La Connessione tra Veicoli e Infrastrutture: Rivoluzione della Mobilità e Oltre

Il concetto di "connected car" rappresenta una pietra miliare nell'evoluzione dell'industria automobilistica, trasformando il veicolo da semplice mezzo di trasporto a un hub tecnologico connesso e interattivo. Lungi dall'essere solo un'auto con accesso a Internet tramite cellulare o hotspot mobile, la connected car integra sistemi avanzati di assistenza alla guida, cruscotti virtuali, assistenti vocali e chiavi digitali. Fondamentalmente, si basa su un sistema di comunicazione che le permette di interagire con qualsiasi entità nelle proprie vicinanze, inaugurando un'era di mobilità intelligente, sicura ed efficiente.

Il Cuore Tecnologico: Il Sistema di Comunicazione Vehicle-to-Everything (V2X)

La connected car è abilitata da un sistema di comunicazione all'avanguardia noto come "Vehicle-to-Everything" (V2X). Questa tecnologia è essenzialmente una rete WLAN (o LTE da cellulare) che supporta lo scambio di dati dell'automobile con "qualsiasi cosa" all'interno del suo raggio d'azione. Il termine V2X è un ombrello che copre diverse modalità di comunicazione specifiche, ognuna progettata per interagire con un elemento diverso dell'ambiente circostante.

Componenti Chiave del V2X: Interazioni Multidirezionali

Il sistema V2X si articola in diverse componenti, ciascuna con un ruolo cruciale nella creazione di un ecosistema di mobilità interconnesso:

• Vehicle-to-Vehicle (V2V): In questa configurazione, i veicoli comunicano direttamente tra loro. Quando due veicoli entrano nel raggio d'azione l'uno dell'altro, si scambiano dati su posizione, velocità, direzione reciproca e stato dei sistemi di sicurezza. Queste informazioni vengono elaborate per fornire, quando necessario, avvisi utili a evitare incidenti, migliorando significativamente la sicurezza stradale. Questo scambio V2V tra i sistemi di controllo consente inoltre di coordinare e sincronizzare le traiettorie, riducendo l'inter-distanza in sicurezza, con benefici in termini di fluidità ed efficienza del traffico.

• Vehicle-to-Infrastructure (V2I): Il veicolo interagisce con l'infrastruttura stradale, come semafori, sensori posti lungo la carreggiata o dispositivi di controllo del traffico. Questo permette al veicolo di ricevere informazioni sulle condizioni stradali, sui limiti di velocità e sulle eventuali criticità. Ad esempio, i veicoli possono essere connessi con i semafori per calcolare la velocità adatta a sfruttare "l'onda verde" e diminuire le emissioni o calcolare il tempo che manca a far scattare il rosso.

• Vehicle-to-Pedestrian (V2P): Questo sistema mira a proteggere i soggetti più vulnerabili della strada, come pedoni e ciclisti. Attraverso dispositivi wearable o app su smartphone, i pedoni possono inviare segnali di presenza ai veicoli, che ricevono avvisi in tempo reale. Questo aumenta la consapevolezza del conducente e riduce il rischio di incidenti.

• Vehicle-to-Network (V2N): Rappresenta la comunicazione del veicolo con una rete più ampia, come quella cellulare o cloud. Questa connettività ad ampio raggio permette l'accesso a servizi di infotainment, aggiornamenti software over-the-air, dati sul traffico a lungo raggio e messaggi di sicurezza più estesi.

• Vehicle-to-Grid (V2G): Con l'aumento dei veicoli elettrici, il V2G assume un ruolo strategico. I veicoli possono interagire con la rete elettrica per scambiare energia in base alla domanda e all'offerta, contribuendo alla stabilizzazione della rete. Questo apre nuove possibilità per la gestione dell'energia e la sostenibilità.

Tecnologie Abilitanti del V2X: WLAN e Cellulare

Il sistema V2X si basa su due principali tipologie di tecnologia di comunicazione:

1. V2X basato su WLAN (Wi-Fi): Questa tipologia di tecnologia V2X sfrutta la rete WLAN con protocollo IEEE 802.11p, una variante specifica del Wi-Fi. Questo standard è stato adottato negli Stati Uniti per il sistema DSRC (Dedicated Short-Range Communications) e in Europa per lo standard ITS-G5. La comunicazione diretta tra veicoli (V2V) e tra veicoli e infrastrutture (V2I) rientra in questa categoria. Il sistema V2X basato su WLAN crea una rete ad-hoc, a bassa latenza, adatta a funzionare anche in aree remote e in condizioni climatiche avverse. Non dipende dalla copertura di rete di cellulare e funziona tramite unità di bordo (OBU) o unità su strada (RSU). L'evoluzione in corso del protocollo IEEE 802.11p è IEEE 802.11bd. DSRC, in particolare, è un sistema di comunicazione a corto raggio specificamente progettato per l'ambiente automobilistico. Opera su frequenze dedicate e garantisce latenze molto basse, essenziali per l'invio e la ricezione di avvisi di sicurezza in tempo reale.

2. Cellular V2X (C-V2X) basato su rete cellulare: L'altra tipologia di sistema V2X si fonda sulla tecnologia della rete cellulare e sullo standard LTE-4G, noto come “Cellular V2X o C-V2X”. Oltre alla comunicazione diretta a corto raggio (V2V, V2I, V2P) tramite interfaccia PC5, il Cellular V2X supporta anche la comunicazione ad ampio raggio sulla rete, quindi la connettività (V2N), attraverso interfaccia UU. Questo sistema gestisce sia l'infotainment che i messaggi di sicurezza con una copertura estesa.

   • PC5: È il punto in cui il dispositivo cellulare comunica direttamente con un altro (la comunicazione viene detta sidelink).
   • UU: È il punto in cui il dispositivo cellulare comunica con la stazione base.Il C-V2X supporta la transizione alla rete 5G, di quinta generazione, e sfrutta le reti cellulari esistenti (4G e, sempre più, 5G) per la trasmissione dei dati tra veicoli e infrastrutture. Offre una maggiore flessibilità di copertura e un'ampia banda, rendendo possibili funzionalità più avanzate e una gestione dei dati su larga scala.

La Rivoluzione 5G e le Onde Millimetriche

La rete 5G, con tempi di latenza massima di 4 millisecondi tra l'emissione e la ricezione di un comando, promette di abilitare ulteriormente funzionalità e servizi delle connected car, che ad oggi possono essere suddivisi in servizi di sicurezza stradale, ottimizzazione e gestione del traffico, infotainment e business. La guida autonoma cooperativa richiede in prospettiva lo sviluppo di nuove tecnologie V2X che supportino uno scambio di grandi volumi di dati (fino a 1 Gb/s), ultra-veloce (con latenza nell'ordine del ms) e continuo (con affidabilità 10-5), anche in condizioni fortemente dinamiche (fino a 250 km/h).

Aspetto chiave del 5G, per far fronte alla crescente richiesta di banda, è l'utilizzo di frequenze nello spettro delle onde millimetriche (30-300 GHz), attraverso sistemi con schiere di antenne co-locate (centinaia) e sofisticati algoritmi di beamforming che consentono di formare fasci fortemente direttivi, compensando l'elevata attenuazione che caratterizza queste frequenze. L'applicazione in ambito veicolare è particolarmente critica, perché richiede algoritmi avanzati di correzione dinamica del puntamento per massimizzare il guadagno di antenna anche in condizioni di forte mobilità.

Con la Release 15 dello standard cellulare 3GPP, è in corso di definizione una nuova tecnologia V2X 5G che garantisce prestazioni superiori rispetto al 4G, riducendo ad esempio la latenza da 20 ms a 10 ms. Sono inoltre iniziati i lavori per lo sviluppo della Release 16 (5G New Radio, NR) che porterà ad avere una connettività ad alta capacità, ultra veloce e ultra affidabile in grado di abilitare qualunque servizio avanzato di mobilità. Sarà per esempio possibile condividere in tempo reale dati video ad elevata risoluzione prodotti dai sistemi di imaging di bordo (camera, radar, lidar) per estendere il campo di visione; realizzare applicazioni di tipo see-through dove un veicolo oscurato da un camion che lo precede potrà ricevere informazioni visive ad alta qualità dalle telecamere installate sul camion stesso, guadagnando visibilità e avendo una maggior percezione dell'ambiente; realizzare sistemi di controllo cooperativo ultra-veloce per platooning ad elevata densità.

Infrastruttura Computazionale e Cloud per le Connected Car

Tutte le connected car, per scambiare dati con "qualsiasi cosa", devono essere dotate di un'infrastruttura computazionale adeguata, che consenta di elaborare in tempo reale grandi volumi di dati dai sensori di bordo, e di condividere quelli presenti nei sistemi di bordo. Un esempio sono i virtual cockpit, i cruscotti virtuali intelligenti: sul mercato esistono già modelli che oltre al contachilometri forniscono sul cruscotto le informazioni di computer di bordo, rubrica telefonica e diversi alert audio.

Sia Bosch che il Gruppo Volkswagen hanno avviato una collaborazione con Microsoft Azure in ambito automobilistico: nel primo caso, per lo sviluppo di una piattaforma che connetta l'automobile al cloud per tutto il proprio ciclo di vita; nel secondo, per la realizzazione di una piattaforma in cloud per la guida automatizzata (Automated Driving Platform). Sistemi avanzati di intelligenza distribuita e mobile edge computing sono inoltre indispensabili per consentire ai veicoli di organizzarsi in reti cloud veicolari ed elaborare/fondere le informazioni più critiche localmente senza fare affidamento su cloud remoti che inevitabilmente aumentano la latenza. La prospettiva di lungo termine è quella dell’Internet dei Veicoli, dove veicoli interconnessi V2X agiscono come una rete distribuita di sensori/decisori/attuatori che cooperano per monitorare l’ambiente stradale e coordinare mutuamente le proprie traiettorie, in modo da garantire un traffico sicuro e il più possibile fluido in completa autonomia (col supporto di un’infrastruttura stradale intelligente).

I Livelli di Automazione della Guida

Quando si parla di veicoli autonomi è bene fare riferimento alla classificazione definita dalla SAE (Society of Automotive Engineers), che identifica sei differenti livelli, dal livello 0 (automazione assente) al livello 5 (veicolo completamente autonomo), ed è applicabile ad ogni sistema di assistenza alla guida presente sul veicolo. È interessante notare come lo stato dell'arte dei sistemi di automazione disponibili ad oggi sul mercato raggiunga solamente il livello 2 di tale scala (alcuni prototipi di case automobilistiche sono vicine alla commercializzazione del livello 3 ma in attesa di approvazione secondo le normative vigenti nei differenti paesi).

Livelli di Automazione SAE:

• Livello 0: Nessuna automazione. Il conducente è responsabile di tutte le funzioni di guida.
• Livello 1: Assistenza al conducente. Il veicolo può controllare la velocità (controllo di crociera adattivo) o lo sterzo (mantenimento della corsia), ma non entrambi contemporaneamente.
• Livello 2: Automazione parziale. Il veicolo può controllare sia la velocità che lo sterzo in determinate condizioni (es. guida in autostrada), ma il conducente deve rimanere sempre attento e pronto a intervenire.
• Livello 3: Automazione condizionata. Il veicolo può gestire autonomamente la guida in specifiche condizioni ambientali, ma richiede che il conducente sia disponibile a riprendere il controllo entro un tempo limitato quando il sistema lo richiede.
• Livello 4: Automazione elevata. Il veicolo può operare autonomamente senza intervento umano in un dominio operativo definito (ad es., all'interno di una città o su specifiche autostrade).
• Livello 5: Automazione completa. Il veicolo può guidare autonomamente in tutte le condizioni e su tutte le strade, senza alcun intervento umano.

Risulta evidente come uno scenario popolato di veicoli completamente autonomi sia ancora lontano dall'essere realizzabile, anche se l'evoluzione tecnologica e scientifica degli ultimi decenni lascia presagire che sia solo una questione di tempo.

L'Importanza della Connettività per la Guida Autonoma

Un elemento fondamentale nel panorama di evoluzione verso la guida autonoma è rappresentato dalle tecnologie di comunicazione V2X. Sono sistemi concepiti per abilitare una comunicazione diretta "vehicle to everything" fra i veicoli, l'infrastruttura stradale e gli utenti della strada (pedoni, ciclisti, etc.), per la condivisione in tempo reale di informazioni relative alle condizioni stradali e al traffico. L'obiettivo è aumentare la consapevolezza di ciò che avviene nell'ambiente di guida, riducendo i tempi di rilevazione e reazione a eventi di potenziale rischio (come la presenza di un pedone sulla carreggiata) e migliorando il mutuo coordinamento delle manovre ai veicoli (come la sincronizzazione in convogli di veicoli a breve distanza l'uno dall'altro nel cosiddetto platooning).

Il ruolo della connettività diventa particolarmente rilevante al crescere del livello di automazione. Lo scambio di dati fra veicoli e infrastruttura è infatti indispensabile nei sistemi a guida completamente autonomi (livello 5) per garantire una mobilità sicura e al contempo efficiente. Per questo motivo le principali case automobilistiche, in partnership con le industrie delle telecomunicazioni, hanno accelerato negli ultimi anni la sperimentazione di sistemi di guida assistita avanzata (ADAS) che integrano al loro interno dispositivi di comunicazione V2X. Una forte spinta verso la diffusione di queste tecnologie è data dal consorzio 5G Automotive Association (5GAA), che dal 2016 ha intrapreso un percorso di collaborazione fra aziende ICT e del settore automobilistico per promuovere l'integrazione delle tecnologie V2X cellulari nel processo di trasformazione verso un sistema connesso di trasporti.

Il veicolo autonomo sfrutta una massiccia sensoristica (GPS, unità inerziali, radar, lidar, videocamere, ultrasuoni) per monitorare l'area circostante e un computer di bordo per regolare la dinamica del moto sulla base delle informazioni acquisite. Senza cooperazione tuttavia la percezione è limitata dal raggio di copertura dei sensori (ad es., per i radar circa 250 m) e l'incertezza sulle traiettorie pianificate dagli altri veicoli obbliga a ridondare le distanze, limitando l'efficienza di manovra in scenari ad elevata densità di traffico. La comunicazione diretta fra i veicoli (V2V) e con l'infrastruttura (V2I) estende tali capacità di percezione/controllo abilitando meccanismi cosiddetti "cooperativi". Attraverso l'interazione V2V i veicoli possono fondere in tempo reale i dati dei sensori e costruire mappe ad elevata risoluzione dell'ambiente stradale, estendendo l'orizzonte di percezione ben oltre il proprio campo di visione e aumentando la sicurezza.

Servizi Abilitati dalle Comunicazioni V2X

La tecnologia V2X (Vehicle-to-Everything) introduce una serie di benefici concreti sia per i singoli utenti della strada sia per le aziende. La tabella seguente presenta alcune applicazioni C-ITS di base per servizi quali la sicurezza attiva e la gestione cooperativa del traffico.

I Vantaggi della Tecnologia V2X

Uno dei principali obiettivi della tecnologia V2X è ridurre drasticamente il rischio di incidenti. La comunicazione costante tra i veicoli e l'infrastruttura consente di elaborare percorsi alternativi e avvisi di congestione, contribuendo a una significativa riduzione dei tempi di viaggio.

• Sicurezza Stradale Migliorata: Le auto connesse possono scambiarsi informazioni in tempo reale su condizioni del traffico, incidenti e altre situazioni pericolose, consentendo ai conducenti di prendere decisioni più informate e rapide. Gli ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) sono dispositivi che permettono di inviare allarmi in caso di avvicinamento a un altro veicolo o di superamento della carreggiata, o che consentono di ottimizzare il controllo della velocità.

• Ottimizzazione del Traffico: La comunicazione V2X consente una gestione più efficiente del flusso veicolare. Ad esempio, la coordinazione con i semafori può ridurre la congestione e migliorare la fluidità del traffico. Le aziende che gestiscono flotte di veicoli possono trarre grandi benefici dall'adozione della tecnologia V2X attraverso una gestione più efficiente e ottimizzata dei percorsi.

• Sostenibilità Ambientale: Dal punto di vista della sostenibilità, l'integrazione delle auto connesse può significativamente abbattere le emissioni di CO2 ottimizzando i tragitti e migliorando l'uso del carburante. La gestione intelligente del traffico e la possibilità di "onda verde" contribuiscono a una guida più fluida e meno inquinante.

• Manutenzione Predittiva: La comunicazione diretta tra i veicoli e le infrastrutture agevola la manutenzione predittiva, grazie alla raccolta di dati sui componenti di bordo e sulle performance di guida. Questo permette interventi proattivi, riducendo i tempi di inattività e i costi di riparazione.

• Infotainment e Funzionalità On Demand: L'integrazione del concetto di infotainment nelle smart car trasformerà l'esperienza di guida in un'interazione continua e personalizzata con l'ambiente circostante. Le auto del futuro offriranno intrattenimento e informazioni in tempo reale, migliorando il comfort e la sicurezza dei passeggeri. I sistemi di infotainment di una connected car si collegano via Usb o Bluetooth alle app Apple CarPlay o Android Auto o ad Amazon Echo Auto, per poter “gestire” lo smartphone attraverso comandi vocali o vocali: la maggior parte delle auto di ultima generazione ha il riconoscimento vocale di serie, per comunicare senza togliere le mani dal volante. In futuro l'auto connessa potrebbe diventare un vero e proprio canale di vendita, anch’esso intelligente, con l’obiettivo di proporre all’utente funzionalità avanzate attivabili on demand.

Sfide e Progetti Futuri per la Mobilità Connessa

Anche se la tecnologia V2X promette di rivoluzionare il settore dei trasporti, la sua diffusione non è priva di ostacoli. È importante non sottovalutare le sfide relative alla sicurezza informatica: la crescente connettività ha esposto maggiormente i veicoli a potenziali minacce e attacchi da parte di hacker. Oltre all'adozione di sistemi di crittografia avanzata, occorrono metodi di autenticazione sicura per garantire l'identità di ogni dispositivo connesso.

L'implementazione del V2X richiede un impegno congiunto. Le case automobilistiche devono integrare la tecnologia all'interno dei veicoli, mentre gli operatori infrastrutturali sono chiamati a realizzare reti stabili e affidabili, come semafori intelligenti e sensori stradali connessi.

In Italia, il settore delle Smart Car e Connected Car sta trainando il mercato dell'Internet of Things. Nel 2023, il valore dell'intero comparto è cresciuto e il numero di auto intelligenti sembra destinato ad aumentare. Tra il 2022 e il 2023 sono stati effettuati i primi test di guida autonoma nelle città di Torino e Milano, con navette a guida autonoma e sperimentazioni di filobus intelligenti senza conducente.

Il Regolamento sulla sicurezza dei veicoli ha imposto che da luglio 2022 le auto di nuova omologazione in vendita nelle concessionarie devono necessariamente essere dotate di dispositivi elettronici e di assistenza alla guida, con l'obiettivo primario di ridurre il numero di incidenti. Un esempio di questi dispositivi previsti per la Smart Car è la scatola nera integrata nel veicolo, in grado di registrare una serie di dati negli istanti precedenti e successivi a un incidente. Nella lista, inoltre, sono presenti i sistemi ADAS, capaci di rilevare il livello di disattenzione e di stanchezza del conducente e di attivare l'arresto di emergenza se il livello alcolemico del guidatore supera il livello consentito dalla legge ("Alcolock"). Sempre mediante i dispositivi ADAS, nel caso di mezzi pesanti per il trasporto di cose e persone, la Smart Car può individuare la presenza di pedoni e ciclisti situati in prossimità.

Le sfide legate alla trasformazione dell'industria automobilistica, e più in generale la mobilità urbana sono molteplici e di non facile soluzione: sicurezza stradale, sostenibilità in termini di impatto sull'ambiente e costi, inquinamento, congestione del traffico, accessibilità per persone con handicap fisici, e così elencando. Per rispondere a tali esigenze, le tendenze che stanno emergendo e che si prevede veicoleranno la rivoluzione dei trasporti dei prossimi anni sono la multimodalità (e condivisione dei veicoli), la guida autonoma, l'elettrificazione e la connettività. Tali strategie fanno parte di un'evoluzione in atto verso i cosiddetti sistemi di trasporto intelligente cooperativi (C-ITS).

Aziende di monitoraggio flotte aziendali come SafeFleet, hanno iniziato a sviluppare partnership strategiche con le maggiori case automobilistiche per utilizzare la tecnologia V2X. La tecnologia V2X è molto più di un semplice strumento per connettere veicoli e infrastrutture: si tratta di una rivoluzione nel settore automobilistico che promette di ridefinire il modo in cui viviamo e ci muoviamo.

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