RATP informacje o ruchu drogowym

ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
E X P L O-S H I P 2 0 0 6
Józef Suda
Dokładność satelitarnej lokalizacji pojazdów
transportu publicznego
Słowa kluczowe: GPS, lokalizacja pojazdów, dokładność lokalizacji, badania
empiryczne, systemy zarządzanie flotą pojazdów
W artykule przedstawiono wyniki badań dokładności lokalizacji pojazdów transportu publicznego w obszarach o różnym stopniu urbanizacji. Omówiono również przesłanki tworzenia i typowe konfiguracje systemów zarządzania transportem publicznym.
Szczególną uwagę poświęcono funkcjom lokalizacji pojazdów komunikacji publicznej
w sieci ulic. Przedstawiono zasady lokalizacji autobusów przyjętych w koncepcji budowy
takiego systemu dla Warszawy.
The Precision of Satellite Localization
of Public Transport Vehicles
Key words: GPS, localization of vehicles, precision of localization, empirical surveys,
fleet management systems
The paper presents the results of empirical study on the precision of public
transport vehicles' localization in areas with different degrees of urbanization. The paper also discusses the premises for the creation of fleet management system for public
transport and typical configurations of such systems. Particular attention is devoted to
the localization of public transport vehicles in the street network. Finally, the paper
presents the approach to city bus localization adopted in a project of the system for
public transport management in Warsaw.
287
Józef Suda
Wstęp
Współczesne społeczeństwo przykłada coraz większą wagę do swojego
bezpieczeństwa i mobilności, nie znajduje to jednak odzwierciedlenia w malejącym rozwoju infrastruktury drogowej. Obecną sytuację charakteryzuje:





niska atrakcyjność transportu publicznego,
nadmierne zatłoczenie dróg i ulic w miastach,
małe zastosowanie systemów sterowania ruchem,
znaczne zagrożenie bezpieczeństwa ruchu,
wysoki stopień zanieczyszczenia powietrza i hałasu.
Pomimo braku sprawdzonego sposobu minimalizującego uciążliwość ruchu
drogowego, podejmowane są działania administracyjne i ekonomiczne umożliwiające efektywne przemieszczanie osób i towarów z zachowaniem akceptowanego poziomu bezpieczeństwa. Podstawowe cele działania to:



unikanie ruchu możliwego do uniknięcia,
rozgęszczanie ruchu, którego uniknąć się nie da,
czynienie ruchu drogowego bardziej znośnym dla środowiska.
Idea mobilnego społeczeństwa zawiera w sobie założenie, że użytkownicy
sieci drogowych, czyli podróżni i kierowcy, powinni być dobrze poinformowani
oraz mieć maksymalnie ułatwione przemieszczanie się. Optymalna informacja
dla użytkowników dróg (przed i w czasie podróży) umożliwia dokonanie wyboru środków podróży lub/i trasy przemieszczania. Warunkiem niezbędnym jest
połączenie istniejących systemów (z których każdy wykonuje tylko jedno określone zadanie) w system zarządzania ruchem w mieście lub regionie.
System taki łączy informacje dostarczane przez poszczególne podsystemy,
aby wytworzyć łączną informację dla użytkownika dróg, która ostatecznie ma
umożliwić aktywny wybór środka transportu. Analizy wykazały, że w obszarach, gdzie taki system zainstalowano, około 70% użytkowników dróg jest
świadomych istnienia takich źródeł informacji, a 20% informacji tych używa.
1. Pojęcie systemu zarządzania ruchem
System zarządzania ruchem to zbiór zintegrowanych metod i środków oddziaływania na ruch na podstawie informacji o bieżącym stanie ruchu i środowiska. Celem systemu zarządzania jest zapewnienie optymalnego przepływu (mobilności) osób i towarów na obszarze jego oddziaływania [5].
Najczęściej formułowanym celem generalnym jest realizacja strategii zrównoważonego rozwoju poprzez stworzenie warunków dla sprawnego i bezpiecznego przemieszczania osób i towarów, przy zapewnieniu priorytetu transportu
288
Dokładność satelitarnej lokalizacji pojazdów transportu publicznego
publicznego. Niektóre systemy wymagają znajomości aktualnego położenia
pojazdów. Informacja o położeniu uzyskiwana jest z odrębnych źródeł będących
lub nie częścią systemu zarządzania ruchem pojazdów – systemów lokalizacji
pojazdów.
Systemy lokalizacji pojazdów stanowią zatem jeden z podstawowych elementów systemu zarządzania ruchem pojazdów i ich dobór stanowi o jakości
systemu zarządzania. Systemy lokalizacji dostarczają informacji o współrzędnych położenia pojazdu i pozwalają na określenie parametrów jego ruchu.
Obecnie przedsiębiorstwa transportu publicznego w wielu miastach, a także
firmy transportowe, dysponują systemami zarządzania taborem pojazdów. Są to
komputerowe systemy umożliwiające lokalizację pojazdów, transmisję danych
oraz łączność foniczną pomiędzy pojazdami a centrum dyspozytorskim.
2. Cele i zadania zarządzania pojazdami transportu publicznego
Najogólniejszym celem zarządzania pojazdami transportu publicznego jest
poprawa efektywności jego funkcjonowania. Do głównych celów zarządzania
ruchem w transporcie zbiorowym należą:









zapewnianie punktualności i regularności kursowania pojazdów;
utrzymanie ciągłości ruchu i wysokiej niezawodności działania;
podnoszenie bezpieczeństwa pasażerów, skrócenie czasu usuwania
skutków awarii, wypadków itp.;
zmniejszanie czasów podróży, a zwłaszcza jej najbardziej uciążliwych
składników jak oczekiwanie i przesiadka;
poprawa warunków podróżowania, np. ograniczenie zatłoczenia;
zapewnianie pasażerom pełnej informacji zarówno o charakterze okresowym (np. rozkładzie jazdy), jak i bieżącej (np. czas przybycia do najbliższego przystanku, połączenia przesiadkowe, zakłócenia w ruchu);
zwiększanie zaufania pasażerów do transportu publicznego;
ułatwienie pracy służbom eksploatacyjnym oraz zmniejszanie zmęczenia
wywołanego pracą, a zwłaszcza żmudnymi czynnościami rutynowymi;
lepsze wykorzystanie taboru będącego w dyspozycji przedsiębiorstwa,
zwiększenie zdolności przewozowej linii i sieci transportu publicznego.
Typowa konfiguracja sprzętowa systemu zarządzania pojazdami obejmuje:
urządzenia zainstalowane w pojazdach, centrum komunikacyjne zapewniające
transmisję danych i łączność foniczną, centrum dyspozytorskie odpowiedzialne
za właściwą realizację celów oraz urządzenia infrastruktury drogowej pełniące
funkcje sterujące, informacyjne, transmisyjne [1].
289
Józef Suda
3. System nadzoru ruchu tramwajów „SNRT 2000” w Warszawie
Przedsiębiorstwo Tramwaje Warszawskie wyposażyło wszystkie posiadane
tramwaje (ok. 450 szt.) w terminale oraz zbudowało stanowisko dyspozytorskie
w centrali Nadzoru Ruchu, będące podstawą działania systemu [4]. System
SNRT 2000 został zaprojektowany w celu łączności fonicznej i transmisji danych, oraz dostarczenia infrastruktury umożliwiającej nadzór nad taborem, liczącym kilkaset pojazdów, z jednego centrum, w tym:







centralne zbieranie bieżąco aktualizowanych danych dotyczących lokalizacji pojazdów, zgłoszeń fonicznych i alarmowych;
przesyłanie zebranych danych do centrum dyspozytorskiego;
zobrazowanie operatorom w centrum dyspozytorskim obszernych danych o jakości realizowanych usług transportowych;
przechowywanie danych i tworzenie różnych raportów;
kierowanie do pojazdów rozkazów i związanych z nimi danych;
zapewnienie łączności fonicznej zwykłej i alarmowej;
poprawę bezpieczeństwa przez zapewnienie szybkiego, skutecznego
i niezawodnego zgłaszania alarmów.
Każdy pociąg tramwajowy posiada odbiornik GPS, który umożliwia lokalizację z częstością 10 razy na sekundę. Wyznaczoną pozycję do centrum nadzoru
przekazuje odpytywane cyklicznie radio. Informacja z pozycją przesyłana do
centrum nosi nazwę depeszy nawigacyjnej. Przesyłana jest ona co 3 minuty.
W depeszy zawarte są podstawowe informacje o aktualnej pozycji, nazwie zespołu przystankowego, w obrębie którego tramwaj się znajduje oraz czas wysłania depeszy. Pozycja pojazdu zawarta w depeszy jest określana w płaskim układzie współrzędnych x, y z dokładnością do 1 m (rys. 1).
Rys. 1. Przykład depeszy z pozycją tramwaju
Fig. 1. An example of a wire with tramways' position
290
Dokładność satelitarnej lokalizacji pojazdów transportu publicznego
4. Ocena dokładności lokalizacji tramwajów w Warszawie
Analizując dane z odbiorników GPS umieszczonych w tramwajach określono, jaką w praktyce dokładność zapewnia system GPS-Navstar w obszarach
zurbanizowanych [5].
Analizie poddano dokładność wyznaczenia lokalizacji tramwaju podczas
postoju i podczas jazdy. Do oceny dokładności podczas postoju wybrano pętle
tramwajowe. Są to miejsca, w których tramwaj na pewno stoi i pozycja GPS jest
znana. Do badań wybrano cztery pętle: Annopol, Wyścigi, Pl. Narutowicza
i Banacha. Zostały one dobrane w taki sposób, aby można było porównać dokładność lokalizacji na pętlach położonych w centrum miasta, jak i na przedmieściach. Przykładem pętli położonych „na przedmieściu” w terenie niezabudowanym są pętle Annopol i Wyścigi (rys. 2).
5780000
5779950
5779900
5779850
5779800
5779750
5779700
5779650
501050
501100
501150
501200
501250
501300
Rys. 2. Zobrazowanie położenia tramwajów w rejonie pętli Wyścigi [2]
Fig. 2. A view of trams' location in the Wyscigi area terminus
Pętla Pl. Narutowicza (rys. 3) zlokalizowana jest w centrum miasta i otoczona wysokimi budynkami. Pętla Banacha znajduje się w śródmieściu, ale
w terenie otwartym i nie jest otoczona bardzo wysokimi domami.
Znając współrzędne GPS przystanka i bieżące położenie tramwaju, wyznaczono błąd lokalizacji położenia:
d  ( X i  X ) 2  (Yi  Y ) 2
(1)
gdzie:
d
– błąd lokalizacji [m],
X i Y – rzeczywiste współrzędne przystanka [m],
Xi i Yi – współrzędne i-tego tramwaju na przystanku [m].
291
Józef Suda
Z otrzymanego w ten sposób zbioru błędów położenia obliczono średnią
arytmetyczną błędu położenia. Obliczono również odchylenie standardowe błędu położenia. Wyniki obliczeń zostały umieszczone w tabeli 1.
5785650
5785600
5785550
5785500
5785450
5785400
5785350
5785300
5785250
498700
498800
498900
499000
499100
499200
Rys. 3. Zobrazowanie położenia tramwajów w rejonie pętli Pl. Narutowicza [2]
Fig. 3. A view of trams' locations in Pl. Narutowicza area terminus
Tabela 1
Dokładność oszacowań położenia tramwaju na pętlach
Precision of estimations of a tram’s location in termini
Pętla tramwajowa
Liczebność
próby
Błąd położenia
wartość średnia
[m]
odchylenie
standardowe [m]
Annopol
374
10,4
8,1
Wyścigi
560
10,2
7,6
Pl. Narutowicza
510
19,3
13,8
Banacha
297
13,1
10,6
Celem kolejnej z przeprowadzonych analiz było sprawdzenie wpływu zjawisk atmosferycznych na dokładność określania pozycji przez system GPS.
W tym celu zbadano, jak rozkłada się wartość średnia i odchylenie standardowe
w zależności od warunków atmosferycznych. Zaobserwowano nieznaczny
wzrost średniej wartości błędu w dniach silnych opadów deszczu i śniegu.
Wykonano również ocenę błędów lokalizacji tramwajów w trakcie przemieszczania się po ulicach. Do wykonania ww. badań wykorzystano dane
292
Dokładność satelitarnej lokalizacji pojazdów transportu publicznego
o lokalizacjach pozyskane z centrum Nadzoru Ruchu Tramwajów Warszawskich. Każde wskazanie położenia tramwaju wzdłuż osi torowiska jest prawdopodobne, chociaż w rzeczywistości może być błędne. Wskazane położenie
w pewnej odległości od osi torowiska jest ewidentnym błędem lokalizacji.
5786500
[m]
5786400
5786300
5786200
5786100
5786000
5785900
500800
[m]
500850
500900
500950
501000
501050
Rys. 4. Zobrazowanie położenia tramwajów na ul. Marszałkowskiej w rejonie ul. Hożej [2]
Fig. 4. A view of trams' locations on Maraszalkowska Street near Hoza Street
Miarą wielkości błędu jest odległość położenia określona przez odbiornik
GPS w tramwaju od osi torowiska. Oceniano wyniki z pociągów poruszających
się po liniach tramwajowych w ciągu ul. Marszałkowskiej (rys. 4). Badano trzy
odcinki tej trasy, leżące w rejonie Placu Konstytucji, ul. Hożej i ul. Świętokrzyskiej.
Tabela 2
Dokładność oszacowań położenia tramwajów będących w ruchu
Precision of moving tramways' localization
Tramwaj znajduje się
w rejonie
Liczebność
próby
Błąd położenia
wartość średnia
[m]
odchylenie standardowe
[m]
Pl. Konstytucji
252
7,8
7,4
ul. Hoża
290
10,8
9,4
ul. Świętokrzyska
219
12,7
16,5
Z przedstawionych wyników lokalizacji tramwajów przemieszczających się,
wynika, że największe błędy zanotowano w rejonie ul. Świętokrzyskiej. Obszar
ten znajduje się w centrum miasta i jest otoczony wysoką zabudową. Widoczność satelitów jest ograniczona a fale radiowe docierające do odbiorników GPS
mogą być tłumione bądź też odbijane przez przeszkody, w tym przypadku bu293
Józef Suda
dynki. Każdy z ww. elementów ma wpływ na zwiększenie błędu lokalizacji.
Wyniki lokalizacji otrzymane w rejonie Pl. Konstytucji i ul. Hożej wykazują, że
istnieją na nich korzystniejsze warunki do precyzyjnego określania pozycji
tramwaju w ruchu. Świadczy o tym znacznie większy udział procentowy błędu
lokalizacji w przedziale poniżej 10 metrów. Natomiast błąd z przedziału powyżej 20 metrów w analizowanych obszarach występował sporadycznie (~ 5%
tylko w rejonie ul. Hożej ~ 9%).
5. Lokalizacja w systemie zarządzania ruchem pojazdów MZA
System zarządzania ruchem pojazdów MZA w Warszawie będzie złożonym
systemem organizacyjnym, informatycznym, informacyjnym, łączności
i lokalizacji pojazdów, stanowiąc element systemu centralnego zarządzania ruchem [4].
Rys.6.1.
Rys. 5. Koncepcja systemu zarządzania ruchem pojazdów MZA [4]
Fig. 5. A concept of trams traffic management system
System ten przewidziany jest dla 1400 pojazdów: autobusy, pogotowia
techniczne, nadzór ruchu. Zakłada się, że system będą tworzyły cztery podstawowe elementy funkcjonalne:



294
infrastruktura komunikacyjna (łączność radiowa dalekiego zasięgu, protokoły wymiany informacji, łączność bliskiego zasięgu);
Centrum Dyspozytorskie Nadzoru Ruchu;
stanowiska zajezdniowe;
Dokładność satelitarnej lokalizacji pojazdów transportu publicznego

urządzenia przewoźne, w tym odbiorniki GPS instalowane w autobusach, pogotowiach technicznych i radiowozach nadzoru ruchu.
System będzie współpracował z systemami informacyjnymi dla pasażerów
w pojazdach i na przystankach, a także z systemem wymuszania priorytetów dla
pojazdów komunikacji miejskiej na skrzyżowaniach z sygnalizacją. Lokalizacja
pojazdów w mieście realizowana będzie z zastosowaniem procedury trzystopniowej. W pierwszym etapie zakłada się wykorzystanie ogólnodostępnego systemu nawigacji satelitarnej GPS (DGPS). Informacja ta będzie służyła wstępnej
lokalizacji i identyfikacji zespołu przystankowego, w rejonie którego pojazd się
znajduje.
W następnym etapie położenie zostanie określone na podstawie sygnałów
z licznika drogomierza. Ta informacja będzie podstawą do podejmowania decyzji przez autokomputer w pojeździe.
Trzecim etapem określania (weryfikacji) położenia pojazdu jest sygnał
z układu otwierania i zamykania drzwi.
Podsumowanie
Do ogólnych analiz systemów lokalizacji pojazdów wykorzystano informacje opublikowane w pracy [3]. Zawierają one zestawienie 76 firm, oferujących
systemy dla różnych środków transportu takich jak: pojazdy ciężarowe, autobusy, pojazdy komunalne, pojazdy uprzywilejowane, taksówki i inne. Należy tutaj
jednak zastrzec, że większość firm nie koncentruje się na jednym rozwiązaniu
technicznym, oferując różne metody rozwiązania tego samego zagadnienia.
Z analizy budowy systemów można wywnioskować, że zdecydowanie preferowane jest wykorzystanie kanałów transmisji cyfrowej a najczęściej wykorzystywanym systemem lokalizacji pojazdów jest GPS.
Sygnał satelitarny GPS jak każdy sygnały radiowy podlega zakłóceniom.
Na zakłócenia najbardziej czułe są starsze odbiorniki, których anteny nie są
wyposażone w odpowiednie filtry. Odbierają one często sygnały w paśmie od
800 MHz do 2,5 GHz. Źródeł zakłóceń w tym paśmie częstotliwości może być
wiele. Najbardziej rozpowszechnionym źródłem są stacje przekaźnikowe telefonii komórkowej i sieci transmisji danych, których największe skupisko znajduje
się na obszarach silnie zurbanizowanych. Innym ważnym źródłem zakłóceń są
stacje radiolokacyjne.1 Należy również pamiętać, iż umieszczone na dachach
tramwajów anteny odbiorników pracują pod silnym polem elektromagnetycznym linii zasilającej trakcję.
Inną przyczyną błędów lokalizacji jest absorpcja sygnału GPS przez
większość powierzchni, dlatego w obszarach zurbanizowanych innym ważnym
1
http.//www.navi.pl/Zakłócenia GPS
295
Józef Suda
źródłem zakłóceń jest wysoka zabudowa centrum miasta, jak również niższa
zabudowa przedmieść.
Współczesne budownictwo opiera się głównie na konstrukcjach żelbetonowych, które w znacznym stopniu mogą pochłaniać sygnał z satelity lub przesłaniać widoczność konstelacji satelitów. Dobrą ilustrację tego faktu dały pomiary
wykonane w rejonie wiaduktu drogowego skrzyżowania ul. Chałubińskiego i Al.
Jerozolimskich. Odbicia fal radiowych powodują wielotorowość sygnałów satelitarnych, a przez to wydłużenie czasu, w którym fala przebywa drogę od satelity do
odbiornika, co ma wpływ na dokładność uzyskanych wyników.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Chesnoy A., Bense D., Briolat C., Radio positioning of Mobiles in
a Densely Built up Urban Area and Applications to RATP Bus Fleet Management and Passenger Information, Materiały firmy SAGEM S.A.
Cieślak A., Materiały seminarium dyplomowego studenta specjalizacji sterowanie ruchem drogowym Wydziału Transportu PW, 2003.
Scrase R., Intelligent Fleet Management, ITS International – The journal
of advanced transport infrastructure No. 13, Nov/Dec 1997, pp.82-84.
Suda J., Prospects for GNSS In Telematics Systems In Warsaw, referat na
Workshop “Multifunctional GNSS Reference Station System for Europe”
BERLIN 4-5.03.2002. Materiały niepublikowane.
Suda J., Lokalizacja pojazdów w systemach zarządzania miejską komunikacją publiczną, w II Konferencji Naukowo-Technicznej „Systemy Transportowe Teoria i Praktyka”, Wydział Transportu Politechniki Śląskiej Katowice 8 września 2004 r. Katowice, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej nr
162, str. 465 – 473.
Zakłócenia sygnałów GPS, Materiały firmy Navi www.navi.pl/Zakłócenia
GPS.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
dr hab. inż. Jacek Januszewski, prof. AM w Gdyni
Adres Autora
dr inż. Józef Suda
Politechnika Warszawska, Wydział Transportu
Zakład Sterowania Ruchem Drogowym
ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, [email protected]
296