SK10469Y1 - Prenosná cestná sieťová komunikačná a vyhodnocovacia jednotka - Google Patents

Abstract

Prenosná cestná sieťová komunikačná a vyhodnocovacia jednotka je modulárne zariadenie navrhnuté na flexibilné nasadenie v dopravnej infraštruktúre umožňujúce zber, spracovanie a distribúciu dát v reálnom čase s cieľom zvýšiť bezpečnosť a efektivitu cestnej premávky. Skladá sa z prijímacieho modulu (11), vysielacieho modulu (5), výpočtového modulu (16), prepínača (12) prijímača a prepínača (6) vysielača, modulu (17) proti poškodeniu a odcudzeniu, modulu (18) interných snímačov a napájacieho modulu (19). Prijímací modul (11) sa skladá z celulárneho prijímača (7), ethernetového prijímača (8), WAVE prijímača (9) a rozširovacích prijímacích slotov (10). Vysielací modul (5) sa skladá z celulárneho vysielača (1), ethernetového vysielača (2), WAVE vysielača (3) a rozširovacích vysielacích slotov (4). Výpočtový modul (16) sa skladá z jednotky (13) spracovania dát z interných senzorov, centrálnej výpočtovej a rozhodovacej jednotky (14) a jednotky (15) riadenia komunikačných tokov. Uvedená architektúra umožňuje napojenie na široké spektrum snímačov a zníženie latencie odozvy zariadenia.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka hardvérového návrhu cestnej jednotky zabezpečujúcej komunikáciu v rámci cestných sietí medzi vozidlami vybavenými príslušnými palubnými jednotkami a nadriadeným dopravným systémom. Okrem toho vyhodnocuje priamo na mieste dáta zo senzorov, či už umiestnených v rámci tejto jednotky, alebo externých, ktoré sú súčasťou cestnej siete, ako aj ďalších informácií dostupných z nadriadenej úrovne dopravného systému, a generuje upozornenia, pokyny a ďalšie doplnkové informácie pre prevádzku vozidiel. Technické riešenie patrí do oblasti elektrotechnického priemyslu a informačno-komunikačných technológií.

Doterajší stav techniky

Aj keď problematika vozidlových komunikačných systémov siaha už do sedemdesiatych rokov 20. storočia, rozvoj komunikačných technológií a výpočtových prostriedkov a možnosť ich masového nasadenia nastala až v posledných 15 rokoch, kde cestné jednotky predstavujú kľúčový element pri tvorbe dopravných komunikačných sietí. Väčšinou ide čisto iba o komunikačné jednotky, ktoré sú umiestnené v blízkosti ciest, napr. na cestných bránach spolu s ďalšími senzormi, alebo na samostatných stĺpoch, kde pomocou bezdrôtovej komunikácie poskytujú dáta zo vzdialených senzorov vozidlám, ako aj nadriadenému dopravnému systému, ktorý je zodpovedný za celkový manažment dopravy. Cieľom tejto činnosti je najmä zníženie rizika kolízií a nehôd, ako aj zvýšenie plynulosti cestnej premávky. V niektorých prípadoch sú súčasťou cestnej jednotky aj niektoré snímače, ako napr. kamera a lidar. V takomto prípade sa v rámci tohto zariadenia vykonávajú niektoré úlohy, ako detekcia vozidiel, ich sledovanie a predikcia ich správania. Sú to ale obmedzené riešenia s obmedzeným počtom úloh, ktoré môžu riešiť. Navyše existujúce cestné jednotky sú navrhované ako statické zariadenia, ktoré sú spravidla inštalované natrvalo. Zodpovedá tomu ich spôsob prepojenia so snímačmi a spôsob napájania, ktoré je realizované buď cez ethernet, alebo musí byť zabezpečené zvlášť, čo obmedzuje možnosti ich inštalácie. Keďže zabezpečenie pokrytia signálu môže byť v rôznorodých geografických a poveternostných podmienkach veľmi zložité a jeho sila sa v čase aj mení, spôsobuje tento fakt výrazné zvýšenie nákladov na prevádzku dopravných systémov. V súčasnosti existuje celý rad komunikačných technológií a s nimi súvisiacich protokolov. Aj keď vznikli záväzné normy na konštruovanie cestných jednotiek, ktoré musia predovšetkým spĺňať štandardy založené na IEEE 1609 (známy ako WAVE) a v rámci toho najmä IEEE 802.11p, existujú aj komunikačné technológie, ktoré v týchto štandardoch zahrnuté nie sú, ale ich využíva veľké množstvo rôznych snímačov, ktoré sa taktiež dajú využiť v doprave, o to viac, že sú často súčasťou rôznych už existujúcich riešení na báze tzv. internetu vecí, takže by ich bolo možné priamo využiť (napr. rôzne meteorologické snímače či bezpečnostné kamery). Ale, existujúce riešenia cestných jednotiek túto možnosť nevedia využiť.

Podstata technického riešenia

Keďže doprava je silne dynamickým systémom, tak tomu musí zodpovedať aj topológia komunikačnej dopravnej siete, ktorá musí byť premenlivá vrátane možnosti meniť polohu niektorých cestných jednotiek. Typickým reprezentantom takejto siete je VANET, ktorá je tvorená cestnými jednotkami a vozidlami vybavenými palubnými jednotkami. Na tento účel je v tomto návrhu cestná jednotka koncipovaná ako prenosné zariadenie, ktoré je možné podľa potreby bezproblémovo presúvať na miesta určené nadriadeným dopravným systémom. Jednotka je kvôli jej ochrane zapuzdrená v skrinke spĺňajúcej požiadavky na ochranu proti prieniku prachu a vody a je zabezpečená ventilačnou ochranou proti prehriatiu. Zároveň je vybavená špeciálnym modulom proti poškodeniu a odcudzeniu. Ďalšími konceptmi, ktoré sú využité v návrhu, sú počítanie na hrane siete a internet vecí. Prvý koncept umožňuje znížiť prenosovú dátovú záťaž tým, že tieto sú aspoň čiastočne spracovávané priamo na mieste, t. j. v tomto prípade sa využije výpočtová kapacita cestnej jednotky, takže tá už môže sama vydávať rôzne varovania či pokyny. Do nadriadeného dopravného systému sú tak posielané iba údaje a informácie, ktoré presahujú dosah konkrétnej cestnej jednotky. Takýmto spôsobom sa zníži aj latencia odozvy systému, ktorá je v doprave zásadná, a zároveň sa znížia náklady na budovanie zariadení s vysokou prenosovou kapacitou. Týmto sa taktiež zabezpečí, že systém môže fungovať lokálne s obmedzenou funkcionalitou aj počas výpadku internetového pripojenia. Druhý koncept, internet vecí, vďaka existujúcim prenosovým normám a komunikačným protokolom uľahčuje prepájanie cestných jednotiek so snímačmi, ako aj vozidlami a inými cestnými jednotkami navzájom, pričom neraz využíva už existujúcu komunikačnú a senzorickú infraštruktúru. Na tento účel je tento návrh koncipovaný modulárnym spôsobom, ktorý navyše umožňuje aj čiastočnú paralelizáciu výpočtov vďaka využitiu viacerých samostatných výpočtových jednotiek a rozdelenia komunikácie na samostatnú prijímaciu a samostatnú vysielaciu časť.

Jadro navrhovanej cestnej jednotky sa skladá z prijímacieho, vysielacieho a výpočtového modulu. Aby bola zabezpečená komunikácia, s čo najväčším množstvom typov sieťových zariadení, obsahujú komunikačné moduly všetky najviac používané prijímače a vysielače, ako sú celulárne 4G/5G technológie, na prenos na veľké vzdialenosti, ako napr. pre dátové centrum dopravného systému, ethernet v prípade dostupnosti káblového internetu, ďalej bezdrôtové komunikačné technológie pre prostredia vozidiel (WAVE) na báze štandardov IEEE 1609 a v rámci toho najmä 802.11p, ktorý je dodatkom k štandardu 802.11, kam patrí aj technológia Wi-Fi. Okrem toho je možné cestnú jednotku doplniť aj o ďalšie bezdrôtové technológie, ako bluetooth, LoRa či Zigbee, ktoré sú typické pre aplikácie internetu vecí. Prepínače prijímača a vysielača prepoja výpočtový modul s komunikačnými modulmi tak, aby sa zabezpečila čo najlepšia konektivita s daným sieťovým zariadením.

Výpočtový modul je hardvérovo rozdelený na jednu hlavnú a dve pomocné jednotky. Hlavnou jednotkou je centrálna výpočtová a rozhodovacia jednotka, ktorá má za úlohu spracovať všetky získané dáta a informácie, na základe ktorých si vytvorí vnútorný model opisujúci aktuálnu dopravnú situáciu so všetkými relevantnými interakciami medzi vozidlami navzájom, ako aj medzi nimi a cestnou infraštruktúrou. Na základe toho vytvára upozornenia a pokyny pre účastníkov dopravy, ako napr. výstrahy pred kolíziou, odporúčania pre voľbu vhodného jazdného pruhu alebo obchádzky či pokyny na uvoľnenie cesty pre vozidlá s prednosťou jazdy (sanitky, polícia a pod.). V prípade, ak nedokážu vozidlá medzi sebou priamo komunikovať pomocou svojich palubných jednotiek, môže im túto komunikáciu sprostredkovať cestná jednotka. Keďže cestná jednotka obsahuje aj vlastné (interné) snímače, údaje z nich spracováva pomocná jednotka spracovania dát z interných senzorov. Ďalšou pomocnou jednotkou je jednotka riadenia komunikačných tokov, ktorá optimalizuje manažment dátových a informačných tokov, transformuje ich do vhodných formátov jednak pre ich spracovanie v centrálnej výpočtovej a rozhodovacej jednotke a jednak pre príslušnú jednotku vysielacieho modulu.

Osobitnou časťou cestnej jednotky je modul proti poškodeniu a odcudzeniu, nakoľko sa predpokladá, že zariadenie môže byť umiestnené prioritne na zemi. Zariadenie bude vhodne zapuzdrené, aby nedošlo k jeho poškodeniu, či už vplyvom prostredia, alebo vplyvom neautorizovanej manipulácie (vandalizmus či krádež). Zariadenie bude vybavené vibračnými a inerčnými (gyroskopy a akcelerometre) snímačmi na zaregistrovanie úderov a pokusov o zmenu polohy zariadenia. V takomto prípade zariadenie spustí na nej nainštalovanú sirénu a svetelný maják. Zároveň pošle informáciu správcovi dopravného systému o pokuse o neautorizovanú manipuláciu. V prípade pokusu o premiestnenie bude zariadenie vďaka satelitnému prijímaču, napr. na báze GPS alebo Galileo, podávať neustále informáciu o svojej polohe. Táto jednotka bude vybavená zvlášť zapuzdreným záložným zdrojom napájania vo forme batérie.

Modul interných snímačov bude vybavený voliteľnými snímačmi v závislosti od miestnych potrieb. Vzhľadom na polohu umiestnenia na zemi je súčasťou modulu základný súbor snímačov obsahujúci snímače teploty a vlhkosti pre potreby výpočtu rosného bodu a vydania prípadnej výstrahy námrazy či vlhkosti vozovky, ako aj detektor kovov ako pomocný snímač na meranie intenzity dopravy. Napájací modul umožňuje vybrať zdroj napájania, buď priamo cez elektrickú sieť, resp. PoE, alebo pomocou batérie, keďže sa predpokladá len dočasné použitie tejto cestnej jednotky na vykrytie istého kritického času (napr. kým sa neodstráni nejaká porucha alebo dočasné pokrytie ináč nemonitorovanej časti priestoru). Táto batéria môže byť dobíjaná pomocou fotovoltického panelu.

Medzi hlavné výhody tohto technického riešenia patrí:

• Zníženie latencie vďaka modulárnosti riešenia, rozloženiu komunikácie na prijímaciu a vysielaciu časť, manažmentu komunikačných tokov a rozdeleniu výpočtov na mieste (počítanie na hrane) a na nadriadenej úrovni dopravného systému (server alebo klaud).

• Riešenie umožňuje využitie širokej škály snímačov vďaka rôznym typom komunikácie, a tým znižuje závislosť od konkrétneho hardvéru.

• Mobilita návrhu umožňuje jednoducho a rýchlo presunúť cestnú jednotku na požadované miesto, ktoré nemusí byť vybavené elektrickou sieťou.

• V prípade, že je v danom priestore realizované nejaké riešenie na báze internetu vecí, naskytá sa možnosť využitia už existujúcej infraštruktúry.

• Vďaka inštalácii na zemi jestvuje možnosť presne merať prízemné hodnoty teploty a vlhkosti vzduchu, a tým určiť riziká námrazy, resp. mokrej vozovky a následného šmyku.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je znázornená bloková schéma prenosnej cestnej sieťovej komunikačnej a vyhodnocovacej jednotky.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

V prípade, že sa na vozovke ocitne nepredvídateľná prekážka, napr. nejaký predmet, dostatočne dobrý výhľad na ňu je iba z vozidla, ktoré sa k nej nachádza najbližšie. Ostatným vozidlám však prvé vozidlo bráni vo výhľade a vodiči môžu byť prekvapení neočakávaným brzdením prvého vozidla, čo je jedna z najčastejších príčin reťazových nehôd. Z tohto dôvodu, ak je prvé vozidlo vybavené palubnou jednotkou, môže po detekcii takejto prekážky poslať informáciu cestnej jednotke o riziku kolízií, ktorá ju pošle všetkým vozidlám, ktorých sa toto riziko môže týkať. Cestná jednotka obsahuje vo svojom vnútornom modeli informáciu o počtoch vozidiel a ich približnej polohe v danom čase a selektívne práve iba týmto vozidlám pošle včas výstrahu, aby ňou neboli zaťažované vozidlá, ktorých sa to netýka. Selekcia vozidiel, ktorým sa pošle výstraha, je vykonávaná v centrálnej výpočtovej a rozhodovacej jednotke 14, ktorá neustále vykonáva zhlukovanie vozidiel na základe ich vzájomnej vzdialenosti a smeru jazdy, ktoré by mohli eventuálne prísť do kolízie. Prostredníctvom jednotky 15 riadenia komunikačných tokov sú vybraté vhodné vysielače vo vysielacom module 5 a poslané varovania iba konkrétnym vozidlám. V prípade existencie nejakého varovného zariadenia v okolí zvýšeného rizika kolízie, napr. výstražného semafora v blízkosti školy alebo zdravotníckeho zariadenia, môže cestná jednotka aktivovať aj toto zariadenie, aby boli upozornené aj vozidlá, ktoré nemajú palubnú jednotku.

Príklad 2

Vychádzajúc z príkladu 1 je možné cestnú jednotku využiť aj na dynamické riadenie dopravy a jazdu v kolóne. Cestná jednotka vo svojom vnútornom modeli udržiavanom v centrálnej výpočtovej a rozhodovacej jednotka 14 neustále aktualizuje zhluky vozidiel, v ktorých sa vozidlá väčšinou nachádzajú a pre tieto zhluky definuje vzťahy medzi jednotlivými vozidlami využívajúc informácie z cestných kamier, resp. snímačov registrujúcich prejazd vozidla, ako aj informácie poskytované samotnými vozidlami prostredníctvom ich palubných jednotiek, ako jazdné vlastnosti vozidla a plán cesty. Na základe takejto znalosti môžu potom posielať odporúčania jednotlivým vozidlám, na základe čoho môže byť doprava hustejšia pri zachovaní rovnakej miery bezpečnosti, a tým sa zvýši priepustnosť ciest. Na základe uvedeného je evidentné, že pôjde o veľký prenos dát a informácií, ako aj o výpočtovo náročné operácie. Vďaka distribúcii výpočtov do troch výpočtových jednotiek 13 - 15, manažmentu prenosu dát v jednotke 15 a rozdeleniu komunikácie na samostatnú prijímaciu 11 a samostatnú vysielaciu 5 časť je pomocou prepínacích koprocesorov 12 a 6 možné distribuovať a paralelizovať jednotlivé činnosti jednotky, a tým znížiť latenciu odozvy cestnej jednotky.

Príklad 3

Keďže zabezpečiť úplné pokrytie cestnej siete signálom z cestných jednotiek je veľmi náročné a nákladné (obzvlášť v mestskom prostredí s vysokou a hustou zástavbou), vo väčšine prípadov sa cestnými jednotkami pokrývajú len najproblematickejšie úseky. Ale môže dôjsť buď k výpadku niektorej cestnej jednotky a potrebe jej rýchlej náhrady, pokiaľ nebude táto opravená alebo vymenená za novú, alebo je potrebné dočasne z nejakého dôvodu pokryť ďalšiu časť cestnej siete. Keďže cestné jednotky sú neraz inštalované na ťažko dostupných a vyvýšených miestach (cestné brány alebo stĺpy), je potrebné ich demontáž a opätovnú montáž naplánovať. Navrhnutý typ cestnej jednotky je však možné ihneď priniesť a postaviť na zem. Nevyžaduje sa v princípe ani nutnosť ju o niečo prichytiť, keďže je vybavená modulom 17 proti poškodeniu a odcudzeniu, ktorý vďaka svojim opísaným vlastnostiam reaguje na akékoľvek mechanické pôsobenie na jej zapuzdrenie, či sú to údery, prevrátenie, pokus o vypáčenie alebo prenesenie. V takomto prípade vyšle signál správcovi o neautorizovanom zásahu, spustí svetelnú a zvukovú signalizáciu priamo na mieste a pri pokuse ju premiestniť bude posielať aj informáciu o jej polohe. Narušiteľovi nepomôže ani pokus o odpojenie od napájania, keďže tento modul má k dispozícii vlastnú záložnú batériu, ktorá sa nachádza vo vlastnom ochrannom puzdre.

Príklad 4

Navrhnutá cestná jednotka obsahuje aj vlastný modul interných snímačov so základným súborom snímačov, ktoré je možné rozšíriť aj o ďalšie prvky, ktoré nemajú vlastný komunikačný modul, prostredníctvom ktorého by sa daný snímač mohol zapojiť do cestnej siete. Základný súbor obsahuje snímač teploty, vlhkosti vzduchu a 5 detektor kovov. Pomocou prvých dvoch snímačov je možné presne zmerať teplotu a vlhkosť vzduchu pri zemi, ktoré sa môžu značne odlišovať od hodnôt nameraných vo vyšších vrstvách, a z týchto údajov je možné určiť, či nevznikla námraza na vozovke, alebo či nie je príliš mokrá, čo sú údaje výrazne ovplyvňujúce štýl jazdy a bezpečnosť premávky. Proti tomuto spôsobu merania neexistuje dostatočne presná a lacná alternatíva, nakoľko využitie snímačov nainštalovaných na vozidle je kvôli ich nízkej presnosti kvôli meraniu za jazdy iba informatívne 10 (okrem toho vozidlá merajú väčšinou iba teplotu) a v prípade cestnej brány si inštalácia snímačov na úrovni vozovky vyžaduje pomerne náročný montážny zásah. Detektor kovu môže byť využitý v prípade absencie kamery alebo nemožnosti jej použitia (napr. hustý dážď) jednak ako počítadlo vozidiel a jednak na určenie ich dĺžky, čo je údaj využiteľný aj pri určení typu vozidla.

Zoznam vzťahových značiek

- celulárny vysielač

- ethernetový vysielač

- WAVE vysielač

- rozširovacie vysielacie sloty

- vysielací modul

- prepínač vysielača

- celulárny prijímač

- ethernetový prijímač

- WAVE prijímač

- rozširovacie prijímacie sloty

- prijímací modul

- prepínač prijímača

- jednotka spracovania dát z interných senzorov

- centrálna výpočtová a rozhodovacia jednotka

- jednotka riadenia komunikačných tokov

- výpočtový modul

- modul proti poškodeniu a odcudzeniu

- modul interných snímačov

- napájací modul

Claims (4)

1. Prenosná cestná sieťová komunikačná a vyhodnocovacia jednotka, vyznačujúca sa tým, že je uložená v stabilizačnom puzdre na odolávanie poveternostným vplyvom, ako aj neautorizovaným zásahom mechanickej deštrukčnej povahy a pozostáva z prijímacieho modulu (11), vysielacieho modulu (5), výpočtového modulu (16), ktoré sú navzájom prepojené pomocou prepínača (12) prijímača a prepínača (6) vysielača, ďalej modulu (17) proti poškodeniu a odcudzeniu, ktorý je prepojený s prepínačom (6) vysielača, modulu (18) interných snímačov prepojeného s výpočtovým modulom (16) a napájacieho modulu (19), prijímací modul (11) sa skladá z celulárneho prijímača (7), ethernetového prijímača (8), WAVE prijímača (9) a rozširovacích prijímacích slotov (10), vysielací modul (5) sa skladá z celulárneho vysielača (1), ethernetového vysielača (2), WAVE vysielača (3) a rozširovacích vysielacích slotov (4), pričom výpočtový modul (16) sa skladá z jednotky (13) spracovania dát z interných senzorov, centrálnej výpočtovej a rozhodovacej jednotky (14) a jednotky (15) riadenia komunikačných tokov.

2. Prenosná cestná sieťová komunikačná a vyhodnocovacia jednotka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že komunikácia je hardvérovo rozdelená na samostatnú prijímaciu časť (11) a samostatnú vysielaciu časť (5), ktoré sú prepojené s jednotkami (15) riadenia komunikačných tokov a prepínačov (12) prijímača alebo prepínačov (6) vysielača.

3. Prenosná cestná sieťová komunikačná a vyhodnocovacia jednotka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že s prepínačom (6) vysielača je spojený modul (17) proti poškodeniu a odcudzeniu na snímanie vibrácie a zmenu polohy zariadenia a vysielanie informácie správcovi zariadenia a na spúšťanie zvukovej a svetelnej signalizácie.

4. Prenosná cestná sieťová komunikačná a vyhodnocovacia jednotka podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c a sa tým, že na jednotku (13) spracovania dát z interných senzorov je pripojený modul (18) interných snímačov na presné meranie teploty a vlhkosť vzduchu pri zemi a poskytovanie výstrah výskytu námrazy alebo vlhkej vozovky s rizikom šmyku.