Ρέζος Σπύρος, Ψιμούλης Πάνος, Κοκκίνου Ελίνα και Στείρος Στάθης

Transcript

1 Διαχείριση κυκλοφορίας μεγάλων οχημάτων σε αστικό οδικό δίκτυο με τη χρήση έξυπνων συστημάτων διαχείρισης κυκλοφορίας (I.T.S.) βασισμένων στη δορυφορική τεχνολογία GPS Ρέζος Σπύρος, Ψιμούλης Πάνος, Κοκκίνου Ελίνα και Στείρος Στάθης Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρμογών, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα Περίληψη Η εκτέλεση ενός μεγάλου τεχνικού έργου στον αστικό ιστό μιας πόλης (όπως η κατασκευή ενός μετρό κ.α.) μπορεί να έχει σημαντικές δυσμενείς επιπτώσεις και στην γενικότερη κυκλοφορία των οχημάτων στο συγκοινωνιακό δίκτυο της. Ειδικότερα, η κυκλοφορία μεγάλων φορτηγών και μηχανημάτων που συνήθως χρησιμοποιούνται σε όλα τα στάδια της κατασκευής έχει ως επίπτωση σημαντική παρακώλυση της κυκλοφορίας των υπόλοιπων οχημάτων και δευτερογενώς την αύξηση κόστους του τεχνικού έργου λόγω μείωσης της ταχύτητας κυκλοφορίας των οχημάτων του έργου. Ένας καινοτόμος και αποτελεσματικός τρόπος επίλυσης του παραπάνω προβλήματος είναι η διαχείριση της κυκλοφορίας των μεγάλων οχημάτων με τη χρήση έξυπνων συστημάτων διαχείρισης κυκλοφορίας (I.T.S.). Η πλέον συνήθης περίπτωση είναι η χρήση GPS στο όχημα για τον συνεχή προσδιορισμό των συντεταγμένων του σε συνδυασμό με οδικό ηλεκτρονικό χάρτη και ασύρματη επικοινωνία με το κέντρο ελέγχου, το οποίο παρέχει τις κατάλληλες οδηγίες με βάση την υπάρχουσα κυκλοφοριακή κατάσταση. Παραδείγματα εφαρμογής της παραπάνω μεθόδου είναι η μεταφορά των υλικών της κατάρρευσης του World Trade Center («Δίδυμους Πύργους») μέσα από το οδικό δίκτυο της Νέας Υόρκης και στην μεταφορά των εκχωμάτων από την εκσκαφή σηράγγων σε Ευρωπαϊκές πρωτεύουσες.

2 1. Εισαγωγή Η κυκλοφοριακή συμφόρηση αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα των σύγχρονων πόλεων ανά την υφήλιο. Ειδικά στις ώρες αιχμής το επίπεδο εξυπηρέτησης των δρόμων των μεγαλουπόλεων πέφτει κατακόρυφα και οι χρόνοι διαδρομής πολλαπλασιάζονται. Η εκτέλεση ενός μεγάλου τεχνικού έργου σε μια πόλη όπως η εκσκαφή σηράγγων μετρό κ.α.- πολλές φορές επιβάλλει την ειδική κυκλοφορία μεγάλου αριθμού οχημάτων σε συγκεκριμένους άξονες της, δημιουργώντας προβλήματα με αλυσιδωτές επιπτώσεις τόσο στη ροή της κυκλοφορίας όσο και στο ίδιο το έργο. Ειδικότερα, το μεγάλο μήκος των οχημάτων αυτών σε σχέση με το μικρό πλάτος των οδών και η πυκνότητα ροής τους προκαλούν επιβάρυνση της κυκλοφορίας, κλείσιμο διασταυρώσεων και οδηγούν σε κυκλοφοριακό χάος. Η κατάσταση αυτή έχει προφανώς επιπτώσεις στο κόστος ολοκλήρωσης του έργου. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση μιας πρωτοποριακής μεθόδου καθοδήγησης μεγάλων οχημάτων σε αστικό οδικό δίκτυο, με τη χρήση έξυπνων συστημάτων καθοδήγησης βασισμένων στη δορυφορική τεχνολογία GPS. Επιπλέον παρουσιάζονται δυο παραδείγματα εφαρμογής αυτής της μεθόδου στην Νέα Υόρκη το 2001 και στην εκσκαφή σηράγγων σε μεγάλες Ευρωπαϊκές πόλεις. 2. Σύγχρονα Συστήματα Διαχείρισης Κυκλοφορίας (I.T.S.) Τα έξυπνα συστήματα διαχείρισης της κυκλοφορίας (Ι.Τ.S.) βασίζονται στις πιο σύγχρονες ασύρματες, ηλεκτρονικές και αυτοματοποιημένες τεχνολογίες. Έχουν την ικανότητα να αντιμετωπίζουν συνολικά όλα τα επιμέρους τμήματα του μεταφορικού κλάδου όπως τα οχήματα, τους χρήστες και των υποδομών. Βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς όπως η βελτιστοποίηση του χρόνου και της απόστασης μιας διαδρομής, η αποφυγή κυκλοφοριακής συμφόρησης, η συλλογή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο για οτιδήποτε συμβαίνει στο οδικό δίκτυο κ.α. Η πρώτη εφαρμογή τέτοιων συστημάτων διαχείρισης κυκλοφορίας έγινε το 1991 όταν επιχειρήθηκε η σύνδεση των ηλεκτρονικών τεχνολογιών με τον κλάδο των επίγειων μεταφορών στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής [1]. Από τότε αυξήθηκε εντυπωσιακά η χρήση υπολογιστών, τηλεπικοινωνιών και δεκτών στην παρακολούθηση της κυκλοφορίας στο οδικό δίκτυο σε παγκόσμια κλίμακα. 2.1 Αρχιτεκτονική των ITS Τα βασικά στοιχεία ενός τέτοιου συστήματος είναι τα εξής: Επικοινωνιακό δίκτυο. Ο ρόλος του είναι να μεταφέρει στιγμιαία (real time) πληροφορίες και δεδομένα τόσο σε χρήστες του δρόμου όσο και σε

3 διαχειριστές. Το τμήμα μεταφορών της πολιτείας της Washington (WSDOT) χρησιμοποιεί ένα σύστημα επικοινωνιών το οποίο αποτελείται από ασύρματο, δέκτη και οπτικές ίνες οι οποίες διατρέχουν όλο το μήκος του οδικού δικτύου. Συλλέκτες κυκλοφοριακών δεδομένων Ο στόχος τους είναι να συλλέγουν πληροφορίες σχετικές με την κυκλοφορία των οχημάτων στον δρόμο. Το πιο συνηθισμένο όργανο που χρησιμοποιείται για αυτόν τον σκοπό είναι ένα απλό χαμηλής τάσης καλωδιωτό πηνίο το οποίο είναι θαμμένο στην άσφαλτο και στέλνει έναν ηλεκτρικό παλμό όταν ένα όχημα περάσει από πάνω του. Άλλες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται είναι το GPS, υπέρυθρες ακτίνες, ραντάρ, εικόνες ή ακόμα και βίντεο. Τα δεδομένα στέλνονται σε πραγματικό χρόνο στους διαχειριστές του οδικού δικτύου και βοηθούν στην εκτίμηση της κυκλοφοριακής κατάστασης του δρόμου. Κέντρα Διαχείρισης Κυκλοφορίας Συλλέγουν όλα τα δεδομένα από τις παραπάνω πηγές σε πραγματικό χρόνο και με την κατάλληλη επεξεργασία μπορούν να παίρνουν αποφάσεις σε θέματα σχετικά με την διαχείριση του δρόμου. Η συμβολή τους είναι καθοριστική τόσο σε θέματα αποφυγής κυκλοφοριακής συμφόρησης, όσο και στην αντιμετώπιση έκτακτων περιστατικών όπως ατυχήματα. Συστήματα ενημέρωσης χρηστών Αποτελούν τον συνδετικό κρίκο μεταξύ των κέντρων διαχείρισης της κυκλοφορίας και των χρηστών των δρόμων. Τα συνηθισμένα μέσα που χρησιμοποιούνται είναι φωτεινές πινακίδες μηνυμάτων, ραδιοφωνικές συχνότητες, αποστολή μηνυμάτων σε κινητά τηλέφωνα, κλπ. Οι πληροφορίες που μεταδίδονται έχουν σχέση με την κυκλοφοριακή κατάσταση, τα όρια ταχύτητας, την ύπαρξη ατυχημάτων, τους χρόνους ταξιδιού. Ακόμα μπορούν να υποδείξουν εναλλακτικές διαδρομές σε περίπτωση ύπαρξης σοβαρής κυκλοφοριακής συμφόρησης. 2.2 Εφαρμογές του GPS Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα συστήματα διαχείρισης κυκλοφορίας συγκεκριμένου στόλου οχημάτων με βάση τον προσδιορισμό της πορείας τους με δορυφορική τεχνολογία GPS. H πρώτη επιτυχής εφαρμογή της μεθόδου φαίνεται να έγινε κατά τους Ολυμπιακούς της Ατλάντα το Στην περίπτωση αυτή τα ειδικά οχήματα εξυπηρέτησης και υποστήριξης ήταν εφοδιασμένα με GPS που προσδιόριζε τη θέση τους και στη συνέχεια την απέστειλε σε Κέντρο Ελέγχου Κυκλοφορίας. Στο Κέντρο γινόταν έλεγχος της αποστολής κάθε οχήματος, τυχόν προβλημάτων και δίνονταν ειδικές οδηγίες για αντιμετώπιση προβλημάτων. Η εκτίμηση είναι ότι το σύστημα απέδωσε γιατί δεν σημειώθηκαν παρά σε ελάχιστες περιπτώσεις καθυστερήσεις ή σφάλματα εκπλήρωσης των αποστολών ( NT.htm)

4 3. Παραδείγματα Εφαρμογής Παρακάτω παρουσιάζονται δυο περιπτώσεις όπου εφαρμόστηκε η μεθοδολογία διαχείρισης οχημάτων με ITS βασισμένο στη δορυφορική τεχνολογία GPS. 3.1 Απομάκρυνση ερειπίων μετά την κατάρρευση του World Trade Center το 2001 Μετά από την κατάρρευση των Δίδυμων Πύργων τον Σεπτέμβριο του 2001 στην Νέα Υόρκη μια από τις προκλήσεις που έπρεπε να αντιμετωπίσουν οι πολιτειακές αρχές ήταν η απομάκρυνση των ερειπίων από το χώρο της κατάρρευσης (Ground Zero). Μάλιστα αυτή η ενέργεια ήταν επιβεβλημένο να γίνει όσο το δυνατόν συντομότερα τόσο για τον καθαρισμό του χώρου όσο και για την ψυχολογική ανάταση των κατοίκων της Νέας Υόρκης. Το κόστος της διαδικασίας συλλογής, φόρτωσης και απόθεσης των αδρανών υλικών αρχικά εκτιμήθηκε στα 7 δισεκατομμύρια δολάρια, υπέρογκο ποσό για τις οικονομικές δυνατότητες του τμήματος σχεδιασμού και κατασκευών της πόλης της Νέας Υόρκης. Τα ερείπια θα φορτώνονταν σε μεγάλα φορτηγά και στην συνέχεια θα μεταφέρονταν σε 5 χώρους απόθεσης στα περίχωρα της Νέας Υόρκης. Η κίνηση των οχημάτων αυτών στους δρόμους της πόλης θα ήταν αρκετά δύσκολη με αποτέλεσμα να μεγαλώνει ο χρόνος διαδρομής από το σημείο μηδέν (Ground Zero) στους χώρους απόθεσης, να γίνονται λιγότερα δρομολόγια ανά ημέρα και να καθυστερεί η όλη διαδικασία. Εκτός των άλλων γινόταν αρκετά δυσχερής και η κίνηση των αυτοκινήτων και πολλές φορές δημιουργούνταν κυκλοφοριακό κομφούζιο επειδή το convoy των φορτηγών θα έκλεινε τις διασταυρώσεις. Στην προσπάθεια εύρεσης ενός πιο οικονομικού και ταυτόχρονα αποτελεσματικού τρόπου εκτέλεσης των παραπάνω εργασιών, κατέληξαν στην αξιοποίηση της δορυφορικής τεχνολογίας GPS και σύγχρονων συστημάτων διαχείρισης κυκλοφορίας. Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε αποτελείτο από ένα ευρυζωνικό τηλεπικοινωνιακό δίκτυο, ένα σύστημα παρακολούθησης πορείας οχημάτων βασισμένο στην τεχνολογία GPS, κάμερες παρακολούθησης και συστήματα καταγραφής και ανθρώπινο προσωπικό το οποίο είναι επιφορτισμένο με τις ευθύνες εγκατάστασης, λειτουργίας, παρακολούθησης και διαχείρισης. Η λειτουργία έχει ως εξής: αρχικά ο δέκτης GPS που υπήρχε σε κάθε φορτηγό κατέγραφε τη θέση του και οι σχετικές πληροφορίες αποστέλλονταν στο κέντρο ελέγχου με ασύρματο δίκτυο το οποίο είχε εγκατασταθεί και είχε εκτεταμένη κάλυψη στην περιοχή της Νέας Υόρκης. Στην συνέχεια τα δεδομένα αυτά στέλνονταν στον server της ιστοσελίδας που είχε δημιουργηθεί στην Μινεάπολη. Εκεί μετά από επεξεργασία προέκυπταν χάρτες στους οποίους φαίνονταν με ακρίβεια η θέση του

5 φορτηγού αλλά και άλλες πληροφορίες όπως το κυκλοφοριακό φορτίο. Με βάση τα στοιχεία αυτά γινόταν η βελτιστοποίηση της κίνησης του στόλου των φορτηγών, η οποία περιελάμβανε προγραμματισμό της διαδικασίας αποκομιδής, προσδιορισμό της ροής κίνησης, υποχρεωτικές αναμονές σε επιλεγμένα σημεία για αποφυγή υπερφόρτωσης οδών και κόμβων, εναλλακτικές διαδρομές, κλπ. Οι οδηγοί των φορτηγών και οι λοιποί εμπλεκόμενοι ενημερόνωνταν μέσω ασύρματων φωνητικών εντολών και ιστοσελίδας από όπου εκτός από πληροφορίες για την κίνηση μπορούσαν να έχουν πρόσβαση και σε δεδομένα όπως η θέση του φορτηγού, αναφορές και παρακολούθηση της κίνησης. Σχήμα 1. Σχηματική απεικόνιση του συστήματος που ακολουθήθηκε. Διακρίνονται η επικοινωνία με των οχημάτων με GPS, η μεταφορά αυτών των δεδομένων στον server και στην συνέχεια η επεξεργασία και μετάδοση αυτών των προς όλους τους ενδιαφερόμενους μέσω internet. Οι αρχικές προδιαγραφές προέβλεπαν προσδιορισμό της θέσης των φορτηγών με ακρίβεια 20 μέτρων. Τελικά η ακρίβεια που επιτεύχθηκε ήταν μεταξύ 10 με 50 μέτρα, και αυτό γιατί όταν το φορτηγό κινούνταν σε δρόμους με ψηλά κτίρια εκατέρωθεν υπήρχε περιορισμός ορατότητας των δορυφόρων αλλά και σφάλμα πολυανάκλασης του σήματος (multipath effect), σφάλμα το οποίο δεν είχε σημαντική επιρροή στην τελική καθοδήγηση του οχήματος και επιτυχία του εγχειρήματος. Με την παραπάνω μεθοδο η απομάκρυνση των ερειπίων από το Ground Zero ολοκληρώθηκε στον χρόνο ρεκόρ των 19 μηνών, ενώ αρχικά είχε υπολογιστεί να ολοκληρωθεί σε 23 μήνες. Στους πρώτους 6 μήνες είχαν μεταφερθεί με επιτυχία το 80% των συνολικών υλικών ενώ το κόστος το οποίο αρχικά είχε εκτιμηθεί σε 7 δισεκατομμύρια δολλάρια μειώθηκε στα 750 εκατομμύρια δολλάρια [2].

6 Σχήμα 2. Φορτηγά σε αναμονή έξω από το Ground Zero περιμένοντας οδηγίες να εισέλθουν στην κίνηση από το κέντρο ελέγχου. Η μείωση του αριθμού των φορτηγών σε αναμονή και του χρόνου αναμονής ήταν πολύ σημαντικός παράγοντας για την εξέλιξη του έργου. Σχήμα 3. Εικόνα του εξοπλισμού ο οποίος ήταν εγκατεστημένος σε κάθε φορτηγό. Διακρίνονται από αριστερά προς τα δεξιά η κεραία GPS, η ασύρματη κεραία και το κουτί (ανθεκτικό σε φθορές) το οποίο περιέχει μόντεμ, δέκτη και εφεδρική μπαταρία. Σχήμα 4. Το χρονοδιάγραμμα του έργου. Η όλη επιχείρηση ολοκληρώθηκε σε διάστημα 19 μηνών ενώ στους πρώτους 6 μήνες είχε απομακρυνθεί το 80% των ερειπίων. 3.2 Η κατασκευή της περιμετρικής της Μαδρίτης Μ-30 Η περιμετρική οδός της Μαδρίτης περικλείει μια επιφάνεια 42 m 2 στο κέντρο της πόλης και είχε κατασκευαστεί τις δεκαετίες του 1960 και του Τα τελευταία χρόνια αποφασίστηκε να επεκταθεί και να ολοκληρωθεί το έργο αυτό με την κατασκευή δυο σηράγγων μήκους 3600 χιλιομέτρων η

7 κάθε μια όπως φαίνεται και στη δορυφορική φωτογραφία (σχ. 5). Το κάθε τούνελ θα έχει 3 λωρίδες κυκλοφορίας ανά κατεύθυνση και διάμετρο 15.2 μέτρων. Προφανώς η εκσκαφή αυτή μαζί με τις συμπληρωματικές κατασκευές (σταθμούς, φρέατα κ.λ.π.) θα οδηγούσε σε ένα τεράστιο όγκο μπάζων που θα έπρεπε να μεταφερθεί εκτός της πόλης σε σημεία απόθεσης βρίσκονταν σε απόσταση 12 χιλιομέτρων από την τοποθεσία εκτέλεσης του έργου. Για την μεταφορά των χωματισμών που δημιουργήθηκαν από την κατασκευή των σηράγγων χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα διαχείρισης κυκλοφορίας που θα επέτρεπε στα φορτηγά να κινηθούν μέσα από τους δρόμους της πόλης η χάραξη των οποίων είχε γίνει τουλάχιστον 25 χρόνια νωρίτερα χωρίς να προκαλούν κυκλοφοριακές διαταραχές. Κάθε μέρα προέκυπτε ένας μεγάλος όγκος χωματισμών με δεδομένο ότι το έργο εξελισσόταν με αρκετά γρήγορος ρυθμούς, σκάβοντας 20 μέτρα κατά μέσο όρο κάθε μέρα και από τα δυο τούνελ [3]. Σχήμα 5. Δορυφορική φωτογραφία του κέντρου της πόλης της Μαδρίτης. Με κίτρινη λεπτή γραμμή εικονίζεται η υπάρχουσα περιμετρική οδός ενώ με κόκκινη εικονίζονται οι σήραγγες που κατασκευάζονται. Ο σχεδιασμός προέβλεπε αξιοποίηση των υπαρχόντων υποδομών τις Μαδρίτης όσον αφορά τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Το κάθε φορτηγό ήταν εφοδιασμένο με δέκτη GPS το οποίο έστελνε στο κέντρο ελέγχου πληροφορίες όπως η θέση του οχήματος και η ταχύτητα του. Από εκεί λαμβάνοντας υπ όψιν την κυκλοφοριακή κατάσταση των παρακείμενων οδών το κέντρο ελέγχου σχεδίαζε την διαδρομή που πρέπει να ακολουθηθεί

8 ή υποδείκνυε το σημείο στο οποίο θα πρέπει το φορτηγό να κάνει στάση έτσι ώστε να μην δημιουργήσει κυκλοφοριακό πρόβλημα με την είσοδο του στον δρόμο. Η ολοκλήρωση του έργου θα γίνει στο τέλος του έτους και τα αποτελέσματα εφαρμογής της παραπάνω μεθόδου έχουν συμβάλλει στην μείωση της δημιουργίας σημαντικών κυκλοφοριακών προβλημάτων στους δρόμους της Μαδρίτης. 5. Συμπεράσματα Τα κυκλοφοριακά προβλήματα των σύγχρονων πόλεων επιβαρύνονται σε περιπτώσεις μαζικής κυκλοφορίας μεγάλων, κυρίως, οχημάτων. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να δοθεί με την χρήση σύγχρονων συστημάτων διαχείρισης της κυκλοφορίας τα οποία είναι βασισμένα στην δορυφορική τεχνολογία GPS. Από τις περιπτώσεις εφαρμογής αυτών των συστημάτων συμπεραίνεται ότι η συμβολή τους στην αντιμετώπιση κυκλοφοριακών προβλημάτων είναι σημαντική. Επιτυγχάνεται η μείωση των χρόνων διαδρομής των φορτηγών, η αποφυγή κυκλοφοριακής συμφόρησης και η γρηγορότερη και οικονομικότερη εκτέλεση του έργου. Οι λύσεις αυτές βελτιστοποίησης της κυκλοφορίας προφανώς απαιτούν μια επένδυση σε τεχνολογικό υλικό και εκπαιδευμένο προσωπικό. Όμως, όπως αποδείχτηκε από τις περιπτώσεις που αναφέρθηκαν, το cost-benefit analysis έδειξε ότι τα έργα απέφεραν όχι απλά ένα θετικό αποτέλεσμα, αλλά και ουσιαστικό κόστος τόσο για τον κύριο τους, αλλά και την κοινωνία ως σύνολο. Βιβλιογραφία [1] Intelligent Transportation Society of America. Delivering the future of transportation: The National Intelligent Transportation Systems program plan-a ten year vision [2] Menard, M J, Knieff, J L. GPS at Ground Zero:Tracking World Trade Center. GPS World, September 2002 [3] Monzon A. et al. The M-30 ring road improvement project a sustainable mobility strategy for Madrid. Revista de Obras Publicas, April 2005 [4] Shaheen S. A. and Finson R., Intelligent transportations systems, Encyclopedia of energy, volume 3, 2004 [5] Faghri A. and Hammad K., Application of GPS in traffic management systems, GPS Solution vol.5 No.3, pp 52-60, 2002 [6] Manson P., Real-time applications of GPS, GIS/GPS conference 97, Qatar 1997

9 Traffic management of heavy vehicles in urban road networks using Intelligent Transportation Systems (ITS) based on GPS technology. Rezos Spyros, Psimoulis Panos, Kokkinou Elina and Stathis Stiros Laboratory of Geodesy and Geodetic Applications, Department of Civil Engineering, University of Patras, Greece Abstract The construction of a large scale project within the urban network (for example the construction of a subway or the excavation of a tunnel) may have significant negative effects on the vehicular traffic. Especially in the case of large trucks or heavy vehicles need to travel through the urban network, the traffic is blocked and this has chain effects influencing the planning and the cost of the project. An innovative and effective method of coping with the above problems is the traffic management of those heavy vehicles with the aid of intelligent transportation systems (ITS) based on GPS technologies. A GPS receiver is installed in every single truck in order to provide real time information about its position and its velocity. All these information are forwarded to a control center with the use of wireless communications. In this center, following certain plans based on electronic maps it is decided whether each vehicle should continue moving, stop in a selected spot in order not to obstruct the circulation or follow an alternative path. Two case studies in which the above method was applied are discussed: the debris removal after the collapse of the World Trade Center in New York and the excavation of a tunnel in Madrid. In both cases this method proved absolutely effective and helped to complete projects on shorter time, with reduced cost and without any significant counter-effects in the life of the cities. This proves that adaptation of such techniques may require a certain investment in the infrastructure, but there is much compensation concerning the cost-benefit balance.