Структура интеллектуального АТС

В RTI и IVHS – технологиях (RTI – Road and Traffic Information, IVHS – Intelligent Vehicle and Highway System), которые являются примерами современных АСУД, в качестве управляемой подсистемы выступает интеллектуальное АТС. Такие АТС обеспечивают высокий уровень автоматизации управления как отдельным автомобилем, так и транспортным потоком.

Создание нового интеллектуального АТС и внедрение его в единую систему автоматического управления движением вызывает усложнение всех систем транспортного средства, а возрастающая интенсивность движения требует от него высокой надёжности. Кроме того, значительно увеличивается объем информации, предоставляемой водителю о режимах работы и техническом состоянии автомобиля в целом. Поэтому для обеспечения безопасности дорожного движения следует повысить уровень оперативного информирования водителя о скорости движения, техническом состоянии систем, агрегатов и режимов их работы. С другой стороны, современное АТС имеет высокий уровень автоматизации управления узлами и агрегатами. Это и оптимальные регуляторы режимов работы двигателя, автоматические системы управления силовой передачей, системы экстренного торможения и т.д.

За счет этого водитель высвобождается от постоянного слежения за режимами работы двигателя, контроля управляемости автомобиля. Полученный информационный резерв следует переключить на навигацию автомобиля, его взаимодействие с АСУД.

Основным звеном интеллектуального АТС является бортовой измерительно-вычислительный комплекс (БИВК), в состав которого входят бортовая система контроля узлов и агрегатов АТС, система встроенной диагностики, маршрутный контроллер и навигационная система (НС), основной функцией которой является определение пространственно-временного положения АТС. Множество НС представляет собой управляемую подсистему АСУД, которой свойственно рациональное сочетание централизации и автономности. Под автономностью здесь следует понимать возможность измерения параметров при помощи бортовых средств. Например, по отношению к управляющему центру АСУД, НС АТС выступает в качестве автономной системы.

На основании этого рассмотрим, как должна быть организована структура современной АСУД.

Современную АСУД можно представить как многослойную систему. В предлагается пять функциональных слоев АСУД. При рассмотрении сверху вниз слои названы сеть, связь, координация, регулирование и физический, причем три последних слоя включает в себя бортовая система управления АТС. К настоящему времени успешно внедрены и проверены модели и соответствующие системы управления для каждого из указанных выше слоев АСУД, за исключением сетевого уровня, который находится в стадии разработки.

Физический слой включает все бортовые системы АТС: двигатель, тормозную систему, различные датчики и т.д. Главная функция этого слоя - поддерживать поступательное движение АТС на заданном маршруте.

Рисунок 9.1 Схема АТС

Слой регулирования автомобиля отвечает за управление направлением движения АТС и выполнением маневров, которые управляются слоем координации. На этом логическом уровне АСУД, АТС рассматривается как материальная точка. Здесь под управлением направлением движения понимают поддержание желательной скорости и сохранение безопасной дистанции с соседними АТС, а также желательный курсовой угол движения. Этот слой также отвечает за выполнение маневров входа или выхода из потока, контролируемого АСУД.

Слой координации отвечает за выбор действия, которое необходимо выполнить транспортному средству в следующий момент. Слои координации соседних АТС поддерживают связь между собой, а так же проверяют команды слоя регулирования, чтобы выполнить их или начать действовать по плану аварийного прекращения работы. Этот слой также связывается со слоем связи системы управления обочины, из которой периодически получает модифицируемый план действий. Слой координации хранит и обновляет всю информацию о состоянии соседних АТС в потоке. Эта информация включает тип автомобилей, их текущее положение, текущие действия и план дальнейших действий. План периодически модифицируется регулятором слоя связи. Используя информацию и координируя действия с соседними АТС, регулятор слоя координации выбирает одно действие из конечного множества возможных.

Для каждого достаточно протяженного участка дороги имеется один регулятор слоя связи. Задача его состоит в управлении потоком движения на данном участке дороги, достижении максимальной вместимости потока и минимального времени передвижения в назначенный пункт. На этом логическом уровне, АСУД больше не контролирует действия каждого транспортного средства в отдельности. Вместо этого слой связи измеряет и описывает плотность потока как функцию от пространства и времени. В самом простом случае, если все АТС в потоке выполняют действие а, то пространственно-временное положение для этого действия

l(a) = s(а) t, (9.1)

где s в метрах, а t в секундах. Тогда максимальная плотность потока

k(a) = 1/s(a). (9.2)

В реальных условиях s, t и выбор действия а ‑ все переменные.

Задача регулятора сетевого уровня - управление движением по маршруту внутри сети дорог, входящих в АСУД, с целью оптимизации плотности потока и минимизации времени движения. Этот слой архитектуры АСУД разработан менее всего.

Каждый из указанных слоев АСУД в свою очередь имеет сложную структуру. Все они работают в своем пространстве и времени. В связи с чрезвычайной сложностью связей как внутри, так и между слоями АСУД, их полное математическое описание в обычном функциональном виде невозможно.

Перспективы развития АТС

О самостоятельных автомобилях, которые едут сами (Driverless Cars или Autonomous vehicles), человек в силу своей лени мечтает достаточно давно. В особенности те автолюбители, которых огорчает невозможность выпить за рулём пивка или поспать.

Таким образом, езда на машинах без рук вписана не в одну концепцию транспорта будущего.

И вроде как пресса писала не раз, даже по телевизору такие машины показывали: едут друг за дружкой по шоссе, а пассажиры сидят себе бездельничают. Боятся слегка, да. Передача прошла, всё стихло.

Тем не менее, есть несколько способов сделать автомобили автономными. Над каждым работы идут годами, а о прорывах ни слуху, ни духу. Эти разработки, за неимением горячих новинок, мы и рассмотрим.

К примеру, один из самых напрашивающихся вариантов — вкалывают роботы. Вот, вы знали, что робот может сам управлять автомобилем? Самой обычной не переделанной машиной?

Никакой не автопилот — автономный электронный водитель. Это правда. Пределы совершенства механический рулевой естественно не покинул, но может ведь.

Так-так, должно быть, надо тут для начала помянуть научную фантастику — ну, давайте: робот-таксист, робот-гонщик или даже так — робот-угонщик. Дальше реальность.

Пожалуй, наиболее известный робот-водитель — это Клаус (Klaus), созданный немецкими машиностроителями из Volkswagen (VW), впервые показанный общественности в 2000 году.

Публика увидела вот что: напрочь лишённый человеческого облика Клаус — три руки, три ноги, без головы — уверенно сделал на микроавтобусе круг по испытательному полигону.

Робот уже тогда мог судить о расстояниях и избегать препятствий, плавно проходить повороты, только вот тормозил резковато.

Количество ног объясняется просто — по одной на каждую педаль. Что же до рук, то с ними та же история. В отличие от человека, двух Клаусу мало: одной включает/выключает зажигание, другой рулит, третьей переключает передачи.

Впрочем, можно сказать, что рук четыре — захват руля сойдёт за две конечности. Да, а одна рука "растёт" прямо из того места, где голова должна быть, по идее.

Выяснилось, что оснащён робот тремя лазерными сканерами, стереокамерой, видео и спутниковыми навигационными системами, а также радаром, присоединённым к компьютеру. Кроме того, Клауса наградили технологиями электронного торможения и предотвращения столкновений.

Рисунок 9.2 1997-й, Калифорния. Конвой автомобилей движется на автопилоте

Рисунок 9.3 Робот Клаус за рулём микроавтобуса VW Caravelle

Представители VW сразу сказали: то, что вы увидите этого робота за рулём на шоссе — крайне маловероятно. В лучшем случае, на его основе будут разработаны системы, которые помогут водителям избегать опасных ситуаций.

После демонстрации в 2000-м Клаус не умер, следующий показ был проведён в августе 2002-го, но принципиальных изменений в конструкции робота не произошло.

Как обстоят дела сегодня, сказать трудно — своего нечеловеческого водителя VW в Сети никак не представил, а новостей в СМИ о нём с тех пор не было. Само собой, подобные эксперименты проводятся и в Японии, но не похоже, чтобы там переплюнули немцев.

Рисунок 9.4 Гуманоид немца Клауса

Рисунок 9.5 Машиной управляет робот, в салон набилось немало пассажиров

Американцы естественно также давно мечтают во время езды не обращать внимания на дорогу. Так, в университете Аризоны (University of Arizona — UA) не только сделали свой самоуправляемый автомобиль VISTA ("Перспектива"), но и устроили обзор машин, над которыми трудятся их коллеги.

С Аризоны тогда и начнём. VISTA — это интеллектуальное транспортное средство, сотворённое из сильно модернизированного Chevrolet Celebrity 1989 года выпуска.

Работает так: радар на переднем бампере, камера на ветровом стекле, а также несколько датчиков собирают информацию в реальном времени и передают её на центральный компьютер, в который уже зашита карта местности и маршрут поездки.

В общем, идёт непрерывный обмен информацией, позволяющий оперативно корректировать движение машины, а бортовой компьютер постоянно посылает новые команды маленьким двигателям, которые и управляют автомобилем.

Рисунок 9.6 В Аризоне автономную машину сделали из старого "Шевроле"

"Перспектива" может появиться на дороге в пределах следующих 5-10 лет, а первая цель — двухчасовый автоматический переезд от Тусона до Феникса по шоссе Interstate 10.

Затем планируется открыть между этими двумя городами интеллектуальную трассу ("Intelligent Express Lanes"). Аризонское управление транспорта (Arizona Department of Transportation) поддерживает этот проект и уже выделило $100 тысяч. Проблемы, конечно, имеются, но в UA надеются с ними справиться.

Практически тем же занимаются в навигационной лаборатории университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University Navigation Laboratory — CMU Navlab), но размах больше: здесь хотят автоматизировать даже внедорожники. Впрочем, тем же способом, что и в UA.

А в университете Калифорнии в Беркли (University of California at Berkeley) вдобавок к компьютеризации самого автомобиля думают автоматизировать сами дороги, вложив в них магнитные маркеры.

И радарные системы и маркеры, и вообще всё, что только можно навесить на машину, чтоб сделать её автономной, используют в центре университета Огайо CITR.

Рисунок 9.7 Самоуправляемый джип Wrangler Sport из университета Карнеги-Меллона

Радарами и лазерами, установленными на переднем бампере, автомобиль светит на дорогу как фарами, таким образом, распознавая маркеры по краям дороги и другие автомобили на трассе.

Успешные испытания на изолированном участке автострады разработчики из Огайо провели ещё в 1997-м: два белых автономных автомобиля с пассажирами благополучно проехали по спецшоссе вместе с управляемым человеком зелёным автомобилем.

Тем не менее, по прошествии 5-ти с лишним лет ничего нового о проекте не слышно. Не странно ли? Что же до свеженького, то здесь нельзя не помянуть конкурс, устроенный исследовательским агентством Пентагона — DARPA Grand Challenge for Autonomous Ground Vehicles.

Рисунок 9.8 Интерфейс для пассажира. Даже если управляет не он, надо же знать, что происходит

Смысл вот в чём: американская команда, которая построит автономное транспортное средство, способное в марте 2004 года преодолеть расстояние от Лос-Анджелеса до Лас-Вегаса, получит миллион долларов.

Нужно ли говорить, что DARPA хочет получить самоуправляемую военную машину? Ясно, что так. Кстати, агентству абсолютно всё равно, какого размера будет это транспортное средство — никаких правил нет.

Просто ни слишком маленькая машина, ни, что вообще невероятно, слишком большая заданное расстояние может и не преодолеть. Тем более, что на маршруте будет участок бездорожья длиной в 250 миль (402 км).

Условия есть и такие: машина не должна повреждать дорожное покрытие, наносить ущерб другим транспортным средствам и, само собой, не имеет права хоть как-то управляться человеком. Старт на рассвете, финиш на закате.

Вот, а машины без водителя пригодились бы не только воякам. Нужно сказать, что гражданские разработчики видят применение этих транспортных средств, прежде всего, на скоростных шоссе: из пункта А в пункт В. Выгоды тут кое-какие имеются:

Водитель въезжает на трассу, ставит машину на автопилот, а интеллектуальный автомобиль довезёт его до конца умной дороги. То же самое допустимо для конвоев грузовиков и автобусов.

Однако всё равно в технику придётся заложить элементы человеческого фактора, а здесь творцов ожидают известные сложности: владельцы авто знают, насколько ситуация на дороге зависит от живых участников движения, одним искусственным интеллектом не понять.

К тому же, автомобиль должен оставаться автомобилем, ведь слово "автолюбитель" появилось не случайно — человеку попросту нравится управлять машиной. Значит, автономность должна быть, но быть опциональной. Наверно, так. продолжение может и последовать.

Вопросы для самопроверки

1. Функции видеонаблюдения. Основные элементы и схемы построения.

2. Структура интеллектуального АТС.

Радары