Καταγραφή πορείας ταχύτητας κινούµενων οχηµάτων µε GPS-εφαρµογές στο τραµ

Transcript

1 Καταγραφή πορείας ταχύτητας κινούµενων οχηµάτων µε GPS-εφαρµογές στο τραµ Θ. Κάτσενος, Η. Παυλίδης, Β. Τιµοθέου, Α. Νικητοπούλου, Κ. Πρωτοψάλτη, Π. Τριανταφυλλίδης, Σ. Στείρος Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρµογών Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών Πανεπιστήµιο Πατρών, GR-26500, Πάτρα 1.Περίληψη Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί η τεχνολογία του δορυφορικού συστήµατος προσδιορισµού θέσης GPS (Global Positioning System) που επιτρέπει τον καθορισµό της θέσης και της τροχιάς κινούµενων σωµάτων. Σε ειδικές περιπτώσεις, η διαχείριση της κυκλοφορίας ειδικών οχηµάτων γίνεται µε κεντρικό σχεδιασµό µε βάση GPS και ραδιοζεύξη. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα αποτελούν, αρχικά ο έλεγχος της κυκλοφορίας των οχηµάτων της Ολυµπιάδας της Ατλάντα και αργότερα των οχηµάτων Επιχειρήσεων Κοινής Ωφέλειας µε τους ίδιους δέκτες GPS, και ακόµη ο έλεγχος της κυκλοφορίας των φορτηγών µέσω συστήµατος GPS κατά την επιχείρηση απόρριψης των συντριµιών των δίδυµων πύργων στη Νέα Υόρκη. Με στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας εφαρµογής του GPS σε τέτοιου είδους εφαρµογές στον Ελλαδικό χώρο, πρόσφατα έγιναν πειράµατα στην περιοχή της Πάτρας µε σκοπό την καταγραφή της τροχιάς και ταχύτητας οχήµατος εφοδιασµένου µε δέκτη GPS. Το όχηµα αυτό κινείτο σε διαφορετικές συνθήκες κυκλοφορίας και πολεοδοµικών συνθηκών. Τα βασικά συµπεράσµατα των πειραµάτων αυτών είναι ότι για τις ελληνικές συνθήκες, κυρίως λόγω διαθεσιµότητας δορυφόρων (1) είναι δυνατή η πλήρης και ακριβής καταγραφή της τροχιάς του κινούµενου οχήµατος σε όλες τις περιοχές όπου η δόµηση δεν είναι πυκνή, (2) σε περιοχές µε στενούς δρόµους και ψηλά κτίρια η καταγραφή είναι ασυνεχής και χαµηλότερης ακρίβειας, (3) είναι δυνατή η χαρτογράφηση της ταχύτητας κίνησης του οχήµατος, και ιδιαίτερα η καταγραφή θέσεων και διάρκειας ακινησίας. Με βάση τα συµπεράσµατα αυτά προκύπτει ότι το GPS θα µπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιµο στη µελέτη της κυκλοφορίας του τραµ, δεδοµένου ότι αυτό κινείται σε φαρδείς δρόµους που προσφέρουν ανεµπόδιστη ορατότητα προς τους δορυφόρους και εποµένως υψηλής ποιότητας καταγραφές.

2 2. Εισαγωγή Στη δεκαετία του 80 αναπτύχθηκε το παγκόσµιο δορυφορικό σύστηµα εντοπισµού GPS, το οποίο είχε σχεδιαστεί από το Αµερικάνικο Ναυτικό ως σύστηµα πλοήγησης µε ακρίβεια περίπου 250m. Όµως γρήγορα διαπιστώθηκε ότι το GPS προσέφερε εξαιρετικές ακρίβειες, της τάξης µέχρι και εκατοστών ή και χιλιοστών, και η εφαρµογή του γενικεύτηκε σε διάφορους τοµείς της επιστήµης και της τεχνικής. Ένας από τους τοµείς στους οποίους το GPS αποδείχθηκε εξαιρετικά επιτυχές είναι η καταγραφή κινήσεων σηµείων της επιφάνειας της γης που περιγράφουν τεκτονικές κινήσεις (Turner [1]) ή κινήσεις ασταθών επιφανειακών σχηµατισµών (π.χ. κατολισθήσεις). Η τεχνική είναι απλή. ύο ή περισσότεροι δέκτες GPS εγκαθίστανται σε επιλεγµένες θέσεις και λαµβάνουν, επεξεργάζονται και καταγράφουν σήµατα που στέλνονται από ένα σµήνος δορυφόρων που διέρχονται από τον ορίζοντα. Τα σχετικά σήµατα στη συνέχεια εισάγονται σε Η.Υ. και υφίστανται κατάλληλη επεξεργασία από την οποία προκύπτει η απόσταση µεταξύ των δεκτών και οι συντεταγµένες τους σε τρισδιάστατο καρτεσιανό σύστηµα αναφοράς µε αρχή των αξόνων το κέντρο της γης. Η µέθοδος αυτή επιτρέπει σύγκριση των συντεταγµένων σηµείων τα οποία θεωρούνται σταθερά για κάποιο χρονικό διάστηµα, ή κινούνται µε αργή ταχύτητα της τάξης του 1m/day (Elosegui [2]). Τα τελευταία χρόνια όµως έχουν αναπτυχθεί, τόσο η κινηµατική, όσο και η µέθοδος RTK (Real Time Kinematic) που επιτρέπουν υπολογισµό συντεταγµένων κινούµενων σηµείων, είτε post-processing, είτε real-time αντίστοιχα. Ειδικότερα η µέθοδος RTK αφορά συστήµατα δύο δεκτών συνδεδεµένων µε ραδιόζευξη που επιτρέπει την αµφίδροµη επικοινωνία τους και τον άµεσο (real-time) υπολογισµό συντεταγµένων του κινούµενου δέκτη (Rover) σε σχέση µε το δέκτη αναφοράς (Reference). Για το λόγο αυτό οι κινηµατικές µέθοδοι άρχισαν να χρησιµοποιούνται στη µελέτη των ταλαντώσεων και παραµορφώσεων µεταλλικών κατασκευών όπως γέφυρες (π.χ. λόγω κυκλοφοριακού φόρτου και ανεµοπιέσεων, Ashkenazi [3]) και ψηλές κεραίες (Wasilewski [4]). Στο Εργαστήριό µας έχουν γίνει πειράµατα που έχουν αποδείξει την ικανότητα των δεκτών GPS να περιγράφουν τόσο σε real time όσο και σε post processing µε ακρίβεια λίγων εκατοστών την ταλάντωση εύκαµπτων κατασκευών (π.χ. κρεµαστών γεφυρών, κεραιών κλπ) και εποµένως τη δυνατότητα να αποτελέσουν τη βάση συστηµάτων ασφαλείας και συναγερµού (Νικητοπούλου [5];Πρωτοψάλτη [6]). Η ανάπτυξη των κινηµατικών µεθόδων του GPS, έχει επιτρέψει την εισαγωγή του και στον τοµέα των συγκοινωνιών. Αναφέρεται ότι σε άλλες χώρες δέκτες χαµηλής ακρίβειας (και κόστους) σε συνδυασµό µε ηλεκτρονικό χάρτη αποτελούν συνήθη εξαρτήµατα που τοποθετούνται ακόµη και σε ιδιωτικά αυτοκίνητα. Σε ειδικές όµως περιπτώσεις η διαχείριση της κυκλοφορίας ειδικών οχηµάτων γίνεται µε κεντρικό σχεδιασµό µε βάση GPS και ραδιόζευξη. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα αποτελούν, αρχικά ο έλεγχος της κυκλοφορίας των οχηµάτων της Ολυµπιάδας της Ατλάντα και αργότερα των οχηµάτων Επιχειρήσεων Κοινής Ωφέλειας µε τους ίδιους δέκτες GPS (U.S. Department of

3 Trasportation [7]) και ακόµη ο έλεγχος της κυκλοφορίας των φορτηγών µέσω συστήµατος GPS κατά την επιχείρηση απόρριψης των συντριµιών των δίδυµων πύργων στη Νέα Υόρκη (Menard [8]). Η εγκατάσταση των δεκτών GPS στα χρησιµοποιούµενα φορτηγά και η συνεχής παροχή (σε πραγµατικό χρόνο) δεδοµένων σχετικά µε τις κυκλοφοριακές συνθήκες στον κεντρικό σταθµό, είχε ως αποτέλεσµα αφενός την αποφυγή κυκλοφοριακού χάους από τη συγκέντρωση φορτηγών σε δρόµους υψηλής κυκλοφορίας και αφετέρου την αξιόλογη αύξηση των δροµολογίων ανά ηµέρα ανά φορτηγό, κάτι που συνεπάγεται µεγάλο οικονοµικό όφελος. Όµως, άγνωστο παραµένει το αν το σύστηµα GPS µπορεί να υιοθετηθεί στον Ελλαδικό χώρο για τέτοιου είδους εφαρµογές, δεδοµένου ότι δεν έχει διευκρινισθεί αν η διαθεσιµότητα των δορυφόρων στην περιοχή είναι επαρκής. Σε µια προσπάθεια διερεύνησης του παραπάνω προβλήµατος προχωρήσαµε σε πειραµατικές µετρήσεις στην περιοχή της Πάτρας, µε σκοπό την καταγραφή της τροχιάς και ταχύτητας οχήµατος εφοδιασµένου µε δέκτη GPS. 3. Περιγραφή πειραµάτων Ξύλινη επίπεδη επιφάνεια προσαρµόστηκε στην οροφή ενός οχήµατος. Επάνω στην ξύλινη επιφάνεια στερεώθηκε ο κινούµενος δέκτης GPS (Σχήµα 1), ο οποίος κατέγραφε δορυφορικά σήµατα ανά 1 sec, καθ όλη τη διάρκεια που το αυτοκίνητο κινείτο. Ο σταθερός δέκτης GPS εγκαταστάθηκε στην ταράτσα του κτιρίου Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών και κατέγραφε ανά 1 sec, καθ όλη τη διάρκεια της πορείας του οχήµατος. Το όχηµα εκτέλεσε πορεία που ξεκίναγε από την Πανεπιστηµιούπολη της πόλης της Πάτρας, έφθανε στο κέντρο της πόλης και κατέληγε ξανά στην Πανεπιστηµιούπολη, κάνοντας διαδροµή περίπου 9 χλµ που αντιστοιχεί και στη συνήθη διαδροµή ενός συγκοινωνιακού οχήµατος. Εποµένως, η διαδροµή µπορεί να χωρισθεί σε δύο τµήµατα, ένα εντός και ένα εκτός κέντρου πόλεως (Σχήµα 2α). Κατά τη διάρκεια της πορείας το όχηµα έκανε πέντε στάσεις των πέντε λεπτών για να διαπιστωθεί κατά πόσο το GPS «αντιλαµβάνεται» τις αυξοµειώσεις της ταχύτητας. Τα πειράµατα έγιναν, τον Ιανουάριο 2003, µε δύο δέκτες τύπου Javad- Legacy-H και δύο εξωτερικές κεραίες τύπου Javad JPS-Legant-E που διαθέτει το Σταθερός δέκτης Κινούµενος δέκτης Σχήµα 1: Σταθερός και κινούµενος δέκτης

4 Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρµογών, του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών, του Πανεπιστηµίου Πατρών. Το πείραµα πραγµατοποιήθηκε δύο φορές και η χρησιµοποιούµενη µέθοδος ήταν η Post-Processing Kinematic. 4. Επεξεργασία στοιχείων Τα δεδοµένα καταγράφηκαν στους δέκτες, περάστηκαν στον Η/Υ και επεξεργάστηκαν µε τη βοήθεια του προγράµµατος Pinnacle. Τα εξαγόµενα αποτελέσµατα ήταν συντεταγµένες (Χ, Υ, Ζ) σε αρχείο µορφής κειµένου (*.txt). Γνωρίζοντας τις συντεταγµένες σχεδιάστηκε η διαδροµή του οχήµατος στο πρόγραµµα Autocad (Σχήµατα 2β & 2γ). Στη συνέχεια, µε τη βοήθεια του προγράµµατος Excel, υπολογίστηκαν οι µέσες τιµές των συντεταγµένων ανά 20 sec, οι µέσες αποστάσεις και οι µέσες ταχύτητες για αυτά τα διαστήµατα (Σχήµατα 3α & 4α). Τέλος, υπολογίστηκαν οι µέσες ταχύτητες για όλη τη διαδροµή του οχήµατος από το ταχύµετρο του αυτοκινήτου (Σχήµατα 3β & 4β). Η παραπάνω διαδικασία επεξεργασίας πραγµατοποιήθηκε και για τα δύο πειράµατα. 5. Αξιολόγηση αποτελεσµάτων Όπως αναφέρθηκε, η διαδροµή αποτελείται από δύο τµήµατα, ένα εντός και ένα εκτός του κέντρου της πόλεως. Το πρώτο τµήµα περιέχει τις οδούς Αγ.Σοφίας, Κωνσταντινουπόλεως, Μαιζώνος, Πατρέως, Αγ.Ανδρέου και Νόρµαν, και το δεύτερο τµήµα τις οδούς Ηρώων Πολυτεχνείου, Κανελλοπούλου και Ν.Ε.Ο. Αθηνών-Πατρών (Σχήµα 2). Μελετώντας τα Σχήµατα 2β και 2γ, παρατηρείται ότι όσον αφορά το πρώτο τµήµα (εντός κέντρου πόλεως), τόσο από την πρώτη όσο και από τη δεύτερη µέτρηση, το σήµα του GPS διακόπτεται συχνά, µε αποτέλεσµα να έχουµε περιορισµένο αριθµό καταγραφών καλής ποιότητας, ακόµα και σε σηµεία που έχει γίνει στάση πέντε λεπτών. Αυτό συµβαίνει διότι το οπτικό πεδίο του δέκτη στον ορίζοντα είναι περιορισµένο σε περιοχές µε στενούς δρόµους και ψηλά κτίρια. Συνεπώς δεν µπορούµε να έχουµε την ακριβή και λεπτοµερή απεικόνιση της διαδροµής εντός του κέντρου της πόλεως των Πατρών. Αντιθέτως, στο δεύτερο τµήµα (εκτός κέντρου πόλεως, Σχήµατα 2β & 2γ), παρατηρείται ότι η λήψη σήµατος από το GPS είναι συνεχής, µε αποτέλεσµα την πλήρη απεικόνιση της διαδροµής. Αυτό συµβαίνει αφού στην περιοχή αυτή η δόµηση είναι σχετικά αραιή και υπάρχει ανεµπόδιστη οπτική των δορυφόρων. Ο προσδιορισµός των µέσων ταχυτήτων δεν ήταν δυνατόν να γίνει µε ακρίβεια, µέσα στο κέντρο της πόλης. λόγω της ασυνεχούς και µη ακριβούς καταγραφής της διαδροµής από το δέκτη του GPS. Οι µέσες ταχύτητες που προσδιορίστηκαν από το ταχύµετρο του οχήµατος παρουσιάζονται στα σχήµατα 3β και 4β. Για το τµήµα της διαδροµής εκτός κέντρου πόλεως, ο υπολογισµός των µέσων ταχυτήτων κατά τη διάρκεια της διαδροµής ήταν ακριβής. Μελετώντας τα σχήµατα 3 και 4 παρατηρείται ότι σε αρκετά τµήµατα της πορείας, οι µέσες

5 Μποζαϊτικα Τερψιθέα Κέντρο Πατραϊκός Κόλπος (α) ιεύθυνση Ψ (m) ιεύθυνση Χ (m) (β) ιεύθυνση Ψ (m) ιεύθυνση Χ (m) (γ) Σχήµα 2: (α) ιάγραµµα της περιοχής της Πάτρας- ιαδροµή που ακολουθήθηκε κατά το πείραµα, (β) Καταγεγραµµένη διαδροµή από το δέκτη GPS (Μέτρηση 1η), (γ) Καταγεγραµµένη διαδροµή από το δέκτη GPS (Μέτρηση 2η)

6 Αρχή-Πέρας (Στάση 1) Κανελλοπούλου Εθνική οδός Πατρών-Αθηνών (Στάση 5) (Στάση 2) Αγ. Σοφίας Μαιζώνος Ηρώων Πολυτεχνείου (Στάση 3) Αγ. Ανδρέου B 0.5 km (Στάση 4) Πατρέως (α) Αρχή-Πέρας (Στάση 1) Κανελλοπούλου Εθνική οδός Πατρών-Αθηνών (Στάση 5) (Στάση 2) Αγ. Σοφίας Μαιζώνος Ηρώων Πολυτεχνείου (Στάση 3) Αγ. Ανδρέου B 0.5 km (Στάση 4) Πατρέως (β) (β) εν έχει σήµα το GPS 0-10 km/h km/h km/h km/h km/h Κατεύθυνση οχήµατος Σχήµα 3: (α) 1 η Μέτρηση-Μέσες ταχύτητες από τις συντεταγµένες του GPS (β) 1 η Μέτρηση-Μέσες ταχύτητες από το ταχύµετρο του αυτοκινήτου

7 Αρχή-Πέρας (Στάση 1) Κανελλοπούλου Εθνική οδός Πατρών-Αθηνών (Στάση 5) (Στάση 2) Αγ. Σοφίας Μαιζώνος Ηρώων Πολυτεχνείου (Στάση 3) Αγ. Ανδρέου B 0.5 km (Στάση 4) Πατρέως (α) Αρχή-Πέρας (Στάση 1) Κανελλοπούλου Εθνική οδός Πατρών-Αθηνών (Στάση 5) (Στάση 2) Αγ. Σοφίας Μαιζώνος Ηρώων Πολυτεχνείου (Στάση 3) Αγ. Ανδρέου B 0.5 km (Στάση 4) Πατρέως (β) εν έχει σήµα το GPS 0-10 km/h km/h km/h km/h km/h Κατεύθυνση οχήµατος Σχήµα 4: (α) 2 η Μέτρηση-Μέσες ταχύτητες από τις συντεταγµένες του GPS (β) 2 η Μέτρηση-Μέσες ταχύτητες από το ταχύµετρο του αυτοκινήτου

8 ταχύτητες που εξήχθησαν από τις µετρήσεις GPS είναι πολύ κοντά σε αυτές που µετρήθηκαν από το ταχύµετρο του οχήµατος. 6. Συµπέρασµα Με βάση τα συµπεράσµατα αυτά, προκύπτει ότι το GPS θα µπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιµο στη µελέτη της κυκλοφορίας του τραµ, δεδοµένου ότι αυτό κινείται σε φαρδείς δρόµους που προσφέρουν ανεµπόδιστη ορατότητα προς τους δορυφόρους και εποµένως υψηλής ποιότητας καταγραφές. Στόχος µιας τέτοιας µελέτης θα ήταν η εκτίµηση της ταχύτητας των οχηµάτων στα διάφορα σηµεία των διαδροµών και ιδιαίτερα ο εντοπισµός περιοχών και περιόδων βραδυπορίας και στάσεων. Τα δεδοµένα αυτά εκτιµάται ότι θα είναι χρήσιµα για την βελτιστοποίηση του επιχειρησιακού σχεδιασµού του τραµ τόσο σε πιλοτικό όσο και σε επίπεδο κανονικής λειτουργίας. 7. Βιβλιογραφία [1] Turner L., What s Shaking? Earthquake Trials Test Networked RTK, GPS World, Vol.13, Number 4, 16-22, [2] Elosegui P., Davis J. L., Johansson J.M. and Shapiro I. I., Detection of transient motions with the Global Positioning System, Journal of Geophysical Research, Vol. 10, , [3] Ashkenazi V., and Roberts G. W., Experimental Monitoring of the Humber Bridge Using GPS, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Vol. 120, , [4] Wasilewski A., Rzepecka Z. and Kapcia J., Application of GPS RTK technique to study of deformation of Aerial Radio TV masts, Proccedings of the 9 th FIG International Symposium on Deformation Measurements, , [5] Νικητοπούλου Α., Ανάπτυξη πρότυπης πειραµατικής διάταξης για την εκτίµηση των σφαλµάτων GPS-RTK µε στόχο την παρακολούθηση ταλαντώσεων εύκαµπτων κατασκευών, ιατριβή για την απόκτηση Μεταπτυχιακού ιπλώµατος Ειδίκευσης, Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρµογών, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, [6] Πρωτοψάλτη Κ., Στατιστική ανάλυση και αξιολόγηση πειραµατικών µετρήσεων για τον προσδιορισµό της αξιοπιστίας των µεθόδων RTK και KINEMATIC του συστήµατος GPS, ιατριβή για την απόκτηση Μεταπτυχιακού ιπλώµατος Ειδίκευσης, Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρµογών, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, [7] U.S. Department of Trasportation, An Intelligent Transportation System for Atlanta for the 1996 Olympics, Internet address: [8] Menard R. and Knieff J., GPS at Ground Zero. Tracking World Trade Center Recovery, GPS World, Vol. 13, Number 9, 16-26, 2002.

9 GPS-record of path and velocity of moving vehicles - applications in the tram systems T. Katsenos, I. Pavlidis, V. Timotheou, A. Nickitopoulou, K. Protopsalti, P. Triantafyllides, S. Stiros Geodesy Lab., Department of Civil Engineering University of Patras, GR Patras, Greece Summary The recent development of the satellite-based GPS technology has permitted the real-time tracking of moving vehicles, while special transportation projects are based on GPS and radio-control. For example, the organizers of the 1996 Atlanta Olympic Games were in absolute control of their vehicles on the base of radiolinked GPS receivers (subsequently used by the municipality and utility vehicles), while the New York City Department of Design and Construction was forced to employ GPS technology for the 1.8-million-ton debris cleanup of the World Trade Center site, in an 8-month period, in order to avoid a traffic chaos by huge trucks passing though the center of the City, and to reduce the cost of the project. In order to assess the use of GPS in similar applications in this part of Greece, mainly due to the availability of satellites, some experiments have recently been made in the city of Patras; their aim was to record the path and the velocity of a car supplied with a dual-frequency GPS receiver and moving through different circulation and road topography conditions, with velocities ranging between 0 and 50 km/h, in open roads and narrow streets among multistorey buildings. The basic results of these experiments are that (1) In open roads (unobstructed visibility of satellites), the track and velocity of the moving car are completely and accurately recorded (2) In obstructed conditions (buildings, narrow roads etc) these records are rather incomplete and less accurate (3) It is possible to map variations in the velocity of the moving car, and especially to identify sites and duration of stops. According to these results, GPS could be useful in the study of optimization of the circulation plan of trams, especially since the latter usually pass through wide roads with unobstructed view of the satellites.