«Если бы я спросил людей, чего они хотят, они бы попросили более быструю лошадь»
Генри Форд об анализе требований заказчика
Современный автомобиль вещь довольно консервативная в базовых своих характеристиках. Несмотря на многочисленные электронные навороты он остается средством передвижения повышенной опасности, управляемым исключительно в ручном режиме при помощи странного биологического процессора, расположенного между рулевым колесом и водительским креслом. Но времена меняются, и технологический прогресс в последние годы серьезным образом подпирает шаткую плотинку здравого смысла. Так что же нам ждать от отрасли в ближайшие пять лет?
Автоматический транспорт
Об инициативах Google тут все, безусловно, знают. Лупастый автомобильчик с бешено вращающейся на крыше камерой вполне успешно справляется с задачей автоматического вождения на испытательных трассах. В город его пока не пускают, но не из-за неэффективности «железа», а из-за проблем с законами, оберегающими жизнь и здоровье людей. Но все в автомобильной отрасли прекрасно понимают, что выход автоматического транспорта на дороги всего лишь дело времени. Эксперты называют 2020 год, и на пути у этой даты не технологии, а только и исключительно законы. Ну, и вполне понятный страх перед страшными роботами-убийцами, управляемыми хакерами-социопатами :)
Эксперты GM видят следующие этапы на пути к автоматическому управлению автомобилем, многие из которых уже стали реальностью:
- Информирование водителя без перехвата управления
- Перехват управления в экстренных случаях
- Возможность ограниченной передачи управления (автоматизированный режим)
- Возможность полной передачи управления по инициативе водителя
- Полностью автоматический автомобиль
Применение автоматического транспорта дает много выгод: комфорт, снижение заторов, безопасность, энергоэффективность и т.п. Проблема в том, что польза автоматического транспорта для конечного потребителя сейчас совсем не очевидна. И при этом существует множество нерешенных проблем. Как автоматический автомобиль поведет себя на автостраде, переполненной «обычными» автомобилями? Как обычные водители будут реагировать на маневры автоматического автомобиля? Что нужно сделать, чтобы на дороге всем стало хорошо и более безопасно?
Технические специалисты в один голос говорят пока что только одно — для начала желательно, чтобы все автомобили на дорогах были связаны друг с другом сетью передачи данных.
Связанные автомобили
Современные коммуникации V2V (автомобиль — автомобиль) базируются на стандартной технологии DSRC (Dedicated short-range communications) aka IEEE 802.11p, хорошо зарекомендовавшей себя в системах электронного взимания дорожных сборов. Эксперименты показывают, что автомобиль, на котором установлено оборудование V2V со встроенной антенной, может держать уверенную связь с другими автомобилями в радиусе 800 м. Со стационарными объектами (V2I) — до 1000 м.
Антенны для наружной установки, для установки на лобовом стекле и для скрытой установки в автомобиле
Антенны подключаются к бортовому оборудованию, к которому также могут быть подключены датчики автомобиля через стандартную шину (CAN и т.п.)
Бортовое и придорожное оборудование DSRC
В итоге, имеем энное количество источников данных автомобильной телематики, которые могут содержать позицию автомобиля на основании GPS, данные одометра, акселерометра, признаки торможения, данные от других датчиков, а также данные, принятые по цепочке от других автомобилей. Сразу проблемы:
- Отсутствие стандартов V2V прикладного уровня. В американской рабочей группе IEEE 1609 и в европейской рабочей группе TC204 пока разработаны стандарты нижних уровней. Прикладная тематика в области V2V находится на этапе проектирования.
- Вопросы приватности и защиты системы от преднамеренных манипуляций (что в условиях интенсивного скоростного движения чревато)
- При большом скоплении связанных автомобилей имеет место лавинообразное нарастание количества исходных данных для анализа, что приводит к ошибкам и тормозам бортовых устройств. До конца не проработаны способы эффективной фильтрации данных без ущерба базовым сценариям управления.
Почему DSRC?
Во-первых, на текущий момент отлажена технологическая основа, модель OSI проработана вплоть до уровня приложений. Разработаны протоколы, включая высокоуровневые. Приложения, отлаженные и стандартизированные в настоящий момент в Европе следующие:
- Взимание платы (ISO 14906). Во время проезда автомобиля под антенной организуется защищенный канал связи и формируется транзакция проезда — структура данных, достаточная для расчета размера платы и списания средств.
- Контроль исполнения правил взимания платы (ISO 12813). То же, что и оплата, только другие крипто-ключи и другая информация, поступающая от бортового устройства. Например, госномер, количество осей, информация о контракте, история изменения уровней сигналов, лог качества связи и т.п. (поля можно выбирать)
- Помощь в позиционировании (ISO 13141). Во время проезда в поле действия антенны DSRC в память бортового устройства записывается идентификатор антенны и дополнительная информация о ее местоположении. Крайне полезная фича для случаев, где опираться на данные GPS нельзя, но при этом необходимо получить информацию о том, что автомобиль проехал в определенном месте — в тоннелях, на горных серпантинах, на сложных развязках.
Перечисленные приложения работают в Европе повсеместно. Взимание платы через DSRC работает практически на всех пунктах взимания со шлагбаумами (т.н. полосы с электронной оплатой), а также в режиме свободного потока (в основном для коммерческого транспорта). В США частоты DSRC по-настоящему разрешили использовать только в этом году, поэтому американцы внедряли аналогичные системы в основном с RFID метками вместо DSRC, но работы по стандартизации DSRC, тем не менее, шли своим чередом.
Устройства DSRC используют лицензированный спектр частот, специально выделенный для нужд безопасности дорожного движения. Протокол ориентирован на работу на больших скоростях (устройство быстро просыпается и устанавливает соединение), отвечает всем требованиям по информационной безопасности и хорошо работает в условиях множественных источников сигнала, что является обычным делом в потоке машин.
Спектр DSRC. На нужды V2V выделен сервисный канал 172.
Приложения V2V и V2I. Немного научной фантастики
В рамках короткой заметки трудно достаточно полно раскрыть тему возможностей, которые открывают «умные» автомобили. Сейчас машина, оснащенная радаром, кажется каким-то инопланетным чудом, что уж говорить о по-настоящему связанных автомобилях. Но мечтать не вредно, и далее я перечислю те приложения и сервисы, которые эксперты развивают уже сейчас и которые мы увидим на дорогах в ближайшие пять-семь лет.
Особое значение имеет безопасность. Сразу оговорюсь, теоретики пока не знают толком, что делать в ситуации когда на дороге соседствуют автоматизированные, связанные и обычные автомобили. Поэтому сервисы предполагают значительное (или подавляющее) превосходство связанных автомобилей на дороге.
Сервисы безопасности V2V (автомобиль — автомобиль)
- Избежание столкновения с впереди следующим автомобилем
- Электронные стоп-сигналы. Резко тормозящий автомобиль сигнализирует о применении экстренного торможения, у всех приближающихся сзади включается сигнал или даже перехват управления автоматикой. Сейчас есть аналогичные системы с использованием мерцающих «стопарей» и оптического сенсора
- Предупреждение об автомобиле в слепой зоне. Сейчас есть аналоги на базе радара
- Помощь при смене полосы. Аналогично слепой зоне, но с большим количеством параметров. Индикатор показывает, что перестроение безопасно
- Предупреждение об опасности обгона (см. рисунок ниже)
- Предупреждение о возможных столкновениях на перекрестках (на стендах демонстрируют сценарий выезда на главную дорогу в условиях ограниченного обзора)
- Предупреждение о движении по встречке
- Кооперативный адаптивный круиз-контроль (aka «паровозик»)
Грузовик предупреждает собирающуюся идти на обгон легковушку об опасности подобного маневра.
Разрабатывается также ряд сервисов V2I (автомобиль — придорожная инфраструктура) в части светофорного регулирования, предупреждения о сложных метеорологических условиях, дорожных работах, поездах на переезде и т.п. О коммерческих сервисах V2V и V2I нужно говорить отдельно и посвятить этому отдельную заметку.
В идеальном мире все перечисленное выше вполне жизнеспособно. Но в реальности светлую картину омрачают «непродвинутые» автомобили, перемещающиеся по той же дороге, «непродвинутые» мотоциклисты и гордые обладатели мопедов, конных повозок и велосипедов. Инженерное и экспертное сообщество в настоящий момент копит экспериментальную базу и разрабатывает комплексные сценарии внедрения технологий V2V, которые позволили бы получить хоть немного реальных преимуществ от прекрасно проработанного технологического бэкграунда. Нам же с вами остается затаив дыхание следить за развитием данного направления. Может быть, даже поучаствовать в его развитии.
