Title of the paper (14pt - YTEC 2015

České vysoké učení technické v Praze
Fakulta dopravní - Horská
30. září 2015
Praha, Česká republika
Kooperativní systémy optimalizace rychlosti vozidel na světelných
křižovatkách
Pavel Soukupi, Petr Kumpoštii
Abstract: Signal-controlled intersections are irreplaceable part of modern transport networsk in
cities. But there is one negative phenomenon, which comes from their essence. They cause stop-and-go
character of traffic flow, which raise fuel consumption and CO2 emissions, reduce continuity of traffic
flow, make driving comfort worse and cause driver’s distraction. These negative concomitants can be
alleviated by cooperation between infrastructure (traffic light) and car (respectively driver). This
cooperation results in so called Green Light Optimal Speed Advisory (GLOSA), this system advises
the optimal speed, which drivers should maintain when heading towards a signalized intersection.
This paper presents principles of cooperative systems, their potential and limits, introduces some
implemented cooperative systems, their properties and characteristics. There are presented the
results of research realized by technology universities and companies Audi and Swarco. Paper
informs about benefits of this cooperative systems and possibillities of future advancements.
Keywords: traffic lights, GLOSA, cooperative system, speed advisory
1. Úvod
Účelem světelného signalizačního zařízení je řízení dopravy v rámci dopravní sítě. Mimo
řady pozitivních jevů mohou přinášet i problém v podobě vzniku tzv. stop-and-go vln
v důsledku zastavování a rozjíždění dopravního proudu, který není informován o budoucím
signálním plánu daného SSZ. Jako vhodnější způsob pohybu dopravního proudu se jeví forma
tzv. slow-and-go pohybu, při kterém vozidla zcela nezastavují před křižovatkou, ale pouze
sníží svou rychlost tak, aby křižovatkou projížděla na zelenou. Tento způsob pohybu je
ekonomicky výhodnější, dochází zde k úspoře až 20 % paliva (při srovnání akcelerace
stojícího vozidla s akcelerací vozidla jedoucího rychlostí 8 km/h). (1)
2. Systémy GLOSA
Řešením tohoto problému jsou tzv. systémy GLOSA (z anglického Green Light Optimized
Speed Advisory), což jsou systémy poskytující řidičům informaci o rychlosti, jakou je třeba
jet, aby nemuseli zastavovat na červenou a projeli na zelený signál. Pokud svítí červený
signál, tak se uživatelům zobrazuje zbývající čas do zeleného signálu – TTG (Time To
Green). Řidič tedy vždy ví, kdy padne jaký signál a může tomu přizpůsobit svůj styl jízdy,
čímž se snižuje doba stání a počet rozjezdů a tím i spotřeba paliva a množství emisí.
i
Ing. Pavel Soukup, ČVUT v Praze Fakulta dopravní, Ústav dopravních systémů K612, Horská 3,
128 03 Praha 2, [email protected]
ii
Ing. Bc. Petr Kumpošt, Ph.D., ČVUT v Praze Fakulta dopravní, Ústav dopravních systémů K612, Horská 3,
128 03 Praha 2, [email protected]
1
České vysoké učení technické v Praze
Fakulta dopravní - Horská
30. září 2015
Praha, Česká republika
2.1.
Metodika provádění
Základem CSD je získání kvalitních údajů (vstupních dat), která se získávají dvojím
způsobem. U vybraných dálnic a rychlostních silnic se využívá hodnot získaných
dlouhodobým sčítáním na vybraném vzorku stanovišť pomocí automatických detektorů
dopravy ve správě Ředitelství silnic a dálnic (ŘSD). U ostatních silnic je prováděno větší
množství krátkodobých ručních sčítání, přičemž potřebný počet dnů sčítání pro jednotlivá
stanoviště vyplývá vždy z požadované přesnosti výsledků. Z takto získaných dat jsou
následně stanoveny charakteristické variace intenzit dopravy a stanoveny potřebné přepočtové
koeficienty. Ostatní požadované výstupy (jako např. hustota dopravy, kapacita úseku apod.)
jsou z těchto naměřených údajů získávány již obvyklými dopravně – inženýrskými postupy.
2.2.
Základní princip
Ačkoliv podobný účel částečně plní i odpočítávání do konce fáze na návěstidle, případně
návěsti s doporučenou rychlostí pro projetí zelené vlny, budeme se v tomto článku zabývat
systémy GLOSA, které předávají informace o potřebné rychlosti přímo jednotlivým vozidlům
do jejich palubních zařízení.
Tyto systémy obecně fungují ve čtyřech funkčních úrovních:
•
propojení se stávající dopravní infrastrukturou,
•
získání dat o uspořádání a signálním plánu křižovatky,
•
přenos dat do vozidel,
•
vyhodnocení získaných dat a zobrazení výstupu GLOSA/TTG. (2)
Propojení se stávající hardwarovou infrastrukturou se jeví jako největší problém, neboť ta
není na podobnou komunikaci uzpůsobena a k její generační výměně dochází obvykle až po
dlouhé době. Realizované systémy proto alternativně komunikují s dopravní ústřednou, která
má informace o zapojených SSZ a tento způsob komunikace vyžaduje menší změny ve
stávající infrastruktuře. Přenos dat do vozidel následně probíhá pomocí DSRC nebo mobilní
sítě (3G/4G). (2)
2.3.
Přehled realizovaných projektů
Existuje několik již realizovaných projektů systému typu GLOSA, částečně se lišících svou
koncepcí.
Audi Travolution
Společnost Audi ve spolupráci se společnostmi Scheidt & Bachmann GmbH, TaxiFunk
Ingolstadt, ADAC, GEVAS software GmbH, Technickou univerzitou města Mnichova,
Ingolstadtskou Univerzitou aplikovaných věd a Univerzitou v Erlangen-Nuremberg zahájila v
roce 2006 program Travolution. (3) (4) Projekt obsahoval dvě hlavní vývojové větve –
dopravně závislý řídicí systém BALANCE, využívající genetický algoritmus, pro řízení
semaforů a kooperativní systém pro optimalizaci rychlosti na světelných křižovatkách na
principu C2I. (5) (6)
Tento systém byl zpočátku instalován na 3 světelně řízených křižovatkách v Ingolstadtu,
následně byl rozšířen na 25 křižovatek a v provozu bylo testováno celkem 15 vozidel.
2
České vysoké učení technické v Praze
Fakulta dopravní - Horská
30. září 2015
Praha, Česká republika
Komunikace mezi infrastrukturou a vozidly probíhala dvěma způsoby – semafor buď přímo
vysílal potřebné informace přes WLAN nebo byly odeslány na centrální server a následně
distribuovány přes UMTS; vozidla byla tedy vybavena přijímači WLAN a UMTS. Každý ze
semaforů standardně odesílal informace o struktuře systému, stavu světel v jednotlivých
směrech a predikci, jak se síť změní v nejbližší budoucnosti. Řidičům se informace přenášela
na palubní displej (GLOSA, TTG), možná byla také spolupráce se systémem ACC (Adaptive
Cruise Control). Aplikací této technologie v širším měřítku na německých silnicích by dle
Audi mělo dojít k úspoře až 900 milionů litrů benzínu a až k 15% redukci emisí CO2. (4)
SignalGuru
Dalším prakticky realizovaným systémem je SignalGuru vyvinutý ve spolupráci Princetonské
univerzity a Massachusettského technologického institutu. Oproti výše uvedenému projektu
se jedná čistě o mobilní aplikaci, která je nezávislá na přímé komunikaci s dopravní
infrastrukturou a pro získávání dat využívá kameru mobilního telefonu a poté obousměrně
komunikuje s datovým serverem, kde jsou uložena data od ostatních uživatelů tohoto
systému, a okolními zařízeními. Jedním z možných výstupů následného vyhodnocení
získaných informací je doporučení jízdní rychlosti pro řidiče.
Funkčně se SignalGuru skládá ze čtyř modulů:
•
detekční modul,
•
přechodový filtrační modul,
•
komunikační modul,
•
predikční modul. (7)
Detekční modul využívá běžnou kameru mobilního telefonu umístěného v držáku na čelním
skle vozidla. Je funkční vždy ve vzdálenosti menší než 50 m od křižovatky a jeho výstupem je
aktuální světelný signál na SSZ. Algoritmus je schopen vyhodnotit jeden snímek každé 2
vteřiny. Přechodový filtrační modul slouží k eliminaci chybného rozpoznání změny
světelného signálu Červená -> Zelená, filtraci probíhá ve dvou průchodech, při prvním je
použit lineární filtr (dolní propust) a při druhém kolokační filtr. (8)
Komunikační modul slouží ke spolupráci mezi jednotlivými účastníky provozu. Každé dvě
vteřiny odesílá UDP paket ve standardu 802.11g. Odesílají se nejen data získaná daným
účastníkem přímo, ale i data získaná od ostatních účastníků týkající se pěti předchozích cyklů.
Program zároveň získává informace týkající se signálního plánu dané křižovatky, ať už na
základě vlastních průjezdů z dřívější doby nebo od ostatních účastníků. (8) (7)
Predikční modul využívá dva odlišné přístupy – jeden pro křižovatky s pevným signálním
plánem a druhý pro křižovatky s dynamickým řízením. Pro křižovatky s pevným signálním
plánem využívá údajů získaných z databáze dřívějších průjezdů, pro křižovatky s
dynamickým řízením využívá predikci získanou na základě metody strojového učení SVR
(Support Vector Regression). Dle autorů je při dostatečné penetraci systém schopen začít
přesně predikovat během týdne používání. (7)
3
České vysoké učení technické v Praze
Fakulta dopravní - Horská
30. září 2015
Praha, Česká republika
Vyhodnocení funkčnosti systému SignalGuru proběhlo ve městech Cambridge (úsek ulic v
délce cca 600 metrů) a Singapur (dva okruhy ulic v délce cca 800 m a 1300 m). Při použití
pěti (Cambridge), resp. osmi vozidel (Singapur) bylo výsledkem snížení průměrné spotřeby o
20,3 %. (7)
Compass4D
K dalšímu významnému kroku na téma kooperativních systémů pro optimalizaci rychlosti na
světelných křižovatkách došlo v rámci projektu Evropské unie Compass4D (Cooperative
Mobility Pilot on Safety and Sustainability Services for Deployment), který probíhá od 1.
ledna 2013 do 31. prosince 2015. Součástí tohoto projektu je i služba nazvaná Energy
Efficient Intersection Service (EEIS), jejíž testování a vývoj probíhá v italské Veroně ve
spolupráci se společnostmi Swarco Mizar a Telecom Italia a má ověřit možnosti využití CITS (Cooperative inteligent transportation system) v praxi. (9) (10)
Zapojeny jsou všechny křižovatky v centru města (přes 200), které komunikují s dopravnědispečerskou platformou Swarco Omnia, přičemž na části z nich je použit decentralizovaný
optimalizační on-line systém UTOPIA pro řízení dopravy, část z nich má pevný signální plán.
Potřebná dopravní data vozidla (potažmo řidiči) získávají v podobě SPaT zpráv (signal phase
and timing) přímo od řadičů jednotlivých křižovatek, komunikace probíhá dle standardu
802.11p. Výstup pro řidiče (GLOSA, TTG) je následně přenášen do palubního počítače nebo
jiného mobilního zařízení. Celkem bylo tímto systémem vybaveno 10 autobusů, 5 vozidel taxi
a 5 automobilů místní správy. Zároveň se mohou zapojit vozidla vybavená jednotkou OBU
splňující standard ETSI ITS-G5 nebo vozidla s mobilním zařízením s potřebnou mobilní
aplikací. Celkové výsledky budou známy po uzavření vývojového projektu. (9) (10)
Další vývoj u firmy Swarco
Mimo výše uvedený projekt pracuje firma Swarco (ve spolupráci se společností Audi) na
obdobných projektech ve městech Berlín a Garmisch-Partenkirchen. Ve druhém zmiňovaném
městě bylo na 27 řízených křižovatkách, využívajících řídicí systém UTOPIA, doplněno
zařízení pro komunikaci se systémem Swarco Omnia, který následně poskytuje data
jednotlivým vozidlům přes mobilní sítě 3G. (2)
V Berlíně je zahrnuto více než 800 řízených křižovatek, přičemž zde funguje několik
operátorů s vlastními řídícími centry a jsou zde využita různá zařízení a komunikační
protokoly. Při realizaci nebylo tedy žádoucí zasahovat do stávající infrastruktury na
křižovatkách, komunikace proto probíhá mezi centrálním serverem Swarco/Audi a
jednotlivými dopravními ústřednami, následně jsou data přenášena do vozidel přes mobilní
internet (3G/4G), přičemž podoby zpráv předávaných vozidlům jsou standardizovány v SAE
J2735 do podoby Signal Phase and Timing (SPaT) a Map Data (MAP). (11)
Systém také spolupracuje se systémem start/stop ve vozidlech Audi a v případě, že hodnota
TTG nízká, nedochází k vypnutí motoru. (12)
Na podzim 2014 bylo oznámeno zahájení spolupráce mezi společnostmi Swarco a Nokia,
přičemž výsledkem by mělo být propojení navigace HERE s dopravními daty získanými ze
zařízení firmy Swarco. Aplikace HERE by se tedy mohla stát prvním masově rozšířeným
systémem GLOSA, podklady HERE využívá přes 80 % vestavěných navigační přístrojů
prodaných v Evropě a Severní Americe. (13)
4
České vysoké učení technické v Praze
Fakulta dopravní - Horská
30. září 2015
Praha, Česká republika
Connected Signals – EnLighten
Aplikaci fungující na podobném principu nabízí na severoamerickém trhu firma Connected
Signals. Využívá data získaná od správců světelné signalizace a po jejich zpracování je přes
mobilní sítě distribuuje do vozidel. Aplikace spolupracuje s palubními systémy firmy BMW
nebo je možné ji používat na mobilních zařízeních s operačním systémem Android či iOS. V
současnosti je tato služba funkční v osmi městech v USA a na Novém Zélandu. (14)
3. Závěr
Jak uvádí (2), současné kooperativní technologie pro optimalizaci rychlosti na křižovatkách
jsou připraveny pro širší využití v praxi. Hlavním omezujícím faktorem je získávání dat z
dopravních zařízení, nejefektivnější způsobem se jeví komunikace s dopravními ústřednami a
následná distribuce dat mobilními sítěmi. (2) Na straně vozidel je situace jednodušší díky
stále rostoucí penetraci (14) tzv. chytrých mobilních zařízení, která umožňují instalaci
aplikace interpretující informace ze systémů GLOSA.
Spolu s dalším rozvojem ITS lze očekávat větší uplatnění kooperativních systémů pro
optimalizaci rychlosti na křižovatkách, přičemž jejich přínos je zejména ve snížení spotřeby a
s tím související nižší ekologickou zátěží okolí. Významnou roli budou mít tyto systémy i pro
vyvíjená autonomní vozidla. Aktuální výsledky z CSD a z nich stanovené přepočtové
koeficienty oproti dnes používaným koeficientům v TP 189 stanovené z výsledků
předchozích CSD (2010 a starších) vždy zpřesňují aktuální charakter provozu. Celý výpočet
RPDI na české silniční síti tak lze považovat za objektivnější a přesnější.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
NORTH CAROLINA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION. Drive green, save green.
[online]. [cit. 2015-08-17]. Dostupné z: http://www.ncdot.gov/travel/drivegreen/.
ZWECK, Michael, Michael SCHUCH a Li-Shiuan PEH. Traffic light assistant: Applying
cooperative ITS in European cities and vehicles. In:. 2013 International Conference on
Connected Vehicles and Expo (ICCVE). IEEE, 2013, s. 509-513. DOI:
10.1109/ICCVE.2013.6799846. ISBN 978-1-4799-2491-2. ISSN 1536-1233.
AUDI AG . TRAVOLUTION in Ingolstadt. [online]. ©2015 [cit. 2015-08-17]. Dostupné z:
http://www.travolution-ingolstadt.de/.
AUDI AG. Efficient urban driving – the Audi travolution project, tisková zpráva. [online].
Audi media service. 2015-07 [cit. 2015-08-17]. Dostupné z: https://audimediacentera.akamaihd.net/system/production/attachment_items/400663/file_upload_en/de7a12ea89dac1
e052ad8bce020f5d57cd95e593/eBasisinfo_Audi_travolution_0610.pdf.
Audi United Kingdom. Audi backed "Travolution" project gets the green light, tisková zpráva.
[online]. Audi. 2008-09-19 [cit. 2015-08-17]. Dostupné z https://www.audi.co.uk/aboutaudi/latest-news/audi-backed-travolution-project-gets-the-green-light.html..
Travolution - Project information. GEVAS SOFTWARE SYSTEMENTWICKLUNG UND
VERKEHRSINFORM ATIK GMBH. TRAVOLUTION in Ingolstadt. [online]. ©2015 [cit.
2015-08-17]. Dostupné z: http://www.travolutioningolstadt.de/fileadmin/user_upload/GEVAS_TRAVOLUTION_2010_INTERNATIONAL.p
df.
KOUKOUMIDIS, Emmanouil, Margaret MARTONOSI a Li-Shiuan PEH. Leveraging
Smartphone Cameras for Collaborative Road Advisories. In:. IEEE Transactions on Mobile
Computing. 2012, s. 707-723. DOI: 10.1109/TMC.2011.275. ISSN 1536-1233.
5
České vysoké učení technické v Praze
Fakulta dopravní - Horská
30. září 2015
Praha, Česká republika
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
POSIELEZNY, Pawel. SignalGuru: Leveraging Mobile Phones for Collaborative Traffic
Signal Schedule Advisory. [online prezentace]. Princeton University, MIT, [cit. 2015-08-18].
Dostupné z: http://www.mimuw.edu.pl/~iwanicki/courses/ds/2012/presentations/dspresentation-09-wed-12-signalguru.pdf.
Swarco Mizar to demonstrate innovative cooperative apps in Verona. Swarco Drive on.
[online]. Swarco, 2013, s. 6-7 [cit. 2015-08-17]. Dostupné z:
https://www.swarco.com/en/content/download/17533/295288/file/SWARCO%20Drive%20O
N%202013-01%20web.pdf.
COMPASS4D C/O ERTICO - ITS EUROPE. Compass4D. [online]. ©2015 [cit. 2015-08-18].
Dostupné z: http://www.compass4d.eu/.
SAE J2735. Dedicated short range communications (DSRC) message set dictionary.
Warrendale: SAE, 2009. Dostupné také z: http://standards.sae.org/j2735_200911.
Swarco and Audi demonstrate Traffic light assistant. Swarco Drive on. [online]. Swarco,
2014, s. 7-8 [cit. 2015-08-17]. Dostupné z:
https://www.swarco.com/en/content/download/23445/1091310/file/SWARCO%20Drive%20
ON%202014%20web%20end.pdf.
25% more cars powered by HERE in 2014, tisková zpráva. [online]. Here 360. 2014-07-24
[cit. 2015-08-17]. Dostupné z: http://360.here.com/2014/07/24/25-cars-powered-by-here2014/.
CONNECTED SIGNALS, INC. Connected Signals. [online]. ©2015 [cit. 2015-08-19].
Dostupné z: https://connectedsignals.com/index.php.
Smartphone user penetration as percentage of total global population from 2011 to 2018.
[online]. STATISTA. ©2015 [cit. 2015-08-17]. Dostupné z:
http://www.statista.com/statistics/203734/global-smartphone-penetration-per-capita-since2005/.
Nokia completes next stage of transformation with agreement to sell HERE, tisková zpráva.
[online]. Nokia corpotation. 2015-08-3 [cit. 2015-08-17]. Dostupné z:
https://lts.cms.here.com/static-cloudcontent/May_2015_USE_THIS/Enterprise_Trial_images/030815_Nokia_completes_next_stag
e_of_transformation_with_agreement_to_sell_HERE.zip.
Zkrácené recenzní řízení provedl: doc. Ing. Pavel Hrubeš, Ph.D.
6