Цифровая система мониторинга дорожного покрытия с использованием искусственного интеллекта АСМДП

1111

Предлагается к рассмотрению автоматизированная система мониторинга дорожного покрытия, используемая для сбора, хранения и анализа в режиме реального времени данных о состоянии дорог и дорожных сооружений с целью быстрого реагирования на полученную информацию и принятия соответствующих мер Повсеместная проблема риски и потери, связанные с повреждениями дорожного покрытия Предлагаемое решение мобильный мониторинг автомобильных дорог в режиме реального времени с использованием краудсорсинговых смартфонов для превентивного обнаружения дорожных повреждений

Цели проекта

Создание и поддержка автоматизированного мониторинга автомобильных дорог в режиме реального времени, с возможностью анализа и оценки технико эксплуатационного состояния автомобильных дорог общего пользования выявления повреждений и устранения их на ранней стадии образования планирования и проведения мероприятий по сохранению дорожных покрытий и выполнения дорожно ремонтных работ

Актуальность проекта АСМДП 

Представляемый проект при помощи методов мобильного зондирования призван выявлять и локализировать дефекты дорожного покрытия в реальном масштабе времени Функционирование автоматизированной системы мониторинга АСМДП будет постоянно обеспечивать требуемый уровень безопасности и комфорта участников дорожного движения выдавая оперативную, достоверную и качественную информацию о техническом состоянии покрытия автомобильных дорог и искусственных сооружений, чтобы улучшить транспортную систему с точки зрения безопасности движения и комфорта вождения способствуя приведению в нормативное состояние автомобильных дорог и улично дорожной сети городских агломераций В автоматическом режиме приложение, установленное на смартфоне, через систему передачи данных будет размещать, всю необходимую информацию для других водителей, автотранспортных организаций, компаний автострахования, а также государственных и муниципальных служб, отвечающих за безопасность дорожного движения

Асфальтобетон, как наиболее популярный строительный материал для дорог общего пользования чаще всего подвержен периодически возникающим климатическим и эксплуатационным воздействиям Накапливающиеся внутренние структурные напряжения, способствуют возникновению всевозможных дефектов и повреждений Дефекты, такие как выбоины и трещины, без соответствующего профилактического обслуживания дорожных покрытий становятся все более значительной проблемой для дорог во всем мире, включая и Россию Они представляют опасность для всех участников дорожного движения, причиняя значительный ущерб транспортному средству.

Аномалии или дефекты дорожного покрытия, приводят к повышенному расходу топлива, авариям, заторам движения и т д, что отрицательно сказывается на экономике страны, экологической обстановке и повседневной жизни граждан. Несмотря на большие государственные финансовые средства, ежегодно выделяемые для поддержания и ремонта дорожной инфраструктуры, качество существующих дорог оставляет желать лучшего. 

Поскольку повреждения дорог и обычный износ крайне непредсказуемы, автоматизируемый   мониторинг технического состояния дорог различного назначения, несомненно, необходим. Своевременное наличие достоверной информации о качестве дорожной инфраструктуры позволяет дорожным службам гарантировать адекватное обслуживание. 

Мониторинг состояния дороги играет ключевую роль в обеспечении безопасности и комфорта участников дорожного движения. 

Поэтому очень важно оперативно, достоверно и качественно контролировать дорожные условия и техническое состояние автомобильных дорог, чтобы улучшить транспортную систему с точки зрения безопасности движения и комфорта вождения. В настоящее время, для оценки состояния асфальтобетонного покрытия дорожные службы применяют транспортные средства, оснащенные специальными техническими средствами которые функционируют используя различную методологию  для проведения плановых проверок по технико-эксплуатационному состоянию автомобильных  дорог и искусственных сооружений. 

Однако эти методы трудозатраты, дороги и часто не учитывают широкий спектр данных для создания полной картины состояния дорожного покрытия в крупных городах и регионах. К тому же многие местные органы власти в настоящее время сталкиваются со значительными бюджетными ограничениями, что приводит к менее частым инспекциям, которые способны охватить лишь ограниченные участки дорог.

Дорожные службы ищут недорогой и более эффективный метод обнаружения дефектов и аномалий. В современных условиях назрела необходимость централизованной информационной системы, способной отслеживать состояние дорог в режиме реального времени.

Перспективным решением задач по обнаружению аномалий (дефектов) дорожного покрытия является представленная нами Автоматическая система мониторинга дорожного покрытия (АСМДП), основанная на принципе ускорения движущихся автотранспортных средств, регистрируемой датчиками ускорения и движения (акселерометрами и гироскопами). 

Современные смартфоны оснащены множеством датчиков, таких как акселерометр, гироскоп, GPS, датчики температуры и освещенности и т. д., которые являются архиважными составляющими мобильного устройства, и которые могут генерировать и поставлять ценные данные для системы АСМДП.

Мобильная платформа АСМДП использует уникальную заявленную на патент мобильную технологию, которая сочетает в себе использование различных датчиков на смартфонах, таких как магнитометр, GPS, гироскоп и акселерометр, для обнаружения дефектов дорожного покрытия всех типов и размеров с последующим размещением их на карте. Разработанное мобильное приложение должно быть установлено на мобильный телефон пользователя для сбора сигнала вибрации, информации о местоположении и другие параметры. Установленная программа реализует первичную обработку получаемых данных (например; выборка, переориентация, фильтрация и т. д.) . АСМДП — это основанная на краудсорсинге мобильная платформа, встраиваемая в любое мобильное приложение.

В результате телефон водителя обнаруживает повреждения дороги и помещает их на карту, доступную для других водителей и ответственных организаций, чтобы они могли устранить их на ранней стадии. АСМДП собирает данные о повреждениях дорог из краудсорсинга в реальном времени, чем помогает решать проблемы безопасности движения. Платформа доступна в виде портативного мобильного приложения и может быть интегрирована с мобильными приложениями для навигации, такими как Яндекс.

Навигатор или GIS2, с приложениями компаний автострахования, а также с другими приложениями, связанными с вождением, например, Яндекс.Такси Новигатор, Карты.

Данные об обнаруженных дефектах дорожного покрытия сохраняются и динамически обновляются на сервере АСМДП.  Данные доступны по подписке заинтересованным сторонам, таким как компании автострахования и автотранспортные компании.

После процесса обработки данные, передаются серверу через сети мобильной связи и др. Сервер получает, обрабатывает, анализирует и хранит информацию. Данные об аномалиях (дефектах) идентифицируются и классифицируются по определенному программному алгоритму  используя искусственный интеллект.   Обработанные данные об аномалиях хранятся в пользовательской базе данных, которая в последующем может быть использована дорожными службами и организациями по техническому обслуживанию дорог.

Сбор данных с датчиков смартфона

В настоящее время есть разные виды данных, которые можно получить с датчиков смартфона. Типы датчиков движения включают: акселерометр, гироскоп, линейный акселерометр и датчик вращения. Типы датчиков положения включают в себя: GPS, магнетометр и датчик вращения. 

Обработка данных

Настоящим проектом предусмотрена разработка специального мобильного приложения для сбора, предварительной обработки и обработки данных датчиков в двух разных режимах: онлайн и оффлайн. В онлайн-режиме сбор, предварительная обработка и обработка данных выполняются одновременно (в реальном масштабе времени), когда автомобиль проезжает выбоины или неровности. Предварительная обработка данных включает в себя преобразование данных, полученных с сенсоров смартфонов, в чистый и организованный набор данных. Целью предварительной обработки является сглаживание и фильтрование необработанных сигналов данных от датчиков устройства.

Современные смартфоны, как правило, имеют различные определенный набор беспроводных интерфейсов, такие как Bluetooth, Wi-Fi и сотовые сети, что делает их оптимальными для целей краудсорсинга и отправки уведомлений участникам дорожного движения. Фактически, обнаруженные аномалии дорожного полотна передаются на центральный облачный сервер через Wi-Fi или сотовые сети для их дальнейшей обработки и последующего информирования водителей, ответственных организаций и властей. 

Автоматизированная система мобильного краудсорсинга АСМДП

Современные смартфоны, как правило, имеют различные наборы беспроводных интерфейсов, такие как Bluetooth, Wi-Fi и сотовые сети, что делает их оптимальными для целей краудсорсинга и отправки уведомлений участникам дорожного движения. 

Фактически, обнаруженные аномалии дорожного полотна передаются на центральный облачный сервер через Wi-Fi или сотовые сети для их дальнейшей обработки и последующего информирования водителей, ответственных организаций и властей. 

Автоматизированная система мобильного краудсорсинга осуществляет:

·         сбор, обработку, хранение и выдачу данных путем получения актуальной информации о состоянии дорожного покрытия от всех подключенных транспортных средств, включая и беспилотные автомобили;

·         обмен данными между участниками дорожного движения. уведомляя водителей о приближении к аномальным участкам дорожного покрытия, обнаруженным другими участниками дорожного движения.

Данные, полученные с одного или нескольких датчиков в сочетании с алгоритмом идентификации дорожных дефектов, расположенными на смартфоне, дает нам возможность сбора, обработки и передачи актуальных данных.

Метод мобильного краудсорсинга основан на большом количестве мобильных участников. После сбора данных и их предварительной обработки они отправляются от мобильного участника движения на облачный сервер, который выполняет задачи интеллектуального анализа, включая интеграцию принимаемой информации, анализ, хранение и выдачу. Применение методов интеграции данных на сервере повышает точность и эффективность обработки данных АСМДП за счет реализации метода машинного обучения и операций классификации данных.

Известно, что передача данных от приложений смартфона имеют проблемы с достоверностью при передаче данных. Ошибки GPS усложняют сбор данных из-за ошибочного определения местоположения. Фактически, обнаруженное местоположение объекта(участника), полученное с помощью датчиков GPS смартфонов, имеет некоторую неопределенность. Таким образом, местоположение любой аномалии дорожного покрытия, определяемое разными пользователями смартфона, может быть разным из-за недостоверности данных.

В результате наилучшим подходом при краудсорсинге для определения дефектов дорожного покрытия из множества источников, в предлагаемом нами проекте будет реализован вероятностный и пространственно-временной подход, который позволит преодолеть как неопределенность, так и разнообразие типов и аномалий дорожного покрытия. 

Кроме того, новые технологии передачи данных, такие как архитектура RESTful (передача репрезентативного состояния) и форматы данных, такие как формат данных JSON (объектная нотация JavaScript), могут также использоваться в проекте для минимизации скорости передачи пакетов и преодоления проблем, связанных с совместным распознаванием с использованием смартфонов.

В проекте будет использоваться алгоритм постоянного обнаружения и классификации различных дефектов дорожного покрытия с использованием потоковой передачи данных в реальном времени с датчиков смартфонов и других географических данных.

Значения данных от датчиков будут постоянно сглаживаться и переориентироваться в пространстве, чтобы предоставить пользователям смартфонов больше свободы, а также повысить точность обнаружения.

Предполагается, что система АСМДП разработает алгоритмы самоадаптации и самообучения, таким образом чтобы была возможность адаптироваться к любой платформе, к динамическому поведению различных транспортных средств, а также к различным типам дорожного покрытия.

Разрабатываемая система АСМДП предусматривает:

• бесплатное кроссплатформенное приложение для смартфонов;

• минимизацию энергопотребления при функционировании разрабатываемого приложения на мобильном дивайсе;

• уменьшение интенсивности использования датчиков GPS;

• автоматическое применение калибровки датчиков для получения качественных и достоверных показаний;

• автоматическое определение уровня шума и доступность данных датчика в смартфонах различных производителей.

Для достижения цели комфортной и безопасной среды для жизни и цифровой трансформации, реализация АСМДП позволяет всем заинтересованным сторонам, в том числе и государственным, своевременно принимать эффективные решения в сфере:

• повышения эффективности организации дорожного движения в городских агломерациях, в том числе в части снижения перегруженности дорог и задержки в движении транспортных средств;

• повышения качества дорожной сети и ликвидации «узких» мест на автомобильных дорогах регионального и/или межмуниципального значения;

• обустройства автомобильных дорог регионального и (или) межмуниципального значения и улично-дорожной сети элементами, повышающими безопасность дорожного движения; 

• создания умной организации дорожного движения, включая развитие интеллектуальных транспортных систем, что позволит эффективно управлять траффиком, снижая перегруженность дорог и минимизируя задержки в движении включая применение технологий информационного моделирования.

Проектом АСМДП предусмотрено:

• реализация программно-аппаратного сервиса оценки и прогнозирования состояния дорожных покрытий автомобильных дорог и искусственных сооружений, включая применение технологий информационного моделирования, проектирования и автоматизированную выдачу проектно-технических решений по их сохранению, эксплуатации и ремонту;

• реализация программно-аппаратного сервиса оценки и обоснования финансовых и инвестиционных затрат при строительстве, эксплуатации и ремонте дорожной сети федерального, регионального и/или межмуниципального значения, в том числе и городских агломераций, включая применение технологи информационного моделирования и прогнозирование;

• обеспечение возможности использования предоставления комплексных услуг в сфере комфорта и безопасности движения в реальном масштабе времени, включая контроль исправности технических средств передвижения, выбора оптимального маршрута движения, выбором условий движения, автоматизированную передачу и обмен данными между участниками дорожного движения;

• подключение программно-аппаратного сервиса гиперспектального, спектрометрического и визуального дистанционного зондирования и картирования состояния автомобильных дорог и искусственных сооружений при помощи БПЛА, ПЛА и на основе спутниковых изображений, с применением технологий, интернет-реализации систем поддержки принятия решений, включая подсистемы видеонаблюдения, мониторинга параметров транспортных потоков, метеомониторинга, светофорного управления, информирования участников дорожного движения с помощью динамических информационных табло и знаков переменной информации, мониторинга экологических параметров, весогабаритного контроля транспортных средств, контроля соблюдения ПДД и контроля общественного транспорта;

• функционирование интеллектуальной системы управления дорожным движением и создание умной транспортной системы, что позволит эффективно управлять траффиком, снижая перегруженность дорог и минимизируя задержки в движении.