Мобильная система мониторинга состояния дорожного полотна и скоростного режима автомобиля на основе беспроводных каналов связи

практически вдвое уменьшить погрешность (кривая 2) по отношению к методу вычисления путем непосредственного деления оценок длин векторов информационных и опорных сигналов (кривая 1). При этом инвариантная система уступает в помехоустойчивости эквивалентной неинвариантной системе приблизительно 2 дБ.

Для безыскаженной передачи информации возможно использование инвариантов групп преобразований, характеризующих канал связи.

В инвариантных системах связи для вычисления оценок информационных элементов применимы алгоритм непосредственного деления оценок длин векторов информационных и опорных сигналов и метод максимального правдоподобия

список литературы

в сочетании с последовательным накоплением и усреднением оценок длин векторов опорных сигналов.

Полученные формулы позволяют рассчитать условные плотности вероятности погрешности оценок для алгоритма непосредственного деления и для метода максимального правдоподобия.

Как показывают результаты статистического моделирования, метод максимального правдоподобия в диапазоне отношений сигнал/шум от нуля до 30 дБ обеспечивает двукратное уменьшение погрешности оценок информационных элементов по сравнению с методом непосредственного деления. По отношению к неинвариантной эквивалентной системе проигрыш в помехоустойчивости составляет около 2 дБ.

1. Ибрагимов, Н.Х. Группы преобразований в математической физике [Текст] / Н.Х. Ибрагимов. -М.: Наука, 1983. -С. 7-25.

2. Лебедянцев, В.В. Разработка и исследование методов анализа и синтеза инвариантных систем связи:

Дис. ... д-ра техн. наук [Текст] / В.В. Лебедянцев. -Новосибирск: Сибирский гос. ун-т телекоммуникации и информатики, 1995. -С. 81-269.

3. Ефимов, Н.В. Высшая геометрия [Текст] / Н.В. Ефимов. -М.: Наука, 1978. -С.421-440.

УДК 629.067:629.113.017

Р.И. Хасанов, Г.В. Закревский, Р.Р. Галимов, Т.З. Аралбаев

МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА И СКОРОСТНОГО РЕЖИМА АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ БЕСПРОВОДНыХ КАНАЛОВ СВЯЗИ*

Один из основных принципов обеспечения безопасности дорожного движения - переход к интеллектуальным транспортным системам (ИТС). Стремление обеспечить безопасность всех участников дорожного движения привело к появлению множества ИТС, отличающихся как по принципам действия, так и по методам эксплуатации. Особое место среди них занимают компьютерные системы мониторинга состояния (КСМС) дорожного полотна и скоростного режима автомобиля, получившие широкое распространение в зарубежных транспортных средствах. На сегодняшний день эти системы отсутствуют для автотранспортных средств, стоимость которых не превышает 450 тыс. руб. Данный сегмент рынка занимают следующие российские, европейские, китайские и корей-

* В порядке обсуждения

ские автомобили: LADA KALINA, PRIORA, GEELY, CHANCE, DAEWOO, KIA SPECTRA, PEUGEOT 107, FIAT PANDA, ALBEA, CHEVROLET SPARK. Актуальна задача разработки и внедрения КСМС для автомобилей, не оснащенных данными системами, количество которых в России составляет несколько десятков миллионов единиц.

По данным официального сайта [1] государственной автоинспекции МВД России за 2010 г. в Оренбургской области произошло 2901 дорожно-транспортное происшествие (ДТП), в котором 3723 человек получили ранения, 356 человек погибло. На дорогах Оренбургской области вне населенных пунктов произошло 1099 ДТП, что составляет 37,88 % от общего числа происшествий.

Представленные на сайте результаты Парето-анализа позволили сделать следующий вывод:

Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2011 ^ Информатика. Телекоммуникации. Управление

в 87,86 % случаях ДТП произошли по вине водителей и из-за неудовлетворительного состояния дорог области. К основным видам нарушений со стороны водителей относятся: несоответствие скоростного режима АТС конкретным дорожным условиям и превышение скоростного режима АТС при установленных дорожных знаках, регламентирующих скоростной режим.

Анализ публикаций по данной тематике показал, что в настоящее время ведутся активные исследования по поиску новых средств аттестации водителей в процессе эксплуатации АТС [6, 7], разрабатываются методы идентификации категории и транспортно-эксплуатационного состояния ДП [2, 3], контроля технического состояния АТС [5], результаты разработок внедряются в КСМС.

Однако существующие КСМС недостаточно полно и эффективно учитывают:

возможность заблаговременного получения автодорожной информации и выбора соответствующего режима эксплуатации АТС;

возможность использования унифицированных штатных датчиков и устройств, имеющихся в АТС, для снижения стоимости всей системы;

необходимость обеспечения водителей достоверной информацией при выборе режимов эксплуатации автомобиля, когда установленные дорожные знаки, регламентирующие скоростной режим, не соответствуют изменению качества ДП

(выбоины, гребенка) или сезонным условиям (гололед, дождь).

Цель статьи - повышение безопасности дорожного движения на основе компьютерной поддержки водителей в процессе эксплуатации АТС с использованием беспроводной системы связи (БСС). Для достижения поставленной цели определена организация и архитектура мобильной аппаратно-программной системы для регистрации и обработки данных о состоянии ДП и скоростном режиме АТС, и передачи их другим участникам дорожного движения с использованием БСС, а также разработан экспериментальный вариант - прототип системы.

Структурная схема системы представлена на рис. 1.

Входными данными для системы являются: вектор значений сигналов S от датчика скорости и торможения АТС, вектор G = {p, r} продольных и поперечных уклонов ДП от датчика угла наклона ДУГ51-Р11, координаты широты и долготы местоположения АТС по данным автомобильной навигационной подсистемы SIM18EVB KIT для GPS-навигатора.

Потоки измерительной информации определяются перечнем датчиков и режимами работы средств регистрации и обработки данных. Оценка состояния ДП и выбора безопасного скоростного режима осуществляется в автоматизированном

Рис. 1. Структурная схема мобильной системы мониторинга состояния дорожного полотна

и скоростного режима автомобиля

режиме на основе соответствующих аналитических выражений и методик, представленных в [5-7], и разработанных авторами алгоритмов и аппаратно-программных средств [2, 3]. Использование автомобильной навигационной подсистемы позволяет осуществлять привязку дорожной информации к конкретному участку ДП и рассчитывать оценку коэффициента буксования по методике, предложенной в [5].

Аппаратная часть подсистемы измерения данных о ДП и АТС содержит: датчик скорости автомобиля ВАЗ-21140, двухкоординатные датчики продольного и поперечного угла наклона ДУГ51-Р11, GPS-навигатор SIM18EVB KIT и активную GPS антенну.

Сопряжение датчика ДУГ51-Р11 с ноутбуком RoverBook Nautilus Z500+ осуществлялось через USB интерфейс с использование адаптера связи AC-232. Сопряжение датчиков торможения и скорости АТС происходило через LPT интерфейс компьютера с использованием адаптера, в состав которого входит фильтр верхних и нижних частот, триггер Шмидта. Для непрерывного питания портативной аппаратуры использован преобразователь напряжения на 300 Вт для получения электропитания переменного тока напряжением 220 В от аккумуляторной батареи АТС.

Датчики угла наклона устанавливались на задней оси и в кузове АТС, что позволило оценить углы наклона ДП, а также колебания кузова в зависимости от характеристик дороги и квалификации водителя. Регистрация скорости производилась непосредственно с выхода датчика скорости, что позволило оценить «колесный» путь автомобиля с точностью до нескольких десятых долей метра. Для управления системой и предоставления результатных данных водителю АТС в прототипе использован Нетбук ASUS модели Eee PC 700.

Программная часть системы включает программы сбора, регистрации и обработки данных

от первичных измерительных преобразователей, обработки данных GPS-навигатора, вычисления оценок характеристик ДП и определения категории дороги, вычисления безопасной скорости движения АТС и обмена данными по беспроводному каналу связи между основными элементами системы на платформе ZigBee.

Основные технические характеристики системы:

количество осей измерения угла наклона - 2; диапазон измерения угла наклона по каждой оси от -55° до +55°;

погрешность измерения угла наклона ±0,3°; период получения данных с датчика ДУГ51-Р11 составляет 0,25 мс;

период получения данных с GPS-навига-тора - 1 с;

дискретность заполнения базы данных о состоянии АТС и ДП задается пользователем, по умолчанию составляет 2 с.

Разработанные аппаратно-программные средства позволяют реализовать различные конфигурации систем мониторинга состояния ДП и скоростного режима АТС. Топологическая схема одного из вариантов представлена на рис. 2.

На рисунке автомобили «АТС_01» и «АТС_02» обмениваются данными о состоянии ДП и скоростном режиме АТС, для пройденных ими отрезков ДП, соответственно, /1 и /2. Обмен данными для обеспечения требуемой достоверности информации производится через диспетчерский пункт в зоне прямой видимости беспроводных средств ZigBee.

Разработанная система обеспечивает стабильный обмен автодорожной информацией при прямой видимости в радиусе до 300 м при использовании ZigBee-модемов ETRX2-PA компании Telegesis со встроенными антеннами [4]. Достигнутая экспериментально скорость передачи данных о состоянии ДП и скоростном режиме

Рис. 2. Топологическая схема обмена автодорожной информацией между участниками дорожного движения на основе технологии ZigBee

Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2011 Информатика. Телекоммуникации. Управление

Фрагмент оцениваемых параметров ДП «Оренбург - Орск»

Число Пройден- Угол Угол Оценка

импульсов Широта Долгота ный наклона наклона коэффи-

датчика град, мин, с град, мин, с путь по продольный, поперечный, циента

скорости GPS, м градусы градусы буксов.

9 51° 57' 53,754'' 55° 10' 53,058'' 0 -0,2856 -1,0934 0

13 51° 57' 53,736'' 55° 10' 53,040'' 0,6539 -0,4301 -1,0934 0,9992

33 51° 57' 53,712'' 55° 10' 53,022'' 0,8175 1,5659 -1,6442 0,2498

114 51° 57' 53,478'' 55° 10' 52,770'' 8,6863 12,5151 -6,57 0,6554

261 51° 57' 52,908'' 55° 10' 52,158' 21,1395 12,2417 -1,7809 0,8790

441 51° 57' 52,176'' 55° 10' 51,318' 27,7316 5,7768 -2,8785 0,9417

652 51° 57' 51,318' 55° 10' 50,274'' 33,1740 7,3003 -2,4645 0,9610

885 51° 57' 50,358'' 55° 10' 49,140'' 36,7302 6,3315 -2,0543 0,9635

1134 51° 57' 49,314' 55° 10' 47,892'' 40,1111 3,5385 1,2464 0,9846

1394 51° 57' 48,252'' 55° 10' 46,488'' 42,3784 3,5385 3,4612 0,9962

АТС составляет 400 бит/с. Выбор технологии ZigBee обусловлен оперативностью и экономичностью развертывания подсистем обмена информацией, а также относительно малыми эксплуатационными затратами.

В таблице представлен фрагмент параметров о ДП и АТС, который передается в реальном времени по БСС с использованием технологии ZigBee. Перечень параметров позволяет оценить следующие характеристики: скорость и ускорение АТС, координаты местоположения, моменты нажатия водителем на педали акселератора и тормоза, поперечные и продольные углы ДП, колебания кузова АТС в двух плоскостях при его движении.

Разработанный прототип системы был апробирован в условиях, приближенных к реальным, на автомобиле ВАЗ-21140. Оценка характеристик ДП и организация автодорожного обмена выполнялась на автодроме ГОУ ОГУ; на участке с 3 по 5 км загородного шоссе г. Оренбурга; на участке с 795 по 816 км автомобильной трассы «Оренбург - Орск».

Основные достоинства разработанной системы:

обеспечение водителей оперативной и достоверной автодорожной информацией для выбора безопасных режимов эксплуатации АТС за счет использоания БСС;

использование унифицированных штатных датчиков и устройств, имеющихся в АТС;

снижение риска аварийной ситуации, связанного с влиянием состояния ДП и АТС, за счет повышения информативности данных, предоставляемых водителю.

Отличительная особенность представленной системы - использование в составе подсистемы оценки состояния ДП и выбора скоростного режима оригинальной модели, а также устройства автоматического распознавания категории дороги и выбора безопасной скорости [2, 3], позволяющих повысить производительность вычислений параметров и сократить время на подготовку оперативной информации.

список литературы

1. Официальный сайт государственной автоинспекции МВД России [Эл. документ] / Режим доступа: http://www.gibdd.ru/ (Проверено 05.05.2011).

2. Хасанов, Р.И. Оценка качества дорожного полотна на основе ассоциативной модели распознавания образов [Текст] / Р.И. Хасанов, Т.З. Аралбаев // ИТ-НОП-2010: Матер. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Орел: ОрелГТУ, 2010. -Т. 3 -С. 345-349.

3. Решение о выдаче патента на изобретение № 2010116601/08 РФ, МПК Устройство распознавания образов [Текст] / Р.И. Хасанов, М.З. Масягутов, Т.З. Аралбаев; опубл. 08.04.2011.

4. Кривченко, Т. ZigBee-модемы ETRX компании Telegesis [Текст] / Т. Кривченко // Беспроводные технологии. -2006. -№ 2. -С. 28-30.

5. Методика оценки безопасности движения и транспортных качеств автомобильных дорог [Текст]. - М.: Высш. шк., 1971. -86 с.

6. Ходес, И.В. Приоритетные направления повышения безопасности АТС за счет свойств управляемости в системе ВАД [Текст] / И.В. Ходес, Нгуен Тхе Мань // ААИ: Матер. Междунар. науч.-техн. конф. Автомобиле-и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров. -Волгоград: ВГУ, 2010. -С. 323-335.

7. Патент № 85405 Российская Федерация, МПК Устройство ограничения скорости автомобиля в зависимости от динамических характеристик, массогеоме-трических параметров и дорожного профиля [Текст] / И.В. Ходес, П.Г. Егоров, А.Н. Дербенцев; опубл. 10.08.2009, бюл. № 22.