Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání. Elektronické systémy sledování vozidel Bakalářská práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Elektronické systémy sledování vozidel Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jiří Pospíšil, CSc. Vypracovala: Blanka Horáková Brno 2012

2

3

4 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma "Elektronické systémy sledování vozidel" vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a ředitelky vysokoškolského ústavu ICV Mendelovy univerzity v Brně. Brno, dne Podpis studenta.

5 Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Pospíšilovi, CSc. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování této bakalářské práce. Brno, dne Podpis studenta.

6 ABSTRAKT Hlavním tématem práce je posouzení současného stavu techniky pro dopravní aplikace a návrh metody pro hodnocení efektivity jednotlivých systémů. Pozornost je zaměřena na satelitní, kamerové a elektronické systémy s důrazem na možnost jejich využití pro sledování vozidel v provozu. Nedílnou součástí práce je rozdělení popsaných technologií podle nově navržených hledisek, které umožňují rychlou orientaci v systémech pro sledování vozidel podle konkrétní potřeby. KLÍČOVÁ SLOVA Telematika, přeprava, satelitní navigace, kamerový systém, sledování vozidel. ABSTRACT The main aim of the thesis is the assessment of the current situation of the technology for transportation applications and design methods for appraisal of the efficiency of the individual traffic systems. Attention is focused on satellite, camera and electronic systems with an emphasis on the possibility of their use for the monitoring of vehicles in traffic. An integral part of the work is categorization of described technologies under the newly suggested aspects that allow quick orientation in the systems for the monitoring of vehicles according to specific requirements. KEYWORDS Telematics, transportation, satellite navigation, camera system, vehicle monitoring.

7 OBSAH 1 Úvod Cíl bakalářské práce Dopravní systémy Názvosloví dopravních systémů Telematika Dopravní telematika Inteligentní dopravní systém Přepravní řetězec Teorie dopravy Doprava z hlediska bezpečnosti Doprava z hlediska technologií Doprava z hlediska řízení Technologie elektronického sledování dopravy Satelitní navigační systémy GPS GLONASS Galileo Compass Kamerové systémy Elektronické systémy Oblast použití dopravních systémů Kamerové systémy Technologie vizuální detekce Kamerové moduly Vyhodnocení obrazu Monitorovací kamerové systémy Přestupkové kamerové systémy Úsekové měření rychlosti Mýtné kamerové systémy Vlastnosti kamerových systémů

8 5 Metodika hodnocení elektronických systémů Systémy ESV podle pokrytí Systémy ESV podle aktivity vozidla Systémy ESV podle použití Závěr Seznam použité literatury

9 1 ÚVOD Pojem elektronické sledování vozidel odkazuje na snahu využití moderních technologií v dopravních aplikacích. Dopravní telematika je rozsáhlá síť technologií, které více či méně spolupracují na obecném zvýšení bezpečnosti, plynulosti, efektivity a v neposlední řadě také na komfortu přepravy osob a nákladu po veřejných pozemních komunikacích. Rozvoj dopravní infrastruktury způsobený neustále se zvyšujícími nároky na mobilitu osob a transport nákladů přímo způsobuje také zvyšování nároků na technologie, které tento transport pomáhají zajišťovat. Hojně používaný pojem inteligentní přepravní systémy pak reprezentuje špičku dopravně telematických systémů zaměřených na implementaci technologií z jiných oborů v dopravě. Konkrétně se jedná o výsledky výzkumu v oboru informatiky, telekomunikací, automatizace, ale i ekonomiky a managementu. Tato práce je zcela konkrétně zaměřena na tu část inteligentních přepravních systémů, které umožňují elektronické sledování vozidel a to z jakýchkoliv důvodů, které zde nejsou záměrně diskutovány. Jádro této práce je rozčleněno do tří klíčových kapitol zabývajících se elektronickými a optickými systémy v dopravě. Po tomto úvodním textu a následující kapitole stručně deklarující cíl práce, jsou ve třetí kapitole podrobně popsány jednotlivé třídy technologií používaných v dopravních aplikacích, jako jsou satelitní navigační systémy, kamerové systémy a nakonec, nikoli však v poslední řadě, ostatní elektronické systémy. Součástí kapitoly je také zavedení nutné terminologie a základní seznámení s teorií dopravy. V následující čtvrté kapitole jsou popsány principy kamerových systémů a diskutovány jejich možnosti použití pro elektronické sledování vozidel. Představeny a na příkladech doloženy jsou základní vizuální systémy v dopravě jako např. monitorování dopravní situace, realizace přestupkových kamerových systémů a systémů pro bezkontaktní výběr mýtného na pozemních komunikacích. V páté předposlední kapitole jsou navržena dělicí hlediska pro strukturalizaci dříve pojmenovaných dopravně telematických technologií. Je zde jak graficky tak textově vyjádřena metodika pro hodnocení jednotlivých systémů s vyjmenováním jejich hlavních výhod a naopak nedostatků. V poslední šesté kapitole jsou stručně shrnuty dosažené výsledky a diskutováno splnění zadání práce. Na konci práce jsou kromě povinných formálních náležitostí práce jako seznam literatury, seznam obrázků a použitých zkratek uvedeny také zejména obrazové přílohy doplňující průběžný text. 8

10 2 CÍL BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Cílem práce je na základě studia a rešeršní činnosti posoudit současný stav dostupných elektronických systémů pro sledování vozidel a dále navrhnout metodiku pro hodnocení a použití těchto systémů v dopravních aplikacích. Součástí hodnocení by mělo být také pojmenování a deklarace vhodných a nezávislých ukazatelů. 9

11 3 DOPRAVNÍ SYSTÉMY V moderní době technologické společnosti 21. století se v podstatě jiné, než elektronické systémy pro sledování dopravy nepoužívají. Důvodem je velmi vysoká spolehlivost a životnost elektronických popř. elektromechanických zařízení v kombinaci s nízkou ekonomickou náročností na jejich pořízení a údržbu. Stopy elektronických systémů nejen pro sledování dopravy je možné nalézt v železniční, lodní, letecké i pozemní dopravě a to jak v osobní tak nákladní. Nejčastěji jsou elektronické systémy zastoupeny v lodní a silniční dopravě ve formě satelitní navigace resp. monitorovacích systémů. Následující kapitoly se s přihlédnutím k zadání práce věnují výlučně elektronickým sledovacím systémům pro pozemní přepravu osob a nákladů, přestože je řada z těchto systémů využívána v adaptované formě i ve zbývajících kategoriích dopravy. 3.1 Názvosloví dopravních systémů Ve světě dopravních systémů jsou pojmy jako telematika, přeprava, dopravní cesta, kongesce, navigace atd. důležitým terminologickým nástrojem pro navrhování a realizaci přepravních systémů mnohdy opatřených přídomkem inteligentní. Takto jsou zpravidla uvozeny všechny systémy, které poskytují v nějaké formě nadstandardní nebo jinak komfortní služby pro monitorování a řízení dopravy. V následujícím textu jsou proto uvedeny definice a popisy základních pojmů týkajících se zadání této práce Telematika Pojem telematika je odvozen z kombinace slov telekomunikace a informatika a podle [1] jde o systémově inženýrský obor zabývající se tvorbou a účelným využitím informačního prostředí pro homeostatické procesy územních celků až po globální síťová odvětví. Pokud bychom tuto velmi vágní a obecnou definici základního pojmu telematika podrobili bližšímu zkoumání, dojdeme k prostému závěru, že se jedná o vědní oblast využívající postupy a technologie pro získávání dopravních dat a to na všech úrovních řízení dopravy. Telematika se tedy týká např. řízení jednoho konkrétního železničního přejezdu stejně jako globálního řízení dopravy v urbanisticky rozvinuté zástavbě moderní metropole, ačkoliv technologická a systémová úroveň je pochopitelně mnohonásobně vyšší. Důležitou vlastností dopravní telematiky je využití získaných dat. Obecně lze říci, že správně navržený telematický systém jednak dopravní data sbírá a jednak využívá výsledků jejich analýzy pro zvýšení bezpečnosti a plynulosti provozu a pro snížení kongescí. 10

12 3.1.2 Dopravní telematika Dopravní telematika, jako pojem velmi blízký tzv. ITS (Intelligent Transportation System), opět podle [1] integruje informační a telekomunikační technologie s dopravním inženýrstvím za podpory ostatních souvisejících vědních oborů jako ekonomika, teorie dopravy, systémové inženýrství atd. Pro jasné vymezení pojmu dopravní telematika je nutné zdůraznit, že tato nezastřešuje technologie pro budování a správu dopravní infrastruktury, ale pro stávající infrastrukturu zajišťuje komunikační řízení dopravních a přepravních procesů. Výstupem správně navrženého dopravně telematického systému je zvýšení přepravního výkonu, efektivity, bezpečnosti a komfortu dopravy. Stručně lze hlavní cíle telematiky popsat následujícími body [6]: Informační a řídicí systémy v dopravě. Nástroje a prostředky nových interaktivních služeb pro osobní i nákladní dopravu. Vývoj dopravního managementu. Provoz a řízení dopravních prostředků. Navigace vozidel a přenos dat mezi nimi. Zmírnění negativních vlivů dopravy na životní prostředí. Dopravní telematikou jako významným prvkem pro funkční infrastrukturu státu se v České republice primárně zabývají Ministerstvo dopravy ČR (ze zákona), Centrum dopravního výzkumu, Ředitelství silnic a dálnic, Fakulta dopravní ČVUT a Sdružení pro dopravní telematiku. Existuje samozřejmě celá řada dalších institucí a komerčních subjektů zabývající se problematikou dopravní telematiky, nicméně výše uvedené významné instituce jsou zřizovány zákonem nebo přímo či nepřímo pověřovány vládou ČR úkoly souvisejícími s dopravní telematikou Inteligentní dopravní systém Termín inteligentní dopravní systém zmíněný již v předchozím odstavci v rámci dopravní telematiky představuje využívání zejména komunikačních a informačních technologií v dopravě. Adjektivum inteligentní se u těchto dopravních systémů používá pro zdůraznění použití moderních technologií, které přinášejí jako objektům přepravy (osoby, náklad) tak operátorům nadstandardní služby [6]. Pro vyjasnění vztahu ITS a telematiky je nutné definovat oblast použití. Zatímco novější termín ITS je používaný celosvětově a to zejména v posledním desetiletí, je termín dopravní telematika poněkud staršího data a používá se zejména v Evropě. Někdy se dopravní telematika označuje jako obor pro rozvoj dopravy, ve kterém se využívají prvky ITS. Velmi zjednodušeně řečeno spočívá podstata ITS systémů ve vlastnosti interaktivity, tedy schopnosti zařízení sbírat a přenášet dopravní data do řídicí jednotky nebo operátorovi a současně na základě manuálního nebo automatického pokynu z jednotky nebo dispečinku aktivovat zařízení pro řízení procesu. Ilustrativním příkladem může být měření hustoty dopravy pomocí indukčních smyček, následné zpracování informace ve vzdáleném řídicím 11

13 centru a v případě překročení kapacitního limitu komunikace (nehoda, kolona) pokyn pro aktivaci proměnného dopravního značení např. zobrazením značky omezení maximální povolené rychlosti. ITS systémů je díky rozvoji telekomunikací a automatizační techniky realizována široká škála. Dokladem může být např. i to, že současné konference zabývající se problematikou řízení dopravy a redukce dopravních excesů mají už zpravidla ve svém názvu zkratku jako kupř. každoroční IEEE konference International Conference on Intelligent Transportation Systems nebo prestižní kongres ITS World Congress. V obecném pojetí je na ITS systémy odkazováno ve všech základních kategoriích dopravy a to silniční, drážní, letecké i vodní [7]. Terminologie dopravních systémů není i přes svoji dlouhou historii zcela jednotná, takže drážní doprava je někdy nesprávně označována jako železniční, obdobně pak vodní doprava jako námořní. Obsah této práce je však zaměřen primárně na elektronické systémy využitelné pro silniční dopravu, kde zpravidla nedochází ke kolizi termínů Přepravní řetězec Jedním z nejzákladnějších pojmů v oblasti dopravy obecně a oblasti dopravní telematiky je tzv. dopravně-přepravní řetězec. Tento řetězec definuje jednak dopravní objekty a jednak vztahy mezi nimi [1,2]. Smyslem definování dopravně-přepravního řetězce je jeho standardizovaná schopnost jasně a přesně specifikovat libovolný druh přepravy několika málo symboly, což je obzvláště výhodné v dopravním managementu při plánování infrastruktury a dopravní telematiky. Jednoduše tak lze popsat základní požadavek přepravy vyjádřitelný frazémem co čím kudy a kam, tedy obecně jak daný objekt přepravy přemístit pomocí přepravního prostředku po dopravní cestě k dopravnímu terminálu. Tyto čtyři základní větve definující dopravně-přepravní řetězec jsou přehledně zobrazeny na následujícím schématu. 12

14 Dopravně-přepravní řetězec Objekt přepravy Prostředek přepravy Dopravní cesta Dopravní terminál zboží a materiál automobil silnice a dálnice parkoviště P&R kontejnery vlak železniční trať nádraží (vlak) osoby ve vozidle loď řeka nádraží (autobus) osoby vmhd letadlo letová cesta přístav... produktovod potrubí letiště terminál IDS... Obr. 3.1 Hierarchická struktura dopravně-přepravního řetězce [1]; s úpravou autora Objektem dopravně-přepravního řetězce nebo zjednodušeně řečeno objektem dopravy se rozumí obecný proces přemístění zboží a osob. Konkrétně lze jednotlivé větve řetězce krátce charakterizovat následujícími body: Objekt přepravy definuje přepravované materiály, zboží a osoby. Podle charakteru objektu přepravy se rozlišuje doprava osobní a nákladní. Přepravní jednotkou pak rozumíme samotný dopravní prostředek s osobami, zbožím, surovinami anebo přepravu ve speciálních přepravních systémech typu kontejner apod. Prostředek přepravy definuje dopravní element nebo komplet ve formě vozidlo, loď, letadlo, vlak, atd., který se pohybuje po dopravní cestě. Podle charakteru prostředku přepravy rozlišujeme dopravu na silniční, drážní, leteckou a vodní. Dopravní cesta definuje prostor, na kterém se pohybují dopravní jednotky nebo komplety. Větev dopravní cesty lze podle druhu dopravy dělit i podle jiných charakteristik dopravní cesty. Důležité pro tuto práci je např. rozdělení silniční dopravy na dopravu v extravilánu (mimo běžnou veřejnou zástavbu tj. dálnice, silnice 1., 2. a 3. třídy) a dopravu v intravilánu (v zástavbě tj. města, 13

15 zastavěné části obcí). Obdobně lze dělit i ostatní typy dopravních cest např. podle typu traťového koridoru, typu letecké cesty nebo povoleného ponoru lodi. Dopravní terminál definuje místo pro nakládku, vykládku či překládku objektu přepravy nebo místo ke změně druhu dopravy. Terminál může být v individuální automobilové dopravě např. běžné veřejné parkoviště nebo parkoviště typu P&R, ve veřejné dopravě osob pak např. nádraží. Typickým a současně jediným standardně přípustným terminálem letecké dopravy je letiště, vodní dopravy přístav a traťové dopravy železniční stanice. 3.2 Teorie dopravy S rozvojem civilizace a nároků na komfort dochází k vysokému růstu počtu dopravních prostředků a to jak na pozemních komunikacích v osobní i nákladní dopravě, tak i u dopravy traťové a vodní. Čím dál tím více se stávají dalšími účastníky silničního provozu také cyklisté, pro které je nedostatek vyhrazených silničních pruhů již známým problémem. V důsledku tohoto nezadržitelného nárůstu je nutnost strategického plánování další výstavby infrastruktury tj. nových silnic, dálnic, železnic a ostatních dopravních proudů a modernizace dopravní telematiky. S tímto rozvojem úzce souvisí také plynulost a bezpečnost na komunikacích především v obydlených oblastech (intravilán), kde je běžná vysoká hustota provozu a je potřeba redukovat dopravní excesy [1]. Z uvedeného také vyplývá potřeba vybudovat technologickou síť určenou ke koordinaci dopravy takovým způsobem, aby nedocházelo ke zbytečným zatížením komunikací tj. zefektivnění procesu dopravy. Ke všem těmto činnostem je třeba definovat základní prvky dopravy (viz předchozí kapitola) a jejich vztahy, které tvoří jádro dopravní teorie. Pro potřeby této práce lze na teorii dopravy nahlížet ze tří hledisek a to z pohledu bezpečnosti, technologií a nakonec pohledu řízení Doprava z hlediska bezpečnosti Bezpečnost dopravy přímo koreluje se zatížením komunikací běžnou dopravou, které je udáváno především průměrnou rychlostí vozidel a intenzitou dopravního proudu [2,3]. V České republice se hustota (někdy také zatížení) dopravy na pozemních komunikacích měří číselným označením 1 5, zatímco v anglosaských zemích se používá označení písmeny A F. Stupeň zatížení č.1 popisuje plynulou dopravu a naopak stupeň č.5 reprezentuje dopravní kolaps. Vozidla stojící v kolonách a na průjezdných křižovatkách tak lavinovitě znásobují kongesce, které jsou průvodní součástí dopravních excesů. Z hlediska otázky bezpečnosti je však pozitivní, že kongesce obecně nevznikají náhle, ale postupně, čímž je však stále dotčena plynulost dopravního proudu. Primárním problémem dopravní bezpečnosti jsou křižovatky, tedy místa na dopravní cestě, kde dochází ke styku nebo křížení dvou nebo více dopravních proudů včetně traťového. Na městských křižovatkách je často uplatňováno časování semaforů, kdy vzniká tzv. zelená vlna, která umožňuje plynulý průjezd několika křižovatkami za 14

16 sebou. Přesto jsou křižovatky místa, kde nejčastěji dochází ke kolizím a kde jsou definovány tzv. kolizní body. Dopravní nehody se logicky stávají z nepřeberného množství důvodů např. vlivem aktuálního psychického stavu řidiče, jeho nepozornosti, rozptýlením rušivými elementy (spolujezdci, mobilní komunikace, ovládání zařízení vozu), technickým stavem vozidla nebo vozovky a někdy dokonce nevhodným uspořádáním samotné komunikace popř. dopravního značení. Z hlediska modelování kongescí a dopravních excesů zejména na křižovatkách a na úzkých dopravních hrdlech se v teorii dopravy využívá teorie tzv. šokové vlny, jejíž zajímavostí je původní motivace v teorii hydrodynamického šíření plynů a tekutin [1]. Šoková vlna v dopravě může být snadno definována jako šíření změny intenzity dopravy a to jak proti tak i po směru dopravního proudu. Graficky lze šokovou vlnu interpretovat následujícím obrázkem. Obr. 3.2 Znázornění fyzikálních veličin a průběhu šokové vlny [1] Veličiny vystupující v uvedeném grafickém vyjádření šokové vlny mají následující fyzikální význam: k 1, k 2 = hustota dopravy v úseku A resp. v úseku B v 1, v 2 = průměrná rychlost vozidel v úseku A resp. v úseku B S = pohybující se vertikální linie šokové vlny v w = rychlost pohybu linie šokové vlny S Kromě intuitivního grafického vyjádření šokové vlny lze pro exaktní analýzu dopravních excesů použít formální matematickou relaci mezi rychlostí šíření šokové vlny a ostatními fyzikálními veličinami v následujícím tvaru [1]. v w v2k2 v1k1 = [ m / s] k k 2 1 (1) Analýza šokové vlny, tak jak je ilustrována na předcházejícím obrázku, představuje pozorování dopravní diskontinuity především při skokovém poklesu rychlosti dopravního proudu. Význam teorie šokové vlny dokládá i fakt, že se jedná o jeden ze základních problémů dopravního inženýrství [1]. Jak lze problémům dopravních excesů alespoň částečně předcházet pojednává následující kapitola o dopravních technologiích. 15

17 3.2.2 Doprava z hlediska technologií Předcházení dopravním excesům, kongescím a dalším kritickým stavům v dopravě vyžaduje včasnou informovanost řidičů o aktuální dopravní situaci. Technologické vymoženosti moderní doby nám umožňují nepřeberné využití prostředků v dopravě. Mohou to být např. již zmíněné indukční smyčky pro detekci přítomnosti vozidla, infračervené detektory nebo stále častěji používaná video-detekce využívající dopravních kamerových systémů. Ukázkou technologicky vyspělé dopravní infrastruktury jsou dálnice v Japonsku či Holandsku, které jsou standardně osazovány kamerovými senzory v průměrném rozestupu cca 500 m, což umožňuje velmi rychlou identifikaci dopravních excesů ve formě číselných dat (rychlost a intenzita dopravního proudu) či přímo obrazu na monitorech CCTV. Počáteční zvýšené náklady na vybudování dopravní infrastruktury a systémů dopravní telematiky jsou záhy kompenzovány úsporou na všech stranách účastníků silničního provozu, protože náklady rozvinutých států na kongesce se podle ministerstev dopravy běžně pohybují kolem 0.5 % HDP. Dopravní technologie jsou dnes implementovány v rámci výše definovaných ITS systémů, které umožňují sledování aktuální situace na pozemní komunikaci a to jak pro řidiče tak i pro řídicí, záchranné a bezpečnostní služby. Poměrně detailně jsou konkrétní technologická zařízení a jejich principy rozebrána v následujících kapitolách 3.4 až 3.6. Zvláštní kapitolu technologických zařízení zejména z pohledu koncového uživatele tvoří satelitní navigační systémy. Tyto systémy jsou na trhu dostupné jak v pasivní formě pro sledování vozidel tak i v aktivní formě pro navigaci trasy a v některých případech (i když zatím jen výzkumných) dokonce pro aktivní autonomní řízení vozidla např. systémy prezentované na DARPA Grand Challenge 2005 nebo DARBA Urban Challenge Čím dál tím více oblíbené pasivní systémy sledování vozidel využívají technologie automatické lokalizace vozidel AVL (Automatic Vehicle Location), jejichž součástí bývá nejenom přijímač signálu z některého GNSS, ale také geografické informační systémy, různé mapové databáze apod. Princip je založen na průběžném sledování polohy na mapě a navigování řidiče po předem vyznačené trase. Při eventuálním vybočení z této trasy je pak úkolem lokálního navigačního zařízení najít buďto alternativní cestu nebo cestu k původní cílové trase. Příklady použití navigačních systémů v silniční dopravě mohou být následující: Sledování přepravy nebezpečných nákladů v reálném čase. Identifikace a sledování odcizených vozidel. Sledování vozového parku firem (tzv. flotila služebních vozů, autobusů popř. kamiónů) tj. elektronická kniha jízd Elektronické vybírání poplatků EFC (Electronic Fee Collection) podle prostoročasových údajů. 16

18 3.2.3 Doprava z hlediska řízení Posledním pohledem na teorii dopravy je v této práci problematika řízení. Není nutné zdlouhavě popisovat význam a dopad teorie řízení na vývoj moderní společnosti. Za zmínku stojí řídicí a regulační systémy jaderných elektráren, průmyslových provozů a dokonce i hospodářských a společenských soustav. Řízení a regulace se logicky nevyhnuli ani oblasti dopravy, kde lze řízení na různých úrovních vidět téměř na každém kroku. Postupně z nejvyšší úrovně abstrakce mohou být vhodným příkladem dopravní řídicí centra, lokální řídicí kanceláře, technologická zařízení (semafory/závory, proměnné dopravní značení), řídicí algoritmy v samotných vozidlech (ABS/ESP/ASR/EDS aj.) a další elektronická a telekomunikační zařízení. Podstatné pro teorii dopravy z hlediska řízení je systémové rozdělení informačních a řídicích obousměrných systémů v silniční dopravě podle následujícího výčtu [6]: Řízení dopravních uzlů (křižovatek). Řízení dopravy informováním a navigováním. Řízení městské dopravy. Vytváření tras pro vozidla s právem přednosti v jízdě. Statická doprava. Platby za využívání silniční infrastruktury (elektronické mýtné). Integrovaný systém řízení města. Výše uvedené systémové rozdělení informačních a řídicích systémů není pochopitelně zcela vyčerpávající, ale obsahuje nejpodstatnější a současně nejčastěji využívané dopravní řídicí systémy. 3.3 Technologie elektronického sledování dopravy V předchozích kapitolách byl nastíněn základní smysl implementace telematických a monitorovacích prvků v dopravě společně se základní teorií dopravy. Ve shodě s neustálým zvyšováním nároků na výše popsaný dopravně-přepravní řetězec ve všech jeho důležitých parametrech (kapacita, rychlost, spolehlivost, bezpečnost a komfort) se zvyšují také nároky na technologické prvky, které tyto vlastnosti zajišťují. Mezi základní, tedy standardizované, a přesto současně i moderní technologické prvky patří zejména satelitní navigační systémy a ostatní elektronické a optické systémy monitorování dopravy. V této práci jsou v následujících kapitolách blíže popsány satelitní navigační systémy, kamerové systémy a další elektronické systémy jako např. indukční smyčky popř. radarové a lidarové měřiče rychlosti. 3.4 Satelitní navigační systémy Jak už bylo zmíněno v předchozích kapitolách, tvoří satelitní navigační systémy poměrně výraznou skupinu technologických zařízení využívaných v dopravě. Pojem 17

19 satelitní navigační systémy se v podstatě vždy pojí s přídomkem globální, který pak reprezentuje některý z celosvětových satelitních systémů obecně označovaných zkratkou GNSS (Global Navigation Satellite System). Základním účelem systémů GNSS je přesné určení polohy a času kdekoliv na planetě a to v libovolnou denní dobu. K realizaci systémů GNSS v historii byly a v současnosti stále jsou používány různé fyzikální principy jako např. analogové dopplerovské systémy (Transit, Cyklon aj.) nebo číslicové kódové systémy (GPS, GLONASS aj.). Na konci této práce je v příloze č.1 uvedena přehledná tabulka s vybranými základními parametry nejvýznamnějších GNSS realizovaných v historii i současnosti. Jednoznačné určení polohy a času na geoidu, což je jeden z používaných fyzikálněmatematických modelů Země, je provedeno výpočtem čtveřice údajů {X,Y,Z,T}, kde první tři symboly X,Y a Z určují polohu bodu v prostoru a čtvrtý symbol T určuje okamžik časového kontinua. Pro výpočet této čtveřice údajů je zapotřebí získávat údaje o poloze hned ze čtyř satelitů na oběžné dráze (pozn.: teoreticky stačí údaje ze tří satelitů, prakticky ale nelze kvůli různé nadmořské výšce stanovit polohu přijímače přesně). Přesná poloha každého satelitu na oběžné dráze je od něj vysílána společně s časovým razítkem pomocí radiových vln směrem k Zemi. Pro komunikaci mezi satelitem a přijímačem radiového signálu se používá několik známých technologií telekomunikačního přenosu, v praxi se však využívá výhradně jen frekvenční přenos FDMA a kódový přenos CDMA. Na následujícím obrázku jsou stručně uvedeny některé GNSS systémy podle využívané metody přenosu. GNSS Kódové CDMA (Code Divisiom Multiple Access) Frekvenční FDMA (Frequency Division Multiple Access) Časové TDMA (Time Division Multiple Access) GPS GLONASS Nepoužívá se Galileo Obr. 3.3 Metody radiového přenosu družicových údajů u GNSS [9]; s úpravou autora Pro zajištění nezávislosti vysílání družic z hlediska rušení telekomunikačních pásem má každý GNSS systém vyhrazené frekvenční pásmo nebo předem daný způsob vysílání na sdílené frekvenci. Kromě radiové nezávislosti družicového vysílání bylo s příchodem nových satelitních systémů nutné zajistit také jejich prostorovou 18

20 nezávislost na oběžné dráze. Z kosmického hlediska se oběžné dráhy Země (tzv. orbity) dělí na nízké, střední a vysoké. Prostorová nezávislost družicových systémů je tedy zajištěna vymezením různých středních vzdáleností oběhu družic daného satelitního systému kolem Země. Na následujícím obrázku jsou přehledně vyznačeny střední oběžné dráhy MEO (Medium Earth Orbit) významných umělých satelitů Země. Obr. 3.4 Ilustrativní zobrazení oběžných drah vybraných umělých satelitů Země [9] Na již zmíněné nízké orbitě obíhají nebo již dříve obíhaly zejména vědecká zařízení a pracoviště jako ISS (Mezinárodní vesmírná stanice, 340 km), MIR (Ruská vesmírná stanice, 390 km) a Hubbleův vesmírný teleskop (595 km). Od výšky 2000 km nad zemským povrchem se oběžné dráhy označují jako střední orbity. Do této kategorie patří zde uvažované satelitní navigační systémy GPS, GLONASS, Galileo a Compass, které jsou provozované na hladině kolem 20 tis. km. Pro srovnání lze uvést ještě poslední kategorii tzv. vysoké (geostacionární) orbity GEO, která přesahuje 35 tis. km nad zemským povrchem a jsou zde umístěny geosynchronní a geostacionární vědecké satelity. Vedle samotného technického rozvoje globálních satelitních systémů, který je tomuto oboru vlastní, je i z pohledu dopravních aplikací velmi zajímavé sledovat postupné rozšiřování oblastí, ve kterých se satelitní navigace popř. zjišťování polohových údajů využívá. Mezi již standardizované oblasti patří následující: Uživatelská navigace v dopravě, podniková elektronická kniha jízd. Monitorování dopravního proudu (pohyb a rychlost vozidel). Geodézie a mapování. Pozemní aplikace. Meteorologie a vesmírná měření. 19

21 Krizové situace (integrované záchranné systémy). Časové služby. Vědecké aplikace. Migrace zvířat (ptactvo, ryby apod.). Geocaching (volnočasová aktivita). Podobně jako i jiná technická zařízení také telekomunikační družice mají svá omezení a přesně definované podmínky použití. S přihlédnutím k typu použití (zejména v případě vojenského sektoru) je třeba při návrhu aplikace uvažovat vlastnosti plynoucí z fyzikálních principů telekomunikačních zařízení využívajících radiové vlny. Mezi základní vlastnosti zásadně ovlivňující funkci polohového systému patří: Technický stav družic (výpadky zastaralých družic, firmwarové chyby nových). Typ použitého přijímače (přímý, diferenciální, průmyslové provedení). Přímá geometrická viditelnost družic (problematické tunely, lesy, vodní díla). Dostupná přesnost (typ přístupového slotu, nejčastěji civilní). Venkovní vs. vnitřní použití. Jak už bylo v předchozím textu zmíněno, existuje celá řada navigačních satelitních systémů. Některé jsou v plném operačním stavu, jiné jsou kompletovány vynášením zbývajících družic na oběžnou dráhu a další jsou ve fázi výzkumu a technického vývoje. V příloze č. 1 na konci této práce jsou pro rychlé porovnání uvedeny alespoň základní parametry současných významných satelitních navigačních systémů GPS Označení GPS pochází z názvu Global Positioning System a představuje první hromadně používaný a ucelený navigační systém využívající umělých satelitů na oběžné dráze Země [9]. Projekt GPS navazuje na předcházející, historicky skutečně první avšak ryze vojenský satelitní systém Transit, který nahradil dřívější lokální radiové polohové systémy (pozemní radiolokátory). Přestože je družicový navigační systém GPS obecně znám spíše jako civilní, jedná se o armádní projekt USA a původní plný název projektu byl NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Vývoj systému začal již v roce 1973 a po více než 20 následujících let byly vyvíjeny satelitní technologie, pozemní přijímače a postupně vynášeny telekomunikační družice na oběžnou dráhu do výšky km. Teprve v relativně nedávné době na začátku roku 1994 bylo dosaženo plné operační dostupnosti všech 24 provozních a dalších pěti záložních satelitů [12]. Na následujícím obrázku jsou znázorněny satelity systému GPS pohybující se po šesti pravidelně rozmístěných oběžných dráhách [10]. 20

22 Obr. 3.5 Konstelace 24 satelitů Navstar na šesti kruhových oběžných drahách [10] Z čistě technického hlediska má každá družice váhu přibližně 1.8 tuny, je primárně napájena pomocí solárních panelů a pohybuje se po oběžné dráze rychlostí 3.8 km/s, což odpovídá jednomu oběhu kolem Země za necelých dvanáct hodin [11]. Z uvedeného vyplývá, že se nejedná o geostacionární družicový systém a proto musí pozemní přijímače signálu GPS neustále provádět vyhledávání viditelných satelitů a přepínání mezi nimi. Teoreticky je pro jednoznačné určení polohy a času nutné získat údaje ze tří zdrojů (satelitů), prakticky však komerčně dostupné GPS přístroje potřebují vidět alespoň čtyři satelity. Obr. 3.6 Měření fázově kódovaných časových údajů {X,Y,Z,T} ze čtyř satelitů [11] Družice vysílají nepřetržitě kódované poziční a časové signály běžně označované symboly L1 a L2 odpovídající kmitočtům MHz a MHz. Pozemní přijímač signálu GPS musí být vybaven samotnou anténou pro příjem radiového signálu a elektronikou pro dekódování a zpracování dat. Blokově si lze jednotlivé části pozemního přijímače satelitního signálu znázornit následujícím obrázkem. 21

23 Přijímač GPS Anténa Navigační přijímač Navigační počítač Vstupní jednotka Časová základna Jeden nebo více měřících přijímačů Obr. 3.7 Schématické znázornění přijímače satelitního signálu [1]; s úpravou autora Z družicového signálu lze vyhodnotit zejména veřejně přístupný dálkoměrný kód označovaný C/A popř. šifrovaný vojenský dálkoměrný kód označovaný P(Y), dále Dopplerův posun a fázi nosné vlny. Z těchto měřičských údajů je zpravidla automaticky vyhodnocena poloha světových souřadnic antény přijímače [10], který je možné pořídit zpravidla v průmyslovém provedení jako modul do zástavby nebo jako komfortní uživatelský přístroj viz následující obrázek. Obr. 3.8 Příklad přijímače MR-350P a uživatelského modulu GeoXT [9] Absolutní přesnost polohového systému se pohybuje řádově v jednotkách centimetrů, pro civilní sektor je však dostupná pouze omezená přesnost určení světových souřadnic do 10 m. Možné zpřesnění údajů v rámci civilního sektoru je možné za pomoci tzv. diferenční GPS (DGPS), která se hojně využívá v robotické navigaci a jejíž přesnost klesá pod 10 m a její spodní hranice je limitována jedním metrem [12]. S touto přesností 22

24 je potřeba počítat v navigačních i sledovacích systémech řízení dopravy využívajících družice systému GPS GLONASS Jedná se o ruský navigační systém založený na podobném principu jako systém GPS. Vývoj duplicitního polohového systému je motivován získáním nezávislosti ruského civilního a zejména vojenského sektoru na americkém GPS. Obr. 3.9 Konstelace družic Uragan na třech oběžných drahách [14] Jak lze vyvodit nejen z předchozího obrázku konstelace družic Uragan v systému GLONASS, disponuje ruský systém stejně jako jeho americký konkurent celkem 24 družicemi v nepřetržitém celoročním provozu [13]. GLONASS je obecně modernější systém vyznačující se menší poziční odchylkou do 1 m ve standardním veřejném režimu. Starší družice nesou označení Uragan popř. Uragan-M, novější a méně poruchové pak Uragan-K. Specifikované parametry přesnosti lokalizace a časového razítka jsou garantovány do nadmořské výšky 2000 m. Družice systému GLONASS kolují na třech kruhových drahách se sklonem 65 k rovině rovníku ve výšce km nad zemským povrchem (prostorová konstelace viz předchozí obrázek). Jedna perioda oběhu družic trvá přibližně 11 hodin 15 minut, tedy jen nepatrně kratší čas, než v případě systému GPS [13]. Navigační schéma je postaveno na přenosu kódovaných signálů ve dvou frekvenčních pásmech na několika rozdílných kmitočtech volených tak, aby byly co nejméně rušeny meteorologickými vlivy. Zajímavou dokumentovanou vlastností družic třídy Uragan je část sondy zajišťující přesné odměřování času. Tato část je technicky realizována atomovými hodinami s cesiovým oscilátorem, které mají základní přesnost nižší, než desetina piko sekundy tj s. Z tohoto důvodu se satelitní navigace používá mj. i v dopravních systémech pro časovou synchronizaci vzdálených měřidel. 23

25 Obr Příklad přijímače Disco-B4 a uživatelského modulu ProMark-100 [9] Kromě samotných technických údajů je důležitá také obecná architektura polohového systému, která je často dělena do tzv. sekcí. Architekturu satelitního systému GLONASS lze stejně jako architekturu systému GPS rozdělit do tří celků [15]: Kosmická sekce: 24 aktivních družic a jejich vypouštění nosičem. Řídící sekce: pozemní centrály vysílající povely družicím, zajišťují monitorování stavu satelitů, manévrování družic příp. korekce kosmického. Uživatelská sekce: příjem kódovaného signálu ze skupiny satelitů, které jsou v daném okamžiku dostupné (viditelné nad obzorem). Srovnáním několika základních parametrů satelitů Navstar systému GPS (váha 1.8 tuny, rychlost 3.8 km/h, solární napájení) a satelitů Uragan systému GLONASS (váha 1.4 tuny, rychlost 3.9 km/h, solární napájení) a dalších technologických postupů dojdeme k závěru, že jsou oba systémy téměř shodné [14]. Technická i ekonomická duplicita obou projektů je zjevně považována za nepodstatnou a to primárně z důvodu zajištění strategické komunikační suverenity států v rámci vojenské taktiky Galileo Navigační systém Galileo je odpovědí Evropské kosmické agentury ESA jak na starší tak i nově vznikající satelitní systémy zejména na americkém a asijském kontinentu. Zejména z politických důvodů se ESA rozhodla vytvořit vlastní globální družicový navigační systém, který byl oficiálně spuštěn 19. července 1999 a plně funkční má být v roce 2018 [16]. Není bez zajímavosti, že se na konci roku 2008 Česká republika jako členský stát připojila k ESA a že sídlo evropské agentury pro vesmírný systém Galileo (GSA) bude přesunuto z Bruselu do Prahy. 24

26 Galileo je technologicky kompatibilní s výše zmíněnými systémy GPS a GLONASS, na kterých však není závislý. Významným společenským rozdílem vznikajícího satelitního systému Galileo je skutečnost, že je určen výhradně pro civilní použití. Z technického hlediska bude kosmický segment Galilea tvořen celkem 30 satelity rozmístěných na 3 oběžných drahách, přičemž 27 telekomunikačních satelitů je provozních a tři jsou náhradní. Na každé ze tří oběžných drah bude tedy devět satelitů provozních a jeden záložní. Výška satelitů je 23 tis. km nad zemským povrchem s inklinačním sklonem 56 k rovníku. První dva navigační satelity GIOVE-A a GIOVE- B vypustila agentura na oběžnou dráhu v roce 2005 a 2008 z kosmodromu Bajkonur. Koncem roku 2011 byly vypuštěny další dva ze čtyř operačních satelitů, které jsou součástí ověřovací fáze [17]. Zbývající dva satelity mají být podle plánu vypuštěny v roce Jakmile bude skončena první fáze na oběžné dráze, začne fáze k dosažení operačních možností tzv. Initial Operational Capability (IOC). Galileo nabízí využití v mnoha civilních oblastech, především však v dopravě a to silniční, železniční, letecké a říční či námořní. Je využíván i v oblastech, kde je potřeba zajistit především bezpečnost, tedy v armádních složkách, stavebnictví, energetickém průmyslu, zemědělství apod. Formálně nabízí evropský satelitní systém Galileo pět druhů služeb [16]: 1) Základní služba (Open Service), poskytuje základní poziční signál, který bude k dispozici zdarma na otevřené platformě. 2) Komerční služba (Commercial Service), poskytuje stejný poziční signál jako základní služba a navíc využívá pro zpřesnění a zvýšení spolehlivosti další dva signály. 3) Kritická služba (Safety of Life Service), poskytuje poziční signály pro kritické bezpečnostní aplikace. 4) Veřejně regulovaná služba (Public Regulated Service), signál s kontrolovaným dohledem určeným především pro bezpečnostní složky státu (policie a armáda). 5) Vyhledávací a záchranná služba (Search And Rescue Service), nouzová lokalizace v rámci celosvětové družicové záchranné služby Compass Posledním významným navigačním systémem patřícím do kategorie globálních družicových systémů je Compass původně označovaný jako Beidou, později jeho novější verze jako Beidou-2. Tento projekt vyvíjí Čínská lidová republika jako politickou a vojenskou odpověď na stávající systémy, zejména americký GPS a evropský Galileo. Oproti systémům GPS, GLONASS a Galileo, které využívají družice pohybující se vzhledem k zemskému povrchu na střední oběžné dráze, používá Compass geostacionární družice. V současné době nemá Compass na rozdíl od GNSS systémů 25

27 GPS či Galileo dostatečný počet aktivních družic na oběžné dráze a proto pokrývá vždy jen území, nad kterým se tyto družice aktuálně vyskytují. Ačkoliv je Čína od září roku 2003 spolupracujícím členem projektu Galileo a má tedy přístup ke všem satelitním údajům, uvažuje do budoucna o rozšíření svého GNSS Compass až na finálních 35 družic, přičemž 30 z nich má používat střední oběžnou dráhu a zbývajících pět geostacionární dráhu. Obdobně jako v případě předchozích GNSS má i Compass poskytovat obdobné služby a to jak pro civilní tak i pro vojenské účely. 3.5 Kamerové systémy Vedle globálních navigačních systémů tvoří kamerové systémy významnou kategorii pro sběr dopravních dat, monitorování a řízení dopravy a také pro elektronické sledování vozidel. Jedná se o zcela jinou technologii určenou pro jiný účel, než v případě GNSS. Základním rozdílem je oblast dosahu, která je v případě GNSS globální (již z názvu) a v případě kamerových systémů lokální. To je pochopitelně dáno principem měření, kdy je dosah kamerového systému určen optickými členy detekčních zařízení a pohybuje se tak řádově od desítek do stovek metrů u běžných aplikací. Oblast dosahu ale není jediným a už vůbec ne nejdůležitějším kritériem pro výběr dopravního systému. Kamerové systémy umožňují realizovat řadu úloh, které jsou pro satelitní systémy nemožné a obráceně. Uplatnění kamerových systémů v dopravě je velmi široké a dá se říci, že neustále překvapuje novými a modernějšími aplikacemi. Následující výčet je pouze ilustrativní ukázkou širokých možností využití kamer v dopravě: Dohledové systémy. Monitorovací systémy pro sběr dopravních dat. Sběr obrazových dat pro meteorologické účely. Přestupkové systémy a detekce odcizených vozidel (rozpoznání RZ). Mýtné systémy. Měření dojezdových dob. Informativní měření aktuální rychlosti. Klasifikace vozidel. Detekce kolon a nehod. Zatím nejčastěji využívanou možností jsou prvně uvedené dohledové systémy. Jejich princip je v zásadě jednoduchý a spočívá v distribuci obrazové informace na vzdálená řídicí pracoviště nebo veřejně přístupné informační dopravní portály (i když tato služba je pouze vedlejším produktem). Oficiálně je dohledový systém takový kamerový systém, který je určen především pro správu a údržbu komunikací, pro sledování intenzit provozu, pro dohled nad provozem, sledování a vyhodnocování meteorologické situace, stavu povrchu vozovky nebo aktuální sjízdnosti komunikací [18]. Na 26

28 následujícím obrázku jsou na mapě ČR vyznačena místa, která jsou osazena dohledovým kamerovým systémem. Obr Dohledové kamerové systémy na pozemních komunikacích v ČR [18] Z uvedené mapy je patrná intuitivní strategie vybavování dohledovým systémem na těch místech, která jsou pro plynulou dopravu klíčová. Jde tedy postupně o dálnice, městské aglomerace a dále silnice vyšších tříd. Každá červená šipka na uvedeném obrázku představuje jeden komplet dohledového systému, který však může být složen z několika kamerových modulů např. dva moduly pro dva směry jízdy. Kamerový modul je pak složen ze samotné kamery, optiky, řídicí elektroniky, kamerové skříně a napájecího boxu (viz následující obrázek). Obr Otočná kamera dohledového systému umístěná na portálu mýtné brány [27] Z hlediska dopravní telematiky je důležité dělení kamerových modulů dohledových systémů podle jejich mobility a to na kamerové moduly pevné a mobilní. Pevné 27

29 kamerové moduly jsou instalovány na vybraných stabilních stanovištích, bývají otočné (viz předchozí obrázek), umožňují transfokaci tj. změnu ohniskové vzdálenosti a většinou pořizují obraz v normě PAL. Druhý typ kamerových modulů je mobilní, který se naopak umísťuje pouze na přechodnou dobu a to na komunikace s déletrvajícím omezením provozu nebo na jinak exponované úseky z hlediska nehodovosti či tvorby kongescí. U mobilních typů kamerových modulů není vybudována stabilní telematická infrastruktura, a proto je přenos statického obrazu realizován technologií GPRS vždy po několika minutách. Typově odlišnými úlohami využívající kamerové systémy jsou autonomní vizuální detekční systémy, jejichž účelem je např. detekce jízdy křižovatkou na červenou, vizuální měření průměrné úsekové rychlosti apod. Tato třída kamerových systémů se mimo jiné používá i pro lokalizaci a identifikaci konkrétního vozidla podle jeho registrační značky (dále jen RZ). Vzhledem k tomu, že téma této bakalářské práce je zaměřeno právě na elektronické systémy lokalizace a sledování vozidel, bude zmíněná třída kamerových systémů detailněji probrána v kapitole 4 s důrazem na možnosti identifikace a sledování vozidel na pozemních komunikacích. 3.6 Elektronické systémy Mezi elektronické dopravní systémy počítáme všechny dosud nezařazené technologie, tedy např. indukční smyčky, radary a lidary, optické brány, mýtné turnikety apod. V následujícím textu jsou pro vyjmenované technologie stručně objasněny základní principy a vhodnost použití pro elektronické sledování vozidel. Indukční smyčky jsou jednoduché technologie používané na tzv. mezikřižovatkových úsecích pro zjištění okamžité přítomnosti vozidla. Indukční smyčky jsou vodiče přesně definovaných elektrotechnických vlastností, které jsou zabudovány do vozovky a které reagují na přítomnost vozidla změnou elektromagnetické indukce, která je měřena a elektronikou následně vyhodnocena. Obr Princip měření rychlosti vozidla indukčními smyčkami [27] 28

30 Instalace indukčních smyček je zachycena na následujícím snímku pozemní komunikace, kde je pro každý jízdní pruh dálnice patrná jedna dvojice indukčních smyček. Díky tomuto páru smyček vzdálených od sebe v definované vzdálenosti je možné snadno změřit okamžitou rychlost vozidla základním fyzikálním vztahem v=s/t. Obr Indukční smyčky pro detekci přítomnosti vozidla [18] Obdobně se indukční smyčky používají v kombinaci s jinými dopravními systémy jako indikátory přítomnosti, tedy jako spouštěče měření. Indukční smyčky však neposkytují žádné možnosti identifikace projíždějícího vozidla a tak jsou vhodné pouze pro základní dopravně inženýrské úlohy typu monitorování intenzity dopravního proudu apod. Radary a lidary jsou dalšími z kategorie lokálních detekčních a měřicích dopravních zařízení. Z elektronického hlediska je radar přístroj určený k měření vzdálenosti objektů pomocí velmi krátkých elektromagnetických vln. Označení RADAR je anglickým akronymem pro spojení Radio Detecting And Ranging využívající mikrovlnné záření ve frekvenčním rozsahu od desítek MHz do desítek GHz. V rámci České republiky využívá státní a městská policie radary Ramer české firmy Ramet [19], které pracují na frekvenci 34 GHz. Na následujícím obrázku je uveden příklad radaru Ramet v mobilním provedení na trojnožce. Obr Radar Ramer 7M-V v přenosné verzi na trojnožce [19] 29

31 Radar využívající poměrně jednoduchý fyzikální princip na měření vzdálenosti a potažmo rychlosti objektů je technologicky naopak komplikované zařízení. Mezi základní komponenty radaru patří: Radarová hlava (na snímku černý kónus na čele přístroje). Řídicí počítač. Měřicí jednotka. Zobrazovač (displej). Kamera s osvitovou automatikou. Zábleskové zařízení. Principiálně podobným zařízením je tzv. lidar, který namísto radiového paprsku využívá pro měření vzdálenosti objektů světelný, konkrétně laserový paprsek. Označení LIDAR je anglický akronym spojení Light Detecting And Ranging a technologicky sestává ze stejných částí, jako radar s tím rozdílem, že jako primární zdroj měřicího signálu využívá laserové světlo. Laser je typ koherentního záření, které je LIDARem využíváno pro měření vzdálenosti objektu od přístroje, přesněji řečeno od přijímací části světelného svazku. Na následujícím obrázku je ukázka lidaru (laserového měřiče) Pro Laser III české firmy Lavet používaného policejními složkami ČR. Ve spodní části měřiče lze sledovat dvě čočky, přičemž za prvním z nich je vysílač koherentního laserového záření a za druhým detektor citlivý na vlnovou délku vysílače. V horní části měřiče je umístěno obrazové záznamové zařízení, v případě uvedeného obrázku jde o běžný kompaktní fotoaparát. Obr Laserový měřič rychlosti Pro Laser III [8] Obdobně jako radar je i lidar vybaven záznamovým zařízením, které synchronně s měřením aktuální rychlosti pořizuje obrazový záznam přestupku. Třída měřicích zařízení, do které spadají radary a lidary, jsou lokálně používaná jednoúčelová zařízení zpravidla vyžadující manuální ovládání. Význam pro elektronické sledování vozidel tak mají pouze v bezpečnostní rovině jako selektor vozidel překračujících maximální povolenou rychlost. 30

32 Posledně zmíněné optické brány a mýtné turnikety jsou elektro-optická nebo elektromechanická zařízení vytvářející bariéru na dopravní cestě. Tyto brány mohou kromě svého původního účelu např. pro vybírání mýtného sloužit (a v praxi také slouží) pro monitorování dopravy a sběr dopravních informací. Díky rozsahu výběru mýtného na území České republiky (viz mapa v příloze č.2) lze dopravní data z mýtných bran (mýtnic) považovat za dostatečně husté zdroje informací o intenzitě dopravy. Podobně jako indukční smyčky jsou optické brány často používány jako indikátory přítomnosti vozidel pro sofistikovanější, zpravidla kamerové systémy. Význam pro elektronické sledování vozidel je tak hmatatelnější, než v předchozích dvou případech, avšak jen ve spojení s dalšími technologiemi. 3.7 Oblast použití dopravních systémů Dopravní systémy jak byly stručně představeny v předchozích kapitolách lze využít v celé řadě aplikací a z nich v nemalém počtu dopravních aplikací. Některé technologie jsou už z principu určeny pro globální použití (satelitní navigační systémy) a jiné mají smysl spíše v lokálním měřítku (např. radary pro měření okamžité rychlosti vozidel). Reálně se uvedené technologie uplatňují zejména v následujících oblastech dopravní telematiky popř. inteligentních dopravních systémů: Sběr dopravních dat. Dopravní průzkumy (např. pro potřeby dopravního inženýrství). Detekce a rozpoznávání registračních značek (RZ, dříve SPZ). Měření dojezdových dob. Informativní měření aktuální rychlosti pro řidiče. Digitální radarový sčítač dopravy. Dopravní statistika (např. sčítání vozidel). Klasifikace vozidel. Detekce kolon a kongescí. Oblast a rozsah použití dopravních systémů je přesně plánována na úrovni řízení státu a to v rámci tzv. JSDI (Jednotný systém dopravních informací pro ČR). Klíčovými subjekty realizace a správy JSDI na základě rozhodnutí Vlády ČR č. 590 jsou Ministerstvo dopravy ČR, Ministerstvo vnitra ČR a Ředitelství silnic a dálnic ČR. JSDI je jako vládní projekt technologicky i organizačně zajišťováno Národním dopravním informačním centrem [18]. Na následujícím obrázku je schematicky znázorněná architektura telematických systémů v ČR a vazba právě na NDIC. 31

33 Obr Architektura telematických systémů v ČR [18] Uvedená informační a řídicí centra dopravy jsou specializovaná pracoviště pro sběr a zpracování dopravních informací o provozu na vymezeném úseku nebo oblasti sítě pozemních komunikací. Stručně lze účel dopravních informačních center charakterizovat následujícími body: Sběr dat z telematických aplikací v senzorických profilech. Sběr technologických informací o provozním stavu komunikací. Řízení technologií a varování o kritických situacích. Řízení provozu telematických aplikací. Šířku záběru použití telematických aplikací tak, jak byly stručně představeny v předchozích kapitolách, lze ilustrovat následujícím obrázkem obsahujícím ukázky typického použití telematických technologií pro provoz na pozemní komunikaci. 32

34 Obr Schéma telematických aplikací [18] Z obrázku je patrné, že kromě výše uvedených obecně známých technologií typu satelitní navigace, elektronické mýto a kamerový dohledový systém obsahuje dopravní telematika množství dalších aplikací jako např. dynamické vážení za jízdy (označované jako WIM z anglického Weight In Motion) či sčítání dopravy nebo detekce kolon. Tyto nově zaváděné aplikace jsou stále častěji předmětem kamerových systémů, které jsou blíže popsány v následující kapitole. 33

35 4 KAMEROVÉ SYSTÉMY Kategorie kamerových systémů je jednou z nejdůležitějších oblastí technologií pro sledování (monitoring) dopravního proudu a lokalizaci dopravních excesů. Fyzicky nahrazuje přítomnost řídicího orgánu na řízeném dopravním uzlu a z vyšší úrovně abstrakce lze říci, že se kamerové systémy přímo podílejí na běhu informačních a řídicích systémů v silniční dopravě. Data získaná kamerovými systémy totiž tvoří neoddělitelnou součást jak lokálních městských řídicích center, tak i národního dopravního informačního centra NDIC [18], které již bylo krátce zmíněno v předchozí kapitole. Logické zařazení kamerových systémů potažmo systémů monitorování dopravy je zobrazeno na koncepčním schématu technologického systému NDIC, který tvoří přílohu č.3 na konci této práce. Kamerové systémy jsou zde reprezentovány v horním levém rohu symbolem kamery s nápisem CCTV (Closed Circuit Television, tedy uzavřený televizní okruh). Přímočařejší a intuitivnější náhled do používání dohledových kamerových systémů v dopravní praxi poskytuje např. pohled na pracoviště operátora v národním dopravním informačním centru v Ostravě (viz následující obrázek). Obr. 4.1 Detail pracoviště operátora v hlavním sálu NDIC [18] Z hlediska kamerových systémů sbírá řídicí dopravní centrum informace zpravidla ze dvou typů zdrojů. V prvním případě to jsou kamerové CCTV systémy, tedy systémy pro vizuální kontrolu plynulosti dopravy operátorem a případné hlášení nehod popř. vznikajících kolon. Na výše uvedeném obrázku jsou tyto systémy zastoupeny v horní 34

36 řadě monitorů ukazujících aktuální dění na vybraných komunikacích. Typově druhým zdrojem informací nejen řídicích center jsou autonomní kamerové systémy určené pro konkrétní dopravní aplikace závislé na lokalitě a způsobu instalace. Příkladem takových systémů mohou být monitorovací kamerové systémy schopné automatického sčítání dopravy, detekce kolon, detekce a záznamu přestupků a dokonce i monitorování a statistické vyhodnocení provozu na cyklostezkách. Výstupem těchto systémů jsou jak obrazové tak i textové informace, které jsou na předchozím obrázku reprezentovány především spodní řadou monitorů. Z hlediska zaměření této práce jsou kamerové systémy zajímavé pro svoji schopnost detailního vyhodnocení dopravní informace a zejména pro schopnost lokalizace a identifikace konkrétního vozidla. Elektronické sledování vozidel tak může být realizováno v rámci monitorovacích, přestupkových nebo mýtných kamerových systémů, které jsou blíže popsány v následujících kapitolách. 4.1 Technologie vizuální detekce Dříve, než budou popsány jednotlivé kategorie autonomních kamerových systémů, je vhodné věnovat alespoň krátkou pozornost základním technologiím a zařízením použitým pro vizuální detekci. Jedná se v první řadě o kamerové moduly, které jsou technologicky mnohem sofistikovanější, než kamery běžných dohledových systémů a v druhé řadě o programové vybavení těchto aplikací, které využívá metod zpracování a klasifikace obrazu. Obě tyto kategorie jsou krátce diskutovány v následujících kapitolách Kamerové moduly V běžných dohledových systémech se běžně využívají standardní televizní kamery pracující v normě PAL a to jak v černobílém tak i barevném režimu. Možnosti těchto zařízení jsou však omezena na pouhé pořizování sekvence snímků a jejich přenos do řídicího centra, kde jsou zobrazovány nebo ukládány. Některé dohledové technologie ještě umožňují vkládání textových (časových, datových a jiných) informací přímo do obrazu. Naopak kamerové moduly pro autonomní vizuální aplikace jsou velmi sofistikovaná a tím také velmi nákladná zařízení. Obsahují vždy samotnou kameru s optikou, vyhodnocovací elektroniku, napájecí obvody a kamerovou skříň. Některé z nejmodernějších kamerových modulů dokonce obsahují zapouzdřené výpočetní jádro tzv. embedded PC. Na následujícím obrázku je ukázka kamerového modulu určeného pro tzv. ANPR dopravní systémy (Automatic Number Plate Recognition tj. automatické rozpoznávání dopravní značky). Jedná se o kameru označenou Long Range 540 využívající CCD senzor s 540 řádky a proměnným ohniskem. Díky svým parametrům je kamera schopna detekovat značku na vzdálenost 50 m a automaticky přečíst znaky značky na vzdálenost 35 m [20]. Vzhledem k účelu použití v dopravních systémech je důraz kladen také na mechanické provedení a ochranu proti vniknutí cizích předmětů a vody. Většina obdobných průmyslových kamer pro dopravní použití má stupeň krytí 35

37 IP66, jsou tedy odolné vůči náhodnému vniknutí jakýmkoliv nástrojem, drátem nebo prstem a odolné proti tzv. vlnobití, tedy intenzivně tryskající vodě ze všech směrů [22]. Obr. 4.2 Kamerový modul Long Range 540 a světelný panel RubyLite 175 [20] Kamerový modul je zpravidla doplněn externím zábleskovým zařízením pro noční provoz, které bývá instalováno pod kamerovou skříní (viz obrázek). Aby nedocházelo k oslnění řidiče byť krátkým, ale přesto nečekaným a intenzivním světelným zábleskem, jsou osvětlovací jednotky složeny z řádově desítek (někdy i stovek) LED diod pracujících v infračervené oblasti spektra zpravidla kolem vlnové délky 850 nm, na které už není lidské oko citlivé a záblesk nelze rozpoznat [21]. Nemalou pozornost i právě kvůli zábleskovým osvětlením vyžaduje napájení kamerových modulů, protože příkon samotného světla se stejně jako příkon elektroniky v kamerové skříni pohybuje v desítkách (výjimečně i stovkách) wattů jako např. v případě výše uvedeného panelu Ruby Lite s příkonem 120 W. Takovéto kamerové moduly jsou základním stavebním prvkem všech dopravních autonomních vizuálních systémů využívajících lokalizaci a detekci registrační značky. Rozdíl mezi jednotlivými aplikacemi pak není v použití různých zařízení různých výrobců, ale zejména v odlišné konfiguraci kamerových bloků v provozu Vyhodnocení obrazu Odlišnost standardního dohledového systému od autonomního kamerového systému spočívá kromě použití jiného hardware také v použití specializovaného programového vybavení. Konkrétně se jedná o metody automatického zpracování obrazu z kamer spadající do třídy počítačového vidění. Zmíněné úlohy do jisté míry inteligentních kamerových systémů využívají pro jednoznačnou identifikaci vozidla ve snímku mechanismy automatického nalezení registrační značky. Vhodnou ukázkou může být následující obrázek výsledku detekce a lokalizace registračních značek v barevném snímku o rozlišení 1280x720 bodů pocházející z dílny řecké softwarové společnosti Irida Labs věnující se obecným úlohám počítačového vidění [23]. 36

38 Obr. 4.3 Výsledek algoritmů automatického rozpoznání registračních značek [23] Třída algoritmů pro automatickou detekci značky vozidla se odborně označuje akronymem LPR (Licence Plate Recognition) a jejím primárním úkolem je v první řadě zjistit a lokalizovat přítomnost registrační značky ve snímku a poté registrační značku přečíst a převést do textové podoby. Lokalizace registrační značky ve snímku někdy označována také jako detekce využívá variabilních metod zpracování obrazu. Výsledkem fáze lokalizace jsou obrazové segmenty nalezených registračních značek např. tak, jak je názorně ukázáno na následujícím obrázku, kde jsou uvedeny značky v obou v současnosti používaných formátech, tzn. ve starším jako státní poznávací značky (SPZ) v horní řadě a v novějším formátu jako registrační značky (RZ) ve spodní řadě. Obr. 4.4 Obrazové segmenty pro rozpoznávání znaků registračních značek [24] Jak už bylo zmíněno v předchozím odstavci, je po lokalizaci značky v obrazu třeba extrahovat ze získaného segmentu písmena a číslice v textové podobě odpovídající grafické reprezentaci značky. K tomu účelu se využívá speciálně navržená kategorie algoritmů označovaných jako OCR/OCV. Termíny OCR a OCV postupně představují algoritmy pro optické čtení znaků resp. optickou verifikaci znaků. Znakem se zde myslí každý jednotlivý symbol na registrační značce vozidla. Pro Českou republiku tak jde o šest arabských číslic a jeden znak latinské abecedy rozlišující kraj registrace vozidla. Na následujícím obrázku je ilustrována funkce ručního bajonetového zařízení určeného pro mobilní detekci odcizených vozidel [24]. Softwarové vybavení čtečky nejprve detekuje ve snímku oblast registrační značky (ve snímku vyznačeno červeným rámečkem) a poté algoritmus OCR převede získaný obrazový segment značky (výřez vlevo dole) do textové podoby (červený text vpravo dole). 37

39 Obr. 4.5 Příklad LPR detekce a rozpoznání registrační značky vozidla [24] Převedení obrazového segmentu do textové podoby je kritickým bodem většiny dopravních aplikací zaměřených na lokalizaci vozidel. Získáním textové reprezentace značky lze totiž snadno provádět vyhledávání záznamů v policejních databázích a detekovat tak např. odcizená vozidla a to v reálném čase. Vnímání jednotky reálného času je v tomto případě dáno pouze rychlostí odezvy při přístupu do vzdálené databáze, protože bezprostředně předcházející vyhodnocení obrazových dat se obvykle pohybuje v řádu desítek popř. výjimečně stovek milisekund [21]. Obdobné zařízení popř. programové vybavení bývá analogicky použito pro stacionární kamerové moduly na dopravních portálech nad komunikacemi. Je tak umožněna implementace rozsáhlé třídy vizuálních dopravních aplikací, z nichž několik významných je popsáno v následujících kapitolách. 4.2 Monitorovací kamerové systémy Jedná se o technologie zpravidla doplňující dohledové kamerové systémy nadstandardními službami zejména pro sběr a archivaci dopravních dat. Monitorovací kamerový systém může být postaven na stávajícím dohledovém systému, využívajícím běžných kamerových modulů na bázi televizní normy PAL tj. snímky s 576 řádky a většinou v černobílém formátu. Novější monitorovací kamerové systémy využívají moderní kamerové moduly v kompaktním provedení, jak bylo uvedeno v předchozí kapitole. Nejčastěji se tyto systémy používají např. jako vjezdové hlídače do uzavřených komplexů budov nebo firem, privátních garážových domů nebo v dalších aplikacích kde je nutné akceptovat pouze omezenou skupinu dříve určených vozidel. Vjezdový kamerový systém je často kombinován s elektricky ovládanou mechanickou závorou, která umožní přístup do střeženého prostou pouze na základě pozitivní analýzy obrazu z kamery. Princip fungování takového vjezdového systému je uveden na následujícím obrázku. 38

40 Obr. 4.6 Ilustrace principu a ukázka vjezdového kamerového systému [21] Oblast použití monitorovacích kamerových systémů je zřejmě nejširší ze všech vizuálních aplikací, protože účel kamerového modulu schopného detekovat a rozlišovat poznávací značky vozidel není výrobcem nijak omezen a záleží pouze na aplikačním inženýrovi, jakým způsobem kamerový modul implementuje. Není výjimkou, že zejména u technologicky zaměřených firem slouží vjezdové kamerové systémy jako jeden ze zdrojů informací pro elektronickou knihu jízd a kontrolu vozového parku. 4.3 Přestupkové kamerové systémy Pro elektronické sledování vozidel jsou přestupkové kamerové systémy zřejmě nejcennější kategorií vizuálních dopravních systémů, protože poskytují lokalizaci a identifikaci vozidla na veřejné komunikaci a následné centrální sdílení pořízených dat mezi řídicími centry. Mezi základní úlohy přestupkových kamerových systémů patří měření úsekové rychlosti, detekce jízdy křižovatkou na červenou a vyhledávání hlášených vozidel, které bylo krátce zmíněno v předchozí kapitole o vyhodnocení obrazu z kamerového modulu Úsekové měření rychlosti Pro zjištění aktuální rychlosti vozidla v určeném úseku veřejné komunikace slouží tzv. úsekové měření rychlosti. Jedná se o optická měření na úsecích v délce několika málo set metrů, na jejichž začátcích a koncích jsou umístěny komplety kamerových modulů, jak ukazuje např. následující obrázek pro tříproudou komunikaci. 39

41 Obr. 4.7 Kamerový portál pro měření úsekové rychlosti [21] Při vjezdu do měřeného úseku je pořízen snímek vozidla (vjezdový) a je opatřen hlavičkou s certifikovaným časovým razítkem a dalšími údaji např. o místu měření. Zajímavostí je, že přestupkové kamerové systémy využívají GNSS systémy pro přesné odměřování času. Průjezdem vozidla druhým měřicím místem na konci úseku je iniciováno pořízení druhé sady obrazové dokumentace (výjezdové) včetně stejných náležitostí, zejména časového razítka. Ze známé vzdálenosti obou kamerových portálů a z rozdílů časových údajů pořízených snímků je pak vypočítána průměrná rychlost vozidla v úseku. Identifikace konkrétního vozidla z vjezdového snímku na výjezdovém snímku je provedena již zmíněnými a popsanými metodami zpracování obrazu, především postupy LPR. Architektura rozmístění kamerových modulů a princip měření úsekové rychlosti je znázorněn na následujícím schématickém obrázku. Obr. 4.8 Princip funkce měření průměrné úsekové rychlosti [26] Z hlediska legislativy je průměrná úseková rychlost velice dobrým ukazatelem, protože z podstaty měření je vždy zaručeno, že se vozidlo touto průměrnou rychlostí pohybovalo alespoň ve zlomku měřeného úseku. Je tak splněn základní požadavek na certifikaci měřicích dopravních systémů, že řidič nesmí být fyzikálním principem a typem implementace měřicí metody znevýhodněn. Počet instalací kamerových systémů 40

42 na území ČR se již od nového tisíciletí počítal na mnoho desítek (není centrálně evidováno), takže údaje z těchto lokalit by bylo možné použít také pro globální mapování pohybu vozidla alespoň v rámci státu. Obr. 4.9 Lokality měření průměrné úsekové rychlosti v Praze [26] Na výše uvedeném obrázku jsou pro bližší přehled o hustotě monitorování vyznačeny v mapě Prahy symbolem kamery lokality s instalovaným kamerovým systémem pro měření průměrné úsekové rychlosti a to ke dni Měřicí aparatura vyhodnotí každé vozidlo projíždějící měřeným úsekem, ale pouze vozidla s rychlostí vyšší než nastavenou jsou ve formě protokolu odesílána na centrálu PČR k přestupkovému řízení. Druhým velmi významným typem přestupkového kamerového systému je detekce jízdy křižovatkou na červenou. Tato aplikace používá typově stejná zařízení jako ostatní přestupkové kamerové systémy, ale softwarové vybavení je pozměněno tak, aby reagovalo na stavy světelných a signalizačních zařízení, lidově semaforů. Princip funkce detekce jízdy křižovatkou na červenou je graficky naznačen na následujícím obrázku rozmístěním kamerových modulů v okolí křižovatky. Pro detekci v jednom jízdním pruhu je potřeba jednoho přehledového a jednoho přestupkového kamerového modulu. Pro detekci přestupku ve vedlejším jízdním pruhu už pak stačí instalace pouze jednoho dalšího přestupkového kamerového modulu. 41

43 Obr Schématické znázornění detekce jízdy na červenou Jak je patrné z obrázku, snímá tzv. přehledová kamera cyklicky v určených intervalech celou oblast křižovatky včetně příslušného semaforu. V nastavené smyčce v obrazu, která odpovídá poloze semaforu, se detekuje jeho stav a v případě červeného světla se spouští zbývající tzv. přestupkové kamery, které zachycují případná vozidla v křižovatce. Příklad přehledové kamery s infračerveným přísvitem pro noční vidění je uveden na následujícím obrázku. Obr Přehledová kamera RedLight pro detekci stavu semaforu na křižovatce [27] Obdobně jako v předcházejícím případě měření úsekové rychlosti je i v případě detekce jízdy křižovatkou na červenou nastavena rezerva, aby řidič nebyl zbytečně penalizován v případě, že se červené světlo na semaforu rozsvítí přesně v okamžiku, kdy vozidlo míjí stop čáru křižovatky a řidič už tak nemůže sledovat stav semaforu. Po krátké prodlevě jsou ale spuštěny přestupkové kamery, které od tohoto okamžiku pracují ve stejném režimu jako v předcházející aplikaci měření úsekové rychlosti, tedy že detekují všechna přijíždějící vozidla a vyhodnocují jejich registrační značky. 42

44 Obr Snímek přehledové a přestupkové kamery [24] Na výše uvedeném obrázku jsou příklady snímku z přehledové kamery (vlevo) a z přestupkové kamery (vpravo). Každý snímek dopravní situace je opatřen unikátním certifikovaným razítkem, aby se minimalizovala procesní pochybení při projednávání přestupku. V příloze č. 4 na konci práce je ukázka kompletního přestupkového protokolu sestávajícího ze sekvence čtyř snímků přehledové i přestupkové kamery. Množství instalací kamerových systémů pro detekci jízdy na červenou je srovnatelné s instalacemi předchozího systému pro měření průměrné úsekové rychlosti, pouze lokality jsou z pochopitelných důvodů situovány ve větších městech. Na níže uvedeném obrázku jsou stejně jako v předchozím případě vyznačeny tentokrát symbolem semaforu lokality pro detekci jízdy křižovatkou na červenou v Praze a to ke dni Obr Lokality detekce jízdy křižovatkou na červenou v Praze [26] 43

45 4.4 Mýtné kamerové systémy Výběr mýtného je jednou možností vybírání poplatku za používání pozemní komunikace a to vedle obvyklých systémů jako jsou dálniční známky, předplacené časové kupóny apod. Obecným rozvojem technologií se současně rozvíjí také elektronické systémy výběru mýtného tzv. ETC systémy (Electronic Toll Collection). Na následujícím obrázku je uveden schématický výřez části pozemní komunikace pro elektronický výběr mýtného s vyznačením základních funkčních bloků. Obr Diagram funkce mýtného kamerového systému [28] Jak je patrné z uvedeného obrázku, jsou současné metody výběru mýtného založeny zpravidla na mechanickém zastavení vozidla v mýtné bráně a zaplacení poplatku za použití komunikace. Mýtné brány již běžně umožňují bezobslužné zaplacení poplatku, v některých případech jako na obrázku výše je však potřeba operátorů. Bez ohledu na nutnost přítomnosti operátora však tyto systémy vždy představují fyzickou bariéru na dopravní cestě, která v kritických obdobích vytváří pravidelné kongesce a snižuje tak celkový komfort přepravy osob a nákladu. Vhodnou alternativou jsou proto modernější kamerové systémy, které využívají stejných kamerových modulů vybavených technologií LPR popř. ANPR, jak již bylo prezentováno v předchozích kapitolách. Použitím těchto systémů odpadá nutnost stavět na komunikaci mýtné brány a zastavovat tak provoz. Vzhledem k tomu, že jsou kamerové moduly určené i pro měření ve vysokých rychlostech (např. měření úsekové rychlosti na dálnici), není nutné v místě stanovení poplatku za použití komunikace explicitně snižovat maximální povolenou rychlost ani jinak omezovat provoz. Výhodou elektronických kamerových systémů určených pro výběr mýtného je jejich univerzální použití. Lze je totiž snadno instalovat na stávající mýtné brány stejně jako na vjezdové uzly městské aglomerace. Uzavřený okruh dopravních cest v metropolitní oblasti je v poslední době často využíván pro implementaci kamerového systému ETC, který z dlouhodobého hlediska snižuje servisní náklady na chod mýtného systému. 44

46 4.5 Vlastnosti kamerových systémů V předchozích kapitolách byli krátce představeni nejčastější zástupci kamerových dopravních systémů pro monitorovací, přestupkové a mýtné aplikace. Z uvedeného textu často vyplývá univerzálnost použití a zejména variabilita samotné technologie pro konkrétní lokalitu a konkrétní potřebu. Jako každá mince má i tato dvě strany a kamerové systémy mají samozřejmě své výrazné nevýhody. Hlavní nevýhodou je ekonomická náročnost pořízení nového zejména autonomního kamerového systému, která často mnohonásobně převyšuje náklady na pořízení klasických technologií nebo dokonce i dohledových kamerových systémů. Kromě inženýrských, instalačních a organizačních prací je největší cenový rozdíl v samotných technologiích, konkrétně kamerových modulech. Zatímco kamerový modul CCTV systému je dostupný v řádu deseti tisíc Kč, jsou kamerové moduly vybavené moderními snímači s algoritmy LPR popř. ANPR přibližně pět až desetkrát dražší [20]. Nejsofistikovanější kamerové komplety současnosti s barevnými HDTV kamerami, embedded PC, datovým uložištěm, chlazením popř. vyhříváním kamerové skříně a speciálním výkonovým zábleskovým osvětlením překračující finanční nákladností hranici několika set tisíc Kč [24]. Obdobně jako v případě všech nových technologií, tak i u kamerových systémů cena zařízení v čase postupně klesá a to především s příchodem nových technologií. Uvedené hledisko ekonomické náročnosti je v podstatě jedinou výraznou slabinou kamerových systémů. S vyšší mírou technologické úrovně roste i riziko poruchy nebo implementační chyby, takže za zmínku stojí také vyšší náklady na servisní služby, což je však stále tatáž nevýhoda. Rozhodnutí, zda použít standardně používané technologie nebo ve vhodném případě kamerové systémy je spíše strategické a ekonomické rozhodnutí, než technologické. Z technického hlediska lze totiž pro danou aplikaci poměrně přesně vydedukovat vhodnost čí nevhodnost použití té či které technologie. Strukturálním dělením elektronických kamerových systémů podle různých hledisek se zabývá následující kapitola. 45

47 5 METODIKA HODNOCENÍ ELEKTRONICKÝCH SYSTÉMŮ V předchozích kapitolách byly uvedeny nejdůležitější a současně nejpoužívanější zástupci elektronických a optoelektronických systémů pro monitorování dopravy. Pozornému čtenáři jistě neuniklo, že hlavní rozdíl mezi jednotlivými systémy je dán především rozdílem použitého fyzikálního principu. Přímé srovnání vybraných vlastností u všech technologií by tak bylo neobjektivní a zatížené velkou systematickou chybou, přesto je zřejmé, že je potřeba systémy nějakým způsobem mezi sebou porovnávat a objektivně hodnotit jejich efektivitu. Společných jmenovatelů je velmi málo a to jak v technických tak i ekonomických parametrech. Nelze např. srovnávat výhodu globálního dosahu satelitních systémů s výhodou detailního zpracování dopravního přestupku kamerovým systémem. Jednou z možností, jak strukturalizovat systémy elektronického sledování vozidel (dále jen ESV) je stanovit vhodná hlediska, která rozdělí jednotlivé technologie do konzistentních tříd. V této práci bylo navrženo několik základních hledisek na rozdělení elektronických systémů, podle kterých lze postupovat při výběru technologie u konkrétní aplikace. Prvním hlediskem je míra územního pokrytí, která dělí systémy na globální a lokální. Druhým navrženým hlediskem je aktivita zařízení ve vozidle, tedy požadavek na pořízení speciální zařízení pro vysílání signálu z vozidla. Toto hledisko dělí systémy na aktivní a pasivní. Posledním třetím navrženým hlediskem je rozdělení podle aplikací, tedy podle zamýšlené potřeby řešit dopravní situaci v konkrétní lokalitě. Uvedená hlediska jsou podrobněji popsána v následujících kapitolách. Pro bližší představu o technickém řešení elektronického sledování vozidel je zde uveden následující příklad využívající technologii GSM (pozn.: ostatní technologie pracující na fyzikálně odlišném principu realizují sledování objektu vozidla pochopitelně podle zcela odlišného schématu). Elektronické sledování vozidel pomocí brány GSM s datovými přenosy přes technologii GPRS je schematicky uvedeno na následujícím ilustrativním obrázku. Obr. 5.1 Schématický princip funkce sledování vozidla přes GSM/GPRS [25] 46

48 Jedná se o aktivní systém, kdy je do vozidla instalována komunikační jednotka schopna přijímat signál GPS a vysílat signál datové zprávy přes bránu GSM. Často se tato zařízení realizují kombinací uživatelských navigací a mobilních telefonů speciálně upravených pro daný účel. Komunikační jednotka přijímá signál ze systému GNSS (většinou GPS), tento pak zpracovává podle interního programu a nakonec vysílá datový paket na server, na nějž je možné se po autorizovaném přístupu připojit např. i z mobilního telefonu [25]. Do datového paketu jsou komunikační jednotkou zakódovány kromě polohových a časových údajů také další informace o sledovaném objektu jako např. aktuální rychlost vozidla, stavové veličiny motoru a jiné informace dostupné na rozhraní řídicí jednotky vozidla. Běžný internetový server je připojen vysokorychlostní sítí a tak jsou veškerá přijatá data zpracovávána v reálném čase a jsou souběžně archivována. Zajímavou vlastností komunikační jednotky je, že nepracuje pouze jako informační procesor, ale lze ji použít také k vykonání předem definovaných akcí např. spínání popř. rozpínání elektrických obvodů ve vozidle, odesílání bezpečnostních SMS apod. Uvedený příklad aktivního sledování je pouze jednou z možností, které jsou diskutovány v následujících kapitolách. 5.1 Systémy ESV podle pokrytí Jak už bylo v předchozí kapitole zmíněno, je první navrženým hlediskem pro rozdělení systémů ESV je míra pokrytí, která dělí systémy na globální a lokální. Základním rozdílem elektronických systémů sledování vozidel podle tohoto dělení je oblast dosahu, jak již vyplývá ze samotného názvu mateřského uzlu na následujícím grafu. V současné době je zatím jediným zástupcem globálních systémů technologie GNSS. Ostatní systémy mají z podstaty své činnosti pouze lokální dopad, jehož míra lokálnosti závisí na množství měřicích stanovišť, architektuře jejich rozmístění a samotném dosahu izolované jednotky. Základním účelem systémů GNSS je zjištění polohy objektu kdekoliv na planetě a to celoročně v libovolnou denní dobu. Výjimkami v celosvětovém pokrytí družicovým signálem je evropský navigační systém Galileo, který není dokončen a čínský Compass, který nemá v současné době potřebný počet aktivních družic na oběžné dráze a pokrývá tak pouze oblast Číny a blízkého okolí. Globální družicové systémy fungují na principu komunikace mezi satelitem a přijímačem umístěným ve sledovaném objektu, tedy v tomto případě ve vozidle. Správná funkce těchto systémů je však podmíněna mnoha faktory, které mohou viditelnost přijímaného signálu rušit, a který nemusí být vždy dostupný (tunely, lesy, podzemní popř. víceúrovňové komunikace apod.). Současně se GNSS systémy řadí z hlediska elektronického sledování vozidel do kategorie pasivních technologií a které budou blíže popsány v následující kapitole. 47

49 GPS Globální systémy GNSS Glonass Galileo Compass ESV podle pokrytí Kamerové systémy Monitorovací Přestupkové Optoelektronické systémy LIDAR Mýtné Lokální systémy Elektromagnetické systémy Optické brány Indukční smyčky RADAR Obr. 5.2 Rozdělení systémů ESV podle míry pokrytí Lokální systémy jsou na rozdíl od globálních silně závislé na množství měřících pracovišť, architektuře jejich rozmístění a samotnému dosahu každé izolované komunikační a měřicí jednotky. Jak vyplývá z výše uvedeného rozdělení, lokální systémy lze dále rozdělit podle majoritního fyzikálního principu na optoelektronické a elektromagnetické systémy. Výběr konkrétní technologie tak záleží na strategických (globálnost vs. lokálnost) a technických (přesnost, princip) požadavcích na sledovací systém. Optoelektronické systémy jsou již ze své podstaty limitovány schopností zařízení emitovat viditelné záření a následně jej detekovat. U běžných aplikací se měřicí rozsah pohybuje v řádech desítek až stovek metrů. Do této podkategorie patří kamerové systémy, lidary a optické brány. Dosah kamerových systémů je určen optickými členy detekčních zařízení, pracovní vzdálenost LIDARu (laserový lokátor využívající světelných vln) se pohybuje v desítkách až stovkách metrů a optické brány zpravidla pracují jako virtuální závory infračervených čidel na vzdálenost jednotek metrů, výjimečně několika málo desítek metrů. Druhou podskupinou lokálních systémů jsou elektromagnetické systémy, kam patří zejména indukční smyčky a RADARy. Z aktuálně popisovaného hlediska ESV podle 48

50 pokrytí jsou indukční smyčky jevíce lokální technologií ze všech uvedených, protože detekují a měří vozidlo přímo v místě instalace smyček ve vozovce. Alternativou je použití série indukčních smyček v delším úseku, nelze však jimi identifikovat a rozpoznávat konkrétní vozidla, ale jen pouze základní třídy vozidel jako např. nákladní a osobní vozidla. RADARy jsou zařízení principiálně podobná LIDARům, využívají však namísto světelných vln radiové a měří zpravidla v dosahu do 100 m. Radary mohou mít jak měřící charakter se záznamem např. policejní radary s pořízením fotografie a základními telemetrickými údaji, tak pouze informační charakter např. při vjezdu do intravilánu. 5.2 Systémy ESV podle aktivity vozidla Druhým dělicím hlediskem systémů ESV je aktivita samotného vozidla nebo přesněji sledovacího zařízení ve vozidle. Podle tohoto kritéria jsou elektronické systémy rozděleny na aktivní a pasivní a celé rozdělovací schéma je uvedeno na následujícím grafu. Aktivní GSM/GPRS Monitorovací ESV podle aktivity Optoelektronické systémy Kamerové systémy LIDAR Přestupkové Mýtné Pasivní Elektromagnetické systémy Indukční smyčky RADAR Obr. 5.3 Rozdělení systémů ESV podle aktivity zařízení ve vozidle U aktivních systémů ESV je vozidlo vždy vybaveno speciálním lokalizačním zařízením, které vysílá unikátní signál a na jehož základě je možné určit prostoročasové souřadnice aktuální polohy vysílače. Jak bylo uvedeno na začátku této kapitoly, je jediným současně dostupným zástupcem třídy aktivních systémů ESV technologie GSM využívající datovou komunikaci přes rozhraní GPRS (General Packet Radio Service). Pro přenos dat je používáno GPRS datové služby přístupné uživatelům mobilních telefonů GSM s využitím SMS zpráv. 49