Джон Бентли
Автоутопия. Будущее машин
Перевод оригинального издания
Jon Bentley
AUTOPIA: THE FUTURE OF CARS
Печатается при содействии литературных агентств David Higham Associates и The Van Lear Agency LLC
© AUTOPIA 2019 Jon Bentley
© Оформление. ООО «Издательство АСТ», 2021
Введение
Почему автомобили важны
Автомобиль был изобретен около 130 лет назад, и с тех самых пор он имеет необычайный успех по всему миру. Он не только повлиял на людей почти во всех уголках планеты, но и изменил многие сферы человеческой жизни. Сейчас по дорогам мчатся примерно 1,3 миллиарда машин. К 2035 году их, вероятно, станет более 2 миллиардов (а такие показатели превышают темпы роста населения Земли). Автомобиль кардинально изменил характер расселения людей, структуру городов и поселков, а также трудовую деятельность сотен миллионов жителей планеты.
Машина не просто помогает добраться из точки А в точку Б. Она оказывает заметное психологическое влияние на человека от рождения и до самой смерти. Через пару недель после того, как мне исполнилось 17, я сдал на права и испытал невероятное ощущение свободы, которое способен подарить только автомобиль. Вдруг у меня появился способ оказаться где угодно с минимальными усилиями. Я, как и многие водители до и после меня, воспользовался открывшимися возможностями для путешествий, работы и, конечно, устройства личной жизни.
Кто-то может заметить, что сейчас получение водительских прав не имеет того же значения, что в конце 1979-х годов. Но я прекрасно помню, как моя 17-летняя дочь вернулась с первой самостоятельной поездки и сказала, что никогда прежде не чувствовала себя такой свободной. Я также помню огорченное и разочарованное выражение лица престарелой матери после моих слов о том, что пора отказаться от самостоятельного вождения из-за прогрессирующей болезни Альцгеймера. И она оказалась в тупике, причем не только в топографическом смысле.
Как часто бывает с вещами, машины обладают удивительной способностью вызывать у владельцев привязанность и любовь. Автомобили могут побороться за место в сердце с кошкой или собакой, ведь у них, как и у наших питомцев, есть свои очаровательные особенности. Рев мотора, набор скорости, богатое разнообразие чувств, которые дарят управление автомобилем и вхождение в поворот, а еще тактильные ощущения от приборов на панели управления, способа открытия и закрытия дверей, сопротивления педалей газа и сцепления. Все это создает основу для отношений между водителем и машиной, которые дарят настоящее чувство удовлетворения.
Выбор автомобиля многое говорит о человеке. В Великобритании 1990-х годов торговый представитель, который разъезжал на служебном автомобиле, переживал из-за того, написано на крышке багажника L или GL. Это едва ли не прописывалось в должностной инструкции. Лихачи, любившие тюнинговать свои машины, с особым рвением и вниманием сравнивали технические характеристики VW Golf GTI и Peugeot 205 GTi. Но психологическое влияние машины оказывают не только на отдельного человека. У владения автомобилем есть и социальная составляющая. Участники гонок со столкновениями на подержанных машинах, члены клуба любителей спортивных ретроавтомобилей, поклонники маслкаров и обладатели компактных Austin Allegro – все они входят в растущую сеть групп автовладельцев. Люди заводят знакомства по всему миру исходя из того, что они владеют тем или иным автомобилем.
Последние 50 лет мы наблюдаем золотой век машин, которые прошли путь от неисправного изобретения до явления, распространившегося по всему миру и определяющего жизненный уклад человека. Но суждено ли этому измениться? То, что широкие массы владеют автомобилем, не только изменило мир к лучшему, но и повлекло за собой серьезные негативные последствия. Врачи рассказывают о том, как в 1960-е годы травматологические отделения оказались переполнены. Прежде спокойные субботние вечера превратились в кровавую вакханалию. Вскоре поводами для беспокойства стали загрязнение среды и истощение ресурсов. В последнее время общественной критике подверглись двигатели внутреннего сгорания из-за их влияния на изменение климата. Длинный список из менее существенных проблем включает в себя заторы и агрессию на дорогах, уничтожение сельской идиллии ради постройки дорог и прокладывания туристических маршрутов. И не будем забывать, что поиск места для парковки – тот еще кошмар, который с каждым годом становится все страшнее.
Может, автомобили перестанут быть источником свободы и возможностей и превратятся в дорогой анахронизм, который будет отнимать слишком много времени и денег? Неужели машина стала в тягость человеку, живущему в век, когда население городов значительно уплотнилось?
Есть надежда, что еще не все потеряно. У большинства современных автомобилей до сих пор четыре колеса, и ездят они на органическом топливе, но это не значит, что мы не стали свидетелями невероятных прорывов в вопросах скорости, безопасности, качества и, разумеется, оборудования. И хотя технологии в основе своей остаются прежними на протяжении десятков лет, сведущие люди из отрасли настаивают на том, что мы находимся в шаге от революции.
Я пишу эту книгу, чтобы познакомиться с такими новаторскими идеями и попробовать угадать, куда они могут привести в будущем. Я изучу сложности, которые стоят за успешной разработкой технологий на основе искусственного интеллекта. Они должны заменить водителей везде – от фур с автоматизированным управлением до автомобилей, способных распознавать то, что происходит за углом. Я рассмотрю возможные варианты питания автомобилей будущего и постараюсь узнать, смогут ли электромобили справиться с ограничениями дальности поездки и медленной зарядкой. Я выясню, сможет ли водород полностью раскрыть свой потенциал и правда ли стоит так очернять дизельные двигатели.
Я поговорю с конструкторами автомобилей разных поколений и узнаю, как машинам будущего удастся сохранить свою привлекательность и скорость. Я выясню, станут ли машины еще безопаснее или новые технологии превратят их в непредсказуемое смертельное оружие из-за того, что хакеры воспользуются брешами в системе. Если автомобиль встает на совершенно новый путь изменений, то что будет с существующими машинами? Особенно с ретроэкземплярами, о которых с такой любовью заботятся миллионы энтузиастов? Наконец, я рассмотрю несколько маловероятных сценариев развития событий в отношении личного транспорта, а также будут ли автомобили востребованы в условиях жесткой конкуренции.
Мне повезло, и вся моя карьера была связана с двумя увлечениями родом из детства: машинами и технологиями. Я 15 лет работал над культовой телепрограммой Top Gear, большую часть времени в качестве продюсера. Один день был интереснее другого. Помню, как, сидя в Porsche 959, разогнался до 300 км/ч на автобане недалеко от Штутгарта и при этом не нарушил закон. А еще как сидел за рулем Ferrari 911 (первой в моей жизни) и первые поездки на целом ряде автомобилей, которые сегодня считаются классикой – например, Jaguar XK120 и D-Type или Aston Martin DB4 и 6. Как-то раз я ехал с Аланом Кларком за рулем его Rolls-Royce «Серебряный призрак» по итальянской части Альп.
Всю жизнь меня интересовали не только машины, но также оборудование и технологии. Я собирал радио, чинил телевизоры, занимался пленочной фотографией (в том числе проявкой и печатью) и игрался с компьютерами с тех пор, как они появились. В последнее время я веду программу «Круче не придумаешь». Это самая популярная британская передача о технологиях и электронике широкого потребления.
Доктор Ян Робертсон, руководитель отдела международных продаж в BMW, в июне 2017 года сказал: «На протяжении 100 лет автомобильная промышленность делала одно и то же. В ближайшие 5–7 лет она кардинально изменится. Мы наблюдаем переломный момент в отрасли, которая оценивается в 2 триллиона долларов в год». Это невероятно волнующий, но и вместе с тем крайне важный этап. Покупатели больше не выстраиваются в длинную очередь за новым автомобилем, как это было в 1960-е годы с Ford Mustang. Вместо этого они разбивают палаточный лагерь у магазина Apple, чтобы купить новенький айфон. Если автомобиль хочет сохранить свои позиции, ему нужно развиваться.
Сейчас слова «подключенный», «автономный» и «безотходный» слышатся отовсюду. Из беседы с конструктором Jaguar Land Rover я узнал, что все машины будущего, которые разрабатываются в их студиях, оснащены аккумуляторами и автопилотом. Но действительно ли наши любимые компании выбрали правильный путь? Или наше желание рулить все же возьмет верх? Хватит ли нам терпения ездить на автомобилях с аккумуляторами? Конечно, сложно представить, что человечество полностью откажется от машин. Но автомобильной отрасли пора наверстать упущенное, ведь мы живем в мире, где технологии сменяют друг друга довольно быстро. Давайте начнем, пожалуй, с самого обсуждаемого и перспективного из нововведений – автономности, или с автомобилей на самоуправлении.
Глава первая
Подключенные и автономные
Расцвет робомобилей
Ярко-красный Golf GTI ловко маневрирует между дорожными конусами на пределе своих возможностей. Автомобиль идеально входит в крутой поворот на большой скорости, меня отбрасывает влево, и мы продолжаем разгоняться. Меня так и кидает из стороны в сторону, пока водитель управляет автомобилем на испытательной трассе VW недалеко от Вольфсбурга. Меня восхищает, насколько он умел.
Еще удивительнее то, что водитель – это не живой человек. Вообще-то его и вовсе не было рядом. Руль, педали газа и тормоза приходили в движение сами по себе, будто по взмаху волшебной палочки. И речь идет не о робомобиле от Google. Все это происходило в 2006 году, когда технологии самоуправления еще не набрали такой популярности. Можете представить, почему это произвело на меня большое впечатление.
Удивительно, но история беспилотных автомобилей началась много лет назад. На протяжении десятилетий ученые стремились раз и навсегда устранить проблему смертности на дорогах. Вместо человека, которому свойственно ошибаться, управление должны были взять на себя умные технологии. До недавнего времени такие стремления оставались лишь на страницах научной фантастики. В жизни все упиралось в недостаточное развитие технологий и высокую стоимость. Но теперь невозможное становится возможным благодаря мощности компьютеров, искусственному интеллекту, машинному обучению и современным датчикам.
Впервые автомобиль без водителя проехал по улицам Нью-Йорка в 1925 году, и контролировался он с помощью радиоуправления. Изобретатель Фрэнсис Гудина снабдил новенький Chandler радиоприемником и установил специальный механизм на рулевую колонку. Он реагировал на сигналы радиопередатчика машины, ехавшей следом. В статье современников, опубликованной в New York Times, говорилось, что автомобиль перемещался так, «будто за рулем сидел призрак».
Демонстрация прошла неудачно. После неуверенного проезда по Бродвею автомобиль едва разошелся с пожарной машиной и врезался в автомобиль с журналистами, которые освещали мероприятие. Полицейские приказали Гудине прекратить эксперимент. Еще интереснее то, что Гарри Гудини, чья фамилия звучит практически так же, как и фамилия изобретателя, был недоволен попытками последнего и обвинил его в «незаконном использовании имени в коммерческих целях». Известный иллюзионист ворвался в компанию Гудины Houdina Radio Control Co. и устроил там беспорядок. Впоследствии за этот проступок его привлекли к ответственности.
Затем об автономности заговорили на Всемирной выставке 1939 года в Нью-Йорке. В павильоне General Motors впервые представили «магические автострады» в рамках проекта «Футурама».
Шкала автономности
Общество автомобильных инженеров выделяет 6 уровней автоматизации.
Уровень 0 Без автоматизации.
Уровень 1 Базовый уровень автоматизации, при котором автоматикой управляется лишь один аспект вождения. Это может быть возвращение в центр полосы или адаптивный круиз-контроль, но не обе технологии сразу.
Уровень 2 Одновременное управление несколькими функциями. Например, возвращение в центр полосы и адаптивный круиз-контроль.
Уровень 3 Так называемая условная автоматизация, когда автомобиль контролирует функции, важные для безопасности, но все равно требуется участие водителя: он должен внимательно следить за дорогой, чтобы при необходимости взять управление на себя. Этот уровень автоматизации может использоваться при низкой скорости движения, например в пробках.
Уровень 4 Автомобиль полностью автономен, но на ограниченном пространстве. Например, роботакси в пределах одного жилого комплекса. Машинам этого уровня не нужны педали и руль. (Шутники замечают, что лошади – это автономное транспортное средство четвертого уровня.)
Уровень 5 Полная автономность. Автомобиль берет на себя все управление и не нуждается в специальной дорожной разметке и других знаках. Он способен самостоятельно перемещаться по любой территории. «Водители» могут вздремнуть или заняться своими делами.
Проект – детище дизайнера Нормана Бела Геддеса. В его городе будущего в дороги встроены электромагнитные установки и системы наведения. Подобные встроенные дорожные системы также лежали в основе экспериментов по управлению автомобилями американской компании RCA, занимающейся электроникой. Все началось в 1953 году с автомобильных моделей, а к 1958 году перешло на настоящие машины. Датчики в переднем бампере принимали сигналы от кабеля, проложенного под дорогой, благодаря чему машина узнавала о ремонтных работах и пробках. Система также управляла педалью тормоза и при необходимости перестраивала автомобиль на другую полосу. В компании считали, что беспилотные автомобили станут привычным явлением к 1975 году. Через пару лет британская правительственная организация «Лаборатория дорожных исследований» (сейчас – «Лаборатория транспортных исследований») представила прототип беспилотного Citroen DS, который работал по тому же принципу. В организации также были уверены, что к 1970-м годам на дорогах появится отдельная полоса для беспилотников. Подобные заявления звучали крайне оптимистично.
Первое по-настоящему автономное транспортное средство появилось в Японии в 1977 году, но выпускать его на дорогу было слишком рано. Автомобиль полагался не на электронику под дорогой, а на огромный компьютер, который занимал большую часть панели управления и пола под ногами пассажира. Он по крупицам собирал информацию об обстановке на дороге, которую получал от встроенных камер. Благодаря этому автомобиль мог следовать по белой разметке на асфальте. Правда, лишь на скорости, сравнимой со скоростью пешехода – около 30 км/ч. Тем не менее это было первое транспортное средство, которое вышло за пределы нулевого уровня шкалы автономности, разработанной американской организацией «Общество автомобильных инженеров» (сейчас носит название SAE International).
Немецкий инженер аэрокосмических систем Эрнст Дикманнс вывел скорость и искусственный интеллект на новый уровень, создав беспилотную машину на базе фургончика Mercedes. В 1986 году прототип VaMoRs успешно прошел испытания, а через год самостоятельно проехал по автобану на скорости более 90 км/ч. После этого эксперимента общеевропейская исследовательская организация EUREKA запустила собственный проект PROMETHEUS (Программа европейского дорожного движения с наибольшей эффективностью и беспрецедентной безопасностью). Бюджет проекта составил 749 миллионов евро. Исследователи из Мюнхенского университета разработали технологии с использованием камер, программное обеспечение и средства компьютерной обработки информации. Все это использовали в двух внушительных робомобилях – VaMP и VITA-2, которые были основаны на модели Mercedes S-класса. В 1994 году автомобили самостоятельно проехали почти 1000 километров по оживленному шоссе недалеко от Парижа. Их скорость достигала 130 км/ч. Через год стрелка спидометра показывала уже 170 км/ч по пути из Мюнхена в Копенгаген. Отрезок в 157 километров автомобили проехали без участия человека.
В то время многие производители стали добавлять ограниченные возможности по автономному вождению. Но все они были нацелены лишь на помощь водителю и точно не могли самостоятельно справиться с множеством опасностей, которые постоянно встречаются на дороге. Вскоре ситуация изменилась, ведь на рынке появился новый игрок – вооруженные силы США. В начале 2000-х годов военные спонсировали соревнования DARPA Grand Challenges. Там главный приз в миллион долларов получала команда инженеров, которым удавалось создать автомобиль, способный быстрее остальных пройти 240 километров полосы препятствий. Несмотря на то, что на первых соревнования в 2004 году никто не добрался до финиша, это привлекло внимание к теме и подстегнуло разработки. В следующем году финишировали пять машин, а команда из Стэнфордского университета завоевала первое место и приз в 2 миллиона долларов.
Стэнфордская команда привлекла внимание популярной технологической компании Google. Остальное всем известно. В 2010 году представители Google объявили, что в компании втайне разрабатывали и испытывали системы беспилотного управления автомобилями. Цель – сократить число аварий на дорогах вдвое. Главой проекта, который впоследствии переименуют в Waymo, стал Себастьян Трун, руководитель Стэнфордской лаборатории искусственного интеллекта. Себастьян хотел вывести беспилотники на рынок к 2020 году.
В первый испытательный парк вошли шесть машин Toyota Prius и одна Audi TT. В машины были установлены датчики, камеры, лазеры, специальные радиолокационные GPS-технологии. Автомобили могли взаимодействовать со средой, а не просто ехать по намеченному маршруту. Система отслеживала опасности и распознавала объекты (пешеходов, велосипедистов и другие машины) на расстоянии нескольких сотен метров. Водитель-испытатель все время находился в автомобиле, чтобы при необходимости взять управление на себя.
Исследования Google породили всплеск интереса к теме. Именитые компании увеличили инвестиции в технологическую и автомобильную отрасли, а вместе с тем возросло и число стартапов. По данным Брукингского института, американского аналитического центра, на разработку беспилотных автомобилей в период с 2014 по 2017 год было потрачено 80 миллиардов долларов. Возможно, это станет крупнейшей ошибкой капиталистов, по сравнению с которой финансовый пузырь «Компании Южных морей», тюльпанная лихорадка и ипотечный кризис в США покажутся довольно разумными.
Как обычно, оценки того, когда автомобили станут полностью автономными, оказались слишком амбициозными. Можно разобраться в причинах такого расхождения с реальностью, если посмотреть, как должны работать эти чудеса техники.
Чувство дороги
Дивный новый мир поистине умных машин требует разнообразных приборов, с помощью которых автомобиль пытается получить точное представление об окружающей обстановке.
Самыми дорогими и эффектными датчиками, которые производят специально для беспилотных машин, являются лидары (от англ. LiDAR, Light Detection and Ranging — обнаружение и определение дальности с помощью света). Обычно их устанавливают на крыше. Эти системы посылают невидимые лазерные лучи малой мощности, которые, отражаясь от объектов, позволяют создать подробную и точную трехмерную карту окрестностей. Поле обзора может достигать 360 градусов. За счет мощных лазеров лидары пригодны для использования при любом освещении.
Ученые измеряют расстояние с помощью лазеров еще с 1960-х годов. Тогда группа ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) вычислила точное расстояние до Луны, измерив время, за которое свет долетает туда и обратно. В автомобилях лазеры впервые установили в 2007 году в ходе эксперимента компании Velodyne, производившей звуковое оборудование. Пять машин, на которые установили принципиально новые датчики, удачно справились с ориентированием в смоделированных условиях города.
В 2016 году лидар стоил около 75 000 долларов на автомобиль. К 2019 году его цена упала до 7500 долларов за флагманскую модель. Но стоимость должна стать еще ниже. В компании Ford рассчитывают, что лидар будет стоить приблизительно 500 долларов. Сейчас на большинстве автомобилей установлен один лидар, который создает панораму в 360 градусов или поворачивая всю систему лазеров, или быстро вращая зеркала. Многие исследователи считают, что главное условие для снижения стоимости – создание твердотельных конструкций, где вращающиеся элементы сведены к минимуму или вовсе отсутствуют.
От зеркал получится отказаться, если заменить их на фазированные решетки, в которых используется ряд лазерных передатчиков. Когда все передатчики срабатывают одновременно, луч идет по прямой. Но если сместить фазы сигналов, то луч отклонится вправо или влево. Лидар на основе вспышки – другое возможное решение. По принципу действия он напоминает фотоаппарат. Устройство выпускает один луч, который рассеивается и подсвечивает сразу всю область.
Слежение за дорогой с помощью лазеров.
Лидары становятся меньше и дешевле.
Затем сеть из крошечных датчиков регистрирует свет, который возвращается с разных сторон. Лидары такого типа хороши, потому что моментально охватывают всю область, но в то же время из-за этого появляется шум и картина становится менее четкой.
Но это не единственная проблема. Когда на большинстве автомобилей будут установлены лидары, они начнут создавать помехи друг для друга. Обычно система запускает прямой лазерный луч и использует сверхточные часы. Если лазеры на других машинах будут действовать в той же области, это нарушит их нормальную работу. Скептики также беспокоятся о том, справится ли система с плохими погодными условиями. Наконец, чтобы не нанести вред зрению человека, используются лазеры относительно малой мощности. Дальность луча равна примерно 150 метрам. Для ускорения и лавирования в потоке автомобилей нужен луч длиной по крайней мере 300 метров. Производители лидаров работают над увеличением частоты лазерного излучения, за счет которого получится усилить мощность. Благодаря этому луч будет простираться дальше видимого диапазона спектра. Вероятно, при совершенствовании системы удастся справиться и с другими недостатками. Технология уже неплохо работает в снег и дождь, а еще показывает хорошие результаты в избегании помех.
Лидар помогает машине «видеть» на коротких расстояниях, но для длинных дистанций требуется другое решение. И здесь на первый план выходят радары. На многих новых автомобилях уже установлены радиолокационные датчики, которые используются для адаптивного круиз-контроля, контроля слепых зон и автоматической системы аварийного торможения. Их поле обзора составляет примерно 10 градусов, а стоимость относительно невысока – от 80 до 120 фунтов стерлингов за сенсор.
Главным преимуществом радаров традиционно считают способность воспринимать расстояние и скорость. Радар может измерить скорость на большом расстоянии. Это технология, которая отлично себя показала. Радар может распознать даже то, что находится за предметом. Его волны относительно длинные, поэтому появляются дифракция и отражение. За счет этих явлений можно «увидеть», что скрывается за другими объектами. На YouTube есть видео, снятое внутри движущейся машины, где показано, как информация с радиолокационного датчика приводит в действие систему автоматического экстренного торможения. Впереди не было ничего необычного, но через полсекунды машина перед нами врезалась в другую. Радар на нашем автомобиле смог распознать, что впереди резко затормозила вторая машина от нас. Благодаря этим данным сработали тормоза и аварию удалось предотвратить.
Основной недостаток радаров, из-за которого их необходимо дополнять другими датчиками, – это невозможность восприятия в деталях. Все кажется размытым. Радары не могут отличить пешехода от велосипедиста, хотя способны распознать, движутся эти люди или нет. Лидар в Waymo может не только отличить одного от другого, но и указать, в какую сторону они направляются. Ультразвуковые датчики используются для определения позиции объектов, которые расположены близко к транспортному средству. Чаще всего они встречаются в виде датчиков парковки, издающих звуковые сигналы.
Их изобрели в 1970-е годы, а первой моделью машины массового производства, на которую их установили, стала Toyota Prius 2003 года. Такие датчики работают на расстоянии всего метров 10, но при этом они отличаются низкой стоимостью и оказываются крайне полезны при маневрировании на низкой скорости или в плотном потоке.
Камеры с высоким разрешением – важный элемент оснащения беспилотного автомобиля. Они используются для распознавания светофоров, дорожной разметки, уличных знаков и других объектов, которые содержат зрительные ориентиры, но не более того. Камеры, в отличие от лидаров, различают цвета, а также разницу в текстуре. Если установить несколько камер, получится определить расстояние до предметов. Но чем дальше объект, тем менее точен расчет, поэтому для вождения на высокой скорости это не подходит. Стоимость камеры относительно невелика – 150 фунтов стерлингов на автомобиль, но стоит учитывать, что ее работа зависит от условий освещения и видимости. Инфракрасное излучение способно в какой-то степени решить эту проблему.
Можно подумать, что для передвижения крайне важно наличие GPS. Но эта система работает точно лишь на расстоянии нескольких метров и не всегда исправно: сигнал прерывается рядом с высокими зданиями и в тоннелях. Именно поэтому использование GPS в автономных автомобилях носит ограниченный характер. Однако в сочетании с другими датчиками она может быть полезной. В МТИ, к примеру, сконструировали беспилотный Prius, который неплохо ориентируется на дороге с помощью лишь GPS, лидара и акселерометров.