Зростаюча кількість транспортних засобів і підвищені вимоги до безпеки дорожнього руху стимулюють розвиток технологій, які дозволяють транспортним системам взаємодіяти з дорожньою інфраструктурою. Інтеграція систем автомобіль-зовнішнє середовище відкриває нові перспективи для оптимізації дорожнього руху, зниження аварійності та підвищення загальної ефективності транспортних потоків. У роботі досліджено можливості використання сучасних технологій для передачі даних між автомобілями та інтерактивними дорожніми знаками, акцентуючи увагу на їх стабільності, швидкості і точності. Запропоновані підходи базуються на удосконалених протоколах зв’язку, які дозволяють реалізувати інтелектуальні транспортні системи нового покоління.
Системи Vehicle-to-Everything (V2X) створюють інтегровану екосистему, яка забезпечує обмін даними між транспортними засобами, дорожньою інфраструктурою, пішоходами та іншими учасниками дорожнього руху. Основна мета таких систем полягає в підвищенні безпеки, ефективності та зручності руху шляхом обміну інформацією в реальному часі. Це дозволяє швидко реагувати на зміни в дорожній обстановці, попереджати аварії, оптимізувати маршрути та підтримувати автономне водіння.
Головними елементами V2X є бортові пристрої, придорожні пристрої та, у деяких випадках, централізовані системи керування. Бортові пристрої встановлюються в автомобілях і відповідають за передачу даних про положення, швидкість, напрямок руху, а також за прийом інформації від інших учасників системи. Придорожні пристрої розташовані вздовж доріг, забезпечують збір даних про стан дорожньої інфраструктури та передають цю інформацію транспортним засобам. Центральні системи керування аналізують отримані дані, щоб покращити управління дорожнім рухом і прогнозувати затори.
Системи V2X мають значний потенціал для покращення безпеки руху. Вони здатні попереджати водіїв про можливі зіткнення, підтримувати узгоджені маневри на дорозі, такі як зміна смуги руху, та допомагати уникати аварій. Інтеграція з дорожньою інфраструктурою дозволяє оптимізувати роботу світлофорів і знижувати затори. Крім того, системи сприяють безпеці пішоходів і велосипедистів, забезпечуючи їхню інтеграцію через мобільні пристрої та інші датчики.
Технологія V2X охоплює кілька типів зв’язку: обмін даними між транспортними засобами (V2V), взаємодію з інфраструктурою (V2I), підключення до мобільних мереж (V2N) та обмін інформацією з пішоходами (V2P). Такі системи створюють нові можливості для автономних транспортних засобів, забезпечуючи їх необхідною інформацією для прийняття рішень у реальному часі.
Попри численні переваги, системи V2X потребують подолання низки викликів, серед яких висока вартість впровадження, стандартизація технологій, забезпечення кібербезпеки та конфіденційності. Розвиток V2X сприятиме створенню інтелектуальних транспортних систем нового покоління, які забезпечать безпечний та ефективний рух на дорогах.
Сучасні системи V2X базуються на кількох основних протоколах зв’язку: IEEE 802.11p, LTE-V2X та 5G NR-V2X. Кожна з цих технологій має свої унікальні особливості, які визначають її придатність для різних сценаріїв використання.
IEEE 802.11p є однією з перших технологій, розроблених спеціально для V2X-комунікацій. Цей протокол забезпечує низьку затримку та високу надійність, що робить його придатним для передачі критично важливих повідомлень, таких як попередження про зіткнення чи небезпеки на дорозі. Проте його обмежений радіус дії (до 1 км) та нижча пропускна здатність порівняно з іншими протоколами обмежують його використання в складніших сценаріях. Крім того, впровадження IEEE 802.11p вимагає спеціалізованої інфраструктури, що збільшує загальну вартість системи.
LTE-V2X, який використовує існуючу інфраструктуру мобільних мереж, пропонує більший радіус дії та значно вищу пропускну здатність. Цей протокол підходить для передачі інформаційних повідомлень, таких як телеметрія автомобіля, дані дорожньої інфраструктури чи відеопотоки. Однак LTE-V2X має вищу затримку порівняно з IEEE 802.11p, що може бути критичним для застосунків, які потребують негайного реагування. Іншою проблемою є можливі перевантаження мобільної мережі, особливо в густонаселених районах.
5G NR-V2X, що базується на технології п’ятого покоління мобільних мереж, є найновішим і найпотужнішим протоколом для V2X-комунікацій. Цей протокол забезпечує наднизьку затримку, високу пропускну здатність і можливість підключення великої кількості пристроїв одночасно. Завдяки цим характеристикам 5G NR-V2X ідеально підходить для автоматизованого водіння та складних сценаріїв, що вимагають обміну великими обсягами даних у реальному часі. Однак висока вартість впровадження нової інфраструктури та обмежена доступність на сьогодні є значними перешкодами для широкого використання цієї технології.
Кожна з розглянутих систем має свої переваги та недоліки, що визначають її сферу застосування. IEEE 802.11p відзначається високою надійністю для критичних застосунків із низькою затримкою, але його обмежений радіус дії знижує універсальність. LTE-V2X забезпечує більший радіус дії та кращу пропускну здатність, але поступається в умовах, які потребують швидкого реагування. 5G NR-V2X є найбільш перспективним рішенням завдяки своїм технічним характеристикам, проте його висока вартість і обмежена доступність гальмують його впровадження.
Вибір оптимальної системи залежить від конкретного сценарію використання та вимог до її технічних характеристик. У багатьох випадках комбіноване використання протоколів, таких як IEEE 802.11p і LTE-V2X, дозволяє компенсувати недоліки одного протоколу за рахунок переваг іншого, забезпечуючи оптимальну продуктивність та надійність V2X-комунікацій.
Першим етапом дослідження стало моделювання архітектури системи, яка включає бортові пристрої на транспортних засобах та інтерактивні дорожні знаки, оснащені Nordic nRF52840 для передачі сигналу. Передача даних від дорожніх знаків до автомобілів здійснюється через протоколи зв’язку LTE-V2X та IEEE 802.11p, що забезпечують високу швидкість і надійність передачі інформації.
Наступним етапом стало впровадження програмного забезпечення для обробки отриманих даних. На борту автомобіля використовується Raspberry Pi 4 Model B, який приймає сигнал від дорожніх знаків, декодує його та визначає інформацію, наприклад, тип знака або обмеження швидкості. Особливу увагу приділено стабільності зв’язку за різних умов навколишнього середовища, зокрема за наявності перешкод або великої відстані між пристроями.
Для забезпечення інтеграції системи була розроблена модель обміну даними, яка враховує пріоритезацію повідомлень. Наприклад, критичні повідомлення про небезпеку передаються з використанням протоколу IEEE 802.11p, тоді як інформаційні повідомлення, такі як дані про затори, передаються через LTE-V2X. Це дозволяє досягти балансу між швидкістю реакції та ефективністю використання пропускної здатності мережі.
Крім того, в рамках дослідження була впроваджена інфраструктура публічних ключів (PKI) для забезпечення цілісності та аутентифікації переданих повідомлень. Цифрові сертифікати використовуються для шифрування даних, що унеможливлює підробку або модифікацію критичної інформації.
Оцінювання ефективності системи проводилося на основі тестування в різних сценаріях, включаючи міський і позаміський рух. Аналізувалися показники затримки передачі даних, точність ідентифікації дорожніх знаків, а також вплив перешкод на стабільність зв’язку. Результати показали, що запропонований підхід дозволяє забезпечити високу ефективність системи навіть за складних умов.
Загальна методологія дослідження спрямована на створення системи, яка не лише підвищує безпеку та ефективність дорожнього руху, але й слугує основою для розвитку інтелектуальних транспортних систем нового покоління.
Запропонована система взаємодії автомобіль-зовнішнє середовище на основі інтерактивних дорожніх знаків демонструє високу ефективність у покращенні безпеки та оптимізації дорожнього руху. Використання протоколів LTE-V2X і IEEE 802.11p забезпечує швидкість передачі та надійність навіть у складних умовах. Інтеграція технологій аутентифікації через PKI підвищує безпеку системи. Результати тестування підтверджують перспективність дослідження для впровадження в інтелектуальні транспортні системи.
Список використаних джерел:
1. Ahmed Z., Naz S., Ahmed J. Minimizing transmission delays in vehicular ad hoc networks by optimized. Wireless Networks. 2020. Vol. 26, no. 4. P. 2905–2914. DOI: 10.1007/s11276-019-02198-x.
2. Arena F., Pau G., Severino A. A Review on IEEE 802.11p for Intelligent Transportation Systems. Journal of Sensor and Actuator Networks. 2020. Vol. 9, no. 2. P. 22. DOI: 10.3390/jsan9020022.
3. Anwar W., Franchi N., Fettweis G. Physical Layer Evaluation of V2X Communications Technologies: 5G NR-V2X. Proceedings of VTC Fall 2019. DOI: 10.1109/vtcfall.2019.8891313.
4. Popović I. V2X - Paving the Superhighway for Tomorrow’s Smart Mobility. HTEC Group. URL: https://htecgroup.com/v2x-paving-the-superhighway-for-tomorrows-smart-mobility/.
5. What Is Vehicle-to-Everything (V2X)?. BlackBerry QNX. URL: https://blackberry.qnx.com/en/ultimate-guides/software-defined-vehicle/vehicle-to-everything.
________________________
Науковий керівник: Наконечний Адріан Йосифович, доктор технічних наук, Національний університет «Львівська політехніка»
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter