Sistema móvil de información aplicado a la movilidad urbana

Comunicación presentada al I Congreso Ciudades Inteligentes:

Autores

• Miguel Martín-Guzmán, Universidad de Málaga
• Juan Martín-Ávila, Universidad de Málaga
• J. Jesús Fernández-Lozano, Universidad de Málaga
• Alfonso J. García-Cerezo, Universidad de Málaga

Resumen

La movilidad en las ciudades se ve comprometida por un tráfico cada vez más elevado y unas infraestructuras que no pueden ampliarse. Por tanto, la mejora de la movilidad y su sostenibilidad deben venir de la mano de una mejor gestión de los recursos, con la incorporación de estrategias de control del tráfico que se adapten en cada momento a sus condiciones. El principal obstáculo está en la obtención de esa información. Una posibilidad son las redes de sensores inalámbricos, que pueden aportar información sobre las condiciones en una zona de interés, con vistas a una planificación más eficiente y al despliegue de algoritmos de control más elaborados.

Introducción y antecedentes

El tráfico urbano es uno de los problemas que más influyen en la calidad de vida de los residentes en las ciudades y áreas metropolitanas de los países desarrollados, debido al modelo de ciudad, muy distribuido, y al incremento de población urbana. Ambos factores se realimentan, contribuyendo al aumento de los desplazamientos y su longitud, en un proceso expansivo que ha colocado al medio urbano en una situación difícil en términos de sostenibilidad, en donde la polución, la congestión del tráfico y los accidentes constituyen externalidades negativas de fuerte impacto en la salud y la economía de los ciudadanos. Todos estos problemas aconsejan el desarrollo de nuevas estrategias globales para un transporte urbano sostenible. Estrategias que contemplen no sólo una amplia gama de medidas paliativas, sino, también, el uso de tecnologías e infraestructuras innovadoras. El concepto de un transporte eficiente, eficaz y seguro se impone hoy en las nuevas políticas de transporte.

Uno de los principales obstáculos a la implementación de nuevas estrategias de gestión del transporte, y en concreto del control del tráfico urbano, es la información limitada de la que se dispone. Los sensores que se emplean en la monitorización del tráfico pueden encuadrarse en dos grupos:

• Sensores intrusivos, como espiras soterradas en la calzada, magnetómetros, o tubos neumáticos. Se instalan directamente en el pavimento, bien enterrándolos bajo la superficie o anclándolos al asfalto. Su precisión es buena, pero tienen un coste elevado al requerir instalación.
• Sensores no intrusivos, como video-cámaras, radar de microondas, láser, o ultrasonidos. Pueden ofrecer un conjunto de información más amplio, implicando el procesamiento de la información, pero habitualmente son complejos y con elevadas necesidades de potencia, y sus prestaciones se degradan en condiciones climáticas adversas.

Sobre la base de esta información sensorial se construyen los esquemas de gestión del tráfico que se emplean actualmente en las ciudades. Estos esquemas, por ejemplo, definen los ciclos y los tiempos en los cruces semafóricos, que actúan como elementos de control. Existen varias formas de fijar los parámetros de un ciclo semafórico:

• Planificación fija. Se definen el ciclo y los repartos una sola vez, que se mantiene en el tiempo.
  Planificación dinámica. Se definen diversos conjuntos de ciclo y repartos, que se cambian a lo largo del tiempo. Habitualmente se diseña un número limitado de ellos (dado que el proceso de diseño tiene un elevado componente heurístico, aunque se parte de los datos recabados por los sensores que pueda haber instalados, que suelen ser intrusivos), y se conmutan de acuerdo con la experiencia de los centros de control. Como máximo, se hacen cambios horarios.
• Planificación adaptativa. Los ciclos y repartos se definen en tiempo real de acuerdo con las condiciones del tráfico reinantes, de acuerdo con algoritmos de control. Es la estrategia más prometedora en cuanto a la optimización de la infraestructura, pero choca con la necesidad de disponer de gran cantidad de información en tiempo real, y que esta información sea fiable.
• El principal obstáculo para hacer que las planificaciones cambien adaptándose a las condiciones del tráfico está precisamente en conocer cuantitativamente cuáles son esas condiciones. Si bien los núcleos de cierto tamaño suelen contar con sensores intrusivos instalados (habitualmente en la forma de espiras soterradas), la información recabada es muy limitada.
• No se obtiene información de todas las vías: en caso de existir sensores instalados, éstos se limitan a las vías principales.
• Los sensores con los que se cuenta (habitualmente espiras soterradas) son razonablemente precisos en la estimación del número de vehículos, pero tienen un rango de observación limitado: solamente cuentan los vehículos que pasan por el carril en el que están instalados. No se dispone de información acerca de tamaños de colas, o incluso velocidades de tránsito.
• No se dispone de información procedente de los vehículos, que pueden enriquecer la imagen de conjunto del problema, al tiempo que ofrecer una realimentación decisiva para una gestión del transporte en los núcleos urbanos.

El uso de sensores de tráfico más sofisticados daría lugar a procesos de control más precisos, los cuales serían muy beneficiosos para la movilidad urbana. Esta es la tendencia que existe en el mundo del control del tráfico  desde la proliferación de los sistemas ITS (Intelligent Transportation Systems).

Los estudios de tráfico tienen como base el conocimiento del uso que lo usuarios realizan de las infraestructuras viarias existentes. Mientras más detallada sea esta información, mejor resultado tendrán los estudios de tráfico, dando lugar a mejores planificaciones en las infraestructuras viarias. Una herramienta ampliamente utilizada es la Matriz de Origen y Destino, donde no sólo se contabilizan flujos de tráfico con discriminación horaria, sino que también se establece cuál es el origen y cuál es el destino de los vehículos. Las aplicaciones de la matriz de origen y destino son las siguientes:

• Planificación de nuevas infraestructuras: esta aplicación es más característica en los entornos interurbanos. Se realizan estudios de movilidad y se determina el número de viajes existentes entre cada uno de los núcleos de población. Los resultados pueden determinar la necesidad de ejecución de nuevas infraestructura que comuniquen directamente algunos de estos núcleos.
• Modificación de estructuras actuales: suele centrarse en el estudio de intersecciones, salidas de carreteras intercomarcales, etc. Según los usos que hagan los conductores de las infraestructuras existentes, se podrían interpretar nuevas soluciones que mejoren los tiempos de viajes, disminuyeran las colas, aportaran más seguridad y redujeran las emisiones contaminantes a la atmosfera.
• Planificación de usos: relativa a la planificación adaptativa de semáforos, carteles de información, carriles reversibles, etc. En estos casos se necesita información del estado del tráfico en tiempo real.

Tradicionalmente, las matrices de origen y destino se han determinado mediante encuestas a los conductores, lo cual resulta costoso y, además, se requiere un gran tiempo para procesar la información, con lo que se limita el uso que se puede realizar con esta información. En un claro ejemplo, no se permitiría la planificación adaptativa de los semáforos.

La red de sensores inalámbricos y de bajo coste que se ha desarrollado en este trabajo, permite la realización de estudios de tráfico en tiempo real, estableciendo flujo de vehículos, discriminación horaria y tendencias de orígenes y destinos. Todo ello con unos dispositivos inteligentes que son fácilmente transportables e instalables en los elementos de la vía pública: farolas, carteles, señales de tráfico, etc. La información recopilada por lo sensores siempre estará disponible en tiempo real, dando lugar a multitud de aplicaciones prácticas.

Una de las aplicaciones prácticas que tiene el sistema es el despliegue de una serie de sensores inalámbricos y autónomos en un ámbito urbano de una manera rápida y eficaz, generando informes detallados del estado del tráfico y del medioambiente (emisión de gases, ruido, polvo, etc.) que pueden ser consultados directamente mediante servicios web.

Otra aplicación sería la instalación de los sensores inalámbricos en vehículos comerciales, capturándose información del entorno en tiempo real e, igualmente, estando disponible en la nube. De esta forma, se obtiene una fotografía real del estado en el que se encuentran las carreteras de un determinado municipio o de una determinada red de carreteras.

Las redes de sensores inalámbricos se presentan como una alternativa fiable a los sensores actuales. Reúnen todas las características necesarias para el correcto estudio del tráfico sin los perjuicios de las actuales: más costosas, con cortes de tráfico y de alto mantenimiento.

Objetivos y descripción del proyecto

El objetivo de este Proyecto consiste en el diseño, desarrollo e implementación de una red inalámbrica de sensores inteligentes no intrusivos que adquieran información del tráfico y del medioambiente, a la vez que se comunican entre ellos y con el exterior, dando lugar a informes de tráfico disponibles por el usuario en tiempo real.

Para ello se han desarrollado una serie de nodos sensoriales que reciben información del entorno. Los tipos de nodos disponibles son los siguientes: nodo Bluetooth, nodo ultrasonido, nodo láser, nodo gases. y nodo ambiental.

Todos estos nodos envían la información recopilada periódicamente a un nodo principal, llamado también nodo coordinador. El protocolo usado para estas comunicaciones es el protocolo ZigBee, entre cuyas ventajas se encuentra un gran alcance y bajo consumo energético, todo ello junto a una tasa de transferencia de datos aceptable.

El esquema general de la red de sensores inalámbricos es el siguiente:

Los nodos Bluetooth adquieren las direcciones MAC (Media Access Control) de los dispositivos con Bluetooth presentes en los vehículos que circulan por los alrededores (teléfonos móviles, manos libres, portátiles, etc.). La dirección MAC de un determinado dispositivo Bluetooth es única, por lo que puede utilizarse a efectos de “matrícula” del vehículo que lo contiene. La detección de la misma MAC, por el mismo o por otro nodo Bluetooth, en intervalos de tiempo diferentes, permite obtener una tendencia de origen—destino, la cual se empleará para calcular la matriz de origen y destino tan útil, como explicamos anteriormente, en la realización de estudios de tráfico. Es de destacar que se preservan los derechos de intimidad, ya que las direcciones MAC no están vinculadas a ningún individuo.

Por su parte los nodos de ultrasonido y láser, son elementos contabilizadores de vehículos. Los primeros detectan el paso de los vehículos que cruzan su haz de detección y los segundos barren la calzada y analizan la existencia de vehículos. La ventaja del nodo láser con respecto al nodo de ultrasonido es que es capaz de detectar por cual carril circula el vehículo detectado, mientras que el nodo de ultrasonidos contabiliza todos los vehículos sin distinguir en qué carril se encuentran. Por su parte el nodo de ultrasonidos es más simple, más económico y de instalación mucho más rápida, ya que se puede sujetar de cualquier elemento de la vía pública, mientras que el nodo láser necesita ser colocado a una altura de entre 7-8 metros.

Los nodos de gases y medioambientales recopilan información del entorno. Los primeros la referente a la concentración de diferentes gases, como el O2, CO, CO2 y volátiles entre otros, los segundo la información referente a nivel de ruido, de luminosidad y de polvo.

La información recopilada por el nodo coordinador está siempre disponible mediante el uso de dos protocolos: Wifi y 3G. Existen dos formas de obtener la información recopilada por el nodo coordinador:

• Acceso directo mediante Wifi o 3G: se obtienen los datos adquiridos por los nodos sensoriales y se procesan fuera del sistema.
• Tiempo real: se sincroniza el nodo coordinador con un ordenador que realiza las funciones de servidor, generalmente mediante 3G. Este ordenador adquiere y monitoriza los datos enviados por los sensores, procesando la información y permitiendo la interacción con un operario de control.

Dependiendo de la zona de estudio se pueden elegir varias configuraciones para la red de sensores inalámbricos (Figura 2 y Figura 3):

La información obtenida por los sensores se procesa mediante un algoritmo diseñado para obtener la matriz de origen y destino del ámbito en estudio. Se obtiene, por tanto, información acerca de los flujos de circulación en cada una de las vías, los viajes realizados por los vehículos (orígenes y destinos), las secciones de control que tienen mayor tendencia a recibir viajes o las que tienen mayor tendencia a ser el origen de los viajes. Todo ello clasificable según las horas del día y diferenciando entre días laborables y festivos.

Para obtener la matriz de origen y destino se recurre a estudiar las tendencias de origen-destino de las direcciones MAC de los dispositivos detectados en la zona de estudio. Las pruebas realizadas revelan que alrededor el 10% de los vehículos que habitualmente circulan por nuestras carreteras tienen un dispositivo con conexión Bluetooth detectable por la red de sensores inalámbricos descrita en esta memoria. Esta proporción, que a priori puede resultar escasa, es superior a los índices de consulta realizados tradicionalmente en encuestas a conductores. Además, se demuestra que, con una cantidad determinada de vehículos, la confianza en los resultados obtenidos adquiere valores fiables que sitúan al sistema de sensores inalámbricos como una alternativa real para la realización de estudios de tráfico.

Análisis de resultados y conclusiones

Durante el transcurso del proyecto se han realizado diferentes pruebas, las cuales pueden clasificarse en cuatro grupos:

• Pruebas de calibración del sistema.
• Pruebas de análisis de los dispositivos Bluetooth detectables por el sistema.
• Pruebas con el nodo móvil.
• Pruebas en cruces/intersecciones urbanas.

Las pruebas de calibración del sistema han consistido en diferentes experimentos realizados con cada uno de los nodos de forma aislada, comprobando su funcionamiento y calibrándolos. Igualmente, se han probado el funcionamiento de la red de sensores inalámbricos en zonas interiores para asegurar la fiabilidad del sistema.

Con respecto a las pruebas referentes al análisis de los dispositivos Bluetooth detectables por el sistema, se han analizado el número de dispositivos Bluetooth que el sistema es capaz de detectar, obteniéndose también qué tanto por cierto representa con respecto al total de vehículos que han circulado por el ámbito de control de la prueba. Las pruebas realizadas muestran que alrededor de un 10% de los vehículos contienen algún dispositivo con Bluetooth reconocible por el sistema.

Por otro lado, se han realizado pruebas instalando los sensores inalámbricos en un vehículo (nodo móvil) de forma que transmita información sobre las condiciones del tráfico y medioambientales de los lugares por donde circula, dando lugar a mapas que pueden ser consultados por los ciudadanos y por los responsables de las áreas de movilidad en cualquier momento para conocer el estado del tráfico.

El sistema al completo ha sido probado en dos intersecciones similares a las representadas en las Figuras 2 y 3 de este documento. La primera de ellas sirvió para validar el sistema cualitativamente, mientras que la segunda ha servido para validar el sistema cuantitativamente. Ambas pruebas se realizaron en entornos urbanos reales con condiciones de tráfico normales.

Para la intersección representada en la figura 3, se contabilizó manualmente la matriz de origen y destino durante dos horas. Por otro lado, se instaló la red de sensores inalámbricos de acuerdo con el esquema de la figura 3 y se analizaron los datos recogidos por la misma. Los resultados obtenidos mediante conteo manual y mediante la red de sensores fueron los siguientes:

Es de destacar que el algoritmo de clasificación de orígenes y destinos se trata de un proceso estadístico, de tal forma que mientras mayor sean el número de vehículos que realizan un viaje entre un origen y un destino determinados, mayor será la confianza que puede esperarse de los resultados. Con la tasa de dispositivos Bluetooth presentes en los vehículos, se necesitan alrededor de 200 viajes para tener una confianza en los resultados del 95%.

Después de analizar los resultados, se puede afirmar que es posible realizar estudios de tráfico con la red de sensores inteligentes presentada en este documento. Los prototipos experimentales pueden replicarse inmediatamente en productos comerciales, usando como base para su desarrollo los conocimientos, destrezas, códigos y algoritmos desarrollados en este proyecto.

Entre las ventajas que el Sistema Móvil de Información Aplicado a la Movilidad Urbana ofrece se destacan:

• Estudios de tráfico más económicos y sin tiempos de espera en los resultados, incluyendo la obtención de herramientas tan útiles como la matriz origen-destino.
• No se realizan cortes de tráfico para instalar los sensores.
• Posibilidad de programar los elementos de control de tráfico (carteles informativos, semáforos, carriles reversibles, etc.) de forma dinámica en función del estado del tráfico en cada momento.
• Mayor conocimiento de los hábitos de los conductores en zonas urbanas o interurbanas.
• Información en tiempo real del estado de las carreteras de una ciudad mediante el uso de nodos móviles.
• Planificación de proyectos viarios más precisa y eficiente.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer al ERDF de la Unión Europea el apoyo económico recibido para el proyecto “Sistema Móvil de Información Aplicado a la Movilidad Urbana” del “Programa Operativo FEDER de Andalucía 2007-2013”. Igualmente agradecemos a los miembros de la Agencia de Obra Pública de la Consejería de Fomento y Vivienda de la Junta de Andalucía su dedicación y profesionalidad.

Nota: Este artículo fue presentado y publicado en el Libro de Comunicaciones del I Congreso Ciudades Inteligentes.