Перспективы внедрения интеллектуальных транспортных систем в РК на примере города Алматы

ВВЕДЕНИЕ

На  современном этапе развития транспортных систем в Республике Казахстан, можно утверждать, что тенденция и предпочтения потребителей услуг городского общественного пассажирского транспорта (ГОПТ) предпочитают ему индивидуальные транспортные средства, что приводит к нарушениям пользования и избыточной нагрузке на городских дорожных сетей. Данные последствия требуют определенных корректировочных мер, позволяющих разгрузить дороги и обеспечить тем самым баланс по отношению к транспортной ситуации, особенно в больших городах.

Доказательством актуальности данной темы является устаревшая система регулирования транспортной ситуацией в городах РК, которую  можно назвать «светофорной». Другими словами: управление дорожными процессами осуществляется при помощи светофоров и стационарных дорожных знаков. Особо стоит остановиться на нынешней ситуации, связанной с нормативно-правовой базой. В РК на данный момент, исходя из указа президента, полностью отсутствует такая отрасль права как информационная безопасность, без которой введение телематических технологий невозможно, в связи с обработкой и передачей терабайтов информации различных форматов. Следовательно, также налицо отсутствие стандартизированных (допустимых) методов обработки и защиты данных, являющихся наиболее приемлемыми в Республике Казахстан. Исходя из этого можно сделать вывод, что в стране имеется недостаток специалистов в области информационно-телекоммуникационных технологий, что означает отставание Казахстана в данной сфере по сравнению с западно-европейскими странами. В совокупности, вышеизложенные сведения составляют свидетельство почти полной не изученности информационных систем в РК. Иначе говоря, доказывают новизну данного исследования.

Обеспечение корректным логистическим регулированием ГОПТ, дающее возможность максимально выгодной эксплуатации дорожно-транспортной базы, по крайней мере, в крупнейших городах страны. Таким образом, объектом исследования являются технологии регулирования транспортными потоками. Предметом исследования является информационно-телекоммуникационные системы телематики, известные под термином – интеллектуальные транспортные (телематические) системы (ИТС). Данные технологии направлены на централизованную передачу и обработку данных о транспортном средстве (техническое состояние, местоположение и т.п.) в режиме реального времени.

Цель  исследования заключается в изучении внедрения ИТС на ГОПТ. Задачи исследования:

• дать определение интеллектуальным транспортным системам;
• проанализировать транспортную систему РК;
• рассмотреть результаты применения ИТС на общественном транспорте на примере ряда стран;
• описать основные перспективы внедрения ИТС в Республике Казахстан.

В процессе написания данной работы были использованы такие методы научного исследования как анализ, синтез, дедукция и научное моделирование.

Теоретические и методологические основы работы – в основу научной работы легли такие принципы, как М2М – это аббревиатура «Machine to Machine», что в перводе с английского означает «от устройства к устройству», также принцип системы глобального позиционирования и четырехуровневая структура действия телематического оборудования на транспорте (уровни от 0 до 3).

Основные концепции и  проблемы транспортной телематики изучались следующими авторами: Пржибыл П. – профессор Чешского технического университета, автор множества статей и учебных пособий по внедрению интеллектуальных систем на транспорт, автор труда «Телематика на транспорте». Также большой вклад в изучении транспортной телематики внес Жанказиев С.В. – к.т.н., профессор, заместитель заведующего кафедрой «Транспортная телематика» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), один из авторов книги «Телематика на автомобильном транспорте».

Работа состоит из введения, раскрывающего методологический аппарат  исследования, двух глав, заключения и списка источников. В первой главе объясняется сущность ГОПТ в РК и основы транспортной телематики а области ИТС. Во второй главе описывается практическое применение интеллектуальных транспортных  систем повсеместно в мире, и перспективы их внедрения в РК. В заключении приведены выводы по поставленным цели и задачам. В списке источников перечислены все материалы, требовавшиеся при написании курсовой работы.

1 ГОРОДСКОЙ ОБЩЕСТВЕННЫЙ ТРАНСПОРТ

И ТЕЛЕМАТИКА

Роль  транспорта в современной экономике  главным образом определяется потребностью в нем в данной зоне, районе, регионе  и т.п. Несоответствующий современным  запросам потребителя уровень развития обстановки в сфере пассажирского транспорта может иметь негативные последствия, отражаясь после в ухудшении значений показателей национальной экономики. Данное утверждение можно доказать с помощью элементарного примера: оборудование, находящееся в плачевном состоянии с технической стороны и требующее постоянной отладки во время своей работы имеет меньшую капиталоотдачу по сравнению с новым, к тому же подвергает опасности участников трудового процесса. Исходя из первого аспекта можно сделать вывод, что при меньшей выработке уменьшается доход, соответственно налоги, поступающие в государственный бюджет также терпят упадок; и учитывая аспект угрозы безопасности людей, нельзя не принять в расчет растущий риск неоднократный покрытий форс-мажорных издержек, виной которых и окажется несоответствие качества предлагаемой услуги. К тому же посредством потери популярности общественный транспорт, в частности наземный, пострадает от резкого роста количества индивидуальных транспортных средств, создающих загруженность дорожно-транспортных сетей и впоследствии аварийные ситуации. С целью предотвратить еще большую нагрузку во время движения возникает необходимость совершенствования или же поддержания транспортных средств в надлежащем состоянии, соответствующем всем стандартам безопасности.

Вследствие  снижения уровня интереса к наземному  ГПОТ неизбежно введение длинных интервалов движения, дополнительно к чему повысится разница затрат к доходам по причине недостаточной занятости, в связи с чем, будет расти цена проездных билетов. Налицо замкнутый круг обратной связи, в результате чего индивидуальное транспортное средство становится более предпочтительным, что вынуждает нас на поиск решения проблемы, заключающейся в присутствии негативных фидбэков, что определяет необходимость применения современных транспортных (телематических) технологий.

1.1 Общественный транспорт РК

Пассажирские  перевозки – важная составляющая деятельность автомобильной отрасли [1, 219]. Как наиболее доступное и массовое средство передвижения в условиях казахстанских городов пассажирский транспорт играет важную социальную роль. В результате перехода Казахстане на рыночные отношения ГОПТ адаптировался к новым условиям работы. Конкурентная срела обеспечивает нормальные условия для работы пассажирского транспорта общесго пользования. Более того, как показывает практика последних лет, эта среда позволяет самосовершенствоваться всей системе городского транспорта.

Городской пассажирский общественный транспорт (ГПОТ) всегда оставался одним из главных, наряду с индивидуальным транспортом, средством передвижения. Это наглядно отражено в таблице по перевозкам всеми видами транспорта.

Таблица 1 – Перевозки пассажиров всеми видами транспорта (млн. человек)

В вышеприведенной таблице видно, что автобусный транспорт берет  на себя самую большую часть пассажиров в РК по сравнению с другими. отсюда можно сделать вывод о большой значительности автобусного транспорта в стране. Это лишний раз подтверждает то, что общественный транспорт считается одним из самых популярных видов транспорта. Из этого следует, что именно эта часть ГПОТ требует постоянного развития и улучшения качества используемых технологий на основе уже имеющегося опыта и новинок техники. Согласно статье 6 раздела 2 Закона РК «О транспорте» Государственное управление транспортом говорится, что одной из основополагающих задач государства представляется в виде разработки программ и концепций развития всех видов транспорта, в том числе и ведение научно-технической политики. Ввиду чего, можно предположить, что государство осуществляет вклады во все области транспортной отрасли РК. Однако, если сравнить уровень финансирования научных исследований с странами другими странами (Таблица 2), то исходя из нижеприведенных показателей можно предположить несоответствие современным потребностям для преодоления технического и организационно-технологического отставания отечественного транспортного комплекса. Тем самым, можно сделать вывод, что при низких инвестициях в научно-исследовательскую деятельность, и в разработку транспортных (телематических) систем будет выделяться лишь часть от данной процента из валового внутреннего продукта. Страны, представленные в таблице были выбраны только для проведения небольшого сравнительного анализа. Показатель отношения инвестиции к ВВП является наиболее объективным, так как в его основу заложен принцип пропорции, то есть не номинальный размер вкладов государства в развитие инновационно-технологической отрасли страны, на фоне других стран.

Таблица 2 – Сравнительный данные о государственном  финансировании научных исследований в отдельных странах на 2008 г.

Исходя  из данных, указанных в Таблице 2 следует, что проблема финансирования государством и транспортной науки требует кардинального решения. К нынешней ситуации в стране нужно подойти с максимальной серьезностью, и при формировании деятельности научного сектора отдавать приоритет наиболее на сегодняшний день актуальным темам и перспективным разработкам, поддерживать проектирование и реализацию новых программ на основе координации научных структур и производственных подразделений с выполнением полного цикла исследований и разработок, включая этап их реализации.

Как это уже было сказано развитие деятельности ГПОТ – одна из наиважнейших составляющей развития экономики. Если заглянуть назад и оказаться во время перестройки и экономического кризиса в первые годы независимости Казахстана имело место быть резкое снижение доходности ГПОТ ввиду нарушений хозяйственной стороны системы (поставка запасных частей, необходимых материалов) привело состояние транспорта в РК в упадок. Этим обуславливался курс на реформирование системы городского пассажирского общественного транспорта в 1994 году.

В это время требовалась очень быстрая реакция на пути восстановления экономического состояния новоиспеченной республики. Реформирование началось с взятия кредита у Всемирного банка под руководством товарищества с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт транспорта и коммуникации» (ТОО «НИИ ТК») в контакте с Министерством транспорта и коммуникаций.

Проект  состоял из долгосрочных и краткосрочных целей. Основная краткосрочная цель – восстановление функциональных возможностей предприятий ГПОТ. Долгосрочная – реализация модели функционирования ГПОТ в новых условиях хозяйствования. Проект реализовывался в городах Алматы, Караганда и Шымкент, в дальнейшем и в ставшем столицей в городе Астана. Опорным пунктом проекта был практический опыт различных стран мира. После чего пришли к выводу принять рыночную систему, где наиважнейшими регулировщиками являются конкуренция и частная собственность, в условиях которых должны были быть установлены единые тарифы ставки, обеспечивающие предельную рентабельность перевозчиков.

До  сих пор действует данная концепция  на территории страны: согласно Закону РК «О транспорте», государство не может вмешиваться в дела предприятий. В руках государства находятся (касательно ГПОТ), в основном: установка максимальных тарифов, контроль за соблюдением допустимых параметров и нормативов содержания загрязняющих веществ в выбросах при использовании транспортного средства и т.п.

Исходя  из истории развития транспорта необходимо учесть, что во время форсированного восстановления дорожно-транспортной ситуации в РК, государство искало наиболее выгодный путь выхода из кризисной ситуации. Этим выходом оказался закуп серии автобусов из Китая, которые не отвечали ни качественными параметрами, ни сроком службы запросам потребителя. после неудачного опыта с Китаем, начали завозить подержанные автобусы из Германии и других регионов Западной и Восточной Европы, которые на тот момент отличались качеством и сроком эксплуатации, которые используются и по сей день в РК. Однако в связи с моральным устареванием первого и второго родов, проситься вывод о снижении себестоимости транспортного средства, к тому же наблюдается, естественно, сокращения срока его эксплуатации. Другими словами недостаточное финансирование в сферу научной деятельности и несоответствие технических параметров автобусов и обслуживающего оборудования будут являться главными препятствиями внедрения высоких технологий на территории страны.

В последнее время отмечается значительный увеличение количества ДТП вследствие эксплуатации технически неисправного подвижного состава, что обусловлено преобладанием автохозяйств с малой численностью парка подвижного состава, экономически не позволяющей содержать необходимые структурные элементы существовавшей ранее планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта, не говоря о более прогрессивных системах. Исходя из чего чрезвычайно актуальной стала тема об экологических последствиях использования устаревшей техники, не говоря уже о безопасности остальных участников дорожно-транспортного движения. Из всего этого следуют непомерные государственные затраты на лечение раненных в ДТП (1-3% ВНП) [1, 236].

Дополнительным  пунктом в списке препятствий  внедрению ИТС в Казахстане является отсутствие такой отрасли права как информационная безопасность, как отдельной от всех других. Должно быть определено в чьи полномочия будет входить регулирование транспортных путей, т.е. кому будет предоставлен доступ к информации о дорожных сетях, ДТП, изменениях в городских масштабах, а также и перемещение средств ГПОТ и отслеживание их, во избежание от них неправомерных действий. Таких как отхождение от маршрута, нарушения правил дорожного движения, культуры обслуживания пассажиров и расхождения с рабочим графиком.

1.2 Описание интеллектуальных транспортных систем

Понятие интеллектуальных транспортных систем (ИТС) означает глобальную программу, включающую в себя ряд технологий, целью которых является обеспечение более безопасной и более эффективной работы с меньшим количеством заторов и понижения экологической нагрузки на окружающую среду. Практически можно сказать, что дело касается изменения взглядов общества, предъявляемые к объему перевозок, возрастающему количеству дорожно-транспортных происшествий и т.п.

Опыт  разных стран мира показал, что самые насущные вопросы транспорта возбуждены малой результативностью управления путевым движением, а также отсутствием соответственной информационной и телекоммуникационной базы Увеличение действенности управления дорожным движением при помощи организации автоматизации системы управления дорожным движением которые являются неотъемлемой долей интеллектуальных транспортных систем в совокупности. Интегрированная система информационного обеспечения и управления, на дороге за счет использования современных информационных и телекоммуникационных технологий и методов управления..

Пользуясь данной системой любой пользователь транспортного средства может позволить  себе:

- определять свою позицию, относительно  спутника, с помощью системы глобального  позиционирования (GPS);

- получать информацию о техническом  состоянии транспортного средства, вызывая ответственные за это  интегрированные сенсоры;

- получать системные оповещения  о текущей ситуации на автодорогах. 

Определенные  типы ИТС могут включать в себя различные местные субсистемы, ответственные за отдельные функции, такие как, системы контроля и регулирования общественным городским транспортом и проверки его движения, системы уменьшения нагрузки на транспортные сети и регулирующие пропускную способность автомобильных дорог внутри города или любой другой административной единицы внутри государства, также составным элементом ИТС может быть система оповещения граждан и планирования маршрутов для потребителей услуг транспортной отрасли. Однако особенности ИТС определяются в зависимости от конкретной транспортной ситуации в данном регионе страны, то есть от приоритетности проблем, возникающих на дорогах и особенности реализации продукта на рынке (соответствия спроса и предложения).

Главной составной частью любых ИТС является автоматизация систем регулирования дородным движением (АСР), которая берет на себя функции управления и информирования, которые выражаются следующим образом:

• контроль и регулирование потоками транспорта;
• оповещения актуальной информации соответствующих лиц;
• установка электронной системы оплаты за эксплуатацию транспортного средства;
• обеспечение соответствующих мер по безопасности и управления во время чрезвычайных ситуации.

Данные подсистемы АСР  в своей совокупности являются приспособлениями транспортной телематики, автоматизированных рабочих мест и специальных датчиков (контроллеров), соединенных в сеть обмена информации и установкой главного и местных центров по обслуживанию и управлению транспортной ситуацией в регионе, количество которых определяется нагрузкой и пропускной способностью дорог и магистралей как внутри, так и городской чертой.

Одним из важнейших индикаторов уровня развития экономической составляющей государства является обеспечение безопасной и эффективной перевозкой пассажиров и грузов. Наиболее очевидными путями развития в данной отрасли считаются строительство новых дорог и более эффективная эксплуатация уже существующих. С точки зрения большинства европейских стран первое решение в их условиях будет наименее подходящим, исходя из экологически пагубного действия на окружающую среду и высоких капиталовложений. Интеллектуальные транспортные системы – комплекс взаимосвязанных автоматизированных систем, решающих задачи управления дорожным движением, мониторинга и управления работой всех видов транспорта (индивидуального, общественного, грузового), информирования граждан и предприятий об организации транспортного обслуживания на территории региона.

Ввиду вышесказанного можно сделать вывод, что правильно отлаженная система  управления и регулирования транспортной обстановки, помогает уменьшить число  ДТП и увеличить плавность  движения средств передвижения, особенно в застроенной местности. Доказательством  эффективности и выгодности внедрения ИТС являются наглядные примеры улучшения транспортной ситуации в ряде европейских стран.

Первым  этапом внедрения системы управления транспортными потоками неоспоримо является автоматизация управления на перекрестках со светофорным регулированием. Однако управление с помощью светофоров на перекрестках является только одной из частей телематики. Сценарии применения телематики предполагают ее использование для решения глобальных проблем, как например, ограничение транспортных заторов, повышение безопасности движения, охрана окружающей среды и повышение эффективности перевозов грузов.

Сокращение  размера заторов дает возможность  использования дорожных сетей. На дисплее  транспортного средства в масштабе текущего времени изображается транспортная ситуация, и водитель направляется по оптимальному маршруту движения так, чтобы транспортное средство было отведено от наиболее заполненных дорог.

Существенный  прогресс будет достигнут в области  управления движением, так как транспортные средства будут с помощью связи  информировать центр управления движением о своем местоположении, в результате чего создается реальное представление о состоянии транспортных потоков на сети. 

Единая  система управления дает полноценную  картину нарушений в сфере  ОТ. Прогресс автомобильной техники  приведет к тому, что все транспортные средства будут оснащены радиолокаторами, ответственные за предотвращение дорожно-транспортных происшествий. К примеру, во время  тумана, когда видимость проявляет себя как лимитирующий фактор особенно остро, данные системы определяют близость рядом идущего транспортного средства и/или вероятность столкновения с ним, тем самым, что регулируется скорость и включаются предупредительные стоп-сигналы.

Время ожидания на остановках зачастую кажется  дольше, чем оно на самом деле есть. Для устранения данного заблуждения  должны быть введены табло на основных городских и пригородских остановках и в дальнейшем и на станциях городского метрополитена. Табло больших размеров, изображающих информацию о соответствующих средствах городского общественного транспорта.

Для пассажиров станет значительно проще  и эффективней планировать свой маршрут поездки на общественном транспорте с помощью карты, с  общей протяженностью путей, с помощью общей веб-страницы или посредством специализированных справочных киосков. Вся информация должна обновляться в режиме реального времени. Благодаря данным средствам пассажирам дается возможность нахождение и планирования наиболее оптимального и подходящего маршрута.

Грузовой  транспорт будет оснащен электронным  паспортом, отображающий основные характеристики транспортируемого груза. Транспортных средствам с опасным грузом в обязательном порядке должен быть предоставлен наиболее рациональный путь передвижения, с целью минимизации рисков повреждения груза и всех выходящих из этого последствий, посредством постоянного контроля специализированной центральной диспетчерской службы.

1.3.1 Описание системы глобального позиционирования

Global Positioning System (GPS) в переводе на русский означает глобальная система позиционирования [3, 14]. Термин «позиционирование» нельзя трактовать просто как «нахождение месторасположения», за исключением определения места дислокации объекта наблюдения оно определяет вектор его скорости. Полное наименование системы GPS Navstar (Navigation System with Time and Ranging) — навигационная система, основанная на времени и дальномерных измерениях [3, 14].

Система глобального позиционирования (GPS) включает в себя 3 сегмента:

пространственный  сегмент (все рабочие спутники), управляющий сегмент (все наземные станции системы: основная управляющая идополнительные для контроля), сегмент пользователя (все гражданские и военные GPS пользователи).

Иллюстрация которых представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 –  Три GPS сегмента [4, 17]

В спутниковый сегмент входят созвездия действующих во время наблюдений сателлитов. Сегмент контроля включает в себе центральную станцию управления и контроля, станции наблюдения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя - это совокупность спутниковых приемников, находящихся в работе. В обязательном порядке  постоянно и одновременно должно действовать 24 (28) спутника, которые локализованы по шести окружным орбитам. На определенной орбите, таким образом, имеется по четыре спутника. Дистанция от поверхности Земли представляет из себя более двадцати тысяч километров. При подобной вышине орбиты период обращения равен половине звездных суток. Удобно помышлять наблюдения. Самым дорогим оборудованием спутников являются атомные эталоны частоты времени, обеспечивающие наносекундную точность хода бортовых часов.

В задачи сегмента управления и проверки (Operational Control System) входит наблюдение за сателлитами для нахождения параметров их орбит и исправлений часов сравнительно системного времени GPS, предсказание орбит спутников и их месторасположения на орбитах, временная синхронизация времени сравнительно времени системы, загрузка навигационной информации в бортовые компьютеры сателлитов. Штаб-квартира правления находится в Колорадо Спрингс (США). Центр аккумулирует и подвергает обработке данные от отдела по слежению, подсчитывает и прогнозирует эфемериды спутников, а также свойства хода часов.

Затем данные передают на одну из трех наземных станций для закладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций слежения за спутниками, равномерно расположенные по всему миру, каждые полторы секунды определяют дальность до всех находящихся над горизонтом спутников. Данные слежения передаются на главную станцию управления и контроля.

Синхронизация компьютерных часов с универсальным  временем в распределенной компьютерной среде жизненно необходимо. Высокая точность отсчетных часов используется для получения сигналов GPS вместе с сетевым протоколом (NTP). Области применения GPS:

- синхронизация передачи системного  сообщения;

- синхронизация в общих радиосетях.

Спутниковый мониторинг транспорта с развитием  таких систем, как GPS и ГЛОНАСС  получает все более широкое распространение. Трекеры устанавливаются на транспорт, используемый в грузоперевозках, пассажироперевозках; транспорт, используемый специальными службами. Примеры (рисунок 2) существующих систем мониторинга: спутники на основе технологии глобальной системы позиционирования и глобальной навигационной спутниковой системы, телевышек, серверов обработки данных (декодер) и рабочее место диспетчера.

Рисунок 2 – Системы спутникового мониторинга  транспорта [5, 25]

Обработку данных спутникового мониторинга транспорта с целью создания черновой версии карты можно разделить на три  этапа[5, 26]:

1)фильтрация  данных с целью минимизации  ошибок определения местоположения;

2)объединение  отфильтрованных точек в линии  дорог;

3)обработка  пересечений линий дорог.

На  первом этапе фильтрацию можно произвести с помощью статистических методов: точки, не имеющие соседей в определенной ε-окрестности, явно были получены с  низкой точностью, и не отражают действительного  положения единицы транспорта.

Второй  этап включает в себя выделение потоков  транспорта, движущихся в разных направлениях или по разным полосам одной дороги, и последующее объединение полученных потоков транспорта в дороги. Выделение  потоков транспорта может быть реализовано  с помощью кластеризации точек  с последующей интерполяцией выделенных кластеров в кривую, определяющую линию дороги. Кроме того, необходима аппроксимация полученной кривой ломаными.