מאת ירון וקסלר, Senior Researcher; שרון הורנשטין, Senior Researcher; דניאל אוריאלי, Staff Researcher; ואלון קפואה, Lab Group Manager ב-General Motors

אחת הבעיות הגדולות שכולנו נתקלים בה מדי יום היא העומס בכבישים: מכוניות חדשות ממשיכות לעלות על הכביש, בעוד התשתיות נשארות פחות או יותר באותה קיבולת. חוץ מלמרוט לנו את העצבים, המצב הזה יוצר פקקים, זיהום אוויר, בזבוז דלק ובזבוז זמן.

על פי דו"ח של אוניברסיטת Texas A&M, בשנת 2020 עומסי התנועה בארה"ב גרמו לצריכת דלק עודפת של 6.5 מיליארד ליטר, ל-4.3 מיליארד שעות של זמן אבוד ולסך עלויות של כ-100 מיליארד דולר – האומדן לכמויות הזמן והדלק שהתבזבזו.

אלא שבחלק גדול מהזמן, אין סיבה מוצדקת לפקקים האלו. זה הזמן להכיר את פקקי הרפאים (Phantom Traffic Jam). זו ההגדרה לכל האטה בתנועה שנוצרת בלי סיבה ברורה – כלומר, לא כתוצאה מתאונת דרכים, מהמורות, עבודות בכביש, יציאה עמוסה וכדומה. פקקי רפאים יכולים להתרחש באשמת נהג בודד שמאט בפתאומיות ללא סיבה מוצדקת (לדוגמה, כתוצאה מאי שמירת מרחק מהרכב הקדמי, או כתגובה לנהג אחר שחותך לנתיב). כשזה קורה, המכונית שמאחוריו תאלץ לבלום, וכך יתר המכוניות בשיירה. גם אם הבלימה הראשונה הייתה רק לזמן קצר, היא עשויה לגרום לפקק של מאות מטרים. סביר להניח שאתם נתקלים בפקקים שכאלו כמעט כל יום.

ניסוי שערכו ב-2008 Yuki Sugiyama וחוקרים נוספים מיפן, ממחיש את התופעה היטב. בניסוי השתתפו 22 רכבים עם נהגים אנושיים שנסעו זה אחר זה במעגל, והחוקרים בדקו את דינמיקת התנועה שנוצרת לאורך זמן. לאחר זמן לא רב החלו להיווצר פקקי רפאים הגורמים לבלימה והאצה לסירוגין, עקב זמני התגובה והשליטה התת-אופטימליים של הנהגים ברכבים.

ניסוי נוסף מ-2017 שערך Raphael E.Stern וחוקרים נוספים מכמה אוניברסיטאות בארה"ב, הראה שהבעיה יכולה להיפתר כשמחליפים את אחד הרכבים שנוסעים במעגל לרכב אוטונומי למחצה. במקרה הזה, רכב שבו השליטה במהירות נקבעת באופן אוטומטי על מנת לשפר את זרימת התנועה בכביש. כתוצאה מכך, דינמיקת הבלימה וההאצה לסירוגין הפסיקה, ומהירותם של כל הרכבים במעגל עלתה משמעותית. אבחנה זו הובילה למחקר חדש שבדק כיצד רכבים אוטונומיים יכולים להקטין פקקי רפאים בעזרת הפעלה של תוכנת בקרת רכב מבוססת AI.

הפתרון לפקקי הרפאים

רכבים אוטונומיים למחצה יכולים להפחית את העומס בכביש, והפוטנציאל כאן הוא גדול. דמיינו שאתם נמצאים בפקק הרגיל בדרך לעבודה. כעת דמיינו שחלק מהרכבים בפקק הם רכבים אוטונומיים: ככל שמספרם יגדל, זרימת התנועה תהיה חלקה יותר, אתם תבלמו פחות וצריכת האנרגיה של רכבכם תשתפר. מצוידים בתובנה הזו, שאומתה בסימולציות מציאותיות בכבישים מהירים, חוקרים בג'נרל מוטורס יזמו פרויקט מחקר בנושא, בשיתוף אוניברסיטאות מובילות בארה"ב.

בשלב הראשון, המחקר התבצע ברובו בסביבות סימולציה מורכבות. בשיתוף פעולה עם פרופ' פיטר סטון מאוניברסיטת טקסס באוסטין, נבדקה היכולת האלגוריתמית לשפר זרימת תנועה בכבישים מהירים בצורה מבוזרת כשמנגנוני השליטה נמצאים בתוך הרכב, וללא תיאום מרכזי. בשלב הבא נבדקה החסינות האלגוריתמית לתנאי תנועה מגוונים הכוללים את צפיפות התנועה, אחוז הרכבים האוטונומיים מסך התנועה ומיקומם, גאומטריות כביש ועוד.

במקביל לעבודה בסביבות הסימולציה, יצרו החוקרים מערכת מעבדתית המדמה נהיגה על פי מודל אנושי, תוך שימוש ברכבים אוטונומיים מוקטנים ובמערכת מדידה מתקדמת העוקבת אחר הרכבים בזמן אמת.

התשתית המעבדתית מהווה פלטפורמה לצורך בחינת ביצועים של אלגוריתמים לנהיגה אוטונומית, בסביבה פחות סטרילית מסביבת הסימולציה. היא מאפשרת לבחון מגבלות שקיימות בעולם האמיתי כגון רעשי מדידה, בעיות בתקשורת, אי-אחידות של פרמטרים פיזיקליים ועוד, ללא הסיכונים הכרוכים בניסוי בכבישים.

במטרה לעבור לבדיקת הטכנולוגיה בעולם האמיתי, החוקרים חברו לפרופ' אלכס באיין מאוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה, כחלק מפרויקט מחקר תלת-שנתי ששיאו היה ניסוי תנועה רב משתתפים בכביש מהיר בארה"ב. שיתוף הפעולה הוביל לפיתוח אלגוריתמים לנסיעה בתנאי עומס, תוך שימוש בתקשורת רכב-ענן. האלגוריתמים מומשו על צי של 100 רכבים אוטונומיים למחצה, שנסעו במשך שבוע שלם בשעות העומס בין אלפי רכבים רגילים לאורך ציר תנועה ראשי במדינת טנסי בארה"ב.

לצורך תכנון ניסוי כביש בהיקף כה רחב, גופים שונים חברו יחדיו לשיתוף פעולה. ניסוי הכביש שבוצע במסגרת המחקר התבסס על שיתוף פעולה של ארבע אוניברסיטאות נוספות בארה"ב ושלוש חברות רכב, ומומן ברובו על ידי משרד האנרגיה האמריקאי ועל ידי משרד התחבורה של מדינת טנסי, שבשטחה נערך הניסוי. במסגרת זו, כל גוף פיתח את הטכנולוגיות ואת מרכיבי הניסוי על פי תכנית סדורה, הכוללת את פיתוח האלגוריתמים, החומרה, הממשקים וכמובן החלקים התפעוליים של הניסוי.

הניסוי המתואר נערך בהצלחה בחודש נובמבר 2022. לטובת הניסוי, משרד התחבורה של טנסי הקים מערכת מדידה הכוללת 43 עמודים שהותקנו לאורך 6 מייל, עליהם הותקנו 300 מצלמות המנטרות ומקליטות את התנועה. לוח הזמנים כלל ניסוי כביש בשעות העומס בבקרים, ובהמשך היום איסוף וניתוח מידע, הכנסת תיקונים ושיפורים אלגוריתמיים, ובשעות הערב עודכנה גרסת האלגוריתם שנבדקה למחרת. כמות המידע שנאסף היא חסרת תקדים לניסוי מסוג זה, ובחודשים הקרובים יתבצע ניתוח מדוקדק והסקת מסקנות. התוצאות הראשוניות נראות מבטיחות.

ומה הלאה? הניסוי שנערך הוא רק צעד משמעותי ראשון בדרך לפתרון, והחלק העיקרי והמעניין של העבודה עוד לפנינו. ישנן שאלות מחקר רבות עליהן מתכנן צוות החוקרים לענות בשלבים הבאים, כגון: איזו כמות רכבים אוטונומיים נדרשת על מנת להראות שיפור משמעותי בהפחתת פקקי הרפאים? האם החיישנים שיש ברכב סטנדרטי אכן מספיקים בשביל לממש מערכת כזו? מהי מידת התיאום הנדרשת בין הרכבים האוטונומיים להשגת המטרה?

בעתיד הרחוק, ייתכן מאוד שמכוניות אוטונומיות יוכלו לתרום לזרימת התנועה על ידי מעבר בצמתים ללא רמזורים, נסיעה בצמוד למכוניות אחרות והפחתת חיפושי חניה. מחקרים מהסוג הזה עשויים לאפשר חוויית תחבורה יעילה ונוחה לכולנו.