An open-source, multiprotocol Internet of vehicles platform for the analysis of traffic flows in urban scenarios

Road transport is one of the elements that most characterizes the mobility of all days, thanks to its versatility and accessibility by anyone, whether through private and public means. Therefore, it represents an object of great interest and study to make it as effective and efficient as possible. In particular, the pollution, traffic congestion and the high risk of accidents are the topics in which governments, transport companies and universities invest most of their resources. The solution that is growing is the Cooperative – Intelligent Transport System (C-ITS) concept that is an interconnected and communicating system in which both the infrastructure and the vehicles are equipped with sensors, actuators, software to process data and other technologies to have perception of what is happening around them. Thus, a vehicle can make an autonomous decision not only according to what it perceives from the on-board sensors, but also from what the other elements of the system see and communicate (Vehicle-to-Everything - V2X), which will be increasingly facilitated thanks to new cellular network technologies, especially 5G (Cellular vehicle-toeverything- C-V2X). Therefore, it is essential to integrate reliable sensors in the infrastructure, such as video cameras, thermal cameras and traffic lights, which communicate efficiently with vehicles, so that they can regulate their motion accordingly. This thesis work is developed within the "Joint Research Lab for autonomous, connected and electrified urban mobility (JRL)" project, where Comune di Milano, IoT Lab and Department of Mechanical Engineering at Politecnico di Milano, ATM, Vodafone Automotive and other partners are involved for the creation of the TECH BUS, the first smart trolleybus on the ATM line 90/91. Particular attention of this project phase is the high risk of the vulnerable road users (VRUs) in case of accident. In particular, the thesis concerns the creation of an internet of vehicles platform vehicles (IoV) which is able to accentuate the major protocols of communication used in the internet of things (IoT) environment, i.e. MQTT, AMQP, WebSocket, HTTP and CoAP, so as to easily and quickly integrate any sensor of the infrastructure in the communication system (Vehicle-to-Infrastructure - V2I). The platform is enriched with services dedicated to mobility, including a dashboard for monitoring and analysis of the traffic flow, algorithm to optimise the sensors calibration and their false positive filtering, so as to guarantee the excellent effectiveness of the V2X system. In addition, it will be analysed the localisation and detection performances of the thermal camera that will be installed on the road side. Finally, an analysis on the V2X system performances will be done, studying its latency and communication stability values, focusing on the characterized benefits of 5G connectivity brings over 4G, as well as the possible use of brokers locally rather than in the cloud (Eclipse Mosquitto and HiveMQ).

Il trasporto stradale è uno degli elementi che tra più caratterizza la mobilità di tutti i giorni, grazie alla propria versatilità e accessibilità da parte di chiunque, sia mediante mezzi privati che pubblici. Pertanto, esso rappresenta un oggetto di grande interesse e di studio per poterlo rendere il più efficace ed efficiente possibile. In particolar modo, i temi dell’inquinamento, della congestione del traffico e l’alto rischio di incidenti sono quelli su cui governi, aziende di trasporto e università investono gran parte delle proprie risorse. La soluzione che più si sta affermando e che è sempre in crescita è quella del concetto di C-ITS (Cooperative – Intelligent Transport System) ovvero un sistema interconnesso e comunicante in cui sia l’infrastruttura che i veicoli sono equipaggiati con sensori, attuatori, software per poter processare i dati e altre tecnologie per avere percezione di ciò che gli succede intorno. Quindi, un veicolo è in grado di prendere una decisione autonomamente non solo in funzione di ciò che percepisce dalla sensoristica on-board, ma anche da ciò che gli altri elementi del sistema vedono e che gli comunicano (Vehicle-to-Everything - V2X), che sarà sempre più facilitato grazie alle reti cellulari di nuova generazione, in particolar modo il 5G (Cellular Vehicle-to-Everything - C-V2X). Quindi, è fondamentale integrare nell’infrastruttura sensori affidabili, come videocamere, termocamere e semafori, che comunicano in modo efficiente con i veicoli, così che questi ultimi possano, per esempio, regolare il proprio moto in maniera totalmente sicura mitigando il pericolo di incidente. Questo lavoro di tesi è sviluppato nell’ambito del progetto "Joint Research Lab: mobilità urbana, elettrica, autonoma e connessa (JRL)", in cui sono coinvolti Comune di Milano, IoT Lab e Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano, ATM, Vodafone Automotive e altri partners per la realizzazione del TECH BUS, il primo filobus intelligente sulla linea filoviaria ATM 90/91. In questa fase del progetto, l’attenzione è sugli utenti vulnerabili della strada (Vulnerable Road Users - VRUs), i quali risentono delle maggiori conseguenze in caso di incidente. In particolar modo, la tesi riguarda la realizzazione di una piattaforma dell’internet dei veicoli (Internet-of-Vehicle - IoV) che è in grado di accentrare i maggiori protocolli di comunicazione usati nell’ambito IoT (Internet of Things), cioè MQTT, AMQP, Web-Socket, HTTP e CoAP, così da integrare agevolmente e rapidamente qualsiasi sensore dell’infrastruttura nel sistema di comunicazione (Vehicle-to-Infrastructure - V2I). La piattaforma è arricchita con servizi dedicati alla mobilità, tra cui una dashboard per il controllo e l’analisi del traffico, algoritmi di ottimizzazione della calibrazione dei sensori stradali e di filtraggio di falsi positivi, così da garantire l’ottima efficacia del sistema V2X. Inoltre, verrà effettuata un’analisi dettagliata sulle capacità di localizzazione e di detection della termocamera che verrà integrata nell’infrastruttura. Infine, verrà proposta un’analisi sulle performance del sistema V2X studiandone i valori di latenza e di stabilità della comunicazione, in cui si caratterizzeranno quali benefici porta la connettività 5G rispetto a quella 4G, così come il possibile utilizzo di broker in locale piuttosto che in cloud (Eclipse Mosquitto e HiveMQ).