Приоритетный проезд транспортных средств Пожарно-спасательной службы с помощью V2X

Приоритетный проезд транспортных средств Пожарно-спасательной службы с помощью V2X

Рис.1: Демонстрация пожарного транспортного средства с приоритетным проездом.

Рис.1: Демонстрация пожарного транспортного средства с приоритетным проездом.

В статье описывается текущий проект по тестированию абсолютного приоритета транспортных средств Пожарно-спасательной службы (ПСС) в г. Брно, осуществляемый в сотрудничестве с компанией Brněnské komunikace, Пожарно-спасательной службой и компанией Patriot на 5 перекрестках и 2 транспортных средствах. Основой проекта является наш блок связи UCU 5.0 , дополненный двухканальным коммуникационным модулем V2X. Использование именно этого международного стандарта V2X на практике делает данный проект абсолютно оригинальным решением. Это первая установка подобной системы в Чешской Республике.

Почему была выбрана связь V2X

Рис.  2: Принцип связи V2X. Источник: https://www.extremetech.com/extreme/243542-v2x-conquers-bad-curves-construction-zones-red-lights

Рис. 2: Принцип связи V2X. Источник: https://www.extremetech.com/extreme/243542-v2x-conquers-bad-curves-construction-zones-red-lights

Приоритетный проезд транспортных средств ПСС основан на новом едином общеевропейском стандарте связи транспортное средство-транспортное средство и транспортное средство-инфраструктура, так называемом V2X (vehicle-to-everything, или C2X, C2C — car-to-car). Это стандарт, которому будут соответствовать все транспортные средства, в будущем сходящие с производственных линий (например, фирма Volkswagen планирует внедрить данный стандарт в своих транспортных средствах начиная с 2019 года). Таким образом, это есть объединение всей связи между транспортными средствами и окружающей транспортной инфраструктурой, включая контроллер перекрестков.

В связи с тем, что в ближайшем будущем наличие такого типа связи станет, скорее всего, обязательным для всех участников движения, его использование для связи с транспортной инфраструктурой предлагается как логичный и долгосрочный устойчивый выбор, независимый от поставщика.

В нашей системе коммуникация по стандарту V2X используется для прямой и независимой связи с перекрестком. Дальность действия составляет около 300 метров в населенных пунктах, на открытой же местности превышает 1 км (проверено в рамках реализации проекта). Транспортное средство передает информацию о своем состоянии периодически до 10 разов в секунду (частота изменяется динамически, в зависимости от загруженности канала для V2X). Аналогичным образом обменивается данными контроллер перекрестка, который подобным образом может сообщать окружающим, например, о статусе своего сигнального плана.

Одним из недостатков связи V2X является худшее распространение сигнала в городских условиях, что определено используемой частотой 5,9 ГГц. По этой причине требуется размещение блока связи на возвышении, желательно посредине перекрестка. Типичным местом расположения является мачта стрелы световой сигнализации — светофора (SSZ). Такое положение обеспечивает хорошее покрытие всех направлений от перекрестка.

Общая цель связи между транспортными средствами, а также коммуникации между транспортным средством и инфраструктурой заключается в повышении безопасности и эффективности эксплуатации транспортных средств, при этом информация о состоянии транспортного средства передается в окружающую среду намного быстрее, чем данные изменения могут обнаруживать и оценивать сенсорные системы окружающих транспортных средств. Эти преимущества включают в себя следующее:

  • транспортное средство ПСС сообщает о своем проезде окружающим транспортным средствам,
  • согласование поведения транспортной инфраструктуры с инфраструктурой,
  • возможность предупреждения о столкновении двух идущих подряд транспортных средств
  • связь не зависит от погоды (тумана)

и много других преимуществ.

Принцип приоритетного проезда транспортного средства ПСС

Рис. 3: Демонстрация абсолютного приоритета транспортных средств.

Рис. 3: Демонстрация абсолютного приоритета транспортных средств.

Приоритетный проезд транспортного средства основан на его местоположении, которое определяется с помощью GPS (или других навигационных систем, таких как Galileo или Glonass). Если транспортное средство попадает в определенную область вокруг перекрестка, оно может запросить приоритетный проезд. Запрос на приоритетный проезд поступает либо от бортового компьютера, либо связан с состоянием однобитовых входов, например, с активацией маяков на транспортном средстве ПСС. Окончательное решение о том, будет ли предоставлен приоритет (и когда будет предоставлен), остается за контроллером или коммуникационным блоком на контроллере. Таким образом, перекресток сам решает, когда начать менять сигнальный план. Зеленый свет будет настроен только в направлении, из которого приезжает транспортное средство ПСС для того, чтобы «очистить» перекресток, или, по крайней мере, разрешить движение в противоположном направлении.

Связь автомобиля с контроллером перекрестка должна включать в себя следующие блоки:

  • блок связи на транспортном средстве (UCU 5.0) на позиции OBU — on board unit (бортовой блок),
  • блок связи на перекрестке (UC U 5.0) на позиции RSU — Road side unit (придорожный блок),

Решение о приоритетном проезде

Рис. 4: Пример определенных коридоров приоритетного проезда.

Рис. 4: Пример определенных коридоров приоритетного проезда.

Как уже упоминалось, приоритетный проезд транспортных средств решается на основе их местонахождения. Он оценивается в соответствии с введенными параметрами для данного перекрестка. Указанная область определяется в пределах конфигурации перекрестка. Приоритетный проезд работает на основе:

  • текущей позиции транспортного средства,
  • отмеченных областей на карте,
  • направления движения,
  • включения маяков.

Каждое направление прибытия на перекресток имеет свою определенную область (многоугольник), в которой активируется приоритет – на Рис. 4 зеленый цвет. Это достаточно длинная область, которая обеспечивает то, чтобы контроллер успел изменить сигнальный план и установить нужный сигнал в этом направлении. Приоритет будет активирован при входе в область. Если транспортное средство выезжает за пределы области, преференция прекращается. Красная область на Рис. 4 — это так называемый многоугольник выезда. После проезда предполагается, что транспортное средство успешно проехало через перекресток и, следовательно, запрос приоритета выполнен.

Многоугольники – более надежный и универсальный вариант известных точек входа и выхода транспортных средств городского общественного транспорта. Точки входа определены на транспортном средстве, в то время как многоугольники определены для перекрестка. Ситуация, когда вся логика принятия решений находится на перекрестке, имеет то преимущество, что перекресток знает состояние дорожного движения в районе намного лучше, чем прибывающее транспортное средство. Благодаря более частой связи с транспортным средством, контроллер имеет намного более точную информацию о местоположении транспортного средства и не должен полагаться только на одну точку. Таким образом, он может лучше определить время, когда начать процесс приоритетного проезда.

Связь между транспортным средством и перекрестком

Рис. 6: Принцип приоритета.

Рис. 6: Принцип приоритета.

Наша система разработана таким образом, чтобы единым способом решать приоритетный проезд как ПСС, так и, в случае необходимости, транспортных средств общественного транспорта (городского и рейсового). Поведение каждого из этих типов транспортных средств, конечно, отличается, но технология идентична и соответствует одному и тому же международному стандарту. Наша идея заключалась в создании системы, в которой можно было бы подключить к контроллеру только один блок связи для всех целей.

Система основана на комбинации двух интерфейсов связи: ближнего V2X и стандартного мобильного соединения по стандарту LTE. Роли и свойства каждого интерфейса, следующие:

  • LTE – мобильная связь для своевременного раннего предупреждения о перекрестке – работает медленнее, менее надежно, но работает независимо от расстояния – имеет большой радиус действия. Следовательно, она предназначена в основном для «предзнаменования» того, что транспортное средство приближается к перекрестку. Кроме того, она отвечает за удаленный мониторинг и управление блоком.
  • V2X (C2X) – прямая и независимая связь средней дальности по международному стандарту это быстрая и надежная связь, но с меньшей дальностью.

Одновременное использование 2 интерфейсов связи для одного и того же типа связи значительно увеличивает устойчивость и надежность системы, поскольку в случае отказа / помех одного типа связи работает другой. Это очень существенное преимущество данного решения. Кроме того, в будущем для обновления сертификатов безопасности потребуется использование мобильного Интернет-соединения (см. ниже).

 Защита коммуникации от неправомерного использования

Рис. 7: Обеспечение безопасности сообщений о приоритете транспортных средств.

Рис. 7: Обеспечение безопасности сообщений о приоритете транспортных средств.

Каждое транспортное средство отправляет информацию о своем состоянии (положение, скорость, ускорение, направление движения и т. д.) непрерывно и периодически с длительностью, как правило, 100 мс, а также о типе транспортного средства и его роли – например, «транспортное средство ПСС на выезде» или «транспортное средство общественного транспорта».  Это сообщение, называемые CAM (Cooperative Awareness Message). Такое сообщение принимается всеми транспортными средствами и элементами инфраструктуры, находящимися  в непосредственной близости и  способных на него реагировать – к примеру, предупреждать водителей о приближающемся проезде транспортного средства ПСС или о надвигающемся столкновении с другим транспортным средством и т. д.  Кроме того, как уже было упомянуто, можно с помощью другого сообщения сообщить контроллеру о запросе приоритетного проезда.

Чтобы предотвратить неправомерное использование этой информации (которая напрямую зависит от приоритета транспортного средства), связь дополняется высоким уровнем безопасности, который не может быть достигнут с помощью стандартной радиосвязи. Таким образом, безопасность является важным элементом коммуникации V2X. Сообщения, отправляемые с автомобиля, имеют цифровую подпись, а перекресток «дает приоритет» только тому транспортному средству, которое «подписало» сообщение правильно. Кроме того, ключи к подписям хранятся в HW-модуле, поэтому получить к ним доступ и взломать систему невозможно.

Это обеспечивает:

  • высокий уровень безопасности с использованием методов авторизации и аутентификации,
  • каждое сообщение имеет цифровую подпись и отправляется вместе с сертификатом, разрешающим отправку этого сообщения. Эмитентом сертификата в этом случае, будет с наибольшей вероятностью оператор перекрестка.

Решения для транспортных средств и перекрестков

В настоящее время используются прототипы  блоков UCU 5.0-V2X, имеющие общие свойства для проверки многих возможных функций. Блок в случае транспортного средства расположен на его крыше, на перекрестке же он размещен на столбе светофора. Таким образом, расположенные устройства обеспечивают дальность связи V2X до 1000 м при прямой видимости. Связь с контроллерами перекрестков осуществляется через интерфейс RS 485

Рис. 8: Прототипы блоков V2X на базе UCU 5.0 - слева наружный блок, расположенный на светофоре, справа - блок, расположенный на пожарной машине.

Рис. 8: Прототипы блоков V2X на базе UCU 5.0 — слева наружный блок, расположенный на светофоре, справа — блок, расположенный на пожарной машине.

Заключение, или о нашем проекте пишут

С нашей точки зрения, это очень перспективное решение, основанное на существующих стандартах ETSI-G5, то есть, общеевропейское решение. Преимущество — скорость связи и практическая невозможность неправомерного использования благодаря цифровым подписям связи. Использование очень мощных модулей связи UCU 5.0 позволяет также подключать камеры к системе. К примеру, в диспетчерскую ПСС уже сегодня отправляются видеопотоки с транспортного средства, едущего на вызов, и от самого вызывающего. Также можно подключить к системе общественный транспорт и, таким образом, использовать множественный способ приоритета, отдавая предпочтение  транспортным средствам ПСС, скорой помощи и общественному транспорту (городскому и рейсовому). Это означает, что, например, транспортное средство ПСС будет иметь абсолютный приоритет, после него едут автомобили скорой помощи в соответствии с текущим состоянием, затем едут трамваи, и в последнюю очередь другие транспортные средства общественного транспорта, как это сейчас принято.

Мы хотим и в дальнейшем продолжать разработки в данном проекте, в частности проверять настройки предпочтений на перекрестках для транспортных средств скорой помощи.

Пример тест-драйвов транспортного средства ПСС с абсолютным приоритетом от 16.11.2017 (взято с сайта ПСС):

О нашем проекте написали:

  • На веб-сайте Пожарно-спасательной службы г. Брно -  здесь:
  • В газете Blesk тут
  • информация также была представлена на Чешском телевидении и в новостях Южноморавского приложения газеты Práva.