Рой и колонна

Птицы сбиваются в стаи, пчелы – в рой, рыбы – в

косяк. Интересно наблюдать, как они движутся четким

строем, вдруг устремляются вниз, закладывают вира-

жи, рассыпаются, чтобы обогнуть препятствие, а за-

тем снова собираются вместе. Все маневры выполня-

ются четко: они движутся синхронно, вплотную друг

к другу, моментально выполняют команды лидера и

при этом не сталкиваются.

Вот только лидера у них нет. Роевое поведение, а

также его аналоги у птиц, рыб, стадных животных воз-

никает, когда все участники следуют одним и тем же

необычайно простым поведенческим правилам. Каж-

дое животное (рыба, насекомое) избегает столкнове-

ний с другими животными и предметами, которые мо-

гут оказаться на его пути, старается держаться побли-

же к остальным, не соприкасаясь с ними, и движет-

ся в том же направлении, что и его соседи. Общение

внутри роя, косяка или стаи ограничивается сенсор-

ной информацией: зрительной, звуковой, реакцией на

движение и вибрацию (боковая линия у рыб), а также

запах (у муравьев).

В искусственных системах мы можем использовать

более информативные способы коммуникации. Пред-

ставим, что по шоссе движется группа автомобилей,

связанных друг с другом через беспроводную сеть.

Получается своего рода автомобильный рой. Поведе-

ние особей в обычном рое реактивное – они реагиру-

ют на действия друг друга. А искусственный рой, на-

пример группа автомобилей, способен на предиктив-

ное поведение, поскольку машины могут сообщать

друг другу о предполагаемых действиях и заранее на

них реагировать.

Итак, у нас есть рой связанных друг с другом полно-

стью автоматизированных автомобилей. Это дает им

возможность быстро и безопасно двигаться по трассе.

Кроме того, им не нужно соблюдать большую дистан-

цию, нескольких футов или метра будет достаточно.

Если машина, идущая впереди, захочет сбавить ско-

рость или затормозить, она заранее сообщит об этом

остальным, и за тысячную долю секунды весь рой за-

медлится или остановится. Когда за рулем находят-

ся люди, они должны соблюдать большую дистанцию,

чтобы у водителей было время среагировать или ре-

шить, как следует поступить, а в автоматическом рое

скорость реакции измеряется миллисекундами.

Для автомобильного роя не нужно делить шоссе

на полосы – ведь они предназначены для того, что-

бы помочь водителям избежать столкновения. В рое

столкновения невозможны, значит, и полос не требу-

ется. Не понадобятся также знаки остановки и свето-

форы – на перекрестке рой просто будет следовать

своим правилам, чтобы не столкнуться с перпендику-

лярным потоком. Машины скорректируют скорость и

местоположение, одни начнут двигаться медленнее,

другие быстрее, и пересекающиеся потоки как по вол-

шебству пройдут сквозь друг друга без единого столк-

новения. Правда, здесь правила поведения в рое на-

до будет несколько изменить, чтобы машины в пото-

ках продолжали следовать за прежними соседями, а

не за новыми, но это сделать нетрудно.

А как же пешеходы? Теоретически правила, позво-

ляющие избегать столкновений, должны распростра-

няться и на них. Люди просто будут переходить ули-

цу в любом месте, а машины замедлят или увеличат

скорость, либо свернут в сторону, чтобы не оказаться

на их пути. Переходить улицу будет, конечно, страш-

новато, от пешеходов потребуется абсолютное дове-

рие к машинам, но такая схема возможна.

Но что, если машине необходимо покинуть рой или

она едет не туда, куда остальные? Водитель сообщит

ей о своих намерениях, а она, в свою очередь, проин-

формирует остальных. Водитель также может вклю-

чить сигнал поворота, чтобы заявить о своем желании

перестроиться, а машина передаст эти сведения со-

седям. Чтобы автомобиль мог перестроиться вправо,

машина, идущая впереди в правом ряду, немного уве-

личит скорость, а задняя чуть замедлится. Слегка на-

жав на педаль тормоза, водитель сообщит о намере-

нии сбавить скорость или остановиться, и другие ма-

шины дадут ему такую возможность.

Обмениваться информацией можно не только внут-

ри роя, но и с другими роями. Так, рой, движущийся в

одном направлении, может делиться информацией с

роем, едущим в противоположную сторону, сообщая

ему о том, что ждет его впереди. Кроме того, при ин-

тенсивном движении ведущая машина сможет пере-

давать информацию остальным, информируя их об

авариях, пробках и других дорожных проблемах.

Возможности объединения автомобилей в рой по-

ка изучают лишь в исследовательских лабораториях.

Чтобы воплотить эту идею в жизнь, необходимо ре-

шить ряд серьезных проблем. В частности, надо по-

нять, как быть, если не все машины оснащены сред-

ствами беспроводной связи, необходимыми для дви-

жения в составе роя. Другая проблема связана с тем,

что на дороге одновременно находятся автомобили

разных моделей и разной технической оснащенности:

у одних управление полностью автоматизировано и

они оборудованы беспроводной связью, у других обо-

рудование устарело, у третьих его вообще нет, а у чет-

вертых оно вышло из строя. Следует ли машинам в

составе роя определять, какая из них обладает наи-

меньшими возможностями, и подстраиваться под ее

действия? Ответить на эти вопросы пока не может ни-

кто.Но и это еще не все. Допустим, что к рою, занима-

ющему всю дорогу, приблизился водитель-экстремал.

Если он захочет обогнать всех, ему надо просто при-

бавить скорость и проехать через рой – другие авто-

мобили автоматически уступят ему дорогу. В этом нет

ничего страшного, если такой водитель один, но если

их будет много, может случиться катастрофа.

Кроме того, как уже отмечалось, машины различа-

ются по своим характеристикам. Если они не автома-

тизированы, нужно учитывать возможное поведение

их водителей – ведь у них разный уровень навыков, к

тому же они могут быть рассеянны, сонливы и невни-

мательны. Кроме того, у тяжелых грузовиков реакция

медленнее, а тормозной путь длиннее, чем у легко-

вых автомобилей. К тому же разные модели отлича-

ются по времени набора скорости, тормозному пути и

маневренности.

Несмотря на перечисленные проблемы, движение

роем имеет ряд преимуществ. Когда машины движут-

ся почти вплотную друг к другу, увеличивается про-

пускная способность дорог, а значит, снижается ве-

роятность пробок. Более того, в обычном потоке ско-

рость снижается по мере роста интенсивности дви-

жения, а рой может ехать с постоянной скоростью

и снижать ее только при чрезвычайной загруженно-

сти трассы. Наконец, минимальное расстояние меж-

ду машинами способствует снижению аэродинами-

ческого сопротивления (именно поэтому велогонщи-

ки движутся плотной группой: когда едешь за лиде-

ром, сопротивление воздуха меньше). Впрочем, как

бы то ни было, автомобильные рои появятся на доро-

гах еще не скоро.

Другое дело – колонны. Колонна представляет со-

бой упрощенный, линейный рой. В колонне автомо-

били движутся впритык друг к другу, строго выдер-

живая скорость впереди идущей машины. При таком

движении водитель необходим лишь ведущей маши-

не, остальные попросту следуют за ней. Некоторые

из преимуществ роя здесь сохраняются, в частности

увеличение интенсивности движения и снижение со-

противления воздуха. Эксперименты, проводившиеся

на реальных автомагистралях, показывают, что при

движении в колонне пропускная способность трассы

резко увеличивается. Наибольшие трудности здесь,

как в рое, возникают, если водителям надо пристро-

иться к колонне или покинуть ее или если она состоит

из смешанных машин, часть из которых не оборудо-

вана автоматическими средствами связи. И конечно,

водитель, который стремится воспользоваться ситуа-

цией или просто хулиганит, способен нарушить дви-

жение как в рое, так и в колонне.

Колонна и рой – лишь две из многочисленных форм

автоматизации, над которыми сегодня работают уче-

ные. Кстати, функция движения в колонне уже за-

ложена в некоторые адаптивные системы круиз-кон-

троля. В конце концов, если эта система способна

снижать скорость при появлении другого автомоби-

ля, она легко сможет отслеживать изменение его ско-

рости, пока тот находится в радиусе ее действия. В

интенсивном потоке такая машина будет следовать

вплотную к впереди идущему автомобилю, увеличи-

вая дистанцию лишь при увеличении скорости. А ес-

ли она будет полностью автоматизирована, значи-

тельного увеличения дистанции вообще не потребу-

ется. Когда машинами управляют не люди, а автома-

ты, движение становится куда более стабильным и

упорядоченным – конечно, до тех пор, пока все рабо-

тает как часы и не случается ничего непредвиденного.

Эффективное движение в колонне невозможно без

полной автоматизации управления тормозами, рулем

и скоростью. Более того, для этого требуется высо-

кий уровень надежности, можно даже сказать – абсо-

лютная надежность, настолько высокая, чтобы в ней

нельзя было усомниться. Однако, как и в случае с ро-

ем, пока не ясно, как внедрить колонны в существую-

щую схему дорожного движения, учитывая, что боль-

шое количество машин не способно держать такой

строй. Как отделить автоматизированные автомобили

от автомобилей с ручным управлением? Как покидать

колонну и вливаться в нее? И как быть, если что-то

пойдет не так?

Рой отлично работает в лабораторных условиях,

но вообразить его на реальной дороге трудно. Ко-

лонна, пожалуй, более реалистичный вариант. Мож-

но представить, что для движения колонн будут вы-

делены специальные полосы и, прежде чем туда въе-

хать, каждая машина будет проходить обязательную

проверку оборудования связи и управления. Постро-

ение в колонну позволит увеличить среднюю скорость

движения, уменьшить заторы и сэкономить топливо.

Одним словом, этот вариант выглядит оптимальным.

Главная сложность состоит в том, как обеспечить без-

опасное вливание машин в колонну и выход из нее и

выполнить требования, предъявляемые к оборудова-

нию.