Колонны беспилотных грузовиков сохранят время и до 20% топлива
По прогнозам исследователей, беспилотные грузовики должны войти в транспортную систему в ближайшие годы. Они же предполагают, что автономные транспортные средства могут сэкономить топливо, если будут двигаться в колоннах по несколько грузовиков в каждой. Как стаи птиц или клины истребителей, группы байкеров и гоночных автомобилей, грузовики испытывают меньшее аэродинамическое сопротивление, когда движутся на близком расстоянии.
Но создание колонны автомобилей для доставки грузов между центрами распределения или перевозка пассажиров между станциями требует времени. Автомобиль, который прибудет на станцию раньше, вынужден дожидаться других, прежде чем они сформируют колонну и отправятся в путь, что создает неизбежные задержки.
Колонны грузовых автомобилей, которые едут вплотную друг к другу для достижения аэродинамической эффективности, могут сэкономить до 20% расходов на топливо. Чем больше автомобилей в одной колонне, тем выше эффективность: первый и последний грузовик в колонне не подвергаются эффекту аэродинамической тени. Инженеры Массачусетского технологического института (МТИ) обнаружили, что есть два эффективных варианта: либо формировать колонну автомобилей из тех, что уже есть, и отправлять по расписанию, либо отправить один раз определенное количество фургонов в одной колонне.
Движение фургонов в непосредственной близости друг к другу повышает эффективность использования топлива. Колонны грузовиков, стай птиц и клины истребителей — схожие группы с системной точки зрения. Люди, которые изучают эти системы, смотрят только на показатели эффективности, такие как временная задержка и расход топлива. Ученые из МТИ рассматривают эти показатели в сравнении со стоимостью, расходом энергии и воздействия на окружающую среду. По их мнению это направление исследований может действительно повысить эффективность грузоперевозок.
По словам инженеров, во время грузоперевозок, особенно на дальние расстояния, значительная часть топлива расходуется в том числе на попытки преодолеть аэродинамическое сопротивление. Ранее ученые подсчитали, что если несколько грузовиков будут ехать в нескольких метрах друг от друга, один за другим, машины в середине должны испытывать меньшее сопротивление, тем самым сэкономив 20% топлива.
Те фургоны, что едут позади, должны сохранить около 15% топлива — немного меньше из-за воздушных потоков, которые образуются сзади. Колонна из пяти грузовиков сэкономит около 17% топлива по сравнению с грузовиками-одиночками, восемь автомобилей дадут 18% экономии и только с 15 фургонами в одной колонне эффективность достигнет 19%.
Доцент кафедры аэронавтики и астронавтики МТИ Сертак Караман (Sertac Karaman) и его коллеги разработали математическую модель для изучения влияния различных политик планирования расходов топлива и задержек. Вместе они смоделировали простой сценарий, в котором несколько грузовиков перемещаются между двумя станциями и прибывают на каждую в случайные моменты времени. Модель включает в себя два основных компонента: формулу для представления времени прибытия транспортного средства и для прогнозирования потребления топлива.
Группа наблюдала за тем, как время прибытия и потребление топлива меняется в двух стратегиях планирования: политике расписания, в которой транспортные средства, вне зависимости от их количества, формируют колонну и отправляются в определенное время; и политика обратной связи, когда грузовики отправляются в путь только тогда, когда наберется определенное количество автомобилей — стратегии, с которой Караман впервые познакомился в Турции.
«Я вырос в Турции, где есть два вида общественного транспорта: обычные автобусы, которые ходят через определенные промежутки времени и другие, где водитель будет стоять на остановке, пока автобус не заполнится, а затем отправится в путь», — отмечает он.
В процессе создания моделей движения колонн грузового транспорта исследователи проанализировали множество различных сценариев в рамках двух основных направлений стратегий планирования движения. Чтобы оценить влияние графика на движение, они смоделировали сценарии, в которых колонны отправлялись через равные промежутки времени, например, через каждые пять минут, и сравнивали их с вариантами при других интервалах — по три и семь минут. В соответствии с политикой обратной связи они сравнивали сценарии, в которых отправлялось разное количество машин — сначала три за раз, затем пять за раз.
В конечном счете команда нашла оптимальное соотношение, при котором перемещение из одной точки в другую займет наименьшее время при сохранении большего объема топлива. Те колонны, которые ехали по определенному расписанию, оказались более эффективными чем те, которые были разнесены во времени. Аналогичным образом сценарии обратной связи, в которых сначала собиралось определенное количество грузовиков перед отправлением, были более оптимальными чем те, в которых количество грузовиков в колонне постоянно менялось. В ходе исследования также выяснилось, что политика обратной связи чуть более устойчива, чем стратегия с использованием расписания движения — с первой можно сэкономить на 5% больше топлива.
Сейчас Караман работает с транспортными компаниями в Бразилии, где он создает для них модели эффективности грузоперевозок. Еще не окончательная ее версия предполагает движение автомобилей на очень близком расстоянии — от 3 до 4 метров, что позволит максимизировать аэродинамическую эффективность. Обычному человеку трудно выдерживать такую дистанцию за рулем грузовика, поэтому Караман предполагает, что потребуются автономные системы вождения.
К сожалению, исследование не может охватить все аспекты грузоперевозок. В нем не рассматривалась реакция других автомобилистов, которые не являются частью колонны. Вполне вероятно, что водители не будут в восторге от движения в одном потоке с автономно управляемыми грузовиками, несмотря на то, что последние потенциально могут быть более безопасными. Беспилотные грузовики будут снабжены системой автоматического управления и алгоритмами безопасности на тот случай, если у них спущена шина или обнаружена неисправность. Первые автономные автомобили будут находиться под контролем водителей, но постепенно его роль в управлении сойдет на нет.
Когда грузовики сильно разнесены таким образом, что при желании человек может проехать между ними — это одно. Однако сплошные стены из грузовиков протяженностью в несколько сотен метров обескураживает: колонна из 10 грузовиков с шагом экономии топлива в 3–4 метра растянется примерно на 230 метров.
