Аналіз можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у smart-місті
Ескіз недоступний
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Павлюченко В.А. Аналіз можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у smart-місті. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 "Електроніка". – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", МОН України, Київ, 2024.
В дисертаційній роботі вперше отримано наступні наукові результати: 1. Вперше проведено моделювання та аналіз розповсюдження енергії поля сигналу від дорожніх станцій DSRC у складних умовах міської забудови. 2. Вперше запропоновано використовувати дорожні станції DSRC в якості повторювачів сигналу на складних ділянках руху. 3. Виконано моделювання та аналіз розповсюдження енергії поля від різних типів RFID-міток, що використовуються у транспортній мережі міста. 4. Вперше запропоновано використовувати безшовне Wi-Fi покриття для підвищення безпеки руху транспортної мережі міста. 5. Виконано моделювання та аналіз розповсюдження рівня сигналу для створення безшовного покриття від точок доступу Wi-Fi для транспортних засобів та пішоходів. 6. Проведено дослідження можливості використання безшовної мережі WiFi для попередження водіїв та пішоходів при руху транспортних засобів. Дисертаційна робота присвячена аналізу можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у сучасному місті. Дисертаційне дослідження представлене у чотирьох розділах, у яких наведені та обґрунтовані основні результати роботи. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено методи дослідження, представлена інформація про наукову новизну, а також практичне значення отриманих результатів. Перший розділ присвячено огляду останніх публікацій в яких проводилися дослідження використання технологій IoT у транспортній мережі міста. Розглянуто наукові роботи по використанню безпроводових технологій у транспортній системі, розглянуто характеристики безпроводових технологій, на основі яких було зроблено висновки про доцільність використання у дослідженні технологій IoT, а саме: DSRC, Wi-Fi та RFID в якості допоміжних технологій у ідентифікації транспортних засобів, дорожніх знаків та пішоходів. У другому розділі проведено дослідження залежності інтенсивності поля сигналу сформованого активними та пасивними мітками системи радіочастотної ідентифікації (RFID) від умов розповсюдження сигналу. Проведено аналіз розповсюдження енергії поля від активних та пасивних RFID-міток. Визначено, що використання пасивних RFID-міток для інформування водіїв недостатньо для доріг, що мають дві та більше смуг руху в одну сторону. Такі мітки буде доцільно використовувати для доріг з однією смугою руху в одному напрямку або для доріг з двома смугами руху в одному напрямку за умови встановлення міток на дорожні знаки з обох боків дороги. Встановлено, що використання активних RFID-міток дає змогу інформувати транспортні засоби на дорогах, які мають більше ніж 2 смуги руху в одному напрямку. Для доріг з однією та двома смугами руху в одному напрямку буде достатньо інтеграції однієї активної RFID-мітки на дорожній знак. Для доріг з трьома та чотирма смугами руху в одному напрямку необхідно інтегрувати активні RFID-мітки з двох боків дороги для забезпечення надійного зв’язку. Для аналізу розподілення енергії поля у навколишньому середовищі використані програмні продукти Altair WinProp та Altair WallMan. Порівняння результатів моделювання і розрахунків енергії поля за формулою Фрііса показали високий ступінь збіжності результатів. Це свідчить про коректність результатів моделювання розповсюдження поля у складних умовах забудови міста. Використання характеристик радіочастотних міток, як пасивних так і активних, що випускаються промисловістю для застосування в системах контролю руху транспорту, дозволило отримати результати що добре корелюються з результатами досліджень опублікованими іншими авторами. Аналіз розповсюдження сигналів від RFID-міток на багато смугових дорогах, при різній конфігурації розташування транспортних засобів на дорозі, дозволив сформулювати вимоги до характеристик та місць розташування радіочастотних міток для реалізації надійного зв’язку з транспортними засобами в умовах щільного трафіку. Отримані результати можна використати при проектуванні автоматизованої транспортної мережі смарт-міста. У третьому розділі проведений аналіз розповсюдження сигналів пристроїв DSRC в умовах складної міської забудови при різній конфігурації вулиць і взаємному розташуванні транспортних засобів. З’ясовані межі впевненого обміну інформацією між транспортними засобами в умовах щільної міської забудови з великою кількістю будівель та складною конфігурацією вулиць. Проведено дослідження залежності інтенсивності поля сигналу, сформованого дорожніми станціями DSRC та бортовими пристроями транспортних засобів, від умов розповсюдження сигналу та взаємного положення станцій та транспортних засобів. Досліджено вплив місця розташування дорожньої станції на розповсюдження сигналу у міських умовах. Проведений аналіз можливостей системи DSRC для своєчасного попередження водіїв транспортних засобів про можливість зіткнення в умовах щільної міської забудови. Встановлено, що в умовах обмеженої видимості пристроїв DSRC, встановлених на транспортних засобах, недостатньо для забезпечення своєчасного інформування водіїв. Для усунення цього недоліку запропоновано встановлювати дорожні станції DSRC у зонах обмеженої видимості у якості повторювачів сигналів транспортних засобів. Це дає змогу на прямих ділянках збільшити відстань впевненого зв'язку і дозволить завчасно отримати повідомлення про небезпеку, що особливо важливо в умовах мокрого або покритого льодом дорожнього полотна. Дослідження показали, що використання дорожніх станцій для ретрансляції сигналів призводить до збільшення відстані впевненого прийому сигналів від двох до десяти разів в залежності від характеру забудови. Результати отримані за допомогою імітаційного моделювання у програмному середовищі Altair WinProp. Отримані результати можна використати при проектуванні мережі DSRC розумного міста в умовах високого рівня завад. У четвертому розділі проведено дослідження розповсюдження рівня сигналу від точок доступу Wi-Fi. В результаті проведеного дослідження встановлено, що незважаючи на те що технологія Wi-Fi забезпечує меншу швидкість з’єднання між пристроями, ніж технологія DSRC, при організації безшовного Wi-Fi покриття можна компенсувати цю ваду даної технології завдяки тому, що пристроям Wi-Fi не треба щоразу встановлювати з’єднання з точкою доступу, поки вони знаходяться в зоні дії безшовного покриття. Таким чином технологію Wi-Fi можна використовувати для оповіщення про місцезнаходження транспортних засобів та пішоходів на небезпечних ділянках руху. Аналіз розповсюдження сигналу від точок доступу Wi-Fi здійснювався у програмному середовищі Altair WinProp. Проведена експериментальна перевірка якості каналу передачі даних шляхом тестування втрат пакетів та пропускної здатності при різних рівнях сигналу в умовах щільної забудови у місті Києві. Дослідження проведені за допомогою Wi-Fi маршрутизатора “Mikrotik” та ноутбука з Wi-Fi модулем. Знайдено граничний рівень сигналу сформованого точкою доступу Wi-Fi, при якому кількість втрат пакетів буде припустимою, для побудови "безшовного" покриття для транспортної мережі. За результатами моделювання та експериментальних досліджень встановлено, що для побудови "безшовної" мережі необхідно створити зону з рівнем сигналу не меншим за -70 дБм для Wi-Fi 2.4 ГГц стандарту 802.11n. Такий рівень сигналу забезпечують чотири точки доступу Wi-Fi з потужністю передавача +20 дБм, встановлених на відстані 50 м одна від одної. Така побудова мережі WiFi забезпечить надійним зв’язком учасників дорожнього руху на відстані до 50 м від перехрестя. Практичне значення одержаних в дисертаційній роботі результатів полягає в тому, що отримані результати можуть бути використані для проектування безпроводової транспортної мережі безпечного міста. Проведене дослідження та моделювання по розповсюдженню енергії поля сигналу від точок доступу Wi-Fi можна використовувати для проектування "безшовного" Wi-Fi покриття для організації безпечного руху пішоходів та транспортних засобів у smart-місті. Результати отримані при дослідженні розповсюдження енергії поля від активних та пасивних RFID-міток можна використати при проектуванні системи оповіщення про дорожні знаки. Отримані результати містять інформацію про вибір правильного місце розташування, потужність передавача та необхідну кількість міток при побудові системи.
Опис
Ключові слова
IoT, транспортна мережа, безпроводові технології, технологія DSRC, технологія Wi-Fi, безшовне покриття, smart-місто, розповсюдження сигналу, антенна, рівень сигналу, технологія RFID, активна RFIDмітка, пасивна RFID-мітка, RFID-зчитувач, точка доступу Wi-Fi, дорожні станції, бортові пристрої, чутливість приймача, потужність, transport network, wireless technology, DSRC technology, Wi-Fi technology, RFID technology seamless network, smart-city, propagation of the signal, antenna, receiver sensitivity, signal strength, active RFID-tag, passive RFID-tag, RFIDreader, Wi-Fi access point, RSU, OBU, power
Бібліографічний опис
Павлюченко, В. А. Аналіз можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у smart-місті : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Павлюченко Владислав Андрійович. – Київ, 2024. – 140 с.