Стартап из университета Карнеги-Меллона намеревается управлять движением на перекрёстках при помощи радио в автомобилях будущего

Жизнь коротка, а в пробке она кажется ещё короче. Или когда вы стоите на светофоре, горит красный, а по поперечной дороге никто не едет.

У жителей пригородов таких городов, как Мехико, Сан-Паулу, Рим, Москва, Пекин, Каир и Найроби утренняя дорога на работу может превысить два часа. Прибавьте сюда дорогу домой с работы, и нередко получится, что люди проводят в дороге по 3–4 часа ежедневно.

Представьте, что мы смогли бы разработать систему, которая уменьшила бы ежедневный путь туда и обратно, допустим, на треть – с трёх до двух часов. Это может сэкономить 22 часа в месяц, или 3 года за 35-летнюю карьеру.

Мужайтесь, несчастные путешественники на работу и домой, поскольку такую систему уже разрабатывают, и она основана на нескольких недавно появившихся технологиях. Одна из них – беспроводная связь между автомобилями. Её часто называют технологией V2V (vehicle-to-vehicle), хотя в эту связь могут входить также дорожные сигналы и другая инфраструктура. Ещё одна нарождающаяся технология – робомобили, которые по своей природе должны уменьшить время поездок на работу (причём сделать это время более продуктивным). А ещё есть интернет вещей (IoT), обещающий объединить не просто 7 млрд человек, но и 30 млрд датчиков и устройств.

Все эти технологии можно заставить работать вместе при помощи алгоритма, который мы с коллегами разработали в университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге. Алгоритм позволяет автомобилям работать совместно при помощи имеющихся у них на борту систем обмена сообщениями, чтобы машины двигались плавно и безопасно без применения каких бы то ни было светофоров. Для этого проекта мы зарегистрировали компанию Virtual Traffic Lights [виртуальные светофоры] (VTL), тщательно проверили алгоритм в симуляциях, и с мая 2017 года этот проект работает недалеко от кампуса университета. В июле мы впервые продемонстрировали общественности технологию VTL в Саудовской Аравии, где присутствовало более 100 учёных, правительственных чиновников и представителей частных компаний.

Результаты испытаний подтвердили то, что мы и так подозревали: пора отказываться от светофоров. Нам нечего терять, кроме бессчетных часов сидения в машине в пробке.

Принцип работы светофора практически не поменялся с тех пор, как это устройство изобрели в 1912 году и внедрили в Солт-Лейк-Сити, а через два года – в Кливленде . Он работает по таймеру, поэтому иногда вы стоите на красный на перекрёстке, и не видите других машин поблизости. таймер можно регулировать, чтобы он соответствовал закономерностям движения в различное время дня, но это практически всё, что можно сделать – и это не так уж и много . В результате ежедневно куча народу тратит кучу времени.

Представьте, что вместо этого несколько автомобилей подъезжают к перекрёстку, обмениваясь данными благодаря технологии V2V. Они совместно голосуют и выбирают машину-лидер на определённый период, в который она решает, какому направлению стать главным – эквивалент зелёного света – и в каком направлении «светит красный».

Приёмо-передатчики, работающие по стандарту IEEE 802.11p отправляют сообщения по 10 раз в секунду. В сообщении указываются координаты машины и направление движения. Алгоритм принимает данные, складывает их с данными других машин, и сравнивает с цифровыми картами.

И у кого же главная дорога? Всё происходит очень просто и с уважением. Лидер назначает статус красного света для своего направления движения, и даёт зелёный свет всем машинам, едущим перпендикулярно. После, допустим, 30 секунд, другая машина, в перпендикулярном потоке, становится лидером, и делает то же самое. Лидерство постоянно передаётся туда и сюда, чтобы по-честному делить ответственность и бремя – ведь позиция лидера связана с жертвованием личными интересами для общего блага.

С таким подходом никакие светофоры не нужны. Работа по регулированию движения незаметно растворяется в беспроводной инфраструктуре. Вы уже не будете сидеть в машине, стоя на красный сигнал светофора, если по поперечной улице никто не едет.

Наш алгоритм VTL выбирает лидеров, опрашивая такие параметры, как расстояние до передней машины с каждого подъезда к перекрёстку, скорость машин, количество машин на каждой из дорог, и т.п. При прочих равных алгоритм выбирает машину, расположенную дальше всего от перекрёстка, чтобы у неё было время на торможение. Это правило гарантирует, что ближайшее к перекрёстку транспортное средство получит право проезда – то есть, виртуальный зелёный свет.

Важно отметить, что технологии не нужны камеры, радары и лидары. Всю информацию она получает от беспроводных систем, работающих по выделенным каналам связи ближнего действия [dedicated short-range communications, DSRC ]. Это схемы радио и выделенный под них канал связи, разработанный в США, Европе и Японии с 1999 по 2008 года, и позволяющий близко находящимся автомобилям общаться друг с другом. Разработчики DSRC предполагали различные варианты использования стандарта, включая сбор денег за пользование платными дорогами и кооперативный адаптивный круиз-контроль – а также именно такую функцию, для которой её используем мы, для избегания столкновений на перекрёстках.

С завода систему DSRC ставят на небольшое количество машин (и, возможно, новая технология 5G придёт ей на замену). Но такие трансиверы можно купить, и у них есть вся необходимая нам функциональность. Они используют стандарт IEEE Standard 802.11p и обязаны рассылать сообщения по десять раз в секунду. В сообщении указываются координаты и направление движения автомобиля. Наш алгоритм, работая на компьютере автомобиля, получает данные по машине, добавляет те, что он получает от соседних, и накладывает результат на такие цифровые карты, как Google Maps, Apple Maps или OpenStreetMap.

Таким способом каждая машина может вычислить расстояние до перекрёстка и до других машин, приближающихся к нему с других направлений. Она также может вычислить скорость, ускорение и траекторию каждой из машин. А это всё, что нужно алгоритму, чтобы решить, кто проедет через перекрёсток (зелёный свет), и кому нужно остановиться (красный). После этого на приборной панели каждой машины будет показан цвет светофора, свой для каждого водителя. Конечно, алгоритм VTL решает только проблему управления движением на перекрёстках, определение знаков «стоп» и «уступи дорогу». Он не водит автомобиль. Но работая в своей области, VTL способен делать всё, что нужно, и гораздо дешевле, чем технологии полностью автономных автомобилей. Робомобилям требуется куда как больше вычислительных возможностей только для того, чтобы разобраться с данными, поступающими со своих лидаров, радаров, камер и других датчиков, и ещё больше – чтобы, совместив их, получить картину окружающего пространства. VTL не соревнуется с технологиями робомобилей, он их дополняет.

Наш метод можно представить себе, как замену практического правила на истинный интеллект. Алгоритм позволяет машинам самим контролировать дорожное движение, как это работает у колоний насекомых и стай рыб. Стая рыб одновременно меняет направление движения, без какого-то главного регулировщика, направляющего отдельных её членов. Каждая рыба получает информацию о движениях от соседних.

Это пример поведения распределённой системы, как альтернативы централизованной сети. С её помощью парк автомобилей в городе может самостоятельно регулировать движение без централизованного контроля и вмешательства человека – никакой полиции, светофоров, знаков «стоп» и «уступи дорогу».

Мы не изобрели концепцию умных перекрёстков, ей уже несколько десятилетий. Одна из ранних идей состояла в установке магнитных катушек под поверхность асфальта, которые определяли бы приближение машин к перекрёстку и подправляла бы длительность работы зелёной и красной фаз. Также для подсчёта приближающихся машин и вычисления наилучшего времени работы фаз светофора можно использовать камеры на перекрёстках. Но обе технологии дороги в установке и обслуживании, и поэтому установлены на немногих перекрёстках.

Мы начали с внедрения VTL-алгоритма в виртуальных моделях двух городов: Питтсбурга в США и Порто в Португалии. Мы взяли данные по дорожному движению у Бюро переписи населения США и соответствующего португальского агентства, добавили карты с Google Maps, и скормили всё это SUMO ( Simulation of Urban Mobility, симулятор городского движения) – открытому ПО, разработанному в German Aerospace Center.

SUMO симулировала час пик при двух сценариях – один использовал существующие светофоры, другой – наш алгоритм VTL. Было обнаружено, что VTL уменьшил среднее время поездок с 35 минут до 21,3 минут в Порто и с 30,7 мин до 18,3 мин в Питтсбурге. Уменьшение времени поездок людей, въезжавших в город из пригородов, уменьшались не менее, чем на 30%, и вплоть до 60%. Что важно, вариация времени в пути – отклонения количества от среднего значения – также уменьшилось.

Схема выбора лидера

Время экономится по двум причинам. Во-первых, VTL устраняет время ожидания на красном светофоре, когда по поперечной дороге никто не едет. Во-вторых, VTL контролирует движение на всех перекрёстках, а не только там, где есть активные сигналы. Поэтому машинам не обязательно было, к примеру, останавливаться там, где стоит знак «стоп», если поблизости не было других автомобилей.

Наши симуляции продемонстрировали и другие преимущества – возможно, даже более важные, чем экономия времени. Количество дорожных происшествий уменьшилось на 70%, и по большей части уменьшения происходили на перекрёстках и у знаков «стоп». Также, минимизировав время, потраченное на стояние перед светофором, ускорение и торможение, VTL заметно уменьшает выбросы углерода автомобилями.

Что же потребуется для переноса VTL из лаборатории в реальный мир? Для начала нужно встроить в DSRC в выпускаемые автомобили. В 2014 году Национальное управление безопасностью движения на трассах США предложила воспользоваться этой технологией, но администрация Трампа до сих пор не разработала соответствующие правила, и пока неясно, каково будет итоговое решение. Поэтому производители в США с неохотой будут встраивать в машины трансиверы DSRC, поскольку те увеличивают их стоимость и будут полезными, только если они будут и у других машин – стандартная проблема курицы и яйца.

Пока достаточное количество машин не будет оснащено такими устройствами, масштабы производства будут оставаться низкими, а стоимость – высокой. В США только General Motors начала встраивать радио DSRC в машины, и все они – дорогие модели Cadillac. Однако в Европе и Японии картина более позитивная. Множество европейских автопроизводителей решили встраивать эти трансиверы в машины, а в этом году это началось и в Японии, где правительство выступает за использование технологий, а производственный гигант Toyota неоднократно подтверждал готовность к этому шагу.

Но даже, если с DSRC ничего не получится, наш алгоритм можно построить на базе других беспроводных технологий, например, 5G или Wi-Fi.

Концепция неполного проникновения трансиверов поднимает вопрос об одном из самых больших препятствий для внедрения VTL. Сможет ли он работать, если передатчиками будет оборудован только небольшой процент машин? Да, если чиновники решат оснастить этой технологией существующие светофоры.

Чиновники могут захотеть это сделать, хотя бы затем, чтобы не отказываться от существующей инфраструктуры стоимостью в сотни миллиардов долларов. Мы предлагаем кратковременное решение этой проблемы: можно обновить существующие светофоры, чтобы они могли распознавать наличие машин, оборудованных DSRC на дороге, и соответственно выставлять зелёную и красную фазы. Прелесть данной схемы в том, что все машины могут пользоваться дорогами и перекрёстком, вне зависимости от наличия радио. Этот подход, возможно, и не уменьшит время так значительно, как идеальное решение, но он всё равно будет на 23% лучше текущих систем управления трафиком, если верить нашим симуляциям и полевым испытаниям в Питтсбурге.

Другая проблема – как быть с пешеходами и велосипедистами. Даже если принудительно оснастить все легковые и грузовые автомобили трансиверами, нельзя ожидать, что их поставят себе велосипедисты и будут носить с собой пешеходы. Из-за этого людям будет тяжело безопасно пересекать загруженные перекрёстки.

Наше кратковременное решение, на период совместного существования светофоров и VTL – дать пешеходам возможность устроить себе главную дорогу. В нашей пилотной программе в Питтсбурге мы разместили кнопку, зажигающую красный свет – реальный для пешеходов, и виртуальный для машин – по всем четырём сторонам перекрёстка. Эта система работала каждый раз при активации.

В долгосрочной перспективе проблемы велосипедистов и пешеходов можно решить при помощи интернета вещей. С расширением IoT придёт время, когда каждый будет постоянно носить с собой устройство, поддерживающее DSRC.

Тем временем, мы продемонстрировали, что при идеальных условиях, без всяких физических сигналов машины, голосующие за право проезда, могут выделять часть цикла пешеходам. Во время переключения виртуальный красный свет горит во всех автомобилях на всех подъездах к перекрёстку, и длится достаточно долго для того, чтобы пешеходы смогли безопасно перейти дорогу. Это предварительное решение будет неоптимальным для плотного потока, поэтому мы работаем над методом, использующим недорогие камеры, монтирующиеся на приборную панель машин, которые должны помочь замечать пешеходов и уступать им дорогу.

Многообещающей технологию виртуальных светофоров делает приближение эры робомобилей. Сегодня мы представляем, что такие машины будут делать всё, что делают водители-люди: останавливаться на светофорах, уступать дорогу на знаках «уступи дорогу», и так далее. Но зачем проводить автоматизацию наполовину? Было бы гораздо лучше, если бы такие машины полностью автономно управляли движением без привычных знаков и сигналов. Ключом к достижению этого служит V2V и инфраструктура этих коммуникаций.

Это важно, поскольку сегодняшние робомобили часто не справляются с тем, чтобы сориентироваться и проехать через оживлённые перекрёстки. Это одна из сложнейших технических проблем, и она продолжает докучать даже лидеру индустрии Waymo.

В наших симуляциях и полевых испытаниях мы обнаружили, что робомобили, оснащённые VTL, могут управлять пересечением перекрёстков без светофоров и знаков. Отсутствие необходимости распознавания этих объектов серьёзно упрощает алгоритмы компьютерного зрения и компьютеры, их исполняющие, на которые полагаются сегодняшние экспериментальные робомобили. Эти элементы в сумме, вместе с датчиками (особенно лидарами) представляют собой наиболее дорогую часть робомобилей.

Поскольку архитектура ПО у VTL модульная, его будет достаточно просто интегрировать в ПО робомобиля. Более того, VTL способна решать большую часть, если не все сложнейшие проблемы, связанные с компьютерным зрением – допустим, если солнце светит в камеру, или дождь, снег, песчаная буря или изгибы дороги загораживают обзор. VTL, конечно, не соревнуется с технологиями робомобилей; она их дополняет. И одно это может помочь ускорить вывод на дороги робомобилей.

Но мы надеемся, что задолго до этого момента наша система заработает в машинах, которыми управляют люди. Уже в этом июле мы смогли устроить публичную демонстрацию технологии в городе Рияд в Саудовской Аравии, при жаре в 43 °C, с устройствами, установленными на испытательных машинах. Представители правительства, учёного мира и корпораций – включая Uber – сели в автобус Mercedes-Benz и ездили по кампусу науки и технологий короля Абдулазиза, пересекая три перекрёстка, на двух из которых не было светофоров. Автобус, а также грузовик GMC, внедорожник Hyundai и легковушка Citroën пересекали эти перекрёстки всеми возможными способами, и система VTL каждый раз срабатывала успешно. Когда один водитель специально не подчинился красному сигналу светофора и попытался проехать перекрёсток, сработала наша система безопасности, показав мигающий красный всем остальным приближающимся машинам, что позволило предотвратить инцидент.

Надеюсь, что этот момент был поворотным в нашей системе управления транспортом. Светофоры отработали своё. И действительно, они существовали больше ста лет. Пришло время двигаться дальше.