Как автомобили общаются с дорогой и светофорами

V2I: что такое и как работает

Технология V2I (vehicle to infrastructure) — это беспроводной обмен данными между транспортными средствами и дорожной инфраструктурой. Разметка, уличные фонари, шлагбаумы, знаки и светофоры могут передавать информацию автомобилю по беспроводной сети и получать её с помощью RSU (roadside units — придорожного устройства). Такая информация используется для сбора данных и сообщения участникам движения в режиме реального времени о заторах, ДТП, погодных условиях, зонах парковки. Всё это позволяет управлять потоком транспорта, ограничивать скорость, переключать фазы светофоров, повышать безопасность как водителей, так и пешеходов, а впоследствии экономить топливо и сокращать выбросы CO2. 

В современных системах автоматизации и системах ADAS (advanced driver-assistance systems) широко используются датчики, радары, лидары, камеры и высокоточный GPS, которые позволяют водителям отсматривать и анализировать окружающую обстановку, они активно вовлечены в коммуникацию с дорожной инфраструктурой. Лидары позволяют увидеть кошку/собаку/птицу, летящее в машину колесо, какой-то объект в статике, как столб или отбойник, или в динамике. Радары позволяют контролировать положение машины в потоке, по сторонам, сзади, а камера — считывать дорожную разметку.

Для безопасного движения важно не только фиксирование этой информации отдельным авто, но и передача данных другим транспортным средствам по технологии V2V (vehicle to vehicle). Если машины могут через радары определять ситуацию на дороге как зрением, почему бы им не общаться между собой, контролируя скорость потока и создавая более безопасную среду вокруг. 

Помимо V2V и V2I существуют категории V2P (vehicle to pedestrian) и V2N (vehicle to network), которые объединяет в себе V2X (vehicle to everything). Но мы сегодня остановимся только на инфраструктуре.

Функциональная архитектура системы V2I основана на определённых требованиях к производительности. V2I построена на множестве элементов, но есть два основных компонента: компонент приложения инфраструктуры и компонент приложения транспортного средства. Они объединяют и обрабатывают как инфраструктуру, так и данные об автомобилях, чтобы доставить согласованное сообщение для водителей. Информация поступает через беспроводной интерфейс передачи данных. Подобно технологии V2V, V2I использует выделенные частоты связи малого радиуса действия DSRC (dedicated short range communications).

Текущая инфраструктура в мире, и тем более в России, не идеальна для этой технологии. Для полного развёртывания V2I нужно создавать умные решения, о которых речь пойдёт ниже.

Какой апгрейд нужен инфраструктуре? 

Для поддержки цифровой системы необходима улучшенная инфраструктура, которая поможет водителям, камерам и датчикам легче распознавать и декодировать правила дорожного движения. 

Вот несколько новых технологий, которые могут повлиять на качество дороги, безопасность и мобильность.

Усовершенствованная дорожная разметка

Необходима разметка, которая будет видна людям и машинам при любых дорожных условиях: грязи, снеге, слякоти. Она взаимодействует с автоматическими датчиками транспортных средств для обнаружения линий за пределами видимого спектра даже в самых экстремальных погодных условиях.

Подобное решение создали в нидерландском городе Оссе, где был построен экспериментальный участок дороги длиной около 500 метров. Его оснастили специальной дорожной разметкой из люминесцентной краски, которая днём питается от солнца, а в тёмное время суток подсвечивается. 

Умные знаки

Нужны указатели, которые видны людям и машинам в любых дорожных условиях. Световозвращающие знаки обеспечивают лучшую читаемость, что приводит к более точной навигации и быстрому принятию решений как водителями, так и ADAS-системами. 

Например, на весенней конференции CHI 2021 американские инженеры предложили использовать поверхности с катафотным отражающим покрытием, в том числе дорожные знаки, в качестве датчиков умного города. Для этого они предлагают светить на такие поверхности лазером и по изменению светимости отслеживать их колебания. Это позволит фиксировать, к примеру, трафик автомобилей на улицах или прибытие автобуса на остановку. 

Умное покрытие 

Решение от Integrated Roadways состоит из бетонных блоков, начинённых оптоволоконными датчиками и прочими технологиями. Принцип работы похож на тачпад ноутбука: дорога будет точно знать, с какой скоростью и в каком направлении движется машина. Если вдруг случится авария, система мгновенно её вычислит, а потом сама вызовет службу спасения и полицию. То же произойдёт, если автомобиль покинет покрытие со скоростью, которую система посчитает опасной. Если кто-то вылетел с трассы, дорога может отправить уведомления всем водителям, которые окажутся поблизости, чтобы они остановились и помогли — особенно в ночное время.

Пассивные решения

В Европе уже сейчас используют пассивные методы ограничения скорости водителей. Если посмотреть фотографии центральных улиц в Google Maps, мы увидим, что там нет такого обилия знаков, как в России, нет заборов, которые при столкновении превращаются в металлическую шрапнель. В Европе используется брусчатка, подъём дороги делают на 10 см выше (как лежачий полицейский, но более плавный), убирают знаки: такие решения заставляют человека снижать скорость. Таким образом, инфраструктура дороги общается с потоком автомобилей сама. 

Какие V2I-технологии существуют?

• Система предотвращения столкновений на перекрёстках, которая состоит из предупреждения о возможном проезде на красный сигнал светофора, помощи при возможном выезде на перекрёсток или при повороте и предупреждении о нарушении знака «стоп».
• Приложение, в котором светофоры на перекрёстках транслируют текущее состояние фазировки сигнала и время, оставшееся в этой фазе. Это позволяет делать поток плавным, равномерным, без скачкообразных движений.
• Smart Roadside показывает местонахождение и доступность стоянок, ограничения по времени обслуживания, условия движения и график погрузки/разгрузки для внутренней логистики.
• Предупреждение о негабаритных размерах, которое уведомляет водителей, если их транспортное средство не может проехать через мост или тоннель.
• Предупреждение об ограничении полосы движения для автомобилей с высокой загруженностью, общественного или специального транспорта.
• Другие варианты предупреждений: о скорости на повороте, о сниженной скорости, о пешеходах на переходе для общественного транспорта, о пересечении железной дороги, о погодных условиях и так далее.

Изменится ли цена автомобилей с таким комплектом технологий?

Поточное производство ненамного увеличивает стоимость конечного продукта, оно позволяет сделать себестоимость автомобиля достаточно низкой. Внедрение новых разработок ведётся не только производителями — есть поставщики первого уровня (Tier-1 suppliers), которые создают технологии для нескольких игроков на рынке. Они предлагают готовые или полуготовые решения в направлении автоматического управления. К примеру, создают лазерный детектор, у которого три или пять лучей для разных ценовых категорий. Появляются новые стандарты для дополнительного оборудования, CAN-шина, объединяющая различные узлы и электронные системы автомобиля. Другими словами, автопроизводители движутся в сторону стандартизации внутренних и операционных систем, уходя от индивидуальных решений, где это целесообразно и возможно. Компании предпочитают купить разработку за приемлемые деньги, не вкладываясь в неё с нуля. А поставщикам первого уровня выгодно сделать решение, которое в последующем можно продать нескольким автопроизводителям. Кому-то его отдают в готовом виде в базовой комплектации, а кто-то просит доработки на техническом или программном уровне, добавляя количество рабочих лучей лазерному детектору или алгоритм распознавания объектов. Таким образом, стоимость разработок размывается на разных автопроизводителей, и все игроки, включая конечных пользователей, остаются в плюсе.

Как у России?

ГЛОНАСС

В области V2I в России реализуются или уже реализованы некоторые инфраструктурные проекты. Самый известный из них — создание государственной системы экстренного реагирования при авариях ЭРА-ГЛОНАСС. У компаний с собственным автопарком есть решения для мониторинга транспортных средств, похожие услуги появились и для владельцев частных автомобилей (например, охранно-поисковые).

Умный светофор

В Москве проходит цифровизация дорожной инфраструктуры и введён в эксплуатацию «Умный светофор».

В нём есть:

• индикатор обратного отсчёта;
• дополнительная подсветка при переходе на зелёный;
• камера видеонаблюдения;
• вывод на светодиодный блок дополнительной информации, например, температуры воздуха;
• коммутатор Wi-Fi, предоставляющий пешеходам доступ к информационным сервисам.

В 2019 году Мостранспроект проводил эксперимент по подсветке зебр «умными светофорами» на четырёх перекрёстках — и по сравнению с 2018 годом, в 2019-м аварии с участием детей сократились на 100%. А ещё новые светофоры адаптированы для слабовидящих и слабослышащих людей и имеют графический обратный отсчёт времени. Сама замена светофоров на светодиодные позволила не только снизить нагрузку на энергосети, но и сделала их более заметными. 

Разрешённая скорость

При ухудшении погодных условий на ЗСД и на МКАДе меняются таблички разрешённой скорости, но при этом камеры, которые фиксируют правонарушения, не перестраиваются:( 

Инфраструктура

Что касается самой инфраструктуры, мне кажется, Россия отстаёт от США и Европы на 30–40 лет. Полвека назад в Америке была автомобилизация, развитие городов было заточено на автомобилистов. И это то, что мы наблюдаем в России. А как сейчас у них? Они просматривают пробки и могут удалённо переключить режимы работы светофоров, разгружая какие-то участки и перенаправляя заторы в другие места. Более того, они могут специально спекулировать на пробках. 

Дорожная инфраструктура должна быть централизованной и работать под управлением единой системы, у которой есть определённая цель: должен быть исключён человеческий фактор, который преследует интересы конкретного индивидуума, ведь важен баланс трафика и безопасность горожан.

Что ждёт?

По предварительным оценкам V2I может предотвратить до 75% всех ДТП. Спецтранспорт сможет оперативнее добраться до пострадавших, чтобы спасти жизни, безопасно проезжая через красный свет. Умный перекрёсток может обнаружить пешехода, переходящего дорогу, или других участников дорожного движения, которые могут представлять опасность, и предупреждать транспортные средства. 

Одним из экономических последствий будет переоценка времени горожан. Водитель сможет использовать поездку для других дел, для бизнеса или для удовольствия. Автомобиль перестанет быть элементом роскоши, как сейчас считается в России, и останется просто средством передвижения. Отразится это и на экологии: к примеру, по результатам испытания Eco-Speed ​​Control, автоматизированное решение V2I показало экономию расхода топлива и времени в пути примерно на 37,8% и 9,3% соответственно.

V2I имеет решающее значение для автономных транспортных средств: оптимизация трафика, предупреждения о светофорах, поворотах. Как изменятся дороги и дорожная инфраструктура, чтобы приспособиться к будущим беспилотным автомобилям? Возможным решением будут платные дороги или отдельно созданные полосы с подключёнными технологиями. С них может взиматься автоматическая плата, эти дороги будут иметь больше датчиков и будут более подготовленными. Конечно, увеличится влияние на инфраструктуру на первом этапе сосуществования традиционных и беспилотных транспортных средств.

Активные тестирования умных дорог и технологий V2I проходят в Огайо и Аризоне, умный асфальт появился в Колорадо, умные парковочные системы уже внедрены в Великобритании, Новой Зеландии и Австралии. Закономерно, что полноценные решения появятся, к сожалению, не в России. Это возможно в таких странах, как Норвегия или Германия, где уже есть какие-то решения для города будущего. Надеюсь, что получится застать это время.