Design and simulation-based testing of 5G-connected systems for curve safety and traffic light guidance

Since the last decade, the automotive sector has been facing many challenges related to safety and air pollution. Concerning traffic safety, Italy registered that 41.5% accidents occur at intersections, while 6.8% take place in curves of urban roads [1]. Furthermore, ISPRA estimated that in Italy 43.5% of NO and 19.9% of CO emissions are caused by road transportation [2]. The development of Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) is motivated by the need to improve the aforementioned statistics. The establishment of fast and reliable communication technologies, such as 5G, is enabling the evolution of a new generation of connected ADAS. The thesis is part of Vodafone 5G Project and it aims to develop curve safety and traffic light advisor systems utilizing an active map. This map is populated by real-time data coming from connected vehicles and infrastructures. Two connected ADAS are developed and tested in order to improve road safety and reduce urban pollution. They are Connected Curve Speed Warning (CCSW) and Multiple Traffic Light Advisor (MTLA) systems. The CCSW is a curve safety system that issues a warning if the driving conditions, upon approaching a curve, are unsafe. The MTLA aims to improve intersection viability and reduce fuel or energy consumption by letting the vehicle take a green wave. The Multiple TLA is further improved through a non-linear MPC approach. The systems are tested in a virtual environment and results show good performances both for CCSW and MTLA algorithms. Moreover, a comparison between the two Multiple TLA approaches is reported and commented. Finally, future developments are discussed as a high potential of further advancement is encountered.

Nell'ultimo decennio, il settore automobilistico ha dovuto affrontare molte sfide correlate alla sicurezza e all'inquinamento atmosferico. Per quanto riguarda la sicurezza stradale, in Italia si è registrato che il 41,5% degli incidenti si verifica agli incroci, mentre il 6,8% si verifica nelle curve delle strade urbane [1] Inoltre, l'ISPRA ha stimato che in Italia il 43,5% delle emissioni di NO e il 19,9% delle emissioni di CO sono causate dal trasporto su strada [2]. Lo sviluppo di sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) è motivato dalla necessità di migliorare le statistiche di cui sopra. La creazione di tecnologie di comunicazione veloci e affidabili, come il 5G, sta consentendo la nascita di una nuova generazione di ADAS connessi. La tesi fa parte del progetto Vodafone 5G e mira a sviluppare sistemi di sicurezza in curva e di assistenza semaforica che utilizzano una mappa attiva. Questa mappa è popolata da dati real-time provenienti da veicoli e infrastrutture collegati. Due ADAS connessi vengono sviluppati e testati per migliorare la sicurezza stradale e ridurre l'inquinamento urbano. I due sistemi sono Connected Curve Speed Warning (CCSW) e Multiple Traffic Light Advisor (MTLA). Il CCSW è un sistema di sicurezza che emette un segnale di avvertimento se le condizioni di guida, all'avvicinarsi di una curva, non sono sicure. Il sistema MTLA, permettendo al veicolo di prendere un'onda verde, mira a migliorare la viabilità negli incroci e ridurre il consumo di carburante o energia. Il Multiple TLA è ulteriormente migliorato attraverso un approccio MPC non lineare. I sistemi sono testati in un ambiente virtuale e i risultati mostrano buone prestazioni sia per gli algoritmi CCSW che TLA. Inoltre, viene riportato e commentato un confronto tra i due approcci del Multiple TLA. Infine, vengono discussi gli sviluppi futuri in quanto si riscontra un elevato potenziale di progresso.