ZASTOSOWANIE GPS DO LOKALIZACJI ZDARZEŃ DROGOWYCH

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE GPS DO LOKALIZACJI ZDARZEŃ DROGOWYCH Mgr inż. Mirosław Kastner Katedra Inżynierii Drogowej Politechnika Gdańska Opiekun naukowy: Dr inż. Kazimierz Jamroz 1. STRESZCZENIE W niniejszym referacie przedstawiono wyniki projektu pilotażowego dotyczącego lokalizacji zdarzeń drogowych z wykorzystaniem systemu GPS oraz systemu punktów referencyjnych, przeprowadzonego na terenie powiatu kartuskiego oraz miasta Gdańska. Uwagę skupiono na jakości uzyskiwanych danych, ze szczególnym uwzględnieniem dokładności lokalizacji pozycji zdarzeń. W trakcie trwania pilotażu rozpatrywano również możliwości usprawnienia wizualizacji zdarzeń drogowych oraz zdefiniowano wymagania dla systemów baz danych o zdarzeniach drogowych. Na podstawie przeprowadzonego pilotażu wysunięto wnioski do krajowego i wojewódzkiego systemu zbierania danych o zdarzeniach drogowych. 2. WSTĘP Wypadki drogowe, a zwłaszcza ich skutki są narastającym problemem współczesnego świata. Według danych Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) w roku 1998 na całym świecie w skutek wypadków drogowych śmierć poniosło 1,17 mln osób. Rozkładając liczbę ofiar w czasie, otrzymujemy przerażającą statystykę. Okazuje się bowiem, że na drogach świata, średnio co 3 sekund ginie człowiek! WHO szacuje, że w roku 22 liczba zabitych na drogach wzrośnie do 2,3 mln rocznie, a na liście zagrożeń powodujących przedwczesną śmierć wypadki drogowe znajdą się na 3 miejscu po niedokrwistości serca i depresjach. Rys. 1 Śmiertelne ofiary wypadków drogowych w Polsce

2 Śmiertelne ofiary wypadków w Polsce 9, 8, 7, zabici 6, 5, 4, 3, 2, Serie1 1986, , rok W Polsce, w ostatnich dziesięciu latach w wyniku wypadków drogowych śmierć poniosło osób (Rys. 1), a ponad 76 zostało rannych. Mimo iż prace związane z poprawą bezpieczeństwa ruchu drogowego (brd) prowadzone są w Polsce od roku 1993 nadal poziom zagrożenia utrzymuje się na stosunkowo wysokim poziomie. Możemy jednak obserwować tendencję malejącą zarówno zabitych jak i rannych oraz poprawę poziomu bezpieczeństwa na tle 1991 krajów OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) Rys Zabici/1 mieszkańców Polska Korea Poł udniowa Portugalia Grecja Polska USA Polska Hiszpania Rep. Czeska Belgia Francja Nowa Zela ndia Węgry Austria Islandia Włochy Irlandia Kanada Australia Dania Niemcy Szwajcaria Japonia Turcja Finlandia Norwegia Szwecja Hola ndia Wielka Brytania Rys. 2 Śmiertelne ofiary wypadków drogowych na 1 tys. mieszkańców w krajach OECD (Źródło: IRTAD). Ogrom strat powodowany wypadkami drogowymi zmusza zatem do podejmowania bardziej zdecydowanych działań zmierzających do poprawy istniejącej sytuacji. Z kilkuletnich doświadczeń nad poprawą brd w Polsce wynika, że jedynie systemowe podejście do zagadnienia przynieść może

3 wymierne rezultaty. Istotnym problemem jest jednak brak dobrze zorganizowanego systemu brd oraz narzędzi wspomagających jego funkcjonowanie. Podstawowym narzędziem, służącym do prowadzenia analiz brd zarówno dla całych obszarów (kraju, województwa, powiatu, gminy) jak i dla wybranych charakterystycznych elementów sieci drogowej (np. skrzyżowań, przejść dla pieszych, łuków) są bazy danych o zdarzeniach drogowych. W Polsce nie istnieje jednolita i ogólnodostępna baza danych, a podstawowym źródłem informacji o zdarzeniach drogowych jest policyjny System Ewidencji Wypadków i Kolizji SEWIK. System ten posiada jednak szereg wad. Jako główną wymienić należy brak możliwości przeprowadzania analiz zgromadzonych danych. Z tego powodu na terenie kraju tworzone są bazy lokalne np.: SEZAR w gdańskim oddziale GDDKiA, WZDR w Bydgoszczy, SEWAN w GDDKiA w Warszawie, czy Wojewódzka Baza Zdarzeń Drogowych SZLAK opracowana w Katedrze Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej, a wdrożona w Gdańsku, Pucku i Wejherowie. Problemy związane z bazami danych nie dotyczą tylko ich braku, ale także jakości zawartych w nich danych. Okazuje się bowiem, że korzystając ze zgromadzonych danych, występują duże błędy przy próbie odwzorowania zdarzeń na podkładach mapowych. Jakkolwiek możliwości techniczne oraz dostępne oprogramowanie pozwalają na automatyczne i dokładne wykonanie tej czynności, funkcjonujące dotychczas systemy ustalania pozycji zdarzenia drogowego wymagają modyfikacji. W niniejszym referacie przedstawiono wyniki przeprowadzonego w powiecie kartuskim oraz na terenie miasta Gdańsk projektu pilotażowego pt. Zastosowanie GPS do lokalizacji zdarzeń drogowych na sieci dróg i ulic w wybranych powiatach województwa pomorskiego. Projekt ten przeprowadzony został przez Katedrę Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej oraz Katedrę Geodezji Satelitarnej i Nawigacji Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego. 3. METODY LOKALIZACJI ZDARZEŃ DROGOWYCH W Polsce zdarzenia drogowe lokalizowane są przy użyciu systemu miejskiego i systemu kilometrażowego. Lokalizacja zdarzenia w systemie miejskim polega na określeniu lokalizacji przez podanie nazwy ulicy oraz numeru posesji na wysokości której doszło do zdarzenia. W systemie kilometrażowym zdarzenie lokalizujemy korzystając ze słupków hektometrowych ustawionych wzdłuż drogi, podając odczytany ze słupka kolejny kilometr i hektometr. Na podstawie analiz lokalizacji zdarzeń zarejestrowanych w powiecie kartuskim i mieście Gdańsk oszacowano dokładności odwzorowania lokalizacji zdarzeń zapisanych w systemie miejskim i kilometrażowym (Rys.3). Przedstawione rozkłady wskazują, że dokładność lokalizacji zdarzenia w Gdańsku wynosi od 1 do >5 metrów, natomiast w powiecie kartuskim od 2 do >2 metrów. Analizując otrzymane wyniki stwierdzono, że największe błędy lokalizacji zdarzenia drogowego

4 występują na drogach na których brakuje informacji o kilometrażu (słupki kilometrowe i hektometrowe). Sytuacje takie występują na drogach powiatowych, niektórych drogach wojewódzkich oraz drogach i ulicach przechodzących przez obszary zabudowane na których bardzo często zdarzenie przypisywane jest jednemu punktowi na tym obszarze. Niedokładności lokalizacji zdarzenia w obszarze zabudowanym wynikają z braku systemu kilometrażowego oraz z faktu, że w miastach występują również obszary niezabudowane, na których pełne zastosowanie systemu miejskiego jest niemożliwe. Wówczas na karcie zdarzenia drogowego zapisana zostaje jedynie nazwa ulicy na której zaistniało zdarzenie, a dokładność lokalizacji równa jest jej długości. Dokładność lokalizacji zdarzenia na ulicach Gdańska 25 Częstość [%] >5 odległość [m] Dokładność lokalizacji zdarzenia na drogach w powiecie kartuskim Częstość [%] po w odległość [m] Rys. 3. Rozkład dokładności lokalizacji zdarzeń drogowych w powiecie kartuskim i mieście Dokładność lokalizacji zdarzenia na drogach w powiecie kartuskim Gdańsk. 6 Częstość [%] 4. WYMAGANIA 5 LOKALIZACJI ZDARZEŃ DROGOWYCH DLA SYSTEMÓW GPS

5 Zdarzenia drogowe występują na określonych przestrzeniach wyznaczonych przez korytarz drogi. Korytarz drogowy określony jest osią drogi oraz przekrojem poprzecznym o szerokości od 5, do 3, m od osi drogi. Dlatego też podstawowym wymaganiem dla systemów GPS jest dokładność ustalania pozycji zdarzenia. Z analizy lokalizacji zdarzeń drogowych wzdłuż drogi wynika, że wystarczającą dokładnością zapewniającą prowadzenie prawidłowych i wiarygodnych analiz brd jest dokładność 25, 3, m. Dokładność lokalizacji w poprzek drogi, szczególnie na charakterystycznych elementach sieci drogowej, powinna wynosić 1, 1,5 m. Oprócz zapewnienia założonych dokładności lokalizacji zdarzenia istotne jest również prawdopodobieństwo popełnienia błędu na etapie odczytywania pozycji z wyświetlaczy odbiorników, zapisywania odczytanych współrzędnych na karcie zdarzenia oraz podczas wprowadzania ich do bazy danych. W związku z powyższym, w celu umożliwienia weryfikacji danych zebranych w systemie GPS wprowadzono dodatkowy system punktów referencyjnych. W systemie tym pozycje zdarzenia określa się podając numery węzłów między którymi zaistniało zdarzenie (skrzyżowanie, charakterystyczny element sieci) oraz odległość od jednego węzła do miejsca zdarzenia (Rys.4). 3 m miejsce zdarzenia Rys. 4 Lokalizacja miejsca zdarzenia w systemie węzłów referencyjnych Zastosowanie systemu punktów referencyjnych wspólnie z systemem GPS umożliwia automatyczną weryfikację danych wprowadzanych do bazy. Efektem końcowym weryfikacji jest automatycznie generowany raport o błędach. Na jego podstawie, możliwa jest weryfikacja błędnych danych oraz ponowne wprowadzenie ich do bazy. 5. OPRACOWANIE I WDROŻENIE I SYSTEMU

6 5.1 Wybór obszarów testowych W celu wdrożenia systemu zbierania danych opartego na GPS oraz systemie punktów referencyjnych należało wybrać taki obszar testowy, który uwzględniałby wszystkie możliwe do pojawienia się problemy związane z prawidłowym funkcjonowaniem obu systemów. Dlatego też obszarem testowym objęty został obszar miasta Kartuzy, część miasta Gdańsk oraz trasa łącząca oba miasta. W ten sposób w skład dróg, które zostały objęte pilotażem weszły drogi miejskie oraz zamiejskie zarówno krajowe, wojewódzkie, powiatowe jak i gminne (Rys. 5). Rozpatrując podział dróg w zależności od klasy technicznej w obszarze objętym testem znalazły się drogi wszystkich klas, począwszy od dojazdowych, a skończywszy na drodze ekspresowej jaką jest obwodnica Trójmiasta. Rys. 5 Obszar testowy Dzięki takiemu doborowi obszaru możliwe zostało przetestowanie funkcjonowania obu systemów: w warunkach gęstej sieci ulicznej o dużym zagęszczeniu punktów charakterystycznych (skrzyżowania, przejścia dla pieszych), w obrębie dużych skrzyżowań i węzłów drogowych na drogach zamiejskich (powiatowych i gminnych), na których z powodu braku słupków hektometrowych, określających pikietaż drogi, występują największe rozbieżności w prawidłowej lokalizacji zdarzeń drogowych. 5.2 Opracowanie i wykonanie systemu punktów referencyjnych

7 Do celów opracowania systemu referencyjnego na obszarze województwa pomorskiego przyjęto układ 1992 w skali 1: arkuszy w tej skali zostały oznaczone symbolami G1-G87, gdzie G oznacza nazwę województwa, a cyfry 1-87 numer kolejny arkusza mapy. Dodatkowo każdy arkusz mapy został podzielony na 16 kwartałów referencyjnych, oznaczonych kolejnymi literami alfabetu (A - R). Dodatkowo, zależności od liczby punktów referencyjnych, każdy kwartał został podzielony na 2 (dla skali 1:1 ) lub 4 (dla skali 1:5 ) części. Rozkład arkuszy jest zgodny z podziałem województwa na mapy topograficzne w skali 1:1. w układzie 1992 (Rys. 6). Rys. 6 Podział województwa pomorskiego na arkusze referencyjne. W obszarze testowym założono prawie 55 punktów referencyjnych na wszystkich ważniejszych skrzyżowaniach, obiektach mostowych i charakterystycznych elementach sieci drogowej. Każdy punkt referencyjny otrzymał swój niepowtarzalny numer składający się z 8 znaków: numer arkusza i kwartału referencyjnego, numer podziału kwartału referencyjnego oraz kolejnego numeru na arkuszu - od do 999. Wszystkie arkusze z obszaru testowego, z naniesionymi numerami węzłów referencyjnych, zostały wydane w formie atlasu i dostarczone do poszczególnych komend policji. W celu ułatwienia

8 lokalizacji punków atlasy wykonane zostały oddzielnie dla obszaru obsługiwanego przez KPP w Kartuzach i oddzielnie dla obszaru obsługiwanego przez KMP w Gdańsku. Zgodnie z założeniem lokalizacji zdarzeń przy użyciu systemu GPS policjanci zostali wyposażeni również w odbiorniki spełniające podstawowe parametry nawigacji, takie jak: dokładność, dostępność, ciągłość oraz wiarygodność. Szczególną uwagę zwrócono na cechy użytkowe odbiornika takie jak: prostota obsługi, odporność na wstrząsy oraz duży czytelny wyświetlacz. 5.3 Opracowanie zweryfikowanego wzoru kart zdarzeń drogowych Zgodnie z opracowaną koncepcją systemu zbierania danych na obszarze testowym wprowadzono zmodyfikowaną kartę lokalizacji zdarzenia drogowego (Rys.7). Na karcie tej dodatkowo wyznaczono miejsce na wpisywanie współrzędnych geograficznych odczytanych z odbiorników GPS oraz miejsce określenie pozycji zdarzenia przy użyciu systemu referencyjnego. Ponadto kartę rozszerzono o dodatkowe informacje o zdarzeniu istotne do prowadzenia analiz brd: poziom alkoholu w wydychanym powietrzu lub krwi u sprawcy wypadku będącego pod wpływem alkoholu (bez podawania danych osobowych), jeżeli taki pomiar był przeprowadzony, w przypadku wypadku z dzieckiem - informacja czy dziecko było w drodze do szkoły lub ze szkoły, jest bardzo istotna informacja podawana jako priorytetowa przez służby policji w krajach zachodnich, informacja o prędkości pojazdu w momencie zdarzenia (jeżeli takie dane są), informacja o obowiązującym limicie prędkości na odcinku drogi, na którym doszło do zdarzenia, informacja o służbach uczestniczących w akcji ratowniczej na miejscu zdarzenia rok produkcji pojazdu biorącego udział w zdarzeniu.

9 Rys. 7. Zweryfikowana karta gdańska wypełniana w trakcie trwania projektu pilotażowego

10 6. DOKŁADNOŚĆ LOKALIZACJI MIEJSCA ZDARZENIA Ocena dokładności określania pozycji z wykorzystaniem odbiornika GPS pracującego w trybie bez poprawek polegała na porównaniu danych zawartych na szkicu miejsca zdarzenia z danymi pomierzonymi przy użyciu odbiorników GPS, zapisanymi na karcie testowej (rys. 9, 1). Dokładoność lokalizacji zdarzeń drogowych 4, 35, 3, [%] 25, 2, 15, 1, 5,, do 1 m 1-5m 5-1m pow 3 Odległość Rys.8. Dokładność lokalizacji zdarzeń drogowych. Z przeprowadzonej analizy wynika, że 95% zlokalizowanych zdarzeń osiąga dokładność do 3m (Rys. 8), a nieco ponad 16% dokładność do 1m. Wynik ten w porównaniu z dokładnościami uzyskiwanymi przy użyciu systemu kilometrażowego oraz systemu miejskiego wyraźnie uwydatnia różnicę w jakości danych. Przypomnieć należy, że dokładność do 3m na drogach zamiejskich na których brak jest słupków kilometrażowych (głównie drogi powiatowe i gminne) uzyskiwana była w około 1% zdarzeń, a 1m na ulicach Gdańska w około 3% zdarzeń. Uzyskane dokładności są wystarczające do lokalizacji miejsca zdarzenia wzdłuż drogi na odcinkach międzywęzłowych, jednak nie wystarczają one do precyzyjnej lokalizacji zdarzenia na charakterystycznych punktach sieci drogowej (Rys. 1) mino, że ponad 16% zdarzeń jest lokalizowanych z dokładnością do 1m (Rys. 9).

11 w gie Ła i nik tn mi sa k A na ik i wn gie Ła il Gn a Lokalizacjakart podstawie gdańskiej ) zdarzenia y lokalizacyjnej ustalona( karty na Lokalizacja użyciu odbiorników zdarzenia GPS ustalona przy Rys. 9. Przykład lokalizacji miejsca zdarzenia z dokładnością do 1m.

12 Wał y Jagie lońs k ie Lokalizacja podst gdańskiej ) awie karty zdarzenia lokalizacyjnej ustalona( karty na Lokalizacja użyciu odbiorn zdarzenia ików GPS ustalona przy Rys. 1. Przykład lokalizacji miejsca zdarzenia z dokładnością do 3m.

13 7. ZAKOŃCZENIE Z porównania dokładności lokalizacji miejsca zdarzenia z wykorzystaniem systemu pozycjonowania GPS oraz systemu punktów referencyjnych z dotychczas stosowanymi systemami zbierania danych, wynika, że stanowią one dużo cenniejsze źródło informacji. Średni błąd lokalizacji zdarzenia przy użyciu GPS wyniósł bowiem jedynie 9,5m na obszarze pilotażowym obsługiwanym przez KMP w Gdańsku i 9,8m na obszarze obsługiwanym przez KPP w Kartuzach podczas gdy przy stosowaniu systemu miejskiego i kilometrażowego odpowiednio 135m i 55m. Istnieje zatem potrzeba wyposażenia pojazdów policji drogowej w stacjonarne odbiorniki GPS. Pozwoli to na lokalizowanie zdarzeń drogowych z dokładnością do 3 m. Należy również, w celu uzyskania większej dokładności ustalania pozycji w przekroju poprzecznym drogi, prowadzić prace zmierzające do wykorzystania technik pomiaru różnicowego DGPS (ang. Differential GPS). Oprócz doskonalenia systemu zbierania danych należy pamiętać również o rozwijaniu baz danych, które pozwolą inżynierom drogowym oraz specjalistom brd na wszechstronną analizę przyczyn tych zdarzeń oraz podjęcie działań prewencyjnych zmierzających do minimalizacji zdarzeń drogowych i ich skutków. 8. LITERATURA Zespół Katedry Inżynierii Drogowej (23). Zastosowanie GPS do lokalizacji zdarzeń drogowych na sieci dróg i ulic w wybranych powiatach województwa pomorskiego