Une startup de Carnegie Mellon souhaite gérer le trafic aux intersections en exploitant les radios des voitures de demain
À Mexico, à São Paulo, à Rome, à Moscou, à Beijing, au Caire et à Nairobi, le trajet du matin peut, pour de nombreux habitants de la ville, dépasser 2 heures. Incluez le trajet du soir et il n’est pas inhabituel de passer 3 ou 4 heures sur la route tous les jours.
Supposons maintenant que nous puissions mettre au point un système permettant de réduire d’un tiers le temps de trajet quotidien aller-retour, par exemple de 3 à 2 heures par jour. C’est suffisant pour économiser 22 heures par mois, soit plus de 3 ans en 35 ans de carrière.
Ne vous en faites pas, banlieusards assiégés, car un tel système a déjà été conçu, basé sur plusieurs technologies émergentes. L’un d’entre eux est la liaison sans fil des véhicules. Cette technologie est souvent appelée technologie V2V (véhicule à véhicule), bien que cette liaison puisse également inclure la signalisation routière et d’autres infrastructures. Une autre technologie émergente est celle du véhicule autonome, qui, de par sa nature, devrait minimiser les temps de trajet (tout en rendant ce temps plus productif). Ensuite, il y a l’Internet des objets (IoT), qui promet de connecter non seulement les 7 milliards d’habitants de la planète, mais également 30 autres milliards de capteurs et de gadgets.
Toutes ces technologies peuvent être associées à un algorithme développé par des chercheurs de l’Université Carnegie Mellon, à Pittsburgh. L’algorithme permet aux voitures de collaborer, en utilisant leurs capacités de communication embarquées, afin de maintenir la fluidité du trafic en toute sécurité et en toute sécurité, sans l’utilisation d’aucun feu de signalisation. Ils ont créé le projet en tant qu’entreprise, baptisée Virtual Traffic Lights (VTL), et l’ont longuement testé lors de simulations et, depuis mai 2017, dans le cadre d’un projet privé sur des routes situées à proximité du campus Carnegie Mellon. En juillet, Ils ont présenté pour la première fois la technologie VTL en Arabie Saoudite devant un public d’une centaine de scientifiques, responsables gouvernementaux et représentants de sociétés privées.
Les résultats de cet essai ont confirmé ce qu’ils avaient déjà fortement suspecté: il est temps d’abandonner les feux rouges. Nous n’avons rien à perdre sauf d’innombrables heures assis dans nos voitures sans aller nulle part.
Le principe du feu de signalisation n’a pratiquement pas changé depuis que le dispositif a été inventé en 1912 et déployé à Salt Lake City et, deux ans plus tard, à Cleveland. Cela fonctionne sur une approche basée sur une minuterie, c’est pourquoi vous vous retrouvez parfois assis derrière un feu rouge à une intersection lorsqu’il n’y a aucune autre voiture en vue. La synchronisation peut être ajustée pour correspondre aux modèles de trafic à différents moments du cycle de déplacement, mais c’est à peu près tout le réglage que vous pouvez faire, et c’est peu. En conséquence, beaucoup de gens perdent beaucoup de temps. Tous les jours.
Au lieu de cela, imaginez un certain nombre de voitures approchant à une intersection et communiquant entre elles avec la technologie V2V. Ensemble, ils votent pour ainsi dire, puis élisent un véhicule qui servira de chef de file pendant une certaine période, au cours de laquelle il décidera quelle direction doit être cédée, l’équivalent d’un feu vert, et quelle direction a le feu rouge.
Algorithme VTL: laisser les voitures contrôler leur propre trafic
Alors, qui a le droit de passage? C’est très simple et respectueux. Le chef attribue le statut d’un feu rouge à sa propre direction de mouvement tout en donnant le feu vert à toutes les voitures dans le flux perpendiculaire. Après, disons, 30 secondes, une autre voiture – dans le flux perpendiculaire – devient le leader et fait la même chose. Ainsi, le leadership est transféré à maintes reprises, à tour de rôle, afin de partager équitablement la responsabilité et le fardeau, car être un leader implique de sacrifier l’intérêt personnel immédiat pour le bien commun.
Avec cette approche, les feux de signalisation ne sont plus nécessaires. Le travail de régulation du trafic se fond invisiblement dans l’infrastructure sans fil. Vous ne vous retrouveriez jamais assis au feu rouge quand il n’y avait pas de circulation transversale à affronter.
L’algorithme VTL de la société des chercheurs choisit les dirigeants en consultant des paramètres tels que la distance du véhicule avant dans chaque approche par rapport au centre de l’intersection, la vitesse des véhicules, le nombre de véhicules dans chaque approche, etc. Lorsque tout le reste est égal, l’algorithme choisit le véhicule le plus éloigné de l’intersection pour qu’il ait suffisamment de temps pour décélérer. Cette politique garantit que le véhicule le plus proche de l’intersection obtienne le droit de passage, c’est-à-dire le feu vert virtuel.
Le leadership est confié à plusieurs reprises, à tour de rôle, pour partager équitablement la responsabilité et le fardeau
Il est important de noter que la technologie VTL n’a besoin ni de caméra, ni de radar, ni de lidar. Il tire toute l’orientation dont il a besoin d’un système sans fil appelé communications dédiées à courte portée ou DSRC (Dedicated Short-Range Communications). Ce DSRC fait référence aux programmes radio, y compris la bande passante dédiée, développés aux États-Unis, en Europe et au Japon entre 1999 et 2008 afin de permettre aux voitures proches de communiquer sans fil. Les développeurs du DSRC ont envisagé diverses utilisations, notamment la collecte de péage électronique et le contrôle de vitesse de croisière adaptatif coopératif, ainsi que la fonction qui est de savoir éviter les collisions aux intersections.
Très peu de voitures de série sont maintenant équipées d’émetteurs-récepteurs DSRC (et il est possible que la technologie sans fil 5G émergente remplace la technologie DSRC). Mais ces émetteurs-récepteurs sont facilement disponibles et fournissent toutes les fonctionnalités nécessaires. Ces émetteurs-récepteurs, conçus pour utiliser la norme IEEE 802.11p, doivent chacun envoyer un message de sécurité de base tous les dixièmes de seconde. Le message indique aux destinataires où se trouve le véhicule émetteur par latitude, longitude et cap.
Fonctionnant sur un processeur dans un véhicule, l’algorithme VTL prend les données de ce véhicule, ajoute tout ce qu’il reçoit des véhicules voisins et superpose le résultat aux lectures de services de cartographie numérique tels que Google Maps, Apple Maps ou OpenStreetMap. De cette manière, chaque véhicule peut calculer sa propre distance par rapport à l’intersection, ainsi que la distance entre les véhicules approchant l’intersection et les autres directions. Il peut également calculer la vitesse, l’accélération et la trajectoire de chaque véhicule. C’est tout ce dont l’algorithme a besoin pour décider qui doit traverser l’intersection (feu vert) et qui doit s’arrêter (feu rouge).
Et une fois que la décision est prise, un affichage tête haute dans chaque voiture affiche la lumière au conducteur à partir d’une position de vision normale. Bien entendu, l’algorithme VTL ne résout que le problème de la gestion du trafic aux intersections, des panneaux stop et des panneaux de priorité. Il ne conduit pas la voiture. Mais lorsqu’il fonctionne dans son domaine propre, VTL peut tout faire à un coût bien inférieur à celui de la technologie des véhicules autonomes. Les voitures autonomes ont besoin de beaucoup plus de capacités informatiques simplement pour comprendre les flux de données individuels provenant de leur lidar, radar, caméras et autres capteurs, et plus encore pour fusionner ces flux en une seule vue de l’environnement.
VTL ne fait pas vraiment concurrence à la technologie des voitures autonomes. Il la complète
Pensez à cette méthode comme à la substitution d’une règle empirique de la véritable intelligence. L’algorithme VTL permet aux voitures de contrôler leur propre trafic à l’instar des colonies d’insectes et des bancs de poissons. Un banc de poissons change de direction en même temps, sans chef dirigeant les membres du banc, au lieu de cela, chaque poisson s’inspire du mouvement de ses voisins immédiats.
Ceci est un exemple de comportement de système complètement distribué par opposition à un comportement de réseau centralisé. Grâce à ce système, les flottes de véhicules d’une ville peuvent gérer elles-mêmes le flux de trafic sans mécanisme de contrôle centralisé et sans intervention humaine: pas de police, pas de feux de circulation, pas de panneaux d’arrêt et pas de panneaux de rendement.
Les chercheurs n’ont pas inventé le concept d’intersections intelligentes, qui remonte à plusieurs décennies. Une des premières idées était de placer une bobine magnétique sous la surface asphaltée d’une route pour détecter l’approche des véhicules empruntant un itinéraire unique jusqu’à une intersection, puis d’ajuster la durée des phases verte et rouge en conséquence. De même, les caméras placées aux intersections peuvent être utilisées pour compter les véhicules dans chaque approche et calculer la meilleure façon de chronométrer les lumières à une intersection. Mais les deux technologies sont coûteuses à installer et à entretenir et seules quelques intersections en ont donc été aménagées.
Les chercheurs ont commencé par faire fonctionner leur algorithme VTL sur un modèle virtuel pour deux villes: Pittsburgh et Porto, au Portugal. Ils ont pris des données sur le trafic du US Census Bureau et de l’agence portugaise correspondante, ajouté des données cartographiques de Google Maps et les ont intégrées dans SUMO, la simulation de la mobilité urbaine, un progiciel à code source ouvert développé par le Centre aérospatial allemand.
SUMO a simulé le temps de trajet aux heures de pointe selon deux scénarios, l’un utilisant les feux de signalisation existants, l’autre utilisant l’algorithme VTL. Il a été constaté que VTL réduisait le temps de trajet moyen de 35 minutes à Porto à 21,3 minutes et de 30,7 minutes à Pittsburgh à 18,3 minutes. Les réductions pour les personnes se rendant dans la ville depuis les banlieues et au-delà ont été réduites d’au moins 30% et jusqu’à plus 60%. Fait important, la variance du temps de déplacement – une mesure statistique de la différence entre une quantité et la valeur moyenne – a également été réduite.
Ces économies de temps sont principalement dues à deux raisons. Premièrement, VTL a éliminé le temps d’attente au feu rouge, car aucune voiture ne se croisait à angle droit. Deuxièmement, VTL a introduit le contrôle de la circulation à chaque intersection, pas seulement à celles ayant des signaux actifs. Il n’était donc pas nécessaire que les voitures s’arrêtent à un panneau stop, par exemple, lorsqu’aucune autre voiture n’est à proximité.
Les simulations ont montré d’autres avantages, dont certains sont sans doute plus importants que le gain de temps. Le nombre d’accidents a été réduit de 70% et, ce qui n’est pas étonnant, la réduction s’est principalement concentrée sur les intersections, les panneaux de contrôle et d’autres échangeurs. De plus, en réduisant au minimum le temps passé à traîner aux intersections, à accélérer et à ralentir, VTL réduit de manière mesurable l’empreinte carbone de la voiture moyenne.
Alors, que faudrait-il pour que la technologie VTL sorte du laboratoire et s’intègre dans le monde ? Pour commencer, il faut intégrer le DSRC dans les voitures de production. En 2014, la National Highway Traffic Safety Administration des États-Unis a proposé l’adoption de la technologie, mais l’administration Trump n’a pas encore mis en œuvre le règlement, et la décision finale n’est pas claire. Par conséquent, les fabricants américains peuvent maintenant hésiter à installer des émetteurs-récepteurs DSRC, étant donné qu’ils ajouteraient des coûts à une voiture et qu’ils ne seraient utiles que si d’autres voitures les transportaient également – le problème bien connu de l’œuf et de la poule. Et jusqu’à ce que suffisamment de voitures commencent à transporter les appareils, les capacités de fabrication resteront faibles et le coût unitaire élevé.
Aux États-Unis, seul General Motors a commencé à équiper les voitures de radios DSRC, toutes des Cadillac haut de gamme. Cependant, en Europe et au Japon, les perspectives sont beaucoup plus favorables. Un certain nombre de constructeurs automobiles européens se sont engagés à intégrer les émetteurs-récepteurs dans leurs voitures. Au début de cette année, au Japon, où le gouvernement soutient fermement la technologie, le géant de l’automobile Toyota a réitéré son engagement.
Et même si le DSRC échoue complètement, l’algorithme VTL peut être implémenté avec d’autres technologies sans fil, telles que 5G ou Wi-Fi.
Le concept de pénétration incomplète des émetteurs-récepteurs DSRC soulève l’un des plus gros obstacles potentiels à l’adoption de la technologie VTL. Pourrait-il continuer à fonctionner même si seulement un certain pourcentage de véhicules est équipé du système DSRC? La réponse est oui, à condition que les gouvernements équipent les feux rouges existants avec la technologie DSRC.
Les gouvernements sont peut-être disposés à le faire, ne serait-ce que parce qu’ils préféreraient ne pas supprimer l’infrastructure de signalisation existante, qui représente des centaines de milliards de dollars ou d’euros. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont doté leur technologie de feux de circulation virtuels d’une solution à court terme: ils peuvent améliorer les feux de circulation existants afin qu’ils puissent détecter la présence de véhicules équipés du DSRC dans chaque approche et décider des phases vert-rouge en conséquence. La beauté de ce système réside dans le fait que tous les véhicules peuvent utiliser les mêmes routes et intersections, qu’ils soient ou non équipés de la technologie DSRC. Cette approche ne réduira peut-être pas autant le temps de déplacement que la solution VTL idéale, mais elle reste néanmoins supérieure d’au moins 23% aux systèmes de contrôle de la circulation actuels, selon des simulations et des essais sur le terrain à Pittsburgh.
Un autre défi consiste à savoir comment gérer les piétons et les cyclistes. Même dans un régime obligeant les émetteurs-récepteurs DSRC dans toutes les voitures et tous les camions, on ne peut raisonnablement pas s’attendre à ce que les cyclistes installent les appareils ou que les piétons les transportent. Cela pourrait rendre difficile pour ces personnes de traverser des intersections achalandées en toute sécurité.
À plus long terme, le défi des cyclistes et des piétons pourrait être résolu avec la technologie de l’Internet des objets. Au fur et à mesure que l’IoT se développe, le jour viendra où tout le monde transportera un appareil compatible DSRC à tout moment.
Pendant ce temps, dans des conditions idéales, sans aucun signal physique, les chercheurs ont démontré que les véhicules qui votaient pour l’attribution de la priorité de passage pouvaient attribuer une partie du cycle de signalisation aux piétons. Au cours de ces intermèdes, un feu rouge virtuel brille dans tous les véhicules aux quatre approches, et dure assez longtemps pour permettre à tout piéton de s’y déplacer en toute sécurité. Cette solution préliminaire ne serait pas optimale pour la fluidité du trafic. Les chercheurs travaillent donc également sur une méthode utilisant des caméras bon marché montées sur un tableau de bord pour repérer les piétons et leur donner le droit de passage.
En fin de compte, l’avènement des véhicules autonomes est ce qui rend les feux de circulation virtuels si prometteurs. Comme envisagé aujourd’hui, de tels véhicules feraient tout ce que les conducteurs humains font maintenant: s’arrêter aux feux de circulation, céder le passage aux panneaux de priorité, etc. Mais pourquoi automatiser le transport à mi-chemin? Il serait de loin préférable de rendre ces véhicules totalement autonomes, en gérant le trafic sans aucun signe ou signal conventionnel. La clé pour atteindre cet objectif est la communication V2V et des véhicules à l’infrastructure.
C’est important parce que les voitures autonomes d’aujourd’hui sont souvent incapables de se frayer un chemin pour entrer et sortir des intersections achalandées. C’est l’un des problèmes techniques les plus difficiles à résoudre et il continue de défier même le leader du secteur, Waymo (une filiale de la société mère de Google, Alphabet).
Lors de leurs simulations et essais sur le terrain, les chercheurs ont constaté que les véhicules autonomes équipés de la technologie VTL peuvent gérer les intersections sans feux de signalisation ni panneaux de signalisation. Le fait de ne pas avoir besoin d’identifier de tels objets simplifie grandement les algorithmes de vision par ordinateur sur lesquels reposent les voitures à conduite autonome expérimentales d’aujourd’hui, ainsi que le matériel informatique qui les exécute. Ces éléments, ainsi que les capteurs (notamment lidar), constituent la partie la plus coûteuse de l’emballage.
Étant donné que VTL a une architecture logicielle largement modulaire, il serait facile de l’intégrer dans le reste du logiciel d’une voiture autonome. En outre, VTL peut résoudre la plupart des problèmes difficiles liés à la vision par ordinateur, si ce n’est tout, par exemple lorsque le soleil brille directement dans un appareil photo ou lorsque la pluie, la neige, des tempêtes de sable ou une route sinueuse obscurcissent la vue. Pour être clair, VTL ne fait pas vraiment concurrence à la technologie des voitures autonomes, il le complète. Et cela seul aiderait à accélérer le déploiement de la voiture robot.
Bien avant cela, les chercheurs espèrent avoir leur système opérationnel pour les voitures à propulsion humaine. En juillet dernier, ils ont organisé leur première manifestation publique à Riyad, en Arabie saoudite, à une température pouvant atteindre 43°C, avec des dispositifs installés dans les véhicules d’essai.
Des représentants du gouvernement, des universités et des entreprises, y compris Uber, sont montés dans un bus Mercedes-Benz et ont traversé le campus de la ville du roi Abdulaziz pour la science et la technologie, en traversant trois intersections, dont deux sans feu de circulation. L’autobus, accompagné d’un camion GMC, d’un SUV Hyundai et d’une voiture Citroën, permettait de franchir les intersections de toutes les manières possibles et le système VTL fonctionnait à chaque fois. Lorsqu’un conducteur a délibérément désobéi au feu rouge virtuel et tenté de traverser, le dispositif de sécurité a immédiatement été activé, déclenchant un feu rouge clignotant pour les quatre approches, évitant ainsi un accident.
