Avtonomno in povezano vozilo: sedanjost in prihodnost mobilnosti

Informatec Digital » Viri » Avtonomno in povezano vozilo: sedanjost in prihodnost mobilnosti

Danes avtomobil ni več le prevozno sredstvo : postal je pametna naprava na kolesih, povezana z internetom in obdana s senzorji, ki so sposobni "videti" in "slišati", kaj se dogaja okoli nje. Ta preobrazba vodi do koncepta avtonomnega in povezanega vozila , ki obljublja, da bo popolnoma spremenilo način, kako se gibljemo, delamo in razumemo varnost v cestnem prometu.

V tem kontekstu so mobilnost, povezljivost, avtomatizacija in umetna inteligenca prepleteni s predpisi, infrastrukturo in družbenimi spremembami. Rezultat je nov sistem mobilnosti, kjer lahko avtomobil komunicira z drugimi vozili, cesto, oblakom in celo z vašim mobilnim telefonom, hkrati pa vse bolj prevzema vozniške naloge. Mirno si poglejmo celoten ekosistem, da bi razumeli, kaj povezano vozilo v resnici je, kako se razvija v smeri popolne avtonomije in kakšni izzivi so pred nami.

Kaj je povezano vozilo in kaj ga razlikuje od avtonomnega?

Ko govorimo o povezanem vozilu, mislimo na avtomobil, opremljen z dostopom do interneta in možnostjo izmenjave podatkov v realnem času z okoljem, bodisi s strežniki v oblaku , drugimi vozili ali infrastrukturo, kot so semaforji in informacijske table.

Ključna komponenta je običajno vgrajena telematska enota , bodisi tovarniško integrirana bodisi dodana prek majhne naprave, ki zbira podatke o vozilu (položaj, hitrost, stanje motorja, baterija, dogodki vožnje itd.) in jih pošilja v oblačno platformo, kjer se obdelajo in dajo na voljo proizvajalcem, upravljavcem voznih parkov ali uporabnikom.

Vzporedno s tem je avtonomno vozilo tisto, ki v določenih scenarijih ali celo v vseh scenarijih, če govorimo o popolni avtomatizaciji, nadzoruje lastno krmiljenje, pospeševanje in zaviranje brez človeškega posredovanja. Ta razvoj temelji na napredku senzorjev, programske opreme in uporabne umetne inteligence , ki omogočajo vse bolj zmogljive vozne sisteme.

Preprosto povedano: povezani avtomobil se osredotoča na komunikacijo (V2X, IoT, podatki v oblaku), medtem ko se avtonomni avtomobil osredotoča na avtomatski nadzor vožnje . V prihodnosti se bosta oba koncepta zbližala do te mere, da bodo skoraj vsa na novo registrirana vozila v večji ali manjši meri povezana in opremljena z naprednimi funkcijami avtomatizacije.

Ključne značilnosti povezanih vozil

Funkcije povezanega avtomobila lahko razdelimo v različne kategorije, vse na podlagi neprekinjenega pretoka podatkov med vozilom, uporabniki in okoljem . Oglejmo si najpomembnejše.

Prva funkcija je integrirana internetna povezljivost v vozilu , običajno prek kartice SIM ali modema 4G/5G. To omogoča avtomobilu prenos posodobljenih zemljevidov, prejemanje prometnih informacij v realnem času, preverjanje vremena, pošiljanje diagnostičnih podatkov v delavnico ali prejemanje posodobitev programske opreme, ne da bi bilo treba obiskati prodajalca.

Omeniti velja tudi povezane infotainment sisteme , ki omogočajo dostop do storitev pretakanja glasbe in videoposnetkov, aplikacij drugih ponudnikov, glasovnih pomočnikov in naprednih navigacijskih funkcij. Zasloni so vedno večji, s panoramskimi zasloni na dotik, ki vozniku zagotavljajo informacije, potnikom pa zabavo.

Druga ključna funkcija je navigacija v realnem času, ki temelji na podatkih . Vozilo prejema neprekinjene informacije o prometnih zastojih, nesrečah, delih na cesti ali neugodnih vremenskih razmerah in preračuna pot, da optimizira čas potovanja, porabo goriva in udobje. V prihodnosti bo ta navigacija integrirana z obogateno resničnostjo, ki bo projicirala puščice in opozorila na samo cesto prek vetrobranskega stekla ali zaslonov.

Enako pomembna je integracija z mobilnimi napravami . Številni avtomobili danes omogočajo zaklepanje in odklepanje vrat, vklop klimatske naprave, določanje lokacije vozila na parkirišču ali preverjanje nivoja goriva in stanja baterije s pametnega telefona. Pri nekaterih modelih mobilni telefon sam deluje kot digitalni ključ, ki nadomešča tradicionalni fizični ključ.

Končno, povezljivost odpira vrata oddaljeni diagnostiki in posodobitvam programske opreme po zraku (OTA) . Vozilo lahko pošilja tehnične podatke proizvajalcu ali delavnici, kar olajša preventivno vzdrževanje in zgodnje odkrivanje napak, proizvajalec pa lahko izboljša zmogljivost, učinkovitost porabe goriva in varnost s samodejno prenesenimi posodobitvami in storitvami v oblaku .

Vrste povezljivosti: od telematike do vozila in vsega (V2X)

Znotraj ekosistema povezanih avtomobilov niso vse komunikacije enake; vsaka vrsta povezljivosti zajema niz zelo specifičnih primerov uporabe za varnost, upravljanje in udobje.

Tradicionalna telematska povezljivost se osredotoča na sledenje lokacije, aktivnosti vozil in vedenja med vožnjo . Bistvena je v voznih parkih, kjer lahko upravitelj prek spletne platforme spremlja stotine ali tisoče vozil, preverja porabo goriva, poti, ure vožnje, incidente in vzdrževanje.

Poleg telematike pride v poštev paradigma V2X (Vehicle-to-Everything), ki zajema vso komunikacijo vozila z njegovim okoljem : V2V (vehicle-to-vehicle), V2I (vehicle-to-infrastructure), V2P (vehicle-to-pedestrian) in V2N (vehicle-to-network). Zahvaljujoč tem komunikacijam lahko avtomobil ve, da je drugo vozilo nenadoma zaviralo nekaj metrov pred njim, da bo pešec, skrit za oviro, prečkal cesto ali da se bo spremenila luč na semaforju.

Tehnologija V2X se opira tako na mobilna omrežja (4G in zlasti 5G) kot na posebne komunikacijske enote, nameščene v vozilih in na cestah . Brez tega kooperativnega ekosistema bi bila sposobnost avtomatiziranih vozil, da predvidijo tisto, kar ni neposredno vidno, močno omejena.

Kar zadeva izkušnjo v avtomobilu, je še ena pomembna vrsta povezljivosti kooperativni infotainment . Potniki lahko dostopajo do prilagojenih vsebin, video klicev, video iger ali storitev mobilne pisarne, pri čemer izkoriščajo stalno povezavo. Ta vrsta uporabe bo postala še posebej pomembna, ko bodo avtomobili dosegli visoko stopnjo avtonomije in se potnikom ne bo več treba osredotočati na vožnjo.

5G, internet stvari in vloga telekomunikacij

Celoten ekosistem bi bil nemogoč brez robustne telekomunikacijske infrastrukture z nizko zakasnitvijo . Tukaj prideta v poštev 5G in internet stvari (IoT).

Omrežje 5G lahko deluje do 100-krat hitreje kot 4G , z zakasnitvijo le nekaj milisekund. To omogoča povezanim vozilom, da pošiljajo in prejemajo milijone podatkovnih točk na dan skoraj v realnem času, kar je bistvenega pomena za napredne sisteme za pomoč vozniku in kooperativne scenarije vožnje.

Hkrati je avtomobil integriran v ekosistem interneta stvari kot zmogljiv mobilni senzor . Vsako vozilo zagotavlja informacije o razmerah na cesti, prometu, vremenu in prisotnosti ovir, ki se zbirajo v oblaku in so na voljo drugim uporabnikom in storitvam. Na ta način cesta postane pametna servisna platforma.

Telekomunikacijski operaterji in proizvajalci razvijajo posebne platforme za povezano in avtomatizirano mobilnost , pa tudi projekte pametnih cest (C-ITS) z obcestnimi enotami, ki komunicirajo neposredno z vozili. Poleg tega se pojavljajo alternative povezljivosti, kot je Starlink , ki širijo možnosti pokritosti na oddaljenih območjih. Španija na primer napreduje s pobudami, kot je platforma DGT 3.0, katere cilj je izmenjava podatkov v realnem času med vozili, infrastrukturo in uporabniki.

Množična uvedba 5G bo ključnega pomena ne le za širitev povezanega avtomobila, temveč tudi za varno omogočanje visoke ravni avtonomne vožnje , kjer bi lahko vsaka komunikacijska zamuda pomenila razliko med tem, ali se bomo nesreči izognili ali ne.

Od pomoči do avtonomije: ravni SAE avtomatizirane vožnje

Za razvrščanje stopnje avtomatizacije je Društvo avtomobilskih inženirjev (SAE) opredelilo šeststopenjsko lestvico od 0 do 5 , ki temelji na tem, koliko sistemi posredujejo in koliko naredi voznik.

Na stopnji 0 ni avtomatizacije: vožnja je v celoti v rokah osebe za volanom. Vozilo lahko vključuje opozorila ali alarme, vendar ne nadzoruje krmiljenja, zaviranja ali pospeševanja.

1. stopnja vključuje funkcije za pomoč vozniku, kot sta prilagodljivi tempomat in pomoč pri ohranjanju voznega pasu. Na tej stopnji sistem nadzoruje le eno os (prečno ali vzdolžno), voznik pa mora ves čas nadzorovati vozilo.

2. stopnja vključuje delno avtomatizacijo: avtomobil lahko v določenih okoliščinah (na primer na avtocesti) hkrati nadzoruje krmiljenje in pospeševanje/zaviranje , vendar voznik ostaja odgovoren, mora spremljati okolico in biti pripravljen kadar koli posredovati.

Na 3. stopnji govorimo o pogojni avtomatizaciji: sistem je sposoben v celoti upravljati vožnjo v določenih scenarijih (odseki avtoceste, prometni zastoji ...), voznik pa lahko začasno prekine vožnjo, vendar mora biti pripravljen, da bo nadzor spet prevzel, ko bo vozilo to zahtevalo, z razumno rezervo.

Stopnja 4 predstavlja visoko avtomatizacijo, kjer lahko vozilo opravlja vse vozne naloge v določenih primerih uporabe (npr. omejeno urbano območje ali parkirišče), ne da bi bilo treba voznikovo posredovanje v teh specifičnih scenarijih.

Končno, 5. stopnja pomeni popolno avtomatizacijo: avtomobil ne potrebuje človeškega voznika nikoli in pod nobenimi pogoji ; lahko se vozi po kateri koli cesti in v kateri koli situaciji brez človeškega posredovanja. Ta scenarij še zdaleč ni postal razširjen, vendar številni prototipi in napredni pilotni projekti kažejo v smeri tega cilja.

Kako avtonomno in povezano vozilo »zaznava« in se odloča

Da bi vozilo lahko vozilo samo, mora posnemati in celo izboljšati človeške senzorične in kognitivne sposobnosti, pri čemer se mora zanašati na napredno elektroniko, senzorje in algoritme umetne inteligence.

Odločanje se opira na kompleksne algoritme, od katerih mnogi temeljijo na strojnem učenju in globokih nevronskih mrežah . Ti algoritmi v realnem času obdelujejo ogromne količine podatkov iz kamer, radarja, LiDAR-ja, visokoločljivostnih zemljevidov in komunikacije V2X, pri čemer se učijo običajnih prometnih vzorcev, predvidevajo vedenje drugih uporabnikov in zaznavajo nenavadne situacije.

Pomnilnik avtonomnega vozila se opira na HD-zemljevide z natančnostjo približno 10 centimetrov , v kombinaciji z diferencialnim GPS-om in drugimi senzorji za določanje položaja. Ta kombinacija omogoča sistemu, da natančno ve, v katerem voznem pasu je avtomobil, geometrijo ceste, lokacijo znakov in druge pomembne elemente ter da te informacije posodablja v realnem času s podrobnostmi o prometu in cestnih delih. Poleg tega tehnologije, kot so digitalni dvojčki, omogočajo replikacijo in posodabljanje urbanih okolij v oblaku.

"Oči" sistema so kamere, radar, ultrazvok in LIDAR senzorji, ki zagotavljajo 360-stopinjski pogled na okolico . Kakovost in združevanje podatkov sta ključnega pomena: vozilo mora biti sposobno zanesljivo prepoznati pešce, kolesarje, druge avtomobile, znake, cestne oznake in ovire, tudi v neugodnih razmerah.

Element »sluha« se materializira v komunikaciji z oblakom ter drugimi vozili in infrastrukturo . Zahvaljujoč računalništvu v oblaku in tehnologijam, kot je Floating Car Data, avtomobil prejema informacije o dogodkih, ki jih ne more neposredno zaznati s svojimi senzorji: nesreča pred vozilom, led na cesti, pokvarjeno vozilo po nepreglednem ovinku itd.

Končno, "refleksi" vozila temeljijo na naprednih aktuatorjih in algoritmih za napovedno krmiljenje, kot sta krmilnika krmiljenja po žici in MPC , ki delujejo na krmiljenje, plin in zavoro za hitro, gladko in varno izvajanje manevrov, pri čemer upoštevajo fizične omejitve vozila in udobje potnikov.

Zgodovina in razvoj povezanega in avtomatiziranega avtomobila

Zgodba o avtonomnem in povezanem vozilu se ni pojavila iz nič; temelji na desetletjih napredka v elektroniki, računalništvu in varnosti v avtomobilski industriji.

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Formula 1 začela uporabljati vgrajene računalnike za pridobivanje podatkov o zmogljivosti avtomobila v realnem času, kar je pomenilo zgodnji mejnik v konceptu povezanega vozila. Kmalu zatem, leta 1996, je General Motors tržil prve avtomobile s samodejnimi sistemi za klic v sili, ki so bili sposobni zaznati nesrečo in stopiti v stik z reševalnimi službami.

Civilna uporaba GPS-a od leta 2000 naprej je močno spodbudila vgrajene navigacijske sisteme , ki so iz luksuza postali skoraj standard. Leta 2001 so prišli prvi sistemi za oddaljeno diagnostiko in napovedno vzdrževanje, ki so proizvajalcem in upravljavcem voznih parkov omogočili oddaljeno spremljanje stanja vozil.

Leta 2008 so začele pridobivati ​​na priljubljenosti dostopne točke do interneta v avtomobilih in prve namenske mobilne aplikacije za avtomobile , ki so ponujale funkcije, kot so zaklepanje in odklepanje vrat ter lociranje vozila. Leta 2014 so znamke, kot sta Audi in GM, v svoje modele množično integrirale povezljivost 4G LTE, leta 2016 pa je Toyota na Japonskem predstavila prva vozila z integrirano komunikacijo V2X.

Vzporedno se je avtomatizacija vožnje razvila od zgodnjih sistemov tempomata do bolj kompleksnih pripomočkov, kot so pomoč pri parkiranju, aktivna pomoč pri ohranjanju voznega pasu in avtonomno zaviranje v sili. Danes se ocenjuje, da milijoni novih vozil že vključujejo neko vrsto napredne povezljivosti in sistemov ADAS, kar predstavlja vmesni korak k popolnoma avtonomni vožnji.

Regulativni, tehnološki in varnostni izzivi

Široka uporaba avtonomnih in povezanih vozil ni le tehnični izziv; vključuje korenite spremembe v regulaciji, kibernetski varnosti in družbeni sprejemljivosti . Vsi ti dejavniki vplivajo na hitrost uvajanja.

Z regulativnega vidika so veljavni zakoni zasnovani za vozila, ki jih upravljajo ljudje, pri čemer je voznik neposredno odgovoren za svoja dejanja za volanom . Pri avtomatiziranih sistemih se pojavlja razprava o kazenski, civilni in upravni odgovornosti v primeru nesreče: ali je odgovoren voznik, proizvajalec, ponudnik programske opreme, upravljavec infrastrukture ali kombinacija naštetih?

Mednarodne organizacije in nacionalni organi že delajo na novih pravnih okvirih in postopkih homologacije . Za nizke stopnje avtomatizacije so sistemi za pomoč vozniku certificirani kot kateri koli drug sistem vozila, vendar bo treba z napredkom proti stopnjam 4 in 5 opredeliti strožja merila glede funkcionalne varnosti, kibernetske varnosti, zasebnosti podatkov in usposabljanja uporabnikov.

S tehnološkega vidika je eden največjih izzivov dokazati, da je avtonomno vozilo dovolj varno . Razpravlja se o izjemno nizkih stopnjah napak (na primer reda velikosti 10^-8 napak na uro za stopnje integritete ASIL D v skladu s standardom ISO 26262). Empirično testiranje te stopnje zanesljivosti v realnem svetu bi bilo neizvedljivo: zahtevalo bi milijarde kilometrov testiranja, kar je pretirano drago in dolgotrajno.

Zato industrija vlaga v nove metodologije testiranja in validacije, ki temeljijo na obsežnih simulacijah, preskusnih mizah s programsko in strojno opremo v zanki ter faznih pristopih, ki združujejo virtualna okolja, laboratorije, zaprte proge in končno odprte ceste. Poleg tega se ustanavljajo posebne delovne skupine za opredelitev mednarodnih standardov, ki bodo omogočili dosledno certificiranje teh vozil.

Kibernetska varnost je še eno ključno vprašanje: povezan avtomobil je v praksi računalnik z dostopom do interneta, ki se premika z veliko hitrostjo . Zaščita pred napadi, nepooblaščenim dostopom ali manipulacijo programske opreme je prednostna naloga proizvajalcev, operaterjev in regulatorjev, zlasti v primeru vse večjega števila kibernetskih napadov na povezano infrastrukturo in naprave.

Vpliv na prometne nesreče in varnost v cestnem prometu

Prometne nesreče ostajajo eden glavnih vzrokov smrti in hudih poškodb po vsem svetu , velik delež pa je povezan s človeškimi napakami: motnjami pozornosti, neprimerno hitrostjo, uživanjem alkohola in drog, utrujenostjo, tveganimi odločitvami itd.

Študije prometnih organov in mednarodnih organizacij ocenjujejo, da približno 90 % nesreč povzročijo človeške napake , medtem ko mehanske okvare predstavljajo zelo majhen odstotek. Ta realnost je spodbudila naložbe v vse bolj dovršene aktivne in pasivne varnostne sisteme ter avtomatizacijo nekaterih voznih opravil.

Napredni sistemi za pomoč vozniku (ADAS) – kot so avtonomno zaviranje v sili, pomoč pri ohranjanju voznega pasu, prilagodljivi tempomat in zaznavanje utrujenosti voznika – neposredno vplivajo na potencialno zmanjšanje števila nesreč . Tehnična poročila kažejo, da bi se lahko znatnemu odstotku zabeleženih nesreč izognili ali ublažili, če bi bila vsa vozila serijsko opremljena s temi sistemi.

Evropska unija je predlagala obvezne varnostne pakete, ki med drugim vključujejo snemalnike podatkov o dogodkih, inteligentni sistem za uravnavanje hitrosti, sisteme za zaznavanje zaspanosti, kamere za vzvratno vožnjo in senzorje za ranljive udeležence v prometu . Cilj je pospešiti obnovo voznega parka v smeri varnejših vozil, ki so bolje opremljena za povezljivost in avtomatizacijo.

Srednjeročno in dolgoročno naj bi visoka ali popolna avtomatizacija vožnje prispevala ne le k zmanjšanju števila nesreč in smrtnih žrtev, temveč tudi k zmanjšanju zastojev, emisij in porabe energije z optimizacijo slogov vožnje in izogibanjem nepotrebnemu zaviranju in pospeševanju. Vendar pa bo dejanski učinek v veliki meri odvisen od hitrosti sprejetja, kakovosti infrastrukture in sprejemanja javnosti.

Povezana mobilnost, elektrifikacija in novi modeli uporabe

Avtonomno in povezano vozilo ne pride samo od sebe; je del širše spremembe, kjer se deljena mobilnost, elektrifikacija in digitalizacija medsebojno krepijo.

Po eni strani tradicionalno lastništvo avtomobilov izgublja podlago v korist modelov uporabe na zahtevo : souporabe avtomobilov, naročnin, mobilnosti kot storitve (MaaS) in skupnih voznih parkov, ki jih je mogoče zaradi povezljivosti in podatkov v realnem času upravljati veliko učinkoviteje.

Po drugi strani pa elektrifikacija pridobiva na pomenu s širjenjem električnih in priključnih hibridnih vozil. Strožji emisijski predpisi, padajoči stroški baterij in postavitev polnilnih postaj spodbujajo njihovo uporabo, kombinacija električnega pogona in avtomatizirane vožnje pa se pojavlja kot eden glavnih trendov v tem sektorju.

Svetovalna podjetja in mednarodne organizacije napovedujejo scenarije, v katerih bo v prihodnjih desetletjih znaten delež novo registriranih vozil električnih, visoko avtomatiziranih, souporabljanih in povezanih . Vendar pa ocenjujejo tudi, da bodo tradicionalna vozila, ki jih poganja človek, še vrsto let sobivala z avtomatiziranimi vozili, kar bo predstavljalo dodatne izzive sobivanja in regulacije.

Države, kot so Nizozemska, Nemčija in nekatere regije Združenih držav Amerike, so trenutno v vodstvu na področju pripravljenosti na avtonomna in povezana vozila, zahvaljujoč dobri infrastrukturi, visoki stopnji digitalizacije, visoki gostoti polnilnih mest in regulativni odprtosti za pilotne projekte . Španija, čeprav je v vmesnem položaju, napreduje pri projektih C-ITS, izboljšavah mobilnih omrežij in podatkovnih platformah, kot je prej omenjeni DGT 3.0.

Avtonomno in povezano vozilo skupaj postaja jedro novega modela mobilnosti, v katerem varnost v cestnem prometu, energetska učinkovitost in potovalna izkušnja dosežejo kakovosten skok naprej , če le uspemo uskladiti tehnologijo, predpise, infrastrukturo in družbeno sprejemanje. Pot je polna izzivov – od kibernetske varnosti in tehnične validacije do dodeljevanja odgovornosti in gradnje zaupanja uporabnikov – hkrati pa predstavlja zgodovinsko priložnost za drastično zmanjšanje števila nesreč, preoblikovanje mest in pretvorbo avtomobila v inteligentno platformo v službi ljudi.