-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position einer Vielzahl von Verkehrsteilnehmern in einem Verkehrstelematiksystem.
-
In Verkehrstelematikanwendungen ist es notwendig, die Dichte von Verkehrsteilnehmern in einem bestimmten geographischen Gebiet abzuschätzen. Verkehrsteilnehmer können z. B. Autos sein, jedoch auch jeder andere Verkehrsteilnehmer, der teilnimmt am Verkehr in einem Straßennetzwerk oder jeglichem anderem Verkehrsnetzwerk.
-
Bekannte Systeme, z. B. Verkehrsalarmsysteme, versuchen abzuschätzen, welche Straßen zu einem bestimmten Zeitpunkt überfüllt sind. Bestehende Systeme benötigen einen Rückkanal von den Endgeräten, mit denen die Verkehrsteilnehmer ausgestattet sind, zu Basisstationen. Die Endgeräte können z. B. GPS-Receiver sein, die die Verkehrszustände einer zentralen Einheit, nämlich der Basisstation, mitteilen.
-
Als eine Alternative werden zur Überwachung von Verkehrsstaus Überwachungssysteme verwendet, die auf einer bestimmten Infrastruktur basieren.
-
Die erste Lösung erfordert einen Rückkanal, sodass die Endgeräte bei den Verkehrsteilnehmern eine Funkschnittstelle zum Kommunizieren mit der Basisstation haben müssen.
-
Die zweite Lösung hat den Nachtteil, dass eine terrestrische Infrastruktur benötigt wird, um die Verkehrssituation zu Überwachen.
-
Druckschrift
DE 197 51 741 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Position einer Vielzahl von Verkehrsteilnehmern in einem Verkehrstelematiksystem. Die Verkehrsteilnehmer sind ausgestattet mit Endgeräten zum Bestimmen ihrer räumlichen Position. Die Endgeräte übermitteln ein Feedbacksignal, sofern sie sich in einem bestimmen Gebiet befinden.
-
US 2008/0088485 A1 beschreibt ein Satellitensystem zur Verfolgung und Überwachung von Frachtschiffen.
-
Das Code Division Multiple Access Verfahren ist im englischen Wikipedia-Eintrag vom 16. September 2012 beschrieben.
-
EP 1 381 828 B1 beschreibt die Erzeugung von Navigationskarten in einem Fahrzeug durch iterative Verfahren.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches Verfahren und ein System zum Bestimmen der Position einer Vielzahl von Verkehrsteilnehmern in einem Verkehrstelematiksystem bereitzustellen, ohne die Notwendigkeit einer komplexen Feedback-Signalisierung von den Endgeräten zu einer zentralen Einheit.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1.
-
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der Position einer Vielzahl von Verkehrsteilnehmern in einem Verkehrstelematiksystem sind die Verkehrsteilnehmer ausgestattet mit Endgeräten, die Mittel zum Bestimmen ihrer räumlichen Position aufweisen. Diese Endgeräte können z. B. erweiterte GPS-Receiver oder Galileo Terminals sein, die in der Lage sind ein schmalbandiges Feedbacksignal zu einer zentralen Analysevorrichtung zu übermitteln.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Eine zentrale Analysevorrichtung, z. B. ein Gateway übermittelt Gebietsdaten zu einer Vielzahl von Endgeräten in jedem Verkehrsteilnehmer. Die Gebietsdaten zeigen ein Gebiet an, dass ein Teil eines Straßennetzwerks oder jedes anderen Verkehrsnetzwerks ist. Die Gebietsdaten können z. B. Koordinaten aufweisen, die das jeweilige Gebiet definieren. Somit ist die Menge an Daten, die in den Gebietsdaten enthalten sind, sehr gering.
- b) Jedes Endgerät ermittelt, ob der Verkehrsteilnehmer, zu dem dieses Endgerät gehört, in dem Gebiet ist, das durch die Gebietsdaten angezeigt ist. Zu diesem Zweck verwendet das Endgerät die Mittel zum Bestimmen dieser räumlichen Position (was z. B. ein GNSS-Sensor sein kann).
-
Wenn ein Endgerät in dem angezeigten Gebiet ist, übermittelt es ein Feedbacksignal über einen Feedbackkanal. Somit wird für jeden Verkehrsteilnehmer in dem angezeigten Gebiet ein Feedbacksignal über den Feedbackkanal übermittelt. Diese Feedbacksignale können durch die zentrale Analysevorrichtung z. B. das Gateway empfangen und dort weiterverarbeitet werden.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die zentrale Analysevorrichtung in der Lage, die Information über die Dichte von Verkehrsteilnehmern in einem bestimmten geographischen Gebiet auf sehr einfache Weise zu erhalten. Insbesondere wird nur ein schmalbandiger Feedbackkanal benötigt. Z. B. ist eine Bandbreite von 10 kHz für den Feedbackkanal ausreichend zum Übermitteln des beschriebenen Feedbacksignals von den Endgeräten. Zum Übermitteln dieses Feedbacksignals müssen die Endgeräte nicht mit einer komplexen Funkschnittstelle ausgestattet sein, da das Feedbacksignal ein sehr einfaches Signal z. B. ein Tonsignal in einer festgelegten Frequenz sein kann, das keine weiteren Informationen enthält. Es ist bevorzugt, dass alle Tonsignale der Verkehrsteilnehmer dieselbe Frequenz haben.
-
Das Feedbacksignal kann ferner ein reines Trägersignal oder ein schmalbandiges moduliertes Trägersignal sein. Ein reiner Träger ist ein unmodulierter Sinusoid, d. h. z(t) = A·sin(ω0·t).
-
Es ist bevorzugt, dass eine Überlagerung der Feedbacksignale, insbesondere der Tonsignale aller Verkehrsteilnehmer, durch die Analysevorrichtung, insbesondere durch das Gateway empfangen wird. Dies bedeutet, dass die Analysevorrichtung nicht in der Lage sein wird, zwischen den einzelnen Feedbacksignalen jedes Verkehrsteilnehmers zu unterscheiden, sondern nur die Summe (d. h. die Überlagerung) aller Feedbacksignale empfangen wird.. Wenn alle Feedbacksignale z. B. die gleiche Frequenz verwenden, ist deutlich, dass die Energiemenge dieser Überlagerung von Feedbacksignalen größer ist, je mehr Feedbacksignale übermittelt werden.
-
Somit ist es bevorzugt, dass die Anzahl der Verkehrsteilnehmer in dem angezeigten Gebiet geschätzt wird durch Erfassen der Energiemenge, die durch die Analysevorrichtung empfangen wird. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, ein vorbestimmtes Feedbackband zu berücksichtigen, insbesondere ein schmales Feedbackband mit einer Bandbreite von 5–100 kHz, bevorzugt 5–20 kHz und besonders bevorzugt 10 kHz, in dem die Feedbacksignale von den Verkehrsteilnehmern zu der Analysevorrichtung übermittelt werden. Die Energiemenge, die durch die Analysevorrichtung in diesem vorbestimmten Feedbackband empfangen wird, zeigt die Anzahl der Verkehrsteilnehmer in dem betreffenden Gebiet an. Die Energiemenge kann erhalten werden durch eine Integration über ein Beobachtungfenster, mit einer vorbestimmten Dauer T0.
-
Es ist bevorzugt, dass die Analysevorrichtung, insbesondere das Gateway, die Gebietsdaten zu den Endgeräten als einen Broadcast über eine Satellitenverbindung übermittelt. Es ist ferner bevorzugt, dass die Feedbacksignale von den Endgeräten zu der Analysevorrichtung über eine schmalbandige Satellitenverbindung übermittelt werden.
-
Die Gebietsdaten, die von der Analysevorrichtung zu den Endgeräten übermittelt werden, können Koordinaten enthalten, die das betreffende Gebiet identifizieren. Diese Koordinaten können z. B. zwei Paare von Werten für Breitengrade/Längengrade sein, um zwei Ecken eines quadratischen Gebiets zu definieren. Durch eine Verwendung von quadratischen Gebieten ist es sehr einfach, das gesamte zu überwachende Verkehrsnetz in kleinere Gebiete aufzuteilen, ohne irgendeinen Teil des Verkehrsnetzes unbeobachtet zu lassen.
-
Erfindungsgemäß wird die Position der Verkehrsteilnehmer unter Verwendung eines iterativen Dezimierungsprozesses ermittelt. Dieser Prozess umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- d) Das Verkehrsnetz wird aufgeteilt in eine Vielzahl von ersten großen Gebieten. Die Gebietsdaten, die das jeweilige erste große Gebiet anzeigen, werden nacheinander an die Endgeräte übermittelt. Dies bedeutet, dass in einem ersten Zeitabschnitt die Gebietsdaten, die ein erstes großes Gebiet anzeigen, an die Endgeräte übermittelt werden. In einem zweiten Zeitabschnitt werden die Gebietsdaten für ein anderes erstes großes Gebiet zu den Endgeräten übertragen etc., sodass nacheinander alle Gebietsdaten, die alle jeweiligen ersten großen Gebiete anzeigen, an die Endgeräte übermittelt werden.
- e) Schritte b) und c) des Anspruchs 1 werden in Bezug zu jedem der ersten großen Gebiete durchgeführt, d. h. jedes Endgerät entscheidet, ob es sich in dem Gebiet befindet, das durch die entsprechenden Gebietsdaten angezeigt wird, und sofern dies der Fall ist, übermittelt dieses Endgerät ein Feedbacksignal über den Feedbackkanal.
-
Der zweite Iterationszyklus für i = 2 wird durchgeführt durch die folgenden Verfahrensschritte:
- f) Diese ersten großen Gebiete, in denen ein Gesamtenergielevel detektiert wurde, das einen vorbestimmten Energieschwellwert t(i) überschreitet, werden in zweite kleinere Gebiete aufgeteilt. Hierbei ist das Energielevel die Summe aller Feedbacksignale des entsprechenden ersten großen Gebietes und i ist der Iterationsindex, nämlich die Zahl des aktuellen Iterationszyklus. Wenn die in einem bestimmten ersten großen Gebiet empfangene Energiemenge den vorbestimmten Energieschwellwert t(i) überschreitet, zeigt dies an, dass in diesem ersten großen Gebiet, zumindest in einigen Teilen dieses ersten großen Gebiets, wahrscheinlich ein eher dichter Verkehr vorherrschen wird. Durch weiteres Unterteilen der ersten großen Gebiete mit einem hohen Energielevel in kleinere Gebiete ist es möglich herauszufinden, in welchen dieser kleineren Gebiete der Verkehr dicht ist.
- g) Die Gebietsdaten, die das entsprechende kleinere Gebiet anzeigen, werden nacheinander an die Endgeräte übermittelt.
- h) Verfahrensschritte b) und c), die in Anspruch 1 definiert sind, werden in Bezug auf jeden der zweiten kleineren Gebiete ausgeführt, d. h. jedes Endgerät überprüft, ob es sich in dem angezeigten zweiten kleineren Gebiet befindet und sofern dies der Fall ist, übermittelt dieses Endgerät ein Feedbacksignal über den Feedbackkanal.
-
Der i-te Iterationszyklus wird durch die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:
- i) Diejenigen der kleineren Gebiete, in denen ein Gesamtenergielevel detektiert wurde, das den vorbestimmten Energieschwellwert t(i) überschreitet, werden in i-te kleinere Gebiete aufgeteilt.
- j) Erneut werden die Gebietsdaten, die das entsprechende i-te kleinere Gebiet anzeigen, nacheinander an die Endgeräte übermittelt.
- k) Verfahrensschritte b) und c), die in Anspruch 1 definiert sind, werden in Bezug auf jedes der i-ten kleineren Gebiete ausgeführt, d. h. dass jedes Endgerät überprüft, ob es sich in dem entsprechenden i-ten kleineren Gebiet befindet und sofern dies der Fall ist, übermittelt dieses Endgerät ein Feedbacksignal über den Feedbackkanal.
-
Während die letztgenannten drei Verfahrensschritte iterativ wiederholt werden, wächst i) mit jeden Iterationszyklus. Die Iteration endet, wenn kein Gebiet das vorbestimmte Energielevel überschreitet, was bedeutet, dass die Verkehrsdichte in jedem Gebiet nicht einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet und somit kein Stau vorliegen wird. Gebiete, in denen das erfasste Gesamtenergielevel nicht den vorbestimmten Energieschwellwert t(i) überschreitet, werden vernachlässigt, sodass sie nicht weiter in kleinere Gebiete aufgeteilt werden müssen.
-
Daher basiert das beschriebene Verfahren zum Durchführen des iterativen Dezimierungsprozesses auf einem Q-ären Baum, der später detaillierter beschrieben wird.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verkehrstelematiksystem zum Bestimmen der Position einer Vielzahl von Verkehrsteilnehmern. Das System umfasst die folgenden Komponenten:
Das System umfasst eine Vielzahl von Endgeräten, wobei jedes Endgerät Mittel zum Bestimmen seiner örtlichen Position aufweist. Jeder Verkehrsteilnehmer wird mit einem der erfindungsgemäßen Endgeräte ausgestattet.
-
Das erfindungsgemäße Verkehrstelematiksystem umfasst ferner eine zentrale Analysevorrichtung, z. B. ein Gateway, zum Übertragen von Gebietsdaten von dieser Analysevorrichtung zu der Vielzahl von Endgeräten. Die Gebietsdaten zeigen ein Gebiet an, das Teil eines Straßennetzes oder jedes anderen Verkehrsnetzes ist.
-
Die erfindungsgemäßen Endgeräte sind angepasst zum Bestimmen, ob jeder Verkehrsteilnehmer in dem durch die Gebietsdaten angezeigten Gebiet ist. Dieses Bestimmen wird durchgeführt unter Verwendung der Mittel zum Bestimmen der räumlichen Position des jeweiligen Endgerätes eines jeden Verkehrsteilnehmers. Z. B. kann jedes Endgerät mit einem GNSS-Sensor ausgestattet sein.
-
Die erfindungsgemäßen Endgeräte sind ferner angepasst zum Übermitteln eines Feedbacksignals für jeden Verkehrsteilnehmer, der im angezeigten Gebiet ist, über einen Feedbackkanal.
-
Das erfindungsgemäße Verkehrstelematiksystem kann jedes Merkmal aufweisen, das in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurde und umgekehrt.
-
Insbesondere ist es bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Analysevorrichtung angepasst ist zum Erfassen der Energiemenge, die durch die Analysevorrichtung in dem Feedbackband empfangen wird, wobei die Energiemenge erhalten wird, durch Verwendung eines Integrators in der Analysevorrichtung zum Integrieren über einem Beobachtungsfenster einer vorbestimmten Dauer T0. Durch Verwendung einer solchen Analysevorrichtung mit einem Integrator ist es nicht notwendig ein komplexes Feedbacksignal von den Endgeräten zu der Analysevorrichtung zu übermitteln.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Kontext der Figuren erläutert.
-
1 zeigt ein vereinfachtes Szenario, in dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann
-
2 zeigt ein Beispiel für das Erfassen der Energiemenge, die in einem Frequenzband empfangen wird
-
3 zeigt einen Q-ären Baum als ein Beispiel für den erfindungsgemäßen iterativen Dezimierungsprozess.
-
Wie in 1 erkennbar, wird das gesamte Verkehrsnetz, das in diesem Fall ein Straßennetz ist, in vier erste große Gebiete A1, A2, A3 und A4 aufgeteilt. Im ersten Iterationszyklus des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gesamtenergiemenge aller Feedbacksignale in den entsprechenden ersten großen Gebieten A1, A2, A3 und A4 detektiert. Das Ergebnis kann z. B. wie in 1 dargestellt sein, dass in den Gebieten A2, A3 und A4 nicht viel Verkehr vorherrscht, sodass ein weiteres Aufteilen dieser Gebiete nicht notwendig ist. Jedoch wurde in dem ersten großen Gebiet A1 eine hohe Gesamtenergie des Feedbacksignals detektiert.
-
Somit wird im zweiten Iterationszyklus (i = 2) dieses Gebiet in eine Vielzahl von zweiten kleineren Gebieten B1, B2, B3 und B4 aufgeteilt. Der zweite Iterationszyklus zeigt, dass eine große Gesamtenergiemenge in Gebiet B1 existiert, während die anderen Gebiete B2, B3 und B4 nicht den vorbestimmten Energieschwellwert t(i) überschreiten.
-
Somit wird in dem dritten Iterationszyklus das kleinere Gebiet B1 weiter aufgeteilt in weitere kleinere Gebiete C1, C2, C3 und C4. Der dritte Iterationszyklus kann z. B. zeigen, dass eine große Energiemenge im Gebiet C1 detektiert wird. Der Grund hierfür kann z. B. sein, dass sich in diesem Gebiet C1 ein Stadtgebiet befindet.
-
In 1 werden drei Iterationszyklen gezeigt, wobei jedes Gebiet beim nächsten Iterationszyklus in kleine Gebiete unterteilt wird (q = 4).
-
Andere Werte für die Anzahl der Iterationen i oder für q sind möglich.
-
3 zeigt ein vereinfachtes Beispiel der Aufteilung eines gesamten Verkehrsnetzes, das zu überwachen ist, in drei erste große Gebiete im ersten Iterationszyklus. Jedes dieser drei großen Gebiete wird weiter aufgeteilt in drei kleinere Gebiete, wenn die in diesem ersten großen Gebiet gemessene Energiemenge einen vorbestimmten Schwellwert t(i) überschreitet.
-
Eine Schätzung der Menge von Endgeräten in dem zu untersuchenden Gebiet, kann erhalten werden durch Energiedetektion, d. h. durch Vergleichen der Energiemenge, die in dem Frequenzband detektiert wurde. Diese Energiemenge kann erhalten werden durch eine Integration über ein Beobachtungsfenster der Dauer T. Diese Situation ist in 2 dargestellt. x(t) ist in x2(t) geändert, da die Signalenergie für ein Signal x(t) definiert ist als ∫x2(t) dt.
-
Im Folgenden wird ein praktischeres Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
-
Es wird ein Fall betrachtet, in dem ein Gebiet von 100 km2 mit N = 100.000 Endgeräten analysiert wird. Wenn eine konventionelle Messtechnik verwendet wird, kann ein Random Access Protokoll durch die Terminals verwendet werden, um dem Gateway ihre Position mitzuteilen. Typische Random Access Protokolle (z. B. Slotted ALOHA) stellen einen Datendurchsatz von T = 0,36 Paketen/Slots zur Verfügung. Eine erste grobe Schätzung der Gesamtzeit die benötigt wird, um die Positionen der Benutzer zu sammeln, kann gegeben werden durch ts = N/T 270.000 Slots. Wenn ferner angenommen wird, dass die Position durch Pakete von ungefähr 20 Bytes (160 bits) übermittelt wird, kodiert durch einen FEC Kode mit einer Coderate von ½ und mit QPSK-Modulation (was in Frames von 160 bits resultiert) und unter der weiteren Annahme einer Bandbreite von 100 kHz, ist die Zeit, die benötigt wird, um die Positionen der N = 100.000 Endgeräte zu Bestimmen, ungefähr 430 Sekunden.
-
Wenn in dem gleichen Fall das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, kann der Test viel schneller durchgeführt werden. Wenn z. B. ein Q-ärer Baum mit Q = 9 verwendet wird, kann nach vier Iterationen ein Gebiet von ungefähr 0,015 km2 in der letzten Iteration (i = 4) untersucht werden. Wenn ferner angenommen wird, dass bei jeder Iteration zwei der detektierten Energielevel den Energieschwellwert t(i) überschreiten, beträgt die Gesamtzahl an Tests, die durchgeführt werden wird, 9 + 2·9 + 4·9 + 8·9 = 9·15 = 135. Die Anzahl der Tests in dem ersten Iterationszyklus ist 9, die Anzahl der Tests im zweiten Iterationszyklus ist 2·9, die Anzahl der Tests im dritten Iterationszyklus ist 4·9 und die Anzahl der Tests im vierten Iterationszyklus ist 8·9, was zu einer Gesamtzahl an Test von 135 führt. Wenn ferner angenommen wird, dass jeder Test ausgeführt wird durch eine Integration der empfangenden Energie über eine Bandbreite von 10 kHz in T0 = 100 ms, kann der Test in ungefähr 13 Sekunden ausgeführt werden, was bedeutet, dass nur 1/10 der Bandbreite des konventionelle Systems benötigt wird.
-
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es für die Feedbacksignale nicht notwendig ist, mit einem Multiple Access Kanal umzugehen, da die Endgeräte ihre Feedbacksignale ohne jegliche Koordination untereinander übermitteln können.
