Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Московский политехнический университет»
Курсовая работа
Тема «Беспилотный транспорт»
Подготовил: Исупов Алексей Михайлович
Проверил: Каримова Ирина Юрьевна
Москва 2020
Введение
Автомобильная индустрия претерпевает существенную трансформацию: крупнейшие производители машин совместно с ИТ и телеком разработчиками идут к созданию транспортных средств с возможностью полностью автономного вождения. Тренд уже очевиден - в будущем беспилотный транспорт станет массовым явлением, но на пути к эпохе полностью автономных автомобилей еще предстоит решить массу задач.
Прежде чем рассуждать о прикладных технических, этических и законодательных проблемах, необходимо чётко сформулировать, что именно мы подразумеваем под беспилотным автомобилем.
Беспилотный автомобиль -- транспортное средство, оборудованное системой автоматического управления, которое может передвигаться без участия человека. Автопилот -- устройство или программно-аппаратный комплекс, ведущий транспортное средство по определённой, заданной ему траектории. Наиболее часто автопилоты применяются для управления летательными аппаратами (в связи с тем, что полёт чаще всего происходит в пространстве, не содержащем большого количества препятствий), а также для управления транспортными средствами, движущимися по рельсовым путям. Современный автопилот позволяет автоматизировать все этапы полёта или движения и другого транспортного средства. При этом, самому современному автопилоту самолёта доверяется только следование по заданному маршруту, в достаточно свободной воздушной среде, в то время как самые сложные манёвры, взлёт и посадка, всегда выполняются под контролем человека. При этом беспилотный автомобиль должен действовать в гораздо более плотной среде, уметь адекватно воспринимать и взаимодействовать со всеми участниками дорожного движения, в том числе людьми и животными, а так же корректно воспринимать саму среду, дорожные знаки и разметку.
Оснащение беспилотного автомобиля
Естественно, что для всего этого автомобильный автопилот должен обладать набором «органов восприятия». В целом, автопроизводители уже выработали своеобразный «стандартный набор», с которым мы ознакомимся на примере Toyota Prius, использованного компанией Google в ходе своих испытаний.
Кроме показанных на изображении, автомобиль ориентируется так же на данные, получаемые с помощью датчика инерции и точнейшего GPS-навигатора.
Все эти данные используются вычислительной системой автомобиля, которая в реальном времени оценивает ситуацию на дороге, учитывает погодные явления, разметку, дорожные знаки, положение других машин, а так же всегда готова к появлению новых объектов в зоне видимости. В будущем, за счёт массовой эксплуатации беспилотных автомобилей, эти данные будут распределяться между машинами, и позволят каждому автомобилю воспринимать обстановку не только в пределах восприятия собственных приборов, но и, например, за поворотом, где только что проехал другой беспилотный автомобиль.
Степени автономности автомобиля
беспилотный автомобиль дорожный знак
В зависимости от степени участия, которое система автопилота ожидает от водителя, мы можем разделить эти системы на несколько уровней. Воспользуемся самой популярной и, в целом, общепринятой.
По классификации SAE International систем помощи водителю или ADAS (Advanced Driver Assistance System) существует шесть классов автономности от уровня 0 -- полностью ручное управление с возможностью предупреждения об опасных ситуациях на дороге, до 5 -- полностью беспилотный автомобиль. Уровень ADAS 1 предусматривает работу более продвинутой системы предупреждения об опасности столкновения с автомобилями, пешеходами, а также о пересечении линии разметки, идентификацию дорожных знаков и т. п., а также вмешательство в систему управления. Второй уровень -- это более активная помощь водителю (руление, торможение, удержание в полосе и т. д.). Третий уровень -- автономное движение на заданных участках дороги, которое требует от водителя лишь частичного надзорного контроля. Четвертый уровень ADAS -- это автономное движение автомобиля в определенных режимах, при котором человек уже не может повлиять на управление даже в критических ситуациях. Пятый уровень -- полная автономность транспортного средства, когда водитель лишь задает конечный пункт маршрута, а весь процесс передвижения полностью ложится на искусственный интеллект автопилота.
Преимущества и недостатки
Определившись с тем, что такое беспилотный транспорт и поняв, как он работает, мы можем оценить его возможные преимущества и недостатки.
Преимущества
· Перевозка грузов в опасных зонах, во время природных и техногенных катастроф или военных действий. Уже сейчас предпринимаются попытки оснащения карьерных экскаваторов в угольных разрезах системами автопилота, чтобы снизить вредное воздействие пыли, поднимающейся из кузова при перевозке, на человека.
· Снижение стоимости транспортировки грузов и людей за счёт экономии на заработной плате водителей коммерческого транспорта. Так же, это позволит выйти на совершенно новый уровень в темпах доставки, поскольку автопилоту не требуется время на сон, еду и прочие человеческие потребности.
· Более экономичное потребление топлива и использование дорог за счёт централизованного управления транспортным потоком.
· Экономия времени. Данный аргумент особенно актуален для людей, проживающих в частном секторе и затрачивающих достаточно длительное время на дорогу до работы или учёбы. Поскольку человек будет освобождён от необходимости управлять автомобилем, у него появится время для учёбы или развлечений, пусть и ограниченных пределами автомобиля.
· Беспилотные системы выведут автомобили на новый уровень доступности для людей с физическими ограничениями. Больше не будет необходимости вглядываться в знаки или темного тротуара, в страхе не заметить пешехода. Даже больше, для управления автомобилем больше не нужны две руки и две ноги, что сделает передвижение гораздо более доступным для людей с инвалидностью.
· Минимизация ДТП, человеческих жертв. Поскольку автопилот не устаёт и не расслабляется, аварии и по невнимательности и неосторожности будут сведены к минимуму. В определённый момент, когда количество беспилотников на дорогах достигнет критической массы, их взаимосвязь между собой позволит почти полностью исключить возможность столкновения на дороге.
· Повышение пропускной способности дорог за счёт сужения ширины дорожных полос. Пусть не сразу, но автопилот в автомобиле станет гораздо более ловким и умелым водителем, чем человек. Возможность минимизировать расстояние между автомобилями, сохраняя при этом высочайший уровень безопасности, позволит рациональнее использовать площадь дорожного полотна, либо увеличив количество полос, и, соответственно, пропускную способность, либо расширив тротуары и пространство для людей.
Недостатки
· Ответственность за нанесение ущерба. В машинах с автопилотом 5-го уровня, участие человека будет минимальным, и определить, кто ответственен за возможное ДТП, будет гораздо сложнее, чем сейчас.
· Надёжность программного обеспечения. Даже самые совершенные программные комплексы не застрахованы от ошибок на 100%, а применение дублирующих вычислительных систем излишне усложнит конструкцию, и, следовательно, сделает её дороже даже при промышленном применении подобных решений.
· Отсутствие опыта вождения у водителей в критической ситуации. Данная проблема проявит себя не сразу, но после появления «водителей», весь опыт взаимодействия которых с автомобилями пришёлся именно на беспилотные модели, резонно предположить, что в случае критических ситуаций, требующих быстрого решения и определённых навыков, возможны негативные последствия из-за отсутствия опыта взаимодействия с автомобилем за пределами внесения маршрута в автопилот.
· Потеря рабочих мест людьми, чья работа связана с вождением транспортных средств. Массовое использование автопилота в сфере такси и поставок позволит снизить стоимость данных услуг, в некоторых сегментах до 50-60%, поэтому логично ожидать, что после появления первых массовых решений в сфере беспилотного транспорта многие люди останутся без работы.
· Потеря приватности. Логичным решением для беспилотного автомобиля является система мониторинга состояния водителя и, возможно, даже пассажира. Подобные решения уже разработаны компанией Mobileye, и активно используются на родине компании, в Израиле. При этом, автомобиль перестаёт быть частным пространством, поскольку мы добровольно допускаем наблюдение за нами.
· Минирование беспилотных автомобилей. Поскольку участие человека в управлении будет сведено к минимуму, логично предположить, что системы мониторинга состояния автомобиля так же получат определённое развитие, тем самым снимая необходимость осмотра машины перед поездкой, что в свою очередь увеличит риск терактов.
· Этический вопрос о наиболее приемлемом числе жертв, аналогичный проблеме вагонетки, стоящий перед компьютером автомобиля при неизбежном столкновении. Один из самый важных вопросов, стоящих на пути развития технологии беспилотного вождения - этический. Допустимо ли автомобилю совершать манёвры, заведомо опасные для водителя? И если нет, то допустимо ли автомобилю совершать манёвры, опасные для пешеходов или других водителей, если это необходимо для обеспечения безопасности собственного водителя? Этот и подобные вопросы в различных вариациях стоят перед всеми компаниями, развивающими беспилотный транспорт, а так же перед правительствами всех стран, рассматривающих с законодательной точки зрения возможность появления беспилотников на дорогах общего пользования.
Вызовы технологии
Хотя общие технические требования к беспилотному транспорту уже готовы, перед этой технологией стоит масса трудностей и проблем. Рассмотрим подробнее основные из них.
Коммуникации
Разработчики сходятся во мнении, что одна из ключевых - обеспечить автомобили возможностями высокоскоростного сетевого подключения. Сети пятого поколения рассматриваются как драйвер технологий автономного вождения: они позволят автомобилю максимально оперативно получать информацию и взаимодействовать с другими автомобилями и окружающей его инфраструктурой.
Минимальные задержки передачи информации, которые ожидаются в 5G, являются критическими для беспилотных автомобилей при их массовом использовании. Высокоскоростная связь позволит мгновенно принимать и передавать данные от одного автомобиля к другому. Информация об изменениях в движении одного автомобиля, например, о торможении, позволит сразу же корректировать действия окружающих его машин.
Согласно принятому стандарту, средняя скорость скачивания в 5G-сетях для пользователей составит 100 мегабит в секунду, а загрузки -- 50 Мбит/с. При этом время ожидания не превысит 4 мс (для 4G LTE этот значение составляет около 20 мс).
Этот стандарт позволит реализовать несколько типов систем связи автомобиля с объектами на дороге.
Первый тип систем - «транспортное средство - транспортное средство» (vehicle-to-vehicle, V2V) - обеспечивают безопасное вождение за счет связи между автомобилями на перекрестках с плохой видимостью. V2V-система может предупреждать водителей об опасности лобового столкновения, бокового столкновения, заднего столкновения, уведомлять о неисправности транспортного средства, предоставлять дорожную и нормативную информацию
Например, две машины, невидимые друг другу на перекрестке или на повороте, через V2V-систему могут обменяться друг с другом координатами и значениями скоростей для избежания столкновения. Аналогичным образом автомобиль, приближающийся к концу пробки, получит информацию с координатами и скоростями ближайших транспортных средств.
Второй тип систем безопасного движение - «придорожная инфраструктура - транспортное средство» (vehicle-to-infrastracture, V2I) - обеспечивают передачу информации (сигнал и нормативная информация и т.д.) от придорожного оборудования к автомобилю через средства радиосвязи. Например, придорожные сенсоры на перекрестке обнаружат машины, которые собираются пересечь перекресток или повернуть, и передадут информацию другим приближающимся машинам по средствам V2I-систем.
Третья система, призванная интегрировать беспилотники в дорожный поток, это система V2X (Vehicle-to-Everything -- система обмена данными между автомобилем и другими объектами дорожной инфраструктуры, например, с автомобилями, дорожными знаками, разметкой, светофорами; инфраструктура также должна быть подключена к интернету).