Применение в ИТС системы беспроводного широкополосного доступа

Применение в ИТС системы беспроводного широкополосного доступа

В статье представлено описание разработанной и изготовленной в ООО «ЛИС» системы беспроводного широкополосного доступа технологии DSRC для интеллектуальных транспортных систем (ИТС). Рассмотрены области применения, состав, архитектура, особенности построения и функциональные характеристики оборудования системы, которые позволяют расширить перечень решаемых системой целевых задач по сравнению с рекомендациями стандарта ETSI ITS-G5.

Внедрение ИТС, проводимое с 2018 г. В рамках проекта «Безопасные качественные дороги», приводит к повышению эффективности, устойчивости и безопасности функционирования транспортного комплекса Российской Федерации.

Одной из задач, поставленных в Транспортной стратегии Российской Федерации, является достижение нулевой смертности на дорогах.

Это возможно, только если все участники дорожного движения будут подключены к сервисам безопасности ИТС. В 2024 году интеллектуальные транспортные системы введены в 62 городских агломерациях. При этом основные направления работ касались модернизации и установки новых светофорных объектов, детекторов транспортных потоков, установки видеокамер регистрации нарушений правил ДД, автоматизации центров управления дорожным движением, что обеспечивает создание не выше второго уровня зрелости ИТС городских агломераций.

Достижение более высокого уровня зрелости ИТС требует более глубокой степени автоматизации, и в том числе внедрения оборудования, обеспечивающего передачу данных посредством широкополосных каналов связи всем участникам дорожного движения. Такая система беспроводного широкополосного доступа (БШД) создана в ООО «ЛИС».

Особенности системы БШД

Перечень ключевых особенностей системы БШД включает в себя:

• возможность организации связи в сетях с быстроизменяющейся топологией за счет построения динамичной mesh-сети между оборудованием, размещаемым на транспортных средствах, на объектах придорожной инфраструктуры;
• применение особого варианта маршрутизации – маршрутизации, основанной на использовании навигационной информации, получаемой от приемников глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS с использованием технологии RTK;
• реализация протоколов архитектуры DSRC/CALM/ITSC для обеспечения функционирования приложений интеллектуальных транспортных систем (приложений V2V и V2I);
• обеспечение информационного обмена с транспортными средствами, движущимися со скоростями более 120 км/ч;
• организация непрерывной зоны покрытия участков автомобильных дорог, обеспечивающей отсутствие перерывов в предоставлении сервисов и услуг;
• передача мультисервисных данных (видео, голос, данные) на базе технологии DSRC IEEE 802.11ax с реализацией qos (требуемого качества обслуживания);
• реализация автомобильной самоорганизующейся сети VANET (Vehicular Ad Hoc Network), узлы которой представлены самими транспортными средствами с установленными специализированными модулями связи;
• повышение надежности доставки сообщений, обеспечивающих безопасность дорожного движения, за счет параллельной передачи сообщений v2x (CAM, DENM), на базе двух технологий DSRC IEEE 802.11р и 802.11ax;
• централизованный мониторинг и управление характеристиками оборудования системы в реальном масштабе времени, расчет метрик и показателей качества работы оборудования.

Состав и архитектура системы БШД

Рассматриваемая система БШД включает в себя:

• Сеть придорожных станций LBX-RSU;
• Бортовое абонентское оборудование LBX-OBU;
• Аппаратно-программный комплекс (АПК) Ядро сети ИТС;
• АПК Сервисное ядро ИТС.

Система предусматривает организацию опорной сети передачи данных (LAN) c применением соответствующих агрегирующих коммутаторов уровня L2+, L3 и коммутаторов доступа. Обобщенная структура системы БШД показана на рисунке 1.

Рис. 1 – Структурная схема системы БШД.

Основными компонентами физической архитектуры ИТС (инструментальной подсистемой) являются коммуникационные станции (ИТС-С).

Они выполняют две задачи:

• являются узлами составной сети, работая как инициаторы или приемники соединений;
• являются транзитными узлами, поскольку сеть ИТС может работать в режиме ad-hoc.

Сеть радиодоступа образуют базовые станции LBX-RSU (придорожное устройство), которые подключаются к ядру сети через сеть доступа с использованием организованных проводных или радиоканалов требуемой пропускной способности.

В качестве абонентского устройства используется мобильное устройство LBX-ОВU (бортовая станция), которое монтируется на транспортные средства.

Оборудование LBX-RSU и LBX-ОВU соответствует функциональной структуре станций ИТС и состоит из функциональных элементов, взаимодействующих друг с другом через внутреннюю сеть, как это показано на рисунке 2.

Рис. 2 – Функциональный состав архитектуры LBX-RSU и LBX-OBU.

Оборудование LBX-RSU и LBX-ОВU соответствует эталонной архитектуре ИТС-С в рамках стека протоколов ETSI ITS G5 и обеспечивает базовые сервисы:

• Сервис CA (Cooperative Awareness – Совместная осведомленность) – устройства ИТС инфраструктуры могут передавать CAM и предоставлять CA сервис.
• Сервис DEN (Decentralized Environmental Notification, сервис децентрализованных уведомлений об окружающей среде) – устройства ИТС инфраструктуры способны передавать и принимать децентрализованные уведомления об окружающей среде DEN и предоставлять сервис DEN.
• Сервис TLM (Traffic Light Maneuver) используется для управления генерацией, передачей и приемом сообщений SPATEM (Signal Phase And Timing Extended Message). Сервис TLM включает информацию, связанную с безопасностью, для поддержки участников дорожного движения (транспортных средств, пешеходов и т. Д.), для выполнения безопасных маневров в зоне перекрестка. Сервис TLM информирует в режиме реального времени о рабочих состояниях контроллера светофора, текущем состоянии сигнала, остаточном времени состояния до перехода в следующее состояние, разрешенных маневрах и предоставляет помощь при пересечении перекрестков.
• Сервис RLT (Road and Lane Topology) используется для управления генерацией, передачей и приемом цифровой топологической карты, которая определяет топологию дорожной инфраструктуры. Она включает топологию полос, например, для транспортных средств, велосипедов, парковок, общественного транспорта и путей для пешеходных переходов, разрешенных маневров в пределах перекрестка или сегмента дороги.
• Сервис IVI (Infrastructure to Vehicle Information service) используется для управления генерацией, передачей и приемом сообщений IVIM. Сообщения IVIM содержат информацию об обязательных и рекомендательных дорожных знаках (например, ограничения скорости, предупреждения о дорожных работах и т.п.). IVIM предоставляет информацию как о физических дорожных знаках, так и о виртуальных знаках, создаваемых на цифровых картах местности в ИТС.
• Сервис TLC (Traffic Light Control) используется для генерации и передачи сообщений SREM и сообщений SSEM. Сервис TLC поддерживает приоритезацию движения общественного транспорта, транспортных средств экстренных служб и специальных транспортных средств. Запрос на приоритетный проезд осуществляется с помощью сообщений SREM, а подтверждение приоритетного проезда с помощью сообщений SSEM.
• Сервис GPC (GPC – GNSS Position Correcting) использует сообщение с корректирующей информацией о положении для GNSS (передача RTCM поправок). Он непрерывно передает в режиме реального времени корректирующую информацию, необходимую для обеспечения высокоточного позиционирования окружающих его транспортных средств. Цель состоит в том, чтобы обеспечить у всех участников дорожного движения работу ГНСС приемников в режиме RTK для безопасного выполнения маневров с использованием высокоточного позиционирования.

Введение в состав системы БШД АПК «Ядро сети ИТС» и Сервисного ядра ИТС позволяет дополнительно к стандартным сервисам обеспечивать:

• Сервис широкополосной передачи данных (видео, голос, данные) на базе технологии DSRC IEEE 802.11ax с реализацией qos (требуемого качества обслуживания).
• Сервис повышения надежности передачи сообщений, обеспечивающих безопасность дорожного движения, за счет параллельной передачи сообщений v2x (CAM, DENM), на базе двух технологий: IEEE 802.11р и IEEE 802.11ax.
• Сервис доставки сообщений участникам дорожного движения с использованием смартфонов.
• Сервис высокоскоростного доступа в сети передачи данных, включая интернет.
• Сервис аналитики – мониторинг работоспособности оборудования сети БШД, предиктивная аналитика на базе статистики изменений характеристик оборудования в реальном масштабе времени с целью раннего обнаружения неисправностей оборудования и устранения отказов в кратчайшие сроки, анализ загруженности дорог и перекрестков и т.п.

Система может работать в упрощенном варианте, с поддержкой только одного радиоинтерфейса DSRC – 802.11p. В этом случае представленный состав системы может быть сокращен, а также могут использоваться упрощенные варианты изготовления придорожных и бортовых устройств. Однако при этом ряд функций, требующих высокой пропускной способности беспроводных каналов связи, будет недоступен. При этом во всех вариантах изготовления оборудования предусмотрено обеспечение взаимодействия с автоматизированными системами управления дорожным движением.

Внешний вид LBX-RSU и LBX-ОВU представлен на рисунке 3.

Рис. 3 – Внешний вид оборудования LBX-RSU и LBX-OBU.

На основе базовых сервисов оборудование LBX-RSU и LBX-ОВU реализует ряд приложений V2X, согласно нормативным документам ETSI (таблица 1).

Таблица 1 – Перечень приложений V2X.

Технические характеристики LBX-RSU и LBX-OBU соответствуют требованиям Решения ГКРЧ от 10 марта 2011 г. № 11-11-01-2 и «Общим техническим требованиям к сетям мобильного беспроводного широкополосного доступа Федеральной системы транспортной телематики», утвержденным распоряжением Минтранса России 30 октября 2019 г.

АПК ядро сети ИТС состоит из серверной части и комплекса СПО, включающего следующий перечень систем:

• Систему управления и мониторинга;
• Контроллер радиосети Wi-Fi6;
• Систему обеспечения безопасности сети (серверы авторизации, аутентификации и учета (серверы AAA), серверы управления политиками сети, устройства анализа и фильтрации трафика);
• Систему предоставления мультисервисных услуг связи (DHCP, DNS);
• Систему прикладных приложений (специальное программное обеспечение).

Следует отметить, что добавление в настоящую реализацию АПК Ядра сети ИТС устройств сопряжения с сетью IMS обеспечивает простоту интеграции с элементами ССОП, существующими сетями технологической связи, возможность реализовывать широкий набор приложений, отвечающих потребностям пользователя.

Сервисное ядро ИТС предназначено для обеспечения реализации выше приведенных сервисов, мониторинга состояния элементов сети ИТС и взаимодействия с внешними системами.

СПО сервисного ядра ИТС содержит три основных компонента:

• СПО Ядро сети V2X;
• СПО создания и редактирования специализированных слоев дорожной инфраструктуры цифровых карт местности;
• СПО информационно-аналитической обработки данных.

СПО Ядро сети V2X предназначено для:

• обеспечения постоянной связи и обмена сообщениями V2X с LBX-RSU;
• визуализации дорожной обстановки на АРМ на базе V2X-сообщений, полученных от LBX-RSU;
• задания дорожных событий через веб-интерфейс АРМ и передачи их в LBX-RSU;
• загрузки информации о дорожных знаках и топологии дорожной сети через веб-интерфейс АРМ и передачи ее в LBX-RSU;
• накопления данных о дорожной обстановке и инфраструктурной информации о дорожных событиях в СПО Сервисное ядро ИТС.

СПО создания и редактирования специализированных слоев дорожной инфраструктуры цифровых карт местности выполняет следующие функции:

• ввод информации о дорожных знаках через веб-интерфейс АРМ;
• получение информации о дорожных знаках из АРМ с помощью REST-интерфейсов;
• сохранение полученной из АРМ информации о дорожных знаках;
• генерацию файлов IVIM на основе полученной из АРМ информации о дорожных знаках;
• обмен информацией с ядром сети V2X.

СПО информационно-аналитической обработки данных состоит из трех основных компонентов:

• сервис ETL, который предназначен для обеспечения потоковой обработки и сохранения информации, поступающей от LBX-RSU (сообщений CAN, DENM и сообщений о статусе), выполнения операции асинхронной вставки данных в базу данных;
• компонентов расчета метрик и показателей качества работы LBX-RSU, который позволяет реализовать аналитическую последовательность операций обработки данных для формирования метрик и показателей, обеспечивать конфигурацию частоты расчета метрик и глубины (интервала времени) для аналитической последовательности, производить расчет следующих метрик с историческим накоплением значений и сохранять вычисленные значения метрик и показателей в базе данных;
• компонентов визуализации метрик и показателей, которые обеспечивают визуализацию накопленных метрик и показателей качества работы RSU, просмотр витрин данных с виджетами, возможность выбора временного интервала визуализации.

Заключение

Реализованная архитектура БШД позволяет создавать ИТС более высокого уровня зрелости, чем ныне существующие (начиная с третьего уровня), а также расширить области применения и перечень задач, решаемых стандартными системами ИТС, в том числе по подготовке транспортной инфраструктуры к использованию беспилотных ТС.

Система БШД одновременно с решением задач ИТС позволяет осуществлять высокоскоростной доступ в сеть передачи данных, в том числе интернет на транспортной инфраструктуре.

В состав пользователей сервисами обеспечения безопасности дорожного движения появляется возможность включать пешеходов, велосипедистов, участников ДД, передвигающихся на электросамокатах, в том числе двигающихся по тротуарам, что позволяет решить задачу нулевой смертности за счет своевременного информирования об опасных ситуациях.

Кроме того, такие свойства системы БШД, как возможность централизованного мониторинга и управления параметрами оборудования БШД, повышенная надежность передачи сообщений, обеспечивающих безопасность дорожного движения, расчет метрик и показателей качества работы оборудования, предиктивная аналитика и др. Позволяют использовать систему БШД в проектах, отличающихся повышенными требованиями к надежности, безопасности и устойчивости функционирования ИТС.

Возврат к списку