Post on 01-May-2015
I sistemi di informazioneagli utenti stradali
di Gaetano Fusco
Università degli Studi di Roma “La
Sapienza”Dip. Idraulica, Trasporti e Strade
E-mail: gaetano.fusco@uniroma1.it
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sistemi di informazione (ATIS)
Gli ATIS forniscono informazioni aggiornate in tempo reale su traffico, orari, tariffe, parcheggio e meteo.
Consentono agli utenti di fare scelte aggiornate su dove andare, quando, con quale mezzo, con quale percorso, a quale costo.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Il processo di scelta degli utenti
Scelte di viaggio: destinazione orario di partenza modo di trasporto percorso terminali di accesso,
uscita e scambio tipo di servizio (e
relativa tariffa)
Elementi del processo:
Livello di scelta: Programmazione Esecuzione
Criterio di scelta Fonte di
informazione Sistema di
elaborazione dell’informazione
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Criticità dell’informazione
Aspetti critici della scelta:
Utenti: abituali non abituali
Congestione: ricorrente non ricorrente
Inefficienza delle scelte: dal 5% al 7% in
condizioni standard maggiore in casi di
incidente
Effetti della
congestione: 42 ore/pers/anno (Japan) in USA dal 50 al 65%
della congestione è dovuta ad incidenti
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
ATIS: Schema funzionale
• Raccolta ed elaborazione delle informazioni
• Trasmissione dell’informazione
• Display dell’informazione all’utente
Esempio: VICS(Giappone)
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Classificazione degli ATIS
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sistemi di informazione pre-trip
Forniscono informazioni prima di iniziare lo spostamento.
Mezzi di comunicazione: Radio, TV Wap, Internet; Chioschi;
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Segnali a messaggi variabili (VMS)
Sistema di informazione collettiva:
Indicazioni di percorso Stime tempi di viaggio
Richiede agli utenti la conoscenza della rete
Elevati benefici in casi di incidente
Integra il ramp metering per ottimizzare l’uso delle infrastrutture
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Navigatori di bordo
Passiva (“dead reckoning”: odometro e bussola): e= 2%
Correzione automatica (“map-matching”): e=16m
Assistita: GPS: e<10m radiofari (radio, microonde, I/R)
I navigatori di bordo mostrano al guidatore il percorso da seguire, seguendo la posizione del veicolo durante lo spostamento (per utenti non abituali).
Tecniche di localizzazione del veicolo:
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Moduli di un sistema di navigazione
Route Planning Route Guidance
Interfacciauomo-macchina
DatabaseMappa digitale
Map MatchingLocalizzazione
Comunicazioniwireless
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sistemi dinamici di Route Guidance
I Sistemi di Route Guidance (RGS) forniscono a ciascun utente informazioni specifiche sul percorso, in funzione delle condizioni di traffico rilevate (dinamici).
Tecnologie di trasmissione: Spire+antenna (CACS) Radiofari I/R (Euro-Scout) Radiofari+FM (VICS) GPS+GSM (TomTom HD)
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Modulo di posizionamento
Determina le coordinate di un veicolo in un dato riferimento terrestre o in un riferimento relativo all’infrastruttura di trasporto utilizzata.
Tecnologie di posizionamento più usate: “Stand-alone”; Satellitari; Localizzazione radio (terrestre).
Nessuna tecnologia ha in sé la precisione e l’affidabilità richieste la navigazione veicolare.
I sistemi di navigazione integrano tecnologie diverse (“sensor fusion”).
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Schema modulo di posizionamento
Algoritmo di fusione
Posizionedel veicolo
Giroscopio
Sensori alle ruote,alla trasmissione
RicevitoreGPS
Bussola
Sensori relativi Sensori assoluti
Distanza
Direzione
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Global Positioning System (GPS)
Sistema di localizzazione radio che determina la posizione corrente mediante triangolazione del segnale ricevuto da almeno 3 satelliti.
Il sistema satellitare GPS è costituito da 24 satelliti posti su 6 orbite a 20.231 Km di quota, che garantiscono la copertura di ciascun punto del globo con almeno 4 satelliti contemporaneamente.
Il sistema, di proprietà del Dipartimento per la Difesa degli USA, è reso disponibile per usi civili.
La Russia possiede un analogo sistema (GLONASS), non disponibile per usi civili.
L’Unione Europea ha in programma lo sviluppo del sistema GALILEO.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Funzionamento del GPS
I satelliti inviano segnali radio con le seguenti informazioni:
Stato e codice identificativo del satellite;
Data e ora (misurata con orologi atomici).
L’unità locale (passiva) determina la distanza da ciascun satellite confrontando l’istante di trasmissione con l’istante di ricezione del segnale.
p1
p2
212
11 yyxxp
222
22 yyxxp
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Funzionamento del GPS
Nota la posizione di almeno 4 satelliti, l’unità locale determina la propria posizione e altitudine e lo scarto dell’orologio di bordo rispetto ai satelliti.
I dati sono registrati per seguire la traiettoria;
La posizione è visualizzata su una mappa.
p1
p2
212
11 yyxxp
222
22 yyxxp
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Unità locale GPS
L’unità locale è composta da:
Antenna ricevente; Sistema di decodifica
dei segnali e di calcolo;
Sistema di memoria RAM e ROM;
Alimentatore o batteria;
Interfaccia utente (display e tastiera).
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
GPS differenziale
Il GPS differenziale utilizza una stazione di riferimento fissa, di coordinate note, per correggere l’errore di posizione.
L’errore di posizione viene così ridotto entro 15m anche quando è in funzione il sistema di disturbo
Entro 50km dalla stazione fissa entro 2-5m con ricevitori “low-noise”.
Stazione diriferimento
Unitàremota
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Caratteristiche del GPS
Precisione: “Precisa” (PPS): 10-20m (in alcuni casi riservata ai
militari) “Standard” (SPS): 60m (degradata a 100m) GPS differenziale: fino anche a 1cm (correzione con
segnali radio emessi da stazioni terrestri). Velocità: 0,2m/s (PPS); 0,5-2m/s (SPS); Tempo: 200 ns (PPS); 340ns (SPS);
Integrazione con altri sistemi radio (sistema europeo Galileo: precisione fino a 1m);
Problemi di copertura (tunnel, edifici, fogliame).
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Dead reckoning
Incrementa la distanza percorsa e la direzione dello spostamento a partire da una posizione iniziale nota.
Utilizza per questo i dati di direzione , velocità v, velocità angolare e distanza d, provenienti dai sensori con intervalli di aggiornamento T.
0
1
2
(x0,y0)
(x1,y1)
(x2,y2)
d0
d1
d2
xn= x0+Σin-1viTcos(i+iT)
yn= y0+Σin-1viTsin(i+iT)
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Dead reckoning
Ipotesi: v e costanti durante l’intervallo T.
Problema: gli errori si sommano durante il percorso.
E’ necessario un sistema di correzione dell’errore che utilizzi un riferimento assoluto.
All’istante di tempo tn la posizione xn, yn è:
0
1
2
(x0,y0)
(x1,y1)
(x2,y2)
d0
d1
d2
xn= x0+Σin-1viTcos(i+iT)
yn= y0+Σin-1viTsin(i+iT)
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sensori di rotazione
Misurano la posizione angolare dell’albero di trasmissione.
Posizioni dei sensori: Tramite un connettore posto
sull’alloggiamento della trasmissione. Tecnologie utilizzate:
Misura della induttanza magnetica; Misura dell’effetto Hall; Sistemi ottici.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sensori induttivi passivi
Principio induttivo: un campo magnetico variabile nel tempo induce in un circuito una forza elettromotrice f
f è uguale al tasso di variazione del flusso magnetico (Φ):
f = -dΦ/dt essendo Φ il flusso del campo
magnetico B concatenato con il circuito
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sensori induttivi passivi
Sensore: un magnete permanente con un avvolgimento metallico.
Una ruota dentata montata sull’albero di trasmissione è posizionata tra i poli del magnete.
Il passaggio di un dente della ruota attraverso i poli del magnete altera il campo magnetico ed induce una forza elettromotrice nell’avvolgimento.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sensori induttivi passivi
La forza elettromotrice indotta è funzione della posizione del dente e della velocità di rotazione della ruota.
La tensione elettrica ai capi dell’induttore ha un andamento sinusoidale:
è nulla quando il dente è all’esterno dei poli e quando è perfettamente centrato.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Pro e contro dei sensori induttivi
Pro: Semplicità ed economicità.
Contro: La tensione e la frequenza della corrente
nell’avvolgimento cambiano con la velocità; Il rapporto tra rumore e segnale dipende da vibrazioni
e risonanze; L’output del sensore è sensibile alla distanza dal disco; L’output del sensore si annulla alle basse velocità; L’intervallo delle uscite si allarga alle alte velocità; Interferenze radio ed elettromagnetiche possono
produrre falsi segnali.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sensori basati sull’effetto Hall
Effetto Hall: un conduttore percorso da corrente immerso in un campo magnetico è soggetto ad una variazione trasversale del potenziale elettrico.
Le linee equipotenziali del conduttore subiscono, cioè, una rotazione per effetto del campo magnetico.
Differenza di potenziale elettrico E:
E=RIH/d
I1 I2
E1
E2
E: differenza di potenzialeI: intensità di correnteR: coefficiente di HallH: campo magneticod: spessore lastra
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Sensori basati sull’effetto Hall
Sensore: sonda con un conduttore all’estremità ed un magnete interno, collegata ad un circuito elettrico e perpendicolare ad una ruota dentata.
L’alimentazione del circuito provoca nel conduttore una differenza di potenziale (d.d.p.) trasversale al campo magnetico.
Quando la ruota metallica gira, il passaggio dei denti davanti al conduttore modifica l’induttanza del campo magnetico e quindi la d.d.p.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Pro e contro dei sensori Hall
Pro: Il sensore produce un output anche a velocità nulla,
indotto comunque dal campo magnetico; La differenza di potenziale del sensore, infatti, è
indipendente dalla velocità di rotazione dell’albero. Contro:
Il montaggio richiede un accurato allineamento poiché l’uscita del sensore è sensibile alla distanza dall’albero.
L’output del sensore è sensibile alla temperatura e non è utilizzabile al di sotto dei -40°C e oltre i 65°C;
La presenza di campi magnetici può produrre falsi segnali;
A differenza dei sensori passivi, richiede l’alimentazione elettrica.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Odometro differenziale
L’odometro differenziale è costituito da due odometri assiali che misurano ciascuno il numero di rotazioni di una ruota;
Mediando i conteggi della ruota destra e sinistra e moltiplicando per un opportuno coefficiente di scala, è possibile determinare la distanza percorsa.
Ruote metalliche
Sensori Hall
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Odometro differenziale
La differenza tra le distanze precorse dalle due ruote, divisa per la lunghezza dell’asse, fornisce il cambiamento di direzione del veicolo.
Un o.d. può essere realizzato con due sensori Hall montati sulle ruote trainate.
Ruote metalliche
Sensori Hall
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Schema di odometro differenziale
Calcolo fattori di scala:KL=D/NL; KR=D/NR
(nota la distanza percorsa D)
Distanza percorsa al tempo
t:d(t)=d(t-1)+(KLNL+KRNR)/2
Direzione al tempo t:q(t)=q(t-1)+(KLCL-KRNR)/L
Valori misurati:NR= n° giri della ruota destraNL= n° giri della ruota sinistra
Ruote metalliche
Sensori Hall
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Pro e contro dell’odometro diff.
Pro: Può integrarsi con altri sistemi di localizzazione
Contro: E’ soggetto agli errori dei sensori utilizzati per il
conteggio dei giri delle ruote; Inoltre, è soggetto ad errori sistematici e non
sistematici dovuti a: Differente diametro delle ruote per ineguale consumo
dei pneumatici; Disallineamento delle ruote; Slittamenti delle ruote (accelerazione, decelerazione); Variazione del diametro delle ruote per riduzione di
pressione dei pneumatici (cambiano i fattori di scala).
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Giroscopio a vibrazione
Forza di Coriolis: agisce su un corpo in movimento con velocità v in un sistema in moto rotatorio rispetto ad un sistema di riferimento fisso.
Accelerazione di Coriolis:
vr: velocità relativa ω: velocità di rotazione
rc vF
2
rv
P
cF
x X’
y
y’
z
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Giroscopio a vibrazione
Sensore: piastra di materiale piezoelettrico
Un materiale piezoelettrico (es. quarzo) sottoposto ad uno sforzo meccanico genera impulsi elettrici con frequenza regolare.
La piastra piezoelettrica è interposta tra una barra vibrante ed una piastra collegata tramite elettrodi ad un circuito elettrico.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Giroscopio a vibrazione
Quando il veicolo cambia direzione, la barra vibrante è sottoposta alla forza di Coriolis.
Si produce uno sforzo di taglio sulla piastra piezoelettrica.
Il materiale piezoelettrico genera nel circuito una corrente alternata.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Giroscopio a vibrazione
La corrente alternata ha la frequenza di vibrazione della lamina ed intensità proporzionale alla velocità di rotazione del sistema mobile.
Integrando la velocità angolare rispetto al tempo si calcola la variazione di direzione del veicolo.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Map matching
E’ una tecnica di correzione delle misure di localizzazione dei sensori (es.: dead reckoning) mediante mappe digitali.
Durante il moto del veicolo, un algoritmo correla costantemente la sua posizione con le coordinate della rete stradale.
Algoritmi utilizzati per il map matching: Semi-deterministici; Probabilistici; Logica fuzzy; Reti neurali.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Map matching semi-deterministico
A partire dalla posizione iniziale, si assume che il veicolo sia su una strada;
Gli errori accumulati dal sistema dead reckoning sono corretti ogni qual volta il sistema rileva una svolta.
L’incertezza che si genera quando il veicolo lascia la sede stradale non viene corretta.
Questo inconveniente rende il sistema poco affidabile, così che non viene oggi utilizzato per applicazioni commerciali.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Map matching probabilistico
Le misure di posizione sono variabili aleatorie. La regione (ellisse) di confidenza della
posizione del veicolo è sovrapposta alle coordinate della strada.
Se solo un segmento stradale ricade nella regione di confidenza, questa è associata alla posizione del veicolo.
Se c’è incertezza, viene selezionato il segmento più probabile, assegnando priorità ai segmenti della strada che il veicolo stava percorrendo all’istante precedente.
L’aggiornamento della posizione viene eseguito ad intervalli di 1 secondo.
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
Aspetti critici di un RGS dinamico
Tempestività dell’informazione: Frequenza di aggiornamento del database Rapidità di elaborazione dell’informazione
Affidabilità delle previsioni: Rilevamento automatico di incidenti Prevedere la risposta degli utenti
all’informazione Completezza dell’informazione Facilità di comprensione per l’utente
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
RGS in Giappone: VICS
Il sistema VICS è in funzione in Giappone dal 1996
Oggi serve 2,4 milioni di unità di bordo e copre l’intera rete autostradale
Il sistema è in rapida ulteriore diffusione
Trasmissione dati: Radio fari a bordo strada Trasmissioni FM
Corso di “Sistemi di trasporto intelligenti”
RGS in UK: Trafficmaster YQ2
In funzione nel Regno Unito: Monitoraggio della rete
autostradale (8.000 km) con 2.400 sensori I/R
Centrale di controllo del traffico rileva velocità inferiori a <50km/h
Unità di bordo con LCD (costo: 190 £)
Unità portatile (costo 40 £)