سیستمهای ارتباطی وسایل نقلیه

سیستمهای ارتباطی وسایل نقلیه

در این نوشتار، وضعیت فعلی فناوری های مختلف ارتباطی خودروها، که هسته اصلی همگرایی شگفت انگیز بین هر دو صنعت خودرو و فناوری اطلاعات و تأثیر آن بر آینده تحرک هستند، را بررسی خواهیم کرد. با ضیاءالصالحین همراه باشید تا در مورد «سیستمهای ارتباطی وسایل نقلیه» بیشتر بخوانید.

ما در حال حاضر عصر هیجان انگیزی را سپری می کنیم که در نهایت، همگراییِ خودرو و فناوری اطلاعات (information technologies) (IT) در حال رخ دادن است. در دسترس بودن عمومی اینترنت پهن باند پر سرعت، افزایش تعداد حسگرها، هم در وسایل نقلیه و هم در جاده ها، و همچنین اجرای گسترده اینترنت اشیاء، اتصال خودروها به هم را ممکن می سازد. 

ارتباطات وسیله نقلیه به همه چیز (V2X)

در رأس سیستم های ارتباطی خودرویی، ارتباطات وسیله نقلیه به همه چیز (V2X) است. مفهوم "اتومبیل متصل" برای صنعت خودرو تازگی ندارد، با این حال، فناوری برای ایجاد آن (و همچنین استانداردهای ارتباطی لازم) تا همین چند سال پیش در دسترس نبود. 
شما می توانید V2X را بعنوان دسته اصلی مجموعه گسترده تری از فناوری های ارتباطی مورد نیاز برای رسیدن به هدف اتصال وسایل نقلیه با دنیای اطراف خود در نظر بگیرید، به معنای واقعی کلمه.

7 نوع اتصال خودرویی در بر دارنده ارتباطات V2X عبارتند از:

1- وسیله نقلیه به شبکه (Vehicle to network) (V2N)
2- وسیله نقلیه به زیر ساخت (Vehicle to infrastructure) (V2I)
3- وسیله نقلیه به وسیله نقلیه (Vehicle to vehicle) (V2V) 
4- وسیله نقلیه به ابر (Vehicle to cloud) (V2C)
5- وسیله نقلیه به عابر پیاده (Vehicle to pedestrian) (V2P)
6- وسیله نقلیه به دستگاه (Vehicle to device) (V2D)
7- وسیله نقلیه به شبکه برق (Vehicle to grid) (V2G)

همانند خود ارتباطات، به V2X نباید بعنوان مجموعه ای ایستا از فناوری ها، بلکه بعنوان یک گروه در حال رشد که دائماً در حال تکامل و سازگاری با چالش های نوظهور است، نگریست. در این راستا، هر زیرمجموعه دارای نگرانی ها، نقاط قوت و ضعف خاصی است. این همان چیزی است که مفهوم V2X را بسیار قدرتمند می کند، از هم افزایی بین فناوری های مختلف استفاده می کند و کل را بیشتر از مجموع اجزای آن می کند. 

1- وسیله نقلیه به شبکه (V2N):

به لطف ارتباط خودرو به شبکه (V2N)، وسایل نقلیه می توانند از شبکه های تلفن همراه برای ارتباط با سیستم مدیریت V2X  استفاده کنند. V2N همچنین از استاندارد ارتباطات کوتاه برد اختصاصی (dedicated short-range communications) (DSRC) برای تعامل با سایر وسایل نقلیه و همچنین زیرساخت جاده استفاده می کند. این سطح از اتصال به وسایل نقلیه اجازه می دهد تا مانند گوشی های هوشمند، تبلت ها و دستگاه های پوشیدنی بعنوان یک "دستگاه" در نظر گرفته شوند. دسترسی به LTE اپراتورهای شبکه موبایل، زیرساخت  5G و سیستم های DSRC، خودروها را قادر می سازد به:

✓ دریافت هشدارهای پخش در مورد شرایط جاده (تصادف، ازدحام، آب و هوا و غیره) که بعنوان ارتباطات مستقیم خودرو به زیرساخت (V2I) نیز شناخته می شود.
✓ با وسایل نقلیه نزدیک، (از طریق شبکه موبایل وDSRC ) ارتباط برقرار کنند، که بعنوان ارتباطات مستقیم خودرو با وسیله نقلیه (V2V) نیز شناخته می شود.
✓ ارتباط با مراکز داده و سایر دستگاه های متصل به اینترنت (ارتباطات وسیله نقلیه به ابر).
✓ برقراری ارتباط با دستگاه های عابر پیاده (ارتباطات وسیله نقلیه با عابر پیاده). 
V2N با استفاده از LTE، 5G و DSPC (که تکاملی از Wi-Fi انحصاری برای وسایل نقلیه در نظر گرفته می شود)، به وسایل نقلیه اجازه می دهد تا بطور قابل اعتماد با زیرساخت ها، سایر وسایل نقلیه، دستگاه های دیگر و حتی عابران پیاده تعامل داشته باشند.

2- وسیله نقلیه به زیرساخت (V2I):

ارتباط وسیله نقلیه با زیرساخت (V2I) بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های حمل و نقل هوشمند (intelligent transportation systems ) (ITS) است که از تبادل اطلاعات دو طرفه بین وسیله نقلیه و زیرساخت جاده تشکیل شده است. این اطلاعات شامل داده های ترافیکی تولید شده توسط وسیله نقلیه جمع آوری شده از سایر وسایل نقلیه، داده های حسگرهای نصب شده در زیرساخت جاده (دوربین ها، چراغ های راهنمایی، نشانگرهای خطوط چراغ های خیابان، علائم جاده، پارکومترها و غیره) و داده های پخش شده از ITS (محدودیت سرعت، شرایط آب و هوایی، حوادث و غیره) است.
همان طور که قبلاً توضیح داده شد، این تبادل اطلاعات بصورت بی سیم و با استفاده از شبکه موبایل و/یا فرکانس های ارتباط کوتاه برد اختصاصی (DSRC) انجام می شود. فناوری پشت V2I و ITS توسط اتحادیه اروپا و همچنین دفتر برنامه مشترک سیستم های حمل و نقل هوشمند وزارت حمل و نقل ایالات متحده تأیید شده است. هدف V2I افزایش ایمنی جاده و جلوگیری از تصادفات با دادن اطلاعات بلادرنگ به رانندگان در مورد شرایط مختلف جاده است. علاوه بر این، فناوری های V2I و ITS کلید وسایل نقلیه خودران آینده هستند که بر این اطلاعات ارزشمند متکی هستند. 

3- خودرو به وسیله نقلیه (V2V):

همان طور که از نام آن پیداست، ارتباط وسیله نقلیه به وسیله نقلیه (V2V) وسایل نقلیه را قادر می سازد تا داده ها را بصورت بلادرنگ تبادل کنند. این تبادل از طریق فرکانس های ارتباط کوتاه برد اختصاصی (DSRC) که در ارتباطات V2I  استفاده می شود، بصورت بی سیم انجام می شود. به لطف V2V، وسایل نقلیه می توانند سرعت، موقعیت و مسیر خود و همچنین هر اطلاعات مرتبط دیگری را به اشتراک بگذارند و به سیستم، نمایشی 360 درجه از محیط اطراف خود بدهند. از آن جایی که ارتباطات V2V بعنوان یک شبکه در هم پیوند در نظر گرفته شد، هر وسیله نقلیه به یک گره تبدیل می شود که می تواند سیگنال ها را بگیرد، بفرستد و بازارسال کند. از آن جایی که V2V بخشی جدایی ناپذیر از V2X  و V2N است، گره ها همچنین شامل سیگنال های ترافیکی هوشمند، حسگرهای جاده و سایر اجزای V2I هستند.
به گفته NHTSA، فناوری V2V می تواند از 615000 تصادف موتوری جلوگیری کند. در نتیجة طراحی شبکه در هم پیوند، وسایل نقلیه مجهز به فناوریV2V ، با اطلاعات بلادرنگ، هر چیز یا اتفاقی که در شعاع 300 متری اطراف آنها واقع می شود را به شمار می آورند. سیستم های کمکی رانندگی پیشرفته که توسط چندین خودروساز برتر استفاده می شوند، می توانند از این اطلاعات برای هشدار سریع به راننده در مورد یک خطر قریب الوقوع استفاده کنند و ایمنی جاده را افزایش دهند. 

4- وسیله نقلیه به ابر (V2C):

ارتباط وسیله نقلیه با ابر (V2C) از دسترسی V2N به شبکه های تلفن همراه باند پهن برای ارائه تبادل داده با ابر استفاده می کند. برخی از کاربردهای این فناوری عبارتند از:

✓ Over the Air (OTA) ، که نرم افزار وسایل نقلیه را به روز می کند.
✓ افزونگی به ارتباطات  DSRC.
✓ عیب یابی خودرو از راه دور.
✓ ارتباط دو طرفه با لوازم خانگی ای که آنها هم متصل به ابر (IoT)هستند.
✓ ارتباط دو طرفه با دستیارهای دیجیتال. 
در آینده ای دور،V2C  می تواند نقش مهمی در تحرک مشترک داشته باشد. برای مثال، تنظیمات برگزیده رانندگان را می توان در فضای ابری ذخیره کرد و هنگام اشتراک گذاری خودرو برای تنظیم خودکار موقعیت صندلی، آینه ها، ایستگاه های رادیویی و موارد دیگر مورد استفاده قرار داد.

5- وسیله نقلیه به عابر پیاده (V2P):

یکی از جدیدترین زیرمجموعه های اکوسیستم V2X، ارتباط وسیله نقلیه به عابر پیاده (V2P) است. سایر فناوری های V2X  مانند V2V و V2I شامل خودروها و زیرساخت های جاده ای هستند که بطور هدفمند برای برقراری ارتباط با یکدیگر آماده شده اند. در برخی موارد، مانند ویلچر، دوچرخه و کالسکه، می توان از یک سنسور هوشمند برای ایجاد آگاهی در مورد حضور آنها استفاده کرد. اما قدم زدن عابران پیاده و بازی کودکان در خیابان تاریخ کاملاً متفاوتی است. برخی از خودروسازان از سیستم های داخل خودرو مانند فناوری LiDAR برای تسهیل هشدارهای برخورد، دوربین های 360 درجه و هشدار نقاط کور برای تشخیص عابران پیاده استفاده می کنند. با این حال، قابلیت اطمینان چنین رویکردهایی متفاوت است. این، توضیح می دهد که چرا نسل جدیدی از دستگاه های دستی و برنامه های تلفن همراه در حال توسعه هستند تا رانندگان را از برخوردهای احتمالی آگاه کنند. 

6- وسیله نقلیه به دستگاه (V2D):

می توانید V2D خودرو به دستگاه را بعنوان زیرمجموعه ای از ارتباطات V2X در نظر بگیرید که به وسایل نقلیه اجازه می دهد اطلاعات را با هر دستگاه هوشمند، معمولاً از طریق پروتکل بلوتوث، مبادله کنند. یک کاربرد معمولی این فناوری، CarPlay  اپل و اندروید اتو گوگل است که به گوشی های هوشمند، تبلت ها و ابزارهای پوشیدنی اجازه می دهد تا با سیستم اطلاعات سرگرمی خودرو تعامل داشته باشند. 

7- وسیله نقلیه به شبکه برق (V2G):

آخرین، اما نه کم اهمیت ترین اتصال، یعنی ارتباط وسیله نقلیه با شبکه برق (V2G) ، عضوی نسبتاً جدید از گروه فناوری های V2X است که تبادل اطلاعات دوطرفه را بین خودروهای هیبریدی پلاگین (plug-in hybrid vehicles) (PHEV)، خودروهای الکتریکی باتری (battery electric vehicles) (BEV) و حتی سلول های سوختی هیدروژنی (hydrogen fuel cell vehicles) (HFCEV)با شبکه برق هوشمند در حمایت از برق رسانی حمل و نقل فراهم می کند. به لطف ارتباطات V2G، شبکه برق نسل بعدی قادر خواهد بود بارها را بطور موثرتر متعادل کند و همچنین هزینه های قبض آب و برق را کاهش دهد.

سیستم های ارتباطاتی وسایل نقلیه

همان طور که اشاره شد سیستم های ارتباطی وسایل نقلیه شبکه های کامپیوتری هستند که در آن وسایل نقلیه و واحدهای کنار جاده ای گره های ارتباطی هستند و اطلاعاتی مانند هشدارهای ایمنی و اطلاعات ترافیکی را به یکدیگر ارائه می کنند. آنها می توانند در جلوگیری از تصادفات و ازدحام ترافیک مؤثر باشند. هر دو گره ای در واقع دستگاه های ارتباطات کوتاه برد اختصاصی (dedicated short-range communications) (DSRC) هستند. DSRC در باند 5.9 گیگاهرتز با پهنای باند 75 مگاهرتز و برد تقریبی 300 متر (980 فوت) کار می کند. «ارتباطات وسایل نقلیه» معمولاً بعنوان بخشی از سیستم های حمل و نقل هوشمند (intelligent transportation systems) (ITS) توسعه می یابد.
آغاز ارتباطات خودرویی به دهه 1970 برمی گردد. کار بر روی پروژه هایی مانند سیستم هدایت الکترونیکی مسیر (Electronic Route Guidance System) (ERGS) و CACS به ترتیب در ایالات متحده و ژاپن آغاز شد. این در حالی بود که اصطلاح ارتباطات بین خودرویی (Inter-Vehicle Communications) (IVC) در اوایل دهه 1980 شروع به منتشر شدن کرد. قبل از شروع فعالیت های استانداردسازی در این رابطه، از واسطه های مختلفی مانند لیزر، مادون قرمز و امواج رادیویی استفاده می شد. 
پروژه PATH در ایالات متحده بین سال های 1986 و 1997 یک پیشرفت مهم در پروژه های ارتباطات خودرویی بود. پروژه های مربوط به ارتباطات خودرویی در اروپا با پروژه PROMETHEUS بین سال های 1986 و 1995 راه اندازی شد. پروژه های بعدی متعددی در سرتاسر جهان اجرا شده اند، مانند برنامه وسیله نقلیه ایمنی پیشرفته (Advanced Safety Vehicle) (ASV)، CHAUFFEUR I  و CHAUFFEUR II ، FleetNet، CarTALK 2000، و غیره.
در اوایل دهه 2000، اصطلاح شبکه Ad Hoc وسایل نقلیه (Vehicular Ad Hoc Network) (VANET) بعنوان کاربرد اصول شبکه های Ad-Hoc موبایل (Mobile Ad-Hoc Networks) (MANETs) در زمینه وسایل نقلیه معرفی شد. اصطلاحات VANET و IVC تفاوتی ندارند و به جای یکدیگر برای اشاره به ارتباطات بین وسایل نقلیه با یا بدون اتکا به زیرساخت های کنار جاده استفاده می شوند، اگرچه برخی استدلال کرده اند که IVC فقط به اتصالات V2V مستقیم اشاره دارد. در این رابطه پروژه های بسیاری در اتحادیه اروپا، ژاپن، ایالات متحده آمریکا و سایر نقاط جهان ظاهر شده اند، بعنوان مثال، ETC، SAFESPOT، PReVENT، COMeSafety، NoW، و IVI. 
از چندین اصطلاح برای اشاره به ارتباطات خودرو استفاده شده است. این کلمات اختصاری، در زمینه تاریخی، فناوری مورد استفاده، استاندارد، یا کشور با یکدیگر متفاوت هستند (تله ماتیک خودرو، DSRC، WAVE، VANET، IoV، 802.11p، ITS-G5، V2X). در حال حاضر، تلفن همراه مبتنی بر  3GPP-Release 16و  وای فای مبتنی بر IEEE 802.11p خود را بعنوان فناوری های ارتباطی بالقوه ای که ایجاد وسایل نقلیه متصل را مقدور می سازند به اثبات رسانده اند. با این حال، این نفی نمی کند که سایر فناوری ها، برای مثال VLC، ZigBee، WiMAX، مایکروویو، mmWave  همچنان یک حوزه تحقیقاتی ارتباطی خودرویی هستند. 
بسیاری از آژانس های دولتی و سازمان ها نگران صدور استانداردها و مقررات برای ارتباطات خودرویی هستند (ASTM، IEEE، ETSI، SAE، 3GPP، ARIB، TTC، TTA، CCSA، ITU، 5GAA، ITS America، ERTICO، ITS  آسیا و اقیانوسیه). 3GPP روی استانداردها و مشخصات برای ارتباطات V2X مبتنی بر موبایل کار می کند،  در حالی که IEEE از طریق گروه مطالعاتی نسل بعدی V2X (Next Generation V2X) (NGV)بر روی صدور استاندارد 802.11bd کار می کند. 

مزایای ایمنی

انگیزه اصلی سیستم های ارتباطی وسایل نقلیه، ایمنی و حذف هزینه های گزاف تصادفات ترافیکی است. طبق گزارش سازمان جهانی بهداشت (WHO)( World Health Organization)، تصادفات جاده ای سالانه باعث مرگ حدود 1.2 میلیون نفر در سراسر جهان می شود، که یک چهارم کل مرگ و میرهای ناشی از جراحت است. همچنین حدود 50 میلیون نفر در حوادث رانندگی مجروح می شوند. اگر اقدامات پیشگیرانه انجام نشود، احتمالاً مرگ جاده ای از رتبه نهم در سال 1990، به سومین علت مرگ و میر در سال های جاری تبدیل خواهد شد. یک مطالعه از انجمن اتومبیل آمریکا (American Automobile Association) (AAA) به این نتیجه رسید که تصادفات اتومبیل سالانه 300 میلیارد دلار برای ایالات متحده هزینه دارد. می توان از این سیستم برای کنترل خودکار تقاطع ترافیک استفاده کرد.
به هر حال مرگ و میر ناشی از تصادفات اتومبیل در اصل قابل اجتناب است. وزارت حمل و نقل ایالات متحده می گوید که 21000 مورد از 43000 مرگ و میر سالانه تصادفات جاده ای در ایالات متحده ناشی از خروج از جاده و حوادث مربوط به تقاطع است. این عدد را می توان با استقرار سیستم های هشدار محلی از طریق ارتباطات خودرویی به میزان قابل توجهی کاهش داد. وسایل نقلیه در حال حرکت می توانند به سایر وسایل نقلیه اطلاع دهند که قصد خروج از بزرگراه را دارند و خودروهای وارد شده در تقاطع ها می توانند پیام های هشدار دهنده را برای سایر خودروهایی که از آن تقاطع عبور می کنند ارسال کنند. آن ها همچنین می توانند زمانی که قصد تغییر خط دارند یا ترافیکی وجود دارد اطلاع دهند. مطالعات نشان می دهد که در اروپای غربی تنها کاهش 5 کیلومتر در ساعت در سرعت متوسط ​​وسایل نقلیه می تواند منجر به کاهش 25% مرگ و میر شود.

وسیله نقلیه به وسیله نقلیه

در طول سال ها، تحقیقات و پروژه های قابل توجهی در این زمینه با استفاده ازVANET ها برای کاربردهای مختلف، از ایمنی گرفته تا ناوبری و اجرای قانون، انجام شده است. در دسامبر 2016، وزارت حمل و نقل ایالات متحده پیش نویس قوانینی را پیشنهاد کرد که به تدریج قابلیت های ارتباطی V2V را برای وسایل نقلیه سبک اجباری می کند. این فناوری بطور کامل تبیین نشده است، و بنابراین منتقدان استدلال کرده اند که تولید کنندگان "نمی توانند آنچه در این سند است را بپذیرند و بدانند که مسئولیت آنها تحت استانداردهای ایمنی خودروهای موتوری فدرال چیست". PKI (زیرساخت کلیدی عمومی (public key infrastructure))، سیستم امنیتی جاری ای است که در ارتباطات V2V مورد استفاده قرار می گیرد.

تعارض بر سر طیف

V2V  از سوی تلویزیون کابلی و سایر شرکت های فناوری که می خواهند بخش بزرگی از طیف رادیویی را که در حال حاضر برای آن رزرو شده است، به خود اختصاص دهند و از آن فرکانس ها برای سرویس اینترنت پر سرعت استفاده کنند، در معرض تهدید است. در ایالات متحده آمریکا، سهم فعلی V2V از طیف رادیویی توسط دولت در سال 1999 کنار گذاشته شد، اما از آن استفاده نشده است. صنعت خودرو در تلاش است تا تمام توان خود را حفظ کند و می گوید که به شدت به طیف V2V  نیاز دارد. کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) طرف شرکت های فناوری را گرفته است و هیئت ملی ایمنی حمل و نقل از موقعیت صنعت خودرو حمایت می کند. ارائه دهندگان خدمات اینترنتی (که می خواهند از این طیف استفاده کنند) ادعا می کنند که اتومبیل های خودران، ارتباط V2V را غیر ضروری می کنند. صنعت خودروی ایالات متحده گفته است که مایل است در صورت کاهش سرعت یا اختلال در سرویسV2V، طیف را به اشتراک بگذارد. و FCC قصد دارد چندین طرح اشتراک گذاری را آزمایش کند. 
با توجه به اینکه دولت ها در مناطق مختلف از طیف های ناسازگار برای ارتباطات V2V پشتیبانی می کنند، ممکن است تولید کنندگان خودرو از پذیرش این فناوری برای برخی بازارها منصرف شوند. بعنوان مثال، در استرالیا، هیچ طیفی برای ارتباطات V2V وجود ندارد، بنابراین وسایل نقلیه ممکن است از تداخل ارتباطات غیرخودرویی رنج ببرند.

منبع:  RGBSI