Preference vozidla MHD na SSZ s využitím C-ITS

Popis případu užití, který umožňuje využití kooperativního systému pro přidělení preference (přednosti) vozidla MHD na světelně řízené křižovatce. Preference vozidel MHD na světelně řízených křižovatkách je realizována výměnou sady C-ITS zpráv, které jsou vytvářeny a zpracovávány C-ITS jednotkami, kterými musí být vybaveno jak vozidlo, tak infrastruktura, v tomto případě řadič křižovatky. Vysílanými C-ITS zprávami vozidlo jednak poskytuje řadiči informaci o své poloze a zároveň může řadiči vyslat preferenční požadavek. Křižovatkový řadič následně může prostřednictvím C-ITS zprávy vozidlu poskytnout informaci o svém stavu a případně o poskytnutí či neposkytnutí preference.

Preference vozidel na světelně řízených křižovatkách není z pohledu řízení dopravy novinkou a historie tohoto řešení sahá desítky let zpět. Za účelem přednostního projetí křižovatkou vozidlem MHD byly a stále jsou využívány různé technologie, např. rádiový nebo infračervený přenos dat.

Se zaváděním kooperativních ITS do provozu však tato technologie rozšiřuje možnosti datové komunikace mezi vozidlem a infrastrukturou, má pevně vyhrazené pásmo a je standardizované napříč Evropou a do značné míry i celosvětově. Kooperativní jednotky navíc vozidlům umožňují další řadu využití v dopravním provozu na rozdíl od jednoúčelových řešení užitých pouze pro samotnou preferenci.

Pro zajištění funkční preference pomocí C-ITS je nutné, aby byl jak křižovatkový řadič, tak vozidlo MHD vybavenou C-ITS jednotkou, která je schopná vysílat a přijímat C-ITS zprávy. Těmito jednotkami lze vybavit i stávající vozidla a řadiče, řešení je tedy přenositelné i na současnou infrastrukturu bez významných stavebních a technologických úprav.

V praxi potom preference realizovaná kooperativním systémem funguje obdobně jako jiná řešení založená na datové komunikaci – vozidlo MHD vysílá datové zprávy (typu CAM nebo SRM), které obsahují informace o vozidle a pomocí nichž je vozidlo schopno aktivně žádat křižovatkový řadič o udělení signálu volno přednostně. Dle typu zpráv a v nich předávaných informací může být systém jednodušší nebo sofistikovanější (při použití pouze zpráv CAM nelze vysílat tolik informací, jako při žádání pomocí zpráv SRM např.). V případě, že křižovatkový řadič vybavený C-ITS jednotkou vyhodnotí požadavek jako relevantní, přidělí vozidlu MHD preferenci úpravou aktuálního signálního plánu (např. prodlouží určité signální skupině zelenou fázi, aby vozidlo MHD stihlo projet, nebo předřadí jednu fázi před druhou, aby vozidlo MHD nemuselo čekat).

aplikace C-ITS, případ užití – implementace C-ITS služby, zaměřená na uskutečnění konkrétního cíle, např. varování řidiče před potenciálním rizikem na komunikaci nebo přenos informace z infrastruktury do vozidla

CAM – standardizovaný formát zpráv pro šíření základních informací o vozidlech (poloha, rychlost, směr atd.)

C-ITS – kooperativní inteligentní dopravní systém, který pro zajištění svých funkcí využívá komunikace mezi vozidly a infrastrukturou

C-ITS Back office, C-ITS BO – centrální server C-ITS systému, zpravidla provozovaný poskytovatelem služby, např. správcem komunikace

C-ITS jednotky– vozidlové nebo infrastrukturní jednotky, které jsou v daném systémem využívány pro výměnu informací; za tímto účelem využívají stejnou přenosovou technologii, např. ITS-G5

C-ITS zprávy – datové zprávy různých typů využívané C-ITS systémem; jejich obsah a užití je dané standardy případně upřesňující specifikací konkrétních systémů; jejich obsah a užití není vázáno na technologii přenosu

ITS-G5 – Evropský standard pro komunikaci mezi vozidly nebo mezi vozidlem a infrastrukturou. Jedná se o přístupovou technologii využívající frekvenční pásma přidělená evropským inteligentním dopravním systémům.

MAP – Map Data – C-ITS zpráva o poloze, topologii a geometrii křižovatky

OBU – on-board unit – C-ITS jednotka ve vozidle; vozidlová jednotka

RSU – road side unit – C-ITS jednotka na straně infrastruktury; infrastrukturní jednotka

SPaT– Signal phaze and timing message – C-ITS zpráva o stavu signálního plánu křižovatky

SRM – Signal request message – C-ITS zpráva o požadavku nebo s informací pro dopravní řadič

SSM – Signal status message – C-ITS zpráva o stavu dopravního řadiče

SSZ – světelné signalizační zařízení (lidově „semafor“)

Princip aplikace kooperativních systému pro potřeby vyžádání preference vozidlem MHD na světelně řízen křižovatce spočívá v komunikaci mezi vozidlem MHD vybaveným C-ITS jednotkou typu OBU a řadičem světelného signalizačního zařízení vybaveným C-ITS jednotkou typu RSU. Obě jednotky jsou autorizované prostřednictvím infrastruktury veřejných a privátních klíčů (PKI) k vysílání potřebných C‑ITS zpráv. Dále je možné připojení C‑ITS jednotek k nadřazenému serveru pro správu jednotek a systému – C-ITS Back-Office.

Komunikace mezi vozidlem a infrastrukturou je zajištěna prostřednictvím C-ITS zpráv typů SRM (Signal Request Message), kterými vozidlo zasílá žádost o preferenci případně se odhlašuje z řadiče při opuštění křižovatky, dále zpráv SSM (Signal Status Message), kterými RSU jednotka informuje vozidlo u stavu preference (např. o udělení, zamítnutí, zpracovávání požadavku apod.). Tyto zprávy jsou navrženy přímo za účelem komunikace vozidla a křižovatky, ať už se jedná o vozidlo MHD, vozidlo IZS nebo v budoucnu autonomní vozidlo. Generování zpráv SRM jednotkou OBU je pak podmíněno dalšími typy zpráv, které jednotka obdrží z řadiče. Těmito zprávami jsou typy MAP (Map Data) a SPaT (Signal Phaze and Timing Message). Na základě zpráv MAP, kterými RSU jednotka informuje přijíždějící vozidlo o topologii křižovatky (jednotlivých pruzích, detekčních zónách apod.), vyhodnotí jednotka OBU svoji polohu (resp. polohu vozidla) vůči křižovatce. Na základě zpráv SPaT, kterými RSU jednotka vysílá stav signálního plánu, pak OBU jednotka vyhodnotí, zda potřebuje žádat o preferenci, či nikoliv. Na základě těchto podmínek pak vyšle nebo nevyšle požadavek zprávou SRM. Pokud začne vysílat zprávy SRM, RSU jednotka řadiče odpovídá zprávami SSM až do doby, než vozidlo křižovatku opustí.

Obrázek 22: Příklad vyžádání preference vozidlem MHD na SSZ

Pokud se jedná o jednodušší specifikaci (zpravidla starší) C-ITS systému, který pro preferenci využívá pouze zprávy typu CAM, pak je (ve srovnání se zprávami SRM) vozidlem MHD vysílána omezenější sada pro preferenci potřebných informací pomocí této zprávy.

Pro zajištění pravosti vysílaných zpráv (zabraňující podvržení SRM nebo CAM zprávy s informacemi určenými výhradně pro vozidla s právem žádat o preferenci) jsou jednotky autorizovány certifikační autoritou PKI, která vydá příslušné klíče, které zaručují důvěryhodnost zpráv jak na straně jednotky OBU, tak RSU. Jednotky v uvedeném řešení se k PKI přihlašují prostřednictvím serverového systému C‑ITS Back-office. Ten nadále umožňuje správu jednotek a celého systému (např. zaměstnanci dispečinku MHD).

Požadavek na preferenční průjezd vozidla MHD křižovatkou je z vozidla vybaveného OBU jednotkou vyslán prostřednictvím C-ITS zprávy, která obsahuje mimo jiné ID vozidla, aktuální polohu vozidla, typ vozidla (vozidlo MHD, tramvaj) a volitelně také další informace. Tato zpráva je následně zachycena RSU jednotkou v blízkosti křižovatky. Na straně RSU/řadiče SSZ jsou k dispozici informace o aktuálním stavu signálního plánu dané křižovatky (příp. i následujících) a volitelně také informace o aktuálním zpoždění linek (v případě, kdy mají být preferovány pouze zpožděné spoje), databázi linek a jejich cílů, díky které určí směr jízdy vozidla. Pokud je požadavek na preferenční jízdu vyhodnocen jako validní, řadič zajistí preferenční průjezd pro vozidlo MHD.  

Pro žádost o preferenční průjezd křižovatkou je používána zpráva SRM, která je vysílána jednotkou OBU ve vozidle v okamžiku, kdy vyhodnotí potřebu upravit signální plán (např. dle obdržených SPaT/MAP zpráv), aby zajistila vozidlu co nejhladší průjezd křižovatkou. V kombinaci se SRM zprávou je dále používána SSM zpráva, která je vysílána RSU jednotkou poté, co obdrží vozidlovou zprávu SRM a zpětně informuje vozidla o zpracovávaných požadavcích na preferenční průjezd.

Alternativně lze tento UC realizovat pomocí CAM zpráv, které jednotka OBU ve vozidle MHD vysílá periodicky. RSU jednotka zachycuje tyto CAM zprávy, které obsahují kromě ID vozidla také aktuální polohu, typ vozidla, směr i rychlost, volitelně také číslo linky. RSU/řadič SSZ na základě těchto informací a přednastavených detekčních zón vyhodnotí, zda má konkrétní vozidlo nárok na preferenci a případně zašle povel do řadiče SSZ.

V případě použití pouze zpráv CAM jsou vozidla s nárokem na prioritní jízdu detekována dle atributu StationId, VehicleRole a PtActivation. Vozidlo je ze systému odhlášeno po výjezdu formou CAM zprávy v odhlašovací oblasti, která je definována v RSU jednotce, popř. je možnost odhlášení pomocí zprávy SRM na základě vyhodnocení na straně vozidla. Začátek detekčních zón je vhodné vytvořit ve vhodné vzdálenosti (např. 200 až 500 m) před stopčárou pro zajištění dostatečného času na vhodnou reakci řadiče SSZ.

Obecně jsou k minimalizaci čekacích dob vozidel MHD využívány tyto modifikace řídícího cyklu:

• prodlužování vlastní fáze
• zkracování vlastní fáze a předvýběr jiné fáze
• zkracování jiné fáze
• změna pořadí fází
• výběr signálu volno vícekrát během jednoho cyklu

Způsob generování zpráv

Zprávy SPaT jsou vždy generovány na základě aktuálních informací z řadiče SSZ na dané křižovatce nebo z informací o aktuálních stavech světelné křižovatky v dopravním informačním centru. MAP zprávy jsou společně se zprávami SPaT generovány v RSU jednotce na základě podkladů z C-ITS BO, z řadiče SSZ, popř. jsou přednastaveny přímo v RSU. SRM zprávy jsou generovány a vysílány OBU jednotkou ve vozidle na základě informací z palubního počítače vozidla popř. z jiného zdroje.  SSM zprávy jsou generovány a vysílány RSU jednotkou a popisují stav zpracování konkrétního požadavku na preferenční průjezd. CAM zprávy jsou generovány a vysílány automaticky OBU jednotkou ve vozidle.

Scénář

Se SRM a SSM zprávami

1. Vyhodnocení potřeby úpravy signálního plánu v OBU ve vozidle (např. na základě SPaT/MAP)
2. Odeslání SRM zprávy OBU jednotkou ve vozidle v případě potřeby úpravy signálního plánu.
3. Obdržení zprávy SRM RSU jednotkou a zpracování požadavku RSU/řadičem SSZ.
4. Vyslání zprávy SSM RSU jednotkou.
5. Zpracování zprávy OBU jednotkou vozidla.
6. Vyslání požadavku na úpravu signálního plánu do řadiče SSZ.
7. Modifikace řídícího cyklu nastavení signálu volno pro daný směr.
8. Odhlášení vozidla odhlašovací zprávou nebo výjezdem vozidla z odhlašovací oblasti.

Pomocí zpráv CAM

1. Detekce vozidla s potenciálním nárokem na prioritní jízdu v příslušném směru jednotkou RSU.
2. Vyhodnocení požadavku na preferenci (např. dodržení JŘ, zajištění přípoje, priorita, stav dopravy na ostatních vjezdech).
3. Vyslání požadavku do řadiče SSZ.
4. Modifikace řídícího cyklu nastavení signálu volno pro daný směr.
5. Odhlášení vozidla v odhlašovací oblasti.

Způsob zobrazení informace

Řidiči vozidla MHD mohou být zobrazeny informace o zpracování požadavku řadičem SSZ (interpretování zprávy SRM). Současně může být doplněna informace o zbývajícím čase na volný průjezd (time-to-green), dle požadavků koncových uživatelů konkrétní implementace. Služba může také probíhat zcela bez zobrazení informací řidiči MHD.

Spuštění služby

Služba je spuštěna v případě, kdy RSU obdrží SRM zprávu od vozidla MHD (popř. CAM zprávu (vehicleRole = publicTransport s polohou v předdefinované oblasti). SRM zprávy budou vysílány, pokud vozidlo vyhodnotí potřebu úpravy signálního plánu a SSM zprávy jsou vysílány jako odpověď na požadavek o prioritní jízdu, po obdržení a zpracování SRM. CAM zprávy jsou naopak vysílány periodicky po celou dobu jízdy vozidla.

Aktualizace zprávy

SRM zprávy pro žádost o prioritní jízdu mohou být během jízdy vozidla v okolí křižovatky aktualizovány na základě vyhodnocení na straně vozidla. Obdobně jsou neustále aktualizovány SPaT zprávy, které popisují signální plán křižovatky (i více křižovatek) a SSM zprávy, které informují o stavu úpravy signálního plánu.

Ukončení služby

Služba bude ukončena poté, co vozidlo opustí definovanou odhlašovací oblast křižovatky nebo vyprší nastavený časový interval pro prioritní jízdu nebo vozidlo vyšle odhlašovací zprávu SRM. 

C-ITS aplikace pro preferenci vozidel MHD na světelně řízených křižovatkách bývá testována v různých pilotních projektech zavádění kooperativních systémů v mnoha státech po celém světě. V České republice je tato aplikace testována v rámci mezinárodního projektu C-ROADS v pilotních lokalitách měst Ostrava, Brno a Plzeň. V budoucnu by tato služba měla být jedním z důležitých podpůrných systému autonomních vozidel a již současné pilotní projekty testující provoz autonomních vozidel MHD např. ve Vídni či Las Vegas využívají tuto aplikaci pro získání informací o stavu semaforů na své trase.

ETSI EN 302 637-1 Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Part 1: Functional Requirements

ETSI TS 102 894-2 V1.3.1 Intelligent Transport Systems (ITS); Users and applications requirements; Part 2: Applications and facilities layer common data dictionary

ETSI EN 302 637-2 Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Part 2: Specification of Cooperative Awareness Basic Service

ISO/TS 19091 Intelligent transport systems — Cooperative ITS — Using V2I and I2V communications for applications related to signalized intersections

C-ROADS C-ITS Infrastructure Functions and Specifications

C-ROADS CZ – Use Case katalog v1.52

Nadskupina: C-ITS služby

Podskupiny: C-ITS zprávy, stanice C-ITS