Kryteria dostępu do informacji w systemach ITS

Obecnie znajdujemy się w historycznie ważnym punkcie rozwoju systemów transportowych. Jest to punkt, w którym nowe technologie telekomunikacyjne i informatyczne zaczęły decydować o tym jak usługi transportowe mają wyglądać. Dotyczy to zarówno tego, co przewozić, jak przewozić, kiedy przewozić i ile. Rynek transportowy w drugiej dekadzie XXI wieku stał się dzięki temu bardziej elastyczny i niezależny od sztywnych harmonogramów dostaw lub rozkładów jazdy. Równocześnie okazało się, że zaangażowanie środków teleinformatycznych do celów wspomagania transportu może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa, koordynacji sterowania ruchem, zwiększenia świadomości o sytuacji transportowej podróżujących [13]. Dotyczy to zarówno kierowców, jak i pasażerów. Ogół zagadnień związanych z wykorzystaniem technologii teleinformatycznych w transporcie znany jest pod pojęciem Inteligentnych Systemów Transportowych (ITS). Pojęcie ITS jest już dziś usystematyzowane i oznacza zastosowanie wysokorozwiniętych technologii zarządzania, telekomunikacyjnych, elektroniki (hardware) i informatycznych (software) do wspomagania systemów transportu powierzchniowego [12]. Celem ITS wg [1] jest poprawa bezpieczeństwa i mobilności transportu oraz zwiększenie jego wydajności poprzez integrację zaawansowanych technologii telekomunikacyjnych w ramach infrastruktury transportowej i w pojazdach. Kluczowe znaczenie w rozwoju systemów stało się pozyskiwanie danych, których źródłem stała się nie tylko infrastruktura transportowa, ale również odpowiednio doposażone pojazdy.
Naczelną rolę w takich systemach ma dostęp do pełnej i wiarygodnej informacji. Jej źródłem są zarówno pojazdy, infrastruktura transportowa, jak i centra zarządzania. Stanowią one pierwszy element w procesie związanym z przepływem danych. Gro tych informacji charakteryzuje się krótką treścią, przy równoczesnej ogromnej ich ilości. Przykładem może być tu system nawigacji satelitarnej w pojeździe, czujnik stanu nawierzchni (stacji meteo), pętla indukcyjna zatopiona w pasie drogowych, itd.
Pochodzące z infrastruktury i z pojazdów informacje muszą być odpowiednio rozpowszechnione. Znaczący udział w tym procesie mają konwergentne sieci bezprzewodowe. Z punktu widzenia technicznego dzieli się je na obszarowe (rozległe) i krótkiego zasięgu. Aktualnie wiele środków poświęca się na rozwój sieci bezprzewodowych krótkiego zasięgu w ramach wymiany V2V(Vehicele-to-Vehicle) oraz V2I (Vehicele-to-Infrastructure).

1. EWOLUCJA METOD ZDOBYWANIA  INFORMACJI W SYSTEMACH ITS

Pozyskiwanie informacji w systemach ITS polega na zapewnieniu środków technicznych mającym na celu zdobycie wiedzy o stanie pojazdów i infrastruktury drogowej. Proces pozyskiwania informacji jest pierwszym etapem ogólnego przepływu informacji w systemach ITS i ma realny wpływ na optymizację czasu podróży, bezpieczeństwo podróży, komfort jazdy, nadzór procesu transportowego, jak również koszty transportu ludzi i towarów. Uczestnikami, zainteresowanymi zdobyciem informacji, są podróżujący, centra zarządzania ITS, zarządcy infrastruktury transportowej i przewoźnicy.
Źródłem informacji może być zewnętrzny obserwator, uczestnik ruchu, urządzenie telematyczne zainstalowane na pokładzie pojazdu lub urządzenie będące w otoczeniu infrastruktury transportowej i wreszcie hurtownie danych centrów zarządzania ITS. Generalnie, źródłem informacji o stanie procesu transportowego są ludzie i czujniki, źródłem informacji dla człowieka są systemy prezentacji danych, np.: znaki zmiennej treści, interfejsy MMI (Man-Machine Interface). W dalszej części artykułu podjęto analizę metod pozyskiwania danych pochodzących z urządzeń telematyki przy użyciu dostępnych środków łączności. Pozyskiwanie danych na tle przepływu informacji, w ogólnym ujęciu, przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Przepływ informacji w systemach ITS [4]

Wskazuje się cztery generacje metod pozyskiwania danych o stanie infrastruktury transportowej [12].
Pierwsza generacja systemów pozyskiwania wiedzy o stanie dróg bazowała na fizycznej obserwacji infrastruktury drogowej. Obserwacja ta mogła być przeprowadzona punktowo przez osobę obserwującą określone skrzyżowanie dróg lub arterię komunikacyjną, jak również obszarowo, z powietrza, wykorzystując do tego celu helikoptery. W Polsce od lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, na obszarze dużych miast, wykorzystuje się współpracujące z rozgłośniami radiowymi, korporacje taksówkowe, których flota przemieszczając się ulicami miast, zbiera i przekazuje informacje o stanie przejezdności ulic, najczęściej w godzinach szczytu.
Druga generacja systemów pozyskiwania informacji została uzupełniona o różnego rodzaju czujniki drogowe.  Czujniki drogowe są stosowane od lat sześćdziesiątych XX w. Ich zadaniem było wykrywanie fizycznej obecności pojazdu w danym miejscu infrastruktury drogowej. Szczególnie chętnie były wykorzystywane do oceny stanu zajętości skrzyżowań. Wśród wielu rozwiązań czujników drogowych największą popularnością cieszą się czujniki instalowane w nawierzchni drogi. Są to: czujniki indukcyjne pętlowe, czujniki piezoelektryczne, kwarcowe, tensometryczne, pojemnościowe i czujniki magnetyczne. Czujniki radiowe i laserowe nie są montowane w nawierzchni drogi, ale nad nią, w jej najbliższym otoczeniu.
Trzecią generacją metod pozyskiwania informacji o stanie dróg ukierunkowano na indywidualną komunikację infrastruktury drogowej z pojazdem. Rozwiązania tego typu wymagały, aby pojazd został wyposażony w transponder umożliwiający zdalną identyfikację pojazdu. Przykładem wykorzystania tego typu urządzeń jest wprowadzony w lipcu 2011 roku, w Polsce, system viaTOLL, a wkrótce również viaAUTO.
Czwartą generacją systemów pozyskiwania informacji o stanie obciążenia infrastruktury drogowej było wykorzystanie, jako źródła informacji, sieci GSM i telefonów/modemów sieci komórkowych do pozyskiwania informacji o obecności pojazdu w danym obszarze i sprzężenie ich z urządzeniami telematyki zamontowanymi w pojazdach, np. takimi jak jednostki OBU (On-Board Unit).
Efektem rozwoju technologii teleinformatycznych, a w konsekwencji wzrastającej interakcji pomiędzy infrastrukturą transportową, a podróżującymi stało się powstanie tzw. architektury ITS, rozwijanej zarówno w UE, USA, jak i innych krajach wysokorozwiniętych na świecie. Bezpośrednim celem każdej z nich jest zaspokajanie zgłaszanych potrzeb użytkowników transportu, zgodnie z Dyrektywą UE [1]. Prowadzi to do powstania zaawansowanej infrastruktury telematycznej wykorzystującej zaawansowane technologie telekomunikacyjne i informatyczne.

2. MODEL WYBORU METODY POZYSKIWANIA INFORMACJI

Kluczowym elementem w modelu pozyskiwania informacji w systemach ITS jest konstrukcja architektury ITS. Wg [5] architektura ITS jest listą „aspiracji” powstałą w wyniku rozpoznania, analizy i usystematyzowania potrzeb użytkowników. W konsekwencji prowadzi to do opracowania zbioru usług telematycznych TTS (Transport Telematics Services), które te „potrzeby” zaspokoją. Zestawienie wszystkich usług telematycznych zawiera norma ISO 14813-1 [6].
Można stwierdzić, że o kształcie architektury ITS oznaczonej w modelu jako A, świadczy zbiór usług tworzących tą architekturę. Oznacza to, że zbiór ten nie może być pusty , zatem zawiera przynajmniej jedną usługę telematyczną , gdzie i należy do liczb naturalnych . W rzeczywistości każda architektura ITS realizuje wiele, z wskazanych w normie [6] usług telematycznych.

Każda z usług S ma przypisany zbiór funkcjonalności F. Każda z funkcjonalności w pewnym sensie opisuje usługę, której jest częścią. Przykładowe funkcjonalności i ich oznaczenia przedstawiono w tabeli 2.

Tab. 2. Zbiór funkcjonalności [7]

Realizacja funkcjonalności jest możliwa pod warunkiem dostępu do zbioru środków łączności D będących podzbiorem większego zbioru zasobów teleinformatycznych Z.

Do zbioru tych środków łączności należy uznać przede wszystkim dostępne technologie bezprzewodowe, których zestawienie przedstawiono w tabeli 3.

Tab. 3. Porównanie bezprzewodowych środków łączności [opracowanie własne]

Decyzja o wykorzystaniu danego środka łączności musi być podejmowana w oparciu o zapotrzebowanie na szerokość pasma teletransmisyjnego, częstość wykorzystania środka łączności i całkowity czas potrzebny na dostarczenie informacji do odbiorcy (warunek Real Time). Zestawienie typowych źródeł informacji B i na niezbędnych do osiągnięcia parametrów umieszczono w tabeli 4.

Tab. 4. Zapotrzebowanie wybranych źródeł informacji na środki łączności
[opracowanie własne]

W konsekwencji osiągnięcie wybranej funkcjonalności wiąże się z użyciem zarówno zasobów będących źródłem informacji, jak i środków łączności.

Wybór danego środka łączności jest podyktowany: przepustowością kanału teletransmisyjnego d_pk, dostępnością kanału teletransmisyjnego d_dk, gwarancją terminowego dostarczenia wiadomości d_td, metodą propagacji wiadomości d_pr, kierunkowością łącza d_kl i dostępnością adresata wiadomości d_da. Zatem do realizacji wybranej funkcjonalności F_j musi być spełniony warunek

Wprowadzenie tak silnego ograniczenia na użycie środka łączności w procesie pozyskiwania informacji przekłada się bezpośrednio na element czasu, który wraz z dużą liczbą przekazywanych wiadomości, może mieć wpływ na powstawanie natłoku w sieci, a w konsekwencji może mieć wpływ na funkcjonowanie całej infrastruktury ITS. Zjawiska tego typu zostały opisane w pracy [11], a na przykład następstw natłoku nieumiejętnego zaprojektowania sieci łączności zwrócono uwagę w pracy [8].
W wielu systemach przeznaczonych do wspomagania procesów transportowych wymagana jest praca z ograniczeniami tzw. czasu rzeczywistego. Oznacza to, zgodne z definicją tego pojęcia [10], że występujące pewne opóźnienie, którego nie da się wyeliminować, nie może przekroczyć wyznaczonej granicy (dead-line). Dla systemów telekomunikacyjnych jest to wartość maksymalnego opóźnienia transmisji głosu podczas rozmowy telefonicznej i wynosi ona 500 ms. W systemach telematycznych, ze względu na mobilny charakter komunikujących się stron wymiany informacji, przyjmuje się tradycyjnie podobną wartość, choć nie jest ona obligatoryjna.
Ograniczenie zjawiska przeciążenia sieci łączności może być zastosowanie mechanizmów polegających na zmianie sposobów udostępniania informacji. Można wskazać trzy takie sposoby. Pierwszym jest ciągła transmisja informacji w czasie rzeczywistym, opóźniona jedynie czasem dokonywania pomiaru i przygotowania do transmisji. Innym przypadkiem jest transmisja cykliczna, inicjująca samoczynnie przekazywanie informacji, co pewien, z góry określony, interwał czasu. Dla części usług telematycznych wystarczającą może być metoda polegająca na aktywowaniu procesu pomiarowego w następstwie wystąpienia zdarzenia inicjującego. W tym przypadku wymagana jest dwukierunkowa transmisja danych.
Osiągnięcie określonej funkcjonalności danej usługi TTS jest ostatecznie spełnione poprzez dostarczenie oczekiwanych informacji. Informacje te wynikają z uzyskanych przez system ITS wiadomości W. Można je podzielić na dwie kategorie. Pierwszą kategorią są wiadomości zawierające informacje o znaczeniu podstawowym W_M. Są one niezbędne do realizacji usług TTS. Drugą kategorią są informacje o znaczeniu uzupełniającym W_E, których obecność nie jest obowiązkowa, jednak stanowi cenne uzupełnienie informacji pierwszej kategorii.

Jakość świadczenia usług TTS jest ściśle związana z czasem dostarczenia wiadomości o znaczeniu podstawowym. Czas dostarczenia wiadomości oznaczony jako t_W jest składową kilku czasów elementarnych, do których należy zaliczyć: długość czasu pomiaru t_P, długość czasu wstępnej obróbki danych/kompresji danych t_O, długość czasu przygotowania wiadomości do wysłania (buforowanie i pakietyzacja) t_W, długość czasu przekazania informacji za pomocą środków łączności t_PI i wreszcie długość czasu przetwarzania i długość czasu podejmowania decyzji o wykorzystaniu otrzymanej informacji u odbiorcy wiadomości t_PP.

Czas przekazania informacji za pomocą środków łączności t_PI jest składową wielu parametrów. Do najważniejszych należy zaliczyć sumę czasów transmisji wiadomości poprzez łącza teletransmisyjne t_LT, sumę czasów buforowania t_BW, przetwarzania t_PW, kierowania wiadomości t_KW w węzłach sieci, sumę czasów retransmisji wiadomości t_RW powstałej w skutek błędnego odebrania danych.

Badaniem wymienionych tu elementów zajmuje się teoria masowej obsługi [3]. W zaleceniu [2] do zapewnienia QoS zalecane są odpowiednie mechanizmy, m.in. nadawanie odpowiednich priorytetów, unikanie przeciążeń, zarządzanie buforowaniem.Można, zatem stwierdzić, że

3. PODSUMOWANIE

Pozyskiwanie informacji o stanie funkcjonowania systemu transportowego stanowi zasadniczy element systemów ITS. Źródłem tych informacji są pojazdy i infrastruktura telematyczna, a w pewnym sensie również centra zarządzania ITS.
Gwałtowny rozwój technik transmisji bezprzewodowej, jaki obserwujemy w ostatnich dwudziestu latach, umożliwił stworzenie i świadczenie zupełnie nowych usług telematycznych, jednakże warto tu zaznaczyć, że wybór właściwej technologii jest zadaniem nienależącym do trywialnych.
Wśród zagadnień będących w stadium badań stały się kwestie wzajemnej komunikacji systemów i komponentów telematycznych, szczególnie istotne w sensie wzajemnej wymiany informacji między systemami różnych producentów, czy metod pozyskiwania. Ważnym obecnie aspektem dalszego rozwoju i wzmacniania wzajemnych relacji pomiędzy usługami telematycznymi stają się elementy bezpieczeństwa komunikacji pojazd – pojazd (V2V) i pojazd – infrastruktura (V2I), przechwytywanie danych w czasie rzeczywistym, opracowanie aplikacji dla dynamicznej mobilności i stworzenie warunków dla lepszej propagacji informacji w ramach architektury ITS.

[1] http://www.unwired.ee.ucla.edu/dsrc/dsrc_testbed_simple.htm

Bibliografia:

1. Dyrektywa  Parlamentu  Europejskiego  i  Rady  2010/40/UE z  dnia  7  lipca  2010  r. w  sprawie  ram  wdrażania  inteligentnych  systemów  transportowych  w  obszarze  transportu drogowego  oraz  interfejsów  z  innymi  rodzajami  transportu. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej, L207. 6.8.2010.
2. E.800: ITU-T  E-Series  Recommendations, Overall Network Operation, Telephone Service, Service Operation And Human Factors. ITU-T,  Geneva 09/2008.Filipowicz B.: Modele stochastyczne w badaniach operacyjnych. WNT, Warszawa1996.
3. Filipowicz B.: Modele stochastyczne w badaniach operacyjnych. WNT, Warszawa 1996.
4. http://www.itsa.org/knowledgecenter/technologyscan
5. http://www.frame-online.net/
6. ISO 14813-1: Intelligent transport systems — Reference model architecture(s) for the ITS sector – Part 1: ITS service domains, service groups and services ISO, Geneva 2007.
7. Mbiydzenyuy G., Persson J.A., Davidsson P.: Optimization Analysis of Multiservice Architecture Concepts in Road Transport Telematics. Journal of Intelligent Transportation Systems: Technology, Planning, and Operations, London 2012, p. 197-210.
8. Miller J.: Vehicle-to-Vehicle-to-Infrastructure (V2V2I) Intelligent Transportation System Architecture. 2008 IEEE Intelligent Vehicles Symposium Eindhoven University of Technology Eindhoven, The Netherlands, June 4-6, 2008.
9. Nowacki G.: Geneza i znaczenie pojęcia Telematyka transportu. Przegląd ITS nr 15, Warszawa 2009, s. 25 – 29.
10. Sacha K.: Systemy czasu rzeczywistego. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2006.
11. Sumiła M.: Selected Aspects of Message Transmission Management in ITS Systems. Telematics in the Transport Environment. Springer, Heidenberg 2012, p. 141 – 147.
12. Sussman J.: Lecture notes to An Introduction To Intelligent Transportation Systems. MIT. Cambridge 2005.
13. Sussman J.: Perspectives on Intelligent Transportation Systems (ITS). Springer Science+Business Media Inc., New York 2005.

O autorze:

Autor jest wieloletnim pracownikiem Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej w Zakładzie Telekomunikacji w Transporcie. W roku 2008 otrzymał stopień doktora w dyscyplinie transport za badania nad komputerowymi systemami sterowania ruchem kolejowym. Od lat zajmuje się teoretycznymi i praktycznymi aspektami wykorzystania teleinformatycznych środków łączności na potrzeby transportu. W jego dorobku znajduje się kilkadziesiąt publikacji naukowych i popularnonaukowych publikowanych w materiałach konferencyjnych i magazynach branżowych. W latach 2006 i 2012 otrzymał nagrody Rektora PW za osiągnięcia dydaktyczne. Obecnie prowadzi badania nad wykorzystaniem systemów ITS w zakresie bezpieczeństwa transportu.