Полуавтономный транспорт

Редакция 2020.02.19

Тема полуавтономного и беспилотного транспорта уже много веков беспокоит не только умы писателей-фантастов и сказочников, но и простых людей. Попытаемся разобраться, что это такое и в каком месте пути к этой мечте многих поколений граждан мира мы находимся.

Для начала определимся – есть относительно простые управляемые воздушные суда (самолеты), надводные и подводные аппараты и автомобили. Они управляются человеком (одним или командой). Человек или команда получают данные о текущем положении транспорта в пространстве, данные датчиков и актуальное положение управляемых/управляющих элементов и осуществляют управляющее воздействие, которое должно привести к относительно безопасному передвижению транспорта. Уже на этом этапе мы понимаем, что все относительно. Прежде всего, потому что системы управления движением действительно сложные, нужно знать правила, физические законы, приблизительное устройство транспортного средства, особенности управления им в зависимости от сезона года и погодных условий, владеть азами диагностики его состояния (например, на глаз или с помощью датчиков определять спущены или нет шины автомобиля перед началом движения) и многое другое.

На втором месте, еще более высоком месте по сложности, стоят радиоуправляемые модели и транспортные средства. Такие как модели самолетов, вертолетов, автомобилей, квадрокоптеры и многое другое - что ездит, плавает, летает, может передавать сигнал с видеокамеры на ваш смартфон и, в первом приближении претендует на то, чтобы называться беспилотным. Замечу – раньше, во времена моего детства это называлось радиоуправляемым. На сегодня такие конструкции – разные по цене и назначению, иногда – достаточно дорогое удовольствие. Например радиуправляемый луноход, вертолет или автомобиль китайского производства сделанный по немецкой или английской технологии (игрушка для детей младшего возраста) – стоит от 2 тысяч рублей. Ну а, профессиональный квадрокоптер (радиоуправляемый вертолет с четырьмя несущими лопастями), с помощью которого снимал правительственные дачи с воздуха господин Алексей Навальный, с возможностью передачи видео на ваш смартфон и с комплектом запасных лопастей стоит на сегодня в магазинах около 130-150 тысяч рублей. Почти как относительно недорогой, бывший в употреблении, настоящий автомобиль или мотоцикл. И это действительно очень дорогая и сложная техника. Она должна содержать помехоустойчивую и взломоустойчивую систему управления и передачи данных, датчики, определяющие положение в пространстве и управляющий компьютер, который частично, где это возможно, обеспечивает решение проблемы устойчивости аппарата и преобразует управляющие сигналы в управляющие воздействия по определенным, заложенным создателями, алгоритмам.

На третьем, и самом сложном по уровню реализации месте, стоит мечта. Это то, что сейчас многие специалисты почему-то называют беспилотными транспортными средствами. Не знаю, может от слова “бес”. И действительно, есть что-то бесовское в самолете, который сам взлетает, осуществляет полет, выполняет посадку… На самом деле большинство таких аппаратов являются полуавтономными (в английском языке – semi-autonomous) и, в ближайшие столетия полностью автономными никогда не станут. Ведь это самая сложная техника в мире. Она точно также состоит из корпуса, датчиков, многочисленных деталей, управляющих механизмов, и только способна часть пути проделать сама. На основании получаемых данных и управляющего алгоритма, система управления должна сама принимать решение о разгоне, торможении, поддержании нужной скорости, преодолении препятствий, остановке, парковке, наборе высоты или снижении.

Это самая сложная и дорогостоящая техника в мире – сложность реализации и стоимость на уровне космических спутников и дороже. Тут также что-то может пойти не так – например, когда какая-то часть аппарата или управляющей системы выходит из строя или встречается с незапланированными конструкторами трудностями. А то, что рано или поздно, что-то выйдет из строя в полуавтономном транспорте можно даже не сомневаться. Ведь именно поэтому он никогда и не сможет называться полностью автономным. Любая деталь машины имеет определенный ресурс и срок службы. Полуавтономный транспорт должен, точно также, как и простой, диагностироваться и обслуживаться на станциях техобслуживания. Только это существенно более дорогая операция по сравнению с обслуживанием простого транспорта, так как требует более высокой квалификации персонала. Роботами эта задача в полном объеме выполнятся не может.

Когда мы говорим о полуавтономном транспорте, здесь также требуется деление на типы, преимущественно по сложности системы. Самым простым её типом (но не самым дешевым!) будут самолеты и вертолеты. Здесь наработок достаточно много, и система управления сложная, но имеет разумную степень сложности. Так как летательных аппаратов в воздухе единицы. Физические модели применяются такие же, как и при конструировании обыкновенных самолетов и вертолетов. Обращаю внимание – вести речь о полуавтономном или беспилотном пассажирском транспорте на этом уровне еще преждевременно. Необходимого минимального уровня безопасности полета для пассажиров по сравнению с пилотируемым транспортом пока добиться не получится. Более того, все разрабатываемые в этом сегменте устройства будут неимоверно быстро устаревать. Потому как их количество в воздухе постепенно будет увеличиваться, а значит будет постепенно возрастать сложность функционирования и усложняться логика для того чтобы избежать внештатных ситуаций. Другими словами – пока таких аппаратов мало, кое-как летать будут, а в дальнейшем старые модели просто придется выкинуть. Или они начнут падать. В самых совершенных моделях придется ежемесячно обновлять программное обеспечение для закладки характеристик и способов взаимодействия с моделями конкурентов, пилотируемым транспортом и системами ПВО. 

Согласно моим источникам (информация может оказаться недостоверной), недавно одной из стран НАТО недавно был заключен контракт на приобретение такой техники у фирм США, стоимость контракта – 8 млн евро. Переведем эту сумму в рубли, и получим около 600 млн рублей. Для сравнения – страховые компании, которые страхуют выводимые на орбиту отечественные космические спутники, в среднем за сумму около 150-200 млн рублей берутся защитить риски на 4-8 млрд рублей. А суммарный долг жителей России по ипотечному кредитованию составляет около 13 трлн. рублей. То есть – это очень дорогое оборудование.

Следующее по уровню сложности и стоимости – это надводный и подводный полуавтономный транспорт. Здесь нужно обеспечить не только качественные алгоритмы управления, но и соответствующую защиту микросхем и аккумуляторов от короткого замыкания в воде, а также достойное время работы. Защищать такие аппараты придется от столкновения с дном и неимоверно большим количеством жителей подводного мира – начиная от медуз или рыбы средних размеров и дельфинов и заканчивая акулами и китами. Собственно, здесь о мало-мальски работоспособных беспилотных решениях мне не известно.

Третье, и самое сложное по уровню реализации в современном мире – это колесный полуавтономный или беспилотный транспорт: беспилотные автомобили. Сложность решения такой задачи неимоверная, так как физические модели движения в условиях хаотически быстро меняющегося пространства на данном уровне развития математики и физики недостаточно хорошо проработаны. В этом хаосе на современной дороге присутствуют пилотируемые объекты (управляемые водителем автомобили), заранее неизвестное количество препятствий (от открытого на дороге люка или обыкновенного бордюра, до внезапно выскочившего на дорогу человека или упавших с грузовика кучки кирпичей). Присутствуют правила дорожного движения, выполнение которых обязательно для всех его участников.
 
Чем выше скорость движения, тем более стабильный алгоритм управления им требуется, как и все более мощные управляющие компьютеры, а также надежная ОСРВ (операционная система реального времени). И стоит все это неимоверно дорого. В одном из эфиров российского телевидения в 2012-13 годах был продемонстрирован разработанный в тестовой лаборатории одного из немецких автомобильных заводов грузовичок, который, по словам разработчиков уже умеет относительно безопасно двигаться в городском потоке по их дорогам. Стоимость этого автотранспорта, при пересчете в рубли после очередного скачка курсов валют в 2014м, составила около 17-20 млрд рублей за экземпляр. Иными словами, если продать недавно выстроенный стадион “Санкт-Петербург Арена” (его стоимость около 45 млрд рублей), то получится купить всего два с половиной экземпляра такого полуавтономного автомобиля. Очень дорого, и, к сожалению, очень ненадежно.
 
Уже появилась информация о том, что занимающаяся внедрением, в том числе и беспилотных автомобильных технологий фирма Tesla (часть акций которой принадлежит альянсу, выпускающему автомобили Mercedes), производящая современные электромобили минимальной стоимостью около 8-10 млн рублей за штуку, включила в инструкции к своему транспорту предупреждение о том, что систему полуавтономного вождения рекомендуется не активировать на городских дорогах общего пользования – если хотите попробовать – выезжайте на шоссе, и “летайте” там. Среди их конкурентов есть очень большое количество крупных и серьезных фирм, которые занимаются пилотным внедрением таких технологий.

Например, согласно статье Reuters от 2016 года, было проведено тестирование полуавтономного прототипа компании Volvo, оснащенного системой распознавания изображений – для определения дорожных знаков и разметки. Тестирование пришлось завершить досрочно с неудовлетворительными результатами, так как выяснилось, что система распознавания изображений функционирует ненадежно – вследствие отсутствующей в некоторых местах разметки.

Одной из важнейших задач, которые лежат в основе правильного и корректного функционирования полуавтоматических транспортных систем является задача как можно более точного определения координат. Именно в требуемой высокой точности определения местоположения транспорта и заключается ещё одна сложность. Процитирую часть одного интервью Бориса Вишневского:

"Давайте представим себе: летит самолёт, на борту этого самолёта есть несколько разных датчиков разной физической природы, и все они должны определять положение самолёта в пространстве. Все они работают с ошибками, теми или иными. Нужно было придумать, как, имея показания 5-6 неточных датчиков, как можно более точно определить, где находится самолёт, с какой скоростью он летит, на какой высоте, с каким курсом, и так далее. Для решения этой задачи писал сложнейшие формулы, в результате добился того, что на длинном маршруте в 2-3 тысячи километров ошибка в определении положения самолёта уменьшилась с 300 метров до 150. Защитил диссертацию, был страшно горд своими достижениями, а год спустя появились спутниковые навигационные системы, которые давали точность в несколько метров..." 

Спутниковая навигационная система GPS даёт точность определения координат около 7-8 метров, сделанная позже Глонасс даёт точность около 3 метров (согласно "Википедии"). Много это или мало для решения задачи с полуавтономным транспортом? К сожалению, очень много, так как нам нужно обеспечить безопасное совместное движение большого количества автомобилей в попутном и встречном направлениях, с учётом полос, разметки и габаритов проезжей части (скажем, поребриков, канав или обрывов). Допустим, приемлемая точность в данном случае не менее 5 мм, чтобы не допустить наезда на пешеходов или впереди едущий транспорт, обеспечить безопасную парковку и избежать столкновения со встречным транспортом. Для того, чтобы добиться этого нам нужно использовать систему, которая даёт возможность определения координат транспорта в 1500-2000 раз более точную, чем GPS. Такой системы в мире (на 2020 год) в данный момент ещё нет.
 
Попробуйте сами прикинуть сложность реализации надежного и безопасного для всех алгоритма управления таким автомобилем – безаварийного проезда через перекресток со светофорами, часть из которых может не работать или работать неправильно (а это тоже надо учесть!), на котором есть правые и левые повороты, скажем по 3-4 полосы для движения в каждом направлении, в некоторых местах дорога сужается, по перекрестку ходят люди, ездят трамваи и троллейбусы, могут попасться открытые люки а кое-где вообще нет асфальта – типичный и очень неплохой для России перекресток.

Довольно сложным образом эта задача решается на скорости движения 3-5 км в час, что меньше средней скорости пешехода. Но если вы купили автомобиль за 20 млрд, вряд ли вы планируете ездить так медленно. Настоящие проблемы начинаются, когда безопасное движение нужно обеспечить на скоростях от 10-20 км/час. С учетом того, что в автомобиле всегда может что-то выйти из строя, сложность задачи близка к неразрешимой. Приведу один из моих любимых примеров – не удивляйтесь, из научно-фантастического романа Кира Булычева “Девочка с Земли”. Там описывается как пришла в упадок и чуть не погибла раса роботов с планеты Шелезяка, вследствие того, что один из космических пиратов просто привез и продал им немножко некачественной смазки. Кстати, именно это и является причиной по которой полуавтономные автомобили, скорей всего, никогда не станут полностью автономными, то есть, как модно сейчас говорить “беспилотными”. 

В свое время появилось много статей в прессе, в которых рисуют блестящие перспективы беспилотного транспорта, не упоминая о реальных проблемах. Первоначально было заявлено, что планируют их тестирование на дорожках гольф-клубов – там и скорость движения небольшая, и народу не много. Потом появилась информация о том, что каждый прототип должен быть снабжен специальным знаком – буквой “А” в треугольнике. Следующая новость окончательно убедила меня в том, что сейчас этими вопросами занимаются не очень компетентные специалисты – было заявлено, что обязательна страховка каждого прототипа на 10 млн рублей.

Вдумайтесь – стоимость прототипа – от 20 млрд рублей, сложность реализации – выше уровня современной военно-космической техники, а страховка всего на 10 млн! А дешевле спутника у вас такой автомобиль сделать не получится – по уже приведенным выше причинам. Там необходимо большое количество дорогостоящих датчиков, которые стоят от 10-75 тыс. $, и высокопрофессиональное программирование, сложность которого просто запредельная и будет тем выше, чем большее количество функций придется выполнять системе автоматического управления. Есть и альтернативные пути – в дополнение к датчикам сейчас пытаются использовать современные спутниковые и трехмерные карты местности, это может немножко уменьшить стоимость рабочего прототипа, хотя конечно не сможет предсказать появления на пути открытого люка, ямы, перед которой нужно снизить скорость или появления на дороге кучи кирпичей, выпавших из грузовика.

Подведём итоги. Одна из главных проблем при решении такой сложной задачи – как обеспечить необходимую и достаточную устойчивость системы управления на как можно большем временном промежутке, в идеале близком к бесконечности – остается неразрешимой. Для этого требуется принципиально новый математический аппарат, поддерживающая инфраструктура (например, в 1000-2000 раз более точная система геопозиционирования для определения координат), а также большие финансовые ресурсы и изменение международного законодательства.

О целесообразности исследований в этом направлении сейчас спорят. Особенно много возражений со стороны водителей, которые прекрасно понимают, что если проект будет реализован, они просто потеряют свою работу. Также, в последнее время в средствах массовой информации появилось очень много сообщений об авариях с участием проектируемых беспилотных автомобилей – от столкновений до наездов на пешеходов, что как нельзя лучше характеризует несовершенство используемых решений.

В общем – пока не ведитесь. На сегодня дешевле и безопаснее купить себе персональный “Майбах” с личным водителем. Проблемы обрисованы, задача поставлена и имеет частичные решения, очень дорогостоящие, но в ближайшие годы, возможно, удастся достичь в решении этих вопросов серьезного прогресса.

Список литературы:
- Richard C. Dorf, Robert H. Bishop "Modern Control Systems", Eighth Edition, 2002
- Борис Вишневский "Невосторженный образ мыслей", 2019, стр. 208-209
- Андрей Курпатов "Четвёртая мировая война", 2019, стр. 28-30
- Alexandria Sage “Where's the lane? Self-driving cars confused by shabby U.S. roadways”, Reuters, 31 March 2016
- Интернет-энциклопедия Wikipedia, статьи:
   GPS,
   Глонасс,
   Беспилотный автомобиль,
   Беспилотный летательный аппарат
(https://www.wikipedia.org/)