Как автопилотные системы поддерживают развитие автономных автопоездов

Что такое автономные дорожные поезда?

Автономные автопоезда, также известные как грузовые взводы или цифровые конвои, представляют собой группы транспортных средств, которые тесно ездят по шоссе скоординированным, автоматизированным образом. Концепция черпает вдохновение из традиционных железнодорожных поездов, но вместо фиксированных путей эти поезда работают на существующей дорожной инфраструктуре. Ведущее транспортное средство, которое может управляться человеком или полностью автономным, управляет цепью следующих транспортных средств, каждый из которых поддерживает точное расстояние, скорость и угол поворота через взаимосвязанную систему автопилота.

Интерес к автономным автопоездам значительно вырос за последнее десятилетие, поскольку объемы грузовых перевозок растут, а индустрия грузоперевозок сталкивается с нехваткой водителей, ростом цен на топливо и проблемами безопасности. Ранние эксперименты датируются 1990-ми годами, но недавние достижения в области сенсорных технологий, машинного обучения и связи между транспортными средствами (V2V) сделали крупномасштабную реализацию осуществимой. Публичные испытания, проведенные такими компаниями, как Peloton Technology, Daimler, Volvo и Scania, продемонстрировали, что взвод может снизить расход топлива на 4-10% для ведущего транспортного средства и до 15% для последующих транспортных средств, а также улучшить пропускную способность трафика.

Существуют две основные конфигурации: взводы с смешанным экипажем (ведущие транспортные средства, управляемые вручную, последователи автоматизированы) и полностью автономные взводы (все транспортные средства без водителя). Последний представляет собой конечную цель, где центральный ИИ отправляет и управляет целыми формированиями автопоездов без вмешательства человека.

Роль систем автопилота

Системы автопилота являются технологическим стержнем автономных дорожных поездов. Они объединяют набор модулей восприятия, принятия решений и управления, которые в совокупности позволяют транспортным средствам безопасно работать на близких расстояниях - иногда на расстоянии 0,3 секунды временного промежутка (около 10-12 метров при 80 км / ч). Это намного ближе, чем человек-водитель мог бы безопасно поддерживать, и это создает значительные аэродинамические преимущества, которые приводят к экономии топлива.

Восприятие и ощущение

Современные системы автопилота используют слияние датчиков для построения высокоточного модели окружающей среды в реальном времени.

Данные датчика сливаются через вероятностные фильтры (например, фильтры Калмана) для создания надежной карты ситуационной осведомленности. Избыточность имеет решающее значение: если один датчик выходит из строя, система ухудшается изящно, а не резко.

Связь между транспортным средством (V2V)

Системы автопилота в автопоездах в значительной степени полагаются на беспроводную связь с низкой задержкой между транспортными средствами. Протоколы сотовой связи между автомобилями (DSRC) или сотовой связи между автомобилями (C-V2X) позволяют головному транспортному средству транслировать свое ускорение, намерение торможения, угол поворота и предстоящие маневры всем последователям в течение миллисекунд. Эта совместная осведомленность позволяет следующим транспортным средствам реагировать мгновенно, эффективно устраняя задержки времени реакции, которые вводит водитель-человек.

V2V связь также поддерживает кооперативный адаптивный круиз-контроль (CACC), где члены взвода одновременно корректируют свою скорость на основе данных лидера в режиме реального времени, а не полагаются на обратную связь только с датчиком. Это приводит к более плавному, более стабильному взводу и уменьшает фантомные пробки, вызванные перекоррекцией.

Алгоритмы принятия решений и контроля

Основной стек программного обеспечения включает в себя модули планирования и управления. Типичная иерархия включает в себя:

Глубокое обучение усилению было изучено для координации взвода, что позволяет системам изучать оптимальные корректировки зазора и позиционирование полосы движения при различных дорожных и погодных условиях.

Основные особенности систем автопилота для дорожных поездов

В то время как многие передовые системы помощи водителю (ADAS) предлагают базовый адаптивный круиз-контроль и ведение полосы движения, системы автопилота, предназначенные для автономных автопоездов, включают в себя несколько специализированных функций:

Преимущества автономных дорожных поездов

Принятие автопилотных автопоездов дает широкий спектр преимуществ, которые выходят за рамки простой экономии топлива. Эти преимущества сделали взвод приоритетной областью исследований для транспортных агентств и логистических компаний во всем мире.

Повышение безопасности

Человеческая ошибка является фактором более 90% аварий коммерческих автомобилей. Автономное взводство устраняет наиболее опасное поведение человека - отвлечение внимания, усталость, агрессивное вождение и задержку времени реакции. Поскольку следующие транспортные средства реагируют почти мгновенно на торможение лидера (через V2V), риск столкновений сзади резко снижается. В 2022 году совместное исследование Института транспортных исследований Мичиганского университета и Федерального управления безопасности автоперевозчиков показало, что взвод грузовиков может устранить до 44% аварий сзади и 23% инцидентов, связанных с переключением полосы движения.

Кроме того, скоординированное торможение и ускорение предотвращают «эффект аккордеона», который часто вызывает скачки в интенсивном движении. Транспортные средства размещаются оптимально, но система сохраняет достаточный запас, чтобы избежать столкновений в чрезвычайных ситуациях.

Эффективность топлива и сокращение выбросов

Для следующих транспортных средств сопротивление воздуха падает на 20-30%, что приводит к повышению экономии топлива на 10-15%. Ведущий автомобиль также выигрывает (2-5% экономия) из-за снижения давления. Отчет Североамериканского совета по эффективности грузовых перевозок оценивает, что широкое внедрение дорожных поездов может сократить выбросы CO2 от большегрузных грузовиков на 15-20 миллионов метрических тонн в год только в Соединенных Штатах к 2035 году.

Учитывая, что на транспорт приходится почти 30% от общего объема выбросов парниковых газов в США, автономные автомобильные поезда предлагают ощутимый путь к декарбонизации грузов, не требуя совершенно новой архитектуры транспортных средств. Гибридные и электрические грузовики также могут быть интегрированы в взводы, что еще больше снижает общий углеродный след.

Сокращение операционных расходов

Логистические компании сталкиваются с низкой рентабельностью, при этом топливо составляет около 25-30% эксплуатационных расходов на милю. Экономия топлива от взвода напрямую приводит к снижению расходов. Кроме того, снижение износа шин и тормозов (из-за более плавных моделей вождения) сокращает расходы на техническое обслуживание. По некоторым оценкам, общие эксплуатационные расходы снижаются на 10-18% для типичного дальнемагистрального флота, который развертывает автомобильные поезда на 60% своих маршрутов.

Заработная плата водителей остается одной из самых больших единичных затрат, но полностью автономные автомобильные поезда могут в конечном итоге устранить необходимость в водителях в следующих транспортных средствах, что позволит одному водителю-человеку (или удаленному оператору) контролировать конвой из нескольких грузовиков.

Улучшение транспортного потока и пропускной способности дорог

Транспортные средства в дорожном поезде точно синхронизированы, что снижает эффект ударной волны, который вызывает заторы на шоссе. Транспортные средства могут путешествовать с более высокой плотностью - по сути, упаковывая больше грузовиков в одну и ту же длину дороги - без ущерба для безопасности. Исследования моделирования из Европейской комиссии Инициатива, которая использует передовые технологии, чтобы позволить грузовикам путешествовать вместе в тесном пространстве, автоматизированным способом. проект показал, что 25% грузовиков, участвующих в взводе, могут увеличить пропускную способность шоссе до 10% в часы пик.

Поскольку взводы занимают меньше места на транспортное средство, они также облегчают проблему «медленной блокировки грузовика» на правильных полосах движения. Ведущий грузовик может поддерживать постоянную скорость, и следующим грузовикам больше не нужно тормозить и ускоряться из-за запаздывания реакции человека, что приводит к более последовательному потоку движения для всех транспортных средств.

Водительское благополучие и эффективность

Для систем с смешанным экипажем, где водитель остается в ведущем грузовике, автопилот в следующих грузовиках резко снижает усталость водителя. Водители в последующих транспортных средствах могут отдыхать, обрабатывать документы или выполнять другие задачи, в то же время получая оплату за время вождения. Это повышает удовлетворенность работой и помогает бороться с нехваткой водителя. Некоторые пилотные программы сообщили о 30%-м увеличении миль, пройденных в день, потому что водители были менее уставшими и могли юридически максимизировать свои часы обслуживания.

Проблемы и препятствия для усыновления

Несмотря на очевидные преимущества, необходимо преодолеть несколько существенных препятствий, прежде чем автономные автопоезда станут обычным явлением на дорогах общего пользования.

Нормативно-правовые рамки

Ни одна страна еще не приняла всеобъемлющие правила, которые полностью разрешают неконтролируемое автономное взводирование грузовиков на шоссе. В Соединенных Штатах Национальная администрация безопасности дорожного движения (NHTSA) издала добровольные руководящие принципы, но отдельные штаты устанавливают свои собственные правила. Некоторые штаты, такие как Флорида и Техас , разрешили взвод пилотов при определенных условиях, в то время как другие имеют прямые запреты на беспилотные грузовики. Ответственность в случае аварии остается серой зоной: виноват ли водитель? Владелец грузовика? Разработчик программного обеспечения для автопилота? Четкое распределение ответственности имеет важное значение для широкого развертывания.

Кибербезопасность и надежность системы

Дорожные поезда зависят от беспроводной связи и облачных служб управления парком. Это создает большую поверхность атаки для злоумышленников, которые могут подделывать сообщения V2V, заклинивать радар или вводить ложные команды торможения. Компрометированный взвод может вызвать катастрофические столкновения с несколькими транспортными средствами. Разрабатываются системы шифрования, аутентификации сообщений (с использованием инфраструктуры открытого ключа) и обнаружения вторжений, но для автономных систем конвоев не существует стандартизированного протокола безопасности. Необходимо встроить резервирование, такое как резервирование для работы на основе чистых датчиков, чтобы терпеть сбои связи.

Совместимость инфраструктуры

Автономные автопоезда лучше всего работают на автомагистралях с контролируемым доступом с четкой разметкой полосы движения, адекватными вывесками и ограниченным пешеходным движением. Сельские дороги, мосты и туннели могут создавать проблемы. Для отделения автопоездов от смешанного движения могут быть введены выделенные полосы взвода, но это потребует значительных инвестиций в инфраструктуру. Измерение рампы и интеллектуальные дорожные сигналы также могут нуждаться в модернизации для обработки скоординированного входа и выхода из автопоездов.

Общественное принятие и смешанный трафик

Опросы показывают, что многим автомобилистам неудобно ездить рядом или между автономными грузовиками. Близкие следующие расстояния - около 10 метров на высокой скорости - могут восприниматься как небезопасные, даже если они технически не безопасны. Неплатоновые транспортные средства, сокращающие разрыв, являются общей проблемой; система взвода должна реагировать безопасно, не вызывая тревоги у водителей. Для укрепления доверия необходимы кампании государственного образования и расширенные демонстрации в реальном мире. Кроме того, дорожные поезда могут изменить динамику шоссе способами, которые мешают водителям (например, находясь в ловушке за длинным конвоем).

Технологические ограничения

Текущие датчики и вычислительное оборудование, хотя и продвинутое, все еще имеет ограничения. Производительность лидара ухудшается при сильном дожде, снеге или тумане; радар может спутать стационарные объекты под эстакадами; и компьютерное зрение может потерпеть неудачу, когда разметка полосы движения исчезнет или покроется мусором. В то время как слияние датчиков помогает, никакая автоматизированная система еще не доказала свою безупречность во всех условиях окружающей среды. Вычислительная нагрузка обработки данных датчиков высокого разрешения и запуска кооперативных алгоритмов управления раздвигает границы бортового оборудования, и стоимость остается барьером для небольших флотов.

Будущее и следующие шаги

Исследования и разработки продолжаются быстрыми темпами, и несколько крупных игроков движутся к готовым к производству решениям. Проект Европейского союза ENSEMBLE завершился в 2022 году после успешной демонстрации взвода грузовиков от семи различных производителей (DAF, Iveco, MAN, Mercedes-Benz, Scania, Volvo и Renault) на дорогах общего пользования. Эта многобрендовая совместимость имеет решающее значение для создания открытой экосистемы, где любой совместимый грузовик может присоединиться к взводу.

В Соединенных Штатах, финансируемый Департаментом энергетики проект AUTOMATED исследует энергооптимальные системы управления взводом и совместное поведение вождения. Между тем, такие компании, как Locomation разработали систему «лидер-последователь», где ведущий водитель тянет второй беспилотный грузовик, и они нацелены на коммерческое развертывание в конце 2024 года, в ожидании одобрения регулирующих органов.

Еще одним перспективным направлением является использование удаленных «водителей-призраков» или центров телеоперации: один удаленный оператор может контролировать и брать под контроль несколько автопоездов в случае краевых случаев. Этот гибридный подход устраняет разрыв между полностью автономными и управляемыми человеком операциями, ускоряя путь к развертыванию.

Долгосрочные автономные автомобильные поезда могут превратиться в полностью беспилотные логистические сети с длинными магистралями, где электрические или водородные грузовики образуют взводы для длинных автомобильных дорог, а затем делятся на местные поставки. Экономические и экологические последствия глубоки: стоимость перевозимых грузов может снизиться на 25-30%, а выбросы углерода от грузовых перевозок могут быть сокращены вдвое при сочетании с силовыми агрегатами с нулевым уровнем выбросов.

По мере снижения затрат на датчики, увеличения вычислительной мощности и уверенности регуляторов в реальных данных, видение автономных автопоездов переходит от прототипа к практической реальности. Операторы флота, которые начинают исследовать эти системы сейчас, будут лучше всего расположены, чтобы воспользоваться преимуществами следующей революции в грузовых перевозках.