Procedimiento y sistema para estimar caudales de tráfico rodado a partir de los niveles de ruido ambiental.

La presente invención describe un procedimiento y un sistema que permiten estimar los caudales de tráfico de una vía durante un periodo de tiempo utilizando exclusivamente la medida del ruido ambiental en dicha vía.

Es más, la invención permite estimar en tiempo real y sin supervisión humana los caudales de distintos tipos de vehículos, en particular vehículos ligeros, vehículos pesados y motocicletas o ciclomotores.

Procedimiento y sistema para estimar caudales de tráfico rodado a partir de los niveles de ruido ambiental

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca de manera general en el campo de los sistemas de control de tráfico, y más concretamente en el campo del análisis de las señales sonoras producidas por el tráfico rodado.

El objeto principal de la invención es un método para estimar los caudales de tráfico rodado en una vía durante un periodo de tiempo determinado a partir únicamente de la medida del ruido ambiental en dicha vía de tráfico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad existen numerosos sistemas que estiman los caudales de tráfico en el tiempo, como por ejemplo los patrones estáticos de tiempo, las espiras magnéticas y las cámaras de grabación.

Los patrones estáticos de tráfico están definidos por funciones matemáticas que dependen, en general, de la zona o configuración urbana, del día de la semana y de la hora en la que va a ser estudiado el tráfico. Sin embargo, un inconveniente de este sistema es que estos patrones no tienen en cuenta la variación en el caudal de vehículos en un mismo periodo de tiempo, y además hay una gran cantidad de posibles patrones espaciotemporales de comportamiento del tráfico que habría que ajustar a cada caso concreto (H. Lehmann: “Directed and diffusive contributions to urban traffic flow patterns”, Europhys. Lett., 64 (2) , pp. 288–294, 2003) .

Las espiras magnéticas son elementos metálicos colocados bajo el propio firme de la vía que emplean los fenómenos físicos del electromagnetismo para detectar el paso de los vehículos. Cuando un vehículo pasa por encima del sistema, se genera una variación en el campo magnético causada por la masa metálica del vehículo (US 3, 571, 789) . Sin embargo, la instalación de espiras magnéticas requiere cortar el pavimento para su instalación, interrumpiendo por tanto la circulación. Además, sólo se puede detectar un vehículo por cada bobina instalada, lo que puede suponer que no se detecten vehículos que circulan en paralelo.

En tercer lugar, está el uso de cámaras que graban el tráfico para su análisis posterior o en tiempo real. Un importante inconveniente de este método es el elevado coste de la instalación y mantenimiento del sistema. Además, si el conteo no se realiza de forma automática, no se pueden obtener datos en tiempo real y se necesita personal que supervise las imágenes, lo que encarece aún más el procedimiento. Por otro lado, si el conteo se realiza de forma automática, sin supervisión, se necesita el tratamiento de un gran volumen de información en formato video, además de disponer de una instalación adecuada de cámaras que vigilen todos los sentidos de la vía.

En definitiva, existe aún en este campo la necesidad de desarrollar sistemas que permitan conocer el caudal de tráfico rodado por una vía de un modo económico y fácil de implementar.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El ambiente sonoro está determinado por un amplio rango de magnitudes que influyen en los niveles de presión sonora. Algunas de dichas magnitudes están relacionadas con las propias fuentes de ruido, mientras que otras se refieren a condiciones ambientales o del entorno que pueden contribuir a amortiguar o amplificar el ruido. La mayoría de las magnitudes son estáticas en el tiempo, como por ejemplo el ancho o la altura de una calle en particular, mientras que otras pueden cambiar significativamente en función del tiempo y del lugar, como por ejemplo los caudales de tráfico.

Los inventores de la presente invención han desarrollado un procedimiento que permite estimar los caudales de tráfico de una vía durante un periodo de tiempo utilizando exclusivamente la medida del ruido ambiental en dicha vía. Es más, la invención permite estimar en tiempo real y sin supervisión humana los caudales de distintos tipos de vehículos, en particular vehículos ligeros, vehículos pesados y motocicletas o ciclomotores. A diferencia de algunos métodos conocidos, como las espiras magnéticas, la invención propuesta solo requiere el uso de sonómetros u otros dispositivos de medida de la presión sonora (que ya se encuentran instalados en las calles de numerosos municipios) , y de un procesador que permita aplicar el método de la invención a los datos obtenidos. Se trata, por tanto, de un método simple y sencillo, y cuya implantación es muy poco invasiva. También sería posible combinar este sistema con otros sensores que hubiera disponibles para obtener datos adicionales del entorno urbano en tiempo real.

El procedimiento de la invención es aplicable en entornos urbanos con una densidad media o alta de tráfico donde éste constituya la fuente dominante de ruido, en particular más de 10 dB de nivel medio respecto al ruido de otras fuentes. Además, el procedimiento de la invención presenta la ventaja de obtener una mayor precisión que los métodos anteriores, ya que se ha comprobado que consigue predecir el número total de vehículos cada 5 minutos con un porcentaje de error inferior al 17% de media.

Por otro lado, este método no necesita gran cantidad de patrones estáticos que determinen el comportamiento del tráfico, ya que en cada periodo de tiempo se obtiene la estimación de los caudales de tráfico correspondientes a los niveles de presión sonora recogidos en la calle.

La información obtenida por medio del método de la invención puede emplearse, por ejemplo, para:

- Controlar el tipo de tráfico por zonas urbanas, por ejemplo, restringiendo la circulación de vehículos pesados en determinadas calles.

- Obtener información adicional para la configuración urbana, como decidir el número de aparcamientos para motocicletas.

- Regular semáforos.

- Estudiar el caudal de tráfico y su relación con el impacto sufrido por la población del área urbana estudiada.

- Desarrollar sonómetros que muestren de forma simultánea los niveles de presión sonora y los caudales de tráfico registrados durante una medición.

De manera general, un modelo de espacios de estados es una representación matemática de un sistema físico descrito mediante un conjunto de entradas y salidas relacionadas por ecuaciones en diferencias de primer orden que se pueden expresar de forma matricial. Fundamentalmente, el procedimiento de estimación que propone esta invención está basado en modelar el sistema dinámico asociado al tráfico rodado como un espacio de estados.

En el presente documento, las ecuaciones que definen el modelo de espacio de estados están basadas en métodos estadísticos de tipo bayesiano en los que se emplean observaciones o información obtenida con anterioridad (a priori) para calcular la probabilidad de que una estimación o hipótesis sea cierta. Las variables de estado en el método de la invención son aquellas que influyen en los niveles de presión sonora de la vía en cuestión, y se dividen en variables dinámicas, es decir, los propios caudales de vehículos pesados, ligeros, y motocicletas/ciclomotores que se desea calcular, y variables estáticas, como la velocidad del tráfico, tipo de día, anchura y altura de la calle, u otras.

Basándose en el espacio de estados planteado, se aplica un método de filtrado, preferentemente un filtro de Kalman extendido, para llevar a cabo la estimación de los caudales de tráfico rodado deseados.

En general, en una aproximación estadística del filtrado lineal, se asume la existencia de ciertos parámetros estadísticos (por ejemplo, la media y la varianza) de la señal útil y un ruido aditivo no deseado. El filtro lineal recibe como entrada información sobre el ruido e intenta minimizar los efectos de dicho ruido en la salida de acuerdo a algún criterio estadístico. Un posible criterio para este problema de optimización es reducir al mínimo el valor cuadrático medio del error de la señal que se define como la diferencia entre la respuesta deseada y la salida obtenida del filtro.

El filtro de Kalman ha llegado a ser un componente integrado dentro de miles de sistemas de navegación tanto militares como civiles. Este algoritmo aparentemente simple, ha sido utilizado para integrar convenientemente los datos de los sensores de navegación para alcanzar un rendimiento óptimo de todo el sistema. Para proporcionar estimaciones de las...

1. Procedimiento para estimar caudales ( ) de tráfico rodado en una vía a partir de los niveles de presión sonora ambiental ( ) generados por dicho tráfico rodado, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

• medir unas variables estáticas ( ) que caracterizan la vía;

• medir unos niveles de presión sonora ambiental ( ) generados por tráfico rodado; y

• estimar los caudales ( ) de tráfico rodado a partir de un modelo de espacio de estados que relaciona dichos caudales ( ) de tráfico rodado y el conjunto de variables estáticas ( ) que caracterizan la vía con los niveles de presión sonora ambiental ( ) .

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, donde el espacio de estados está definido por:

donde

es la distribución condicional de los caudales de tráfico rodado, y

es la densidad condicional de los niveles de presión sonora ( ) dados los caudales ( ) de tráfico rodado y el conjunto de variables estáticas ( ) .

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, donde la densidad condicional de los niveles de presión sonora se aproxima según:

donde

denota una función de densidad de probabilidad gaussiana de z con el vector de medias

y la matriz de covarianza ,

es una función de predicción no lineal de los niveles de presión sonora a partir de las variables de estado, y es una matriz de covarianza diagonal.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, donde la función

se modela por medio de una red neuronal artificial.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, donde la red neuronal artificial es de tipo backpropagation de dos capas, que tiene un número de entradas que corresponde al número de tipos de

caudales ( ) de tráfico rodado más las variables estáticas ( ) , y una única salida relacionada con el nivel de presión sonora ( ) , y donde la primera capa utiliza una función de transferencia tangente sigmoidal hiperbólica y la segunda capa utiliza una función de transferencia lineal.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, donde la densidad condicional de los caudales ( ) de tráfico rodado se aproxima según:

donde

es una varianza calculada a partir de la distribución gaussiana de la evolución media de unos caudales de tráfico recogidos con anterioridad.

7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el paso de estimar los caudales ( ) de tráfico rodado a partir del modelo de espacio de estados comprende aproximar dicho modelo de espacio de estados basándose en un filtrado de Kalman extendido.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, donde la aplicación del filtrado de Kalman extendido comprende aproximar la densidad condicional de los caudales ( ) de tráfico rodado a una distribución gaussiana donde:

donde

son los niveles de presión sonora (niveles medios de presión sonora y su composición espectral) observados hasta la medición .

indica la media y

la matriz de covarianza a posteriori de los caudales de tráfico durante la medición .

acuerdo con la reivindicación 8, donde la evaluación de la expresión comprende los siguientes pasos:

a) predicción

(a1) predecir los caudales de tráfico en el tiempo: ,

(a2) predecir la covarianza en el tiempo: ,

donde

es una matriz de covarianza diagonal, b) actualización de la medida,

(b1) calcular la ganancia de Kalman: ,

(b2) actualizar las predicciones con la

medida: ,

(b3) actualizar la covarianza: ,

donde

es la ganancia de Kalman, es el Jacobiano del modelo de medida,

y

son las estimaciones a priori , y y son las estimaciones a posteriori.

10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los caudales ( ) de tráfico rodado urbano comprenden el número de vehículos ligeros, el número de vehículos pesados, y el número de motocicletas y ciclomotores.

11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las variables estáticas ( ) comprenden al menos el tipo de día, la velocidad media y el número de carriles

12. Procedimiento según reivindicación anterior donde las variables estáticas además comprenden el ancho de la calle y la altura de los edificios.

13. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los niveles de presión sonora ambiental ( ) se miden por medio de un sonómetro dispuesto a 2 metros de distancia de fachadas reflectantes y a una altura de 1, 5 metros sobre el nivel del suelo.

14. Programa de ordenador que comprende instrucciones de programa para hacer que un ordenador lleve a la práctica el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-13.

15. Programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 14, que está incorporado en unos medios de almacenamiento.

16. Programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 14, que esta soportado en una señal portadora.

17. Sistema para estimar caudales ( ) de tráfico rodado en una vía a partir de los niveles de presión sonora ambiental ( ) generados por dicho tráfico rodado, caracterizado porque comprende:

- un medio de adquisición de la presión sonora ambiental ( ) en una vía; y

- un medio de procesamiento conectado a dicho medio de adquisición y adaptado para llevar a cabo el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-16.

18. Sistema de acuerdo con la reivindicación 17, que además comprende medios de visualización que permiten visualizar los caudales de tráfico rodado estimados por medio de procesamiento.

Figura 1 Figura 2 Figura 3