Файл: Контроля.pdf

58
Вычислительные и сетевые ресурсы
Рис. 4. Схема работы мобильного модуля идентификации
На рис. 4 представлена схема работы мобильного модуля идентификации на участке автомобильной дороги. Согласно данной схеме оперативная информация о ТС с мобильного модуля идентификации в реальном времени передается по беспроводным каналам связи.
При этом по клиентским каналам связи информация поступает на мобильный пост, а по магистральному каналу связи — на центральный пост. Оборудование беспроводной точки доступа располагается на вышке опорной сети передачи информации.
В состав модуля идентификации входят четыре основных узла, которые осуществля- ют контроль за объектом идентификации и передачу полученной информации: радарный датчик, видеокамера, считыватель RFID-меток, радиомаршрутизатор. Управление всеми узлами модуля идентификации осуществляется микропроцессором по трем шинам: управ- ляющей, адресной и шине данных.
В качестве дополнительных узлов используются внутренняя память (ROM и RAM), пор- ты ввода-вывода, сетевой адаптер LAN, параллельные порты COM, дополнительные слоты расширения. Электропитание всех узлов модуля идентификации осуществляется от внут- реннего блока питания.
Архитектура основного аппаратного модуля индентификации представлена на рис. 5.
Радарный датчик модуля идентификации должен содержать блок радиолокационного измерителя скорости и дальности объектов контроля, а также внешнюю плоскую антенну с диапазоном частот 2,4 ГГц. Данный узел построен в соответствии с классической импульс- ной схемой передачи сигналов с последующим цифровым накоплением и обработкой всех принятых отраженных импульсов. Далее производится экстраполяция полученных данных и формируется матрица координат целей, которая передается в микропроцессор.
Видеокамера модуля идентификации должна включать в свой состав высокочувствитель- ную телекамеру и инфракрасный прожектор для подсветки в темное время суток. Инфор- мация от видеокамеры (видеопоток) передается в микропроцессор для распознавания ГРЗ
транспортного средства на программном уровне видеоаналитики. Кроме того, на основе этой информации микропроцессор выполняет оценку “пиксельной” скорости ТС, произво- дит трассировку движения автомобиля, а затем проводит сравнение вычисленных данных с

Рис. 5. Архитектура основного аппаратного модуля идентификации информацией, полученной от радарного датчика. Эта операция позволяет отделять случай- ные радарные данные и различать объекты, движущиеся на одной дальности, но с разными скоростями.
Как только объект, находящийся в пределах рабочего диапазона радара, превышает по- роговую скорость, он автоматически заносится в список объектов “на сопровождение”. При этом формируется кадр “Захват объекта”, и при достижении установленной дальности мик- ропроцессор дает команду “Захват кадра”. При этом осуществляются обнаружение и распо- знавание ГРЗ транспортного средства.
Считыватель RFID-меток модуля идентификации содержит непосредственно ридер ме- ток и антенное устройство. При поступлении от микропроцессора команды “Захват кадра”
осуществляется запуск процедуры считывания RFID-меток, находящихся в зоне действия считывателя.
На основе данных, полученных от радарного датчика, видеокамеры и считывателя RFID- меток, окончательно формируется кадр изображения объекта, на котором присутствует сле- дующая информация:
— ГРЗ, отчетливо видимый на реальной фотографии;
— дата и время события;
— скорость ТС;
— автоматически распознанный ГРЗ;
— номер модуля идентификации.
Ȼɥɨɤ
ɩɢɬɚɧɢɹ
Ⱥɪɢɮɦɟɬɢɤɨ
-
ɥɨɝɢɱɟɫɤɨɟ ɭɫɬɪɨɣɫɬɜɨ
Ɋɟɝɢɫɬɪɵ
Ʉɟɲ
-ɩɚɦɹɬɶ
ɋɯɟɦɵ ɜɧɭɬɪɟɧɧɟɝɨ
ɭɩɪɚɜɥɟɧɢɹ
ɋɯɟɦɵ ɭɩɪɚɜɥɟɧɢɹ ɲɢɧɨɣ
ɉɨɪɬɵ
ɜɜɨɞɚ
-ɜɵɜɨɞɚ
ɋɟɬɟɜɨɣ ɚɞɚɩɬɟɪ
ɉɚɪɚɥɥɟɥɶɧɵɟ
ɤɨɦɦɭɬɢɪɭɸɳɢɟ
ɩɨɪɬɵ
Ⱦɨɩɨɥɧɢɬɟɥɶɧɵɟ
ɫɥɨɬɵ ɪɚɫɲɢɪɟɧɢɹ
Ɋɚɞɚɪɧɵɣ ɞɚɬɱɢɤ
Ɋɚɞɢɨɦɚɪɲɪɭɬɢɡɚɬɨɪ
ȼɢɞɟɨɤɚɦɟɪɚ
ɋɱɢɬɵɜɚɬɟɥɶ
RFID-ɦɟɬɨɤ
ȼɧɭɬɪɟɧɧɹɹ
ɩɚɦɹɬɶ
ROM RAM
ɒɢɧɵ
:ɭɩɪɚɜɥɹɸɳɚɹ
,ɚɞɪɟɫɧɚɹ
ɢ
ɲ
ɢɧɚ
ɞɚɧɧɵɯ
В. М. Вишневский, Р. Н. Минниханов
59

60
Вычислительные и сетевые ресурсы
Радиомаршрутизатор осуществляет передачу данного кадра по клиентским и магист- ральным радиоканалам опорной сети передачи информации в оперативный центр УГИБДД.
Кроме того, передается весь поток видеокадров, а также информация обо всех радиометках в зоне действия модуля идентификации для их просмотра, сравнения и архивирования в БД
оператором в режиме реального времени.
3. Широкополосная беспроводная сеть автоматизированной системы безопас- ности на автодорогах. В данном пункте приводится описание методологии построения высокоскоростной телекоммуникационной сети, обеспечивающей передачу информации от устройств фиксации нарушений ПДД в центр управления в реальном масштабе времени.
Реализация такой сети позволяет устранить один из основных недостатков существующих систем контроля нарушений ПДД — отсутствие оперативной связи с центром управления и контроля ГИБДД.
Высокоскоростная связь вдоль автодорог может быть реализована как с использованием наземных оптоволоконных технологий, так и на базе современных беспроводных средств.
Однако следует отметить, что прокладка нового оптического волокна вдоль существующих автомобильных трасс практически невозможна вследствие высокой стоимости таких про- ектов. В тех зонах, где оптоволокно проложено, подключение к нему стационарных систем фиксации нарушения ПДД осложнено из-за технических и финансовых трудностей и невоз- можно на передвижных пунктах фиксации нарушений. Кроме того, существуют проблемы межведомственного согласования с владельцами оптических линий связи. Таким образом,
единственным эффективным средством является использование современных беспроводных технологий IEEE 802.11n (WiFi), IEEE 802.16m (WiMAX), LTE и CDMA 2000 (сотовая связь)
для создания высокоскоростной сети передачи информации вдоль автодорог.
Среди перечисленных вариантов реализации беспроводной сети оптимальным (по крите- риям стоимости, времени проектирования, простоты реализации и сопровождения) являет- ся выбор аппаратно-программных средств, функционирующих под управлением протокола
IEEE 802.11n с использованием технологии MIMO. Такой выбор обеспечивает высокую но- минальную скорость (до 300 Мбит/с в полудуплексном режиме), качество и надежность передачи мультимедийной информации в сети.
На рис. 6 представлен вариант размещения базовых станций опорной сети передачи ин- формации на участке автодороги. Беспроводная сеть передачи данных должна быть условно разделена на две составляющие: магистральные каналы связи и клиентские точки доступа.
Магистральные каналы связи осуществляют сквозной пропуск информационных пото- ков между базовыми станциями радиосети и доставку этих потоков в центр управления
(ЦУ). В качестве магистральных каналов связи необходимо использовать частотный диапа- зон 5650÷6425 МГц.
Клиентские точки доступа осуществляют прием данных от клиентского оборудования
(устройств видеофиксации, портативных компьютеров и других устройств со стандартными радиокартами WiFi), находящегося в зоне действия данной точки доступа, и передачу их в магистральные каналы связи с последующей доставкой в ЦУ.
Поскольку в клиентских устройствах применяются модули WiFi стандарта IEEE
802.11a/g, в качестве клиентских точек доступа необходимо использовать оборудование с рабочим диапазоном частот 2400÷2483 МГц. Клиентами (абонентами) беспроводной сети в зоне доступа могут быть любые мобильные или стационарные устройства, имеющие модуль
WiFi стандарта IEEE 802.11b/g.

!"

# ! !
(5 )
# !
$

% !
$

& !
(2,4 )
В. М. Вишневский, Р. Н. Минниханов
61
Рис. 6. Размещение базовых станций опорной сети передачи информации на участке автодороги
Выбор топологии размещения базовых станций обусловлен наличием условий “прямой видимости” между точками и расстоянием между ними в пределах 20 км, что гарантирует высокоэффективную пропускную способность магистральных радиоканалов.
На рис. 6 показаны базовые станции радиосети, магистральные каналы связи между ни- ми, клиентские точки доступа, размещенные на этих базовых станциях, а также возможные клиенты данных точек доступа (устройства идентификации, мобильный пост, стационарный пост). Центр управления находится в здании УГИБДД и посредством беспроводного канала связан со всеми абонентами радиосети.
Все магистральные каналы связи между базовыми станциями радиосети работают в ре- жиме “точка – точка”. В качестве оборудования для магистральных каналов должны быть использованы радиомаршрутизаторы протокола IEEE 802.11n, обладающие высокоэффек- тивной пропускной способностью (не менее 120 Мбит/с) и надежностью.
Все клиентские точки доступа, размещенные на базовых станциях радиосети, должны работать в режиме “Базовая станция” для поддержания режима связи с абонентами “точка –
многоточка”. В качестве оборудования для клиентских точек доступа используются радио-

62
Вычислительные и сетевые ресурсы
маршрутизаторы протокола IEEE 802.11a,b,g, обладающие эффективной пропускной способ- ностью (не менее 20 Мбит/с). Данные радиомаршрутизаторы должны быть совместимыми с любым оборудованием, функционирующим под управлением протокола IEEE 802.11a,b,g,
для осуществления связи с существующими и возможными абонентами сети этой точки до- ступа. Максимальное количество абонентских устройств, подключенных к одной клиентской точке доступа, не должно превышать 10. Превышение данного числа абонентских устройств
(при интенсивной работе каждого из них) может привести к коллизиям в беспроводной се- ти и соответственно к нарушению устойчивой работоспособности всей зоны доступа WiFi.
Таким образом, средняя эффективная пропускная способность для каждого абонентско- го устройства зоны доступа WiFi должна составлять не менее 2 Мбит/с. Такие скорости приема-передачи данных в беспроводной сети позволят предоставить клиенту (абоненту)
зоны доступа WiFi весь спектр услуг с перспективой дальнейшего расширения ассортимен- та услуг доступа к информационным ресурсам.
Для радиомаршрутизаторов, установленных на одной базовой станции, должен быть предусмотрен диапазон рабочих частот не менее 20 МГц для исключения перекрытия спек- тра сигнала, излучаемого соседними устройствами, которое может привести к нарушению нормальной работы радиоканалов.
Описанная выше методология построения беспроводной сети автоматизированной систе- мы контроля нарушений ПДД была использована при разработке и реализации широко- полосной беспроводной сети вдоль автодороги М7 “Волга”. Высокоскоростная беспроводная сеть разработана ГИБДД Республики Татарстан и научно-производственной фирмой “Ин- формационные и сетевые технологии”. Сеть реализована на базе новейшей отечественной ап- паратуры “Рапира”, функционирующей под управлением международного протокола IEEE
802.11n и технологии MIMO.
Опытная эксплуатация беспроводной сети подтвердила правильность заложенных прин- ципов построения и выявила ряд недостатков, которые необходимо устранить до перехода к промышленной эксплуатации.
4. Разработка математических моделей автоматизированной системы безопас- ности на основе теории стохастических многофазных систем. В автоматизирован- ной системе безопасности передача информации о нарушениях ПДД в центр управления осуществляется путем передачи стохастических потоков пакетов от RFID-считывателей и устройств видеонаблюдения по цепочке беспроводных каналов связи с буферированием в промежуточных узлах (радиомаршрутизаторах). Поэтому адекватной моделью процесса пе- редачи информации в автоматизированной системе безопасности является многофазная сто- хастическая система, описываемая в обозначениях Кендалла [5] следующим образом:
M/M/n
1
/∞ → /M/n
2
/∞ → ... → /M/n
r
/∞.
Данная система представляет собой многофазную систему массового обслуживания
(СМО), состоящую из r последовательно соединенных многоканальных СМО с неограни- ченными буферными накопителями. Поскольку передача информации о нарушениях ПДД
должна осуществляться в реальном масштабе времени, основными характеристиками, иссле- дуемыми в рамках модели, являются среднее время передачи пакетов в центр управления,
маргинальные длины очередей, время пребывания пакетов на фазах системы и др.
Пусть λ — интенсивность входящего пуассоновского потока пакетов и плотность распре- деления длин пакетов

В. М. Вишневский, Р. Н. Минниханов
63
f (x) = b exp −bx,
где 1/b — средняя длина пакета, байт. Тогда функция распределения длительности об- служивания пакетов в каждом канале k-й фазы является экспоненциальной с параметром
µ
k
= Z
k
b
k
, k = 1, r (Z
k
— пропускная способность канала k-й фазы, бит/с).
Обозначим через i
k
(t) число пакетов в СМО k-й фазы (k = 1, r) в момент времени t ≥0,
а через P (i
1
, . . . , i
r
) стационарную вероятность состояния i
1
, . . . , i
r
многофазной системы:
P (i
1
, ..., i) = lim
t→∞
P {i
1
(t) = i
1
, ..., i
r
(t) = i
r
}, i
k
≥ 0, k = 1, r.
(1)
Нетрудно показать, что условием существования пределов (1) является выполнение нера- венств
ρ
i
=
λ
n
i
µ
i
< 1, i = 1, r,
где n
i
— число каналов обслуживания на i-й фазе. Далее будем полагать эти неравенства выполненными. Используя ∆t-метод, можно получить систему дифференциальных уравне- ний для вероятностей P {i
1
(t) = i
1
, ..., i
r
(t) = i
r
}, откуда, переходя к пределу t → ∞, получим систему линейных уравнений для стационарных вероятностей P (i
1
,. . . ,i
r
)
(λ +
r
X
k=1
a
k
(i
k
)µ
k
)p(i
1
, ..., i
r
) = λp(i
1
− 1, i
2
, ..., i
r
)(1 − δi
1
, 0) +
+
r
X
k=1
p(i
1
, ..., i
k
+ 1, i
k+1
− 1, i
k+2
, ..., i
r
(1 − δ
i
k+1
, 0)µ
k
+
+ p(i
1
, ..., i
r−1
, i
r
+ 1)a
r
(i
r
+ 1)µ
r
, i
k
≥ 0, k = 1, r, (2)
где
a
k
(i) =
½
i,
0 ≤ i ≤ n
k
,
n
k
,
i > n
k
,
δ
ij
=
½
1, i = j,
0, i 6= j.
Непосредственной подстановкой можно убедиться, что решение линейной системы (2)
имеет вид
p(i
1
, ..., i
r
) = p(0, ..., 0)
r
Y
k=1
C
k
(i
k
),
(3)
где
C
k
(i) =
½
(n
k
ρ
k
)
i
/i!,
0 ≤ i ≤ n
k
,
(n
i
k
ρ
i
k
)/n
k
!,
i > n
k
.
Вероятность p(0,. . . ,0) находится из условия нормировки
∞
X
i
1
=0
...
∞
X
i
r
=0
p(i
1
, ..., i
r
) = 1
(4)
и имеет вид

64
Вычислительные и сетевые ресурсы
P (0, ..., 0) =
r
Y
k=1
(
∞
X
i
k
=0
C
k
(i
k
))
−1
.
Из (3), (4) следует, что стационарные вероятности P (i
1
, ..., i
r
) рассматриваемой много- фазной системы можно представить в мультипликативном виде
P (i
1
, ..., i
r
) =
r
Y
k=1
lim
t→∞
P {i
k
(t) = i
k
},
(5)
т. е. совместная вероятность того, что в произвольный момент времени на k-й фазе находится
i
k
пакетов (k = 1, r), равна произведению вероятностей того, что i
k
пакетов в данный момент находится на k-й фазе независимо от числа пакетов на других фазах. Этот факт, а также теорема Берка [6] позволяют записать выражения для маргинальных длин очередей пакетов
L
i
и средних времен пребывания пакетов T
i
на фазах системы в виде
L
i
=
µ
i
ρ
i
Z
i
b
i
− Λ
i
,
T
i
=
1
Z
1
b
1
− Λ
i
, i = 1, r,
(6)
где Λ
i
— интенсивность потока пакетов, поступающих на i-ю фазу, представляющая со- бой сумму интенсивности потока λ с предыдущей, (i − 1)-й фазы и интенсивности потока
λ
i
, образованного RFID-считывателем и видеофиксатором нарушений ПДД на i-й фазе
(i = 1, r).
Из (5), (6) следует, что выражение для максимальной задержки пакетов, т. е. среднего времени прохождения пакетов с момента поступления в очередь первой фазы до момента поступления в центр управления, имеет вид
T
max
=
r
X
i=1 1/(Z
i
b
i
− Λ
i
).
Для получения численных данных будем полагать, что на всех фазах производительность беспроводных каналов одинакова и равна Z = 54 Мбит/с или Z = 300 Мбит/с; средняя длина пакета 1/b = 1400 байт; количество каналов на каждой фазе одинаково: n
1
= n
2
, ..., n
r
= 1;
число фаз равно трем; потоки λ
1
= λ
2
= λ
3
= λ.
Зависимость максимальной задержки пакетов до поступления в центр управления от интенсивности потока пакетов приведена на рис. 7.
Заключение. В работе рассмотрены принципы построения нового класса автоматизи- рованных систем контроля нарушений ПДД с использованием RFID-технологии и широко- полосных беспроводных средств. Осуществлен выбор активных RFID-меток и мест их рас- положения на транспортных средствах. Предложена архитектура основного модуля иденти- фикации нарушений ПДД, включающего RFID-считыватель, радар, видеокамеру и радио- маршрутизатор беспроводной сети. Представлена методология построения вдоль автодорог высокоскоростной беспроводной сети для передачи мультимедийной информации о нару- шениях ПДД в центр управления ГИБДД в реальном масштабе времени. Описан пример применения этой методологии при разработке и реализации беспроводной сети вдоль авто- дороги М7 “Волга”. На базе многофазных стохастических систем создана математическая модель, адекватно описывающая функционирование автоматизированной системы безопас- ности на автодорогах.