Технологии платных скоростных дорог: настоящее и недалекое будущее
«Классический» пункт взимания платы на обходе Воронежа — один из крупнейших в Европе
С момента публикации последней статьи на тему технологий платных дорог прошло более двух лет. За это время сеть платных дорог в РФ значительно увеличилась, появились и нашли применение новые технологии, наконец-то решились старые проблемы (и появились новые). А также был запущен мега-проект «Платон», о технологических нюансах которого можно выпустить целый цикл статей (про социальные нюансы скромно умолчим). Независимо от того, нравится нам идея платных дорог или нет, их автоматизация является очень интересной и специфической ИТ-задачей, находящейся на стыке различных дисциплин. Проектов в этой области будет становиться все больше, а людей с комплексным пониманием задачи, соответственно, все меньше. Поэтому, чтобы хоть немного исправить описанную плачевную ситуацию, давайте подведем итоги того, что уже наворочено в отрасли платных дорог в нашей стране, и посмотрим немного вперед, чтобы сориентироваться в технологиях, на которые делать ставку в ближайшие пару лет. Авось, пригодится.
Счастливого пути, или Шлагбаум в лобовуху
Промысел сбора денег за проезд по «классической» схеме с остановкой ТС у кабины (в зоне оплаты, как говорят специалисты) существует в нашей стране с 2011 года. На старте автоматизацией этого дела занимались сплошь иностранцы, но сегодня мы и сами кое-чему научились и даже «импортозаместили» некоторые компоненты. Базовые технологические моменты описаны в моей статье от 2012 года (ссылка) и с тех пор существенно не изменились.
На платных дорогах тариф зависит от класса ТС, определяемого по правилам ГК Автодор, которые в свое время были срисованы у французских консультантов. Правила выделяют 4 класса ТС: ТС высотой до 2 метров, ТС высотой от 2 до 2.6 метров, ТС выше 2.6 метров с двумя осями и ТС выше 2.6 метров с 3-мя и более осями. Как видите, в последних двух классах фигурируют оси, автоматический подсчет которых оказался непростой задачей в наших условиях. Дело в том, что в Европе для подсчета осей применяются оптические датчики, размещаемые у поверхности дороги. В совокупности с индуктивной петлей, которая чувствует наличие чего-то большого и железного наверху, эти датчики довольно эффективно считают оси. Но проблема заключается в том, что климат у нас такой, что одно межсезонье плавно переходит в другое, и все, что находится ниже 2-х метров, через пару часов может покрыться слоем воды и грязи (а на скоростных трассах грязь взлетает на все 10). Поэтому было принято решение считать оси с использованием видеокамер и софта машинного зрения, который сразу определял и габариты, и число осей. И тут возникли проблемы, свойственные уже системам машинного зрения: дождь, снег, зловещие тени, недостаточная освещенность, блики от фар — все это сбивает видеоклассификатор с толку. Сейчас уже никто не возьмется судить, что лучше — регулярно чистить оптические датчики или разгадывать ребусы шалящего в непогоду машинного зрения. Рассматривается и третий вариант с использованием альтернативных счетчиков осей на основе автономных магнитных датчиков в толще бетона или на основе недорогих лазерных сканеров (лидаров), подвешенных сбоку на высоте 2 метров. Для установки лидаров не нужно штробить бетон, они также отлично справляются с замерами габаритов, не боятся темноты и непогоды и могут стать полноценной заменой дорогостоящему оборудованию классификации.
3D профайлер на основе лазерных сканеров и пример получаемого облака точек
Непрерывно совершенствуются как сами лидары (спасибо автономному транспорту за это), так и софт для них, который решает задачу анализа облака точек для выявления фич (колеса, прицепы, груз, количество и расположение стекол и т.п.). Сейчас уже начинают выводить на рынок недорогие лидары без вращающегося зеркала, умещающиеся в гнезде обычной противотуманки для применения в системах машинного зрения автономных автомобилей (что, в общем-то, тоже не для нас, так как вода непрозрачна для ИК-диапазона, и шмат грязного снега гарантированно ослепит самый изощренный ИИ).
Пользователям классической платной дороги хорошо знакомо понятие транспондер — электронный гаджет, с помощью которого можно проехать пункт оплаты без остановки. За техническими деталями снова прошу в мою статью (ссылка). Количество пользователей транспондеров постепенно растет, в летний сезон за ними вообще начинается давка. Но только недавно была, наконец, решена основная проблема и снято последнее серьезное препятствие на пути транспондерного счастья — теперь с одним единственным транспондером можно проехать по большинству платных дорог. Нет, понятно, что это очевидный пользовательский запрос. Но когда почитаете форумы европейских дальнобойщиков, вы поймете, что каждый из них вынужден возить целую коллекцию бортовых устройств (т.н. рояль) для оплаты проезда, топлива, экологических сборов и т.п. То есть, единого устройства у них нет и в скором времени не будет. Проблема это не техническая, а, скорее эволюционная. В 2012 году у нас еще был шанс сделать «как в Европе», но мы в кои-то веки сделали лучше. После нескольких лет разработки, отягощенной многосторонними согласованиями, еженедельными совещаниями на фоне непрерывной корректировки требований по мере дозревания сторон, у нас, наконец, заработала ИС межоператорского взаимодействия, выполненная в соответствии с европейскими стандартами ISO.
В рамках ИС были выделены следующие роли:
- Эмитент транспондеров, предоставляющий списки выпущенных транспондеров;
- Поставщик услуг, регистрирующий параметры транспорта, проезжающего по быстрым полосам ПВП
Архитектура ИС межоператорского взаимодействия основана на распределенном кластере первичных узлов, каждый из которых содержит копию всех данных, включающих списки транспондеров, ключей безопасности, записей о проездах с использованием транспондеров, различных корректировок, произведенных операторами и т.п. От оператора платной дороги, желающего подключиться к системе, теперь требуется только привести свои данные к стандартизованному виду, реализовать протокол обмена и залить «роуминговые» ключи на свои антенны DSRC для того, чтобы они могли корректно регистрировать проезды «чужих» пользователей. Так как базовое содержимое памяти транспондеров закреплено стандартом ISO 14906, который свято чтится всеми участниками, основные проблемы возникли в области корректировок данных и в общем недоверии операторов друг другу (что, собственно, и породило похожую на blockchain архитектуру репликации данных).
Очевидно, что будущее за технологиями электронного взимания платы (см. мою статью на эту тему). Только эти технологии позволяют взимать плату в режиме свободного потока, без шлагбаумов, капитальных сооружений и пробок в часы пик. А вот радужные ожидания от систем на базе технологий спутникового позиционирования наоборот, пришлось существенно скорректировать. Виной тому суровая реальность и практический опыт внедрения «Платона».
Гость из будущего
Мобильный и стационарный посты контроля системы «Платон»
Судьба проекта системы взимания дорожного сбора с 12-тонников (aka «Платон») драматична и наполнена болью, начиная от отмененного в 2014 году конкурса с участием мировых технологических грандов и крупнейших банков и заканчивая героическим вводом системы в эксплуатацию буквально годом позже силами структур Ростеха. Тем не менее, если закрыть глаза на ошибки и недочеты, чисто технологически «Платон» стоит на вершине горы систем взимания платы. Что одновременно и хорошо, и плохо, и дальше я объясню почему. Кстати, матчасть можно вспомнить тут: раз, два.
Технологическая новизна «Платона» и подобных систем заключается в идее полного отказа от использования наземной стационарной инфраструктуры для целей взимания платы. Вместо этого данные об использовании платных дорог формируются на основе привязки GPS треков к дорожному графу. Преимуществом подобного подхода является возможность покрытия режимом платности целой дорожной сети. Например, «Платон» покрывает все 50 000 км. федеральных дорог. При этом можно менять конфигурацию сети, добавлять или исключать сегменты, вводить разнообразные тарифы: за пробег, за участок, за часть участка и т.п. Можно даже объединять несколько сетей и нескольких операторов в рамках одной системы, например, федеральную сеть и региональные сети (структурированный подход к определению контекста взимания платы приведен в стандартах серии ISO 17575-*).
Стандартная архитектура гибридных систем взимания платы
А дальше начинаются минусы. Во-первых, от наземной инфраструктуры полностью отказаться не получилось. Подобному классу систем необходим дополнительный контроль исполнения правил взимания платы. Поэтому по всей сети федеральных дорог начали устанавливать стационарные порталы контроля (более 400 порталов), также по дорогам запустили автомобили контроля (числом более 100). Во-вторых, в ходе проекта стали возникать неприятные сюрпризы.
Дело в том, что аналогичные западные системы дорожных сборов с грузовиков используют бортовые GPS трекеры совмещенные с DSRC транспондерами (Германия, Словакия). При проезде порталов контроля от оснащенного таким трекером ТС в систему поступает следующая информация: класс (определяется лазерным сканером), фотография с распознанным номером, а также считанные данные DSRC, облегчающие идентификацию пользователя и включающие, к примеру, класс ТС и его номерной знак. Портал контроля может в автономном режиме сверить данные DSRC и данные непосредственных измерений и с большой долей уверенности принять решение о факте нарушения, а точнее о факте не нарушения.
В «Платоне» же, видимо, по причине экономии средств, было решено отказаться от добавления модулей DSRC в трекеры. Задача опознания нарушителя в заляпанном грязью грузовике, проносящемся посреди ночи под порталом контроля кардинально усложнилась — ведь теперь не стало двух независимых средств идентификации. В плохую погоду читаемость номерных знаков падает с обычных 96–97% до 60–70%, а в снегопад и после него зачастую читается только каждый третий номерной знак. Откуда взять вторичный источник достоверных идентификационных данных? Можно, например, взять частично прочитанный номерной знак и сверить его с базой данных зарегистрированных пользователей. Но каждый, кто занимался технологиями распознавания номерных пластин, только посмеется над этим, так как пластина обычно загрязняется или равномерно вся, или снизу вверх, поэтому результаты распознавания проседают сразу по всей пластине. По базе можно попытаться восстановить только номера любителей заклеивать отдельные цифры, но они погоды не делают.
Если системы контроля скоростных режимов могу позволить себе фиксировать ТС через одно (все равно будут бояться), то порталы контроля не должны пропускать ни одной машины, с номерным знаком или без, ведь все это деньги «владельца» платной дороги.
Вторая идея — восстанавливать данные о проездах под порталом по полученным трекам и пытаться сопоставить их с результатами наблюдений. Звучит в теории хорошо, но на практике получается ужасно, ведь после привязки трека к карте в системе остаются лишь идентификаторы дорожных сегментов, время проезда по которым несколько отличается от времени проезда под порталом. Можно также заставить прошивку трекера выдавать специальный пакет данных при проезде области, совпадающей с порталом (т.н. geo-fencing). Но это потребует хранить в памяти трекера и оперативно обновлять координаты всех порталов. Да и сама эта технология на мелких объектах работает с ошибками.
Вообще говоря, привязка трека к карте с целью расчета пробега — та еще задачка! Особенно если от точности привязки напрямую зависит качество выставляемого счета. В условиях плотной дорожной сети, где платные и бесплатные сегменты находятся близко друг от друга (например, бесплатный дублер параллельно платной дороге) скачки GPS трека могут приводить к ошибочному выставлению счета. В горной местности, в тоннелях, под эстакадами, на развязках, в лесу, рядом с высотными зданиями или вблизи Кремля данным GPS вообще нет никакого доверия, и разработчики софта изощряются как могут, пытаясь удержать ТС на маршруте по косвенным данным. В подобных условиях без дополнительных «маячков» на дороге нельзя ничего гарантировать. На помощь приходят все те же DSRC антенны, которые формируют аккуратное «пятно» на дороге. Стандарт ISO 13141 описывает сервис LAC (Localisation Augmentation Communication), позволяющий устанавливать недорогие автономные маячки DSRC, единственной функцией которых является запись фиксированного блока данных с координатами и таймстампами в память БУ, что является 100% свидетельством того, что ТС пересело пятно маяка. Логика БУ использует эти данные для уточнения GPS трека.
Пример данных DSRC по стандарту ISO 13141, дополняющих GPS трекинг
Ближайшее будущее технологий платных дорог
Все идет к тому, что шлагбаумы на платных дорогах должны скоро исчезнуть, а обирать автомобилистов станут электронным способом и на полной скорости. На пути к счастью у нас сейчас существуют три проблемы:
- Классификация по осям. Как уже говорилось в этой статье, углядеть оси на полной скорости довольно сложно. А если они подняты? В общем, неплохо бы отказаться от учета осей при расчете тарифа. Например, вместо количества осей можно использовать длину ТС.
- Слабая законодательная база для прижучивания нарушителей. Оператор платной дороги почти не имеет законных оснований штрафовать нарушителей, и если сейчас он имеет право не пустить ТС на свою дорогу без оплаты, то в режиме свободного потока у него отберут и эту возможность.
- Каша в голове у проектировщиков при выборе правильной технологии взимания платы в каждом конкретном случае.
Среди перечисленных проблем только последняя относится к разряду технологических. Её мы и разберем на примере самого крупного инфраструктурного проекта ближайших двух лет — ЦКАД. В прессе недавно мелькнуло, что бесплатный участок под Звенигородом хотят запустить уже в этом году.
ЦКАД — первая платная дорога в РФ, которая, скорее всего, будет обходиться без шлагбаумов
В настоящее время существуют три основные технологии взимания платы в режиме свободного потока: GNSS — на базе привязки треков, DSRC — с использованием транспондеров, ANPR — с использованием распознавания номерных знаков. Вот сравнительная таблица параметров систем взимания платы на перечисленных технологиях (добавлены RFID и ручной сбор для полноты картины):
Сравнительные параметры технологий взимания платы (via).
Выбор технологии взимания платы неразрывно связан со стоимостью создания и эксплуатации платной дороги — ведь все будущие проекты носят инвестиционный характер, и чем дешевле будет объект, тем меньше (в теории) будет плата за проезд по нему.
Вот как технологии распределяются в зависимости от типа проекта.
Карта выбора технологий. (via)
Как видно из картинки, заморачиваться с GPS трекерами имеет смысл только на крупных дорожных сетях и если наш клиент — коммерческий транспорт. Сложность дорожной сети определяется количеством сегментов, которые обычно определяются от съезда до съезда. Вот как определяется выбор базовой технологии в зависимости от количества сегментов:
Выбор технологии в зависимости от количества дорожных сегментов и количества пользователей платной дороги (via)
Как мы видим, на платных скоростных дорогах, где малое количество сегментов и большое количество пользователей, таких как ЦКАД (у которого, несмотря на длину, будет не более 30 сегментов), имеет смысл использовать порталы с DSRC антеннами для оплаты проезда и с видеокамерами для контроля нарушений. Это одновременно эффективно и технологически, и в плане стоимости создания и эксплуатации. Тем более, что по ЦКАДу поедут пользователи существующих платных дорог, которые к тому времени в подавляющем большинстве перейдут на единый DSRC транспондер. При этом крайне желательно обязать всех пользователей ЦКАД использовать транспондеры (их можно отдавать ниже себестоимости или вообще бесплатно вместе с абонементом, все равно окупятся десять раз). Для легковых ТС можно распространять «транспондеры в пакете» — готовое к использованию решение, позволяющее создать временную регистрацию пользователя с начальным балансом при первом проезде под порталом. Такие «заряженные» транспондеры можно продавать на заправках или даже через вендинговые автоматы.
В городской среде и на объектах платной дорожной инфраструктуры технологии DSRC должны быть дополнены технологиями оплаты по результатам распознавания номерного знака. В городе нельзя требовать от всех и каждого наличия транспондера, можно только аккуратно намекать и заманивать скидками. Камеры для распознавания номерных знаков могут при этом одновременно контролировать нарушителей. Подобным образом организован, к примеру, платный въезд в центральную часть Лондона. Да и в Москве система платной парковки в центре идентифицирует клиентов по номерным знакам.
А как же RFID, могут спросить меня коллеги, его же тоже используют для идентификации транспорта? Разумеется, RFID, также как и DSRC, является перспективным направлением и на нем тоже делают платные дороги (например, в США и в ЮВА). По плюсам и минусам могу сориентировать в комментариях, но, вкратце, если у нас уже создана и уже 5 лет работает инфраструктура для DSRC, введен в действие единый транспондер, технологическая поляна расписана в серии стандартов, сам девайс стоит не больше 10 евро (что сопоставимо по стоимости со скоростными автомобильными RFID метками) и имеет батарейку на 7 лет, то о чем еще можно думать? А еще — DSRC транспондер умеет пиликать и мигать лампочкой, сообщая о статусе операции! Мне кажется, поезд RFID в части отечественных платных дорог ушел. А вот идентификация транспорта в целях контроля (aka электронные номерные знаки) — задача как раз для RFID меток. Но это уже совсем другая история.
