GNSS-based Road Charging Systems - Assessment of Vehicle Location Determination

摘要

En stigende efterspørgsel efter satellitbaserede kørselsafgiftssystemer er på vej i Europa. Satellitbaserede kørselsafgifter omfatter opkrævning af trafikanterne for deres vejforbrug ved at at lade køretøjerne bestemme deres position indenfor et givent afgiftsområde ved hjælp af Global Navigation Satellit Systemer (GNSS). Den forskning, der præsenteres i denne afhandling, beskæftiger sig med performanceniveauet samt de teknologiske udfordringer ved bestemmelse af køretøjets placering inden for GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer. GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer kan antage en række forskellige former. Afhængigt af systemets formål kan disse kørselsafgiftssystemer være udformet på forskellig vis og varieret efter både politiske og teknologiske hensyn, men de har alle til formål at taksere trafikanterne for deres brug af vejnettet. Den første del af afhandlingen præsenterer en omfattende oversigt og klassificering af forskellige former for kørselsafgiftssystemer samt mulige teknologier, suppleret med en gennemgang af forskellige eksisterende systemer. Efterfølgende defineres det grundlæggende kørselsafgiftssystem og dette sættes ind i en begrebsramme, der danner grundlag for forskningen præsenteret i denne afhandling. For at forstå GNSS-baserede kørselsafgiftssystemers struktur og virkemåde er det vigtigt at fremhæve den overordnede systemarkitektur og definere de væsentlige funktioner samt beskrive forholdet mellem dem. Arkitekturen er brugt som et middel til at strukturere diskussionen om de teknologiske udfordringer i GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer. Afhandlingen diskuterer de overordnede krav til afgiftsprocessens ydeevne indenfor GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer. GNSS muliggør kilometer-baseret afgiftsopkrævning, hvor afgifterne beregnes for hvert enkelt køretøj baseret på den kørte afstand, tidspunktet for turen samt bilens geografiske position. Kilometerbaseret afgiftsopkrævning betragtes derfor som en mere retfærdig og effektiv form for afgiftsopkrævning, da disse systemer opkræver afgiften i forhold til den tilbagelagte afstand, og afspejler dermed den forbrugsbaserede tilgang mere præcist end andre afgiftsopkrævningspolitikker. Men kørselsafgifter på grundlag af den tilbagelagte afstand er teknisk udfordrende og betragtes ofte som en af de mest komplekse ordninger. Fastsættelsen af den faktisk kørte distance er den centrale del af afgiftsopkrævningen, og de vigtigste betænkeligheder omkring pålideligheden vedrører derfor denne del af afgiftsprocessen samt resultaterne af køretøjets lokaliseringsfunktion. Denne afhandling præsenterer endvidere en grundig gennemgang af de forskellige GNSS-baserede forsøg og eksperimenter, der er udført inden for de seneste år, for at vurdere resultater og muligheder ved brug af GNSS-baserede afgiftssystemer. I 2007–2009 blev et teknisk forsøg med et GNSS-baseret kørselsafgiftssystem udført i København som en del af denne forskning i samarbejde med Siemens. Forsøget blev udført for at vurdere resultater og tekniske udfordringer ved GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer baseret på den nyeste kørselsafgiftsteknologi. Denne afhandling præsenterer det udførte eksperiment og giver en vurdering af køretøjets lokaliseringsfunktion inden for GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer. Tidligere forsøg og vurderinger af ydeevnen af GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer har generelt fokuseret på mulighederne i afgiftssystemerne i stedet for begrænsningerne. Ofte har det ikke været klart beskrevet, hvilke fejl og mangler der eksisterede i de indsamlede data, men i stedet er de blot blevet udelukket som ugyldige data forud for de foretagne vurderinger, som derefter konkluderede, at mere fokus bør lægges på de fundne fejl. Derfor har det været bevidst i denne ph.d.-forskning, ikke at udelukke fejlagtige og forkerte data i vurderingen af ydeevnen. Resultaterne der er præsenteret i denne afhandling er baseret på alle de indsamlede data fra forsøget, i sin oprindelige form, som det ville være input til den automatiserede afgiftsberegningsproces i et kørselsafgiftssystem. Endvidere er der udviklet nye metoder til vurdering af køretøjets lokaliseringsfunktion i form af datapålidelighed og lokaliseringsfunktionens performance. Resultaterne af vurderingerne foretaget i denne afhandlingen viser, at selvom betydelige performanceforbedringer er sket i løbet af de sidste fem år, er der væsentlige udfordringer at overvinde i forbindelse med implementering og drift af GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer. Det tekniske forsøg i dette ph.d.-studie viste sig at lide under forskellige tekniske udfordringer, som havde forskellig indvirkning på den samlede systemp˚alidelighed. På grund af disse udfordringer, omfatter data både unøjagtige og ufuldstændige informationer, og det konkluderes derfor at med disse høje niveauer af datainvaliditet og -mangel, kan data ikke anvendes i sin nuværende form som grundlag for en afgiftsberegningsproces. Disse resultater understreger betydningen af at anvende en dataprocesseringsfunktionalitet før afgiftsberegningen og vejforbrugsbestemmelsen i afgiftsprocessen. Vurderingen af køretøjets lokaliseringsfunktion viser en signifikant forskel i den ønskede lok´aliseringsperformance. Mens nøjagtighedskravet delvist var opfyldt i København, led kontinuiteten og dermed tilgængeligheden nødvendig for bestemmelsen af køretøjets lokalitet af alvorlige udfald i positioneringsdata. Disse udfald skyldtes både satellitutilgængelighed, forårsaget af ringe signalmodtagelse i byområder og lang signalerhvervelsestid hos modtageren, og endvidere de forskellige tekniske problemer og konfigurationsfejl, der opstod under forsøget. Da både satellitsynligheden og positioneringsnøjagtigheden gennem de seneste år er forbedret markant, viser resultaterne at de største udfordringer i forbindelse med bestemmelse af køretøjets lokalitet ikke som ofte antaget, er positioneringsunøjagtigheder, men snarere et højt niveau af positioneringsafbrydelser hovedsageligt forårsaget af GPS. På baggrund af resultatvurderingen konkluderes det endvidere, at de væsentligste bekymringer vedrørende den manglende tilgængelighed til køretøjets lokaliseringsbestemmelse bør være, hvordan den lange systemnedetid og konfigurationsudfaldene kan fjernes samt hvordan forekomsten af de mange GPS-udfald kan reduceres. Da dataudfald og -svigt kan påvirke bestemmelsen af den kørte afstand i kontinuerlige afgiftssystemer, giver denne afhandling mulighed for at vurdere og forstå forskellige forekomster, bidrag og effekter af udfald i relation til GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer. I denne afhandling præsenteres en vurdering af distancebestemmelsens tolerance overfor disse forskellige positioneringsudfald. Vurderingen er foretaget på grundlag af en simuleringsmetode der er udviklet i denne afhandling. Metoden analyserer indflydelsen af positioneringsudfald i forhold til bestemmelsen af kørte kilometer i både distancebaserede og distancerelaterede kørselsafgiftssystemer. Udfaldstolerancen i afstandsbestemmelsen i begge typer afgiftssystemer er vigtig for kørselsafgiftssystemets evne til at opfylde kravene til ydeevne samt i forhold til at taksere brugerne korrekt for deres vejforbrug. Simuleringsanalyserne af indflydelsen af udfald på bestemmelsen af den kørte afstand viser at afstandsbestemmelsesfunktionen er forholdsvis robust over for småudfald på mindre end 10 sekunder i positioneringen. Men med flere mellemstore og store udfald i turene, har begge afstandsbestemmelsesmetoder svært ved med at reproducere den kørte afstand med afstandsafvigelser på mere end 1 % fra den sande værdi. Det vigtige ved disse resultater er, at den kørte afstand kan fastlægges med mindre end 1 % afvigelse for hovedparten af turene eftersom forekomsten af småudfald er hyppigst i de kørte ture. GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer anses for at være ansvarskritiske syste-mer, hvor nægtet service samt uopdagede fejl og mangler har betydelige retslige eller økonomiske negative konsekvenser. Fejl eller mangler, der fører til ukorrekt afgiftsopkrævning, kan forårsage økonomiske tab eller føre til forkerte juridiske afgørelser, idet det økonomiske ansvar er knyttet til de juridiske aspekter som følge af potentielle klager. Derfor introducerer denne ph.d.- afhandling anvendelsen af begrebet systempålidelighed i forbindelse med GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer. Begrebet systempålide lighed, som er tilpasset fra informationsteknologien, er en effektiv metode til håndtering af de forskellige betænkeligheder i forbindelse med kørselsafgiftssystemer inden for en fælles begrebsramme. Pålidelighed er en vigtig forudsætning for et GNSS-baseret kørselsafgiftssystem, som skal levere en retfærdig afgiftsopkrævning og sikre brugernes tillid ved at sikre systemets p˚alidelighed og ansvar. Denne afhandling diskuterer konsekvenserne af vurderingsresultaterne i forhold til systemets driftssikkerhed og præsenterer en kvalitativ risikomatrix for driftssikkerheden af køretøjets lokaliseringsfunktion. For at sikre afgiftsprocessen en høj driftssikkerhed, skal fejltolerant design derfor overvejes i forhold til de mange forskellige komponenter og funktioner der indgår i processen. Baseret på fejltolerante metoder, giver denne afhandling retningslinjer for hvordan man kan opretholde korrekt service ved tilstedeværelsen af forskellige fejl, der skyldes tekniske problemer i forbindelse med bestemmelse af køretøjets lokalitet. Hovedformålet med fejl-tolerant design inden for afgiftsprocessen er at sikre retfærdig taksering af brugerne. Det betyder, at redundante systemer, procedurer og komponenter bør indføres for at sikre, at når fejl og svigt forekommer inden for afgiftsprocessen vil kørselsafgiftsfundamentet stadig være pålideligt og give retfærdige resultater for både brugerne og kørselsafgiftssystemet. Denne afhandling konkluderer derfor, at selv om performanceniveauet for bestemmelsen af køretøjets lokalitet er fair, bør opmærksomheden omkring systemets performance rettes imod hvordan fremtidige GNSS-baserede kørselsafgiftssystemer kan designes til at virke driftsikkert med forekomsten af både data invaliditet og datamangler. Det er derfor vigtigt at udvide fokus fra tekniske udfordringer og komponentunøjagtigheder alene til et fokus på pålideligheden af systemet som helhed. Der er dog stadig nogle teknologiske udfordringer at overvinde, som i højere grad elimineres ved bedre samarbejde på tværs af de mange forskellige involverede fagområder. Som med mange andre ITS-systemer, kan vellykket design, implementering og drift af et system kun opnås, når de mange forskellige interessenter forstår hinandens krav til systemet. Systemarkitekturen som konceptuelt design sammen med den systemteoretiske metode kan bidrage til at involvere alle de forskellige parter i systemudviklingen og dermed minimere de misforst˚aelser, der i sidste ende kan blive meget dyre for systemet. Baseret på de mange resultater af dette ph.d.-studie, er nogle generelle retningslinjer endeligt formuleret for fremtidige GNSSbaserede kørselsafgifts-systemer. De foreslåede retningslinjer, der er beskrevet i afhandlingen omfatter både GNSS-baserede kørselsafgiftsforsøg i almindelighed og et fremtidigt GNSS-baserede kørselsafgiftsssystem i Danmark.