PROJECTO ICSI SISTEMAS COOPERATIVOS INTELIGENTES PARA A MELHORIA DA EFICIÊNCIA NO TRÁFEGO

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1 PROJECTO ICSI SISTEMAS COOPERATIVOS INTELIGENTES PARA A MELHORIA DA EFICIÊNCIA NO TRÁFEGO Lara Trigueiro de Moura 1 ; Rui Silva Costa 2 1 Brisa Inovação e Tecnologia, Departamento de Investigação, Desenvolvimento e Inovação, Lagoas Park, Ed. 15, Piso 4, Porto Salvo, Oeiras, Portugal ext_lmoura@brisa.pt 2 Brisa Inovação e Tecnologia, Departamento de Investigação, Desenvolvimento e Inovação, Lagoas Park, Ed. 15, Piso 4, Porto Salvo, Oeiras, Portugal Sumário Vários desenvolvimentos têm sido feitos em sistemas inteligentes de transportes sendo que os mesmos compreendem uma variedade de aplicações ao nível das comunicações que contribuem para o aumento da segurança, minimização dos impactes ambientais, melhoria da gestão do tráfego e maximização dos benefícios dos transportes para os diferentes utilizadores. Este projecto pretendeu dar um passo importante de modo a colocar a indústria Europeia na vanguarda tecnológica ao nível dos sistemas cooperativos inteligentes de transporte, melhorando as suas capacidades tecnológicas, industriais e estratégicas para a futura implementação dos sistemas cooperativos na infraestrutura rodoviária. Palavras-chave: Sistemas cooperativos; eficiência; M2M 1 ; gestão de tráfego; sistemas inteligentes de transportes. 1 INTRODUÇÃO A grande maioria das actividades, sejam elas de nível pessoal ou profissional, encontram-se extremamente dependentes do sector dos transportes. Esta dependência acarreta diversos impactes negativos para a sociedade, nomeadamente ao nível do congestionamento, ambiente e segurança. Efectivamente, as previsões para o crescimento no sector dos transportes, nomeadamente as indicadas no Livro Branco dos Transportes [1], referem que os custos relacionados com o congestionamento irão aumentar cerca de 50% em 2050, pelo que se torna essencial garantir que a mobilidade e os transportes são mais eficientes, mais seguros e energeticamente sustentáveis. Considerando a magnitude destes desafios, as abordagens convencionais tais como a construção de novas estradas ou a expansão de actuais apresenta-se como uma alternativa pouco viável, não permitindo alcançar num adequado espaço de tempo os resultados esperados. Assim, é claro que soluções inovadoras são necessárias para alcançar resultados rápidos dada a urgência das necessidades identificadas. É por isso, que os Sistemas Inteligentes de Transporte (em inglês, Intelligent Transport Systems) têm um papel importante, contribuindo para alcançar resultados concretos, de forma rápida e eficiente. Os sistemas inteligentes de transporte são aqueles que utilizam tecnologias sinérgicas e conceitos de sistemas de engenharia para desenvolver e melhorar os sistemas de transporte de todos os tipos. Tendo em consideração estes pressupostos, a proposta do Projecto Europeu ICSI [3] pretende abordar simultaneamente os desafios referidos dando ainda um salto qualitativo no que respeita ao futuro da mobilidade. Deste modo, o desenvolvimento de uma plataforma para unir e integrar fontes de dados heterogéneos num sistema comum e fornecer um conjunto de ferramentas avançadas para o controle, monitorização, simulação e previsão do tráfego, que permita no final garantir uma maior segurança nas estradas, uma maior sustentabilidade e um menor congestionamento. 1 Machine-to-machine 1

2 Enquanto algumas das tecnologias estão a entrar numa fase mais madura ainda é necessária uma solução completa e integrada que possa tirar benefício de uma análise em tempo-real dos dados recolhidos e que disponha de uma reação apropriada no actual sistema de transportes. Isto requer um nível superior de inteligência que possa ser integrado na detecção e nas comunicações das infraestruturas, com agregação descentralizada e poder de decisão que possa ser feito de forma robusta e atempada. O projecto pretende dar um passo importante de modo a colocar a indústria Europeia na vanguarda tecnológica ao nível dos sistemas cooperativos inteligentes de transporte, melhorando as suas capacidades tecnológicas, industriais e estratégicas para a futura implementação dos sistemas cooperativos na infra-estrutura rodoviária. 2 SISTEMA COOPERATIVO ICSI (INTELLIGENT COOPERATIVE SENSING FOR IMPROVED TRAFFIC EFFICIENCY) Actualmente os sistemas ITS são muito complexos, sendo constituídos por diversos subsistemas que trabalham de modo isolado para fornecer funções dedicadas. Estes subsistemas são muitas vezes fechados, ou seja, não possuem interfaces para acesso directo a terceiros, sendo também verticais, isto é, fornecem um sistema end-toend dos sensores até à interface humana-máquina (HMI Human Machine Interface) do sistema. Neste sentido, a fusão de dados provenientes de diferentes subsistemas que operam na mesma área é na prática muito difícil e está condenado a piorar no futuro já que a infra-estrutura de ICT (em inglês, Information Comunications Technologies) nos sistemas de transporte cada vez é maior e mais complexa. O principal objectivo do projecto ICSI é o de que esta interacção entre fontes de dados heterogéneos seja feita do modo mais simples possível ao fornecer uma camada comum para a distribuição de dados e para alavancar esta oportunidade para alterar a inteligência na decisão centrada nos humanos em centros de controle para máquinas distribuídas na própria infra-estrutura de ICT [3]. Esta comunicação machine-to-machine (M2M) entre sensores (e.g., fluxos de tráfego) e actuadores (e.g., sinais de mensagem variável) irá ser possível no contexto local, mantendo-o eficaz, eficiente a altamente escalável. Esta transição será facilitada através da utilização de gateways (GW), que irão fornecer aos sistemas existentes a sua interface ao mesmo tempo que são implementadas novas funções para comunicação e inteligência. A longo prazo, uma nova classe de sensores será lançada e que explorará de forma directa e mais eficiente os benefícios da arquitectura proposta. A plataforma ICSI pretende fornecer um protótipo de um sistema Europeu de monitorização de tráfego e informação, que pode ter impacto a diferentes níveis: Fornecer informação de tráfego precisa e em tempo-real; Fornecer informação contínua de tráfego que permite manter a capacidade das vias no nível normal e minimiza os congestionamentos de trafego; Reduzir o número de acidentes de carro devido à informação disponível sobre condições de tráfego; Reduzir os tempos de viagem, especialmente em ambiente urbano, onde os cidadãos passam muito tempo nos transportes; Fornecer novos serviços pessoais que incluem planeamento da viagem antes da partida e durante a viagem, monitorização de veículos, gestão de estacionamento, etc.; Melhoria de ferramentas para recolha e análise de acidentes, melhoria da monitorização da segurança nas vias e fornecimento de informação precisa para o desenvolvimento de novas medidas de segurança rodoviária; Redução das emissões de CO 2 e melhoria da qualidade de vida dos cidadãos através da sugestão de serviços de transporte intermodal em áreas urbanas. Tendo como foco a melhoria da segurança nas estradas, o sistema ICSI providencia aos utilizadores da estrada os seguintes serviços: 2

3 Detecção - diferentes sensores e componentes do sistema detectam anomalias associadas às condições da estrada, tais como: acidentes, trabalhos na estrada, congestionamento, condições atmosféricas adversas; Análise - o sistema analisa os diferentes inputs e toma as devidas decisões localmente, usando as regras pré-definidas focadas nos aspectos de segurança na estrada; Informação - a plataforma informa os utilizadores da estrada sobre as situações anómalas de modo a que possam tomar as devidas precauções, contribuído assim para a segurança na estrada. 2.1 Objectivos Os resultados do projecto irão permitir o desenvolvimento de estratégias de gestão tráfego e viagens avançadas, baseadas em dados de input fiáveis e em tempo-real. Neste contexto, os principais objectivos do projecto são: Investigar e desenvolver soluções Inovadoras para uma mobilidade mais eficiente; Desenhar uma nova arquitectura, horizontal e distribuída onde a inteligência do sistema é distribuída por várias plataformas ITS (gateways), rompendo com as arquitecturas comuns, hierárquicas e verticais; Recolher e processar informação de diversas fontes de modo a serem tratados de uma forma autónoma, pelas várias plataformas ITS distribuídas; Implementação e avaliação do sistema proposto em 2 cenários de teste: cenário em ambiente urbano (Pisa, Itália) e em ambiente de auto-estrada (auto-estrada A5,Portugal); Melhoria da eficiência e da performance nos transportes. 2.2 Conceito ICSI - um sistema integrado Considerando a terminologia utilizada pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI) , um sistema de ITS típico é composto por 4 subsistemas principais: Road side - um dispositivo estático, denominado de Road Side Unit (RSU), posicionada ao longo da via para recolha de medidas através de sensores, dando feedback, por exemplo, através de Variable Message Signs (VMSs) e actuando como uma gateway para as comunicações veiculares. A implementação do RSU deverá ser conduzida em localizações estratégicas (intersecções, entradas e saídas de auto-estradas, etc.) onde os problemas de congestionamento e acidentes são mais frequentes, ou em locais onde as capacidades fornecidas pelos sistemas cooperativos permitem uma mais eficiente e eficaz monitorização e uma dinâmica na gestão de tráfego [3]. On Board Unit (OBU) - reside no veículo e que pode ser equipado com sensores e com equipamento de rede wireless para a comunicação com outros veículos, de um modo Veículo-a-Veículo (V2V), e unidades de road side, de um modo Veículo-Infraestrutura (V2I). Pessoal - que se encontra embebido nos dispositivos portáteis utilizados pelos peões e cidadãos para recolha de informação de viagem e notícias. Central - que armazena e elabora dados do sub-sistema periférico e possivelmente fornece-lhes feedback e informação sobre acções a desenvolver. Esta arquitectura foi desenhada para se adaptar de forma flexível a diferentes cenários de aplicação, sendo para tal necessário apenas adicionar os módulos pretendidos. Nos sistemas actuais, os dados fluem de todos os sub-sistemas periféricos, i.e., road side, veículo e pessoa para o sub-sistema central onde as decisões são tomadas, nomeadamente alimentando os componentes de actuação do sub-sistema periférico ou fornecidas externamente, para uma base de dados ou serviço web. Trata-se de um cenário de baixa fiabilidade, escalabilidade limitada uma vez que a adição de sub-sistemas implica a reengenharia da infra-estrutura de comunicação, um tempo de reacção imprevisível devido à elevada complexidade do sistema e dificuldade de integração de múltiplas fontes de sensores. Para ultrapassar os aspectos referidos, o projecto ICSI propôs um novo cenário onde a inteligência passa do subsistema central e é distribuída pelos sub-sistemas periféricos, tal como é ilustrado na figura seguinte. Todas as 3

4 áreas locais se encontram ligadas de forma lógica numa tipologia de rede completa, enquanto fisicamente as comunicações decorrem através de tecnologias de backhaul e internet. Fig.2. Vista lógica da arquitectura proposta [3] O sistema proposto baseia-se no armazenamento e inteligência localmente distribuída, e que opera numa escala geográfica limitada onde os dados são distribuídos e processados em tempo real sem necessidade de contactar o sub-sistema central. Neste sentido, o conceito de gateway é introduzido sendo esta uma entidade lógica que oferece capacidades que são similares às fornecidas pelo sub-sistema central, nomeadamente armazenamento de dados, processamento de eventos, alarmes, mas operados à escala local, ou seja, recebe dados de e elabora dados para um número limitado de componentes numa determinada área. Adicionalmente aos road side units, veículos e sub-sistemas pessoais, cada gateway está ligada de forma lógica a: Sub-sistema central apenas para fornecer dados agregados para optimizações de logo prazo ou outros usos estatísticos; Gateways na mesma área local, que tratam dados relevantes para os sensores e actuadores que serve; Gateways fora da sua área local, que possam precisar de receber dados ou fornecer comandos (e.g. nos sensores de tráfego, o congestionamento num segmento de via pode ter um efeito de cascata em largas áreas: condutores que estão longe podem beneficiar de serem avisados com a devida antecipação dos problemas existentes mais à frente, podendo ser redirecionados para outras vias alternativas ou tomar as devidas precauções, de modo a evitar acidentes). 2.3 Parceiros do projecto O projecto ICSI conta com um conjunto alargado de parceiros, que cobrem diferentes áreas de actuação, e que garantem o balanço adequado entre inovação e investigação focada na tecnologia, o que é necessário para a implementação da visão do ICSI nomeadamente com as seguintes entidades: Três parceiros industriais: INTECS Informatica e Tecnologia del Software S.p.A. (Itália) Forthnet S.A. (Grécia) Ikusi Angel Iglesias S.A. (Espanha) Um utilizador final: Brisa Inovação e Tecnologia (Portugal) Uma PME: 4

5 ObjectSecurity Ltd. (Reino Unido) Cinco centros de investigação: Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (Itália) National Research Council of Italy Institute of Information Science and Technologies (Itália) University of Deusto (Espanha) Faculty of Traffic and Transport Sciences, University of Zagreb (Croatia) Instituto de Telecomunicações (Portugal) O consórcio engloba um conjunto de parceiros com experiência em diferentes mercados, sendo que em conjunto conseguem explorar os resultados do projecto não só na Europa como globalmente. A Brisa Inovação e Tecnologia enquanto parceira do projecto teve como papel o desenho, implementação e avaliação operacional do demonstrador do sistema, tirando vantagem da integração total com o sistema existente de gestão de tráfego e de informação. O teste operacional desenvolvido neste caso realizou-se em Lisboa, na auto-estrada A5. 3 CENÁRIO DE TESTE Foram identificados dois cenários de teste para avaliação do sistema ICSI, um em ambiente urbano e outro em ambiente de auto-estrada. 3.1 Cenário Urbano O cenário urbano foi realizado em Pisa, Itália e incluía três áreas: uma zona constituída pela estrada principal de acesso à cidade, o centro da cidade e uma zona de estacionamento. Neste cenário foi realizada a instalação de sensores para monitorização e recolha de dados e a implementação de um sistema cooperativo capaz de realizar a análise desses dados e tomada de decisões e por informar os veículos sobre as diferentes situações. Na zona constituída pela estrada principal foram instalados sensores para monitorização de tráfego com o objetivo de contar o número de veículos e a sua velocidade média. Esta informação é processada pela plataforma ICSI, com o objectivo de detectar congestionamentos, acidentes e contribuir para a melhoria da gestão de tráfego nesta zona de Pisa. Em caso de acidente e congestionamento a plataforma informa os veículos que existe uma zona de estacionamento disponível nas imediações, sugerindo também a utilização de diversos modos de transporte alternativos. No centro de Pisa foram instalados sensores para a monitorização do nível de poluição do ar, capazes de enviar inputs ao sistema ICSI, que tendo por base as regras pré-definidas manda activar o painel de restrição de acesso de veículos à zona central da cidade, mostrando na plataforma sugestões alternativas de transporte. Por último, na zona de estacionamento foram colocadas câmaras de vídeo para detecção automática do espaço disponível, sendo depois essa informação processada e disponibilizada aos utilizadores através da plataforma cooperativa ICSI, sugerindo outros locais de estacionamento em caso de lotação do espaço. O foco principal deste trabalho diz apenas respeito ao piloto desenvolvido na A5, uma vez que este foi o da responsabilidade da BIT. 3.2 Cenário de auto-estrada Em Lisboa, o sistema ICSI foi testado ao longo da auto-estrada A5. Esta possui 25 km de distância e liga Lisboa a Cascais, tendo sido a primeira auto-estrada a ser construída em Portugal. Sendo uma das mais congestionadas auto-estradas de Portugal e sendo a secção entre Monsanto e Estádio Nacional a mais congestionada de toda a rede, devido à concentração populacional localizada ao longo desta infra-estrutura, este é o local ideal para a implementação do projeto ICSI. 5

6 Neste caso, tendo em consideração os objectivos do projecto, seis casos de uso foram selecionados para serem implementados no cenário de teste ao longo da A5, nomeadamente: Apoio à navegação e escolha intermodal: sistemas cooperativos inteligentes recolhem, processam e distribuem em tempo real dados sobre a utilização da via, congestionamento e preço enviando informação ao utilizador que pode optar por diferentes percursos, incluindo a escolha de outros modos de transporte; Aviso de contramão: os veículos na estrada serão avisados sobre outras viaturas que circulam em sentido contrário, através de comunicações infra-estrutura-veículo ou VMS; Aviso para perigo na estrada: o sistema ICSI, a partir de sensores da via ou da viatura detecta situações de perigo na estrada e dissemina a informação pela plataforma, especificando os locais e o tipo de perigo; Aviso para trabalhos na estrada: o condutor da viatura é alertado para a existência de trabalhos na estrada de acordo com a informação específica; Aviso para congestionamento: o fluxo de tráfego nas áreas monitorizadas é melhorado através da sugestão de rotas optimizadas para o condutor; Aviso para veículo de emergência: quando a viatura de emergência envia a sua posição, direcção e velocidade à plataforma ICSI esta avalia a relevância da situação e se necessário avisa os veículos na área de que o veículo de emergência se está a aproximar. Os testes na auto-estrada são baseados na cooperação activa entre veículo, infra-estruturas de road side e o centro de controlo de tráfego accionado pelo sistema central para a cooperação. Para estes testes, 4 veículos foram equipados com OBUs V2X (comunicação veículo-infraestrutura-veículo) tendo por base o IEEE Standard para acesso wireless em ambientes veiculares e estendido com capacidades GNSS. Do mesmo modo um conjunto de road side units foi instalada ao longo da auto-estrada para apoiar as comunicações V2I (Veículo- Infra-estrutura ) e I2V (Infra-estrutura-veículo). Assim, na secção da A5 foram instalados 6 RSUs, indicados a vermelho na figura seguinte, na infra-estrutura já existente, ou seja, foram usados os armários de telemática disponíveis para a instalação dos equipamentos do projecto ICSI (figura 5). Fig.5. Cenário de teste do projecto 6

7 Fig.6. Instalação das RSUs nos armários de telemática Fig.7. Imagem que ilustra as gateways utilizadas Esta instalação permitiu que a área mais congestionada da A5 fosse coberta por este sistema cooperativo. A falta de espaço existente nos armários não permitiu que as gateways fossem instaladas junto às RSUs, sendo instalados no BackOffice operacional da BIT. As RSUs comunicam com as gateways através da infra-estrutura TCP-IP já existente. 3.3 Equipamento utilizado Os OBUs, RSUs e gateways representam os equipamentos da plataforma ICSI a utilizar no cenário de teste de Portugal. Os RSUs/OBUs foram especialmente desenvolvidos para este projecto e são uma solução híbrida, ou seja, podem funcionar como OBU ou RSU. Este equipamento funciona no espectro dos 5,875-5,905 GHz, espectro alocado pela União Europeia para aplicações de segurança na estrada e eficiência na gestão de tráfego. Os equipamentos utilizados cumprem os requisitos normativos ETSI e possuem as seguintes capacidades: Recolha contínua de informação sobre as condições de tráfego em tempo real; Troca de informação sobre situações potencialmente perigosas na estrada em tempo real; Troca de informação bidirecional entre a infra-estrutura (através do RSU) e o veículo (OBU) ou entre veículos (através dos OBUs); Troca de informação bidirecional entre a infraestrutura (RSU) e a Plataforma Central ITS; Range de comunicação entre os 500 e 1200 metros; Troca de mensagens do tipo CAM (Cooperative Awareness Message) e DEM (Decentralized Environmental Notification Message). 7

8 Fig.8. Estações ITS G5 com antenas externas (GPS e 5.9 GHz) e dispositivos Android [4] No caso do OBU, a interface com o condutor correu num dispositivo Android ligado à estação ITS G5 através de um cabo USB. O interface gráfico ICSI corre no dispositivo Android e os restantes serviços na estação ITS G5. Os veículos estão também equipados com 2 antenas magnéticas, uma para a comunicação 5.9 GHz e uma outra para o GPS. 4 RESULTADOS O trabalho desenvolvido no projecto possui como principal resultado visível as aplicações desenvolvidas, nomeadamente, a App para o dispositivo Android e o interface gráfico da plataforma ICSI. O OBU instalado no veículo possui como interface com o utilizador uma App desenvolvida para o sistema operativo Android, capaz de informar o condutor de todas as situações anómalas, de uma forma visual e intuitiva. Fig.9. Exemplos de alguns casos de teste na App do dispositivo Android. O interface gráfico da plataforma ICSI no cenário de auto-estrada permite visualizar os diferentes alarmes activos nas RSUs instaladas no terreno, quer sejam despoletados pelos veículos ou pelo operador na plataforma ICSI. 8

9 Fig.9. Interface gráfico da plataforma ICSI, no cenário de autoestrada. Nos testes realizados, foi possível avaliar o alcance de comunicação de cada RSU instalado no terreno. Existem diferentes distâncias de cobertura, dependendo da geografia do terreno. Fig.10. Zona de cobertura de cada RSU. O outro parâmetro analisado foi o tempo de transmissão de mensagens entre o OBU e RSU. As medições realizadas mostram que esse valor é relativamente baixo, perto dos 35µs (tempo médio), para um desvio padrão de 0.9 µs, sendo que as mensagens são transmitidas de forma bastante rápida. Fig.11. Tempo de transmissão entre OBU e RSU. 9

10 5 CONCLUSÕES O sistema cooperativo desenvolvido, baseado na comunicação veicular V2X, provou ser capaz de melhorar a segurança na estrada assim como a gestão do tráfego, através da informação aos veículos sobre situações anómalas de tráfego e situações perigosas (acidentes, trabalhos na estrada, situações de congestionamento, entre outras). Esta informação disponibilizada em tempo real aos veículos mostrou ser capaz de contribuir para a adoção de uma condução preventiva de modo a evitar acidentes e situações anómalas de tráfego. A arquitectura proposta permitiu o teste de todos os casos de uso definidos, com resultados práticos em que foi visível o funcionamento do sistema, demonstrando a viabilidade tecnológica do mesmo. As mensagens, despoletadas quer pela plataforma ICSI para as RSUs e destas para a App desenvolvida e que possibilita a interface com o condutor no veículo, ou despoletadas a partir desta mesma aplicação e posterior disseminação pelas RSUs para os OBUs de outras viaturas comprovaram a fiabilidade do sistema e potencial de utilização para situações reais. Os resultados alcançados também impactam nos parceiros industriais, nomeadamente na Brisa em que a implementação de um sistema similar poderá ter consequências positiva significativas na gestão e segurança do tráfego que diariamente circula nas suas infra-estruturas. A proposta de um sistema distribuído como o apresentado pode integrar sistemas existentes já instalados no território, bem como a integração na plataforma de sensores de diferentes tipo, o que possibilita o desenvolvimento de soluções que dão resposta a diferentes necessidades. Adicionalmente, a BIT esteve responsável no âmbito do projecto pelo desenvolvimento das RSUs utilizadas na demonstração, um produto cujo potencial de utilização para diferentes soluções e aplicações é elevado e cuja linha de investigação e desenvolvimento pretende seguir. 6 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao Instituto de Telecomunicações de Aveiro pelo apoio dado ao desenvolvimento das actividades do projecto. 7 REFERÊNCIAS 1. WHITE PAPER Roadmap to a Single European Transport Area Towards a competitive and resource efficient transport system, COM(2011) 144 final, European Commission 2. Official website of ICSI Project ICSI Intelligent Cooperative Sensing for Improved Traffic Efficiency, Description of Work 4. Deliverable Report on the Execution of the Experiments and Results (a), Version 1.3, 30 of June