Scopurile ITS includ următoarele: [310673]
[anonimizat] a sistemelor de transport s-a realizat ca răspuns la cerințele societății. [anonimizat]-[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], ci un mijloc de realizare a unei multitudini de scopuri practice. Validarea oricărei mișcări în spațiu a [anonimizat]-sociale ce urmau a fi obținute. [anonimizat] a societății omenești a demonstrat, [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] a factorilor de mediu.
[anonimizat], cazul proiectării unui drum pe baza exclusivă a unor prognoze referitoare la evoluția de perspectivă a [anonimizat]. [anonimizat], o [anonimizat], [anonimizat].
[anonimizat], [anonimizat] o eficientizare a [anonimizat]-sociale. Din această perspectivă "cuplarea" modelelor de analiză a traficului cu cele de investigare a [anonimizat] o provocare actuală și o [anonimizat].
[anonimizat], matematic, interacțiunile dintre mijloacele de transport și operatorii acestora (componentele mobile) pe de o parte și infrastructură pe de altă parte (componenta fixă). Această din urmă componentă constă din sistemul de străzi și toate elementele operaționale ale acestora: [anonimizat], marcaje etc. Totodată aceste teorii constituie restricții indispensabile pentru toate modelele și instrumentele utilizate în proiectarea și funcționarea străzilor și autostrăzilor. Studiul științific al fluxului de trafic a debutat în anii 1930 cu aplicarea teoriei probabilității pentru descrierea traficului rutier (Adams 1936) și studiile de pionierat conduse de Bruce D. Greenshields la Yale Bureau of Highway Traffic; studiul modelelor referitoare la volum și viteză (Greenshields 1935) și cercetarea performanțelor traficului în intersecții (Greenshields 1947). Odată cu creșterea uriașă a utilizării automobilelor și expansiunea sistemului de autostrăzi, s-a înregistrat o creștere a preocupărilor pentru studierea caracteristicilor traficului și dezvoltarea teoriilor fluxului de trafic. Anii '50 au înregistrat progrese în plan teoretic bazate pe o [anonimizat] "vehicul cu vehicul" (car – following), teoria undei de trafic (analogică cu hidrodinamica) și teoria așteptării. În această perioadă relevante sunt lucrările semnate de Reuschel (1950), Wardrop (1952), Pipes (1953), Lighthill și Whitham (1955), Newell (1955), Webster (1957), Edie și Foote (1958) și alte lucrări, mai recente, ale lui Herman (1992).
După 1959 teoria fluxului de trafic a început să fie prezentată la diferite simpozioane internaționale de profil. Primul dintre acestea a fost susținut de Laboratoarele de Cercetare ale General Motors în Warren, Michigan în decembrie 1959. Acesta a fost primul pas care a deschis seria simpozioanelor trienale asupre teoriei fluxului de trafic și a transporturilor, în general. Al 12-lea simpozion a avut loc în Berkeley, California în 1993. Materialele dezbaterilor din cadrul acestei manifestări reprezintă mărturii valoroase referitoare la creșterea spectaculoasă în înțelegerea și tratarea proceselor fluxului de trafic în ultimii 40 de ani. De la această dată numeroase alte simpozioane și conferințe de specialitate au început să se desfășoare regulat și cu o mare varietate de teme referitoare la trafic. Domeniul teoriei fluxului de trafic și transportului a devenit prea cuprinzător astfel încât să poată fi acoperit de un singur tip de manifestare științifică.
Fundamentele teoriei fluxului de trafic, după ce au fost foarte bine înțelese și facil analizate cu ajutorul tehnologiei computerizate, au devenit mai importante decât oricând. Acestea formează fundamentul tuturor teoriilor, tehnicilor și procedurilor care au început să fie aplicate în proiectarea, funcționarea și dezvoltarea sistemelor avansate de transport. În acest context, se poate spune că punctele de interes în teoria traficului sunt următoarele:
intensitatea fluxului (vehicule pe unitatea de timp);
viteza (distanța pe unitatea de timp);
timpul de transport pe o lungime de drum cunoscută (sau uneori inversul vitezei, “încetineala”);
gradul de ocupare (ponderea timpului în care un punct al drumului este ocupat de vehicule);
densitatea (nr. de vehicule pe unitatea de distanță);
timpul de înaintare între vehicule (timp pe vehicul);
distanțarea sau spațiul de înaintare între vehicule (distanța pe vehicul);
concentrarea (măsurată prin densitate sau gradul de ocupare).
Tehnologiile de măsurare pentru obținerea datelor de trafic au schimbat, pe parcursul ultimilor 60 de ani, interesul asupra fluxului de trafic, cu precădere în ultimii 40 de ani când s-au construit un număr mare de drumuri. Aceste tehnologii sunt, și la această oră, în schimbare și completare. Dintre tehnicile utilizate cinci proceduri de măsurare sunt mai folosite:
1. măsurarea într-un punct fix;
2. măsurarea pe o secțiune scurtă de drum (prin care se înțelege o distanță mai mică de 10 metri);
3. măsurarea pe o lungime de drum (de obicei până în 0,5 km);
4. utilizarea unui observator mobil în fluxul de trafic;
5. utilizarea de ample eșantioane obținute simultan de la un număr de vehicule, ca parte a Sistemelor de Transport Inteligent (ITS).
Pentru fiecare metodă trebuie identificate variabilele care pot fi măsurate, în contrast cu cele care nu pot fi decât estimate. Tipurile de măsurători sunt ilustrate cu respectarea diagramei spațiu-timp (Figura nr. 1). Axa verticală a acestei diagrame reprezintă diatanța de la un punct de start ales arbitrar de pe parcursul drumului, în direcția de mers. Axa orizontală reprezintă timpul scurs de la un moment al startului ales arbitrar. Fiecare linie din cadrul graficului reprezintă “traiectoria” unui vehicul individual, ca mișcare a acestuia pe parcursul drumului, în timp. Panta liniei reprezintă viteza vehiculului. Punctul în care liniile se intersectează semnifică faptul că un vehicul mai rapid a depășit un alt vehicul mai lent. (Două vehicule nu pot în realitate să ocupe același punct în același timp). Măsurarea într-un punct este reprezentată printr-o linie orizontală de-a lungul traiectoriei vehiculului: poziția este constantă dar timpul variază. Măsurarea de-a lungul unei porțiuni scurte de drum este reprezentată prin două linii orizontale paralele separate de o distanță foarte mică. O linie verticală reprezintă măsurarea pe o porțiune mai lungă de drum, la un anumit moment de timp, ca un instantaneu luat deasupra drumului (de ex. o fotografie făcută din spatiu). Tehnica observatorului mobil este reprezentată, în Figura nr. 1, prin traiectoria vehiculului marcată cu o linie groasă
Utilizarea de eșantioane de la ITS este similară cu existența unui număr de observatori mobili în diferite puncte și momente de timp în cadrul sistemului. Aceste noi abordări vor schimba neîndoielnic modul de realizare a măsurării traficului în viitor dar ele nu au funcționat destul de mult timp pentru a avea concluzii certe, până acum.
Subliniind cele prezentate putem afirma că situația actuală a modelelor matematice referitoare la relația viteză–flux-concentrație este în continuă evoluție. Modelele care au dominat analizele din transporturi în ultimii 30 de ani sunt incompatibile cu datele actuale ce pot fi obținute și cu descrierile acceptate în prezent ale curbelor viteză-flux, dar aceste modele nu au fost, încă, total înlocuite. Unul din motive este acela că mulți teoreticieni continuă să lucreze cu termenul de densitate, pe când datele empirice sunt în termeni de "ocupare”. Relația între aceste două măsuri ale concentrației este suficient de firavă încât eforturile de a le transforma din una în alta au ca rezultat mai degrabă o imagine neclară. Altă problemă a fost notată de Duncan (1976, 1979): transformarea variabilelor, corespondența ecuațiilor și transformarea ecuațiilor înapoi la variabilele originale poate duce la rezultate părtinitoare, și este foarte sensibilă la cele mai mici schimbări în forma inițială a curbei.
Recunoașterea relației tridimensionale este, deasemenea, importantă pentru îmbunătățirea înțelegerii comportamentului fluxului de trafic. Este, deci, important să se facă din ce în ce mai mult uz de aceste seturi de date, în care toate cele trei variabile au fost măsurate și, în acest caz, estimarea nu va mai fi necesară, și concomitent, apelarea la practicieni (pentru a fi siguri că există suficiente seturi de date pentru care cele trei variabile au fost măsurate).
Modelele de la mijlocul anilor 60 (și mai înainte) nu au realizat măsurarea datelor disponibile; nu este clar dacă noile modele cum ar fi teoria catastrofelor vor avea în ultimă instanță mai mult succes.
În ciuda acestor precauții, este foarte important să notăm că s-au făcut progrese semnificative în înțelegerea comportamentului fluxului de trafic începând cu publicarea în 1975 a ultimului Raport Specal TRB asupra Teoriei Fluxului de Trafic (Gerlough și Huber). De exemplu, relația viteză-flux este semnificativ diferită de cea publicată în 1965 în Highway Capacity Manual care a fost acceptată încă din 1975. Recunoașterea faptului că există trei tipuri distincte de operații va afecta analizele viitoare ale comportamentului fluxului de trafic.
Odată cu apariția a Highway Capacity Manual în 1985 a crescut interesul cercetării modelelor fluxului de trafic, care au generat diferite moduri de înțelegere a desfășurării traficului, în special pe autostrăzi. Eforturile pentru implementarea ITS, cu accent atât pe managementul traficului cât și pe furnizarea informațiilor referitoare la trafic, vor genera provocări pentru perfecționarea înțelegerii acestora. La fel de important, ITS va furniza oportunități pentru obținerea unui volum mai mare de date, de calitate, pentru progresul înțelegerii acestor probleme fundamentale.
ITS include senzori, comunicații și tehnologii de control a traficului. Detecția vehiculelor și tehnologiile de supraveghere sunt parte integrată a ITS deoarece ele adună toate sau o parte din datele folosite de ITS.
Noi tehnologii de detecție a vehiculelor și de supraveghere se dezvoltă mereu și vechile tehnologii sunt îmbunătățite pentru a asigura monitorizarea vitezei, numărarea vehiculelor, detectarea prezenței și clasificarea vehiculelor.
Tehnologiile de detecție pot fi descrise ca fiind compuse din trei componente: traductorul, un dispozitiv de procesare a semnalului și un dispozitiv de procesare a datelor. Traductorul detectează trecerea sau prezența unui vehicul sau a osiilor. Dispozitivul de procesare a semnalului convertește marimea de ieșire de la traductor într-un semnal electric. Dispozitivul de procesare a datelor de obicei este format din parți hardware și firmware care convertesc semnalul electric în parametrii de trafic. Parametrii tipici de trafic includ prezența vehiculelor, numărarea, viteza, clasa, greutatea, gradul de ocupare a traficului. Dispozitivul de procesare a datelor poate fi o parte din senzor, ca în cazul dispozitivelor care produc semnale de ieșire seriale sau poate fi un controler extern.
Senzorii montați în pavaj
Senzorii montați în pavaj includ buclele inductive, magnetometrele, cabluri piezoelectrice, sondele magnetice tuburi pneumatice și altele. Aceste dispozitive sunt instalate pe suprafața drumului, ingropate sub pavaj sau ancorate direct pe suprafața pavajului ca în cazul tuburilor pneumatice. Inconvenientul folosirii lor reprezintă faptul că este necesară întreruperea traficului pentru punerea lor în funțiune și pentru lucrările de întreținere sau pentru repararea defecțiunilor apărute în urma instalării în suprafețe proaste de drum sau în condiții care nu respectă standardele procedurii de instalare. Repararea suprafeței de drum poate necesita de asemenea reinstalarea acestor tipuri de senzori.
Senzorii montați deasupra nivelului drumului
Căutarea unei sistem alternativ sigur și eficient de detecție și supraveghere a traficului care să poată fi instalat și întreținut în condiții de siguranță, fără intreruperea traficului și care să poată asigura furnizarea datelor din trafic cel puțin la fel de exact ca și detectorii cu buclă inductivă afost o provocare mult timp.
Evaluările recente au arătat că senzorii moderni montați deasupra suprafeței drumului furnizează date care sunt în concordanță cu cerințele multor aplicații. Acești senzori pot fi montați deasupra benzilor al căror trafic îl monitorizează, sau pe marginea drumului, de unde pot supraveghea mai multe benzi de trafic dintr-un unghi perpendicular pe direcția fluxului, sau un unghi ascuțit.
Tehnologiile folosite în prezent pentru senzorii care nu sunt încastrați în pavaj sunt: procesarea imaginilor video, radare cu microunde, radare laser, radare cu infraroșu pasive, ultrasonice, acustice pasive sau combinașii de tehnologii cum ar fi infraroșu pasiv cu microunde sau infraroșu pasiv cu ultrasonic. Ca și senzorii încastrați, acești senzori măsoară numărul de vehicule, prezența și mișcarea. Mulți dintre aceștia asigură și măsurarea vitezei, clasificarea vehiculelor și acoperirea mai multor benzi și zone de detecție.
Unii senzori montați deasupra nivelului drumului încorporează mai mult de o tehnologie. În figura 1 sunt prezentați senzori care combină detecția prezenței vehiculelor cu infraroșu pasiv și radarul cu ultrasunete sau Doppler. Combinația infraroșu pasiv – ultrasonic asigură o acuratețe ridicată în detecția prezenței, a cozilor, numărarea vehiculelor, depășirea înalțimii sau a distanțelor prevăzute. Senzorul infraroșu pasiv – radar Doppler este conceput pentru detecția prezenței sau a cozilor, numărarea vehiculelor, măsurarea vitezei și clasificarea lungimilor.
Figura 1: Combinații cu senzori cu infraroșu (ASIM Technologies, Uznach, Elveția).
Senzorul dual infraroșu – radar Doppler se bazează pe radar pentru a măsura vitezele de la cele ridicate la cele medii și pe infraroșu pentru a număra vehiculele și a detecta prenzența. La viteze medii infraroșul pasiv calibrează automat măsurătorile lui de viteze la cele ale radarului. Această calibrare permite infraroșului să măsoare vitezele reduse și să detecteze vehiculele oprite.
Costurile relative ale senzorilor
O comparație satisfăcătoare între diverse tehnilogii de senzori poate fi făcută doar atunci când aplicația respectivă este cunscută. De exemplu, un senzor relativ ieftin ultrasonic, cu microunde sau infraroșu poate părea la prima vedere ca fiind soluția mai puțin costisitoare pentru o intersecție, dacă nu sunt dorite buclele inductive. Dar atunci când este luat în considerație numărul de senzori necesari pentu măsurarea directă a datelor (de exemplu, viteza nu poate fi măsurată direct cu un senzor infraroșu pentru o singură zonă), este posibil ca un senzor mai scump, cum ar fi un procesor de imagini video (VIP – video image processor), să fie o alegere mai potrivită. Astfel, daca sunt necesari doisprezece sau șaisprezece detectori convenționali precum buclele inducetive (sau ultrasonici, cu microunde, infraroșu, etc.) pentru a putea monitoriza în întregime o intersecție, costul devine comparabil cu cel al unui sistem de procesare a imaginilor video. Mai mult, datele adiționale din trafic și informațiile vizuale furnizate de sistemul VIP pot sa acopere cu mult diferențele de preț. În exemplul de față, sistemul VIP asigură și alte cerințe ale aplicației, cum ar fi detecția 100% a vehiculelor din intersecție. Argumente similare pot fi aduse și pentru aplicațiile de pe autostrăzi care folosesc mai multe tipuri de senzori și necesită informații pe care nu întotdeauna senzorii mai puțin costisitori le pot oferi.
Radarele de prezență cu microunde montate pe marginea drumului pot realiza și alte funcții, cum ar fi simpla monitorizare a fluxului de traffic pe mai multe benzi, sau măsoară prezența și viteza vehiclulelor pe stradă. În acest caz, senzorii cu microunde înlocuiesc un număr mare de bucle care altfel ar fi trebuit să fie instalate în benzile de trafic. Mai mult, senzorul cu microunde asigură măsurarea directă a vitezei cu o acuratețe mai mare decât buclele.
Alți factori care determină costul și alegerea senzorilor sunt dezvoltarea procesului de fabricație și a proiectuluiului pentru senzorii folosiți în noile tehnologii, reducerea prețului pentru anumite cantități la cumpărare și disponibilitatea locațiilor de montare și a legăturilor de comunicație pe situl aplicației. În anumite zone urbane costul săpării șanțurilor în pavaj și de conectare cu cabluri la un controler este foarte ridicat (de exemplu 50$ la 0.3m). Astfel, senzorii aflați deasupra nivelului drumului care utilizează microunde sau cu legătură radio pot fi alternativele ieftine pentru adunarea și transmiterea datelor de la senzor la controler.
Comparație între tehnologiile senzorilor
Tabelul 1 compară avantajele și dezavantajele diferitelor tehnologii de senzori, în ceea ce privește instalarea, parametrii măsurați, performanțele în condiții meteo nefavorabile și în condiții variabile de luminozitate.
Senzorii montați în pavaj
Senzori cu fibră optică
Senzorii cu fibră optică utilizează unele proprietăți măsurabile ale luminii cum ar fi puterea sau intensitatea și faza și polarizarea undei de lumină pentru a măsura parametrii doriți cum ar fi temperatura, presiunea, forța, etc. De obicei puterea trebuie măsurată în funcție de alți parametri, cum ar fi timpul, poziția și lungimea de undă.
Principii de funcționare
Compenentele principale ale fibrei optice sunt: fibra optică, sursa de lumină, detectorul opric și modulatorul optic. Fibrele optice sunt folosite pentru a detecta semnalele din mediu în două moduri distinctive: metoda intrinsecă și metoda extrinsecă.
În cazul extrinsec fibra optică duce la o ”cutie neagră” care imprimă informația pe raza de lumină ca răspuns la efectele din mediu. Informația poate fi imprimată în ceea ce privește intensitatea, faza, frecvența, polarizea, conținutul spectral sau alte metode. O fibră optică transportă apoi lumina cu informațiile despre mediu imprimate înapoi la un procesor optic și/sau electronic.
Senzorii intrinseci folosesc o fibră optică pentru a transporta raza de lumină și informațiile legate de efectul mediului sunt imprimate pe raza de lumină cât aceasta este în fibră. Senzorii intrinseci ai fibrei optice pot fi mai sensibili din moment ce semnalul din mediu imprimă direct informațiile pe raza de lumină. Senzorii cu fibră optică intrinseci sunt mult mai sensibili la defecte.
Aplicații și folosire
Parametrii care au importanță pentru senzorii folosiți în aplicațiile de monitorizare a traficului sunt deformația și presiunea, pentru că aceși parametri pot fi folosiți pentru a detecta prezența vehiculelor și a osiilor individuale, și în unele cazuri pentru a cântări vehiculele sau osiile. Informațiile privitoare la prezența vehiculelor sau a osiilor pot fi folosite pentru a determina viteza și pentru a clasifica informațiile
Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie de Florida au dezvoltat un senzor de trafic cu fibră optică cu ajutorul căruia se pot realiza clasificarea informațiilor din trafic și aplicații de cântărire în mișcare (WIM – weight in motion). Aplicațiile sistemelor WIM folosesc doi senzori cu fibră optică ce sunt plasați pe pavajului sau încastrați în pavaj. Când vehiculul trece peste senzor, o pierdere de lumină are loc, care corespunde cu greutatea vehiculului și cu perioada de timp în care cauciucul vehiculului a fost în contact cu senzorul. Pierderea este convertită într-un voltaj și un computer analizează scăderea tensiunii pentru a determina caracteristicile cheie ale vehicului.
Figura 2: Senzorul portabil WIM cu fibră optică pentru două benzi produs de Optical Sensors and Switches, Inc. (OSS)
Avantaje
Senzorii cu fibră optică din aplicațiile de monitorizare a traficului au posibilitatea de a asigura date privitoare la numrul mașinilor, viteză, clasificare, greutate (WIM), oferind niște senzori care sunt ușori, imuni la interferențele electromagnetice, oferă posibilitatea sa fie încastrate sub supreafețe ostile, și au o capacitate a lărgimii de bandă extrem de ridicată. Totodată se anticipează că sistemele care utilizează senzori cu fibră optică, odată instalați, vor fi mai puțin costisitori față de sistemele convenționale, datorită costului redus al senzorilor cu fibră optică.
Dezavantaje
Dezavantajul major al sistemelor de monitorizare a traficului ce utilizează fibra optică este că tehnologia este încă nouă și în multe locuri nu sunt comercializate. Sunt doar câteva tipuri de sisteme disponibile pentru comercializare și sunt utilizate pentru numărare, viteză și clasificare. Un alt dezavantaj evident al senzorilor ci fibră opticp este potențialul ruperii fibrei la senzorii intrinseci din cauza structurii fragile, atunci când este aplicată o greutate asupra lor, cum ar fi trecerea unui vehicul peste el.
1.2 Tuburile pneumatice
Principii de funcționare
Senzorii cu tuburi pneumatice trimit un val e presiune de aer de-a lungul tubului de cauciuc atunci când un cauciuc trece deasupra tubului. Pulsul de presiune a aerului închide un circuit de aer, producând un semnal electric care este transmis către un numărător sau o software de analiză. Aceste senzor este portabil, folosing baterii reîncărcabile ca sursă de energie.
Aplicații și folosire
Tuburile sunt instalate perpendicular pe direcția de flux a traficului și sunt folosite in general pentru numărarea pe termen scurt a vehiculelor, clasificarea vehiculelor prin numărarea osiilor și calcularea spațiilor, planificare și studii de cercetare. Unele modele adună datele pentru a calcula spațiile dintre vehicule, întârzierile de la stopurile din intersecții, rata de saturație a fluxului și timpul de călătorie atunci când numărăzorul este utilizat împreună cu un senzor de transmisie din vehicul (JAMAR Technologies).
Avantaje
Avantajele tuburilor pneumatice sunt instalarea rapidă pentru înregistrarea datelor permanentă sau temporară și în regim cu consum redus de energie. În general acești senzori nu sunt costisitori și sunt simplu de întreținut.
Dezavantaje
Dezavantajele includ numărarea inexactă a osiilor atunci când volumul de camioane și autobuze este ridicat, sensibilitatea la temperaturi a circuitului de aer și taierea tuburilor ca urmare a vandalismului sau a uzajului produs de cauciucurile camioanelor.
Configurația instalației
În figura 2 sunt prezentate câteva configurații în care pot fi instalate tuburile rutiere utilizate pe autostrăzi, pe una sau mai multe benzi, pentru a număra și clasifica vehicule. În figura 3 este prezentat panoul frontal al numărătorului TimeMark Delta IIIb.
Figura 3: Configurația tuburilor pentru una sau mai multe benzi la autostrăzi
Figura 4: Panoul frontal pentru numărătorul TimeMark Delta IIIb (Jamar Technologies, Inc., Horsham, PA).
1.3 Detectorii cu buclă inductivă
Detectorul cu buclă inductivă este cel mai folosit senzor în aplicațiile de management al traficului. Mărimea și forma lui variază senzorul putând să fie în formă pătrată, de 1,5 mp sau 1,8 mp, în formă circulară cu diametrul de 1,8 m, sau în formă rectangulară având lățimea de 1,8 m și lungimea variabilă. Principalele componente ale unui detector cu buclă inductivă sunt: unul sau mai multe rânduri de fire izolate încastrate sub pavaj, cabluri care fac legătura dintre cutia de pe marginea drumului și componentele electronice aflate în cabina cu controlerul.
Principii de funcționare
Bucla este excitată de semnale ale căror frecvențe pot fi între 10 KHz și 50 KHz și funcționează ca un element inductiv în conjuncție cu elementele electronice. Când un vehicul se oprește deasupra sau trece peste buclă inductanța buclei scade. Scăderea inductanței duce la creșterea oscilației fracvenței și determină compenentele electronice să trimită un puls către controler, indicând prezența sau trecerea vehiculelelor.
Aplicații și folosire
Datele oferite de detectorii convenționali cu bucle inductive sunt trecerea vehiculelor, prezența, numărarea și gradul de ocupare. Deși buclele nu pot măsura direct viteza, aceasta poate fi determinată folosind două bucle sau un detector format dintr-o singură buclă și un algoritm ale cărui mărimi de intrare sunt lungimea buclei, lungimea medie a vehiculului, timpul deasupra detectorului și numărul de vehicule numărate. Clasificarea vehiculelor este realizată de versiuni mai noi ale buclei inductive conținând unități electronice ce excită firele buclei la cele mai ridicate frecvențe care identifică porțiuni specifice de metal pe vehicul.
Avantaje
Funcționarea senzorilor cu buclă inductivă este ușor de înteles și aplicațiile lor pentru asigurarea parametrilor de trafic de bază (volum, prezență, grad de ocupare, viteză, intervalele și spațiile dintre vehicule) reprezintă o tehnologie avansată.la fel ca în cazul tuburilor pneumatice, costul echipamentelor cu senzori cu bucle inductive este scazut în complarație cu cel al senzorilor montați desupra nivelului drumului.
Un alt avantaj al senzorilor cu bucle inductive este capacitatea de a satisface o mare varietate de aplicații datorită designului flexibil.
Dezavantaje
Inconvenientele folosirii senzorilor cu bucle inductive includ întreruperea traficului pentru instalare și reparații și faptul că repararea suprafeței de drum poate necesita reinstalarea senzorilor. De asemenea, buclele sunt influențate negativ de aglomerația din trafic și de temperatură.
1.4 Senzorii piezoelectrici
Un material piezoelectric este un material capabil să convertească energia cinetică în energie electrică. Unele materiale polimerice au această proprietate într-un grad ridicat și acestea sunt ideale pentru a fi folosiți la construcția senzorilor piezoelectrici.
Construcția senzorilor piezoelectrici este coaxiala, cu un element bobinat cu miez metalic, urmat de un material piezoelectric și un strat metalic exterior. În timpul procesului de fabricație acesta este supus la un câmp electric intens ce polarizează radial materialul piezoelectric. Câmpul de polarizare transformă polimerul amorf într-o formă semicristalină, meținând totodată proprietățile de flexibilitate ale polimerului original.
Principii de funcționare
Materialele piezoelectrice generează un voltaj atunci când sunt supuse unui impact mecanic sau unei vibrații. Voltajul măsurat este proporțional cu forța sau greutatea vehiculului. Magnitudinea efectului piezoelectric depinde de direcția forței în relație cu axele cristalului. Din moment ce efectul piezoelectric este dinamic, cu alte cuvinte încărcarea este generată doar atunci când forțele se schimbă, sarcina inițială va scădea dacă forța rămâne constantă.
Un alt tip de senzor piezoelectric este cablul Vibracoax, produs de Thermocoax. Acesta utilizează ca material piezoelectric o pudră minerală care formează dielectricul dintre firul de cupru din centrul cablului coaxial și tubul solid de cupru care reprezintă conductorul exterior. În timpul fabricării, temperatua cablului este ridicată până la 400°C și un voltaj este aplicat între conductorul interior și cel exterior pentru a polariza pudra orientând sarcinile electrice către moleculele pudrei. Voltajul este menținut cît timp cablul este răcit, stabilizându-se astfel câmpul polarizat.
Aplicații și folosire
Senzorii piezoelectrici sunt utilizați pentru a clasifica vehiculele prin numărarea osiilor și prin distanța dintre ele și pentru a măsura greutatea vehiculelor și viteza. Sunt frecvent folosite ca o parte a sistemelor care cântăresc vehiculele în mișcare. Senzorii piezoelectrici din clasa I detectează și cântăresc osiile și senzorii din clasa a II-a doar detecteză osiile.
Avantaje
Senzorii piezoelectrici oferă avantajul de a aduna informațiile legate de trecerea unui cauciuc deasupra senzorului, nu despre trecerea unui vehicul. Senzorii piezoelectrici detectează trecerea cauciucului deasupra senzorului, creând un semnal analogic care este proporțional cu presiunea exercitată pe senzor. Această capacitate unică a senzorilor piezoelectrici permite să diferențieze vehicule individuale cu o precizie foarte mare. În plus, în privința costului de instalare, sunt doar cu puțin mai scumpi decât o buclă inductivă, dar furnizează mai multe informații cum ar fi informația de viteză mai exactă, pot să determine clasificarea vehiculului, si sunt capabile să determine și să monitorizeze greutatea vehiculelor.
Dezavantaje
Dezavantajele folosirii senzorilor piezoelectrici sunt similare celor de la senzorii cu buclă inductivă, incluzând întreruperea traficului pentru lucrarile de instalare și reparații. În multe situații, pentru a monitoriza o locație sunt necesari mai mulți senzori. De asemenea, senzorii piezoelectrici sunt sensibili la temperatura pavajului și la viteza vehiculelor.
1.5 Senzori magnetici
Principii de funcționare
Senzorii magnetici sunt dispozitive pasive care indică prezența unui obiect metalic detectând perturbația (cunoscută ca anomalie magnetică) în câmpul magnetic creat de obiect.
În figura 5a sunt prezentate anomaliile magnetice create de dipolii magnetici ai vehiculelor metalice când intră în zona de detecție a magnetometrelor. Partea superioară din figura 5b indică felul în care dipolul magnetic produce anomalia magnetică la nivelul câmpului magnetic stabil al Pământului. Partea inferioară a figurii ilustrează diferiți dipoli ai vehiculului și efectul lor . Figura 6 ilustrează distorsiunea în câmpul magnetic al Pământului atunci când un vehicul intră și trece prin zona de detecție a senzorilor magentici.
Figura 5: Anomalia magnetică din câmpul magnetic al Pământului indusă de dipolii magentici de la nivelul vehiculelor metalice.
Figura 6 ilustrează distorsiunea în câmpul magnetic al Pământului atunci când un vehicul intră și trece prin zona de detecție a senzorilor magentici. Figura 6a descrie câmpul magnetic atunci când vehiculul se apropie de sezor. Figura 6b ilustrează liniile cîmpului în momentul în care vehicului începe să treacă prin zona de detecție a senzorului. Figura 6c descrie liniile fluxului când vehiculul se află deasupra senzorului
Figura 6: Distorsiunea câmpului magentic creată în momentul în care vehiculele intră și trec prin zona de detecție a senzorului magnetic
Aplicații și folosire
Două tipuri de senzori magnetici sunt folosite pentru măsurarea parametrilor fluxului de trafic. Primul tip, magnetometrul cu două axe, detectează schimbările în componentele verticale și orizontale din câmpul magentic al Pământului produse de vehicule. Magnetometrul conține un bobinaj primar și două secundare la o bobină care înconjoară un miez magnetic dintr-un material magnetic cu permeabilitate mare. Ca răspuns la anomalia magnetică, altfel spus la amprenta magnetică a vehiculului, circuitele electronice ale magnetometrului măsoară tensiunea de ieșire generată de bobinajele secundare. Criteriul de detecție a vehiculelor este ca voltajul să depășească un prag prestabilit.
Figura 7: Sistemul de magnetometru SPV
Al doilea tip de sezor al cîmpului magnetic este detectorul magnetic, numit și magnetometrul cu inducție sau magnetometrul cu bobină. Detectează amprenta vehiculelor măsurând schimbarea liniilor fluxului cauzată de schimbarea valorilor fluxului produse de mișcarea unui vehicul. La fel ca și magnetometrul cu două axe, detectorii magentici generează un voltaj când un obiect feromagnetic perturbă câmpul magnetic al Pământului.
Majoritatea detectorilor magnetici nu pot detecta vehiculele care staționează, din moment ce este nevoie ca vehiculele să fie în mișcare sau să-și schimbe într-un fel caracteristicile signaturii în raport cu timpul. Exemple de senzori care folosesc principiul magnetometrelor cu inducție sunt prezentate în Figura 8.
Figura 8: Magnetometre cu inducție
Avantaje
Magnetometrul cu două axe este mai puțin susceptibil decât buclele la traficul aglomerat. De asemenea, anumite modele pot transmite date wireless.
Magnetometrul cu inducție este de asemenea mai puțin susceptibil decât buclele la solicitările traficului. Magnetometrele cu inducție pot fi folosite acolo unde buclele nu sunt fezabile (de exemplu pe poduri) și undele modele pot fi instalate sub pavaj fără a fi necesară decopertarea.
Dezavantaje
Instalarea senzorilor magnetici necesită decopertarea și prin urmare și închiderea benzii respective pe durata instalării. Detectorii magentici nu pot detecta în general vehiculele oprite. De asemenea, unele modele au zone mici de detecție.
1.6 Cântărirea în mișcare (WIM – weigh-in-motion)
Sistemele de cântărire în mișcare de pe autostrăzi sunt capabile să estimeze greutatea vehiculelor și porțiunea de greutate care este suportată de fiecare ansamblu de roți, osie, sau grup de osii ale vehiculului. Datele WIM sunt folosite atât de proiectanții și constructorii autostrăzilor cât și de agențiile care asigură protecția.
Aplicații și folosire
Sistemele WIM cresc capacitatea stațiilor de cântărire și sunt utilizare adesea atunci când vehiculele de tonaj mare nu se adaptează la alt sistem. Softwere-ul este de obicei furnizat de producător pentru a asigura calibrarea sistemului și analiza datelor.
Acuratețea sistemelor WIM depinde de patru factori principali:
dinamica vehiculelor
integritatea pavajului, compoziția și designul
variațiile inerente ale sistemului WIM
calibrarea
Dinamica vehiculelor depinde de suprafața drumului, tipul de suspensii ale vehiculului, dinamica vehiculului, greutatea, viteza, manevrele șoferului, etc. Deși majoritatea operatorilor încearcă să instaleze sistemele WIM într-un pavaj bun, uneori apar deteriorări sau anomalii structurale neașteptate. De exemplu, măsurătorile WIM nu sunt exacte atunci cînd asfaltul se înmoaie datorită căldurii și bucăți de beton sunt întinse pe axul central atunci când un camion trece peste capătul secțiunii.
Calibrarea asigură faptul că estimarea greutății statice realizată de sistemele WIM aproximează cît mai exact adevărata greutate. Calibrarea ține seama de efete specifice de pe teren, cum ar fi temperatura pavajului, viteza vehiculelor și starea pavajului. Procedurile de calibrare pot include o fază de aprobare și o fază de recalibrare.
Testele din faza de aprobare folosite de Clatrans și descrise in „Successful Practices Weigh-in-Motion Handbook” (McCall & Vodrazka, 2000) au trei pași: operațiunile de verificare a componentelor sistemului, procesul de calibrare inițială și o operațiune de verificare continuă timp de 72 de ore.
Testarea componentelor sistemului verifică transmiterea semnalelor de la senzori la controlerul de pe teren și conversia semnalelor în datele WIM dorite.
Calibrarea inițială constă în compararea datelor obținute când unul sau mai multe camioane trec deasupra senzorului WIM având deja măsurători făcute static. Sunt făcute mai multe teste pentru a măsura greutatea și distanța dintre osii pe fiecare bandă echipată cu senzori WIM, la viteze care se încadrează într-un domeniu prestabilit. Vehiculele folosite pentru testare fac mai multe curse, la mai multe viteze, pentru a verifica valorile greutății. Datele legate de greutate pot fi modificate în funcție de variațiile sezoniere, schimbarile din starea asfaltului și în funcție de anumite vehicule.
Calibrarea de 72 de ore monitorizează operarea sistemului WIM pentru a asigura funcționarea continuă în condițiile cerute. Când această fază este încheiată, sistemul este pregătit pentru funcționare.
Faza de recalibrare se realizează prin ajustarea factorilor de greutate sau reparații realizate atunci când sunt indentificate probleme ale sistemului (în timpul reviziilor regulate programate).
Există mai multe tehnologii utilizate de sistemele WIM și acestea sunt placa de presiune, sistemele WIM piezoelectrice, banda capacitiva.
Placa de presiune
Principii de funcționare
Sistemele WIM utilizează placuțe care lipite dedesubt mărci tensiometrice. Atunci când un vehicul trece peste o placă de presiune, sistemul înregistrează deformarea măsurată de marca tensiometrică și calculează încărcătura dinamică. Încărcătura statică este estimată folosind încărcătura dinamica și parametrii de calibrare. Parametrii de calibrare sunt în funcție de factori ca viteza vehiculelor, pavaj, dinamica suspensiilor, care influențează sarcina statică. Acuratețea acestor sisteme WIM poate fi exprimată ca funcție de viteza vehiculului, în condiții normale de trafic.
Figura 9: Senzorul cu placi tensiometrice
Sistemele WIM cu placi de presiune conțin unul sau două dispozitive de cântărire și doi detectori cu buclă inductivă. Cântarul este plasat pe banda auto perpendicular pe direcția drumului. Când două cântare sunt folosite pe o bandă, se plasează câte un cântar pentru fiecare roată, astfel încât roțile din stânga și cele din dreapta să fie cântărite individual. Cele două cântare sunt plasate pe bandă în paralel sau decalate cu 5 m. Sistemele cu un singur cântar plasat în stânga sau în dreapta, pentru o roată, sunt folosite în general pe benzile cu trafic ușor. Buclele inductive sunt plasate înainte și după cântare. Bucla plasată înainte detectează vehiculele și alertează sistemul cu privire la apropierea vehiculelor. Bucla plasată după cântare determină viteza vehiculului pe baza timpului necesar vehiculului pentru a traversa distanța dintre bucle.
Avantaje
Sistemele cu placi de presiune WIM pot fi folosite pentru colectarea datelor din trafic și cântărirea vehiculelor. Acuratețea acestor sisteme este mai mare decât la sistemele piezoelectrice și costul nu este foarte ridicat în comparație cu alte sisteme. Aceste sisteme nu necesită o înlocuire completă a senzorului ci doar o renovare după 5 ani.
Dezavantaje
Sistemele cu placi de presiune nu au aceeași acuratețe ca alte sisteme și au un preț considerabil mai mare decât sistemele piezoelectrice.
Sistemul WIM piezoelectric
Principii de funcționare
Sistemele WIM piezoelectrice conțin unul sau mai multi senzori piezoelectrici care detectează schimbarea de voltaj cauzată de presiunea exercitată asupra senzorului de o osie și măsoară greutatea osiei. Când un vehicul trece peste senzorul piezoelectric, sistemul înregistrează tensiunea semnalului și calculează încărcătura dinamică. Ca și în cazul plăcilor de presiune, încărcătura dinamică asigură estimarea încărcăturii statice atunci când sistemele WIM sunt calibrate corespunzător.
Figura 10: Instalarea sistemelor WIM cu senzori piezoelectrici.
Sistemele piezoelectrice WIM constau în cel puțin un senzor piezoelectric și două bule inductive. Senzorul piezoelectric este plasat pe banda de drum, perpendicular pe direcția de mers. Buclele inductive sunt plasate înainte și după senzorul piezoelectric. Prima buclă detectează vehiculul și alertează sistemul că un vehicul se apropie. Cea de-a doua buclă asigură date ce ajută la determinarea vitezei și distanța dinte osii bazâmdu-se pe timpul necesar vechiculului să traverseze distanța dintre bucle. În figura 10 este prezentat un sistem piezoelectric pe toată lățimea benzii. În acest exemplu, sunt utilizați doi senzori piezoelectrici, de o parte și de alta a celei de-a doua bucle.
Un senzor WIM piezoelectric cu o tehnologie nouă este senzorul cu cuarț LINEAS al Kistler Instruments. Conține elemente senzitive de cuarț montate de-a lungul liniei centrale a unui miez de aluminiu (Figura 11). Senzorul este izolat față de forțele laterale printr-un material elastic pentru a ajuta la eleminarea erorilor cauzate de efectele volumetrice.
Figura 11: Senzorul cu cuarț LINEAS (Kistler Instruments AG Winterthur, Elveția)
Avantaje
Sistemele WIM piezoelectrice sunt printre cele mai puțin costisitoare sisteme folosite în ziua de azi, în ceea ce privește costurile inițiale. Senzorul cu cuarț LINEAS este mai scump dar cu o durată de viață mai mare, reducând costurile pentru lucrările de mentenanță și crescând siguranța. Sistemele piezoelectrice WIM pot fi folosite la viteze mai ridicate decât alte sistemele WIM. Sistemele piezoelectrice WIM pot fi folosite pentru monitorizarea a cel mult patru benzi.
Senzorii de cuarț sunt foarte rezistente șiau o durată lungă de funcționare. Efectele temperaturii sunt neglijabile deoarece coeficientul termic al cuarțului este apoximativ -0,02%/K. Deoarece cristalele de cuarț nu au efect piroelectric, schimbările rapide de temperatură nu cauzează deviații ale semnalului de ieșire. Măsurarea greutății de pe osie este cu 3% independentă de viteza vehiculului și poziția roții de-a lungul senzorului.
Dezavantaje
Sistemele piezoelectrice WIM (cu excepția celor cu cuarț) au o acuratețe mai mică decât a celorlalte sisteme WIM. Acești senzori pot fi sensibili la temperatură și la variațiile de viteză. Sistemele WIM piezoelectrice cu tuburi sau cabluri trebuie înlocuite cel puțin odată la 3 ani.
Banda capacitivă
Principii de funcționare
O bandă capacitivă constă din material dielectric și plăci metalice. În una din configurații (Figura 12) o placă de oțel inoxidabil este înconjurată de un dielectric din material poliuretanic pe ambele părți. Suprafețele exterioare ale straturilor de poliuretan sunt acoperite cu alte straturi de oțel inoxidabil. Când un vehicul trece peste bandă, spațiul dintre plăci descrește și face capacitatea să crească. Acest lucru modifică frecvența de rezonanță a circuitului electric din care face parte banda capacitivă. Frecvența rezonantă, măsurată în analizele de date și cu echipamente de înregistrare este prin urmare proporțională cu greutatea osiei. Benzile capacitive sunt de asemenea fabricate utilizând plăci de aluminiu separate de o grilă din material izolant și aer ca dielectric.
Benzile capacitive pot fi folosite ca aplicații WIM portabile și de asemenea ca aplicații permanente. Aceste sisteme pot monitoriza până la patru benzi simultan.
Figura 12: Senzorul bandă capacitivă conectat la un echipament de analiză a datelor.
Dezavantaje
Sistemele capacitive WIM nu au aceeași acuratețe ca cele piezoelectrice cu cuarț LINEAS și ca plăcile de presiune. Deasemenea, costul echipamentului și costul de instalare pentru aceste sisteme, fie portabile fie permanente, este printre cele mai ridicate costuri pentru sistemele WIM disponibile.
2. Senzorii montați deasupra nivelului drumului
Tehnologiile senzorilor montați deasupra nivelului drumului sunt acelea care nu necesită instalarea senzorilor direct în, pe sau sub suprafața drumului. În continuare sunt prezentate sistemele video de procesare a imaginilor, radarul cu microunde, senzorii cu infraroșu activi și pasivi, senzori ultrasonici și senzori acustici pasivi.
2.1 Procesorul de imagini video
Camerele video au fost introduse în managementul traficului pentru supravegherea autostrăzilor deoarece au posibilitatea să transmită printr-un circuit TV inchis umagini către un operator uman pentru interpretare.
Aplicațiile de management al traficului utilizate în prezent folosesc procesarea imaginilor video pentru a analiza automat scenele care interesează și pentru a extrage informațiile pentru supravegherea și controulul traficului. Un sistem de procesare a imaginilor video (VIP – video image processor) constă în general în una sau mai multe camere, un computer cu microprocesor pentru digitizarea și procesarea imaginilor și un software pentru interpretarea imaginilor și convertirea lor în date de flux rutier.
Principii de funcționare
Sistemele de procesare a imaginilor video detectează vehiculele analizând imaginile din trafic pentru a determina schimbările dintre cadrele succesive. Algoritmii de procesare a imaginilor care analizează imaginile în alb-negru examinează variațiile nivelulurilor de gri în grupurile de pixeli conținute în cadrele video. Algoritmii sunt destinați să îndepărteze schimbarile nivelurilor de gri din fundal cauzate de condiții meteo, umbre sau variații zi-noapte și să rețină obiecte identificate ca automobile, camioane, motociclete și biciclete. Parametrii fluxului de trafic sunt calculați analizând cadre video succesive. Imaginile color pot fi de asemenea folosite pentru a obține date despre trafic.
Trei sisteme VIP au fost dezvoltate: sistemul care folosește o linie de demarcație, urmarirea în buclă inchisă și urmărirea prin asocierea de date. Primul sistem operează permițând utilizatorului să definească un număr finit de zone de detecție în câmpul vizual al camerelor video. Când un vehicul traversează una din aceste zone este identificat prin semnalizarea schimbărilor de pixeli cauzate de poziția vehiculului în raport cu imaginea autostrăzii în absența unui vehicul. Acest sistem estimează viteza vehiculului măsurând timpul necesar unui vehicul identificat pentru a traversa o zonă de detecție de lungime cunoscută. Viteza este calculată a lungimea împarțită la timpul de călătorie.
Apariția abordărilor monotorizărilor VIP a fost facilitată de costurile reduse și de microprocesoarele de înaltă performanță. Sistemele de monitorizare în buclă închisă sunt o extensie a sistemeleor prezentate anterior, permițând detecția vehiculuelor de-a lungul unei secțiuni de autostradă mai mari. Aceste sisteme monitorizează vehiculele continuu în câmpul vizual al camerei. Multiple detecții ale vehiculului sunt folosite pentru a valida o detecție. Odata validat, vehiculul este numărat și viteza sa este înregistrată prin algoritmul de monitorizare. Aceste sisteme de urmărire pot asigura date adiționale legate de fluxul de trafic, cum ar fi trecerea de pe o bandă pe alta a vehiculelor. Asfel, există posibilitatea de a transmite informații către display-urile aflate pe marginea drumului sau către radiouri pentru a alerta șoferii despre comportamentele care pot duce la incidente.
Sistemele de monitorizare prin asocierea de date identifică un anumit vehicul sau un grup de vehicule atunci când acesta trece prin câmpul vizual al unei camere. Computerul identifică vehiculele căutând zone unice de pixeli uniți. Aceste zone sunt apoi urmărite din cadru în cadru pentru a produce datele de monitorizare pentru vehiculul sau grupul de vehicule selectat. Semnele care identifică obiectele se bazează pe gradienți și morfologie.
Figura 13: Procesoarele de imagini video
Procesarea semnalelor
Prelucrarea imaginilor și extragerea datelor se realizează cu software-uri ce permit algoritmilor să ruleze în timp real. Hardware-ul care digitizează datele este de obicei implementat în arhitectura unui PC. După ce datete sunt digitizate și stocate, informații spațiale și temporale sunt extrase despre vehicul în fiecare zonă de detecție, cu o serie de algoritmi de procesare a imaginilor.
Figura 14: Procesarea imaginilor conceptuală pentru detecția vehiculelor, clasificarea și monitorizarea.
În conceptul ilustrat în figura 14, un proces de detecție stabilește un prag care limitează și separă datele care trec mai departe către următorii algoritmi. Nu este de dorit să se limiteze prea mult numărul potențial de vehicule în timpul detecției, deoarece odată indepărtate, datele nu mai pot fi recuperate. Astfel, sunt permise detectări false de vehicule, deoarece la acest pas declararea vehiculelor nu este o concluzie a procesului de detecție. Algoritmii următori, care fac parte din clasificare, identificare și urmărire sunt cei pe care se bazează eliminarea vehiculelor false și reținerea celor reale. Segmentarea imaginilii este folosită pentru a divide zona din imagine în reginuni mai mici unde caracteristicile pot fi mai bine recunoscute. Caracteristicile sunt analizate pentru a genera prezența vehiculelor, viteza și datele de clasificare.
Sistemele VIP capabile să monitorizeze folosesc tehnici cu filtre Kalman pentru a urmări în timp real poziția vehiculului și estimarea vitezei. Caracateristica de timp a poziției estimează traiectoria vehiculului, ceea ce poate genera informații despre vehiculele care schimbă banda sau întorc.
Aplicații și folosire
Un sistem VIP poate înlocui câteva bucle inductive, asigură detecția vehiculelor pe mai multe benzi și are în general costuri de mentenanță mai mici decât în cazul altor sisteme. Unele sisteme VIP procesează datele de la una sau mai multe camere și extind aria de pe care datele au fost colectate. Sistemele VIP pot clasifica vehiculele după lungime și raportează prezența vehiculelor, fluxul, gradul de ocupare și viteza pentru fiecare clasă. Alți parametri de trafic care pot fi obținuți analizând datele din mai multi procesori de imagine instalați de-a lungul unei secțiuni de drum sunt densitatea, timpul de călătorie și alte infirmații legate de locurile de plecare și de destinație ale vehiculelor.
Considerații legate de montare și de vizualizarea traficului
Camerele pot fi montate pentru a monitoriza traficul apropiindu-se sau depărtându-se. Atunci când camerele sunt puse contra fluxului de trafic avantajul pricipal este că incidentele vizualizarea incidentelor nu este blocată de cozile din trafic rezultante. Totuși, vehiculele înalte pot bloca unghiul de vedere și farurile pot lumina imaginea pe timpul nopții. La vedea traficului care se apropie, razele de la faruri pot fi detectate ca vehicule din benzile adiacente, în sectiunile de drum în curbă. Atunci când camerele monitorizează traficul care se depărtează, ele sunt ascunse după poduri sau pasaje astfel încât comportamentul șoferului să nu fie influențat. Montarea camerelor în această configurație face de asemenea mai usoară identificarea vehiculelor pe timp de noapte și facilitează urmărirea traiectoriei deoarece vehiculele sunt mai întâi detectate, când sunt în apropierea camerei.
Deși unii fabricanți asigură o rază de supraveghere maximă pentru VIP de zece ori cât înălțimea la care este montată camera, producătorii conservatori limitează aria la distanțe mai mic datorită factorilor precum configurația drumului (diferențele de nivel, curbele, tunelurile sau podurile), nivelul de congestie, diversitatea vehiculelor și vremea neprielnică.
Alți factori care afectează instalarea camerei includ unghiul de vedere, vertical sau lateral, numărul de benzi monitorizate, stabilitatea (în ceea ce privește vântul și vibrațiile) și calitatea imaginii.
Sistemul radar cu cameră digitală poate fi instalat în trei configurații diferite: montat pe un stâlp pe marginea drumului (fix), montat pe un vehicul (mobil) și montat pe trepied pe marginea drumului (portabil).
Camerele VIP pot fi montate pe marginea drumului dacă înalțimea de montare este mare, adica de 15m sau mai mult. Pentru înălțimi de montare mai mici, între 6 și 9m, este necesară amplasarea înt-o locație centrală, deasupra mijlocului secțiunii de drum care trebuie monitorizată. Totuși, cu cât este mai jos camera, cu atât este mai mare eroarea în măsurarea vitezei, deoarece eroarea este proporțională cu raportul dintre înălțimea vehiculului și înălțimea la care este montată camera. Numărul de benzi analizate de VIP este important atunci când zona observată și analizată este mai mare decât capacitatea VIP. Sisemele VIP care sunt sensibile la mișcările mai ample ale camerei pot fi afectate de vânturile puternice, deoarece procesorul poate interpreta schimbările pixelilor din fundal produse de vânt ca fiind vehicule care se deplasează.
Sistemul instalat într-un vehicul este ideal pentru controlul mobil al vitezei. Cea mai mare parte a echipamentului poate fi instalată în portbagaj iar camera sau camerele sunt montate în vehicul, filmând prin parbriz sau/și prin lunetă. Atunci când se produce infracțiunea ofițerul de poliție sau persoana responsabilă poate vizualiza și procesa imaginile și valoarea vitezei pe un laptop care se află în mașină.
Sistemul radar cu cameră digitală instalat pe trepied este ideal pentru monitorizarea temporară a vitezei într-o locație aleasă. Camera, unitatea de control și cea de alimentare sunt montate pe un trepied care poate fi transportat de un operator, permițând sistemului sa fie ușor de mutat de la o locație la alta, cu o instalare foarte ușoară, necesitând un timp foarte scurt.
Radarul este o tehnică flexibilă pentru masurarea exactă a vitezei. Tehnologia nu presupune interferența cu suprafața drumului, ceea ca înseamnă că poate funcționa pe toate timpurile de drumuri, independent de calitatea supreafeței. Intr-o poziție staționară echipamentul poate măsura atât traficul care se apropie cât și cel care se îndepărtează, făcând diferența dintre mașinile cu pasageri și camioane și inregistreaza până la două infracțiuni pe secundă. Radarul cu cameră video este de asemenea echipat cu o unitate de control, un controler usor de folosit, cu meniu, care permite utilizatorului sa seteze diferiți parametri și opțiuni pentru radar și cameră.
Claritatea imaginilor surprinse de cameră este neîntrecută în această industrie și asigură înregistrate caracterelor și numerelor de pe placuțele de înmatriculare reflectorizante și nereflectorizante. Este concepută pentru a înregistra imagini de calitate suprerioara, cu rezoluție ridicată, în orice condiții de mediu și de luminozitate.
Imaginile cu infracțiuni pot fi vizualizate sau downloadate folosind o rețea securizată, prin software-ul Gatsometer. Datele cu abaterile de la lege pot fi lasate pe hard disk-ul de 20 Gb (pe care pot fi înregistrate până la 40.000 de imagini) sau pot fi transferate prin conexiunea securizată.
Cand un vehicul intră în raza radarului, unitatea centrală de calcul determină viteza acestuia. Dacă vehiculul se deplasează cu o viteză mai mare decat viteza legală, camera surprinde o imagine digitală a acestuia, și imaginea, impreună cu detaliile infracțiunii, este stocată, fiind păstrată pentru o vizionare ulterioară.
Avantaje
Sistemul de procesare a semnalolor VIP își îmbunătățește mereu capacitatea de a recunoaște semnalele produse de umbre, schimbări de luminozitate, reflexii, vreme instabilă și mișcarea camerei de la vânt sau vibrațiile induse de trecerea vehiculelor. Totuși, aceste semnale parazite persistă și utilizatorul ar trebui sa evalueze performanțele VIP în funcție de condițiile menționate anterior și de alte eventuale condiții locale. De exemplu, în 1998 Departamentul de Transporturi al statului New York a arătat într-un raport ca un model VIP avea dificultăți în detectarea vehiculelor pe drumurile ușor acoperite cu zăpadă, în condiții bune de vizibilitate. Un alt model nu avea aceste probleme. Un exemplu al efectului pe care diferența de luminozitate zi-noapte o are asupra performanțelor VIP este ilustrat în Figura 15. la puțin timp după ora 19:00 se observă schimbări în curba datelor numărătorii vehiculelor, produse de VIP ori datorită degradării perofrmanțelor algoritmilor pentru timp de zi ori din cauza diferitelor performanțe ale algoritmilor pentru noapte.
Figura 15: Comparația între numărătorile de vehicule efectuate de patru sisteme VIP și detectori cu buclă inductivă (DBI)
Congestiile masive de trafic care influențau negativ performanțele primelor sisteme VIP nu mai reprezintă o problemă pentru sistemele moderne. Rezultatele combinate pentru vreme bună și pentru vreme instabilă au arătat că fluxul vehiculelor, viteza și gradul de ocupare sunt măsurate cu o acuratețe de 95% folosind o singură zonă de detecție și o cameră montată la o înălțime sufiecient de mare. Sisteme VIP cu una sau mai multe zone de detecție pentru o bandă pot fi folosite pentru a monitoriza traficul pe autostrăzi. Pentru controlul intersecțiilor semaforizate, unde se dorește o acuratețe a detecției de 100%, numărul de zone de detecție pe bandă crește până la 2-4, în funcție de montarea camerelor și de geometria drumului. Chiar și cu multiple zone de detecție, camerele montate lateral, dacă nu sunt la o înălțime suficientă de 15m sau nu sunt direct adiacente la drum, pot degrada acuratețea detecției vehiculelor, aceasta ajungând pană la 85% sau mai puțin. Studiul din care au rezultat aceste concluzii a raportat de asemenea că detecția vehiculelor a fost influențată în anumite cazuri de contrastul de culoare dintre vehicul și drum.
Dezavantaje
Unele dezavantaje ale procesării imaginilor video includ vulnerabilitatea la obturarea câmpului vizual: vremea instabilă, umbrele, proiectarea vehiculelor în benzile alăturate, ocluzia, tranziția zi-noapte, contrastul vehicul-drum, apa, murdăria, țurțurii de gheață sau pânza de păianjăn pe obiectivul camerei pot afecta performanțele. De asemena, unele modele sunt influențate de mișcările camerei, cauzate de vânturi puternice. Mai mult, instalarea unu procesor de imagini video necesită o înăltime de 15 m (atunci când este montată pe marginea drumului) pentru detecția optimă a prezenței și măsurarea vitezei. Un sistem VIP este în general eficient din punctul de vedere al costului doar dacă mai multe zone de detecție sunt necesare în câmpul de vedere al camerei.
2.2 Senzorii cu infraroșu
Senzorii cu infraroșu pentru aplicațiile din trafic sunt activi și pasivi. Acești senzori sunt montați în lateral și monitorizează traficul care se apropie sau care se depărtează. Senzorii infrarosii sunt folosiți pnetru controlul semnalului; volum, viteză, măsurări legate de clasă dar și detectarea pietonilor pe trecerile de pietoni. Cu senzorii infraroșii, cuvântul detector capătă alt sens, fiind elementul sensibil la lumină care convertește energia reflectată sau emisă în semnale electrice. Procesarea semnalelor în timp real este folosită pentru a analiza semnalele primite pentru prezența unui vehicul.
2.2.1 Senzori cu infraroșu activi (Radare laser)
Principii de funcționare
Radarele laser au fost inventate in 1990. Radarele laser funcționează doar din poziție staționară și măsoară ținte care se apropie și/sau se depărtează, iar unele radare afișează și distanța față de vehicul. Multe radare pot măsura de asemenea distanța față de obiectele staționare. Semnalele laser se propagă cel mai bine în condiții atmosferice fără umiditate și căldură. Lasarele sunt unde luminoase extrem de pure (coerente) asemănătoare cu doar o culoare (pură) de lumină, pe când lumina albă este formată din mai multe lungimi de undă (culori) cu faze aleatorii (non-coerente). Theodore Maiman de la Hughes Aircraft Company (California) a construit primul laser folosind o tija de rubin și un bliț in 1960.
Senzorii infraroșii activi luminează zona de detecție cu energie infraroșie de putere redusă furnizată de diode laser ce operează în câmpul infraroșu al spectrului electromagnetic la 0,85 μm. Energia infraroșie reflectată de la vehiculele ce trec prin zona de detecție este focalizată de un sistem optic pe un material sensibil la infraroșu. Senzorul laser infraroșu activ la transmisie împarte semnalul de ieșire pulsatoriu de la dioda laser în două raze separate de cîteva grade (Figura 12). Transmițând două sau mai multe raze, radarele laser măroară viteza vehiculelor înregistrînd momentele la care vehiculul intră în raza de detecție a fiecărui fascicul.
Figura 16: Geometria radarului cu raze laser
Radarele laser transmit lumină laser pulsatorie pentru a măsura distanța față de țintă. Timpul necesar pulsului de lumină laser pentru a ajunge (cu viteza luminii) de la radarul laser la țintă și înapoi este folosit pentru a calcula distanța de la laser la țintă și înapoi (distanța parcursă de puls = viteza luminii*timp). Distanța tintei față de radar este jumătate din această distanță (distanța = 0,5*viteza luminii*timp). Schimbarea distanței față de țintă în timp (de obicei 1/3 secunde) determină viteza țintei. Radarele laser trebuie să transmită cel puțin două pulsuri pentru a obține cel puțin două măsurări ale distanței la două momente diferite de timp pentru a calcula viteza. În realitate radarele laser transmit zeci sau sute de pulsuri pe secundă
Aplicații și folosire
Senzorii cu infraroșu activi asigură detecția vehiculelor la semafor, volumul, măsurarea vitezei, estimarea lungimii, măsurarea cozii și clasificarea. Mai multe dispozitive pot fi instalate în aceeași intersecție fără a interfera din cauza semnalelor transmise sau recepționate. Senzorii laser moderni produc imagini bidimensionale sau tridimensionale alea vehiculelor care pot fi clasificate.
Radarul laser din figura 13a trebuie montat la 6-7,5m deasupra nivelului drumului cu un unghi de incidență de 5 grade. Capacitatea lui de a clasifica 11 tipuri de vehicule s-a dovedit utilă pe drumurile cu taxă. Radarul din figura 13b are proprietăți similare. Acest dispozitiv poate transmite de la 2 la 6 raze, putând controla astfel lungimea zonei scanate de pe banda de circulație.
(a) Senzor radar cu laser
Figura 17: Senzori radar cu laser
2.2.2 Senzori cu infraroșu pasivi
Senzorii pasivi detectează energia care este emisă de vehicule, suprafața drumului, alte obiecte din câmpul lor de observație și de atmosferă, dar nu transmit energie proprie. Senzorii cu infraroșu pasivi, care nu furnizează imagini, folosiți în aplicațiile de manangement al traficului conțin una saumai multe (nu mai mult de 5) elemente detectoare sensibile la energie dintr-un plan focal ce adună infomații legate de energia din întreaga zonă. Acești detectori au în general un câmp de observație instantaneu foarte mare. Cu acest dispozitiv obiectele din câmp nu mai pot fi divizate în sub-obiecte sau pixeli (elemente de fotografie).
Principii de funcționare
Senzorii pasivi cu infraroșu cu o singură zonă de detecție măsoară volumul, gradul de ocupare a benzii și trecerea vehiculelor. Sursa energiilor detectate de un senzor pasiv sunt emisiile datorate suprafețelor cu temperaturi diferite de zero de la obiecte emisive. Emisiile se produc la orice frecvență, pentru obiecte care nu au temperatura zero absolut (-273,15șC). Dacă emisivitatea este perfectă, emisivitatea=1, obiectul se numeste corp negru. Majoritatea elementelor au emisivitatea mai mica de 1 si sunt numite corpuri gri. Senzorii pasivi sunt concepuți în așa fel încât să recepționeze energia emisă la orice frecvență. Considerațiile materiale fac ca banda infraroșie să fie o alegere bună pentru detectarea vehiculelor cu un număr limitat de pixeli. Unele modele, ca cel din Figura 14, operează în banda infraroșie cu lungime de undă mare, între 8 și 14 μm și prin urmare se minimizeayă efectele strălucirii soarelui și schimbării intensității luminoase datorate mișcării norilor.
Atunci când un vehicul întră în câmpul vizual al senzorului, schimbarea provocată în energia emisă este folosită pentru a detecta vehiculul (Fig. 15). Un vehicul care intră în câmpul de detecție al senzorului generează un semnal care este proporțional cu produsul dintre termenul ce dă diferența emisivităților și termenul ce dă diferența temperaturilor atunci când temperaturile de la suprafața drumului și vehiculului sunt egale. Termenul ce dă emisivitatea este egal cu diferența dintre emisivitatea drumumului și cea a vehiculului. Termenul ce dă temperatura este egal cu diferența dintre temperatura absoută a suprafeței de drum și temperatura la care contribiue emisiile atmosferice, cosmice și galactice. Când este înnorat, când există umiditate mare în atmosferă sau în zilele ploioase, temperatura cerului este mai mare decât în zilele senine și semnalul produs de vehiculele care trec descrește. Acest lucru ar putea să nu pună probleme unu senzor pasiv cu infraroșu configurat corespunzător al lungimi de undă mai mari decât spectru infraroșu, în special la distanțele relativ scurte la care operează în general aplicațiile de management al traficului.
Figura 19: Emisia și reflexia energia de către vehicul și suprafața drumului
Senzorii pasivi cu infraroșu multi-canal și multi-zonal măsoară viteza și lungimea vehiculelor dar și convenționalele detecții ale volumului și gradului de ocupare a benzilor. Aceste modele sunt proiectate cu zone de detecție a energiilor termice dinamice și statice care asigură funcționalitatea a două bucle inductive. Diferența de timp dintre semlanele provenind de la trei zone dinamice este folosită pentru a măsura viteza. Timpul dat de prezența vehiculului în a patra zonă dă gradul de ocupare pentru vehiculele staționare și cele în mișcare.
Avantaje
Instalarea senzorilor cu infraroșu nu necesită lucrări la nivelul pavajului. Unele avantaje ale senzorilor activi cu infraroșu sunt ca ele transmit mai multe raze pentru acuratețea măsurărilor privind poziția vehiculelor, poziția, viteza și clasa. De asemenea, senzorii infraroșii pasivi multi-zonali măsoară viteza. Detecția prezenței pe mai multe benzi este asigurată de modelele amplasate lateral.
Dezavantaje
Există mai multe dezavantaje ale senzorilor cu infraroșu: strălucirea soarelui poate da semnale nedorite și care pot fi confundate cu semnlale ce trebuie detectate. Particule atmosferice și vremea instabilă pot dispersa sau absorbi energia care ar trebui să ajungă la planul focal. Efectele de dispersie și absorbție sunt sensibile la concentrația de apă din ceață, aburi, ploaie și zăpadă dar și la fum și praf. La distanțele mici de operare la care funcționează senzorii infraroșii din aplicațiile de management al traficului, acesți factori în general nu sunt semnificativi. Totuși s-au întâlnit unele degradări ale performanțelor în condiții de ploaie și ninsoare.
2.3 Senzorii ultrasonici
Principii de funcționare
Senzorii ultrasonici transmit presiunea undelor de energie a sunetului la o frecvență între 25 si 50 KHz, valori care se plasează în afara intervalului auzului uman. Majoritatea senzorilor ultrasonici, ca modelul prezentat în Figura 17, operează cu forme de undă pulsatorii si asigură numărarea vehiculelor, detectarea prezenței și informații legate de gradul de ocupare. Formele de undă pulsatorii măsoară distanțele până la suprafața drumului și până la vehicule detectând porțiunea de energie transmisă care este reflectată către senzor dintr-o arie definită de lărgimea unedei transmițătorului. Când este măsurată altă distanțădecât cea până la suprafața drumului, senzorul interpretează acea măsurătoare ca fiind prezența unui vehicul. Energia ultrasonică recepționată este convertită în energie electrică și aceasta este analizată de componente electronice pe procesare a semnalului care se află ori în acelasi loc cu traductorul ori plasate într-un controler de pe marginea drumului.
Figura 21: Senzorul ultrasonic TC-30C
Aplicații și folosire
Energia pulsatorie transmisă în două unghiuri cunoscute, apropiate și incidente permite ca viteza vehiculelor să fie calculată prin înregistrarea momentelor de timp în care vehiculul treaversează fiecare rază. Deoarece razele se află la distanțe cunoscute, viteza poate fi determinată. Senzori ultrasonici cu frecvență constantă care măsoară viteza folosind principiul Doppler sunt de asemenea fabricați, dar aceștia sunt mult mai scumpi decât modele pulsatorii.
Configurațiile în care se montează în general senzorii ultrasonici pulsatorii pentru măsurarea distanței sunt ilustrate în Figura 18. senzorii ultrasonici care măsoară distanța transmit o serie de pulsuri de mărimea Tp (în general cu valori între 0,02 și 2,5 ms). Detectorul este configurat astfel încât detectează un obiect aflat la o distanță mai mare decât aproximativ 0,5m deasupra nivelului drumului.
Controlul automat al frecvenței pulsatorii repetitive reducele efectele refexiilor multiple și îmbunătățește detecția vehicuelor cu viteze ridicate. Controlul este implementat făcând perioada de repetiție a pulsului cât mai scurtă posibil, transmițând pulsul următor imediat după ce semnalul reflectat de pe drum este recepționat.
Figura 22: Montarea senzorilor ultrasonici care măsoară distanța
Avantaje
Instalarea senzorilor ultrasonici nu necesită lucrări la nivelul pavajului. Totodată, unele modele pot fi folosite pentru a opera pe mai multe benzi.
Dezavantaje
Schimbările de temperatură și turbulențele atmosferice pot afecta performațele senzorilor ultrasonici. Perioadele mari de repetiție a pulsurilor pot avea efecte negative asupra măsurării gradului de ocupare pe autostrăzi când vehiculele circulă cu viteze de la moderate la ridicate.
2.4 Senzorii acustici pasivi
Senzorii acustici măsoară trecerea vehiculelor, prezența și viteza detectând energia acustică sau sunetele audibile produse de trafic dintr-o varietate de surse la nivelul fiecărui vehicul și din interacțiunea dintre cauciucurile vehiculului și drum. Când un vehicul trece prin zona de detecție o creștere a energiei sonore este recunoscută de algoritmul de procesare a semnalelor și este generat un semnal de prezență a vehiculului. Când vehiculul iese din zona de detecție, nivelul energiei sonore scade sub pragul de detecție și semnalul de prezența a vehiculului este terminat. Sunetele din locații exerioare zonei de detecție sunt atenuate.
Principii de funcționare
Exisă două modele de senzori acustici. Ambele detectează sunetele produse de vehiculele care se apropie cu un șir de microfoane bidimensionale. Senzorul acustic SmartSonic din Figura 19 detectează vehiculele măsurând perioada de timp dintre momentul în care sunetul ajunge la primul microfon și cel în care ajunge la ultimul microfon. Decalajul de timp se schimbă pe măsură ce vehiculul se apropie de șir. Cînd vehiculul se află în interiorul zonei de detecție, sunetul ajunge aproape instantaneu la microfonul de sus și la cel de jos. Mărimea și forma zonei de detecție sunt determinate de apertură, banda frecvenței de procesare și geometria instalației șirului acustic. Senzorul SmartSonic funcționează pe o frecvență de 9KHz nu lărgimea de bandă 2KHz. Montarea recomandată este la un unghi de 10-30° față de limita inferioară cu o zonă de detecție între 6 și 11m.
Figura 23: Senzorul acustic SmartSonic
Aplicații și folosire
Viteza vehiculului detectat este determinată cu un algoritm care apoximează lungimea aproximativă a vehiculului. Detecția prezenței vehiculului se realizează printr-un semiconductor optic izolat. SmartSonic este recomandat pentru aplicațiile de colectare a datelor pe poduri și alte drumuri unde nu se doresc lucrările în pavaj și unde nu există vehicule cu viteze mici.
Senzorul acustic SAS-1 este conceput să primească energie acustică de la cel mult 6-7 benzi când senzorul este montat deasupra centrului drumului. Pentru configurașia de montare laterală limita practică de benzi este de 5. zona de detecție este echivalentă cu cea a unei bucle inductive de 1,8m în direcția fluxului de trafic. Frecvențele acustice între 8 și 15 KHz sunt procesate de senzor, care trebuie montat la înălțimi între 6 și 12 m. Datele rezultate sunt volumul, ocuparea benzilor, viteza medie pentru fiecare bandă monitorizată pentru o perioadă specificată de utilizator (de exemplu 20s, 30s, 1min.) .
Avantaje
Instalarea senzorilor acustici pasivi nu necesită lucrări în pavaj. Senzorii acusitici nu sunt influențați negativ de precipitații și pentru anumite modele este disponibilă monitorizarea mai multor benzi.
Dezavantaje
Temperaturile scăzute afectează acuratețea datelor de la senzorii acustici. De asemenea, anumite modele nu sunt recomandate pentru monitorizarea vehiculelor cu viteze mici.
2.5 Radarul cu microunde
Radarul cu microunde a fost dezvoltat pentru detectarea obiectelor în timpul celui de-al II-lea Război Mondial. Cuvântul radar a derivat din fucțiile pe care le îndeplinește: RAdio Detection And Raging. Teremenul de microundă se referă la lungimea de undă a energiei transmise, în general între 1 și 30 cm.
Majoritatea radarelor de viteză cu microunde au o rază destul de mare (9-25ș) care acoperă cu ușurință câteva benzi din trafic. Raza de detecție variază în funcție de radar și de reflectivitatea țintei și poate fi de cel puțin 30 de metri și mai puțin de 1,6km. Un radar poate detecta un vehicul mare aflat la distanță în loc de un vehicul mic aflat mai aproape fără o indicație a operatorului asupra țintei detectate.
Unghiul dintre radar (cu microunde sau laser) și țintă trebuie să fie mic pentru ca radarul sa măsoare cu acuratețe viteza. Unghiul este numit unghiul cu efect cosinus pentru că viteza măsurată este proporțională cu cosinusul acestui unghi. Cu cât unghiul este mai mare, cu atât viteza măsurată este mai mică. Radarul ar trebui amplasat cât mai aproape de drum pentru a minimiza erorile efectului cosinus. Efectul cosinus pentru radarele aflate în mișcare este ceva mai complicat și poate măsura viteza maximă în anumite condiții.
Unele radare cu microunde transmit în mod continuu. Unele radare cu microunde și unele cu laser transmit la comanda operatorului; radarele cu microunde pot transmite periodic la fiecare câteva secunde și atunci doar atat de mult (fracțiuni de secundă) cât pentru a putea obține măsurarea vitezei. Radarele care nu transmit continuu au fost create pentru a învinge detectoarele radar prin miscorarea timpului de transmisiune.
Unele radare cu microunde și multe cu laser au o opțiune care permite operatorului să cronometreze ținta (care se deplasează între două puncte aflate la o distanță cunoscută) vizual în loc să transmită. Această metodă necesită mai mult timp pentru instalare, cere mai multă implicare din partea operatorului, este mai puțin stabilă și de aceea este folosită mai rar.
Radarul în banda S
O firmă din Connecticut (Automatic Signal Co.) a construit unul din primele radare pentru trafic în 1947 pentru poliție. Primele radare erau sisteme voluminoase și grele care de obicei erau formate din 3 sau mai multe parți: o antenă (uneori două antene, pentru emisie și recepție), o cutie de aproximativ 20 kg (transmițătorul, receptorul și procesorul), o banda pe care se scria o diagramă pentru înregistrarea permanentă și un aparat de măsură calibrat in m/h. Uneori antenele erau montate pe un trepied iar alteori pe capota mașinii de poliție. Modelele de la începutul anilor ’60 aveau montate antenele la geamul din spate al mașinii de poliție.
Primul radar de trafic transmitea la 2,455 GHz în banda S (2-4GHz). Deschiderea razei antenei de la radarul în banda S varia de la 15 la 20 de grade, în funcție de model. Aceste radare acționau doar din poziția staționară și măsurau atât ținte care se depărtau cât ți care se apropiau cu o acuratețe de aproximativ 3 km/h.
Raza maximă de acțiune era între 45 și 150 de metri. Un radar cu raza de acțiune de 45 de metri ar avea mai puțin de 1,5 secunde pentru a măsura viteza unei ținte care se deplasează cu 109 km/h. Radarele în banda S au fost scoase din uz.
Radarul în banda X
Radarele în banda X sunt folosite din 1965 și funcționează pe un canal de 50 MHz. Radarele în banda X au performanțe mai bune în orice condiții de vreme (mai mică atenuare a semnalului pe vreme rea) decât cele din benzile K sau Ka. Radarele din banda X tind să aibă o lărgime razei mai mare decat radarele K sau Ka.
Unele țări europene folosesc radare de trafic în badă X care transmit la 9,41 GHz sau 9,90 GHz
Radarul în banda Ku
În Statele Unite, Comisia Federală de Comunicații (FCC) a alocat frecvența de 13.45 GHz din banda Ku pentru radare, dar radarele Ku nu sunt folosite in SUA. Unele țări europene folosesc radare pentru trafic în banda Ku (13.45 GHz).
Radarul în banda K
Radarele din banda K se folosesc din 1976 și acționează pe un canal de 200 MHz. Aceste radare au în general o rază mai îngustă decât radarele din banda X și mai largă decât cele din banda Ka. Raza lor de acțiune scade cu umiditatea.
Radarul în banda Ka
În 1983 FCC din SUA a alocat spectrul 34.2 – 35.2 GHz (banda Ka) pentru a fi folosit la radarele de trafic, în același an în care radarul foto din banda Ka a ănceput să fi utilizat in Statele Unite. Nouă ani mai târziu, în 1992, FCC a extins spectrul benzii Ka alocat pentru radarele de trafic la 33.4 – 36 GHz
Radarele în bandă Ka au în mod normal o rază mai mică decat radarele din banda X sau K. Raza de detecție a țintei depinde de umezeala aerului (ploaie sau umiditate).
Multe modele au o toleranță a frecvenței de ± 100 MHz (lărgime de bandă de 200 MHz) iar unele au o toleranță de ± 50 MHz (lărgime de bandă de 100 MHz). Un avantaj al lărgimii de bandă de 100 MHz în locul celei de 200 MHz (în afară de posibilitatea mai mica de interferență) reprezintă faptul că mi multe canale radar pot sa încapă în bandă. Lărgimea benzii alocată radarului de trafic din banda Ka este de 2600 MHz (36-33.4 GHz). Un radar cu largimea benzii de 200 MHz are 13 canale (2600/200). Un radar cu largimea benzii de 100 MHz are 26 de canale (2600/100). Dacă două radare funcționează în apropiere, ele trebuie să sa fie separate de cel puțin două canale (cu cât este mai mare separația, cu atat este mai mică posibilitatea de interferență).
Principii de funcționare
Radarele cu microunde montate pe marginea drumului transmit energie către o zonă a drumului de la o antenă (Fig. 24). Aria în care energia radar este transmisă este controlată de mărimea și de distribuția energiei în apertura antenei. Fabricantul de obicei stabilește constrângerile designului. Când un vehicul trece prin raza antenei o porțiune din energia transmisă este reflectată înapoi către antenă. Energia apoi intră într-un receptor unde se realizează detecția și se calculează date legate de vehicul, cum ar fi volumul, viteza, gradul de ocupare și lungimea.
Figura 24: Funcționarea radarului cu microunde
În aplicațiile rutiere sunt folosite două tipuri de radare cu microunde, radar Doppler cu undă continuuă (CW – continous wave) și radarul cu undă continuuă modulată în frecvență (FMCW – frequency modulated continous wave). Datele despre trafic primite depind de forma de undă transmisă. Senzorul Doppler CW transmite un semnal care are frecvența constantă în funcție de timp. Conform principiului Doppler, mișcarea unui vehicul în zona de detecție cauzează o schimbare a frecvenței semnalului refectat. Acest lucru poate fi folosit pentru a detecta vehiculele care se deplasează și pentru a calcula viteza lor. Senzorii Doppler CW care nu încorporeză auxiliar capacitatea de a măsura distanța nu pot detecta vehiculele care staționează.
Senzorii radar cu microunde cu undă continuuă modulată în frecvență transmit o frecvență care se schimbă constant în raport cu timpul. Radarul FMCW funcționează ca un detector de prezență și poate detecta vehiculele staționare.
Radarele pentru trafic staționare cu microunde măsoară traficul care se apropie; unele modele pot măsura și traficul care se îndepărtează. Teoretic, toate modelele de radar mobile pot funcționa dintr-o poziție staționară sau dintr-o mașină care se deplasează. Radarele mobile de obicei au nevoie de o viteză minimă a mașinii care patrulează pentru operarea in modul mobil. Toate radarele mobile, când sunt în mișcare, măsoară traficul care se apropie (din sensul opus ); altele pot măsura și traficul care se îndepărtează (necesită antenă). Unele radare când se deplasează pot măsura ținte care se deplasează în aceeași direcție ca și mașina de poliție (cu antene situate în față și/sau în spate). Radarele care măsoară traficul de pe același sens necesită o diferențe minimă de viteză (3km/h sau mai mult) între țintă și mașina de poliție. Radarele aflate în mișcare masoară de asemenea viteza mașinii de poliție, cele mai multe afișând lu viteza masurată. Multe radare urmăresc doar câte o țintă la un moment dat; unele modele au opțiunea de a urmări și afișa două ținte – cea mai puternică (poate fi cea mai apropiată sau cea mai mare) și cea mai rapidă țintă din rază.
Aplicații și folosire
Senzorul radar poate fi montat deasupra mijlocului benzii pentru a măsura parametrii traficului care se apropie sau care se îndepărtează pe o singură bandă, sau poate fi montat pe marginea drumului pentru a măsura parametrii de trafic pentru mai multe benzi.
Tipuri de date din trafic primite de radarele cu microunde sunt dependente de forma de undă folosită pentru a transmite energia. Senzorii cu microunde Doppler CW detectează trecerea vehiculele sau le numără prin prezența schimbului de frecvență creat de mișcarea vehiculelor (Fig. 25).
Figura 25: Forma de undă cu frecvență constantă
Radarele Doppler sunt folosite pentru a măsura volumul și viteza vehiculelor pe arterele urbane și pe autostrăzi. Prezența vehiculelor nu poate fi măsurată cu o formă de undă cu frecvență constantă deoarece sunt detectate doar vehiculele în mișcare. În figura 26 sunt prezentate două radare cu microunde care folosesc principiul Doppler pentru a măsura viteza.
Figura 26: Radare Doppler cu microunde
Radarele care măsoară prezența FMCW, ca cele din Figura 27, sunt folosite pentru a controla semnalele, asigură date în timp real privind volumul și gradul de ocupare pentru a adapta sistemele de semnalizare din trafic, monitorizează cozile din trafic și colectează date privind ocuparea și viteza (doar în modul multizonal) pentru a transmite datele către algoritmii de detectare a incidentelor pe autostrăzi. Radarele cu microunde multizonale care detectează prezența pot măsura viteza și sunt acceptate în colectarea electronică a taxelor și aplicații de cântările automată a vehiculelor care necesită identificarea vehiculelor pe baza lungimii lor.
Figura 27: Radare cu microunde detectoare de prezență
Avantaje
Un avantaj important al radarului cu microunde este insensibilitate la vremea instabilă. Radarele cu microunde asigură măsurarea directă a vitezei. De asemenea, sunt disponibile modele care operează pe mai multe benzi.
Dezavantaje
Senzorii radar Doppler CW nu pot detecta vehiculele oprite decât dacă sunt echipate cu senzori auxiliari. Senzorii radar cu microunde CW au performanțe slabe în numărarea vehiculelor în intersecții.
SISTEMUL INTELIGENT DE SUPRAVEGHERE A AUTOSTRĂZII CU CONTROLUL VITEZEI ȘI IDENTIFICAREA VEHICULELOR
Sistemul integrat de supraveghere a traficului cu radar de viteză a fost implementat pe unul din cele mai aglomerate drumuri din România și are rezultate foarte bune, crescând siguranța și securitatea pe autostradă. Acest sistem este folosit de asemenea ca un sistem experimental pentru statistici și identificarea automată a vehiculelor. Soluția tehnică se bazează pe camere video și senzori radar conectați la o rețea de date foarte sigură, acționată de Poliție, folosind trei dispecerate locale de-a lungul drumului.
Întreaga soluție a fost propusă, dezvoltată și implementată de Alcatel România.
Mărirea continuă a traficului pe șosele și autostrăzi cere creșterea siguranței publicului și a vehiculelor, cea mai buna soluție fiind implementarea unor sisteme electronice pentru supravegherea traficului, radare de viteză, detectori de incidente și panouri cu mesaje variabile pe autostradă.
Pe langă folosirea unei tehnologii avansate pentru construcție, cel mai important lucru pentru orice autostradă sau șosea modernă este sistemul de supraveghere, in vederea asigurării unui cadru sigur pentru condus.
Un sistem modern de supraveghere pentru autostrăzi nu este doar un sistem cu circuit TV inchis, ci el realizează toate funcțiile care ar trebui făcute de personalul de pe teren (in general ofițerii de poliție): supravegherea traficului, redirecționarea traficului, anunțarea serviciilor de urgență, informarea șoferilor asupra condițiilor de trafic și restricțiilor. Mai mult, sistemul poate optimiza automat traficul, bazâdu-se pe condițiile reale de pe teren și generând alarme în caz de urgență.
Un sistem inteligent de supraveghere a autostrăzii, prin intermediul centrului de control și a tehnologiei de comunicație si operare, asigură clientului managementul traficului și controlul. Acest concept asigură un management al traficului activ în timp real, în concordanță cu principalele elemente de pe teren și îmbunătățește controlul, fluxul și siguranța drumului.
Din cauza volumului de trafic foarte mare (care uneori este de trei ori mai mare decât capacitatea drumului), pe anumite benzi traficul devine foarte aglomerat și viteza excesivă poate genera situații foarte periculoase.
Principalul scop al proiectului este de a crește securitatea și siguranța drumurilor, mai ales pe cele care sunt incluse în coridoarele europene, unde volumul de trafic este cel mai ridicat din țară.
Pentru a crește siguranța traficului, era obligatorie dezvoltarea și implementarea unui sistem care să asigure următoarele facilități:
supravegherea video a traficului care aduce imagini in timp real de pe teren catre operatori și de asemenea înregistrează aceste imagini ca probe de încalcare a legilor de circulație.
detecția automată a incidentelor care generează alarme in centrul de dispecerat (si, opțional către echipele mobile) în cazul unor incidente majore (accidente, trafic anormal, incendii). Aceste alarme vor atrage intreaga atenție a dispeceratelor din zona incidentului, iar acestea pot alerta echipele de intervenție pentru reducerea riscurilor. De asemenea, în cazul unei alarme confirmate, computerul va adapta automat traficul (cu ajutorul semafoarelor și a panourilor electronice informative) pentru a reduce impactul evenimentului.
adaptarea automată a semnalizării traficului in concordanță cu valorile de trafic pe anumite zone ale autostrăzii, pentru a optimiza fluența mașinilor in condiții maxime de siguranță. Folosind această metodă, traficul poate fi adaptat in funcție de fluxul auxiliar de mașini (care intra pe autostradă de pe drumuri auxiliare), condiții meteo, incidente din trafic și altele;
statistici de trafic rezultate din numărarea automată a vehiculelor, estimarea greutății vehiculelor și viteza medie pe segmentul de drum, zone considerate periculoase, accidente, conditii meteo și altele. Aceste statistici sunt foarte importante de asemenea și pentru Poliție și pentru administratorul drumului, pentru imbunătățirea condițiilor de pe teren în vederea creșterii siguranței.
detecția vitezei și identificarea automată a mașinii (radar de viteză) pentru a avea permanent măsurători privind viteza vehiculelor într-un punct fix sau cu ajutorul echipamentelor mobile. Prin combinarea detectorilor de viteză cu sisteme de fotografiere speciale, sistemul poate trimite automat rapoarte către dispecerat cu mașinile care nu respectă limitările de viteză de pe drum. Această facilitate este probabil una din cele mai eficiente metode de a reduce viteza excesivă și de a o menține in limitele legale. Mai mult, aceasta este o metodă infailibilă pentru a dovedi vinovăția șoferilor care au incălcat legea.
identificarea automată a mașinii în puncte fixe utilizând aparate de fotografiat cu o claritate a imaginii foarte ridicată și un sofware de recunoaștere a numărului de înmatriculare care va putea genera alarme în cazul unor vehicule care sunt înregistrate ca fiind date in urmărire (de exemplu mașini furate, mașini care nu au revizia tehnică). Prin identificarea acestor vehicule siguranța drumurilor va crește;
detecția automată a infracțiunilor din trafic cu alarmă și posibilitatea înregistrării (conducerea cu viteză peste limitele impuse, ignorarea restricțiilor din trafic, ignorarea semnelor rutiere , etc.) este un instrument foarte util pentru Poliție. Prin identificarea șoferilor care nu țin cont de legile rutiere siguranța si menținerea condițiilor normale din trafic vor fi semnificativ îmbunatațite;
sistemul pentru informarea automată a șoferilor asupra problemelor din trafic sau a condițiilor meteo care pot interveni în buna desfășurare a circulației, sistem realizat prin panouri electronice cu mesaje variabile. Un asemenea sistem informează eficient conducătorii auto asupra condițiilor reale de trafic.
Pentru ca acest proiect complex era implementat pentru prima dată în România, strategia aleasă a fost dezvoltarea și implementarea lui pe un drum unde valorile traficului sunt foarte ridicate – adică Autostrăzi Naționale sau Drumuri Naționale, care să facă parte de asemenea din coridoarele europene.
Statisticile arată că majoritatea accidentelor au loc pe aceste drumuri. Pentru a fi rezolvată această problemă, o parte a DN1 – București – Ploiești – Brașov (parte din E60) a fost aleasă pentru acest proiect, deoarece:
această parte a DN1 este cel mai aglomerat drum, cu o medie de aproximativ 50.000 de mașini pe zi (de trei ori mai mare decât capacitatea drumului, care este evaluată în jurul valorii de 15.000 de mașini pe zi). Acest volum mare de trafic este generat de continuua extensie a Bucureștiului inspre nord, in orașe-satelit care sunt poziționate de-a lungul drumului.
Majoritatea accidentelor grave din țară se produc pe drumurile europene. Statisticile arată că aproape 60% din accidentele grave și 75% din accidentele soldate cu decese s-au produs pe DN1, între București și Brașov, ceea ce îmseamnă că este probabil cel mai periculos drum din România. Acest lucru se întâmplă în special din cauza vitezei ridicate și a șoferilor care nu respectă regulile din trafic și restricțiile poliției
Cele mai multe accidente mortale de pe E60, în România, se produc pe acest tronson (aproape 69%).
Ideea de bază a proiectului a fost implementarea unui sistem integrat care să poată extindă sistemele Poliției de supraveghere a traficului (radare de viteză mobile cu camere video).
Întregul nou sistem trebuia sa fie conceput ca un sistem deschis, care sa accepte date de la toate sistemele existente și să permită viitoare îmbunătățiri.
TEHNOLOGIE ȘI DESIGN
Soluția tehnică adoptată implementează o rețea de date de mare viteză de-a lungul drumului și conectează infrastructura tehnică (camere video de supraveghere, senzori de viteză și altele) la această rețea. Prin urmare, această infrastructură poate fi extinsă oricât, cu noi camere sau senzori.
De-a lungul a aproximativ 130 km, drumul a fost imparțit în trei zone de supraveghere, in concordanță cu jurisdicțiile locale și pentru a avea o mai bună reacție a autorităților locale in caz de necesitate. Fiecare tronson are propriul dispecerat local. Acestea sunt:
– Tronsonul I Bucuresti –Ciolpani, prin dispeceratul Bucuresti-Baneasa, situat în incinta Academiei de Politie
– Tronsonul II Potigrafu-Centura Ploiesti Vest- Intersectie Metro Ploiesti, prin dispeceratul situat in Barcanesti
– Tronsonul III Comarnic- Sinaia- Busteni –Azuga, prin dispeceratul situat in Sinaia
WLAN
Datele de la și către subsisteme sunt transportate de o rețea de date dedicată, aparținând sistemului. Principalul avantaj al rețelei dedicate este securitatea 100% a fluxului de date, sistemul neputând să fie accesat de către un operator extern.
Această rețea se bazează pe IP-uri, folosind protocoale standard. Aplicând această strategie se asigură faptul ca rețeaua funcționează ca un sistem deschis, utilizabil pentru conexiuni standard care pot fi realizate in viitor. Toate switchurile au standardul OSI………, dar folosind o strategie simplă și doar schimbând cateva switchuri, toată rețeaua poate trece ușor și repede la standardul MPLS.
Dispeceratul
Dispeceratele sunt ”inima” întregului sistem, adunând informații și imagini din zonele supravegheate și dirijând toate acțiunile și activitățile. De obicei ele operează 24 de ore pe zi, 7 zile pe săptămână. Fiecare dispecerat este un bun instrument de dirijare a traficului, de optimizare a fluxului de transport pe tronson, de a raspunde în concordanță cu managementul incidentului și de a asigura funcționalitatea sistemelor. Operatorii ar trebui sa lucreze in condiții adecvate, conform cu mediul si designul Centrului de control, care este prietenos , cu un design ce ține cont de toate aspectele ergonomice și funcționale.
Funcționalitatea camerei de control cu circuitele închise este de obicei dicatată de cerințele de spațiu ale sistemului de televiziune cu cirucit închis, deși chiar și cele mai importante funcții ale circuitului sunt „ascunse” în computere sofisticate și rețele de comunicații.
Radarul de viteză
Radarul de viteză folosit pe DN1 folosește senzori pasivi cu bucle magnetice montate in asfalt. Sistemul are multe avantaje:
cea mai mare precizie la masurarea vitezei care poate fi obtinuta cu radare normale
o mare disponibilitate a sistemului, care poate funcționa in orice condiții meteo (ploaie, ceață, viscol sau altele)
este un sistem foarte rezistent, cu o durata de viață foarte mare (20 de ani)
nu emite radiații
Aceste radare de viteză folosesc doua bucle identice montate în asfalt care primesc separat amprenta magnetică a vehiculului și calculează viteza medie pe care o are mașina între cele doua bucle. Pentru că buclele sunt foarte aproape (10 cm) rezultatul poate fi considerat ca fiind viteza instantanee.
Pentru a crește precizia rezultatului, sistemul face 8 identificări ale amprentei magnetice și validează rezultatul doar dacă cel puțin 5 amprente consecutive sunt indentice. Folosind această metodă, precizia sistemului este foarte mare.
Sistemul compară viteza fiecărui vehicul cu limita de viteză pentru zona respectivă (care poate fi fixată folosind intrumentele software) și face fotografii vehiculelor care circulă cu viteze mai mari. Camera foto este o cameră construită special care face poze foarte repede în orice condiții de luminozitate. Pentru aceasta au fost alese aparate care sunt sensibile în spectrul infraroșu și blițuri IR. Cunoscând caracteristicile reflexive ale numerelor de înmatriculare în spectrul infraroșu, sistemul este foarte eficient.
Folosind un software de recunoaștere a numărului de înmatriculare sistemul întocmește automat un raport cu viteza mașinii și condițiile în care a viteza fost măsurată și fotografiată.
Imaginile și rapoartele sunt trimise automat către dispecerat, folosind rețeaua de date. De asemenea, pentru siguranță sunt pastrate local (folosind hard diskuri detașabile) .
Sistemul de supraveghere a traficului
Sistemul de supraveghere a traficului folosește 110 camere video de-a lungul drumului, pentru a asigura o supraveghere continuă în zonele rurale și în intersecții. Sistemul de supraveghere video este realizat cu camere specifice, montate in concordanță cu nevoile tehnice ale fiecărei locații în parte.
Toate camerele video ofera imagini în timp real către dispecerate. În funcție de condițiile locale, camerele pot fi:
mobile, cu un unghi de 360 de grade, cu posibilitatea de zoom, montate pe poduri sau pe console suspendate. Aceste camere sunt folosite pentru supraveghere generală pe distanțe mici (0,1 – 1,4 km). Folosindu-se de mobilitatea camerei (manuală sau automată) dispeceratul poate obține imagini utile din trafic, în special in scopuri operaționale (urmarirea vehiculelor, supravegherea unei zone, supravegherea incidentelor, etc.);
camere cu vizibilitate la distanță mare, fixe, cu un sistem optic de înaltă performanță și cu claritate foarte mare, montate pe locuri înalte deasupra drumului (de obicei un portal metalic și coloane verticale, având în total 12m înalțime deasupra drumului), oferind imagini de la distanțe îndepartate (0,5 – 5km).
Camere locale montate „pe benzi” cu senzor de claritate foarte ridicat, capabil să înregistreze toate numerele de înmatriculare care trec prin zona lui. Aceste camere sunt folosite pentru identificarea vehiculelor folosind software-ul specializat în recunoașterea numerelor de înmatriculare.
Toate camerele sunt montate în carcase care asigura protecția termică și împotriva corpurilor străine. Toate transmisiunile de la camerele video către sistem sunt digitale, folosind tehnologia IP și rețeaua WAN.
IMPLEMENTAREA
Tot proiectul a fost dezvoltat și implementat de Alcatel România SA.
Sistemul a fost implementat în aproximativ 4 luni, cu finanțări din fonduri Phare (75%) și Ministerul de afaceri Interne și Administrare Român (25%).
DEZVOLTĂRI VIITOARE
Sistemul a fost creat ca un sistem deschis, pentru a permite interconectarea dintre cele trei dispecerate existente și un dispecerat central și de asemenea pentru a permite folosirea datelor de alte autorități, în caz de nevoie.
Prima dezvoltare a sistemului va fi o linie directă de conexiune cu principala bază de date a Poliției și cu alte autorități care sunt implicate în administrația din trafic pentru a detecta și identifica vehiculele rutiere care nu ar trebui să circule pe drumul respectiv (cazuri de depașire a tonajului, licență suspendată, mașini furate, numere false de înmatriculare, etc.)
Alte facilități pot fi implementate în urmatoarele etape ale proiectului:
implementarea unui sistem de management al traficului avansat (SMTA) cu un dispecerat general de management al traficului (care poate fi sub autoritatea poliției);
implementarea unui sistem de radio „Info trafic” și „Trafic de urgență” care să ofere informații în timp real;
o pagina web care să ofere publicului informații în timp real despre condițiile de trafic pentru fiecare porțiune de autostradă;
realizarea unui sistem de infomare pentru public care sa asigure informații pe traseu (prin panouri electornice cu mesaje variabile), a unui sistem bazat pe SMS-uri și a unui sistem 3G;
Realizarea unei rețele de comunicații radio (voce și date) care pot funcționa de-a lungul întregii rute și care poate fi folosită de toate echipele operaționale de pe teren;
Extinderea rețelei de supraveghere video pentru tot drumul, pentru a avea o vedere continuă pentru întregul traseu.
STATISTICI ȘI CONCLUZII
La 30 de zile după inaugurarea sistemului (30 noiembrie 2005) statisticile pentru acest drum arată urmatoarele:
numarul incidentelor minore detectate de sistem : 19.752
numarul accidentelor grave: 0 (zero)
numarul accidentelor mortale: 0 (zero)
La 10 luni după inaugurarea sistemului, statisticile arată următoarele:
numarul incidentelor minore detectate de sistem : 201.345
numărul încălcărilor legii sancționate de sistem: 208,543
statistica privind accidentele grave: reduse cu 80%
statistica privind accidentele mortale: reduse cu 95%
creșterea generală a siguranței drumului: 90%.
Conform statisticilor oficiale (oferite de Poliție și administratorul drumului) sistemul este un succes absolut, ceea ce a crescut semnificativ siguranța drumului.
Mai mult, numarul ridicat de incidente minore, care sunt sancționate cu amenzi a crescut bugetul Poliției și a acoperit complet investiția inițială în mai puțin de un an de la punerea în funcțiune a sistemului.
FIABILITATEA SISTEMULUI
Generalități
Fiabilitatea sistemului reprezintă suma fiabilitățiilor părților componente ale sistemului:
echipament de calcul;
placa de achiziții de date;
interfața de achiziții;
cabluri și conectori;
echipament giro;
Fiabilitatea sistemului informatic depinde de fiabilitatea componentelor electronice ale fiecăruia. Teoretic, media timpului de bună funcționare a componentelor electronice este foarte mare, însă fiabilitatea ansamblului depinde și de condițiile de folosire, deoarece erorile generate de fiecare componentă se adună și măresc eroarea ansamblului.
De aceea, pentru a avea o performanță ridicată în ceea ce privește fiabilitatea sistemului informatic se recomandă ca dispozitivele componente să fie folosite în spații climatizate pentru a reduce variațiile de temperatură și umiditate ce pot afecta buna funcționare a echipamentelor.
Fiabilitatea echipamentului de calcul poate fi îmbunătățită prin utilizarea redondanței și a componentelor de calitate controlată:
dublarea unității de disc (care contine piese în mișcare și are fiabilitate generală mult mai redusă decât cea a echipamentului electronic).
dublarea sursei de alimentare (prin utilizarea unor surse de alimentare neîntreruptibile cu acumulatori – UPS – acestea din urmă servesc la protecția informației, deoarece se știe că înregistrările de pe disc sunt sensibile la întreruperi accidentale ale alimentării. Sursele cu acumulatori permit detectarea momentului căderii sursei de alimentare principale și menținerea alimentării sistemului un interval de 10-50 minute).
echiparea sistemului de calcul cu componente a căror fiabilitate raportată de fabricant este cât mai bună (de exemplu procesoare și plăci de bază Intel, hard-disk-uri Westem Digital sau IBM, memorii Texas Instruments, interfețe externe (eventual SCSI) Motorola etc.
Fiabilitatea plăcii de achiziții de date este dată de fabricant ca foarte bună, dar numai în condițiile respectării parametrilor electrici de intrare. în acest sens, pentru respectarea strictă a tensiunilor de intrare, se vor prevede în montajul de interfațare filtre, decuplări și protecții de tensiune. De asemenea, tensiunea maximă injectată în placă va fi de cca. ½ din tensiunea maximă de intrare admisă, asigurându-se în acest mod o bună protectie la eventuale supratensiuni.
Interfața de achizitii este acea parte din echipament care face adaptarea între semnalele provenite de la modulul giro și intrarea plăcii de achiziții de date. Aceasta este construită cu componente discrete, a caror fiabilitate compusă generează fiabilitatea generală a interfeței.
O altă problemă este cea a cablurilor și a mufelor de interconectare. în vederea asigurării unei fiabilități cât mai bune, cablurile se vor alege în funcție de semnalele transmise:
la intrarea în interfață, semnalele sunt de curent alternativ, 40 Vvv, pe o impedanță de intrare de cca 1 k. Deoarece intrările sunt filtrate și protejate la supratensiuni, se vor alege cabluri de uz general, a caror izolatie rezistă cel putin 80 – 100 V.
la intrarea în placa de achiziții de date tensiunile sunt de maxim + 5 V, pe o impedanță de intrare de cca. 100 k (conform specificațiilor date de fabricantul plăcii de achiziții). ținând cont de impedanța mare de intrare a plăcii de achiziții de date, în vederea reducerii riscului apariției de perturbații electrice, cablurile vor fi cât mai scurte (până în 1 m), iar în cazul necesității asigurării unor distanțe mari între interfață și placa de achiziții de date se vor folosi cabluri coaxiale, cu tresa conectată la terminalul GND al plăcii de achiziții de date. Nu se ridică probleme legate de tensiunile vehiculate prin cabluri.
cablurile de alimentare sunt uzuale, tensiunile și curenții vehiculați neridicând probleme (+ 5 V / 100 mA).
conectorii utilizați sunt standard, folosiți în tehnica de calcul: conectori cu ecran conectat la masă, pini auriți și prindere asigurată cu surub și piuliță.
Fiabilitatea echipamentului giro este dată de fabricant ca fiind foarte bună, acesta încadrându-se în categoria echipamentelor de inaltă siguranță. Totuși, pentru a fi siguri de semnalele provenite de la echipament, se va aplica un procedeu redondant: în modulul de prelucrare a datelor se va introduce un bloc cu fiabilitate sporită care va supraveghea permanent existența semnalelor provenite de la giro, transmițând plăcii de achiziții de date, printr-un canal independent, date despre funcționarea echipamentului. Astfel, în cazul unor defecte, ce se manifestă prin lipsa partială sau totală a semnalelor de la giro, echipamentul de calcul va semnaliza defectul.
Concluzii
Pentru a obține performanțe bune din punct de vedere al fiabilității, trebuie urmărite:
folosirea unor calculatoare cu componente cu rată de defectare mică;
respectarea normelor privitoare la mediul de lucru al dispozitivelor electronice;
folosirea unor cabluri și a unor conectoare performante;
folosirea de componente de bună calitate si cu zgomot propriu mic în cadrul interfeței de procesare a datelor analogice;
folosirea de algoritmi de măsură hardware și software redondanți.
Calculul fiabilistic al echipamentului
În condiții reale de utilizare, componentele din structura echipamentelor sunt supuse unui ansamblu de solicitări. Pentru componentele electrice și electronice, principalele tipuri de solicitări sunt: electrice, termice și mecanice (șocuri, vibrații etc.). Prin urmare, solicitarea reală este complexă și constă în aplicarea unor energii, dintre care cel puțin una este utilă în regimul de funcționare a echipamentului respectiv. Dar, în afară de energii, componentele sunt supuse și unor influențe datorită materialelor care există în mediul ambiant: aer, apă, substanțe corosive etc. Prin pătrunderea acestora în masa componentelor, se pot produce modificări ale unor proprietăti fizice utile; ca și în cazul energiilor, aceste solicitări se manifestă printr-un proces de uzură (deteriorare).
Cu alte cuvinte, în condiții reale, componentele echipamentelor sunt expuse unui regim de uzură atât din partea sarcinii utile cât și din partea ambianței. Totodată și componentele exercită o inf1uență asupra mediului ambiant, prin degajări de energie și de material (căldură, vibrații, gaze etc.). În figura 8. 1. este ilustrat modul de interacțiune dintre componentă, sarcină (utilă) și mediul ambiant (definit ca ansamblu de energii și materiale).
Figura 8. 1.
Din cele expuse rezultă următoarele concluzii:
defectarea unei componente coincide cu momentul în care aceasta urmează o lege complet nouă de comportare (din punct de vedere funcțional);
defectarea este o consecință a faptului că energia înmagazinată (în componentă) depășește o anumită valoare critică;
punctul la nivelul căruia se manifestă defectul poate fi apreciat ca fiind rezistența componentei; această rezistență trebuie înteleasă în sensul unei proprietăți de a se opune defectării.
Uneori, în sistemele tehnice, defectarea unei componente antrenează și defectarea altora; în acest caz se produce o defectare în avalanșă, cauza fiind noua repartizare de energie care se face după o defectare.
În cazul general, pentru o componentă oarecare se demonstrează și se verifică experimental următoarea relație, numită ecuația fundamentală de deteriorare:
ln r = ln r0 – km t-f(w)
unde:
r – reprezintă rezistența instantanee
r0 – rezistența inițială
km – constantă data de concentrația materialelor în mediu și de natura lor
t – parametru timp;
– baza logaritmilor naturali
f(w) – o funcție ce depinde de energiile ce intră în procesul de reacție dintre
substanțele componente și ale ambianței.
Dacă factorii din mediul ambiant nu variază (ambianță constantă),
km t-f(w) = k = constant
ecuația anterioară se poate pune sub forma:
ln r = ln r0 – kt
de unde rezultă: r = r0-kt
Deci, în conditii de ambianță constantă, rezistența descrește exponențial în timp. Dacă, în aceleași conditii, solicitarea aplicată (s) este egală cu rezistența componentei, are loc defectarea. Prin urmare, dacă r = s, atunci t = Td și relația de mai sus se poate scrie:
Se observă că pentru s = rO rezultă Td = 0. Altfel spus, dacă unui element i se aplică o solicitare egală (sau mai mare) față de rezistența sa initială, defectarea se produce în momentul inițial; durata de viată în acest caz este nulă. În sfârșit, deoarece k > 0 (chiar și în condiții de depozitare), rezultă Td <; pot fi realizate, dacă este necesar, componente cu durată de viață foarte mare, dar nu infinită.
Prin reprezentarea grafică a ecuației de durată a vieții, se poate analiza procesul de defectare pentru diferite modele de variație a rezistenței sau solicitării. Astfel, în figura 8.2. a. este prezentat modul în care se obține valoarea duratei de viată atunci când se cunoaște variația în timp a rezistenței obiectului, iar solicitarea este constantă (de factorul constant 1/k se ține seamă prin scara din ordonată).
Dacă deteriorarea este independentă de gradul de solicitare, variația duratei de viață are loc conform modelului din figura 8.2.b. În sfârșit, pentru situația în care procesul de deteriorare depinde de solicitarea aplicată, duratele de viață se determină ca în figura 8.2.c.
Rezultă că, în general, durata de viață a unei componente nu este o proprietate strictă a sa; ea trebuie definită pentru ansamblul componentă – ambianță – sarcină utilă (fig. 8.1.). Pentru creșterea duratei de viață, există prin urmare trei posibilități: mărirea rezistenței inițiale (ro), reducerea solicitării aplicate (s) și reducerea vitezei de deteriorare.
a. b. c.
Figura 8.2.
În figura următoare (8.3.b.) este indicat modul în care se determină durata de viață pentru solicitări cu variație ciclică (de exemplu efectul termic asupra componentelor din echipamentele staționare în exterior, datorită variatiilor termice anuale). Momentul defectării poate fi cel estimat (tde); este posibil însă ca în acel moment să existe o diferență, chiar foarte mică, între rezistență și solicitare, astfel că defectarea se va produce în mod cert la momentul tdr (moment de defectare real). Eroarea absolută care se face în estimarea duratei de viață, este, prin urmare, = tdr – tde.
Dacă solicitarea are o variație neregulată (fig. 8.3.c.), de asemenea momentul probabil al defectării (tde) poate să difere de momentul real al defectării (tdr), primul fiind determinat de solicitarea maximă probabilă (smp), iar ultimul de solicitarea reală (sr).
În funcție de destinația echipamentului, solicitarea provenită din mediul ambiant crește în ordinea următoare: echipament staționar pe sol în interior, staționar pe sol în exterior, navă maritimă, vehicul rutier, vehicul feroviar, echipament alpin, vehicul aerian, racheta/proiectil independent sau telecomandat, vehicul cosmic.
a. b.
c. d.
Figura 8. 3.
În cele analizate până acum, s-au considerat numai situațiile în care s-au produs defectări de componente, înțelegând prin aceasta că abaterile parametrilor fundamentali au depășit limitele admisibile în sistem (din punct de vedere funcțional). Există însă și foarte multe situații în care se produc abateri ale parametrilor fundamentali, între anumite limite, fără ca sistemul să fie afectat (să aibă alte răspunsuri decât cele prevăzute pentru regimul de funcționare corectă). În aceste situații, se spune că s-a produs o slăbire, înțelegând prin aceasta că, datorită uzurii parțiale, se modifică performanțele sistemului, rămânând însă valoric între limitele admise.
Prin urmare uzura (efect al deteriorării) dacă este bruscă și suficient de intensă, coincide cu defectarea; dacă este lentă, defectarea survine în momentul în care uzura atinge punctul maxim admisibil.
În tabelul următor (tabel 8.1.) sunt enumerate criteriile de clasificare ale defectărilor, precum și cauzele sau efectele principale ale acestora.
În sensul cel mai larg, fiabilitatea unui element (componentă) reprezintă proprietatea (capacitatea) acestuia de a-și păstra parametrii de ieșire între limitele admise, într-un anumit interval de timp și în condiții date.
Un criteriu calitativ al fiabilității este restabilirea (reparabilitatea), definită ca proprietatea acestuia de a-și recăpăta în întregime capacitatea de funcționare după efectuarea reparațiilor.
După faza în care se determină, fiabilitatea poate fi:
precalculată (în faza de concepere, proiectare)
nominală (elaborare, fabricare, montare)
de întreținere tehnică (exploatare sau servire).
Tabelul 8.1.
Prin natura lor, elementele (componentele) și sistemele reparabile sunt caracterizate prin capacitatea de restabilire: posibilitatea acestora de a-și restabili proprietățile ca urmare a operației de reparare.
Unele dintre acestea, la care restabilirea se poate face într-un timp relativ scurt, practic nu sunt scoase din funcțiune pe timpul reparațiilor (fig. 8.3.a.); altele, dimpotrivă, necesită scoaterea din funcțiune, pe un timp mai mult sau mai puțin îndelungat (fig. 8.3.b.).
b.
Figura 8.3.
Pentru aprecierea eficienței tehnice a elementelor și sistemelor, se utilizează noțiunea de disponibilitate: capacitatea unui dispozitiv de a fi în stare de funcționare la un moment dat. Evaluarea acestei capacități se face cu ajutorul coeficientului de disponibilitate:
în a cărui expresie s-au utilizat notațiile:
T – intervalul de timp considerat
T1 – durata reparației de rang I
timpul total (cumulat) al reparațiilor efectuate în intervalul de timp T.
Pe timpul scoaterii din funcțiune (deconectare funcțională) pentru reparație se pot preciza, în general, următoarele faze de restabilire:
apariția defectării;
constatarea ieșirii din funcțiune de către personalul de serviciu;
chemarea personalului de intervenție;
diagnoză tehnică (stabilirea cauzei);
demontare;
transport în laborator;
repararea propriu-zisă;
montare;
verificări finale, eventual simulări funcționale;
conectare (redare în funcțiune).
Un caz particular de restabilire îl reprezintă înlăturarea deranjamentelor la fața locului (în general, pentru defectări imprevizibile): în această situație nu mai sunt necesare fazele 5. – 6 . – 8.
Cum este și firesc, în afară de eficiența tehnică, fiabilitatea elementelor și sistemelor este corelată și cu o eficiență economică. Pentru evaluarea acesteia, trebuie să se țină seama de următorul aspect: fără măsuri speciale, la performanțe tehnice superioare corespunde o fiabilitate scăzută, iar atingerea unei fiabilități ridicate necesită cheltuieli importante (fiabilitatea costă).
Într-o primă analiză, această corelație se poate evalua cu ajutorul raportului F/C (fiabilitate/cost). Deoarece acest raport nu este constant în funcție de nivelul fiabilității (fig. 8. 4.), rezultă că nu trebuie urmărit orice nivel de fiabilitate, ci doar cel strict necesar.
Dintr-un studiu statistic, efectuat asupra defectării aparaturii radioelectronice, a rezultat repartizarea din tabelul 8.2. privind cauzele și proveniențele defectărilor. Concluzia ce se poate trage, dacă se analizează și aceste date, este fermă: o bună fiabilitate nu se poate obține decât printr-o tratare corectă a problemelor tehnice în toate fazele de activitate, de la concepere până la utilizare.
Tabelul 8.2.
Fiabilitatea este o problemă fundamentală a tehnicii actuale; ea reprezintă parametrul principal al calității, permițând aprecierea cantitativă a comportării în timp a elementelor și sistemelor, în conditiile de influență pe care o exercită factorii interni și externi. Prin aceasta, mai este definită ca reprezentând dinamica în timp a calității.
http://www.nmsu.edu/~traffic/Publications/VC/vdst.pdf
http://copradar.com/preview/chapt1/ch1d1.html
http://copradar.com/preview/chapt6/ch6d1.html
http://www.gatsometer.com/index.php?p=42525
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Scopurile ITS includ următoarele: [310673] (ID: 310673)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.