Kooperativní systémy optimalizace rychlosti vozidel na světelných křižovatkách

Transkript

1 Kooperativní systémy optimalizace rychlosti vozidel na světelných křižovatkách Pavel Soukup i, Petr Kumpošt ii 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, Praha 2, soukupa3@fd.cvut.cz ii Ing. Bc. Petr Kumpošt, Ph.D., ČVUT v Praze Fakulta dopravní, Ústav dopravních systémů K612, Horská 3, Praha 2, kumpost@fd.cvut.cz 1

2 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 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

3 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 g. 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

4 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 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 C- ITS (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 p. 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

5 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] NORTH CAROLINA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION. Drive green, save green. [online]. [cit ]. Dostupné z: [2] ZWECK, Michael, Michael SCHUCH a Li-Shiuan PEH. Traffic light assistant: Applying cooperative ITS in European cities and vehicles. In: International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE). IEEE, 2013, s DOI: /ICCVE ISBN ISSN [3] AUDI AG. TRAVOLUTION in Ingolstadt. [online] [cit ]. Dostupné z: [4] AUDI AG. Efficient urban driving the Audi travolution project, tisková zpráva. [online]. Audi media service [cit ]. Dostupné z: e052ad8bce020f5d57cd95e593/ebasisinfo_audi_travolution_0610.pdf. [5] Audi United Kingdom. Audi backed "Travolution" project gets the green light, tisková zpráva. [online]. Audi [cit ]. Dostupné z [6] Travolution - Project information. GEVAS SOFTWARE SYSTEMENTWICKLUNG UND VERKEHRSINFORM ATIK GMBH. TRAVOLUTION in Ingolstadt. [online] [cit ]. Dostupné z: df. [7] KOUKOUMIDIS, Emmanouil, Margaret MARTONOSI a Li-Shiuan PEH. Leveraging Smartphone Cameras for Collaborative Road Advisories. In:. IEEE Transactions on Mobile Computing. 2012, s DOI: /TMC ISSN

6 [8] POSIELEZNY, Pawel. SignalGuru: Leveraging Mobile Phones for Collaborative Traffic Signal Schedule Advisory. [online prezentace]. Princeton University, MIT, [cit ]. Dostupné z: [9] Swarco Mizar to demonstrate innovative cooperative apps in Verona. Swarco Drive on. [online]. Swarco, 2013, s. 6-7 [cit ]. Dostupné z: N% %20web.pdf. [10] COMPASS4D C/O ERTICO - ITS EUROPE. Compass4D. [online] [cit ]. Dostupné z: [11] SAE J2735. Dedicated short range communications (DSRC) message set dictionary. Warrendale: SAE, Dostupné také z: [12] Swarco and Audi demonstrate Traffic light assistant. Swarco Drive on. [online]. Swarco, 2014, s. 7-8 [cit ]. Dostupné z: ON%202014%20web%20end.pdf. [13] 25% more cars powered by HERE in 2014, tisková zpráva. [online]. Here [cit ]. Dostupné z: /. [14] CONNECTED SIGNALS, INC. Connected Signals. [online] [cit ]. Dostupné z: [15] Smartphone user penetration as percentage of total global population from 2011 to [online]. STATISTA [cit ]. Dostupné z: /. [16] Nokia completes next stage of transformation with agreement to sell HERE, tisková zpráva. [online]. Nokia corpotation [cit ]. Dostupné z: e_of_transformation_with_agreement_to_sell_here.zip. Zkrácené recenzní řízení provedl: doc. Ing. Pavel Hrubeš, Ph.D. 6