Аналіз можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у smart-місті

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorМакаренко, Володимир Васильович
dc.contributor.authorПавлюченко, Владислав Андрійович
dc.date.accessioned2024-06-17T13:34:44Z
dc.date.available2024-06-17T13:34:44Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractПавлюченко 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.
dc.description.abstractotherPavliuchenko V.A. Analysis of the possibilities of using IoT technologies to increase traffic safety in a smart city. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of philosophy on a specialty 171 "Electronics". – National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute named after Igor Sikorsky", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2024. The following scientific results were first obtained in the dissertation: 1. For the first time, the modeling and analysis of the energy propagation of the signal field from DSRC road stations in complex urban conditions were carried out. 2. For the first time, it was proposed to use DSRC road stations as signal repeaters in complex traffic areas. 3. The modeling and analysis of field energy propagation from different types of RFID tags used in the city's transport network were performed. 4. For the first time, it is proposed to use seamless Wi-Fi coverage for the city's transportation network. 5. The modeling and analysis of signal strength propagation to create a "seamless" coverage from Wi-Fi access points for vehicles and pedestrians were performed. 6. The minimum signal level for creating high-quality "seamless" coverage from Wi-Fi access points has been found. The dissertation research is presented in four chapters, in which the main results of the work are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the dissertation, formulates the purpose and objectives of the study, presents the research methods, and provides information on the scientific novelty and practical significance of the results. The first chapter is devoted to a review of recent publications that have studied the use of IoT technologies in the city's transport network. The scientific works on the use of wireless technologies in the transport system had been considered, and the characteristics of wireless technologies had been analyzed, on the basis of which conclusions were drawn about the feasibility of using IoT technologies in the study, namely: DSRC, Wi-Fi, and RFID as auxiliary technologies for identifying vehicles, road signs, and pedestrians. In the second section, we study the dependence of the intensity of the signal field formed by active and passive tags of the radio frequency identification (RFID) system on the conditions of signal propagation. The analysis of the field energy propagation from active and passive RFID tags has been carried out. It is determined that the use of passive RFID tags to inform drivers is not sufficient for roads with two or more lanes in one direction. Such tags would be appropriate for roads with one lane in one direction or for roads with two lanes in one direction, provided that the tags are installed on road signs on both sides of the road. It has been established that the use of active RFID tags makes it possible to inform vehicles on roads with more than 2 lanes in one direction. For roads with one and two lanes in the same direction, the integration of one active RFID tag per road sign will be sufficient. For roads with three and four lanes in one direction, it is necessary to integrate active RFID tags on both sides of the road to ensure reliable communication. The Altair WinProp and Altair WallMan software products were used to analyze the field energy distribution in the environment. Comparison of the modeling results and field energy calculations using the Friis formula showed a high degree of convergence. This indicates the correctness of the results of modeling the field propagation in complex urban conditions. The use of the characteristics of radio frequency tags, both passive and active, produced by the industry for use in traffic control systems, allowed us to obtain results that correlate well with the results of studies published by other authors. The analysis of the propagation of signals from RFID tags on multi-lane roads, with different configurations of vehicles on the road, made it possible to formulate requirements for the characteristics and locations of radio frequency tags to realize reliable communication with vehicles in dense traffic. The obtained results can be used in the design of an automated transport network of a smart city. In the third section, we analyze the propagation of DSRC device signals in a complex urban environment with different street configurations and relative positions of vehicles. The limits of confident information exchange between vehicles in dense urban areas with a large number of buildings and a complex street configuration are determined. The dependence of the intensity of the signal field formed by DSRC road stations and vehicle on-board devices on the signal propagation conditions and the relative position of the stations and vehicles was studied. The influence of the location of the road station on signal propagation in urban areas is investigated. An analysis of the capabilities of the DSRC system for timely warning of vehicle drivers about the possibility of a collision in dense urban areas is carried out. It was found that in conditions of limited visibility, DSRC devices installed on vehicles are not sufficient to provide timely information to drivers. To address this shortcoming, it is proposed to install DSRC road stations in areas of limited visibility as vehicle signal repeaters. This will increase the distance of confident communication on straight sections and allow for early warning of danger, which is especially important in wet or icy road conditions. Studies have shown that the use of road stations for signal relaying leads to an increase in the distance of reliable signal reception from two to ten times, depending on the nature of the building. The results were obtained using simulation modeling in the Altair WinProp software environment. The results obtained can be used in the design of a smart city DSRC network in conditions of high interference. Section 4 investigates the signal propagation from Wi-Fi access points. As a result of the study, it was found that even though Wi-Fi technology provides a slower connection speed between devices than DSRC technology when organizing seamless WiFi coverage, this disadvantage of this technology can be compensated since Wi-Fi devices do not need to establish a connection with the access point every time they are within the coverage area of seamless coverage. Thus, Wi-Fi technology can be used to alert vehicles and pedestrians to the location of dangerous traffic areas. The analysis of signal propagation from Wi-Fi access points was carried out in the Altair WinProp software environment. The quality of the data transmission channel was experimentally verified by testing packet loss and throughput at different signal levels in dense urban areas in Kyiv. The research was conducted using a Mikrotik Wi-Fi router and a laptop with a Wi-Fi module. The maximum signal level generated by the Wi-Fi access point, at which the number of packet losses will be acceptable, was found to build a "seamless" coverage for the transport network. Based on the results of modeling and experimental studies, it was found that to build a "seamless" network, it is necessary to create a zone with a signal strength not less than -70 dBm for Wi-Fi 2.4 Ghz 802.11n standard. This signal level is provided by four Wi-Fi access points with a transmitter power of +20 dBm, installed at a distance of 50 meters from each other. This construction of the Wi-Fi network will provide reliable communication for road users at a distance of up to 50 m from the intersection. The practical significance of the results obtained in this thesis is that the findings can be used to design a wireless transport network for a safe city. The conducted research and modeling on the propagation of signal field energy from Wi-Fi access points can be used to design a "seamless" Wi-Fi coverage for the organization of safe pedestrian and vehicle traffic in a smart city. The results obtained from the study of field energy propagation from active and passive RFID tags can be used to design a traffic sign warning system. The results contain information on choosing the right location, transmitter power, and the required number of tags when building a system.
dc.format.extent140 с.
dc.identifier.citationПавлюченко, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/67208
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectIoT
dc.subjectтранспортна мережа
dc.subjectбезпроводові технології
dc.subjectтехнологія DSRC
dc.subjectтехнологія Wi-Fi
dc.subjectбезшовне покриття
dc.subjectsmart-місто
dc.subjectрозповсюдження сигналу
dc.subjectантенна
dc.subjectрівень сигналу
dc.subjectтехнологія RFID
dc.subjectактивна RFIDмітка
dc.subjectпасивна RFID-мітка
dc.subjectRFID-зчитувач
dc.subjectточка доступу Wi-Fi
dc.subjectдорожні станції
dc.subjectбортові пристрої
dc.subjectчутливість приймача
dc.subjectпотужність
dc.subjecttransport network
dc.subjectwireless technology
dc.subjectDSRC technology
dc.subjectWi-Fi technology
dc.subjectRFID technology seamless network
dc.subjectsmart-city
dc.subjectpropagation of the signal
dc.subjectantenna
dc.subjectreceiver sensitivity
dc.subjectsignal strength
dc.subjectactive RFID-tag
dc.subjectpassive RFID-tag
dc.subjectRFIDreader
dc.subjectWi-Fi access point
dc.subjectRSU
dc.subjectOBU
dc.subjectpower
dc.subject.udc654.026
dc.titleАналіз можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у smart-місті
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
Pavliuchenko_dys.pdf
Розмір:
3.89 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (АМЕС)
Дисертації (вільний доступ)