Liikennetelematiikan rakenteiden ja palvelujen tutkimus- ja kehittämisohjelma 2001 - 2004
FITS - Finnish Research and Development Programme on Intelligent Transport Systems Infrastructure and Services

  ÄLYKÄS LIIKENTEENOHJAUS  

Tuotteistamissuunnitelma 16.8.2001
Keijo Mäkelä, Jarkko Niittymäki, Iisakki Kosonen, Riku Nevala

1. Tausta

Liikenteen valo-ohjauksella on merkittävä asema kaupunkiseudun liikenteen hallinnassa. Viime aikaiset tutkimukset niin Suomessa kuin Ruotsissakin ovat osoittaneet, että liikenteen valo-ohjausta voidaan merkittävästi tehostaa. Näin saadaan huomattavia säästöjä aika-, ympäristö- ja jopa onnettomuuskustannuksissa. Tulokset ovat osoittaneet erittäin korkeita hyöty-kustannus -suhteita ja erittäin lyhyttä (alle puoli vuotta) takaisinmaksuaikaa sumean valo-ohjauksen tuotteistamisen kaltaisille hankkeille.

Teknillisen korkeakoulun liikennelaboratoriossa on kehitetty vuodesta 1990 alkaen HUTSIM-simulointijärjestelmää ja vuodesta 1996 siihen liittyvää sumeaan logiikkaan perustuvaa valo-ohjaus järjestelmää (HUTSIM-FUSICO). Alkuun projekti keskittyi yksittäisen liittymän valo-ohjaukseen, mutta viime vuosina laboratorio on ottanut tutkimussuunnakseen myös kaupunkikeskustojen liikenteen ohjauksen.

Liikenteen sumean valo-ohjauksen juuret ulottuvat 1970-luvulle, mutta Suomessa sitä on sovellettu vasta vuodesta 1995 lähtien. Kesäkuussa 1998 Teknillinen korkeakoulu toteutti yhdessä Helsingin kaupungin kanssa sumeat liikennevalot Helsingin Oulunkylään, jossa ohjaus on ollut siitä lähtien käytössä muutamaa alkuvaiheen huoltotoimenpidetaukoa lukuun ottamatta.

Vuosien 1999 ja 2000 aikana sumea liikennevalo-ohjaus on otettu käyttöön koeliittymissä Vantaalla, Jyväskylässä ja Lahdessa. Näissä erillisohjatuissa liittymissä sumean ohjauksen erityispiirteinä on joukkoliikenne-etuus. Kokemukset ovat olleet hyviä: kenttämittausten ja simulointien perusteella sumea ohjaus on pienentänyt joukkoliikenteen viivytyksiä lähes kaikissa liikennetilanteissa. Noin kolmasosassa mitattuja tilanteita onnistuttiin pienentämään samalla myös koko ajoneuvoliikenteen viivytyksiä, ja muissa tilanteissa kaikkien ajoneuvojen viivytykset kasvoivat vain hieman. Varsinaisten mittausten lisäksi varsinaiset käyttäjät, kaupunkien liikenneinsinöörit, ovat olleet ohjausjärjestelmään erittäin tyytyväisiä: kaikki kolme kaupunkia ovat päättäneet tilata lisää sumeita ohjauskojeita.

Vuonna 2001 asennettiin ensimmäinen sumea ohjauskoje korkealuokkaiselle väylälle Tampereelle. Asennustyö on tehty, ja ensimmäiset kenttämittaustulokset saadaan syksyllä 2001. Simulointien perusteella korkealuokkaisille väylille suunniteltu sumea ohjausmenetelmä näyttää kilpailukykyiseltä perinteiseen liikennetieto-ohjaukseen verrattuna. Käytössä olevia tai tilattuja HUTSIM-FUSICO ohjauskojeita on Suomessa tällä hetkellä yhteensä 9 kappaletta.

Aikaisempien sumean logiikan tutkimushankkeiden päärahoitus on tullut Suomen Akatemialta ja projektin toinen kolmivuotiskausi jatkuu vuoden 2001 ajan. TEKES on ollut tärkeä rahoittaja hankkeen sovellettavuuden kannalta. TEKES on rahoittanut projektia MOBILE-2 tutkimusprojektin kautta. Tutkimuksen tavoitteena on ollut kehittää sumeaa valo-ohjausta. Hanke on edennyt suunnitelmien mukaan ja sitä on syytä jatkaa nyt esitettävää sumean ohjauksen tuotteistamista varten.

Myös kaikki käynnissä olleet osaprojektit ovat osoittaneet menetelmän soveltuvuutta. Kaikki tehdyt tarkastelut ovat osoittaneet merkittävää tehokkuuden kasvua valo-ohjauksessa (-10 – 30 %). Tulokset ovat olleet myös hyviä tarkasteltaessa liikenteen energiatehokkuutta ja päästöjä. Tällä hetkellä on käytössä melko kattava sääntöpohja / ohjausalgoritmi kaupunkiliikenteen ja korkealuokkaisten väylien erillisohjauksisiin liittymiin, ja TEKESin rahoittama, nyt käynnissä oleva tutkimus pyrkii laajentamaan sumeaa ohjausta alueelliseen liikennevalo-ohjaukseen.

Sumean ohjauksen tuotteistamis- ja tuotekehitysavustusta hakeva Trafitech Ky on toiminut liikennevaloalalla yli kolme vuotta. Liikennevalosuunnittelupalveluja tarjoavasta yrityksestä on kasvanut kolmessa vuodessa liikennetelematiikkatalo, jonka tuoteperhe kattaa muuttuvat opasteet, liikennevalokalusteet, liikennevalojen ohjauskojeiden ohjelmoinnit ja liikennevalokojeet (ITC-1) suunnittelusta rakennuttajapalveluihin eli toteutukseen ja käyttöönottoon. Yhtiömuoto vaihtuu osakeyhtiöksi syksyllä 2001. Ydinliiketoiminta pitää sisällään liikennetelematiikan tutkimus-, tuotekehitys-, suunnittelu- ja konsultointipalvelut sekä laitetoimitukset ja niiden ohjelmoinnit.

2. Järjestelmän periaatteet

TKK:lla kehitetty ohjausjärjestelmä perustuu useisiin innovatiivisiin ratkaisuihin. Perustan muodostaa simulointijärjestelmä HUTSIM, joka ohjauskojeessa reaaliaikaisesti mallittaa vallitsevaa liikennetilannetta ja voi siten tuottaa liikennettä kuvaavia tunnuslukuja ja indikaattoreita ohjauspäätösten perustaksi. HUTSIM:a voidaan myös käyttää erillisenä suunnittelun ja testauksen välineenä ennen ohjausjärjestelmän käyttöönottoa maastossa. Kyseessä on käytännössä yksi ja sama ohjelmisto, jotka kuitenkin tuotteena on eroteltava toisaalta valo-ohjauskojeeksi ja toisaalta suunnittelutyövälineeksi.

Järjestelmän toisen keskeisen komponentin muodostaa ns. opastinryhmäkoje (VA-koje), joka myös on osa HUTSIM:a. Opastinryhmäkoje ohjaa valoja joustavasti, siten että kukin liikennevalo toimii itsenäisesti. Näin liikennevalojen vaihejärjestys voi muototua tilanteen mukaan. Nykyisin pohjoismaissa käytössä olevat ohjauskojeet ovat opastinryhmäkojeita, joita ohjaa ns. ilmaisinlogiikka. Ilmaisinlogiikka muodostaa pulsseja jotka pidentävät kunkin opastimen vihreää aikaa aina kun ajoneuvo havaitaan ilmaisimella. Tämä ohjausjärjestelmä ei luo mallia liikennetilanteesta, joten se ei kykene reagoimaan optimaalisesti aina kulloisenkin tilanteen mukaan. HUTSIM-simulaattorissa voidaan testata myös ilmaisinlogiikkaan perustuvan opastinryhmäkojeen liikenneteknistä toimivuutta.

HUTSIM-FUSICO järjestelmän kolmas keskeinen komponentti on itse sumea logiikka, joka korvaa em. Ilmaisinlogiikan liikennevalo-opastimien ajoituksen säädössä. Sumea logiikka ei siis käytä ilmaisinpulsseja, vaan saa reaaliaikaisesta simulointimallista tiedot liikennetilanteesta. Näin sumea logiikka voi päätöksenteossaan hyödyntää kokonaiskuvaa liikennetilanteesta ja siten tehdä kehittyneempiä ohjauspäätöksiä, kuin pulsseihin perustuva ilmaisinlogiikka. Sumea päättely soveltuu hyvin liikenteen ohjaukseen, jossa täytyy yhdistää useita keskenään yhteensopimattomia ja ristiriitaisiakin argumentteja yhdeksi mielekkääksi päätökseksi. Tältä osin sumea logiikka muistuttaa inhimillistä päätöksen tekoa.

Sumeaan päättelyyn tarvittavia sääntökantoja on myös kehitetty TKK:n toimesta. Tavoitteena on luoda mahdollimman yleiset sääntökannat, jotka kattavat kaikki tyypillisimmät liitymätyypit eri liikennemäärillä. Loppukäyttäjän ei siis useinkaan ole tarpeen itse muuttaa sääntöjä. HUTSIM-FUSICO-järjestelmä on kuitenkin rakennettu avoimeksi, siten että sumeaan päättelyyn tarvittavat säännöt ja jäsenyysfunktiot voidaan tarvittaessa muuttaa mm. järjestelmätoimittajan, konsultin tai loppukäyttäjän toimesta.

3. Tavoitteet

Sumea logiikka tarjoaa systemaattisen pohjan liikenteen valo-ohjaukselle. Sen avulla voidaan tavoitella pienempiä häiriöitä, pienempiä satunnaisvaihteluja ohjauksessa, yksinkertaisempaa ohjausprosessia, nopeampaa kehitysaikaa, yksinkertaisempaa ylläpitoa, säästöjä infrastruktuuri-ratkaisuissa sekä parempaa tehokkuutta. Sumean logiikan kyky yhdistää eri tyyppisiä asioita tarjoaa mahdollisuuden toteuttaa useita tavoitteita samanaikaisesti.

Sumean logiikan avulla toteutettava liikennevalojen ohjaus liittyy kaikkiin TEKESin INFRA-teknologiaohjelman tavoitteisiin. Tuotteistettava ohjausalgoritmi on liikennetelematiikan tuotekehityksen keihäänkärkituote. Uuden teknologian käyttöönotto pidentää nykyisten liikennevalokojeiden elinkaarta samanaikaisesti tehostaen liikenteenohjausta ja vähentäen ympäristökuormitusta. Sekä raskaan liikenteen että linja-autoliikenteen etuisuuksia voidaan parantaa erilaisissa liikenneympäristöissä.

Tuotteistamisen myötä Trafitechin toimiala ja tuoteperhe laajenee synnyttäen uusia työpaikkoja alan huippuosaajille liikennetelematiikan kasvuyritykseen. Verkottuminen, asiantuntijaklusterien vuoropuhelu sekä tiivis teknologinen tuotekehitysyhteistyö tutkimusorganisaatioiden, lähinnä TKK:n sekä liikennevalokojevalmistajien kanssa tuottaa uusia innovatiivisia teknologiaratkaisuja liikenteen telematiikkaan sekä osaajia työelämään.

Tuotteistamis- ja tuotekehityshankkeella on suora liityntä Liikenne- ja viestintäministeriön käynnistämälle FITS-ohjelmalle, eli liikennetelematiikan rakenteiden ja palvelujen tutkimus- ja kehittämisohjelmalle vuosina 2001-2004. FITS on lyhennys Finnish Research and Development Programme on Intelligent Transport Systems. FITS - Älykäs liikenteenohjaus on yksi FITS-ohjelman kahdeksasta hankkeesta.

HUTSIM-FUSICO järjestelmä liittyy osaltaan TKK:lla kehitettävään DigiTraffic-konseptiin ollen yksi sen keskeisistä komponenteista. DigiTraffic kuuluu myös FITS-ohjelmaan ja sen ajatuksena on olla dynaaminen jatke ns. DigiRoad-projektille. DigiTraffic järjestelmän periaatteena on luoda reaaliaikaisia tai ennustavia kokonaismalleja liikenneolosuhteista perustuen saatavilla olevaan ajantasaiseen mittaustietoon.

Mallien luoma liikennetieto voidaan käyttää älykkään liikenteenohjauksen tarpeisiin sekä erilaisten liikenneninformaatiopalvelujen tuottamiseen. Eri kanavien (internet, matkapuhelimet, opastimet, radio) kautta jaettavan liikennetiedon käyttäjiä voivat olla viranomaistahot, yritykset ja yksityiset tienkäyttäjät. HUTSIM-FUSICO-järjestelmän toteutus varsinkin alueellisella tasolla mahdollistaa DigiTraffic konseptin pilotoinnin ja siihen liityvien palvelujen testaamisen. DigiTraffic järjestelmän kehitys ja tuotteistus ei kuitenkaan suoranaisesti kuulu tämän hakemuksen piiriin, mutta yksittäisten HUTSIM-FUSICO-kojeiden tuotteistuksella luodaan pohjaa tulevalle järjestelmälle.

Tähän mennessä sumean ohjauksen kehittäminen on keskittynyt tieteelliseen tutkimukseen, kuten sumean logiikan ja ohjausalgoritmin perusteisiin sekä ohjausmenetelmän teoreettiseen ja käytännön tehokkuuden todistamiseen, mikä on vienyt voimavaroja kaupallisten edellytysten kehittämisestä. Tuotekehitystyön ja tuotteistamisprojektin yksi osa-alue onkin sumean ohjauskojeen tämänhetkisten teknisten puutteiden korjaaminen ja käyttömukavuuden sekä -varmuuden parantaminen. Edellytyksenä on mm. HUTSIM-FUSICO järjestelmän käyttöliittymän parantaminen ja mieluiten etäkäytön mahdollistaminen. Käyttäjän on oltava mahdollista itse ymmärtää ohjausprosessia ja tarvittaessa helposti muuttaa sen parametreja ilman että tarvitsee mennä itse kojeen luokse.

4. Trafitech Ky:n ja TKK:n välinen yhteistyösopimus

Trafitech Ky:n (jatkossa yritys) ja Teknillisen korkeakoulun (jatkossa TKK) välinen sopimus edesauttaa sumean ohjausalgoritmin jatkokehitystyötä. Sopimuksen mukaan yritys saa oikeuden TKK:lla kehitetyn liikennevalojärjestelmän tuotteistamiseen ja sen myyntiin. HUTSIM-FUSICO-ohjelmiston tekijänoikeudet eivät siirry yritykselle vaan säilyvät TKK:lla ja sen tutkijoilla.

Yritys maksaa asiakaskohtaisesti lisenssi-/rojaltimaksun, joka kohdennetaan TKK:lla pääsääntöisesti simulointia ja valo-ohjausta palvelevaan tutkimus- ja kehitystyöhön. TKK:n rooli on ylläpitää tutkimusta sekä tukea ohjelmiston tuotteistamista. Vaikka varsinainen tuotekehitys ei ole korkeakoulun päätavoite, voi korkeakoulu kuitenkin tarjota osaamistaan ostopalveluna Trafitech:lle, jonka kuuluu vastata projektista.

TKK keskittyy tutkimukseen ja ohjaa kiinnostuneet asiakkaat/ yhteistyökumppanit yrityksen puoleen. Tuotekehitysyhteistyö jatkuu saaden luontevan toimintamallin. Yritys ottaa liiketoimintariskin ja -vastuun tuotteen jalostamiseksi ja tuotteistamiseksi myyntikuntoon.

Yrityksen omistajalla, Keijo Mäkelällä on vankka useiden vuosien käyttökokemus telematiikkasovelluksista ja liikennesuunnittelusta, jolloin hän tuo tuotteistamiseen merkittävän lisäarvon ja asiakaslähtöisen toiminta- ja jatkokehitystyöympäristön. Tämän jälkeen tuotteen kaupallistaminen ja lanseeraaminen liikennevalomarkkinoille tapahtuu normaalin yrityksen liiketoiminnan muodossa. Sumeaan ohjauksen toimitukseen liittyy aina tapauskohtainen projektointi, käyttöönotto, ylläpito- ja takuuasiat, käyttäjäkoulutus, varaosatoimitukset, joista yritys vastaa.

5. Yksittäisen liikennevalokojeen tuotteistaminen

Tämän hankkeen tarkoituksena on tuotteistaa Teknillisen korkeakoulun liikennelaboratoriossa kehitetty liikennevalojen HUTSIM-FUSICO ohjausjärjestelmä. Ohjausjärjestelmällä tässä tapauksessa tarkoitetaan markkinoilla oleviin liikennevalokojeisiin liitettävää ohjausyksikköä, joka hoitaa liikennevalojen ajoituksen ja liikenneteknisen toiminnan. Tämä projekti on rajattu koskemaan vain yhtä liittymää ohjaavan kojeen kehittämistä ja tuotteistusta. Tavoitteena on liittää sumea ohjausyksikkö tärkeimpiin markkinoilla oleviin liikennevalokojeisiin.

Tuotteistamisen yhteydessä käyttöliittymää kehitetään helppokäyttöisemmäksi ja avoimemmaksi. Ohjelmisto ja sääntökannat integroidaan yhtenäiseksi järjestelmäksi, joka on asennettavissa mihin tahansa yksittäiseen liittymään. Sumean ohjauksen dokumentointi, standardointi ja käyttöliittymän kehittäminen tähtää mahdollisimman helppoon käytettävyyteen ja ylläpitoon sekä ajoitusparametrien säätöön erilaisissa ympäristöissä.

Tällä hetkellä toimivia HUTSIM-FUSICO kojeita on otettu käyttöön viidessä liikennevaloliittymässä tapauskohtaisesti räätälöiden ja käytetyt komponentit on sovitettu avoimesti levylle. Uusia yksiköitä asennetaan lähiaikoina neljä lisää. Ohjausjärjestelmät ovat käytännössä pelkästään kehittäjän eli TKK:n ohjelmoitavissa. Hankkeella pyritään tuotteistamaan avoimuuteen perustuva ohjausjärjestelmä, jolloin asiakkaat voivat halutessaan itsenäisesti ylläpitää sumealla ohjauksella varustettuja kojeita ja tehdä niihin tarvittavia muutoksia.

 

1. Sumean ohjauslogiikan ja ohjelmointiparametrien dokumentointi erilaisissa ympäristöissä, kaupunkikeskustoissa ja korkealuokkaisilla väylillä
2. Liittymäkohtaisten ja alueellisten erityispiirteiden muokkaamisen ja säädön yksinkertaistaminen
3. Simulointi- ja ohjausohjelmisto versioiden sekä sääntökantojen integroiminen yhtenäiseksi järjestelmäksi. Järjestelmän käyttöliittymien ja rajapintojen muokkaaminen kaupalliseen tuotteeseen sopiviksi, sekä näiden dokumentointi.
4. Sumean ohjauslogiikan laitteistokomponenttien ja liitäntöjen teollinen valmistus ja asennus liikennevalojen ohjauskojeeseen
5. Sumean ohjauslogiikan implementointi ja integrointi kaikkiin suomen markkinoilla oleviin liikennevalojen ohjauskojeisiin (Siemens: MS, MSK, ML ja Peek: FC/FCA, ELC2/3, EC-1 sekä Trafitech:ITC-1)
6. Sumean ohjauslogiikan käyttöönoton, ylläpidon, huollettavuuden ja käyttövarmuuden testaaminen ja dokumentointi

Jos kaikki tavoitteet saavutetaan, sumean ohjauksen käyttöönotto ja käytönaikainen ylläpito helpottuvat ja yksinkertaistuvat merkittävästi. Lisäksi uusien käyttäjien perehtyminen sumeaan ohjaukseen tulee olemaan huomattavasti helpompaa selkeän dokumentoinnin ja suunnitteluohjeiden ansiosta. Tämä mahdollistaa sumean ohjauksen laajemman käytön kunnissa ja sumean ohjauksen teollisen tuotannon, lanseeraamisen ja kaupallistamisen aluksi Suomessa ja myöhemmin myös ulkomailla.

Tavoitteena on tehdä sumeasta ohjauksesta suomalainen liikennevalojen keihäänkärkituote, joka on sovitettavissa avoimen rajapintansa ansiosta kaikkiin markkinoilla oleviin ohjauskojeisiin.

Tuotteistamissuunnitelma 16.8.2001
Keijo Mäkelä, Jarkko Niittymäki, Iisakki Kosonen, Riku Nevala

  
Helsingin kaupunki  ·  Liikennesuunnitteluosasto