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Sistemi di trasporto intelligenti: stato dell’arte, aspetti metodologici e prospettive di sviluppo tecnologico. di Gaetano Fusco Università di Roma “La Sapienza”. Scopo della memoria. Lo scopo principale della memoria è di evidenziare 2 necessità:
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Sistemi di trasporto intelligenti: stato dell’arte, aspetti metodologici e prospettive di sviluppo tecnologico di Gaetano Fusco Università di Roma “La Sapienza”
Scopo della memoria • Lo scopo principale della memoria è di evidenziare 2 necessità: • Definire un approccio metodologico coerente e possibilmente unitario per lo studio degli ITS • È urgente coordinare strettamente ricerca teorica e gli sviluppi commerciali CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Sommario • Definizioni e classificazioni • Lo sviluppo attuale degli ITS: • Stato dell’arte, requisiti e criticità • Le metodologie per lo studio e le applicazioni degli ITS • Un approccio unitario? • Prospettive di sviluppo tecnologico: • “Teoria e pratica devono andare d’accordo” CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Definizioni • Si chiamano Sistemi di Trasporto Intelligenti (“ITS”, Intelligent Transportation Systems) le applicazioni integrate delle tecnologie dell’informazione e delle comunicazioni ai sistemi di trasporto. • Sono detti “intelligenti”, in quanto forniscono ad utenti ed operatori una conoscenza aggiuntiva sulle condizioni del sistema e dell’ambiente esterno. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Definizioni (2) • La definizione precedente si basa sulle tecnologie usate, non sulle funzioni • Il navigatore GPS con mappe digitali non è più “intelligente” di Electro Gyrocator • E’ “intelligente” il sistema di route guidance che consente all’utente di adattare il proprio percorso alle condizioni di traffico CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Sensori Hall Ruote metalliche Il navigatore cinese • Non è la tecnologia, non è la modernità Carro con orientamento meccanico (Cina, 2600 a.C.) Schema di odometro differenziale (oggi) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Requisito degli ITS • … Sono detti “intelligenti”, in quanto forniscono ad utenti ed operatori una conoscenza aggiuntiva sulle condizioni del sistema e dell’ambiente esterno. • Requisito più restrittivo: • I sistemi di trasporto intelligenti sono sistemi adattivi che modificano le proprie caratteristiche operative in funzione delle condizioni esterne. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Altre definizioni • ITS Hand Book (Japan, 2004) • The Intelligent Transport Systems is intended for advances in navigation systems, establishment of electronic toll collection, assistance for safe driving, optimization of traffic management and increasing efficiency in road management by building an integrated system of people, roads and vehicles utilizing advanced data communication technologies. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Altre definizioni • Intelligent Transportation Society of America (USA, 1998) • Intelligent transportation systems collect, store, process and distribute information relating to the movement of people and goods.Examples include systems for traffic management, public transportation management, emergency management, traveler information, advanced vehicle control and safety, commercial vehicle operations, electronic payment and railroad grade crossing safety. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Obiettivi degli ITS • Prevedere la domanda di trasporto futura per gestirla in tempo reale attraverso strategie monomodali o intermodali; • Più efficiente uso delle infrastrutture di trasporto e delle risorse energetiche; • Maggiore sicurezza, produttività, affidabilità ed accessibilità del sistema di trasporto. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Classificazioni degli ITS (USA) • Informazione agli utenti (ATIS) • Gestione del traffico (ATMS) • Controllo del veicolo (AVCS) • Trasporto pubblico (APTS) • Flotte commerciali (CVO) • Traffico stradale “rural”(ARTS) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Classificazioni degli ITS • Preferibile una classificazione funzionale (che si rifletta sulla metodologia) • che evidenzi il ruolo di ciascun componente del sistema • che consideri le diverse attività CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Componenti del sistema • Definizione tradizionale del sistema dei trasporti: • Via • Veicolo • Conducente • Trasportato (pass./merci) • Ambiente esterno • "Supervisore” CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Livello individuale: Via Veicolo Conducente Trasportato (pass./merci) Ambiente esterno vicino Livello aggregato: Rete Traffico Conducenti Utenza Ambiente esterno remoto Componenti del sistema Supervisore CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
via-veicolo-conducente-”supervisore” • La tradizionale definizione del sistema di trasporto: via-veicolo-conducente • Si deve aggiungere il decisore: • Conducente stesso nella funzione di guida del scelta del percorso • Supervisore del sistema di controllo • Gestore della flotta di veicoli • Spedizioniere del trasporto delle merci • Gli ITS sono lo strumento per integrare le funzioni delle tradizionali componenti del sistema ed ottimizzarne le prestazioni CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Funzioni del sistema ITS • Monitoraggio: • Sorveglianza • Diagnostica • Stima • Elaborazione: • Previsione • Generazione strategie di regolazione/informazione • Decisione • Trasmissione • Attuazione: • Regolazione • Informazione CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Attività • Scelta (dell’utente decisore): • Orario • Destinazione • Modo • Veicolo (“Fleet management”) • Guida: • Laterale • Longitudinale • Regolazione (del supervisore) • Rete • Traffico CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Requisiti per applicazioni ITS • Comprensione del sistema da controllare • Dinamicità di adattamento • Rapidità di intervento • Integrazione tra componenti nell’ottica del sistema dinamico: ATIS/ATMS-APTS • Comprensione delle risposte dell’utente CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Non solo tecnologia, ma previsione • Indagini per stima di modelli comportamentali, più o meno complessi • Simulazione del funzionamento del sistema (modelli di assegnazione dinamica, laboratori interattivi, o modelli più semplici) • Monitoraggio e validazione del sistema (esempio progetto Sirius) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Sviluppo tecnologico e ricerca teorica • Lo sviluppo tecnologico è il motore della ricerca teorica • Le prime ricerche sull’assegnazione dinamica sono nate dopo le ricerche di ERGS e CACS • Lo sviluppo più avanzato: EuroScout • Il costo delle installazioni è stato l’elemento critico per lo sviluppo del sistema CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Prime ricerche sugli ITS • Electronic Route Guidance System (ERGS) (USA, 1967-1971) • Comprehensive Automobile Control System (CACS) (Giappone, 1973-1978) • ALI-Scout (Germania, 1985-1991) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
CACS • Trasmissione dati spira-antenna • Codice identificazione utente e destinazione • Sistema centralizzato di calcolo dei percorsi • Elevati costi di installazione • Mancanza di riservatezza CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
ALI-SCOUT • Trasmissione via radiofari ad i.r. • Scambio codici dei nodi e tempi di passaggio • Sistema centralizzato di calcolo dei percorsi • L’unità di bordo estrae il percorso per la destinazione richiesta • Pro e contro: • Elevati costi di installazione • Riservatezza CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Sistemi attuali • VICS (Giappone, dal 1996) • TrafficMaster YQ2 (Regno Unito, dal 1990 monitoraggio rete autostradale) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
RGS in Giappone: VICS • Oggi serve 12,6 milioni di unità di bordo e copre l’intera rete autostradale: • 2.862 radiofari a micro-onde sulle autostrade • 25.850 radiofari ad i.r. su viabilità ordinaria • 53 stazioni radio FM e 464 ripetitori. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
In funzione nel Regno Unito: Monitoraggio della rete autostradale (8.000 km) con 2.400 sensori I/R Centrale di controllo del traffico rileva velocità inferiori a <50km/h Unità di bordo con LCD (costo: 190 £) Unità portatile (costo 40 £) Trafficmaster YQ2 CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Curva di sviluppo tecnologico • La curva di innovazione delle tecnologie ha un andamento come in figura. • Oggi siamo nel tratto di E stiamo per entrare in G • L’impostazione del sistema viene fatta oggi. Source: Interdependence, Market & Technology Push-Pull (Carayannis and Roy, 2000) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Curva ricerca-sviluppo 1995 2005 1965 1985 CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Oggi: • Le tecnologie di localizzazione (GPS, RFID) e di comunicazione (GSM/GPRS, UMTS, WiMax) consentono la realizzazione a costi molto più contenuti che in passato • Una grande opportunità: sperimentazione, validazione ed applicazione su larga scala dei modelli teorici • Un rischio: la rapidità dello sviluppo tecnologico consente l’applicazione di sistemi ITS senza le precauzioni evidenziate dai molti studi teorici sull’argomento. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Eccesso di reazione • Un esempio classico: • L’eccesso di reazione dei sistemi di guida al percorso • Numerosi studi teorici hanno evidenziato i limiti di una strategia di tipo individuale non cooperativa • Limiti di applicazione: • Bassa percentuale di utenti • Aggiornamento frequente dell’informazione (5’) • Rapido riconoscimento delle anomalie CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Limiti di diffusione del sistema CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
L’opportunità • Oggi: • Tecnologia pronta • Ricerca di base pronta • Quindi: • Possibilità di sviluppare e realizzare il sistema ITS • Problemi: • Quali tecnologie • architetture funzionali, modelli, procedure risolutive, normative CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Un esempio: autostrade automatiche • La tecnologia è stata sperimentata in numerosi test in USA, Europa e Giappone • Prima auto automatica Ford Mark III • Il problema quindi non è la tecnologia, ma il modello funzionale e gestionale (anche legale: separazione tra gestori di: veicolo, via, tecnologia; produttori e conducenti): di chi la colpa in caso di sinistro? • Un’alternativa possibile: dal controllo all’informazione (sistema di assistenza alla guida) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
La scelta giapponese • Tre alternative: RFID, WiMax, veicolo-veicolo • Oggi preferito: Sistema di assistenza alla guida tramite radiofari di identificazione dei veicoli • Sistema di diagnostica della pavimentazione stradale CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Sistema di informazione VICS • Diffusione di VICS negli ultimi anni • VICS è lo sforzo di 120 industrie giapponesi, tra cui i principali produttori automobilistici • Sistema solo stradale (?) • Necessario il coordinamento tra industrie e tra industria e ricerca • Idee progettuali MIUR (1.2 miliardi €) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Un’alternativa: sistema mobile • Sistema Galileo • Localizzazione ed identificazione su rete cellulare : • servizi personalizzati e localizzati (non solo ITS) • Elaborazione distribuita • Reti peer-to-peer? • Vantaggi: • Tecnologia già disponibile e diffusa • Nessun costo di installazione • Necessità di integrare con altri sistemi di monitoraggio CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Non solo ATIS e AHS • ITS implica l’interazione e l’automazione di tutte le componenti del sistema, evitando le strozzature dovute ad inadeguate prestazioni di qualche componente. • Sistemi di diagnostica: • del veicolo (es.: i.r. per frenatura) • dello stato di attenzione del conducente • del traffico (sistema oggi più diffuso) • dello stato della strada • Miglioramento della visione: • Miglioramento dell’interazione veicolo-via-ambiente • Strada, mare • Potenziamento e controllo/informazione delle prestazioni di altre componenti (ABS, EPS, ACC,…) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Approcci allo studio degli ITS • Caratteristica peculiare degli ITS: • I sistemi di trasporto intelligenti sono sistemi adattivi che modificano le proprie caratteristiche operative in funzione delle condizioni esterne. • Aspetto fondamentale (in cui risiede l’intelligenza): • Corretta metodologia di analisi e di controllo • I metodi di analisi e di controllo dinamico del sistema seguono oggi due approcci possibili: • Modelli dinamici della mobilità sulla rete (assegnazione dinamica) • Modelli di controllo automatico delle variabili di regolazione del sistema di trasporto. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
ACC: schema di controllo • Controllo a circuito chiuso: • Funzione obiettivo: ad = a – k*(v-vd) • ad=accelerazione desiderata • a=accelerazione • v=velocità • vd=velocità desiderata • Input: • Velocità: v • Output: • Accelerazione: a CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
ITS: teoria dei controlli automatici • Sistema di identificazione • Sensori • Data fusion • Stimatore dello stato (attuale e previsto) • Sistema di regolazione/informazione • Attuatori (semafori, motore, freni, ecc…) • Generazione delle strategie di regolazione • Sistema di comunicazione • Rete di trasmissione dei dati CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Problema di controllo automatico Costo terminale Evoluzione del sistema • Funzione obiettivo • Equazione di stato • Condizioni al contorno CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Problema di assegnazione dinamica Costo terminale Evoluzione del sistema • Funzione obiettivo • Equazione di stato • Condizioni al contorno CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Controllo automatico • Controllo automatico: Metodi teorici e procedure applicative per svolgere in maniera autonoma compiti predefiniti. • Compito del controllo: Determinare in tempo reale gli input del processo, sulla base di misure, stime e previsioni, in modo tale che gli output del processo raggiungano un obiettivo prestabilito, nonostante la presenza di variazioni casuali. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
REALTA’ COMPUTER Misure ELABORAZIONE DEI DATI Input u PROCESSO STRATEGIA DI CONTROLLO Variazioni casuali d Output y Obiettivi yd Sistema di controllo automatico CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
RETE STRADALE COMPUTER Misure STIME, PREVISIONI TRAFFICO URBANO Semafori STRATEGIA DI CONTROLLO Domanda OD Ambiente Minimizzazione del tempo di viaggio Tempo di viaggio Es.: Controllo del traffico urbano CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Elementi di base • Aspetti tecnologici: Monitoraggio, Strumenti di controllo (Attuatori), Comunicazioni, Elaboratori. • Aspetti metodologici (Intelligenza del sistema): Elaborazione dati, Strategie di controllo • “Intelligenza” del sistema: Capacità di affrontare autonomamente ed efficacemente ogni condizione dovuta a variazioni aleatorie. CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Strategie di controllo ottimo • Il problema generale di controllo consiste nella minimizzazione di una quantità J: J= y(u,x) min • Le variabili interne (di stato) x dipendono dagli input e dai disturbi aleatori d (modello): • Note le condizioni al contorno e i vincoli: x(0)=x0; u(t), d(t), t[0,T ]; h(x,u,d,t)<0 • Il modello fornisce gli andamenti delle x nel tempo: x=x(t), t[0,T ] CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Funzione obiettivo • La funzione obiettivo del controllo ottimo (o indice di comportamento) tiene conto: • del valore finale dell’output y(tf): costo terminale • dell’entità delle azioni di controllo intraprese nel periodo da t0 a tf (evoluzione del modello). Costo terminale Evoluzione del modello CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Requisiti del sistema (bollino blu ITS) • I requisiti perché un’applicazione tecnologica possa essere definita “ITS” vanno stabiliti: • non in base alla tecnologia • ma in funzione delle prestazioni • Requisiti di prestazioni: • Garantire standard minimi dei componenti • Monitorare le prestazioni delle singole componenti e del sistema nel suo complesso CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria
Prestazioni dei sensori • Errore di misura (in diverse condizioni di traffico): • Medio • Assoluto • Scarto standard • Affidabilità o robustezza (in diverse condizioni ambientali): • Tempo medio di funzionamento • Probabilità di guasto dopo un intervallo di tempo dato • Oltre ai requisiti di compatibilità di trasmissione e connessione • Anche congruenza di definizione delle grandezze (occupazione-densità; classi) CONVEGNO “METODI E TECNOLOGIE DELL'INGEGNERIA DEI TRASPORTI”13 - 15 Dicembre 2005 - Università Mediterranea di Reggio Calabria