K vektorovým mapám je možno připojit uživatelské databáze. Potom je možné zobrazovat nejen informace vztahující se k objektům (vozidlům), ale i informace vztahující se k podkladové mapě které lze využít například pro vytvoření optimální trasy průjezdu nebo k analýze průchodnosti terénem.
3. Problémy s přesností systémů AVL a jejich možná řešení
Družicový systém GPS je byl donedávna pro civilní účely zatížen chybou, která způsobuje snížení přesnosti systému. Tato chyba se projevuje nelineární odchylkou v určení polohy o velikosti desítek metrů, nepřesahuje však 80 metrů pro určení geodetické polohy a 100 metrů pro určení nadmořské výšky. Pro vojenské využití je používán kódovaný systém přenosu signálů, který tyto chyby neobsahuje. Přesnost měření polohy také závisí na druhu (a ceně) použitého přijímače.Uvedené nepřesnosti v určení polohy se velice negativně projevují v případě potřeby určení polohy vozidla s velkou přesností.
Částečným řešením tohoto problému může být použití diferenciálního GPS. Podstata tohoto způsobu měření polohy spočívá ve sledování údajů o poloze blízkého bodu o známých souřadnicích získaných z měření signálů GPS. Diferenciální přístroj porovnává údaje získané měřením se známým údajem o své poloze a vysílá korekce, které mohou být přijímány a zohledňovány buď přímo přístroji ve vozidlech nebo častěji na pracovišti dispečinku systému. Tímto způsobem se dá dosahovat přesnosti v určení polohy řádově v metrech až centimetrech.
Další možností je vytvoření poměrně levné sledovací sítě na radiofrekvenční nebo indukční bázi.
4. Problémy AVL v místech bez pokrytí signálem GPS
Velkou nevýhodou systému GPS obecně je nutnost „viditelnosti“ minimálně tří družic z místa měření. Úroveň signálů družic je na zemském povrchu rovna přibližně bilióntině intenzity televizního signálu v místě jeho příjmu. Z toho vyplývá, že při tak slabé intenzitě signál nedokáže procházet budovami a to dokonce ani lehkými konstrukcemi. Tato nepříjemná vlastnost přináší velké problémy při určování polohy v místech s hustou zástavbou, uvnitř rozlehlých budov a v tunelech. Řešení tohoto problému je záležitostí velice problematickou, zvláště při nutnosti zajištění stoprocentní sledovatelnosti vozidel.
Možným řešením tohoto problému je integrace tzv. pseudodružic do systému GPS a jejich efektivní rozmístění (na základě analýzy dostupnosti signálu) ve sledované oblasti. Pseudodružice je zařízení, které do určité míry nebo zcela supluje vlastnosti družic, ale umístěné na zemském povrchu. Toto zařízení používá podobné komunikační protokoly jako samotné družice, čímž se jimi stává z pohledu přijímače signálu.
Protože vše co se týče lokalizace polohy pomocí systému GPS je otázkou přesného časování musí pseudodružice obsahovat přesné a stabilní hodiny aby poskytovala data s potřebnou přesností. Tento požadavek vyžaduje buďto velice nákladné atomové hodiny, nebo nutnost synchronizace hodin pseudodružic s centrálním časem GPS. Toto lze velice efektivně vyřešit integrací pseudodružice a diferenciálního přijímače GPS. Takovéto zařízení pak vysílá obdobně jako u klasického DGPS korekce uživatelům pseudodružic a zároveň plní úlohu jedné pseudodružice.
Další alternativou je použití bezkontaktních systémů pracujících na principu elektromag-netické komunikace např. inteligentní čipové karty a snímače. Snímač vysílá pravidelné elektromagnetické pulzy. Pokud se v dosahu pulzu vyskytne karta je jí pulz zachycen, zpracován a s využitím zbytkové energie pulzu je odeslána odpověď zpět do snímače. Maximální pracovní dosah zařízení je od 5 cm do 350 cm v závislosti na druhu (a ceně) snímače a identifikátoru. Použitelnost těchto systémů spočívá ve vytvoření geodeticky zaměřených bodů (ID karet) v kolejišti uvnitř budov případně v místech bez signálu GPS – podstatně levnější řešení než představují pseudodružice Přesnost určení polohy závisí na hustotě kladení bodů a může být proměnlivá podle potřeby – možnost zhuštění. Tato zařízení lze snadno integrovat do komunikačního systému spolu s GPS nebo použít samostatně.
5. Koncepce řešení
Byly vytvořeny tři koncepce řešení. První koncepce využívá pro sledování vozidel pouze systému GPS. Druhá koncepce využívá pouze radiofrekvenční technologii na bázi snímače a identifikačního prvku. Poslední koncepce integruje systém GPS a radiofrekvenční snímaní v závislosti na dostupnosti signálu. Tyto koncepce byly finančně ohodnoceny a srovnány. Závěrem byla provedena studie návratnosti systému.
Literatura
Elektronický časopis GPS World
Základy GPS a jeho praktické aplikace. Otakar Srbenský
Rádiové určování polohy. Zdeněk Hrdina a kol.
Interní materiály firmy Forresta SG
Materiály firmy DD Amtek
Materiály firmy PICODAS
Materiály firmy IntegriNautics
Materiály firmy Microsys
Systémy automatické identifikace. Vladimír Ježek
Nespecifikované zdroje z oblasti Internetu.
|
