Inteligentné technológie z pohľadu UNIZA

Nasadzovanie inteligentných technológií do rozličných spoločenských oblastí naberá v posledných rokoch na intenzite aj rozsahu. Pri snahe o komplexnejší prístup je komplikujúcou skutočnosťou, že všetky kritické dáta sú typicky uložené v heterogénnych a vzájomne nekompatibilných systémoch pod správou rôznych autorít. Toto komplikuje, až znemožňuje vytvorenie jedného komplexného integrovaného pohľadu na vyskytujúce sa udalosti a ich súvislosti. Navrhovaný systém má umožniť rýchlu integráciu a zdieľanie informácií a vzájomnú koordináciu relevantných subjektov, a tým zvýšenie efektívnosti a kvality poskytovaných služieb. Zvyšujúce sa nároky na prenos, spracovanie a analýzu veľkého objemu dát bezpečným spôsobom vedie k pomerne výraznému nárastu technologických, organizačných a ekonomických požiadaviek. Dokonca aj v súčasnosti sú v rôznych krajinách a rôznych aplikačných oblastiach implementované odlišné legislatívne pravidlá týkajúce sa ochrany súkromia a manipulácie s osobnými a citlivými dátami. Cieľom je dosiahnuť stav, keď výhody z použitia technológií inteligentných miest a inteligentnej dopravy prevážia obavy z narušenia súkromia a bezpečnosti.

Žilinská univerzita (UNIZA) využíva svoj intelektuálny, technologický, vedecký a výskumný potenciál na riešenie problémov základného a aplikovaného výskumu na poli inteligentných miest a inteligentnej dopravy (Smart Cities, intelligent transportation Systems). Na prelome storočia sa Žilinská univerzita zapojila do riešenia kľúčových dopravných výziev na národnej i medzinárodnej úrovni.

Tieto smery výskumu sú plne kompatibilné s kurzom európskeho výskumu formulovaného v dokumente Strategic research Agenda 2020, rámcovom programe EÚ pre výskum a inovácie Horizont 2020. Rešpektujú aj dlhodobý plán vedeckej a technickej stratégie Fénix, národný plán pre výskumnú a vývojovú infraštruktúru – SK ROADMAP a stratégiu dunajského regiónu. Na týchto základoch sa ďalej rozvíja moderná vedecko-výskumná infraštruktúra a spolupráca so zahraničnými výskumnými a akademickými subjektmi, ako aj s komerčnou sférou. Sformovala sa nová generácia expertov zameraných na technológie a služby inteligentných miest a inteligentnej dopravy.

Inteligentný areál

Na Katedre riadiacich a informačných systémov elektrotechnickej fakulty Žilinskej univerzity (KRIS) preto prebieha intenzívny výskum technológií a služieb súvisiacich s koncepciou inteligentných miest a inteligentnej dopravy. V nadväznosti na tieto stratégie aktuálne prebieha testovacia prevádzka platformy iBM intelligent operations Centre (IOT) umožňujúcej integráciu dát z viacerých systémov súvisiacich s inteligentným mestom a inteligentnou dopravou. Platforma je súčasťou spoločných výskumných aktivít Žilinskej univerzity a spoločnosti IBM Slovensko. Ide o prostredie poskytujúce pokročilé analytické, vizualizačné, optimalizačné a predikčné nástroje pre systémy súvisiace s inteligentným mestom a dopravou. Medzi tieto systémy patria uzly senzorových sietí merajúce environmentálne veličiny a skenery monitorujúce pohyb osôb a vozidiel vybavených technológiami Bluetooth a WiFi. K dispozícii sú aj inteligentné kamerové systémy poskytujúce službu pohodlnejšieho a bezpečnejšieho parkovania v areáli univerzity. 3D skenovacie zariadenie navrhnuté a skonštruované našimi výskumníkmi  umožňuje vytváranie priestorových máp interiérov aj exteriérov budov, komunikácií a iných záujmových oblastí. Návrh a analýza bezpečnosti cestných tunelov sa realizuje na simulátore tohto špecifického prvku cestných komunikácií.

Systém rešpektuje aj aktuálne trendy v ukladaní dát a disponuje aj konektivitou do cloud prostredia IBM Bluemix. Prostredníctvom neho je možné dáta ďalej jednoducho sprístupniť na prezentačné a analytické účely.

Nezabúda sa ani na dôležitý aspekt bezpečnosti systému a jeho odolnosť voči rastúcemu riziku vonkajších sieťových útokov. Tento aspekt bezpečnosti je preverovaný pomocou špecializovaného zariadenia na penetračné testovanie sietí simulujúceho sieťové útoky a poskytujúceho nástroje na ich analýzu a prevenciu.

Poznatky získané pri návrhu a implementácii technológií a získané dáta sú prezentované na domácich i zahraničných fórach a projektoch. Príkladom je akcia COST TU1305 „Sociálne siete a správanie pri cestovaní“ a projekt H2020-MSCA-RISE-2016 s názvom SENSIBILE „Senzory a inteligencia v zastavanom prostredí“. Na niektoré vybrané aplikácie inteligentných technológií s možnosťou integrácie sa pozrieme bližšie.

Inteligentné a bezpečné parkovanie

V súčasnej praxi sa na monitorovanie verejných priestranstiev, ulíc, odstavných plôch a dopravných prostriedkov používajú kamerové systémy. Kamerové systémy sú často prepojené komunikačným systémom, ktorý funguje centralizovane, rýchlosť odpovede signalizácie a monitorovania nie je vždy dostačujúca (nie je v reálnom čase). Tiež je nízka flexibilita zobrazovania na výstupných zariadeniach, keďže výstupné zariadenie je predvolené, bez možnosti adaptability. Stále je veľmi rozšíreným spôsobom monitorovania automobilov na parkovacích miestach a odstavných plochách i fyzická kontrola.

Cieľom systému nasadzovaného na Žilinskej univerzite je poskytnúť koncovému používateľovi bezpečnostnú službu dohľadu nad jeho vozidlom. Táto bezpečnostná služba je schopná strážiť konkrétne vozidlo koncového používateľa pomocou videokamerového systému. Výstupom systému a jeho bezpečnostnej funkcie je okamžité zaslanie informácie o manipulácii, resp. o odcudzení vozidla. Táto informácia sa používateľovi posiela prostredníctvom e-mailu a SMS.

Automatizovaný systém na obrázku (časť 1) vychádza z koncepcie na základe schváleného úžitkového vzoru PUV 96-2015 "Automatizovaný systém monitorovania a stráženia dopravných prostriedkov na odstavných plochách“. Umožňuje monitorovať a strážiť dopravné prostriedky (časť 8) parkujúce na odstavných plochách (časť 6) a nachádzať voľné parkovacie miesta (časť 7)

Používateľ (majiteľ vozidla, vodič, prípadne iná poverená osoba) (časť 2) sa zo svojho zobrazovacieho zariadenia (smartfón, tablet, notebook) (časť 9) pripojí prostredníctvom externého komunikačného podsystému (časť 5a) na server (časť 4) systému. Externý komunikačný podsystém je tvorený intranetovou, prípadne internetovou sieťou. Po pripojení sa k serveru môže používateľ monitorovať vozidlo na parkovacom mieste, alebo aj vyhľadať miesta, ktoré ešte nie sú obsadené. Informácie a dáta sú získavané z kamier (časť 3) nainštalovaných v príslušnej lokalite. Systém je navrhnutý ako decentralizovaný, teda nie je nutné obrazové informácie zo všetkých kamier prenášať prostredníctvom interného komunikačného podsystému do jedného servera.

Inovatívne 3D meranie priestoru

Na účely návrhu rozmiestnenia prvkov monitorovacieho systému parkovísk sa ukázalo veľmi vhodným použitie priestorového modelu oblasti. Trend implementácie technológií trojrozmerného merania a trojrozmernej vizualizácie rôznych objektov je dlhodobo rastúci. Na meranie sa spravidla používajú špeciálne 3D skenery a špecializované vizualizačné nástroje na virtuálne zobrazovanie trojrozmerného priestoru. Čo však robiť v prípade, ak tieto špecializované nástroje nemáme k dispozícii alebo ich nemožno použiť? Ponúka sa možnosť použiť lacnejšie dvojrozmerné skenery a programovým spracovaním nasnímaných dát vytvoriť trojrozmerný model priestoru.

V prípade, že potrebujeme vytvoriť trojrozmerný model vonkajšieho priestoru, možno použiť terestriálne laserové skenery, ktoré umožňujú zmerať priestor okolo skenera a následne programovo vytvoriť virtuálny model snímaného priestoru. Niekedy však pomerne zložitý terestriálny skener použiť nemožno. Napríklad, ak potrebujeme vytvoriť model železničnej trate a jej okolia alebo diaľnice aj s jej okolím, nie je možné na čas merania zastaviť dopravu, doprostred železničnej trate alebo diaľnice postaviť skener a zapnúť meranie. Pritom model dopravnej stavby vytvorený takýmto skenerom je veľmi užitočný, pretože nám umožňuje sledovať vzájomné vzťahy medzi objektami mimo cesty a vozidlami pohybujúcimi sa po ceste alebo železničnej trati. Ak napríklad stavby, zariadenia vedľa trate alebo porast zasahujú do priestoru, v ktorom sa pohybujú vozidlá, hrozí nebezpečenstvo zrážky vozidiel s týmito objektmi a poškodenia vozidiel aj objektov mimo cesty a prípadne aj zranenia cestujúcich.

Z týchto dôvodov sme sa na Katedre riadiacich a informačných systémov na elektrotechnickej fakulte Žilinskej univerzity venovali vývoju mobilného meracieho systému, ktorý umožní zosnímanie priestoru počas pohybu. Na pohyblivú meraciu platformu sme umiestnili potrebné zariadenia, ktoré pri pohybe základne odmerajú všetky údaje potrebné na vytvorenie 3D modelu. Meranie vzdialeností jednotlivých objektov vykonávajú dva laserové skenery. Na vytvorenie 3D modelu je preto potrebné skenermi pohybovať a pritom zisťovať ich skutočnú polohu. Na to slúžia ďalšie senzory umiestnené na pohyblivej meracej platforme. Na platforme je umiestnený aj počítač, na disk ktorého sa ukladajú všetky nasnímané údaje.

Samotné meranie a snímanie dát sa vykonáva pri pohybe základne v priestore, pričom laserové skenery pri každej otáčke meracej hlavy odmerajú vzdialenosti všetkých objektov v jednej rovine, a tak urobia virtuálny rez snímaným priestorom. Spojením mnohých rezov do jedného celku je možné vytvoriť trojrozmerný model priestoru vo forme mračna bodov, pričom pre každý bod v tomto mračne sú známe jeho presné súradnice. Z mračna bodov sú následne vypočítané tvary plôch pokrývajúcich merané objekty a tieto plochy potom pokryté obrazovými textúrami získanými z obrazu televíznych kamier umiestnených na meracej platforme.

Na vytvorenie 3D modelu boli použité nové vlastné metódy na výpočet mračna bodov, na generovanie plôch pokrývajúcich objekty, na vytváranie textúr a pokrytie vytvorených plôch týmito textúrami. Okrem toho boli navrhnuté algoritmy, ktoré v mračne bodov dokážu nájsť určité objekty – napríklad stĺpy dopravných značiek, stožiare verejného osvetlenia, obrubník na hranici vozovky, kríky alebo stromy v blízkosti cesty. Výsledkom spracovania odmeraných dát pomocou navrhnutých algoritmov je virtuálny model naskenovaného priestoru, v ktorom sa možno pohybovať rovnako ako pri virtuálnej prehliadke vytvorenej len fotografickou technikou. Model však navyše poskytuje informácie o veľkosti a vzdialenostiach všetkých nasnímaných objektov. Vďaka tomu vytvorený model možno použiť nielen na virtuálnu prehliadku nasnímaného priestoru, ale aj na presné zistenie rozmerov všetkých objektov. Vytvorený trojrozmerný model vďaka znalosti rozmerov všetkých objektov v modeli môže poslúžiť vo viacerých odvetviach. Široké možnosti uplatnenia sú v stavebníctve a architektúre.

Prevádzkovateľom železničných tratí použitie mobilného systému umožní skontrolovať, či žiadne objekty mimo trate nezasahujú do priestoru, v ktorom sa pohybujú železničné vozidlá, alebo sa k nemu príliš nepribližujú. Vytvorený 3D virtuálny model im umožní plánovať prípadné úpravy trate, napríklad posúdiť, či nejaká plánovaná stavba nebude ohrozovať pohyb vozidiel, ako ovplyvní výhľad rušňovodičov. Technológia je veľmi efektívna pri snímaní povrchu vozovky na výpočet rozmerov všetkých dier, ktoré sa nachádzajú na vozovke. Ich znalosť umožní napríklad vypočítať, koľko materiálu bude treba na opravu nerovností na vozovke. Ponúkajú sa aj aplikácie merania a mapovania okolia cestnej komunikácie a jej kritických prvkov.

Národný systém dopravných informácií

Aktuálne existujúca sieť pozemných komunikácií, predovšetkým vo veľkých mestách vo väčšine prípadov buď nedokáže v prijateľnej kvalite obslúžiť dopyt, alebo sa v mnohých úsekoch prevádzkuje na hranici svojej kapacity. Akékoľvek, aj drobné incidenty, môžu spôsobiť vznik kolón a kolíznych situácií. Problémovými sú najmä aglomerácie miest ako Bratislava, Košice, prípadne tie, ktoré nemajú vybudovaný diaľničný obchvat ako Prešov, Žilina, Ružomberok. Priamym dôsledkom sú časové zdržania používateľov cestnej siete, dopravné nehody, nadmerné emisné zaťaženie a ďalšie spoločenské škody. Dôvodmi nemožnosti zabezpečiť dopravnú obsluhu v prijateľnej kvalite sú predovšetkým vysoké časové a finančné nároky na výstavbu komunikácií s vyššou kapacitou. Limitujúcimi sú tiež zásadné priestorové obmedzenia výstavby v zastavanom území miest.

Riešenie týchto problémov je možné dosiahnuť nasadením Národného systému dopravných informácií (NSDI), spusteného do prevádzky v roku 2017. Na návrhu systému sa podieľali aj výskumníci z KRIS. Koncept systému predstavuje komplexné systémové prostredie pre prevádzku a správu aplikácií a systémov na zber, spracovanie, zdieľanie, publikovanie a distribúciu dopravných informácií a údajov o aktuálnej dopravnej situácii v sieti pozemných komunikácií na Slovensku. NSDI je navrhnutý ako otvorený systém, takže umožňuje pripojenie viacero heterogénnych existujúcich, navrhovaných i budúcich systémov. Štruktúra je tvorená Národným dopravným informačným centrom (NDIC), modulom tvorby a zberu informácií, blokom IDS hlavných ciest a blokom IDS mestských aglomerácií.

Ani dostatočne dimenzovaná cestná sieť nezaručuje primeranú kvalitu a úroveň dopravnej obsluhy pri vysokých intenzitách dopravy, typických pre stredne veľké a veľké aglomerácie. Významné zvýšenie kvality dopravnej obsluhy však možno zaistiť optimalizáciou využitia existujúcej infraštruktúry a aktívnym predchádzaním vzniku situácií negatívne ovplyvňujúcich dopravu.

Simulácie cestných tunelov

Tunely sú veľmi špecifická súčasť cestnej infraštruktúry, navrhujú sa tam, kde je potrebné prekonať prírodné alebo umelé prekážky. Tunely samotné skracujú dĺžku trasy a popri iných výhodách aj znižujú negatívny vplyv dopravy na životné prostredie. Nehodovosť v tuneloch je nižšia ako pri bežných komunikáciách, ale následky sú oveľa závažnejšie. Ak odhliadneme od zranení a úmrtí osôb, pri nehodách dochádza aj k poškodeniu tunela a k následnému odstaveniu, čo logicky vedie k ekonomickým stratám. Z dopravného hľadiska je možné na tunelový komplex nazerať ako na dopravný systém pozostávajúci z tunelovej stavby s jedným alebo viacerými tubusmi. Súčasťou sú priľahlé križovatky slúžiace na odklonenie dopravy na súbežnú komunikáciu v prípadoch, keď je tunel zatvorený.

Tunel ako stavba je veľmi nákladná záležitosť, nie len z hľadiska náročnosti výstavby, ale aj z hľadiska technologického. Kvôli možnosti simulovať mimoriadne udalosti a hodnotiť prínosy jednotlivého technologického vybavenia pre rôzne kategórie tunelov bol vyvinutý tunelový Simulátor (TuSim).

TuSim je komplexné hardvérové a softvérové riešenie založené na priemyselnom PC vo funkcii programovacieho logického kontroléra (PLC) so záložnou napájacou jednotkou kvôli simulácii režimu nepretržitej prevádzky. Technologické komponenty jednotlivých subsystémov tunela nie sú fyzicky pripojené k PLC, ale simulované softvérom. Funkčné usporiadanie jednotlivých technologických komponentov a ich geometrické rozmiestnenie je zobrazované pomocou dohľadového a riadiaceho systému SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) rovnako ako v reálnom tuneli. Okrem simulácie technologického vybavenia TuSim podporuje aj simuláciu ovládania dopravných sekvencií, akými sú napríklad nehody, zápchy a podobne. Pre vernejšie a presnejšie simulácie sú v simulátore samostatne implementované modely týkajúce sa funkcionality jednotlivých tunelových systémov, resp. modely na potreby klasifikácie bezpečnosti. Ide napríklad o model dopravného prúdu, model prúdenia vzduchu či model samotného tunelového tubusu.

Celý systém má otvorený softvérový koncept ďalšieho rozširovania od úrovne softvéru v PLC až po dizajn grafických obrazoviek. V TuSime je možné simulovať aj reflexy tunela, teda odpovede riadiaceho systému tunela na mimoriadnu udalosť v tuneli ako napríklad čiastočný alebo úplný výpadok napájania, poruchu osvetlenia, požiar, stlačené SOS tlačidlo, alarm alebo varovanie spôsobené hodnotami fyzikálnych veličín.

Autori: Ing. Peter Holečko, PhD., prof. Ing. Aleš Janota, PhD. EUR ING, Ing. Rastislav Pirník, PhD., Ing. Marián Hruboš, PhD., Ing. Martin Vívodik

Tento článok bol uverejnený v časopise Urbanita 2017, 29. ročník