Архитектура современных зарубежных интеллектуальных транспортных систем

АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ

УДК 656.13.08

В.И. Нестеров, А.В. Косолапов

АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННЫХ ЗАРУБЕЖНЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

В США Федеральная программа Интеллектуальных транспортных систем (ИТС -Intelligent Transportation Systems (ITS)) возникла в результате принятия Закона об эффективности интермодального наземного транспорта ISTEA (Intermodal Surface Transportation Efficiency Act) в 1991 г.

Десятилетие исследований, испытаний, попыток применений различных вариантов систем на различных уровнях управления привело к созданию, в частности, следующих проектов:

- усовершенствованные системы информации для участников дорожного движения (Advanced Traveler Information Systems (ATIS)),

- усовершенствованные системы управления дорожным движением (Advanced Traffic Management Systems (ATMS)),

- усовершенствованные системы управления движением общественного транспорта (Advanced Public Transportation Systems (APTS)),

- усовершенствованные системы управления движением на загородных автомобильных дорогах (Advanced Rural Transportation Systems (ARTS)),

- эксплуатация коммерческих транспортных средств (Commercial Vehicle Operations (CVO)),

- усовершенствованные системы управления и безопасности автомобиля (Advanced Vehicle Control and Safety Systems (AVCSS)),

- автоматизированные системы загородных автомобильных дорог (Automated Highway Systems (AHS)),

- система предотвращения столкновения (Collision Avoidance System (CAS)).

В 2003 г. администрация США обнародовала план под названием SAFETEA (Safe, Accountable, Flexible and Efficient Transportation Equity Act - Закон о безопасных, ответственных, гибких и эффективных перевозках), по которому за 6 лет должно быть потрачено 247 миллиардов долларов на поддержание существующей

транспортной инфраструктуры и финансирование новых проектов.

Прошлый план - Закон о перевозках в 21 веке (Transportation Equity Act for the 21st Century, сокращенно TEA-21) - был принят в 1998 году. Основной целью его было объединить разрозненные программы государственного финансирования перевозок в единый пакет. Бюджет TEA-21 составлял 218 миллиардов долларов.

SAFETEA продолжает традиции TEA-21, увеличивая государственные расходы еще почти на 30 миллиардов в течение 6 лет.

Министерство транспорта США опубликовало в мае 2003 года “Отчет по выгодам и затратам в ИТС”, в котором подытожило всю имеющуюся на данный момент информацию по этому вопросу. В нем собраны не только различные инициативы по улучшению управления движением на автомобильных дорогах, но и детальные затраты по специально разработанной классификации.

Современные проекты ИТС в США наиболее часто делятся на категории именно в соответствии с финансированием, вы-

деленным в рамках бюджета TEA-21:

• “Умная” инфраструктура:

- городская,

- загородная,

- коммерческих автомобилей (грузовиков и рейсовых автобусов);

• “Умные” типы транспортных средств:

- легковые автомобили,

- городские автобусы для перевозки пассажиров,

- грузовики,

- спецтранспорт (скорая помощь, полиция, коммунальные службы);

• Исследования и обеспечивающие технологии.

Ведущими организациями мира, которые разрабатывают разные подходы к архитектурам автомобильных ИТС, можно назвать:

- ITS America - Общество “умных” перевозок Америки (Intelligent Transportation Society of America). Единая национальная архитектура ИТС США, которая де-факто становится и стандартом для стран NAFTA;

- ERTICO - Европейский альянс по созданию и координации системы дорожной телематики (European Road Telematics Implementation Coordination Organization). Международная частно-государственная некоммерческая организация по “умной” транспортной системе и сервисам (International public-private partnership for Intelligent Transport System and Services). Европейская модель ИТС, сразу предусматривающая различия в архитектурах ИТС разных стран;

- ITS Japan - аналогичная ITS America и ERTICO частногосударственная организация Японии;

- ряд других сходных национальных организаций (ITS

Taiwan, ITS Australia, ITS China, ITS Argentina, ITS Germany и т.д.), устроенных по похожему принципу частно-государственной кооперации.

Деньги в этой кооперации

государства выделяют на:

- разработку стандартов;

- продвижение стандартов и идеологии ;

- реализацию пробных

проектов, постепенно перехо-

дящую в реализацию типовых проектов.

Важно отметить, что вся структура управления движением в ИТС создается как набор стандартов - архитектур ИТС, позволяющих транспортным средствам, центрам управления движением, дорожной инфраструктуре и т.д. объединяться в единую систему несмотря на то, что все отдельные части этой системы поставляют различные рыночные организации, конкурирующие между собой.

Весь прогресс в области управления и организации дорожного движения на сегодня отражается именно в совокупности архитектур ИТС. Процесс их разработки крайне сложен и вовлекает тысячи людей, а также значительные частные и государственные средства.

Поскольку ИТС, по сути, являются программно-аппаратными комплексами, при их создании используются самые современные методы создания больших аппаратных комплексов. Для обеспечения интеграции этих программно-

аппаратных комплексов и разрабатываются так называемые архитектуры ИТС - набор стандартов, которым должна удовлетворять любая реализация на любой местности. Эти национальные и региональные архитектуры ИТС существуют сейчас во всех странах (в США появилась уже пятая версия такой архитектуры) и обязательность их соблюдения утверждается нормативно. Без наличия такой архитектуры просто нельзя ожидать, что различные подсистемы системы управления движением (например, подсистема видеонаблюдения за перекрестками, подсистема обеспечения безопасности железнодорожных переездов и подсистема обеспечения регулирования выездов на магистрали) будут работать согласованно.

При разработке и внедрению архитектур ИТС чаще всего возникают следующие трудности:

- их чрезвычайно трудно

разработать, а после разработки они понятны только разработчикам. Поскольку разработчики архитектур не могут принять участие во всех реализациях этих архитектур, возникают большие проблемы;

- чиновников различных рангов трудно убедить в необходимости соблюдения стандартов архитектур: они рассматривают каждый отдельный проект по автоматизации как отдельный акт финансирования и занижают реальную цену ровно на возможность последующей интеграции с другими проектами;

- архитектуры ИТС используют различные механизмы своей собственной разработки и зачастую не только современные, но и сильно устаревшие, обеспечивающие более низкую степень интеграции и сложность в разработке.

Учитывая формальный характер архитектур ИТС, их создание и сопровождение требует специальных программных средств, которые делаются доступными разработчиками. Архитектуры ИТС носят довольно общий характер и могут уточняться в районах внедрения ИТС. Такие районные уточнения интегрируются в архитектуру ИТС при помощи этих специальных программных средств.

Архитектуры ИТС в Европе уже начали разрабатываться отдельно для каждого вида транспорта, вместо того чтобы разрабатывать общую архитектуру всей транспортной системы. Предполагается, что системы ИТС разных видов транспорта будут объединяться с использованием специальных интерфейсов, а не путем общих принципов разработки.

Архитектуры ИТС являются сейчас главным механизмом интеграции национальных усилий по созданию ИТС и экономии денег и времени на интеграционных усилиях.

Архитектуры ИТС основываются на изучении “сценариев использования” сервисов ИТС и

поэтому всегда можно сказать, какие качественные выгоды будут получены от внедрения тех или иных подсистем.

Главным в реализации архитектур ИТС считается сейчас применение таких инфокумму-никационных технологий, которые позволят повысить пропускную способность на существующих автомобильных дорогах, а именно, увеличить среднюю скорость движения и сократить дистанции между транспортными средствами без роста аварийности за счет систем предотвращения столкновений и совершенствования средств инфраструктурной поддержки видов транспорта (такие системы должны быть готовы к массовому производству для автомобилей уже к 2007 году).

Шесть целей, сформулированных министерством транспорта США для программы национальной ИТС, представлены ниже.

1. Повышение эффективности транспортной системы. Относится к движению большого количества автомобилей по транспортной сети без экстенсивного расширения физической инфраструктуры. При этом увеличивается эффективная пропускная способность существующих дорог, избегая необходимости нового строительства.

2. Повышение подвижности

и мобильности: повышение

подвижности водителей обеспечивается за счет возросшей надежности во время движения и/или уменьшения задержек при движении, испытываемых пользователями системы. Известные заранее более точные временные затраты на поездки приводят к возможности повышения числа более длительных поездок. Эта цель относится к тем переполненным транспортом регионам, органы управления транспортом которых желают влиять и на спрос, и на возможность роста подвижности индивидуумов и ускорения перемещения товаров за счет более эффективного использования

единых транспортных систем.

3. Уменьшение потребления

топлива и снижение загрязнения окружающей среды. Относится к сокращению вредных выбросов транспортных

средств.

4. Повышение безопасно-

сти. Относится к повышению безопасности, которую водители испытали бы при движении по транспортной сети из-за усовершенствований оборудова-

ния, обеспечивающего безопасность, и более быстрого обнаружения мест ДТП и уменьшения времени реагирования и оказания помощи в них. Технологии ИТС, которые обеспечат преимущества от повышения безопасности, включают в себя регулирование движения на железнодорожных переездах,

безопасность движения транзитного транспорта и обеспечение своевременного получения информации о ДТП.

5. Увеличение производительности при выполнении транспортной работы: это -универсальная цель, которая может быть особенно привлекательна для индивидуумов, общественных организаций и частных компаний, которые ставят в прямую зависимость эффективность транспортировки с успехом в бизнесе.

6. Создание окружающей среды для рынка ИТС. Эта цель непосредственно затрагивает характеристики архитектуры системы и ее развертывания. Новые товары и услуги, вероятно, приведут к росту индустрии ИТС. Ожидается, что рынок для развертывания систем ATIS и AVСSS, является большим, чем рынок для ATMS и APTS. Успех новых обеспечивающих отраслей промышленности для этих систем зависит от степени открытости архитектуры, не ограничивает стратегию развертывания и поощряет новации.

ITS America, как ведущая в отношении мировых стандартов организация, в своей национальной архитектуре ИТС для автомобильного транспорта определяет компоненты интег-

рированной системы и их взаимосвязи (рис. 1).

Основу физической архитектуры в настоящее время определяют четыре системы, которые включают в себя 22 подсистемы.

Система "центров” имеет дело с функциями, которые обычно приписываются администрациям общественных / частных компаний, управлениям или планирующим органам. Например, подсистема управления движением обрабатывает данные о дорожном движении и обеспечивает основное движение и сопутствующие услуги управления через дорожную сеть и другие подсистемы. Центры обеспечивают управление, административные функции. а также обеспечивающие функции для транспортных систем. Каждый центр связывается с другими подобными центрами для обеспечения координации способов и направлений работы.

Система “участников дорожного движения” разработана так, чтобы обеспечить доступность для населения необходимой информации, которая может помочь в выборе оптимальных маршрутов. Например, при перемещении по городу на общественном транспорте можно получить информацию о времени прибытия или отправления следующего рейсового автобуса. Житель пригорода может получить информацию о наличии свободных мест в транзитных автобусах. Эти системы получают информацию из центров управления движением как общественным, так и транзитным транспортом. Причем оборудование позволяет получать информацию как до, так и во время поездки от разных поставщиков.

Элементы системы “автомобиль” установлены непосредственно в транспортных средствах. Например, подсистема

коммерческих транспортных средств хранит данные о безопасности движения, количестве и состоянии парка подвижного

состава и другой регулирующей информации, чтобы ускорить оборот коммерческого транспортного средства. При взаимодействии с дорожной сетью коммерческое транспортное средство контролируется в пунктах погрузки-разгрузки или других контрольных точках.

Система “дорожной сети”, являясь интеллектуальная инфраструктурой, распределенной по всей транспортной сети, обеспечивает функции, которые требуют удобного доступа к локальным объектам на дорожной сети для монтажа и обеспечения работы датчиков, светофоров, управляемых знаков или других технических средств регулирования для управления водителями и транспортными средствами всех типов. Например, подсистема сбора платежей, взаимодействуя с электронными признаками, которыми обладает транспортное средство, кроме сбора оплаты проезда еще и позволяет опознавать нарушителей. Выполняя наблюдение за движением, дорожная сеть обеспечивает информационное условие функции управления движением. Функционирование дорожной сети управляется системами центра.

Внутренние информационные связи и стандарты в системе разрабатываются на следующих уровнях.

Центр управления - Дорога: обеспечение связи между центром управления перевозками или движением и дорожным оборудованием, регулирующим дорожное движение. Области применения этих интерфейсов -мониторинг и накопление данных о дорожном движении, дорожные знаки с изменяющимися сообщениями, экологический мониторинг, управление въездами на шоссе, светофоры, датчики на транспортной сети, видеонаблюдение.

Центр - Центр: включает стандарты обеспечения связи между центрами управления перевозками и движением. Сюда также относятся коммуникации, необходимые для общест-

венного транспорта. Области применения этих стандартов -архивирование данных, реагирование на ДТП, координация с железными дорогами, управление движением, управление движением общественного транспорта, информация для участников дорожного движения.

Центр - Автомобиль (водитель): обеспечение связи между центрами управления перевозками и движением и водителями автомобилей или путешественниками, планирующими поездки. Эта категория стандартов также включает коммуникации, необходимые для координации между центрами управления движением общественного транспорта и их подвижными единицами. Области применения этих стандартов - сигналы бедствия, коммуникации общественного транспорта, информация для путешественников.

Дорога - Автомобиль: стандарты обеспечения беспроводной связи между оборудованием автомобильной дороги и автомобилями на дороге. Области применения этих стандартов -сбор оплаты, сигналы приоритетов проезда и т.д.

Дорога - Дорога: обеспечение связи между, например, железнодорожным оборудованием и оборудованием автомобильных дорог. Область применения этих стандартов - пересечение автомобильных и железных дорог.

Проект по разработке этих стандартов непосредственно финансировался в 2002 г. в объеме $11,5 млн., не считая многих других источников финансирования в силу специфики работы по стандартизации.

Важно отметить, что архитектуры ИТС даже на одном автомобильном транспорте в каждой стране имеют свои особенности - поэтому, несмотря на преимущественно государственное финансирование подобных проектов, в них наблюдается существенное разнообразие. Это во многом определяется и тем, что формальных связей

между организациями ИТС разных стран почти нет, если не считать нескольких комиссий и ежегодного мирового конгресса по ИТС (проводится с 1994 г. под патронажем ERTICO, ITS America и ITS Japan), где участники обмениваются международным опытом.

Вот классификация продуктов и сервисов, используемых для создания ИТС (из бизнес-плана рабочей группы 204 ISO по разработке “межбортовых” стандартов для автомобильного транспорта):

1. Информационные и ин-формационно-советующие системы для путешественников. Беспроводные продукты и услуги для транспортных средств

Оборудование поддержки функций внутри транспортных средств

Оборудование надзора и мониторинга

2. Организация и управление движением. Инфраструктура дороги.

Электронные знаки, сигналы и управление ими

Оборудование надзора и мониторинга

Коммерческие устройства считывания признаков автомобилей

Оборудование поддержки функций внутри транспортных средств (для обнаружения и

передачи состояния окружающей среды и дороги, плотности движения и тому подобной информации для использования бортовыми устройствами безопасности и управления

3. Продукты внутри транспортного средства [примечание: стандарты для технологий, полностью сосредоточенных внутри транспортного средства в целом в ответственности рабочей группы 22 ISO] (In-vehicle products [Note: standards for

technology completely selfcontained in the vehicle is generally the responsibility of ISO/TC 22.])

Продукты внутри транспортных средств, обеспечивающие безопасность, эффективность и управление

Продукты внутри транспортных систем и мобильные/ переносные мультимедийные продукты

Транспондеры и другие коммуникационные устройства для отслеживания коммерче-

ских транспортных средств, автоматизированного пересечения границ и проверки признаков, а также других операций коммерческих транспортных средств (Transponders and other communications devices for commercial vehicle tracking, automated border crossing and credential checking, and other commercial vehicle operations).

4. Системы управления грузовым и пассажирским парком, включая, где возможно, железную дорогу, автобусы, паромы и т.д.

Управление загрузкой

Логистика (Logistics) Маршрутизация, включая

интермодальные взаимодействия

Диспетчеризация и надзор

Управление чрезвычайными ситуациями

Интерфейсы с органами регулирования

5. Системы управления общественным транспортом

Специфические функции общественного транспорта: соблюдение расписания, надзор за водителями и пассажирами и средства оповещения, система сбора платы и т.д. (Specific Public Transport functions: schedule adherence, driver and passenger

safety surveillance and alert, fare collection systems, etc.).

6. Системы ответного реагирования на аварии и катастрофы (Emergency response systems).

7. Электронные платежи

Транспондеры для электронного сбора платежей и оплаты за пользование дорогой

Устройства считывания для электронного сбора платежей/платы за пользование дорогой

8. Системная интеграция

транспортного хозяйства

9. Базы данных электронных карт

Таким образом, ИТС - это применение новых и находящихся на стадии становления технологий к транспортной системе. Они включают в себя широкий массив технологий, включая электронику, компьютерное оборудование, программное обеспечение, управление и связь. Они состоят из пяти функциональных областей, в которых эти технологии применяются. Все пять областей

координируются и могут применяться на загородных автомобильных дорогах, а также в городе.

Отдельные подсистемы ИТС должны быть интегрированы в единое целое для достижения общей цели. Появление ИТС позволяет ставить вопрос о решении проблем организации перевозок и дорожного движения на качественно новом более высоком уровне. Основные направления развития ИТС состоят в улучшении социальноэкономических условий, повышении мобильности и транспортной доступности, а также эффективности использования транспортной сети и безопасности дорожного движения.

Все развитые страны с высоким уровнем автомобилизации интенсивно разрабатывают и внедряют системы управления дорожным движением, городским пассажирским транспортом и отдельными видами грузовых перевозок на основе технологий ИТС. Наиболее актуальными задачами таких систем в нашей стране и в других странах являются эффективное использование имеющийся сети дорог для компенсации все возрастающего роста автомобильного парка, числа ДТП и загрязнения окружающей среды. В г. Кемерово перспективной задачей является внедрение и использование автоматизированной радионавигационной системы диспетчерского управления пассажирским транспортом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кочерга В.Г., Зырянов В.В. Оценка и прогнозирование параметров дорожного движения в интеллектуальных транспортных системах. Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2001. - 130 с.

2. Кочерга В.Г., Зырянов В.В., Коноплянко В.И. Интеллектуальные транспортные системы в дорожном движении. Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2001. - 108 с.

3. Intelligent Transportation Systems (ITS). Architecture proceedings of a TRL international workshop. 89 May 1996

4. ITS Benefits: Continuing Successes and Operational Test Results. October 1997

5. National ITS program plan. Vol. I. First edition, March 1995

Авторы статьи:

Нестеров Косолапов

Валерий Иванович Андрей Валентинович

- докт. техн.наук, проф. , зав. каф. - канд.техн. наук, доц. каф. «Авто-

горных машин и комплексов мобильные перевозки»