ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P 2 0 0 6
Józef Suda
Dokładność satelitarnej lokalizacji pojazdów
transportu publicznego
Słowa kluczowe: GPS, lokalizacja pojazdów, dokładność lokalizacji, badania empiryczne, systemy zarządzanie flotą pojazdów
W artykule przedstawiono wyniki badań dokładności lokalizacji pojazdów transpor-tu publicznego w obszarach o różnym stopniu urbanizacji. Omówiono również przesłan-ki tworzenia i typowe konfiguracje systemów zarządzania transportem publicznym. Szczególną uwagę poświęcono funkcjom lokalizacji pojazdów komunikacji publicznej w sieci ulic. Przedstawiono zasady lokalizacji autobusów przyjętych w koncepcji budowy takiego systemu dla Warszawy.
The Precision of Satellite Localization
of Public Transport Vehicles
Key words: GPS, localization of vehicles, precision of localization, empirical surveys, fleet management systems
The paper presents the results of empirical study on the precision of public transport vehicles' localization in areas with different degrees of urbanization. The pa-per also discusses the premises for the creation of fleet management system for public transport and typical configurations of such systems. Particular attention is devoted to the localization of public transport vehicles in the street network. Finally, the paper presents the approach to city bus localization adopted in a project of the system for public transport management in Warsaw.
Wstęp
Współczesne społeczeństwo przykłada coraz większą wagę do swojego bezpieczeństwa i mobilności, nie znajduje to jednak odzwierciedlenia w maleją-cym rozwoju infrastruktury drogowej. Obecną sytuację charakteryzuje:
niska atrakcyjność transportu publicznego,
nadmierne zatłoczenie dróg i ulic w miastach,
małe zastosowanie systemów sterowania ruchem,
znaczne zagrożenie bezpieczeństwa ruchu,
wysoki stopień zanieczyszczenia powietrza i hałasu.
Pomimo braku sprawdzonego sposobu minimalizującego uciążliwość ruchu drogowego, podejmowane są działania administracyjne i ekonomiczne umożli-wiające efektywne przemieszczanie osób i towarów z zachowaniem akceptowa-nego poziomu bezpieczeństwa. Podstawowe cele działania to:
unikanie ruchu możliwego do uniknięcia, rozgęszczanie ruchu, którego uniknąć się nie da,
czynienie ruchu drogowego bardziej znośnym dla środowiska.
Idea mobilnego społeczeństwa zawiera w sobie założenie, że użytkownicy sieci drogowych, czyli podróżni i kierowcy, powinni być dobrze poinformowani oraz mieć maksymalnie ułatwione przemieszczanie się. Optymalna informacja dla użytkowników dróg (przed i w czasie podróży) umożliwia dokonanie wybo-ru środków podróży lub/i trasy przemieszczania. Wawybo-runkiem niezbędnym jest połączenie istniejących systemów (z których każdy wykonuje tylko jedno okre-ślone zadanie) w system zarządzania ruchem w mieście lub regionie.
System taki łączy informacje dostarczane przez poszczególne podsystemy, aby wytworzyć łączną informację dla użytkownika dróg, która ostatecznie ma umożliwić aktywny wybór środka transportu. Analizy wykazały, że w obsza-rach, gdzie taki system zainstalowano, około 70% użytkowników dróg jest świadomych istnienia takich źródeł informacji, a 20% informacji tych używa.
1. Pojęcie systemu zarządzania ruchem
System zarządzania ruchem to zbiór zintegrowanych metod i środków od-działywania na ruch na podstawie informacji o bieżącym stanie ruchu i środowi-ska. Celem systemu zarządzania jest zapewnienie optymalnego przepływu (mo-bilności) osób i towarów na obszarze jego oddziaływania [5].
Najczęściej formułowanym celem generalnym jest realizacja strategii zrów-noważonego rozwoju poprzez stworzenie warunków dla sprawnego i
bezpiecz-publicznego. Niektóre systemy wymagają znajomości aktualnego położenia pojazdów. Informacja o położeniu uzyskiwana jest z odrębnych źródeł będących lub nie częścią systemu zarządzania ruchem pojazdów – systemów lokalizacji pojazdów.
Systemy lokalizacji pojazdów stanowią zatem jeden z podstawowych ele-mentów systemu zarządzania ruchem pojazdów i ich dobór stanowi o jakości systemu zarządzania. Systemy lokalizacji dostarczają informacji o współrzęd-nych położenia pojazdu i pozwalają na określenie parametrów jego ruchu.
Obecnie przedsiębiorstwa transportu publicznego w wielu miastach, a także firmy transportowe, dysponują systemami zarządzania taborem pojazdów. Są to komputerowe systemy umożliwiające lokalizację pojazdów, transmisję danych oraz łączność foniczną pomiędzy pojazdami a centrum dyspozytorskim.
2. Cele i zadania zarządzania pojazdami transportu publicznego
Najogólniejszym celem zarządzania pojazdami transportu publicznego jest poprawa efektywności jego funkcjonowania. Do głównych celów zarządzania ruchem w transporcie zbiorowym należą:
zapewnianie punktualności i regularności kursowania pojazdów;
utrzymanie ciągłości ruchu i wysokiej niezawodności działania;
podnoszenie bezpieczeństwa pasażerów, skrócenie czasu usuwania
skutków awarii, wypadków itp.;
zmniejszanie czasów podróży, a zwłaszcza jej najbardziej uciążliwych składników jak oczekiwanie i przesiadka;
poprawa warunków podróżowania, np. ograniczenie zatłoczenia;
zapewnianie pasażerom pełnej informacji zarówno o charakterze
okre-sowym (np. rozkładzie jazdy), jak i bieżącej (np. czas przybycia do naj-bliższego przystanku, połączenia przesiadkowe, zakłócenia w ruchu);
zwiększanie zaufania pasażerów do transportu publicznego;
ułatwienie pracy służbom eksploatacyjnym oraz zmniejszanie zmęczenia
wywołanego pracą, a zwłaszcza żmudnymi czynnościami rutynowymi;
lepsze wykorzystanie taboru będącego w dyspozycji przedsiębiorstwa, zwiększenie zdolności przewozowej linii i sieci transportu publicznego. Typowa konfiguracja sprzętowa systemu zarządzania pojazdami obejmuje: urządzenia zainstalowane w pojazdach, centrum komunikacyjne zapewniające transmisję danych i łączność foniczną, centrum dyspozytorskie odpowiedzialne za właściwą realizację celów oraz urządzenia infrastruktury drogowej pełniące funkcje sterujące, informacyjne, transmisyjne [1].
3. System nadzoru ruchu tramwajów „SNRT 2000” w Warszawie
Przedsiębiorstwo Tramwaje Warszawskie wyposażyło wszystkie posiadane tramwaje (ok. 450 szt.) w terminale oraz zbudowało stanowisko dyspozytorskie w centrali Nadzoru Ruchu, będące podstawą działania systemu [4]. System SNRT 2000 został zaprojektowany w celu łączności fonicznej i transmisji da-nych, oraz dostarczenia infrastruktury umożliwiającej nadzór nad taborem, li-czącym kilkaset pojazdów, z jednego centrum, w tym:
centralne zbieranie bieżąco aktualizowanych danych dotyczących
loka-lizacji pojazdów, zgłoszeń fonicznych i alarmowych;
przesyłanie zebranych danych do centrum dyspozytorskiego;
zobrazowanie operatorom w centrum dyspozytorskim obszernych da-nych o jakości realizowada-nych usług transportowych;
przechowywanie danych i tworzenie różnych raportów;
kierowanie do pojazdów rozkazów i związanych z nimi danych;
zapewnienie łączności fonicznej zwykłej i alarmowej;
poprawę bezpieczeństwa przez zapewnienie szybkiego, skutecznego i niezawodnego zgłaszania alarmów.
Każdy pociąg tramwajowy posiada odbiornik GPS, który umożliwia lokali-zację z częstością 10 razy na sekundę. Wyznaczoną pozycję do centrum nadzoru przekazuje odpytywane cyklicznie radio. Informacja z pozycją przesyłana do centrum nosi nazwę depeszy nawigacyjnej. Przesyłana jest ona co 3 minuty. W depeszy zawarte są podstawowe informacje o aktualnej pozycji, nazwie ze-społu przystankowego, w obrębie którego tramwaj się znajduje oraz czas wysła-nia depeszy. Pozycja pojazdu zawarta w depeszy jest określana w płaskim ukła-dzie współrzędnych x, y z dokładnością do 1 m (rys. 1).
Rys. 1. Przykład depeszy z pozycją tramwaju Fig. 1. An example of a wire with tramways' position
4. Ocena dokładności lokalizacji tramwajów w Warszawie
Analizując dane z odbiorników GPS umieszczonych w tramwajach określo-no, jaką w praktyce dokładność zapewnia system GPS-Navstar w obszarach zurbanizowanych [5].
Analizie poddano dokładność wyznaczenia lokalizacji tramwaju podczas postoju i podczas jazdy. Do oceny dokładności podczas postoju wybrano pętle tramwajowe. Są to miejsca, w których tramwaj na pewno stoi i pozycja GPS jest znana. Do badań wybrano cztery pętle: Annopol, Wyścigi, Pl. Narutowicza i Banacha. Zostały one dobrane w taki sposób, aby można było porównać do-kładność lokalizacji na pętlach położonych w centrum miasta, jak i na przedmie-ściach. Przykładem pętli położonych „na przedmieściu” w terenie niezabudowa-nym są pętle Annopol i Wyścigi (rys. 2).
Rys. 2. Zobrazowanie położenia tramwajów w rejonie pętli Wyścigi [2] Fig. 2. A view of trams' location in the Wyscigi area terminus
Pętla Pl. Narutowicza (rys. 3) zlokalizowana jest w centrum miasta i oto-czona wysokimi budynkami. Pętla Banacha znajduje się w śródmieściu, ale w terenie otwartym i nie jest otoczona bardzo wysokimi domami.
Znając współrzędne GPS przystanka i bieżące położenie tramwaju, wyzna-czono błąd lokalizacji położenia:
2 2 ) ( ) (X X Y Y d i i (1) gdzie: d – błąd lokalizacji [m],
X i Y – rzeczywiste współrzędne przystanka [m], Xi i Yi – współrzędne i-tego tramwaju na przystanku [m].
5779650 5779700 5779750 5779800 5779850 5779900 5779950 5780000 501050 501100 501150 501200 501250 501300
Z otrzymanego w ten sposób zbioru błędów położenia obliczono średnią arytmetyczną błędu położenia. Obliczono również odchylenie standardowe błę-du położenia. Wyniki obliczeń zostały umieszczone w tabeli 1.
Rys. 3. Zobrazowanie położenia tramwajów w rejonie pętli Pl. Narutowicza [2] Fig. 3. A view of trams' locations in Pl. Narutowicza area terminus
Tabela 1 Dokładność oszacowań położenia tramwaju na pętlach
Precision of estimations of a tram’s location in termini Pętla tramwajowa Liczebność
próby Błąd położenia wartość średnia [m] odchylenie standardowe [m] Annopol 374 10,4 8,1 Wyścigi 560 10,2 7,6 Pl. Narutowicza 510 19,3 13,8 Banacha 297 13,1 10,6
Celem kolejnej z przeprowadzonych analiz było sprawdzenie wpływu zja-wisk atmosferycznych na dokładność określania pozycji przez system GPS. W tym celu zbadano, jak rozkłada się wartość średnia i odchylenie standardowe w zależności od warunków atmosferycznych. Zaobserwowano nieznaczny wzrost średniej wartości błędu w dniach silnych opadów deszczu i śniegu.
Wykonano również ocenę błędów lokalizacji tramwajów w trakcie
prze-5785250 5785300 5785350 5785400 5785450 5785500 5785550 5785600 5785650 498700 498800 498900 499000 499100 499200
o lokalizacjach pozyskane z centrum Nadzoru Ruchu Tramwajów Warszaw-skich. Każde wskazanie położenia tramwaju wzdłuż osi torowiska jest prawdo-podobne, chociaż w rzeczywistości może być błędne. Wskazane położenie w pewnej odległości od osi torowiska jest ewidentnym błędem lokalizacji.
Rys. 4. Zobrazowanie położenia tramwajów na ul. Marszałkowskiej w rejonie ul. Hożej [2] Fig. 4. A view of trams' locations on Maraszalkowska Street near Hoza Street
Miarą wielkości błędu jest odległość położenia określona przez odbiornik GPS w tramwaju od osi torowiska. Oceniano wyniki z pociągów poruszających się po liniach tramwajowych w ciągu ul. Marszałkowskiej (rys. 4). Badano trzy odcinki tej trasy, leżące w rejonie Placu Konstytucji, ul. Hożej i ul. Świętokrzy-skiej.
Tabela 2 Dokładność oszacowań położenia tramwajów będących w ruchu
Precision of moving tramways' localization Tramwaj znajduje się
w rejonie Liczebność próby Błąd położenia wartość średnia [m] odchylenie standardowe [m] Pl. Konstytucji 252 7,8 7,4 ul. Hoża 290 10,8 9,4 ul. Świętokrzyska 219 12,7 16,5
Z przedstawionych wyników lokalizacji tramwajów przemieszczających się, wynika, że największe błędy zanotowano w rejonie ul. Świętokrzyskiej. Obszar ten znajduje się w centrum miasta i jest otoczony wysoką zabudową. Widocz-ność satelitów jest ograniczona a fale radiowe docierające do odbiorników GPS mogą być tłumione bądź też odbijane przez przeszkody, w tym przypadku
bu-5785900 5786000 5786100 5786200 5786300 5786400 5786500 500800 500850 500900 500950 501000 501050 [m] [m]
dynki. Każdy z ww. elementów ma wpływ na zwiększenie błędu lokalizacji. Wyniki lokalizacji otrzymane w rejonie Pl. Konstytucji i ul. Hożej wykazują, że istnieją na nich korzystniejsze warunki do precyzyjnego określania pozycji tramwaju w ruchu. Świadczy o tym znacznie większy udział procentowy błędu lokalizacji w przedziale poniżej 10 metrów. Natomiast błąd z przedziału powy-żej 20 metrów w analizowanych obszarach występował sporadycznie (~ 5% tylko w rejonie ul. Hożej ~ 9%).
5. Lokalizacja w systemie zarządzania ruchem pojazdów MZA
System zarządzania ruchem pojazdów MZA w Warszawie będzie złożonym systemem organizacyjnym, informatycznym, informacyjnym, łączności i lokalizacji pojazdów, stanowiąc element systemu centralnego zarządzania ru-chem [4].
Rys.6.1.
Rys. 5. Koncepcja systemu zarządzania ruchem pojazdów MZA [4] Fig. 5. A concept of trams traffic management system
System ten przewidziany jest dla 1400 pojazdów: autobusy, pogotowia techniczne, nadzór ruchu. Zakłada się, że system będą tworzyły cztery podsta-wowe elementy funkcjonalne:
infrastruktura komunikacyjna (łączność radiowa dalekiego zasięgu, pro-tokoły wymiany informacji, łączność bliskiego zasięgu);
Centrum Dyspozytorskie Nadzoru Ruchu;
urządzenia przewoźne, w tym odbiorniki GPS instalowane w
autobu-sach, pogotowiach technicznych i radiowozach nadzoru ruchu.
System będzie współpracował z systemami informacyjnymi dla pasażerów w pojazdach i na przystankach, a także z systemem wymuszania priorytetów dla pojazdów komunikacji miejskiej na skrzyżowaniach z sygnalizacją. Lokalizacja pojazdów w mieście realizowana będzie z zastosowaniem procedury trzystop-niowej. W pierwszym etapie zakłada się wykorzystanie ogólnodostępnego sys-temu nawigacji satelitarnej GPS (DGPS). Informacja ta będzie służyła wstępnej lokalizacji i identyfikacji zespołu przystankowego, w rejonie którego pojazd się znajduje.
W następnym etapie położenie zostanie określone na podstawie sygnałów z licznika drogomierza. Ta informacja będzie podstawą do podejmowania decy-zji przez autokomputer w pojeździe.
Trzecim etapem określania (weryfikacji) położenia pojazdu jest sygnał z układu otwierania i zamykania drzwi.
Podsumowanie
Do ogólnych analiz systemów lokalizacji pojazdów wykorzystano informa-cje opublikowane w pracy [3]. Zawierają one zestawienie 76 firm, oferujących systemy dla różnych środków transportu takich jak: pojazdy ciężarowe, autobu-sy, pojazdy komunalne, pojazdy uprzywilejowane, taksówki i inne. Należy tutaj jednak zastrzec, że większość firm nie koncentruje się na jednym rozwiązaniu technicznym, oferując różne metody rozwiązania tego samego zagadnienia. Z analizy budowy systemów można wywnioskować, że zdecydowanie prefero-wane jest wykorzystanie kanałów transmisji cyfrowej a najczęściej wykorzy-stywanym systemem lokalizacji pojazdów jest GPS.
Sygnał satelitarny GPS jak każdy sygnały radiowy podlega zakłóceniom. Na zakłócenia najbardziej czułe są starsze odbiorniki, których anteny nie są wyposażone w odpowiednie filtry. Odbierają one często sygnały w paśmie od 800 MHz do 2,5 GHz. Źródeł zakłóceń w tym paśmie częstotliwości może być wiele. Najbardziej rozpowszechnionym źródłem są stacje przekaźnikowe telefo-nii komórkowej i sieci transmisji danych, których największe skupisko znajduje się na obszarach silnie zurbanizowanych. Innym ważnym źródłem zakłóceń są stacje radiolokacyjne.1 Należy również pamiętać, iż umieszczone na dachach tramwajów anteny odbiorników pracują pod silnym polem elektromagnetycz-nym linii zasilającej trakcję.
Inną przyczyną błędów lokalizacji jest absorpcja sygnału GPS przez większość powierzchni, dlatego w obszarach zurbanizowanych innym ważnym
źródłem zakłóceń jest wysoka zabudowa centrum miasta, jak również niższa zabudowa przedmieść.
Współczesne budownictwo opiera się głównie na konstrukcjach żelbetono-wych, które w znacznym stopniu mogą pochłaniać sygnał z satelity lub przesła-niać widoczność konstelacji satelitów. Dobrą ilustrację tego faktu dały pomiary wykonane w rejonie wiaduktu drogowego skrzyżowania ul. Chałubińskiego i Al. Jerozolimskich. Odbicia fal radiowych powodują wielotorowość sygnałów sateli-tarnych, a przez to wydłużenie czasu, w którym fala przebywa drogę od satelity do odbiornika, co ma wpływ na dokładność uzyskanych wyników.
Literatura
1. Chesnoy A., Bense D., Briolat C., Radio positioning of Mobiles in a Densely Built up Urban Area and Applications to RATP Bus Fleet Man-agement and Passenger Information, Materiały firmy SAGEM S.A. 2. Cieślak A., Materiały seminarium dyplomowego studenta specjalizacji
ste-rowanie ruchem drogowym Wydziału Transportu PW, 2003.
3. Scrase R., Intelligent Fleet Management, ITS International – The journal of advanced transport infrastructure No. 13, Nov/Dec 1997, pp.82-84. 4. Suda J., Prospects for GNSS In Telematics Systems In Warsaw, referat na
Workshop “Multifunctional GNSS Reference Station System for Europe” BERLIN 4-5.03.2002. Materiały niepublikowane.
5. Suda J., Lokalizacja pojazdów w systemach zarządzania miejską komunika-cją publiczną, w II Konferencji Naukowo-Technicznej „Systemy Transpor-towe Teoria i Praktyka”, Wydział Transportu Politechniki Śląskiej Katowi-ce 8 września 2004 r. KatowiKatowi-ce, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej nr 162, str. 465 – 473.
6. Zakłócenia sygnałów GPS, Materiały firmy Navi www.navi.pl/Zakłócenia GPS.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. Recenzent
dr hab. inż. Jacek Januszewski, prof. AM w Gdyni
Adres Autora dr inż. Józef Suda
Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Zakład Sterowania Ruchem Drogowym
