ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 200909 Sera: TRANSPORT z. 65 Nr kol. 1807 Teresa PAMUŁA, Aleksander KRÓL STATYSTYCZNY MODEL MONITOROWANIA RUCHU DROGOWEGO Streszczene. W artykule przedstawono koncepcję modelu montorowana ruchu drogowego. Przyjęto założene, że wejścem będą dane z sec punktów wdeodetekcj (węzłów) zapsane w macerzy natężeń ruchu. Wyjścem modelu będą dane o strumenach pojazdów pomędzy badanym węzłam. W celu weryfkacj modelu oraz optymalzacj rozmeszczena punktów wdeodetekcj zaproponowano standardowy system montorowana złożony z kamery wyposażonej w moduł ANPR oraz komputer PC. THE STATISTICAL MODEL OF ROAD TRAFFIC MONITORING Summary. The paper presents a concept of a statstcal model of road traffc montorng. Input data s collected from a network of vdeodetecton posts and placed nto road traffc ntensty matrces. Model outputs consst of road traffc stream data between defned traffc nodes. In order to verfy the model assumptons and optmze the postons of vdeodetecton posts an ANPR based montorng system s proposed. 1. WSTĘP Przy rozwązywanu welu problemów w dzedzne transportu zachodz potrzeba znajomośc natężena ruchu pojazdów pomędzy dwoma węzłam. Istotne bywa też poznane zmennośc tego natężena w czase zarówno w skal dobowej tygodnowej, jak dla dłuższych okresów. Często pożądaną nformacją jest też struktura tego ruchu w rozbcu na kategore pojazdów. Jako przykłady dzałań, w których powyższa nformacja odgrywa kluczową rolę, można wymenć: planowane nowych połączeń drogowych, planowane modernzacj lub rozbudowy stnejących połączeń lub ch sec, planowane zman w organzacj ruchu w stnejącej sec połączeń, tworzene nowych koncepcj transportowych, np. zastąpene ruchu kołowego transportem kolejowym albo zastąpene dalekch podróży samochodam osobowym transportem lotnczym z małych, lokalnych lotnsk, wykrywane mejsc krytycznych dla przepustowośc w sec połączeń, optymalzację rozmeszczena parkngów, projektowane topolog dróg osedlowych lub na terene parkngów, modelowane zagadneń transportowych, badana zwększające rozumene zjawsk w secach transportowych.
74 T. Pamuła, A. Król W zależnośc zatem od stoty problemu zmena sę rozległość terytoralna obszaru podległego badanom: od obszaru pokrywającego cały kraj, poprzez obszar odpowadający regonow lub mastu aż do skal lokalnej. Uzyskane warygodnych danych jest kluczowym zagadnenem dla ścsłego rozwązana problemu. Nestety, zwłaszcza dla badań przy dużej rozległośc terytoralnej, trudno o pełne rzeczywste dane tego typu dla długego okresu. Stosowane do nedawna powszechne szacowane natężena ruchu, systemy wykorzystujące anketowane albo ręczne zlczane z natury rzeczy dają nformację wyrywkową, uśrednoną oraz obarczoną dużą blżej neznaną nepewnoścą. Najlepszym wyjścem w tej sytuacj jest zastosowane montorngu opartego na wdeodetekcj. System montorngu składa sę z sec punktów, których głównym elementem są kamery oraz centralnej bazy danych. Obraz z kamery jest na beżąco analzowany przez dedykowane oprogramowane, będące elementem składowym punktu wdeodetekcj, a uzyskane dane są on-lne przekazywane do central zapsywane w baze danych. Interpretacja obrazu z kamery polega główne na zdentyfkowanu tablcy rejestracyjnej pojazdu odczytanu jej. Oprogramowane może być równeż rozbudowane o procedury pozwalające na rozpoznane typu pojazdu. Dane pochodzące z analzy obrazu wraz z nformacją o czase rejestracj, dentyfkatorem punktu oraz kerunkem ruchu pojazdu stanową podstawowy kompletny element przechowywany w baze danych. Punkty wdeodetekcj są kluczowym autonomcznym składnkam systemu montorngu. Łączność z centralną bazą danych może być realzowana bezprzewodowo, a po uwzględnenu możlwośc zaslana z ognw słonecznych lokalzacja takego punktu może być praktyczne dowolna. Ze względu na szybko malejące ceny potrzebnego wyposażena równeż lczba punktów składających sę na seć montorngu może być wystarczająco duża dla zapewnena spójnośc danych. Już pojedynczy punkt wdeodetekcj może stanowć wygodne narzędze do pozyskwana warygodnych danych potrzebnych przy podejmowanu decyzj w wymarze lokalnym (np. modernzacja nawerzchn odcnka drog czy przebudowa skrzyżowana). Jednak dopero budowa sec montorngu wyposażonej w centralną bazę danych jest źródłem nformacj o charakterze całoścowym. Take podejśce pozwala na uzyskane danych o strumenach pojazdów pomędzy węzłam będącym przedmotem zanteresowana w rozwązywanym probleme. Rozważmy badane natężena strumena pojazdów pomędzy wybranym mastam w pewnym regone. Uzyskane danych o natężenach strumen pojazdów będze wymagało rozmeszczena punktów wdeodetekcj na drogach wylotowych z każdego masta. Decyzje o lczbe punktów ch lokalzacj będą zależeć od obecnej topolog połączeń drogowych: zasadncze znaczena będze mał ruch po drogach głównych, ale należałoby rozważyć równeż alternatywne możlwośc przejazdu pomędzy badanym mastam. Optymalny wybór lokalzacj punktów wdeodetekcj zależy od możlwośc ekonomcznych projektu, ale prawdopodobne przy każdym rozwązanu pewna część ruchu zostane nezauważona przez system. Nestety, tę część można określć jedyne przez oszacowane. Wyznaczane natężena strumena pojazdów pomędzy mastam węzłam sec montorngu odbywa sę przez analzę zapsów w baze danych. Dopero zebrane porównane nformacj z dwóch lub węcej punktów montorngu pozwala na wykryce pojazdu przemeszczającego sę pomędzy węzłam. Kluczem jest oczywśce numer rejestracyjny pojazdu powtarzający sę w klku rekordach oraz lokalzacja punktu czas rejestracj. Rekordy, w których zapsany jest numer rejestracyjny nepowtarzający sę w nnych rekordach w odpowednm odstępe czasowym, prawdopodobne odzwercadlają ruch lokalny w sąsedztwe punktu montorngu. Taka nformacja, choć ne jest stotna dla badana sec może być równeż użyteczna w wymarze lokalnym.
Statystyczny model montorowana ruchu drogowego 75 Rezultatem analzy danych z sec punktów wdeodetekcj jest macerz natężeń ruchu (rys. 1) pomędzy -tym a j-tym punktem. Elementy dagonalne macerzy ne mają oczywśce sensu w znaczenu natężena strumena ruchu pomędzy punktam, ale można je wykorzystać, umeszczając tam wartość zarejestrowanego przez dany punkt natężena strumena pojazdów. Macerz ta ne mus być symetryczna, ale w długch okresach czasu jej asymetra pownna być newelka. W1 W2... Wn W1 - I12 I1j I1n W2 I21 - I2j I2n Rys. 1. Macerz natężeń ruchu Fg. 1. A road traffc ntensty matrx... I1 I2 - In Wn In1 In2 Inj - Lokalzacja punktów wdeodetekcj jest znana, węc macerz natężeń ruchu pomędzy punktam może być w raze potrzeby przekształcona w macerz natężeń ruchu pomędzy mastam: I M pq I j M p, jm q Natężena zapsane w takej macerzy są oczywśce oblczane dla jakegoś określonego odcnka czasu mogą meć charakter chwlowy, maksymalny lub uśrednony. Dysponując zapsam w baze danych, można łatwo generować take macerze, zawerające dowolną wymaganą charakterystykę czasową. Jest też możlwość rozbca tych danych w zależnośc od nnych zmennych: kategor pojazdu albo czasu przejazdu czy średnej prędkośc pojazdu. Macerze natężeń ruchu pownny być podstawowym źródłam danych przy rozwązywanu problemów wspomnanych na wstępe. Rozpatrując jako przykład model optymalzacyjny sec transportowej, szukamy takej topolog (zagadnene Stenera) sec kształtu pojedynczych połączeń drogowych, aby mnmalzować łączny koszt konstrukcj, utrzymana oraz transportu. gdze: K - koszt konstrukcj, k u K k K u K t K - koszt utrzymana, a mn t K - koszt transportu dla -tego odcnka. Przy założenu zmennośc warunków terenowych geografcznych można w uproszczenu przedstawć łączne koszt konstrukcj utrzymana pojedynczego połączena S: k u K K k( s) ds gdze k(s) jest funkcją reprezentującą zmenne koszty jednostkowe. Koszty transportu są zaś wprost proporcjonalne do natężena ruchu na danym odcnku: t S K ai
76 T. Pamuła, A. Król Równe stotne mogą być nformacje otrzymane po statystycznej obróbce danych o natężenach ruchu. Może być tak, że wypracowane rozwązane problemu jest nestablne drobna zmana w danych wejścowych prowadz do stotne nnego rozwązana. Zatem, koneczne jest uwzględnene nformacj o możlwych odchylenach wartośc danych od wartośc przyjętych do oblczeń sprawdzene jak zachowuje sę otrzymane rozwązane dla danych zaburzonych. Stała seć montorngu pozwala równeż na wykryce długotermnowych trendów w natężenu ruchu pojazdów, wobec tego, na uwzględnene ch w rozpatrywanych rozwązanach. 2. ELEMENTY SYSTEMU MONITOROWANIA RUCHU Na rysunku 2 został przedstawony poglądowy schemat systemu montorowana ruchu drogowego na podstawe danych szczególnych pojazdów, takch jak tablce rejestracyjne. Rys. 2. Poglądowy schemat systemu montorowana ruchu drogowego Fg. 2. Block dagram of the road traffc montorng system Zastosowane specjalne do tego celu kamery umeszczane będą nad pasam ruchu na beżąco będą montorować ruch przejeżdżających pojazdów. Kamery wyposażono w specjalstyczne oprogramowane, które rejestruje nadjeżdżające pojazdy odczytuje z nch tablce rejestracyjne. Zebrane dane przenoszone są do komputera w celu dalszej obróbk. Pozyskane w tym procese materały tworzą komputerowe bazy danych tablc rejestracyjnych, które służą do analzowana otrzymanych wynków. 2.1. Określene mejsc lokalzacj kamer Perwszy etap procesu rozpoczyna sę określenem mejsc lokalzacj kamer, co w znacznym stopnu wpływa na prawdłowy pomar ruchu drogowego. Kamery usytuowane będą na wlotach wylotach badanych mast (Katowce Belsko-Bała, Katowce Kraków).
Statystyczny model montorowana ruchu drogowego 77 Rys. 3. Umejscowene kamer na wloce wyloce z Katowc w kerunku Krakowa Fg. 3. Poston of montorng cameras on the nlet and outlet of the Katowce n the drecton Kraków Przy połączenu Katowce Kraków w Katowcach (rys. 3) kamery zostaną umeszczone na autostradze A4 w obrębe waduktu nad ulcą Mysłowcką, natomast w Krakowe w okolcach punktu poboru opłat Balce, równeż na autostradze A4. W obu analzowanych przypadkach mamy do czynena z montorowanem ruchu na 2-pasmowych drogach szybkego ruchu, węc koneczne jest wykorzystane 8 kamer, po 2 dla każdego kerunku ruchu. Kamery zostaną zanstalowane na słupach metalowych na wysokośc 5 metrów. Obektyw kamery będze ustawony pod kątem 30 stopn w stosunku do jezdn. 2.2. Rodzaj zastosowanych kamer Kolejnym etapem w procese montorowana ruchu drogowego jest wybór odpowednej kamery. Dzsejsze kamery posadają różnorodne zastosowana. Pomjając segment zastosowań flmowych, obecne na rynku możemy spotkać kamery nternetowe, telewzj przemysłowej oraz kamery do zastosowań specjalnych. Kamery telewzj przemysłowej, zwane też kameram CCTV (Closed-Crcut Televson), oferują wyższą jakość obrazu, a także znaczne wększe możlwośc zastosowana. Stosowane są powszechne w montorngu we wszelkego rodzaju nstalacjach ochronno-zabezpeczenowych. Przy budowe kamer CCTV ważnym elementem jest odporność na próby znszczena, system umożlwający zdalne obracane kamery oraz możlwość dużych przyblżeń. Różnorodność kamer telewzj przemysłowej pozwala na zastosowane ch w prawe każdych warunkach. Do montorngu wzyjnego często wykorzystuje sę technologę kamer IP. Umożlwa ona oglądane obrazu z kamery na żywo lub wcześnej zapsanego za pośrednctwem sec komputerowej lub Internetu. Kamery IP są urządzenam wykorzystywanym powszechne oraz należą do urządzeń tanch w nstalacj. System w połączenu z wdeoserwerem zapewna natychmastowy dostęp do obrazu ze wszystkch kamer ze wszystkch lokalzacj. Podstawowa zaletą technolog kamer IP jest możlwość zorganzowana jednego centrum nadzoru dla welu obektów.
78 T. Pamuła, A. Król W projekce zostane wykorzystana kamera frmy Tattle z modułem ARTR (Automatyczne Rozpoznawane Tablc Rejestracyjnych, ang. ANPR Automatc Number Plate Recognton). Tattle jest frmą zajmującą sę montorowanem włoskch autostrad oraz tunel. Cechą różnącą produkty Tattle od pozostałych kamer są wbudowane algorytmy służące do analzy obrazu. Obraz pobrany przez kamerę jest przetwarzany na postać cyfrową, a następne jest poddawany obróbce, tworząc wele użytecznych nformacj. Kamery te charakteryzuje równeż newelk pobór mocy. Daje to możlwość zaslana z akumulatorów oraz ognw słonecznych. Kamery Tattle wyposażone są w obudowy, które są przystosowane do pracy w trudnych warunkach atmosferycznych. Charakteryzuje je obraz o bardzo dobrej jakośc, co wpływa na bardzo nsk współczynnk błędów. Zebrane dane mogą być przesyłane do komputera centralnego za pomocą kabla, a także opcjonalne, drogą bezprzewodową (radową). Wykorzystane drog radowej jest przydatne w mejscach trudno dostępnych oraz tam, gdze prowadzene przewodów jest bezzasadne neopłacalne, a dodatkowo łatwo jest tworzyć nowe punkty montorowana ruchu. Rys. 4. Kamera Tattle Fg. 4. A vdeo camera Tattle Następnym etapem przy tworzenu systemu montorowana ruchu drogowego jest sposób dentyfkacj pojazdu. 2.3. Sposoby dentyfkacj pojazdu Identyfkacja pojazdów w systemach automatycznego rozpoznawana tablc rejestracyjnych występuje w dwóch warantach: automatycznym tryb pracy cągłej, asynchroncznym tryb wyzwalana. Systemy dzałające w trybe pracy cągłej na beżąco analzują strumeń wdeo z kamery w celu poszukwana tablcy rejestracyjnej wszystkch przejeżdżających samochodów. System w czase rzeczywstym, na podstawe wygenerowanych zdjęć, dokonuje detekcj pojazdu następne rozpoznaje numery tablcy rejestracyjnej. Zasada dzałana opera sę na przetwarzanu przez moduły obrazu dostarczonego przez kamery. Strefa detekcj zastosowanej kamery frmy Tattle zawera sę w obszarze od 11,5 m do 4.7 m. Ze względu na zastosowane kamer na drogach szybkego ruchu, gdze prędkośc pojazdów sęgają nawet 160 km/h, w celu detekcj obecnośc pojazdu odczytana jego tablcy rejestracyjnej wystarczy, że system będze analzował co 4 klatkę pobranego obrazu. Zaproponowana w projekce kamera frmy Tattle pracuje z prędkoścą 25 klatek na sekundę, co pozwala na zrobene dużo wększej lczby zdjęć, a tym samym wpływa to na poprawę jakośc odczytu numerów tablc rejestracyjnych pojazdów. Systemy pracujące w trybe wyzwolena wykorzystują natomast specjalne czujnk służące do detekcj nadjeżdżających pojazdów. Rozpoznane numeru tablcy rejestracyjnej nastąp po otrzymanu sygnału z zewnętrznego urządzena sterującego, np. z pętl ndukcyjnej. W systemach asynchroncznych znaczącą rolę pełną systemy detekcj, które służą do wykrywana obecnośc pojazdów w ścśle określonym punkce pomarowym.
Statystyczny model montorowana ruchu drogowego 79 W projekce zostane wykorzystana dentyfkacja pojazdów w warance trybu pracy cągłej. Mając na uwadze fakt, że kamery będą zanstalowane przy drogach szybkego ruchu, rozwązane to jest skutecznejsze do detekcj poruszających sę pojazdów. Zastosowane trybu automatycznego pozwol równeż na obnżene kosztów przez rezygnację z elementów wyzwalających wykonane zdjęć. Następnym etapem w procese montorowana ruchu drogowego jest sposób przekazywana danych do centrum. 2.4. Sposób przekazywana danych do centrum Zastosowana w projekce kamera Astat Vega Wreless jest wyposażona zarówno w nterfejs Ethernet, jak w łącze szeregowe RS 232 oraz modem GSM/GPRS. Dzęk tym rozwązanom możlwe jest przesyłane zebranych danych za pomocą łącza kablowego oraz łącza radowego. W projekce zostane wykorzystana transmsja danych za pomocą modemu GSM/GPRS. Bezprzewodowa transmsja danych jest alternatywą dla systemów przewodowych, w szczególnośc gdy obekt pomarowy znajduje sę w znacznej odległośc od centrum systemu. Zaletą systemu jest jego zasęg, obejmujący cały obszar dzałana sec GSM oraz brak konecznośc nwestowana na budowę nfrastruktury telekomunkacyjnej. Na rysunku 5 został przedstawony schemat budowy sec z wykorzystanem bezprzewodowej transmsj danych. Rys. 5. Budowa systemu z wykorzystanem transmsj GPRS Fg. 5. A scheme for montorng system utlzng GPRS data transmsson Rozpoznany przez kamerę numer rejestracyjny pojazdu jest wysyłany za pomocą transmsj bezprzewodowej do central systemu, gdze zostaje umeszczony w baze danych pojazdów. Dodatkową funkcją systemu jest możlwość powadamana użytkownka o błędach neprawdłowoścach w dzałanu za pomocą komunkacj SMS.
80 T. Pamuła, A. Król 2.5. Baza danych zarejestrowanych pojazdów Baza danych zarejestrowanych pojazdów to jeden z najważnejszych elementów systemu montorowana ruchu drogowego. To na jej podstawe możemy na przykład wyznaczyć natężene ruchu panujące na danym odcnku drog oraz odpowedzeć na pytane czy stneje koneczność budowy nowych bądź rozbudowy stnejących lotnsk dla małych samolotów. Bazy danych wykorzystane w projekce zawerać będą dane o umejscowenu kamer, numerze rejestracyjnym pojazdu, dace godzne dokonana pomaru oraz o czase przejazdu badanego połączena. 3. PODSUMOWANIE Z przeprowadzonej analzy wynka, że zaproponowany model oraz opracowany projekt systemu montorowana ruchu drogowego umożlwą wybrane optymalnych punktów wdeodetekcj na wybranych obszarach, a tym samym na określene natężena ruchu wykonane nnych badań statystycznych na wybranych odcnkach dróg, np. na trase Katowce Kraków lub Katowce Belsko-Bała. W projekce zaproponowano kamery oraz ustalono ch lokalzację na wlotach wylotach badanych mast. Wybrano sposób dentyfkacj pojazdu oraz metodę przekazywana danych na centrum. Zaproponowano aktualne dostępne na rynku kamery frmy Tattle z modułem ARTR ze względu na ch szybkość pracy oraz wbudowany modem radowy GSM/GPRS. Najwększa zaletą kamer Tattle jest zntegrowany czytnk numerów rejestracyjnych. Kamery można by zastąpć kameram pracującym w technolog IP, jednakże jakość uzyskwanego w ten sposób obrazu jest gorsza do dentyfkacj numerów tablc rejestracyjnych potrzebne byłoby specjalne oprogramowane. Zaproponowany sposób dentyfkacj pojazdów odbywa sę w sposób cągły, tzn. system na beżąco analzuje obraz w celu detekcj pojazdu odczytana jego tablcy rejestracyjnej. Tryb pracy cągłej ne wymaga nstalacj żadnego urządzena zewnętrznego w celu wykryca obecnośc pojazdu, a węc koszty nstalacj takego systemu są mnejsze. Pozyskane przez kamerę dane, ze względu na odległość mędzy punktam pomarowym, będą transmtowane do centrum za pomocą sec GPRS. Ne jest to najtańszy sposób przesyłana danych, ale do jego zalet należą brak konecznośc nstalowana przewodów oraz duży zasęg sec w porównanu do sec W-F. W zależnośc od zastosowanego oprogramowana oraz jakośc obrazu dostarczonego przez kamerę systemy montorngu mogą służyć do wysoce wyspecjalzowanych zadań. Ponadto, systemy montorngu mogą dostarczać welu danych potrzebnych do analzy ruchu drogowego oraz są w stane zarządzać, kontrolować sterować ruchem drogowym. Bblografa 1. Ratajczak W.: Modelowane sec transportowych. Wyd. Naukowe UAM, Poznań 1999. 2. Setchell Ch. J.: Applcatons of Computer Vson to Road-traffc Montorng, praca doktorska Unversty of Brstol 1997. 3. Polvson, http://www.polvson.com.pl 4. Neurosoft, http://www.neurosoft.pl 5. Automatyczne rozpoznawane tablc rejestracyjnych, http://artr.pl Recenzent: Prof. dr hab. nż. Romuald Szopa