Preference vozidel pomocí V2X

Článek popisuje probíhající projekt s testováním absolutní preference vozidel Hasičského záchranného sboru (HSZ) v Brně, který probíhá ve spolupráci s Brněnskými komunikacemi, Hasičským záchranným sborem a firmou Patriot, a to na 5 křižovatkách a 2 vozidlech. Základem projektu je naše komunikační jednotka UCU 5.0 doplněná o dvoukanálový komunikační modul V2X. Právě použití tohoto mezinárodního standardu V2X v praktickém provozu dělá z projektu naprosto originální řešení. Jedná se o první instalaci obdobného systému v ČR.

Ukázka auta hasičů s preferencí.

Preference vozidel HZS je postavena na novém jednotném celoevropském standardu pro komunikaci vozidlo-vozidlo a vozidlo-infrastruktura, tzv. V2X (vehicle-to-everything, případně C2X, C2C - car-to-car). Jedná se o standard, kterým budou vybavena všechna vozidla, která v budoucnu sjedou z výrobních linek (např. firma Volkswagen plánuje nasazení ve vozidlech již od r. 2019). Jde tak o sjednocení veškeré komunikace mezi vozidly navzájem a mezi vozidly a okolní dopravní infrastrukturou, tedy i s řadiči křižovatek.

Vzhledem k tomu, že v blízké budoucnosti bude tato komunikace nejspíše povinná pro všechny účastníky provozu, její použití na komunikaci s dopravní infrastrukturou se nabízí jako logická a dlouho udržitelná volba nezávislá na dodavateli.

V našem systému slouží komunikace dle standardu V2X pro přímou a nezávislou komunikaci s křižovatkou. Dosah je v zástavbě asi 300 metrů, v otevřeném terénu i přes 1 km (ověřeno v rámci realizace projektu). Vozidlo vysílá informaci o svém stavu periodicky až 10 krát za sekundu (frekvence se dynamicky mění dle zahlcení kanálu pro V2X). Podobně komunikuje i řadič křižovatky, který takto může sdělovat okolí například stav svého signálního plánu.

Jednou z nevýhod komunikace V2X je horší šíření signálu v městské zástavbě, což je dané použitou frekvencí 5,9 GHz. To proto vyžaduje umístění komunikační jednotky na vyvýšené místo a nejlépe doprostřed křižovatky. Typickým umístěním je tak výložníkový stožár systému světelné signalizace - semaforu (SSZ). Toto umístění již zajišťuje obvykle dobré pokrytí všech příjezdových směrů ke křižovatce.

Obecným cílem komunikace mezi vozidly a komunikace vozidla s dopravní infrastrukturou je zvýšit bezpečnost a efektivitu provozu vozidel s tím, že radiová informace předá stav vozidla do okolí mnohem rychleji, než dané změny mohou zdetekovat a vyhodnotit senzorické systémy okolních vozů.

Mezi tyto výhody proto patří:

• vůz HZS informuje okolní vozidla o svém průjezdu, 
• koordinace chování infrastruktury dopravní cesty a infrastrukturou, 
• možnost varování před srážkou dvou po sobě jedoucích vozidel 
• komunikace je nezávislá na počasí (mlha),

Princip komunikace V2X. Zdroj: https://www.extremetech.com/extreme/243542-v2x-conquers-bad-curves-construction-zones-red-lights

Preference vozidla je založena poloze vozu, která se získává z GPS (případně i z jiných navigačních systémů jako Galileo či Glonass). Pokud se vozidlo dostane do definované oblasti v okolí křižovatky, pak si může vyžádat preferenci. Požadavek na preferenci přichází buď z palubního počítače, nebo je navázán na stav jednobitových vstupů, například na aktivaci majáků na vozidle HZS. Finální rozhodnutí, jestli preference bude přidělena (a kdy bude přidělena), je ale na řadiči či na komunikační jednotce u řadiče. Křižovatka tak sama rozhodne, kdy zahájit změnu signálního plánu. Nastaví se zelená pouze ve směru, ze kterého vůz HZS přijíždí, s cílem "vyklidit" křižovatku, nebo alespoň umožnit jízdu v protisměru.

Komunikace vozidla s řadičem křižovatky musí obsahovat jednotky:

• komunikační jednotka na voze (UCU 5.0) ve funkci OBU - on board unit,
• komunikační jednotka na křižovatce (UCU 5.0) ve funkci RSU - Road side unit,

Ukázka absolutní preference vozidel.

Jak bylo uvedeno, o preferenci vozidel se rozhoduje na základě jejich polohy. Ta je vyhodnocována dle zadaných parametrů pro danou křižovatku. Určená oblast se definuje v rámci konfigurace křižovatky. Preference pak funguje na základě:

• aktuální polohy vozu,
• vyznačených oblastí v mapě,
• směru jízdy,
• zapnutí majáků.

Každý směr příjezdu ke křižovatce má definovánu svou vlastní oblast (polygon), v němž se priorita aktivuje – na obrázku je zelenou barvou. Jedná se o dostatečně dlouhou oblast, která zajistí, že řadič stihne změnit signální plán a nastavit požadovaný signál v daném směru. Při vjezdu do oblasti bude aktivována preference. Pokud vůz oblast opustí, pak je preference ukončena. Červená oblast na obrázku je tzv. výjezdový polygon. Po jeho projetí se předpokládá, že vůz úspěšně projel křižovatkou, a že je tedy požadavek na prioritu ukončen.

Polygony jsou robustnější a univerzálnější variantou známých přihlašovacích a odhlašovacích bodů z vozidel MHD. Přihlašovací body jsou ale definovány na vozidle, zatímco polygony jsou definovány pro křižovatku. Situace, kdy je veškerá rozhodovací logika na křižovatce, má výhodu v tom, že křižovatka zná stav provozu v okolí mnohem lépe než přijíždějící vozidlo. Díky výrazně častější komunikaci s vozidlem má řadič mnohem lepší informace o poloze vozidla a nemusí tedy spoléhat jen na jeden bod. Může následně lépe určit, kdy zahájit preferenci.

Ukázka definovaných koridorů preference.

Náš systém je navržen tak, aby řešil jednotným způsobem preferenci jak pro IZS, tak i případně pro vozidla veřejné dopravy (městské MHD i linkové VLD). Chování pro každý z těchto typů vozů se samozřejmě liší, ale technologie je totožná, využívající shodného mezinárodního standardu. Naší myšlenkou bylo vytvořit systém, v němž bude možno dát jen jednu komunikační jednotku k řadiči pro všechny účely.

Systém je založen na kombinaci dvou komunikačních rozhraní: krátkodosahového V2X a standardního mobilního připojení ve standardu LTE. Role a vlastnosti jednotlivých rozhraní jsou následující:

• LTE – mobilní připojení pro včasné informování křižovatky – je pomalejší, méně spolehlivé, ale zato funguje bez ohledu na vzdálenost - má velký dosah. Proto je určeno zejména pro "předzvěst", že se vozidlo blíží ke křižovatce. Navíc se stará o vzdálený monitoring a správu jednotky.
• V2X (C2X) – přímá a nezávislá komunikace středního dosahu dle mezinárodního standardu - je to rychlá a spolehlivá komunikace, ale menším dosahem.

Princip preference.

Každé vozidlo trvale a periodicky po typicky 100 ms vysílá svůj základní stav (polohu, rychlost, zrychlení, směr jízdy atd.) a typ vozidla a jeho úlohu – například "vůz HZS v zásahu" nebo "vozidlo veřejné dopravy" . Jedná se o zprávy zvané CAM (Cooperative Awareness Message). Tuto zprávu zachytí všechna vozidla a prvky infrastruktury v okolí a mohou na ni reagovat – například varovat řidiče o brzkém průjezdu vozu HZS nebo o hrozící srážce s jiným vozidlem, apod. Navíc, jak již bylo napsáno, je možné pomocí jiné zprávy informovat řadič o požadavku na preferenci.

Aby nemohlo dojít ke zneužití těchto informací (což u preference vozidel se přímo nabízí), je komunikace doplněna vysokou mírou zabezpečení, která se u standardní radiové komunikace nedá dosáhnout. Zabezpečení je tak nezbytným prvkem komunikace V2X. Zprávy odesílané z vozidla jsou digitálně podepsány, a křižovatka "umožní preferenci" pouze tomu vozidlu, které zprávu pro ni "správně" podepsalo. Navíc jsou klíče k podpisům uloženy v HW modulu, takže není možné se k nim dostat a nabourat se tak do systému.

Tím se získá:

• vysoká míra zabezpečení používající metod autorizace a autentizace,
• každá zpráva digitálně podepsána a je poslána spolu s certifikátem, opravňujícím k odeslání této zprávy. Vydavatelem certifikátu by v tomto případě nejspíš byl provozovatel křižovatek.
   

Zabezpečení zpráv o preferenci vozidel.