Технология и методы интеллектуального мониторинга автотранспортных потоков и состояния автомобильных дорог

Актуальность работы. Увеличение числа автомобилей в городах (со 180 в 1997 г. [авт./ЮОО чел.] до 350 в 2007 г. [авт./ЮОО чел.]) приводит к росту числа дорожно-транспортных происшествий на протяжении уже многих лет (1997 г. — 156 515, 2007 г. — 233 809). Современные автотранспортные потоки характеризуются насыщенностью, динамизмом и неустойчивостью. Организационные мероприятия по планированию и управлению транспортными потоками способствуют упорядочиванию движения автомобилей на улично-дорожных сетях и развитию транспортных сетей. Разработка новых технических решений в организации и управлении автотранспортными потоками повышает уровень безопасности дорожного движения. При реализации таких мероприятий особая роль принадлежит внедрению информациоино-технических средств, систем контроля и управления с применением электронно-вычислительных машин, математики, информатики, связи и телевидения для управления движением в масштабах крупного района или целого города.

В работе представлены технологии и методы построения системы стационарного и мобильного видео- (аудио-) мониторинга и анализа содержания автомобильных дорог с использованием математического аппарата в разработке средств распознавания образов.

Цель работы. Основой задачей создания системы интеллектуального мониторинга и анализа является своевременное измерение и обработка данных в режиме реального времени и передача информации о параметрах автотранспортного потока и состоянии улично-дорожной сети. Полученные данные используются для принятия решений с целью:

• увеличения пропускной способности дороги (перекрестка),.

• обеспечения безопасности движения,.

• минимизации вредного воздействия на окружающую среду,.

• обеспечения относительно комфортного движения автомобилистов.

Разработанная автором система ориентирована на эксплуатацию в условиях дорожной лаборатории, а ее внедрение производилось на базе передвижной мобильной лаборатории (МЛ) «Газель» (рис. I). Созданная дорожная лаборатория используется для измерения интенсивности движения и состава потока, оценки качества дорожных покрытий в Подмосковье.

Использование разработанных автором технологий позволяет вести оперативный контроль условий дорожного движения, создает предпосылки для сокращения числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП).

Рис. 1. Мобильная дорожная лаборатория (Мобильный У лично-Дорожный РВЦептор «МУДРЕЦ»).

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

• автором предложена технология комплексного мониторинга автотранспортного потока в режиме реального времени;

• разработаны алгоритмы регистрации транспортных средств и их параметров (тип, скорость, ускорение, направление движения);

• предложена техническая модель построения системы мониторинга и оценки качества дорожного покрытия по поиску неоднородностей (площади и объема ям, трещин, выбоин);

• разработана математическая модель и комплекс информационных технологий-программ обработки изображений.

Объект исследования — технические средства, системы контроля и процессы управления дорожным движением, состояние дорожного покрытия, безопасность движения и соблюдение правил дорожного движения.

Теоретической и методологической основой исследования послужили научные труды по проблемам оптимизации планирования, организации и управления автотранспортными потоками, снижения числа ДТП и уменьшения негативного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду, исследования в области безопасности движения с учетом технического состояния дорожной сети, натурные исследования, методы технического зрения, многомерного статистического анализа, системного анализа, математические методы распознавания и анализа изображений, а также методы параллельной обработки фотои видеоинформации в режиме реального времени.

Научная новизна. Создание комплекса технических методов построения системы мониторинга дорожного движения, методов обеспечения безопасности дорожного движения с учетом технического состояния дорожного покрытия, разработка алгоритмов мониторинга дорожного покрытия и автотранспортных средств (АТС) в режиме реального времени.

Практическая значимость работы состоит в разработке и внедрении аппаратно-программного комплекса мониторинга, объединяющего в едином модуле технологические, организационные и диспетчерские функции.

Результаты диссертационной работы приняты к использованию Федеральным Управлением автодорог Центральной России (ФУАД ЦР). Предложенные автором математические модели и алгоритмы программных средств вычислительной техники используются в МАДИ (ГТУ) при преподавании дисциплин студентам первого («Аппаратные и программные средства информатики»), второго и третьего курсов («Компьютерная графика») специальности Прикладная математика.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Международном транспортном форуме по проблемам безопасности дорожного движения (г.Москва, Кремль, Государственный Кремлевский дворец, 15 декабря 2004 г.);

• семинаре «Научно-практические задачи развития автомобильно-дорожного комплекса в России», (г.Москва, МАДИ, 26 октября 2005 г.);

• IX Международной конференция «Интеллектуальные системы и компьютерные науки» (г.Москва, МГУ, 23−27 октября 2006 г.);

• семинаре «Научно-практические задачи развития автомобильно-дорожного комплекса в России» (РАН, МТУ СИ, 27 ноября 2007 г.);

• выставке «Достижения МАДИ (ГТУ)» (2005;2007 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи, включенные в Перечень ведущих рецензируемых научных изданий ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных и общих выводов, библиографического списка из 101 наименования и 4 приложений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Основное внимание данной главы уделено системам технического зрения, используемым в дорожной отрасли. В данной главе автором проведен подробный обзор существующих систем технического зрения по организации мониторинга транспортных сетей, дано описание алгоритмов их работы и оценка качества функционирования. Приведено аналитическое исследование предмета разрабатываемой системы мониторинга дорожного покрытия и характеристик автотранспортных потоков, организации и управления.

Для реализации цели построения технологии интеллектуального мониторинга автотранспортных потоков и состояния автомобильных дорог автором поставлены следующие задачи:

1. Разработать систему технического зрения для реализации задач анализа и распознавания изображений.

2. Разработать алгоритм построения системы технического зрения для мониторинга автотранспортных потоков.

3. Разработать алгоритмы построения системы технического зрения для мониторинга состояния дорожного покрытия и дорожной инфраструктуры.

4. Разработать алгоритмы и модели сбора, хранения, автоматической обработки, обновления и представления данных о качестве обслуживания дорог для их систематизации и учета.

Современная аппаратно-программная база позволяет создать относительно недорогую систему интеллектуального мониторинга. Реализация комплексного мониторинга автотранспортных потоков и получение большого массива данных позволяют создать систему принятия решений и управления за дорожным движением на магистралях страны. Реализация задачи мониторинга состояния дорожного покрытия связана с качеством движения всего парка АТС, а своевременное управление ремонтным процессом позволяет повысить качество обслуживания всей сети.

ГЛАВА 2. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАЧИ МОНИТОРИНГА.

В данной главе диссертационной работы автором приведено описание технологии построения системы работы ЭВМ с цифровыми устройствами для реализации системы технического зрения.

Важность связи между различными компонентами и устройствами в компьютерной технике очень важна. Не менее важен и выбор типа устройства и принцип реализации работы с ним. На современном этапе развития компьютерной инженерии пользователю представлен широкий ряд технических устройств, с которым он может осуществлять связь. Приведенные технологии мониторинга и сбора данных основаны на связи с устройствами видеои фотонаблюдения.