Startup da Universidade Carnegie Mellon pretende impulsionar a interseção usando o rádio em carros futuros
A vida é curta e, no trânsito, parece ainda mais curta. Ou quando você está parado em um semáforo, o sinal vermelho está aceso e ninguém está dirigindo pela estrada.
Nos subúrbios de cidades como Cidade do México, São Paulo, Roma, Moscou, Pequim, Cairo e Nairóbi, o trajeto matinal para o trabalho pode exceder duas horas. Adicione aqui a estrada do trabalho para casa, e muitas vezes acontece que as pessoas passam 3-4 horas na estrada diariamente.
Imagine que poderíamos desenvolver um sistema que reduzisse a viagem de ida e volta diária, por exemplo, em um terço - de três para duas horas. Isso pode economizar 22 horas por mês ou 3 anos em uma carreira de 35 anos.
Animem viajantes infelizes ao trabalho e em casa, pois esse sistema já está sendo desenvolvido e é baseado em várias tecnologias recentes. Um deles é a comunicação sem fio entre carros. É freqüentemente chamada de tecnologia V2V (veículo para veículo), embora sinais de tráfego e outras infra-estruturas também possam estar incluídos nesta conexão. Outra tecnologia emergente são os robomobiles, que por natureza devem reduzir o tempo de viagem ao trabalho (e tornar esse tempo mais produtivo). E há também a
Internet das Coisas (IoT), que promete reunir não apenas 7 bilhões de pessoas, mas também 30 bilhões de sensores e dispositivos.
Todas essas tecnologias podem ser trabalhadas em conjunto usando um algoritmo que eu e meus colegas desenvolvemos na Carnegie Mellon University, em Pittsburgh. O algoritmo permite que os carros trabalhem juntos usando seus sistemas de mensagens a bordo, para que os carros se movam de maneira suave e segura sem o uso de semáforos. Para este projeto, registramos a empresa Virtual Traffic Lights (VTL), verificamos cuidadosamente o algoritmo nas simulações e, desde maio de 2017, esse projeto está funcionando próximo ao campus da universidade. Em julho, demonstramos pela primeira vez ao público a tecnologia VTL na Arábia Saudita, com a participação de mais de 100 cientistas, funcionários do governo e representantes de empresas privadas.
Os resultados dos testes confirmaram o que já suspeitávamos: era hora de recusar os semáforos. Não temos nada a perder, mas inúmeras horas sentadas em um carro no trânsito.
O princípio do semáforo não mudou muito desde que esse dispositivo foi inventado em 1912 e introduzido em Salt Lake City, e dois anos depois em Cleveland [
vale a pena esclarecer que estamos falando do primeiro semáforo elétrico. O primeiro dispositivo com acionamento manual foi inventado em Londres no século XIX / aprox. perev. ] Funciona em um cronômetro. Às vezes, você fica vermelho no cruzamento e não vê outros carros por perto. o temporizador pode ser ajustado para corresponder aos padrões de movimento em diferentes momentos do dia, mas isso é praticamente tudo o que pode ser feito - e não é muito [
aqui os autores são astutos - há muito tempo sistemas automáticos de controle de tráfego com câmeras que capturam tráfego e sistemas de controle remoto de tráfego do centro, onde as pessoas monitoram o congestionamento / aprox. perev. ] Como resultado, muitas pessoas passam muito tempo todos os dias.
Imagine que, em vez disso, vários carros chegam a um cruzamento, trocando dados graças à tecnologia V2V. Eles votam em conjunto e escolhem um carro líder por um certo período em que ele decide em qual direção se tornar a principal - o equivalente à luz verde - e em qual direção o “vermelho brilha”.
Os transceptores IEEE 802.11p enviam mensagens 10 vezes por segundo. A mensagem indica as coordenadas da máquina e a direção do movimento.
O algoritmo recebe dados, os adiciona aos dados de outras máquinas e os compara com cartões digitais.E quem tem a estrada principal? Tudo acontece de maneira muito simples e com respeito. O líder atribui um status de luz vermelha à sua direção de movimento e dá luz verde a todos os carros que viajam perpendicularmente. Após, digamos, 30 segundos, outra máquina, em um fluxo perpendicular, se torna o líder e faz o mesmo. A liderança é constantemente transferida aqui e ali para compartilhar honestamente a responsabilidade e o ônus - afinal, a posição de um líder está ligada ao sacrifício de interesses pessoais pelo bem comum.
Com essa abordagem, nenhum semáforo é necessário. O trabalho de controle de tráfego se dissolve perfeitamente na infraestrutura sem fio. Você não estará mais sentado no carro, parado no semáforo vermelho, se ninguém estiver dirigindo ao longo de uma rua transversal.
Nosso algoritmo VTL seleciona líderes interrogando parâmetros como a distância do carro da frente de cada entrada ao cruzamento, a velocidade dos carros, o número de carros em cada estrada, etc. Sendo outras coisas iguais, o algoritmo seleciona o carro localizado mais distante do cruzamento para que ele tenha tempo para frear. Essa regra garante que o veículo mais próximo à rotatória obtenha o caminho certo - ou seja, uma luz verde virtual.
É importante observar que a tecnologia não precisa de câmeras, radares e lidares. Ele recebe todas as informações de sistemas sem fio que operam por meio de comunicações dedicadas de curto alcance (
DSRC ). Estes são circuitos de rádio e um canal de comunicação alocado para eles, desenvolvido nos EUA, Europa e Japão de 1999 a 2008, e permitindo que carros próximos se comuniquem. Os desenvolvedores do DSRC previram várias opções para o uso do padrão, incluindo a coleta de dinheiro para o uso de estradas com pedágio e o controle de cruzeiro adaptativo cooperativo - bem como exatamente a função para a qual o usamos para evitar colisões nos cruzamentos.
De fábrica, o sistema DSRC é instalado em um pequeno número de máquinas (e, possivelmente, a nova tecnologia 5G
o substituirá ). Mas esses transceptores
podem ser comprados e possuem toda a funcionalidade de que precisamos. Eles usam o
IEEE Standard 802.11p e são obrigados a enviar mensagens dez vezes por segundo. A mensagem deve indicar as coordenadas e a direção do movimento do veículo. Nosso algoritmo, trabalhando no computador de um carro, recebe dados no carro, adiciona os dados recebidos dos vizinhos e sobrepõe o resultado em cartões digitais como Google Maps, Apple Maps ou OpenStreetMap.
Dessa maneira, cada carro pode calcular a distância do cruzamento e de outros carros que se aproximam de outras direções. Ela também pode calcular a velocidade, aceleração e trajetória de cada uma das máquinas. E é tudo o que o algoritmo precisa para decidir quem passará pelo cruzamento (luz verde) e quem precisará parar (vermelho). Depois disso, o painel de cada carro mostrará a cor do semáforo, própria para cada motorista. Obviamente, o algoritmo VTL resolve apenas o problema do controle de tráfego nos cruzamentos, a definição dos sinais "parar" e "ceder". Ele não dirige um carro. Mas trabalhando em seu campo, a VTL é capaz de fazer o que for preciso e é muito mais barata que a tecnologia automotiva totalmente autônoma. Os robomobiles precisam de muito mais poder computacional apenas para descobrir os dados provenientes de seus lidares, radares, câmeras e outros sensores e, ainda mais, combinando-os para obter uma imagem do espaço circundante. A VTL não compete com a tecnologia dos robomobiles, complementa-os.
Nosso método pode ser imaginado como uma substituição de uma regra prática pela verdadeira inteligência. O algoritmo permite que as máquinas controlem o tráfego elas mesmas, assim como nas colônias de insetos e cardumes de peixes. Um cardume de peixes muda ao mesmo tempo sua direção de movimento, sem que algum controlador de tráfego principal direcione seus membros individuais. Cada peixe recebe informações de movimento dos peixes vizinhos.
Este é um exemplo do comportamento de um sistema distribuído como uma alternativa a uma rede centralizada. Com sua ajuda, uma frota de carros em uma cidade pode regular de forma independente o tráfego sem controle centralizado e intervenção humana - sem polícia, semáforos, parar ou ceder sinais.
Não inventamos o conceito de interseções inteligentes; ele existe há várias décadas. Uma das primeiras idéias era instalar bobinas magnéticas sob a superfície do asfalto, o que determinaria a abordagem dos carros até o cruzamento e ajustaria a duração das fases verde e vermelha. Você também pode usar câmeras nos cruzamentos para calcular os carros que se aproximam e calcular o melhor horário para as fases do semáforo. Mas ambas as tecnologias são caras de instalar e manter e, portanto, são instaladas em poucas interseções.
Começamos introduzindo o algoritmo VTL em modelos virtuais de duas cidades: Pittsburgh nos EUA e Porto em Portugal. Pegamos os dados de tráfego do US Census Bureau e da agência portuguesa relevante, adicionamos mapas do Google Maps e alimentamos tudo com o SUMO (
Simulation of Urban Mobility , um simulador de tráfego urbano) - software de código aberto desenvolvido pelo Centro Aeroespacial Alemão.
O SUMO simulou a hora do rush em dois cenários - um usando semáforos existentes e outro usando nosso algoritmo VTL. Verificou-se que o VTL reduz o tempo médio de viagem de 35 minutos para 21,3 minutos no Porto e de 30,7 minutos para 18,3 minutos em Pittsburgh. A diminuição no tempo de viagem das pessoas que entram na cidade a partir dos subúrbios diminuiu em nada menos que 30% e até 60%. É importante ressaltar que a variação no tempo de viagem - o desvio da quantidade em relação à média - também diminuiu.
Esquema de Seleção de LíderesO tempo é economizado por dois motivos. Em primeiro lugar, o VTL elimina o tempo de espera no semáforo vermelho quando ninguém está dirigindo pela estrada. Em segundo lugar, a VTL controla o tráfego em todas as interseções e não apenas onde há sinais ativos. Portanto, os carros não precisavam, por exemplo, parar onde havia um sinal de parada, se não houvesse outros carros por perto.
Nossas simulações demonstraram outros benefícios - talvez até mais importantes do que economizar tempo. O número de acidentes de trânsito diminuiu 70% e, em grande parte, as reduções ocorreram nos cruzamentos e nos sinais de parada. Além disso, minimizando o tempo gasto em frente a um semáforo, acelerando e freando, o VTL reduz significativamente as emissões de carbono dos carros.
O que será necessário para transferir a VTL do laboratório para o mundo real? Primeiro você precisa construir no DSRC em carros fabricados. Em 2014, a Administração Nacional de Segurança no Trânsito nas Rodovias dos Estados Unidos propôs o uso dessa tecnologia, mas a administração Trump ainda não desenvolveu as regras apropriadas e ainda não está claro qual será a decisão final. Portanto, os fabricantes nos Estados Unidos relutam em integrar os transceptores DSRC nas máquinas, pois aumentam seu custo e só serão úteis se estiverem em outras máquinas - um problema comum de ovos e galinhas.
Até que um número suficiente de máquinas esteja equipado com esses dispositivos, a escala de produção permanecerá baixa e o custo permanecerá alto. Nos EUA, apenas a General Motors começou a integrar rádios DSRC nos carros, e todos eles são modelos Cadillac caros. No entanto, na Europa e no Japão, o quadro é mais positivo. Muitas montadoras européias decidiram integrar esses transceptores nos carros, e este ano começou no Japão, onde o governo defende o uso da tecnologia, e a gigante manufatureira Toyota confirmou repetidamente sua prontidão para esta etapa.
Mas mesmo que nada aconteça com o DSRC, nosso algoritmo pode ser construído com base em outras tecnologias sem fio, por exemplo, 5G ou Wi-Fi.
O conceito de penetração incompleta do transceptor levanta a questão de um dos maiores obstáculos à implementação da VTL. Pode funcionar se apenas uma pequena porcentagem de carros estiver equipada com transmissores? Sim, se os funcionários decidirem equipar os semáforos existentes com esta tecnologia.
As autoridades podem querer fazer isso, se for o caso, para não abandonar a infraestrutura existente no valor de centenas de bilhões de dólares. Oferecemos uma solução de curto prazo para esse problema: você pode atualizar os semáforos existentes para que possam reconhecer a presença de carros equipados com DSRC na estrada e, consequentemente, definir as fases verde e vermelha. A beleza desse esquema é que todos os carros podem usar as estradas e o cruzamento, independentemente da presença de um rádio. Essa abordagem pode não reduzir o tempo tanto quanto a solução ideal, mas ainda será 23% melhor que os sistemas atuais de gerenciamento de tráfego, de acordo com nossas simulações e testes de campo em Pittsburgh.
Outro problema é como lidar com pedestres e ciclistas. Mesmo que todos os carros e caminhões sejam equipados à força com transceptores, não se pode esperar que os ciclistas os montem e sejam transportados por pedestres. Por isso, será difícil para as pessoas atravessarem com segurança cruzamentos movimentados.
Nossa solução de curto prazo, durante o período de existência conjunta de semáforos e VTL, é dar aos pedestres a oportunidade de organizar sua própria estrada principal. Em nosso programa piloto em Pittsburgh, colocamos um botão que acende uma luz vermelha - real para pedestres e virtual para carros - nos quatro lados do cruzamento. Este sistema funcionava toda vez que era ativado.
A longo prazo, os problemas de ciclistas e pedestres podem ser resolvidos com a ajuda da Internet. Com a extensão da IoT, chegará o momento em que todos sempre levarão um dispositivo compatível com DSRC.
Enquanto isso, demonstramos que, em condições ideais, sem sinais físicos, os carros que votam pelo direito de passagem podem alocar parte do ciclo aos pedestres. Durante o turno, uma luz vermelha virtual fica acesa em todos os carros em todas as entradas do cruzamento e dura o tempo suficiente para os pedestres atravessarem a rua com segurança. Como a solução preliminar não é ideal para um fluxo denso, estamos trabalhando em um método que usa câmeras baratas montadas no painel de carros, o que deve ajudar a perceber os pedestres e dar lugar a eles.
A promissora tecnologia de semáforos virtuais faz a aproximação da era dos robomobiles. Hoje, imaginamos que esses carros farão tudo o que os motoristas humanos fazem: parar nos semáforos, ceder nos sinais de "desistir" e assim por diante. Mas por que realizar a automação pela metade? Seria muito melhor se essas máquinas controlassem o movimento de forma completamente independente, sem os sinais e sinais usuais. A chave para conseguir isso é o V2V e a infraestrutura dessas comunicações.
Isso é importante, pois os robomobiles de hoje geralmente não conseguem navegar e atravessar cruzamentos movimentados. Esse é um dos problemas técnicos mais difíceis e continua incomodando até o líder da indústria Waymo.
Em nossas simulações e testes de campo, descobrimos que os robomobiles equipados com VTL podem controlar os cruzamentos de interseção sem semáforos e sinais. A ausência da necessidade de reconhecer esses objetos simplifica muito os algoritmos de visão computacional e os computadores que os executam, nos quais os robomobiles experimentais atuais se baseiam. No total, esses elementos, juntamente com os sensores (especialmente os lidares), representam a parte mais cara dos robomobiles.
Como a arquitetura de software da VTL é modular, será fácil integrá-la ao software robomobile. Além disso, o VTL é capaz de resolver a maioria dos problemas, se não todos, os mais complexos associados à visão computacional - por exemplo, se o sol brilha na câmera, ou chuva, neve, tempestade de areia ou curvas da estrada bloqueiam a visão. A VTL, é claro, não compete com a tecnologia robótica; complementa-os. E isso por si só pode ajudar a acelerar a retirada de robomobiles na estrada.
Mas esperamos que, muito antes desse ponto, nosso sistema funcione em máquinas que as pessoas controlam. Já em julho, pudemos realizar uma demonstração pública da tecnologia na cidade de Riyadh, na Arábia Saudita, com um calor de 43 ° C, com dispositivos instalados em máquinas de teste. Representantes do governo, da academia e das empresas - incluindo o Uber - pegaram um ônibus da Mercedes-Benz e dirigiram pelo campus de ciência e tecnologia do rei Abdulaziz, cruzando três cruzamentos, dois dos quais sem semáforo. O ônibus, assim como o caminhão GMC, o Hyundai SUV e o carro de passageiros Citroën cruzaram esses cruzamentos de todas as formas possíveis, e o sistema VTL funcionou sempre com sucesso. Quando um motorista não obedeceu especificamente ao semáforo vermelho e tentou atravessar o cruzamento, nosso sistema de segurança funcionou mostrando um vermelho intermitente a todos os outros carros que se aproximavam, o que impediu o incidente.
Espero que esse momento tenha sido um momento decisivo em nosso sistema de gerenciamento de transporte. Os semáforos funcionaram do seu jeito. E, de fato, eles existem há mais de cem anos. É hora de seguir em frente.