Обчислювальні машини, комплекси, системи та мережі
Зверніть увагу! На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Передбачувана дата завершення: травень 2021 року. Повний текст роботи та матеріали з теми можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Кожен день люди пересуваються по місту, мільйони машин по всьому світу їздять по містах і країнах. І все це завдяки тротуарах, дорогах, автомагістралях. З давніх часів дорога була шляхом повідомлення для пересування людей, худоби, транспорту. Найбільш древні дороги відносяться до 4 тисячоліття до нашої ери [1]. З тих пір пройшло багато часу, змінилися технології будівлі, але також зросли навантаження на покриття. У зв'язку з цим дуже важливим є відстеження стану дорожнього покриття. Постійне збільшення протяжності доріг вимагає залучення великої кількості фахівців, техніки, що тягне за собою збільшення витрат. Але також зростає і ризик виникнення помилки при огляді. У районах з важкими метеоумовами обстеження доріг необхідно проводити частіше і ретельніше, так як крім навантаження від транспорту позначається вплив температури, опадів, руху грунту. На допомогу в таких складних ситуаціях приходять сучасні технології.
В основі якісної дороги лежить так званий «дорожній пиріг» або ж дорожній одяг. «Дорожній пиріг» - це багатошарова основа, яке складається з грунту, піску і щебеню. Така підстава дозволяє дорожньому покриттю прослужити довше [2]. Всі етапи побудови дороги мають свою технологію і призначення. Товщина шару піску і щебеню залежить від передбачуваних навантажень і розраховується під конкретну задачу. «Пиріг» необхідний для запобігання передчасного руйнування покриття, руху дороги і забезпечує швидкісний режим і безпечний рух. На малюнку 1 показана найбільш часто зустрічаєма структура «дорожнього пирога».
Малюнок 1 - Структура «дорожнього пирога»
Така конструкція складається з грунтової основи, в якій прокладені всі комунікації. Потім йде амортизаційний шар піску, який мінімізує ймовірність глибоких пошкоджень. Між двома цими шарами, для поділу, може перебувати геотекстиль. Він виступає в якості дренажу, щоб дорогу не розмивало і запобігає змішуванню піску і грунту. Потім знову йде шар роздільник, геотекстиль або геосітка. Поверх укладається шар щебеню з бітумною емульсією. Таким чином, виходить міцна основа для дорожнього покриття, яка зможе забезпечити цілісність, рівність і довговічність дороги [3].
Всі етапи роботи, як і, використовувані для побудови, матеріали, чітко регламентовані відповідними ГОСТами. Так, ГОСТ Р 58349-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда. Методы измерения толщины слоёв дорожной одежды» поширюється на будівництво, реконструкцію, капітальний ремонт дорожнього одягу і встановлює вимоги до методів вимірювання товщини шарів підстави [4]. Відповідно і техніка, що виконує такі роботи, має певні параметри і характеристики. Від неї також потрібно достатня точність для роботи.
Але навіть беззаперечне виконання всіх правил і дотримання стандартів не гарантують збереження покриття. Згодом, на поверхні дороги, виникають різного роду дефекти. Дефекти дорожнього покриття - це відхилення геометричних параметрів, текстури і структури дорожнього одягу від нормативів. Їх ділять на наступні види, в залежності від характеру, місця розташування і величини [5]:
Будь-якому водієві знайома ситуація появи вибоїн навесні, після танення снігу. Це відбувається як від впливу температур і навантаження на покриття, так і від можливого порушення технології укладання асфальтобетонного покриття. Повсякденне використання, важкі вантажі, грунтові води, рух грунту - все це призводить до руйнувань асфальту. Для виявлення і подальшого прогнозу розвитку різних дефектів, на сьогоднішній день, застосовується дві групи обстеження [6]:
Обидва цих обстеження регулюються ГОСТом 33388-2015 «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению диагностики и паспортизации» [7]. Для визначення різних параметрів застосовуються такі ГОСТи, як ГОСТ Р 56925-2016 «Дороги автомобильные и аэродромы. Методы измерений неровностей оснований и покрытий» [8] і ГОСТ 32825-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожные покрытия. Методы измерения геометрических размеров повреждений (Переиздание)» [9]. Перший стандарт поширює свою дію на методи вимірювання нерівності поверхні дорожнього покриття (а також аеродромів) в період будівництва та експлуатації. Другий же стандарт регулює методи вимірювання геометричних розмірів пошкоджень дорожнього покриття, які впливають на безпеку дорожнього руху під час його експлуатації.
Застосування камер і комп'ютерів позитивно позначається і на фінансові витрати, і на якість виконання роботи. Але все одно велика роль людського фактора. Для вирішення цієї проблеми пропонується створення системи аналізу поверхні об'єкта, в даному випадку дорожнього покриття. Основна мета такої системи є визначення місць деформації дорожнього покриття без участі людини в цьому процесі, а в перспективі створення повністю самостійних мобільних комплексів моніторингу стану доріг. В основі такої системи передбачається використання лазерного проектора, камери і блоку обробки даних. Поштовхом для роботи над даною темою послужила розробка в 2013 році групи фахівців з Сичуаньського університету [10]. Їх задумка полягала в створенні світлодіодного проектора для велосипеда, який проектує на дорозі попереду квадратну сітку. При виникненні на шляху будь-яких нерівностей, сувора геометрія сітки змінюється, як показано на малюнках 2 і 3.
Малюнок 2 - Принцип роботи Lumigrids (convex - опуклий, concave - увігнутий)
Малюнок 3 - Зміна геометрії сітки при виникненні нерівностей
Як видно з малюнків, наведених вище, промені проектора при попаданні на будь-яку нерівність змінюють стан ліній сітки. Таким чином, велосипедист може заздалегідь помітити наявність перешкоди на дорозі і скорегувати траєкторію свого руху або зупинитися. І хоча пристрій в серію не пішов, подібне рішення, з деякими доробками, можна застосувати в автомобільній сфері.
Для реалізації системи пропонується використовувати лазерний проектор для проекції сітки на поверхні дороги і камеру, яка буде безперервно знімати і відправляти дані на пристрій обробки даних. Такий пристрій являє собою компактний комп'ютер, який виконує аналіз отриманих кадрів. Для обробки отриманої картинки і визначення того, що відбувається на покритті використовується скрипт, написаний на мові Python з використанням бібліотеки алгоритмів комп'ютерного зору OpenCV [11].
В якості платформи для пристрою обробки даних пропонується використовувати одноплатний комп'ютер Raspberry Pi 4 [12]. Це одна з останніх моделей родини комп'ютерів Raspberry.
Що стосовно характеристик, то на борту знаходиться чотирьох ядерний 64-ох бітний процесор з частотою 1,5 GHz. На вибір пропонується різний об'єм оперативної пам'яті: 2, 4 або 8 Gb стандарту LPDDR4. Присутні роз'єми USB 2.0 і 3.0 дозволять підключити все необхідне для роботи обладнання: мишу, клавіатуру, камеру. За допомогою двох портів micro-HDMI можна підключити два монітори для відстеження того, що відбувається. Також на платі є двохдіапазонний Wi-Fi і роз'єм Ethernet, що дозволяє організувати передачу оброблених даних на сервер для подальшої роботи з ними.
Для визначення місця розташування автомобіля застосовується технологія GPS.
За базу для такої системи може служити будь-який автомобіль. Зовні нього встановлюється проектор і камера, спрямовані на дорожнє покриття, а в салоні встановлюється комп'ютер.
Додатково, для отримання точних даних, можливе використання гіроскопа і акселерометра для фіксації кутів нахилу автомобіля і прискорення по осях X/Y/Z. Такі дані зможуть надати повну картину того, що відбувається на місці виявлення дефекту дороги.
Алгоритм роботи системи полягає в постійній зйомці, спроектований на дорожнє покриття сітки, камерою під час руху автомобіля. Сітка має квадратну форму, кількість ліній можна змінювати в залежності від завдання. На малюнку 4 показаний приклад сітки розмірністю 10 на 10.
Малюнок 4 - Приклад сітки 10 на 10
На будь-яких нерівностях геометрія сітки неодмінно буде змінюватися. Ці зміни фіксуються за допомогою камери і відправляються на пристрій аналізу та обробки даних. Далі, отриманий кадр пропускається через Python-скрипт і за допомогою спеціальних алгоритмів комп'ютерного зору визначається положення ліній, їх кути перетину. У підсумку, на основі отриманих даних робиться висновок про стан дорожнього покриття: наявність поглиблення або височини. Відбувається запит GPS координат. Потім, отримана відповідь записується в файл з прив'язкою до GPS координатам.
При наявності додатково встановлених акселерометра і гіроскопа виконується опитування датчиків і формування даних про кути нахилу в поточний момент, а також останні дані про вертикальні прискорення для доповнення картини стану дорожнього покриття. На малюнку 5 показано візуальне уявлення алгоритму.
Завдяки використанню комп'ютерного зору підвищується ефективність роботи і площа обстежуваної дороги. Легкість монтажу такої системи дозволяє встановлювати її в будь-який автомобіль і застосовувати в різних сферах.
Малюнок 5 - Візуальне уявлення алгоритму роботи (анімація: 11 кадрів, 5 циклів повторення, 50,8 кілобайт)
В даний час по всьому світу активно ведуться розробки по впровадженню технологічних рішень в усі сфери життя людини. Останнім часом залучаються розробки в галузі штучного інтелекту і нейронних мереж. Подібна тенденція, в першу чергу, пов'язана зі збільшенням точності виконуваних робіт. Заміна людини на автоматизовані системи дозволяє збільшити швидкість роботи і максимально знизити ризик появи дефектів.
Технології не стоять на місці і приходять на допомогу в обстеженні покриття. Стандартно візуальний метод обстеження передбачає прохід пішки експерта-дорожника або групи експертів по дорозі. Вони оглядають покриття, дорожні споруди та здійснюють зупинки в місцях виявлення дефектів. До спеціального журнал заноситься інформація про координати місця дефекту, його опис і прив'язка до кілометровому стовпчику. Так, у Франції, на заміну такому способу, була розроблена система DESY (Decri System). До її складу входить комп'ютер, спеціальні клавіатури, клавіші яких мають свій символ, що означає певну інформацію і програми для збору і обробки отриманих даних.
На додаток до такого способу, існує ще одна система, що складається з автомобіля-лабораторії. На автомобіль встановлюється камера і в русі ведеться зйомка всієї ділянки дороги. Існує два варіанти зйомки: з кабіни від рівня очей водія і зовні за допомогою камери на висувній балці попереду автомобіля. В обох випадках, отриманий відеоматеріал проглядається експертами і за допомогою системи DESY фіксуються всі виявлені дефекти. В обох варіантах, швидкість автомобіля не перевищує 60 км/год. До того ж, у другому варіанті зйомка ведеться в нічний час при штучному освітленні. Такий підхід не створює заторів на дорогах і перешкод для інших учасників руху, тому що щільність руху в нічний час має найменшу інтенсивність [13].
До подібних рішень можна віднести тільки розробку проекту «Дороги Росії» [14]. У проекті виконується онлайн моніторинг якості дорожнього покриття за допомогою смартфона. Телефон жорстко закріплюється на твердій поверхні в салоні автомобіля і при русі створює «кардіограму» шляху шляхом зчитування даних з вбудованого акселерометра і GPS-приймача. Встановлений додаток зчитує інформацію про коливання підвіски автомобіля і характеристиках руху. Для аналізу використовується математична модель, яка дозволяє з великим ступенем вірогідності виявляти з безлічі видів впливу на смартфон саме ті, які мають відношення до стану дорожнього полотна, а саме наявність ям і вибоїн [15]. Отримані дані відправляються на сервери і доступні в спеціальному додатку або на сайті. Основне завдання проекту - відображення якості доріг. Отримана інформація для деяких ділянок доріг може бути не актуальна, тому що передача може здійснюватися не в режимі реального часу. Але на жаль, в даний час про цей проект немає ніяких новин, заявлений сайт не працює, а фірмовий додаток видалено з вільного доступу.
Також існує сайт Автострада. На ньому надається інформація про актуальний стан дорожнього покриття трас України, Білорусі та Росії. Основною метою сайту є створення актуальної мапи стану дорожнього покриття трас. Користувачі сайту мають можливість дізнатися і проаналізувати інформацію про цікаві їм дороги, дізнатися про погані і хороші ділянки. Або поділитися інформацією про стан траси або ділянки дороги, при цьому є можливість виставити оцінку за п'ятибальною системою і залишити свій коментар. До недоліків можна віднести відсутність інформації про стан міських доріг, а також суб'єктивні відгуки користувачів [16].
Запропонована система дозволить оперативно і точно проводити контроль рівності дорожнього покриття, оптимізувати фінансові витрати на обстеження покриття і визначення дефектів. Також виявляти потенційні місця виникнення дефектів дороги і своєчасно вживати заходів для їх усунення. А завдяки гнучким налаштуванням системи, її можливо адаптувати для застосування в інших сферах, що вимагають аналіз покриття.
Резюме
Біографія
Реферат