INFORMATION SYSTEM FOR IMPROVING ROAD SAFETY USING CELLULAR COMMUNICATION AND NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.135.4
Issue: № 9 (135), 2023
Suggested:
21.04.2023
Accepted:
13.09.2023
Published:
18.09.2023
576
4
XML
PDF

Abstract

The article presents the process of developing an information system aimed at improving road safety by informing vehicle drivers in advance about the presence of nearby accident-prone areas, bad weather conditions and other dangerous road situations. The main functions of the server part of the information system are described. Special attention is paid to the mathematical structure of the information system algorithms' functioning, which confirm the theoretical justification of the information system viability. The mathematical apparatus describes possible situations on the road that can lead to a road accident. Experimental data that confirm the theoretical substantiation are also given.

1. Введение

Из года в год число дорожно-транспортных происшествий (ДТП) в стране остается высоким. Самый частый вид дорожного происшествия – столкновение двух автомобилей. На втором месте – наезд на пешехода. На третьем – когда машина переворачивается, например, если водитель не справился с управлением на скользкой дороге. Девять из десяти ДТП происходят из-за того, что водители нарушают правила дорожного движения. Чаще всего – не соблюдают знаки приоритета на перекрестке. При этом треть всех нарушений происходит из-за того, что с дорогой что-то не так. Например, дорожный знак не видно, или его вообще нет, или стерлась разметка. Там, где ремонтируют дороги и мосты, часто не хватает предупредительных знаков. У водителей попросту нет времени, чтобы сориентироваться. Только что была дорога и внезапно закончилась. На долю загородных трасс приходится всего четверть ДТП, но последствия обычно тяжелее: получают травмы и гибнут здесь в три раза чаще, чем на городских улицах. Самые опасные ДТП – на высокоскоростных федеральных трассах: каждая вторая смерть в автоавариях случается за городом

.

С 4 июля 2016 года в закон «О безопасности дорожного движения» внесли поправку. Теперь в документе появился новый термин «аварийно-опасный участок дороги». Аварийно-опасный участок дороги (место концентрации дорожно-транспортных происшествий) – участок дороги, улицы, не превышающий 1000 метров вне населенного пункта или 200 метров в населенном пункте, либо пересечение дорог, улиц, где в течение отчетного года произошло три и более дорожно-транспортных происшествия одного вида или пять и более дорожно-транспортных происшествий независимо от их вида, в результате которых погибли или были ранены люди

. Теперь владельцы автомобильных дорог обязаны собирать информацию о местах, где чаще всего происходят ДТП, и утверждать перечень таких мест. И только по окончании года будут обязаны принимать меры по устранению причин аварийности: начинают выполнять работы по установке необходимых знаков, наносить дорожную разметку или обустраивать эти места защитными устройствами
. За год может произойти много других аварий на сложном участке по причине отсутствия информирования водителей транспортных средств (ТС) об опасном участке дороги, а некоторые подобные знаки и вовсе уже неактуальны и их просто не демонтировали.

Цель статьи – публикация исследования, по тестированию информационной системы (ИС), реализованной на основе способа предупреждения столкновений транспортных средств на участках дорог вне населенных пунктов

. ИС собирает на сервере данные от транспортных средств, движущихся вне населенных пунктов на основе идентифицирующих номеров устройств сотовой связи участников дорожного движения в режиме реального времени.

2. Методы и принципы исследования

Разработанная информационная система служит для заблаговременного информирования водителей ТС о аварийно-опасных участках поблизости и предоставления рекомендаций по предотвращению дорожно-транспортного происшествия на нем и предназначена для повышения безопасности дорожного движения транспортных средств за пределами населенных пунктов.

Для использования данной ИС необходимо наличие клиента ИС на устройстве мобильной сотовой связи у всех участников дорожного движения с возможностью приема и передачи данных в сети сотовой связи, спутниковых систем навигации, использования глобальной информационной сети Интернет.

Задачей ИС является повышение безопасности дорожного движения путем определения критических значений параметров движения транспортных средств на участках дорог вне населенных пунктов и заблаговременного информирования водителей ТС, если в направлении следования водителя находится аварийно-опасный участок дороги, предполагающий возможность возникновения ДТП. Информирование водителей ТС будет осуществляться подачей звукового сигнала и визуального оповещения с указанием расстояния до аварийно-опасного участка и рекомендациями по предотвращению дорожно-транспортного происшествия, на клиенте ИС, установленного на устройстве сотовой связи. Тип звукового сигнала зависит от типа аварийной ситуации. Результатом, получаемым при использовании данной информационной системы, является своевременное оповещение водителей ТС о возможном возникновении аварийной ситуации в условиях: недостаточной и ограниченной видимости, неблагоприятных погодных условиях, сложной геометрии дорог, крутых подъёмов, спусков, опасных поворотов вне населенных пунктов, на основании измерений параметров движения ТС в режиме реального времени.

ИС предназначена для информирования участников дорожного движения и способствует снижению вероятности столкновений участников дорожного движения на аварийно-опасных участках дороги. Информационная система характеризуется наличием текущих координат местоположения всех участников дорожного движения и наличием информации обо всех аварийно-опасных участках дорог. Недостатком является сложность реализации подобной системы, ввиду необходимости наличия клиента ИС у всех участников дорожного движения и наличия постоянного Интернет-соединения у участников дорожного движения. В случае отсутствия клиента информационной системы или его отказа у участников дорожного движения, эффективность информационной системы снижается, и она не сможет обеспечивать безопасность дорожного движения или делать это в полном объеме, а информационное сообщение о наличии аварийно-опасной ситуации поблизости может поступить в этом случае не всем участникам дорожного движения.

ИС для повышения безопасности дорожного движения включает в себя:

1. Клиент информационной системы с приемником спутниковых навигационных сигналов, определяющий координаты местоположения, скорость движения и азимут направления транспортного средства, формирующий и передающий информацию о параметрах движения транспортного средства, используя средства сотовой связи, в центр обработки информации, получающий ответ от центра обработки информации, содержащий информацию о ближайшем аварийно-опасном участке дороги и рекомендации по его преодолению и оповещающий об этом в виде звукового оповещения;

2. Центр обработки информации (ЦОИ), включающий в себя web-сервер с возможностью приема от клиента ИС IMEI мобильного устройства, координаты местоположения, азимут направления движения, скорость движения ТС и текущее время, модуль обработки информации, базу данных (БД), в которой хранятся данные об аварийно-опасных участках дороги, рекомендации по предотвращению дорожно-транспортных происшествий и данные о местоположении и скорости всех участников дорожного движения, модуль обработки информации, который периодически проверяет наличие транспортных средств на аварийно-опасных участках дорог и сохраняет данную информацию в БД, для того чтобы информировать только тех водителей ТС, кто находится в зоне аварийно-опасной ситуации.

ЦОИ получает пользовательские данные от клиента ИС и определяет критические значения параметров движения ТС на дороге в направлении следования водителя ТС. Проверяется, находится ли текущий клиент ИС в зоне аварийно-опасной ситуации, и если находится, то ему отправляется ответ, содержащий координаты местоположения аварийно-опасной ситуации, ее тип и рекомендации для предотвращения аварийно-опасной ситуации. Недостатком данной системы является то, что данная система является накопительной системой сбора данных об участниках движения, аварийно-опасных ситуациях и их типах в определенном участке местности. Определение о необходимости информирования производится модулем обработки информации с использованием имеющихся актуальных данных об аварийно-опасных ситуаций, путем проверки нахождения каждого ТС в области аварийно-опасного участка дороги, что требует большой вычислительной мощности.

Информационная система, представляет собой последовательную реализацию следующих шагов:

Шаг 1. Модуль ГЛОНАСС/GPS на клиенте ИС получает данные от навигационных спутниковых систем, а программный модуль расшифровки координат и приведения их в необходимый вид формирует данные в формате DD.DDDD (Только градусы с десятичной дробной частью);

Шаг 2. Клиент ИС формирует пакет данных, содержащий уникальный номер мобильного устройства связи (IMEI), координаты местоположения, скорость движения, азимут направления движения и при помощи GSM модуля производится отправка сформированного пакета данных в центр обработки данных с необходимой периодичностью;

Шаг 3. Центр обработки информации получает от участников дорожного движения данные, которые заносится в базу данных системы;

Шаг 4. Модуль обработки информации периодически производит определение наличия каждого из участников дорожного движения на аварийно-опасных участках дорог и сохраняет эту информацию. На рисунке 1 представлена ситуация где автомобиль находится в зоне вероятной опасности и его заблаговременно проинформируют о дорожном событии, к которому он приближается. На рисунке 2 представлена ситуация, где автомобиль А превышает допустимое скоростное ограничение и его проинформируют о нарушении скоростного режима, а автомобиль Б проинформируют о присутствии рядом нарушителя скоростного режима, т.к. он находится в зоне вероятной опасности:

Приближение ТС к дорожному событию

Рисунок 1 - Приближение ТС к дорожному событию

Сближение с ТС, нарушающим скоростной режим

Рисунок 2 - Сближение с ТС, нарушающим скоростной режим

Шаг 5. При обмене данных клиентом ИС и ЦОИ проверяется, необходимо ли оповестить данного клиента о наличии аварийно-опасной ситуации поблизости и в случае, если его необходимо оповестить, в качестве ответа на клиент ИС будет отправлено информационное сообщение о типе потенциально аварийно-опасной ситуации поблизости, ее координатах и рекомендациями по предотвращению дорожно-транспортного происшествия;

Шаг 6. Данные, полученные от ЦОИ, обрабатываются на клиенте ИС, который воспроизводит содержимое в виде звукового сигнала и визуального оповещения.

На рисунке 3 изображена взаимосвязь элементов информационной системы оповещения водителей ТС в условиях недостаточной и ограниченной видимости визуальной информации, реализующей способ повышения безопасности дорожного движения, с использованием средств сотовой связи, навигационных спутниковых систем и глобальной информационной сети Интернет.

Взаимосвязь элементов информационной системы оповещения водителей ТС в условиях недостаточной и ограниченной видимости

Рисунок 3 - Взаимосвязь элементов информационной системы оповещения водителей ТС в условиях недостаточной и ограниченной видимости

Своевременное оповещение участников дорожного движения о возможном возникновении аварийной ситуации в условиях недостаточной и ограниченной видимости позволит повысить безопасность дорожного движения, особенно на аварийных участках дорог вне населенных пунктов, где скорости движения автомобилей, как правило, высокие и соответственно тяжесть последствий ДТП высока.

Кроме того, поскольку при определении критических значений безопасного расстояния центром обработки информации используются актуальные данные об изменяющихся условиях дорожного движения, то формируемые предупреждающие сообщения не будут перегружать избыточной информацией, ввиду отправки их лишь тем участникам дорожного движения, критические значения параметров движения транспортных средств которых предполагают возможность возникновения дорожно-транспортного происшествия.

Состав клиента информационной системы:

Яндекс-карта. На карте отображается текущее местоположение и аварийно-опасные участки поблизости;

Параметры отправки данных (настройки клиента);

Записи отправки и приема данных (для отладки работы).

Состав центра обработки информации:

Система управления базами данных (СУБД) mysql, содержащая таблицы с информацией о дорожных событиях, данных пользователей и таблицу, содержащую информацию об активных клиентах на данный момент и их актуальными данными;

Модуль авторизации и аутентификации пользователей;

Модуль добавления и удаления аварийно-опасных участков на местности;

Модуль обработки информации.

Для обеспечения математического аппарата функционирования алгоритмов работы информационной системы необходимо определить ее базовые параметры. Опасными ситуациями будем считать те ситуации, которые при условии непринятия мер реагирования приведут к ДТП в виде столкновения. По сути меры реагирования, направленные на предотвращение ДТП, сводятся либо к снижению скорости ТС вплоть до полной остановки, либо к изменению направления движения ТС, либо к комбинации данных действий

,
,
. Согласно нормативным документам расстояние видимости на всем протяжении дороги должно быть не менее остановочного пути ТС до препятствия:

img
(1)

где img – расстояние видимости;

img – остановочный путь.

Остановочный путь – это путь, пройденный ТС со времени обнаружения опасности до его полной остановки, плюс оставшееся расстояние до объекта

:

img
(2)

где img – путь, проходимый автомобилем за время реакции водителя;

img – путь, проходимый автомобилем за время срабатывания тормозного привода;

img – путь, проходимый автомобилем за время нарастания замедления;

img – путь торможения;

img – запас расстояния, равный 5-10 м.

В развернутом виде формула (2) может быть записана следующим образом, м:

img
(3)

где img – время реакции водителя, с;

img – время срабатывания тормозного привода, с;

img – время нарастания замедления, с;

img – скорость автомобиля, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

φ – коэффициент сцепления шин с дорогой.

При назначении геометрических параметров дорог на участках подъемов и спусков руководствуются расстоянием видимости встречного автомобиля

, которое рассчитывается, м:

img
(4)

где img – скорость транспортного потока, обеспеченностью 85%, км/ч;

img – коэффициент эффективности торможения, принимаемый 1,2 при сухом дорожном покрытии;

img – уклон дороги.

С учетом выше изложенного определим минимальные параметры видимости на основании нормативных документов, регламентирующих геометрические параметры автомобильных дорог для следующих типичных дорожно-транспортных ситуаций:

впереди движущийся автомобиль в попутном направлении;

впереди движущийся автомобиль во встречном направлении.

Ситуация 1. В данной ситуации автомобиль встречает препятствие на той же полосе движения и требуется полная его остановка на безопасном расстоянии от препятствия. Расстояние видимости без учета наклона дороги находится:

img
(5)

В соответствии с рекомендациями по обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах время реакции водителя принимается равным 2,5 с. Значения коэффициента сцепления φ для асфальтобетонного покрытия устанавливаются методическими пособиями

,
,
,
и варьируются от 0.8 (сухое, чистое) до 0.2 (обледенелое).

Ситуация 2. В данной ситуации автомобили должны остановиться, не доезжая друг до друга. Расстояние видимости складывается из расстояний, которые автомобили проходят за время реакции водителей и тормозных путей автомобилей, а также запаса расстояния:

img
(6)

или

img
(7)

В разработанной ИС в качестве критерия принятия решения о подаче звукового сигнала водителю ТС о аварийно-опасной ситуации поблизости на дороге в направлении его следования предлагается использовать расстояние не меньшее, чем минимально безопасное расстояние между участниками дорожного движения ( ), которое определяется расчетным способом. Условие информирования клиента ИС о нахождении водителя ТС в зоне аварийно-опасной ситуации выглядит следующим образом:

img
(8)

где img – действительное расстояние между участниками дорожного движения, м;

img – минимально безопасное расстояние между участниками дорожного движения, м.

Для определения пути, пройденного i-ым автомобилем, воспользуемся формулой остановочного пути, м:

img
(9)

где img –путь, проходимый автомобилем за время отклика системы, м.

Выразим из (9), принимая, что процесс торможения соответствует равнозамедленному движению до полной остановки с максимально возможным замедлением для конкретных дорожных условий, м:

img

или 

img

или

img
(10)

где img – начальная скорость iого автомобиля, м/с;

img – время торможения iого автомобиля, с;

img – время отклика системы, с;

img – максимально возможное замедление, м/с2.

С целью учета погодных условий определим из уравнения определения тормозной силы автомобиля, Н:

img
(11)

отсюда img , где img – масса автомобиля, кг.

Также следует отметить, что замедление автомобиля при экстренном торможении для сухого покрытия можно принять img=7,84 м/с2, мокрого покрытия – 3,92 м/с2, для обледенелого покрытия равным – 1,96 м/с2. При рабочем торможении замедление автомобиля примем в 3 раза меньше, чем при экстренном торможении, и не превосходящим 2,6 м/с2 для сухом покрытии, 1,3 м/с2 при мокром покрытии и 0,65 м/с2 для обледенелого покрытия.

Время торможения i-ого автомобиля при условии равнозамедленного движения до полной остановки можно найти:

img
(12)

Рассмотрим ситуацию 1, когда движение автомобилей осуществляется в попутном направлении, тогда img определяется по формуле (10) в виде разницы путей, пройденными автомобилями за время, которое необходимо для полной остановки догоняющего автомобиля (с индексом 2) с учетом остатка пути между объектами, м:

img
(13)

тогда img или

img
(14)

Для ситуации 2, когда движение автомобилей осуществляется во встречном направлении, img определяется в виде суммы путей, пройденными автомобилями до полной остановки с учетом остатка пути между объектами, м: img тогда

img
(15)
По предложенным ранее математическим моделям построены графики, отражающие влияния времени отклика разработанной ИС (рисунок 4), коэффициента сцепления (рисунок 5) и режима торможения (рисунок 6) на остановочный путь или минимальное безопасное расстояние при различных скоростях движения ТС в сравнении с нормативными значениями. При этом остановочный путь рассчитывался без учета запаса остатка пути img Интервал скоростного режима ТС (30-240 км/час) обусловлен следующим: минимальное значение, при котором в случае ДТП могут быть тяжелые последствия для водителя и пассажиров; максимальное значение в условиях ограничения скоростного режима на участках дорог вне населенного пункта (90 км/час) с учетом погрешности спидометра (+20 км/час) и встречного транспорта (умножить на 2). 
Зависимость минимального безопасного расстояния от скорости движения ТС при экстренном торможении и коэффициенте сцепления 0,8

Рисунок 4 - Зависимость минимального безопасного расстояния от скорости движения ТС при экстренном торможении и коэффициенте сцепления 0,8

Зависимость минимального безопасного расстояния от скорости движения ТС при различных состояниях дорожного покрытия и экстренном торможении

Рисунок 5 - Зависимость минимального безопасного расстояния от скорости движения ТС при различных состояниях дорожного покрытия и экстренном торможении

Зависимость минимального безопасного расстояния от скорости движения ТС при различных режимах торможения

Рисунок 6 - Зависимость минимального безопасного расстояния от скорости движения ТС при различных режимах торможения

3. Основные результаты

Для проверки возможной реализации ИС был проведен эксперимент. Клиент ИС, установленный на устройстве сотовой связи, обеспечивает передачу в ЦОИ пользовательских данных и подтверждение корректности их фиксации, при этом регистрируется время отправки и принятия данных. Время отправки данных и получения подтверждения позволило определять время отклика системы с учетом различных факторов, таких как качество связи, в местах, имеющих различный ландшафт и удаленность от г. Красноярска, а также проверить точность позиционирования ТС. Результаты обработанных экспериментальных данных представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты обработанных экспериментальных данных

Место замера, факторы влияния

Точность позиционирования, м

Среднее время отклика, мс

Качество связи

Дождь, городская среда, наличие большого количества строений

7-12

135

4G

Дождь, городская среда, лесные насаждения, малые жилые строения

5-10

165

3G

Дождь, городская среда, лесные насаждения, малые жилые строения

5-10

513

2G

Дождь, трасса за пределами города, равнинная местность, постройки

3-4

121

4G

Дождь, трасса за пределами города, равнинная местность, постройки

3-4

444

3G

Дождь, трасса за пределами города, равнинная местность, постройки

3-4

503

2G

Дождь, трасса за пределами города, равнинная местность, лес, развитая дорожная инфраструктура

4-6

161

4G

Дождь, трасса за пределами города, равнинная местность, лес, развитая дорожная инфраструктура

4-6

150

3G

Дождь, трасса за пределами города, равнинная местность, лес, развитая дорожная инфраструктура

4-6

419

2G

Дождь, загородная трасса, гористая местность, лесной массив

5-7

218

4G

Дождь, загородная трасса, гористая местность, лесной массив

5-7

653

2G

Согласно полученным экспериментальным данным, время отклика системы удовлетворяет условиям математической модели, даже при учете плохого качества мобильной связи и неблагоприятных метеорологических условиях.

Анализируя полученные зависимости можно сделать следующие выводы:

предложенная математическая модель определения минимального безопасного расстояния между ТС не противоречит нормативным документам, в области проектировании и безопасности автомобильных дорог;

для корректной работы системы необходимо и достаточно, чтобы время отклика составляло менее 1 с; дорожные условия значительно влияют на минимально безопасное расстояние между ТС;

режим торможения (замедление) также значительно влияет на минимально безопасное расстояние особенно при высоких скоростях ТС.

4. Заключение

Таким образом, разработанная информационная система способствует снижению вероятности столкновений участников дорожного движения за пределами населенных пунктов за счет заблаговременного информирования клиентов ИС звуковым сигналом и визуальным оповещением о приближении к аварийно-опасным участкам дороги (ДТП, туман, дорожные работы и т.п.) и предоставления рекомендацией по предотвращению дорожно-транспортного происшествия на нем. Для эффективной работы ИС в полном объеме у всех участников дорожного движения должен быть установлен клиент ИС на устройстве сотовой связи водителей ТС и необходимо наличие постоянного интернет-соединения для обмена данными с центром обработки информации информационной системы. Для проверки возможной реализации ИС был проведен эксперимент на дорогах Красноярского и согласно полученным экспериментальным данным время отклика системы соответствует теоретическим расчетам.

Article metrics

Views:576
Downloads:4
Views
Total:
Views:576