La start-up de l'Université Carnegie Mellon a l'intention de conduire une intersection en utilisant la radio dans les voitures futures
La vie est courte et dans le trafic, elle semble encore plus courte. Ou lorsque vous vous tenez à un feu de circulation, le feu rouge est allumé et personne ne roule sur la route transversale.
Dans les banlieues de villes comme Mexico, Sao Paulo, Rome, Moscou, Pékin, Le Caire et Nairobi, la route du matin pour aller au travail peut dépasser deux heures. Ajoutez ici le chemin du retour du travail, et il arrive souvent que les gens passent 3-4 heures sur la route quotidiennement.
Imaginez que nous pourrions développer un système qui réduirait l'aller-retour quotidien, par exemple, d'un tiers - de trois à deux heures. Cela peut vous faire économiser 22 heures par mois, ou 3 ans dans une carrière de 35 ans.
Prenez courage, voyageurs malheureux au travail et à la maison, car un tel système est déjà en cours de développement, et il est basé sur plusieurs technologies récentes. L'un d'eux est la communication sans fil entre les voitures. Elle est souvent appelée technologie V2V (véhicule à véhicule), bien que les feux de circulation et d'autres infrastructures puissent également être inclus dans cette connexion. Une autre technologie émergente est la robotique, qui, par sa nature, devrait réduire le temps de déplacement pour se rendre au travail (et rendre ce temps plus productif). Et il y a aussi l'
Internet des objets (IoT), qui promet de réunir non seulement 7 milliards de personnes, mais aussi 30 milliards de capteurs et d'appareils.
Toutes ces technologies peuvent être conçues pour fonctionner ensemble en utilisant un algorithme que mes collègues et moi avons développé à l'Université Carnegie Mellon à Pittsburgh. L'algorithme permet aux voitures de travailler ensemble en utilisant leurs systèmes de messagerie embarqués afin que les voitures se déplacent en douceur et en toute sécurité sans utiliser de feux de circulation. Pour ce projet, nous avons enregistré la société Virtual Traffic Lights [feux de circulation virtuels] (VTL), soigneusement vérifié l'algorithme dans les simulations, et depuis mai 2017, ce projet travaille près du campus universitaire. En juillet, nous avons présenté pour la première fois au public la technologie VTL en Arabie saoudite, à laquelle ont assisté plus de 100 scientifiques, fonctionnaires et représentants de sociétés privées.
Les résultats des tests ont confirmé ce que nous soupçonnions déjà: il était temps de refuser les feux de circulation. Nous n'avons rien à perdre, mais d'innombrables heures assises dans une voiture dans la circulation.
Le principe du feu de circulation n'a pas beaucoup changé depuis que cet appareil a été inventé en 1912 et introduit à Salt Lake City, et deux ans plus tard à Cleveland [
il vaut la peine de préciser que nous parlons du premier feu de signalisation électrique. Le premier appareil à commande manuelle a été inventé à Londres au 19e siècle / env. perev. ]. Cela fonctionne sur une minuterie, donc parfois vous vous tenez rouge à l'intersection et ne voyez pas d'autres voitures à proximité. la minuterie peut être ajustée pour correspondre aux mouvements à différents moments de la journée, mais c'est pratiquement tout ce qui peut être fait - et ce n'est pas tellement [
ici les auteurs sont rusés - il y a longtemps des systèmes de contrôle automatique du trafic avec des caméras qui captent le trafic, et systèmes de contrôle du trafic à distance depuis le centre, où les gens surveillent la congestion du trafic / env. perev. ]. En conséquence, beaucoup de gens passent beaucoup de temps chaque jour.
Imaginez qu'au lieu de cela, plusieurs voitures conduisent à une intersection, échangeant des données grâce à la technologie V2V. Ils votent ensemble et choisissent une voiture de tête pendant une certaine période au cours de laquelle elle décide dans quelle direction devenir le principal - l'équivalent du feu vert - et dans quelle direction «le rouge brille».
Les émetteurs-récepteurs IEEE 802.11p envoient des messages 10 fois par seconde. Le message indique les coordonnées de la machine et le sens de déplacement.
L'algorithme reçoit des données, les ajoute aux données d'autres machines et les compare avec des cartes numériques.Et qui a la route principale? Tout se passe très simplement et avec respect. Le leader attribue un statut de feu rouge à sa direction de déplacement et donne le feu vert à toutes les voitures circulant perpendiculairement. Après, disons, 30 secondes, une autre machine, dans un écoulement perpendiculaire, devient le leader, et fait de même. Le leadership est constamment transféré ici et là pour partager honnêtement la responsabilité et le fardeau - après tout, la position d'un leader est liée au sacrifice des intérêts personnels pour le bien commun.
Avec cette approche, aucun feu de circulation n'est nécessaire. Le travail de contrôle du trafic se dissout parfaitement dans l'infrastructure sans fil. Vous ne serez plus assis dans la voiture, debout au feu rouge si personne ne roule dans une rue transversale.
Notre algorithme VTL sélectionne les leaders en interrogeant des paramètres tels que la distance à la voiture avant de chaque entrée à l'intersection, la vitesse des voitures, le nombre de voitures sur chaque route, etc. Toutes choses étant égales par ailleurs, l'algorithme sélectionne la voiture la plus éloignée de l'intersection pour qu'elle ait le temps de freiner. Cette règle garantit que le véhicule le plus proche du rond-point a la priorité, c'est-à-dire un feu vert virtuel.
Il est important de noter que la technologie n'a pas besoin de caméras, radars et lidars. Il reçoit toutes les informations des systèmes sans fil fonctionnant via des communications dédiées à courte portée (
DSRC ). Ce sont des circuits radio et un canal de communication qui leur sont alloués, développés aux USA, en Europe et au Japon de 1999 à 2008, et permettant aux voitures proches de communiquer entre elles. Les développeurs de DSRC ont envisagé diverses options pour utiliser la norme, notamment la collecte d'argent pour l'utilisation des routes à péage et le régulateur de vitesse adaptatif coopératif - ainsi que la fonction pour laquelle nous l'utilisons pour éviter les collisions aux intersections.
Depuis l'usine, le système DSRC est installé sur un petit nombre de machines (et, éventuellement, la nouvelle technologie 5G
le remplacera ). Mais ces émetteurs-récepteurs
peuvent être achetés , et ils ont toutes les fonctionnalités dont nous avons besoin. Ils utilisent la
norme IEEE 802.11p et sont tenus d'envoyer des messages dix fois par seconde. Le message doit indiquer les coordonnées et la direction du mouvement du véhicule. Notre algorithme, fonctionnant sur l'ordinateur d'une voiture, reçoit des données sur la voiture, ajoute les données qu'il reçoit des voisines et impose le résultat sur des cartes numériques telles que Google Maps, Apple Maps ou OpenStreetMap.
De cette façon, chaque voiture peut calculer la distance jusqu'à l'intersection et aux autres voitures qui s'en approchent à partir d'autres directions. Elle peut également calculer la vitesse, l'accélération et la trajectoire de chacune des machines. Et c'est tout ce dont l'algorithme a besoin pour décider qui traversera l'intersection (feu vert) et qui doit s'arrêter (rouge). Après cela, le tableau de bord de chaque voiture affichera la couleur du feu de circulation, propre à chaque conducteur. Bien entendu, l'algorithme VTL ne résout que le problème du contrôle du trafic aux intersections, la définition des panneaux "stop" et "céder". Il ne conduit pas de voiture. Mais travaillant dans son domaine, VTL est capable de faire tout ce qu'il faut et est beaucoup moins cher que la technologie automobile entièrement autonome. Les robots ont besoin de beaucoup plus de puissance de calcul juste pour comprendre les données provenant de leurs lidars, radars, caméras et autres capteurs, et plus encore, en les combinant, ils obtiennent une image de l'espace environnant. VTL ne rivalise pas avec la technologie des robots, elle les complète.
Notre méthode peut être imaginée comme le remplacement d'une règle pratique par une véritable intelligence. L'algorithme permet aux machines de contrôler elles-mêmes le trafic, comme c'est le cas pour les colonies d'insectes et les bancs de poissons. Un banc de poissons change en même temps sa direction de mouvement, sans qu'un contrôleur de la circulation en chef dirige ses membres individuels. Chaque poisson reçoit des informations sur les mouvements des poissons voisins.
Ceci est un exemple du comportement d'un système distribué comme alternative à un réseau centralisé. Avec son aide, un parc automobile dans une ville peut réguler indépendamment le trafic sans contrôle centralisé ni intervention humaine - pas de police, de feux de circulation, d'arrêts ou de panneaux de signalisation.
Nous n'avons pas inventé le concept d'intersections intelligentes, il existe depuis plusieurs décennies. L'une des premières idées a été d'installer des bobines magnétiques sous la surface de l'asphalte, ce qui déterminerait l'approche des voitures à l'intersection et ajusterait la durée des phases verte et rouge. Vous pouvez également utiliser des caméras aux intersections pour calculer les voitures qui approchent et calculer le meilleur moment pour les phases du feu de circulation. Mais les deux technologies sont coûteuses à installer et à entretenir, et sont donc installées à quelques intersections.
Nous avons commencé par introduire l'algorithme VTL dans des modèles virtuels de deux villes: Pittsburgh aux USA et Porto au Portugal. Nous avons pris les données de trafic du Bureau du recensement des États-Unis et de l'agence portugaise compétente, ajouté des cartes de Google Maps et tout alimenté à SUMO (
Simulation of Urban Mobility , un simulateur de trafic urbain) - un logiciel open source développé par le Centre aérospatial allemand.
SUMO a simulé l'heure de pointe dans deux scénarios - l'un utilisant les feux de circulation existants, l'autre utilisant notre algorithme VTL. VTL a permis de réduire le temps de trajet moyen de 35 minutes à 21,3 minutes à Porto et de 30,7 minutes à 18,3 minutes à Pittsburgh. La diminution du temps de déplacement des personnes entrant dans la ville depuis les banlieues a diminué de pas moins de 30%, et jusqu'à 60%. Il est important de noter que la variation du temps de trajet - l'écart de la quantité par rapport à la moyenne - a également diminué.
Schéma de sélection des leadersLe temps est gagné pour deux raisons. Tout d'abord, VTL élimine le temps d'attente au feu rouge lorsque personne ne roule sur un carrefour. Deuxièmement, VTL contrôle le trafic à toutes les intersections, et pas seulement là où il y a des signaux actifs. Par conséquent, les voitures n'ont pas dû, par exemple, s'arrêter là où il y a un panneau d'arrêt, s'il n'y avait pas d'autres voitures à proximité.
Nos simulations ont démontré d'autres avantages - peut-être même plus importants que le gain de temps. Le nombre d'accidents de la circulation a diminué de 70% et, pour la plupart, les réductions se sont produites aux intersections et aux panneaux d'arrêt. De plus, en minimisant le temps passé devant un feu de circulation, à accélérer et à freiner, VTL réduit considérablement les émissions de carbone des voitures.
Que faudra-t-il pour transférer VTL du laboratoire au monde réel? Vous devez d'abord intégrer DSRC dans des voitures fabriquées. En 2014, la National Highway Traffic Safety Administration des États-Unis a proposé d'utiliser cette technologie, mais l'administration Trump n'a pas encore élaboré les règles appropriées, et la décision finale ne sera pas encore clairement définie. Par conséquent, les fabricants aux États-Unis hésiteront à intégrer des émetteurs-récepteurs DSRC dans les machines, car ils augmentent leur coût et ne seront utiles que s'ils sont sur d'autres machines - un problème standard de poulet et d'oeuf.
Jusqu'à ce qu'un nombre suffisant de machines soient équipées de tels dispositifs, l'échelle de production restera faible et le coût restera élevé. Aux États-Unis, seule General Motors a commencé à intégrer des radios DSRC dans les voitures, et toutes sont des modèles Cadillac coûteux. Cependant, en Europe et au Japon, le tableau est plus positif. De nombreux constructeurs automobiles européens ont décidé d'intégrer ces émetteurs-récepteurs dans les voitures, et cette année, cela a commencé au Japon, où le gouvernement préconise l'utilisation de la technologie, et le géant de la fabrication Toyota a confirmé à plusieurs reprises sa disponibilité pour cette étape.
Mais même si rien ne se passe avec DSRC, notre algorithme peut être construit sur la base d'autres technologies sans fil, par exemple la 5G ou le Wi-Fi.
Le concept de pénétration incomplète de l'émetteur-récepteur soulève la question de l'un des plus grands obstacles à la mise en œuvre de VTL. Cela peut-il fonctionner si seulement un petit pourcentage de voitures sont équipées d'émetteurs? Oui, si les autorités décident d'équiper les feux de circulation existants de cette technologie.
Les autorités voudront peut-être le faire, ne serait-ce que dans ce cas, afin de ne pas abandonner l'infrastructure existante qui vaut des centaines de milliards de dollars. Nous proposons une solution à court terme à ce problème: vous pouvez mettre à jour les feux de circulation existants afin qu'ils puissent reconnaître la présence de voitures équipées de DSRC sur la route, et définir en conséquence les phases verte et rouge. La beauté de ce schéma est que toutes les voitures peuvent utiliser les routes et l'intersection, indépendamment de la présence d'une radio. Cette approche peut ne pas réduire le temps autant que la solution idéale, mais elle sera toujours 23% meilleure que les systèmes de gestion du trafic actuels, selon nos simulations et essais sur le terrain à Pittsburgh.
Un autre problème est de savoir comment gérer les piétons et les cyclistes. Même si toutes les voitures et tous les camions sont équipés de force d'émetteurs-récepteurs, on ne peut pas s'attendre à ce que les cyclistes les installent et soient transportés par des piétons. Pour cette raison, il sera difficile pour les gens de traverser en toute sécurité les intersections achalandées.
Notre solution à court terme, pour la période d'existence commune des feux de circulation et de VTL, est de donner aux piétons la possibilité d'aménager leur propre route principale. Dans notre programme pilote à Pittsburgh, nous avons placé un bouton qui allume un feu rouge - réel pour les piétons et virtuel pour les voitures - sur les quatre côtés de l'intersection. Ce système fonctionnait à chaque fois qu'il était activé.
À long terme, les problèmes des cyclistes et des piétons peuvent être résolus à l'aide de l'Internet des objets. Avec l'extension IoT, le temps viendra où tout le monde portera toujours un appareil prenant en charge DSRC.
Dans l'intervalle, nous avons démontré que dans des conditions idéales, sans aucun signal physique, les voitures votant pour l'emprise peuvent allouer une partie du cycle aux piétons. Pendant le quart de travail, un feu rouge virtuel est allumé dans toutes les voitures à toutes les entrées de l'intersection, et dure suffisamment longtemps pour que les piétons traversent la route en toute sécurité. Cette solution préliminaire ne sera pas optimale pour un flux dense, nous travaillons donc sur une méthode qui utilise des caméras peu coûteuses montées sur le tableau de bord des voitures, qui devraient aider à remarquer les piétons et à leur faire place.
La technologie prometteuse des feux tricolores virtuels fait l'approche de l'ère des robots. Aujourd'hui, nous imaginons que de telles voitures feront tout ce que font les conducteurs humains: s'arrêter aux feux de circulation, céder le passage aux panneaux «céder le passage», etc. Mais pourquoi réaliser l'automatisation de moitié? Il serait préférable que de telles machines contrôlent le mouvement de manière complètement indépendante sans les signes et les signaux habituels. La clé pour y parvenir est le V2V et l'infrastructure de ces communications.
Ceci est important, car les robots motorisés d'aujourd'hui échouent souvent à naviguer et à traverser les intersections très fréquentées. C'est l'un des problèmes techniques les plus difficiles, et cela continue de déranger même le leader de l'industrie Waymo.
Dans nos simulations et essais sur le terrain, nous avons constaté que les robots motorisés équipés de VTL peuvent contrôler les intersections d'intersection sans feux ni panneaux de signalisation. L'absence de besoin de reconnaître ces objets simplifie considérablement les algorithmes de vision par ordinateur et les ordinateurs qui les exécutent, sur lesquels les robots expérimentaux d'aujourd'hui s'appuient. Ces éléments au total, ainsi que les capteurs (en particulier les lidars) représentent la partie la plus chère des robots.
L'architecture logicielle de VTL étant modulaire, il sera facile de l'intégrer dans le logiciel robomobile. De plus, VTL est capable de résoudre la plupart, sinon la totalité, des problèmes les plus complexes liés à la vision par ordinateur - par exemple, si le soleil brille dans la caméra, ou que la pluie, la neige, la tempête de sable ou les virages de la route bloquent la vue. VTL, bien sûr, n'est pas en concurrence avec la technologie robotique; il les complète. Et cela peut à lui seul accélérer le lancement des robots sur la route.
Mais nous espérons que bien avant ce point, notre système fonctionnera dans des machines que les gens contrôlent. Déjà en juillet, nous avons pu organiser une démonstration publique de la technologie dans la ville de Riyad en Arabie Saoudite, avec une chaleur de 43 ° C, avec des appareils installés sur des machines d'essai. Des représentants du gouvernement, du monde universitaire et des entreprises - y compris Uber - sont montés dans un bus Mercedes-Benz et ont contourné le campus scientifique et technologique du roi Abdulaziz, traversant trois intersections, dont deux sans feux de circulation. Le bus, ainsi que le camion GMC, le SUV Hyundai et la voiture de tourisme Citroën ont traversé ces intersections de toutes les manières possibles, et le système VTL a fonctionné à chaque fois avec succès. Lorsqu'un conducteur n'a pas spécifiquement obéi au feu rouge et a tenté de traverser l'intersection, notre système de sécurité a fonctionné en montrant un rouge clignotant à toutes les autres voitures qui s'approchaient, ce qui a empêché l'incident.
J'espère que ce moment a marqué un tournant dans notre système de gestion des transports. Les feux de circulation ont fait leur chemin. Et en effet, ils existent depuis plus de cent ans. Il est temps de passer à autre chose.