XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание современной "умной" парковочной зоны

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пронина Н.Р. 1Пронина С.Р. 1

---

1Гимназия №1 им. А.Н. Барсукова

Пронин Р.Ю. 1

---

1Гимназия №1 им. А.Н. Барсукова

Работа в формате PDF

625.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Человечество стремится максимально упростить себе жизнь и сделать ее более комфортной. Все изобретения подвержены этой идее: начиная с топора, копья, ножа для охоты на животных и пошива одежды, и заканчивая супербайками, которые могут не только взлетать и приземляться на любой бетонной поверхности, но и парить над землей со скоростью до 80 км/ч. Стремление облегчить жизнь касается всех сфер жизни общества. Частным случаем его проявления является концепция умного города.

Умный город (английского smart city) – это взаимосвязанная система коммуникативных и информационных технологий с интернетом вещей (IoT), благодаря которой упрощается управление внутренними процессами города и улучшается уровень жизни населения. Плюсы умных городов заключаются в повышении уровня жизни граждан и в уменьшении издержек рабочих процессов благодаря автоматизации деятельности.

Автомобильный транспорт является неотъемлемой частью современного мира. Благодаря высокой маневренности, возможности доставки грузов непосредственно «в руки», высокой скорости доставки и сохранности грузов, способности оперативного реагирования на изменение пассажиропотоков автомобильный транспорт становится главным помощником человека, особенно жителя мегаполиса. Однако, несмотря на все преимущества, автомобиль вызывает множество отрицательных явлений, прежде всего с точки зрения экологии. Помимо загрязнения окружающей среды еще одной серьезной проблемой, связанной с автотранспортом, в крупнейших городах, является поиск и выделение новых площадок под автостоянки и парковки. Причины нехватки парковок очевидны – постоянный рост количества автомобилей приводит к дефициту места для их хранения. В наших городах подавляющая часть автомобилей размещается во дворах жилых домов, иногда на зелёных газонах и площадках отдыха. Это обстоятельство, прежде всего, ухудшает условия проживания населения. Автомобили оставляют также на проезжей части улиц. А это затрудняет городское движение, становится одной из причин дорожно-транспортных происшествий. Подобные «стоянки» занимают огромные площади городской территории, портят внешний облик городов. Проведенные исследования на городских улицах показали, что проезжую часть используют около 80% всех паркующихся автомобилей; частично на проезжей части и тротуаре паркуются 15%; полностью на тротуаре - 5%. Кроме того, выявлено, что доля припаркованных с нарушением автомобилей достигает 45%.

Цель работы: выработать технические предложения оптимизации современной городской парковки. 

Задачи:

Проанализировать существующие в России и странах мира решения проблемы городских парковок.

Изучить технологии автоматического управления с целью использования в паркингах для последующей интеграции в умный город.

Создать действующую модель участка управляемой парковочной зоны супермаркета.

Разработать концепцию мобильного приложения, позволяющего показывать занятые/свободные/забронированные места на паркинге.

План работы над проектом:

Формирование группы, распределение ролей.

Аналитическая работа

Изучение проблемы.

Анкетирование водителей на имеющейся парковке.

Анализ существующих решений.

Разработка концепции собственного решения.

Работа с ПО

Знакомство с программой CorelDraw.

Обучение программированию в среде Arduino IDE.

Создание приложения для смартфона в среде MIT App Inventor2.

Технологическая реализация модели

Разработка примерной схемы работы оптимизированной парковки, создание эскиза.

Выбор материалов, необходимых для нашего проекта (программ и устройств).

Печать и резка некоторых элементов дизайна на станке.

Создание модели парковочной зоны.

Сборка конструкции парковки с датчиками и программирование их в среде Arduino IDE.

Проведение испытания.

Экономическая оценка реализации проекта.

Показателем выполнения проекта считаем разработку действующей модели умной парковки и концепции мобильного приложения к ней.

Глава 1. Теоретическая часть

Проблемы мегаполисов, связанные с парковкой

Поиск парковки ассоциируется у водителей с тратой времени, для них целое испытание найти свободное парковочное место около дома. С увеличением числа машин данная проблема становится все более актуальной. Не стоит забывать и о негативном влиянии данного фактора на водителя и на окружающую среду.

Оценивая текущую ситуацию с паркингом в городе, можно выделить следующие проблемы:

Время. Согласно недавнему английскому исследованию, водители крупных городов за всю жизнь тратят 2 549 часов (106 дней) только на поиск свободного парковочного места.

Деньги. Согласно исследованию профессора урбанистики Калифорнийского университета Дональда Шоупа, в среднем при каждой парковке мы проезжаем около 300 лишних метров в поисках свободного места. Расходы для граждан значительны: стоимость использования топлива, необходимого для поиска места, и упущенная выгода возможностей использовать это время по-другому.

Пробки. Согласно исследованиям, ученых из Delft University of Technology, как минимум 30% пробок в центре города состоит из машин, ищущих, где припарковаться. Инфраструктура центра часто оказывается узким местом, вызывая цепной эффект, распространяющийся на другие районы города.

Общество. Неорганизованная парковка – причина огромного стресса водителей.

Эффективность. Неорганизованная парковка крадет наше жилое пространство. Около трети городских парковочных мест пустуют в каждый момент времени. Предоставление гражданам большей информации - первый шаг по изменению устаревших привычек.

Загрязнения. Неорганизованное парковочное пространство загрязняет окружающую среду. Согласно анализу ISTAT, проведенному в 2016 году, наиболее ощутимыми проблемами со стороны семей в отношении района проживания являются загрязнение воздуха (38,0%)

Решение проблемы поиска парковочного пространства

Для снижения значимости проблем, связанных с парковкой есть два пути:

Увеличение количества парковочных мест (расположение на крышах сооружений, создание многоуровневых механизированных парковок (роторные, башенные, пазловые)).

Оптимизация и эффективное использование имеющихся мест (быстрое нахождение свободного парковочного места, а не "блуждание" в поисках оного)

Так как в крупных городах зачастую очень мало свободной муниципальной земли решение задачи оптимизации имеющейся парковки видится особенно актуально.

Анализ преимуществ и недостатков существующих решений

Современная городская среда прогрессирует, большинство парковочных зон сейчас – это уже организованные паркинги, но остаётся проблема оптимизации используемого пространства и траты времени автовладельцев.

Результаты анкетирования 50 водителей на подземной парковке в торговом центре Ковров-Молл.

Зачастую, большинство решений в оптимизации парковки сводится лишь к установке панорамного сферического зеркала, которое позволяет рассмотреть объекты, скрытые за поворотом, но не обеспечивает обзорность вглубь парковки.

Существует много успешно реализованных проектов в разных странах мира, где для определения занятости парковочного места установлены датчики, объединенные в единую сеть, и передающие информацию на сервер. Для обозначения занятости парковочного места используются светодиоды разного цвета, а при въезде на парковку имеется световое табло с индикацией общего количества свободных мест. Правительство РФ также провело несколько программ по модернизации парковочных систем городов, например, в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове-На-Дону. Во всех вышеперечисленных проектах использовались похожие решения. Например, в Ростове-на-Дону в основу проекта легли традиционные сетевые сервисы и технологии IoT: ситуацию на парковочных участках начали отслеживать «умные» датчики парковки «СТРИЖ». Более тысячи электромагнитных датчиков формируют полную картину загруженности центра города. Сигнал от «умных» устройств собирается двумя LPWAN-станциями и направляется на сервер управления парковочным пространством. Как только автомобиль покидает стоянку, данные о количестве вакантных мест мгновенно отправляются оператору и на информационные экраны. Результаты реализации данного проекта можно увидеть, пользуясь Яндекс. Навигатором. Данный сервис берет информацию о состоянии парковочной зоны с сервера «городского парковочного пространства» и предоставляет ее в своем приложении, отображая количество свободных мест на парковке. Существующее решение не нацелено на идентификацию конкретного парковочного места.

Преимущества предлагаемого решения

Наше решение призвано эффективно использовать имеющиеся площади парковочные зоны (при гипермаркетах, крупных технопарков, производственных комплексах и т.д.) за счет снижения времени на поиск свободного места, снижения энергозатрат на содержание парковки.

Для подземных, крытых, многоуровневых паркингов (при наличии невысоких помещений, большого количества колонн) необходимо:

Создать сеть радиочастотных датчиков со встроенным магнитным сенсором, устанавливающихся в дорожное покрытие и отслеживающих присутствие автомашины в пределах конкретного парковочного места. Специальные алгоритмы фильтрации шумов должны исключить реагирование датчика на посторонние электромагнитные колебания, вызываемые, например, трамваем или поездами метрополитена.

Обеспечить обмен данными между парковочными датчиками и концентраторами в режиме реального времени с целью сбора данных центральным коммуникационным узлом посредством беспроводной связи.

Данные о наличии свободных мест на парковке анализировать на сервере и передавать на информационные табло, стойки внутри и вне парковки.

Управлять с сервера работой световых индикаторов над парковочным местом, позволяя водителю еще издалека определить его занятость. Зеленый сигнал показывает, что место свободно, красный - занято. При помощи системы автоматизации выбрать оптимальный режим управления парковкой в разные моменты времени. Например, когда машин мало, последовательно заполнять зоны парковки, при этом часть паркинга оставляя совершенно свободной.

Оснастить проезд до парковочного места инфракрасным датчиком (или датчиком вибрации, или ультразвуковым датчиком), позволяющим определять наличие автомобиля в зоне движения и позволяющим переводить яркость основного освещения из режима минимального энергопотребления в основной. Припаркованные автомобили не влияют на работу датчика. Данная технология позволит существенно повысить энергоэффективность и снизит расходы.

Разработать мобильное приложение, позволяющее в реальном времени показывать свободные места на парковке.

Для наземных паркингов (при наличии большой зоны видео захвата территории):

Установить на мачтах освещения или на расположенных поблизости зданиях IP-камеры видеонаблюдения, позволяющих получать изображения различных секторов парковочных мест и передавать видеопоток на сервер.

С помощью алгоритмов компьютерного зрения (например, библиотека OpenCV) распознавать объекты на изображениях и определять примерную загрузку данного сектора парковки.

Анализировать данные о плотности автомобилей, находящейся на парковке и транслировать их на информационные табло.

Примерный расчет стоимости оборудования умной парковки
на 100 мест (80 бесплатных + 20 платных) без учета работ по монтажу

Для наглядной демонстрации предложения для подземного паркинга разработан действующий макет, реализованный на Arduino Uno.

Глава 2. Практическая часть: Макет парковки

В практической части нашей работы мы сделали действующую модель, наглядно показывающую работу умной подземной парковки. При помощи фоторезисторов отслеживаем наличие автомобилей на парковочных местах; ультразвуковой датчик, установленный в зоне движения, передает расстояние до ближайшего объекта, адресная светодиодная лента осуществляет различную цветовую индикацию каждого места, помогая водителям быстрее найти свободное место, а при отсутствии движущихся авто переводит режим освещения в экономный режим; цифровое табло показывает количество свободных мест на парковке.

Технологическая карта изделия.

Шаг 1. Создание эскиза модели, изготовление поддона 400мм х 500мм для размещения в нем всей «начинки»

Шаг 2. Создание чертежа деталей в CorelDraw для резки, гравировки и размещения их на верхней крышке макета.

Шаг 3. Сборка частей макета, установка датчиков, резисторов, индикаторов, подключение светодиодной ленты к плате Arduino.

Шаг 4. Создание скетча для получения показаний с датчиков и управлением яркостью и цветом адресной светодиодной ленты, индикацией светового табло.

Шаг 5. Создание программы для смартфона в среде MIT App Inventor 2 для отображения состояния мест парковки и возможности их подсветки и бронирования.

Шаг 6. Тестирование модели.

Заключение

В результате проделанной работы, действуя согласно плану, мы выполнили поставленные задачи. В итоге у нас получился действующий

макет, моделирующий процессы паркинга в умном городе. Результаты тестовых испытаний модели полностью соответствуют предполагаемым:

Работа парковки основывается на пассивном функционировании фоторезисторов, которые определяют свободно место или нет, интенсивность освещения зависит от наличия автомобиля в зоне парковки.

Действующее приложение для смартфона позволяет визуально определить количество свободных мест на парковке, а также забронировать одно из них.

Программа для микроконтроллера Arduino Uno, обеспечивает согласованную работу всех устройств, вмонтированных в макет.

Список литературы.

А.Менн, Е.Петров, А.Никитин. "Умные" парковки в "умных" городах. Журнал. Транспортная стратегия - XXI век. №38 – 2018.

Н. В. Папуловская, А. А. Рапопорт «Исследование и применение Web-технологий для реализации программного комплекса «умная парковка» актуальные проблемы развития технических наук». Сборник статей участников XX Областного конкурса научно-исследовательских работ "Научный Олимп" по направлению "Технические науки". Москва, 2018

Умная парковка — адаптивное управление навигацией, освещением и зарядными станциями для электромобилейhttps://www.gosniipp.ru/ru/news/svyaz/20190310/umnaya-parkovka-%E2%80%94-adaptivnoe-upravlenie-navigaciei

А. Менн, А. Менн. Инновации в парковках: какие технологии могут помочь городской инфраструктуре? https://www.forbes.ru/profile/338733-aleksey-menn

А. Иванов. Современные технологии паркинговhttps://ardexpert.ru/article/16717

Статья в информационном ресурсе TheTelegraph https://www.telegraph.co.uk/motoring/news/10082461/Motorists-spend-106-days-looking-for-parking-spots.html

Дональд Шоуп «Бесплатная парковка или свободный рынок?» http://w.inliberty.ru/library/469-besplatnaya-parkovka-ilinbspsvobodnyy-rynok

Smartparking systems http://smartparkingsystems.com/en/parking-from-a-problem-to-a-resource/

“Умные парковки разгрузили улицы Ростова-на-Дону” https://apptractor.ru/info/news/umnyie-parkovki-razgruzili-ulitsyi-rostova-na-donu.html

Как решается проблема дефицита парковочного пространства в других странах и у нас https://www.drom.ru/info/misc/50304.html?page=5

Пассивные ИК датчики движения: современное состояние, проблемы и перспективы развития http://delta-nf.ru/stati1/passivnye-ik-datchiki-dvizheniya-sovremennoe-sostoyanie-problemy-i-perspektivy-razvitiya/

Ардуино: уроки, библиотеки, скетчи, книги, статьи Arduino+ https://arduinoplus.ru/

Corel DRAW | уроки CorelDraw | Дизайн https://vk.com/cdrka