Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Inteligentne drogi

Inteligentne drogi
O systemie dróg Imperium Rzymskiego mówi się dziś jako o "Internecie starożytnego świata". Chyba nie jest przypadkiem, że od wieków drogi stanowiły oś technologiczną cywilizacji. Ostatnio trafiły nieco na… pobocze w stosunku do głównego nurtu innowacji technicznych, ale to się zmienia.

Obecnie po drogach świata jeździ mniej więcej miliard pojazdów. Światowe Forum Ekonomiczne ogłosiło, że do 2025 r. liczba ta może wzrosnąć o 600 milionów, a do 2050 r. wynieść nawet do 4 miliardów. Wynikają z tego poważne konsekwencje i ogromne koszty. Roczny straty wynikające ze wszystkich korków świata zostały oszacowane przez ŚFE na 1,4 bln dolarów. Każdego roku w wypadkach drogowych ginie prawie 1,3 mln osób (!), zaś kolejne 20 do 50 milionów zostaje rannych. Pojazdy są źródłem ok. 17% wszystkich emisji dwutlenku węgla, co czyni je główną przyczyną zanieczyszczenia powietrza (i wszystkich problemów zdrowotnych, które z tego wynikają).

Do zmniejszenia liczby wypadków i rozładowania ruchu mogą przyczynić się inteligentne i wydajne drogi - wspierające koncepcję mobilności jako usługi, sprawiające, że podróże i handel staną się bardziej efektywne, zwiększające możliwości rozwijane przez przemysł motoryzacyjny i potrafiące nawet wytwarzać energię elektryczną.

Idea inteligentnych dróg, które generują własną energię do zasilania świateł, znaków drogowych i napędzania samochodów elektrycznych znana jest już od dłuższego czasu, ale potrzebna do tego technologia znajduje się wciąż na wczesnym etapie rozwoju i ekonomicznej opłacalności.

Oświetlenie, które podąża

Pierwsze w Europie inteligentne drogi (1) były testowane w Niemczech w 2015 r., a dokładnie w Hamburgu. Tamtejsi zarządcy nawiązali współpracę z firmą Cisco i wspólnie zaprojektowali jezdnię łączącą trzy ulice i most Kattwykbrücke - jej budowa zajęła cztery miesiące. Na pozór to jezdnia jak każda inna. W rzeczywistości jednak wzdłuż niej umieszczono całe mrowie kamer i czujników. Jedną z najważniejszych funkcji zauważamy, gdy tylko zapada zmierzch. Oświetlenie LED-owe "podąża" wówczas za przechodniami i rowerzystami - latarnie świecą tylko wtedy, gdy jest taka konieczność. Plusy są dwa: zwiększone bezpieczeństwo oraz zmniejszone zużycie energii.

Oświetlenie, które działa dzięki czujnikom ciepła, to tylko jeden z kilku elementów składających się na inteligentną drogę. Kolejnym jest monitorowanie ruchu. Kamery liczą pojazdy, aby następnie informować kierowców o natężeniu ruchu, jak również przesyłać informacje do infrastruktury miejskiej, na czele z sygnalizacją świetlną. Zbierane na bieżąco informacje umożliwiają też sprawniejsze zarządzanie mostem Kattwykbrücke. Podnosi się on raz na dwie godziny, a moment ten wybierany jest tak, by ruch miejski jak najmniej ucierpiał.

Jak widać, inteligentna droga (smart road) wymaga stosowania w wielu miejscach różnego rodzaju czujników. Te nie są za darmo, ale według raportu agencji McKinsey potanieją, gdy wzrośnie na nie popyt. Zainstalowanie w 2013 r. w Los Angeles inteligentnych rozwiązań, które synchronizują 4500 sygnalizatorów świetlnych, kosztowało ponad 400 mln dolarów. Sygnalizacja drogowa z wbudowanymi czujnikami może jednak przynieść wiele korzyści, np. zmniejszyć korki nawet o 20%.

W grudniu 2016 r., w małym mieście Tourouvre-au-Perche we Francji (2), otwarto odcinek pierwszej na świecie drogi solarnej, pokrewnej drodze inteligentnej. Od tamtego czasu testy wykorzystanej w niej techniki drogowej Wattway, produkującej energię, zdążyły już rozszerzyć się na ok. dwadzieścia różnych miejsc - tak przynajmniej informuje twórca koncepcji, Colas Group. Firma rozpoczyna w tym roku komercyjną sprzedaż rozwiązania, traktując priorytetowo takie lokalizacje, jak stacje ładowania i parkingi, gdzie ruch nie będzie blokował światła słonecznego.

2. Wattway w Tourouvre-au-Perche

Droga z Internetem

Swego czasu w mediach szeroko opisywany był smart-roadowy projekt startupu z Kansas City, Integrated Roadways. Firma opracowała system Smart Pavement, który wykorzystuje prefabrykowane odcinki betonowe oplecione technologią cyfrową i światłowodową. Płyty działają trochę jak touchpad na laptopie - są w stanie wyczuć pozycję, wagę i prędkość pojazdów. Umożliwia to systemowi wykrywanie wypadków i alarmowanie służb ratowniczych.

Inteligentna droga umie współdziałać z autonomicznymi pojazdami, dostarczając kierowcom w czasie rzeczywistym danych o warunkach ruchu drogowego. Kierowcy mają na takiej drodze stały dostęp do Wi-Fi, który zapewnia sama droga. Co ciekawe, prefabrykowany beton stworzony przez Integrated Roadways ma ponoć czterokrotnie większą trwałość niż tradycyjny asfalt, zaś jego instalacja jest o 95% tańsza niż tradycyjne techniki kładzenia nawierzchni. Każdą pojedynczą płytę można w dodatku bez wysiłku zdemontować w celu naprawy lub serwisowania (3).

3. Struktura inteligentnej nawierzchni Smart Pavement

Na początku 2018 r. Departament Transportu stanu Kolorado zgodził się przetestować technikę Smart Pavement na półmilowym, narażonym na wypadki, odcinku autostrady US285 w pobliżu górskiego miasta Fairplay. Pięcioletni projekt ma wartość 2,75 mln dolarów.

Dane z rejestrowania prędkości i kierunku jazdy każdego pojazdu przekazywane są przez układ w nawierzchni do serwerów analizujących ruch za pomocą różnych algorytmów. Funkcjonalność ta opiera się na układzie detekcji pojazdu znajdującym się w każdej z zamocowanych płyt, wykrywających położenie i ruch opon. Dodatkowo, cztery wbudowane routery łączą pojazd z Internetem i dostarczają kierowcom w czasie rzeczywistym informacji o ruchu, warunkach i wypadkach. Integrated Roadways obiecuje dodać do systemu układ bezprzewodowego ładowania.

Oprócz bezpieczeństwa ruchu drogowego, technologia Smart Pavement umożliwia bardzo dokładną nawigację dla pojazdów, z autonomią na poziomie 4 (w pięciostopniowej skali). Może nawet służyć jako infrastruktura łącznościowa z szybkim transferem danych dla inteligentnych miast. Integrated Roadways przewiduje również, że system mógłby być kręgosłupem "ogólnokrajowej sieci 5G".

Oczywiście niezwykle istotną kwestią pozostaje koszt instalacji tego rodzaju systemu. Integrated Roadways szacuje, że za stworzenie jednej mili jednego pasa ruchu trzeba zapłacić ok. 4 mln dolarów, czyli mniej więcej dwukrotnie więcej niż w przypadku dróg konwencjonalnych. Wielu ekspertów uważa, że może to okazać się sporą przeszkodą. Przy wdrażaniu tego rodzaju technologii na dużą skalę, w całej sieci autostrad, koszty byłyby na tyle wysokie, że trzeba by bezsprzecznie udowodnić, iż to się w sumie opłaca. Tim Sylvester, szef Integrated Roadways, uważa, że duża część kosztów mogłaby zwrócić się dzięki sprzedaży danych o ruchu drogowym.

- Rodzaj działalności gospodarczej zlokalizowanej przy drodze w dużej mierze zależy od ruchu drogowego - powiedział w lokalnych mediach. - Nasza koncepcja generuje jednak przy okazji cenne informacje. Wykorzystując je do uzyskiwania przychodów, moglibyśmy sfinansować ekspansję sieci w całym kraju.

Oczywiście powstaje problem ochrony danych i prywatności użytkowników, ale o tym Sylvester na razie nie wspominał.

A co z opłatami za przejazd? W swoim efektownym filmie demonstracyjnym Integrated Roadways wspomina, że jej drogi będą samodzielnie finansowane, pozwalając stronom trzecim na wykorzystanie danych do świadczenia usług o wartości dodanej - czyli np. na wyświetlanie reklam na interaktywnych billboardach przy drodze lub reklamie opartej na lokalizacji.

Nie zapominajcie o poboczach

To nie jedyny tego rodzaju projekt w USA. Firma AECOM współpracuje z miastami Dallas i Denver w celu wdrożenia instalacji eksperymentalnej technologii Smart Powered Lanes. System wykorzystuje komunikację bezprzewodową do ładowania akumulatorów elektrycznych pojazdów znajdujących się w ruchu. Gdyby udało się go wprowadzić, zmniejszyłoby to cenę zarówno akumulatorów, jak i aut elektrycznych.

Na 18-milowym odcinku międzystanowym 85 - rozciągającym się od miasta LaGrange w Georgii do granicy z Alabamą, 67 mil od Atlanty - konsorcjum agencji rządowych, globalnych firm i naukowców, wraz z Fundacją Raya C. Andersona, pracuje wspólnie nad budową inteligentnej drogi. Wykorzystując różnorodne technologie, od powierzchni wytwarzających energię elektryczną po rowy redukujące zanieczyszczenia, wytworzono prawdziwe laboratorium, które wytycza szlak do dróg przyszłości. Celem projektu jest również pokazanie, jak inteligentny korytarz transportowy może zarówno być przyjazny dla środowiska, jak również generować dochody.

Być może najbardziej ambitnym pomysłem jest przekształcenie nawierzchni w gigantyczne źródło energii słonecznej. W Centrum Informacji Turystycznej West Point Visitor Information Center, spotkamy znaną już nam technikę Wattway - tym razem zastosowaną w formie ok. 50 m2 paneli słonecznych ułożonych na powierzchni drogi. Wytrzymałe na tyle, aby znieść w tym miejscu ruch dziesiątek tysięcy pojazdów rocznie, panele fotowoltaiczne są cienkie i odporne na poślizg, a ponadto mogą być montowane na istniejących nawierzchniach, więc nie ma potrzeby niszczenia istniejących dróg.

- Chcemy przy okazji sprawdzić, czy możliwe jest umieszczenie paneli słonecznych na poboczu drogi - powiedział Costas Simoglou, dyrektor Georgia Center of Innovation for Energy Technology, serwisowi Digital Trends.

Simoglou jest zainteresowany umieszczeniem paneli na poboczu autostrady nie z powodu obaw o trwałość, ale z powodu lepszej ekspozycji na słońce (4). Zresztą pobocza - w ramach projektu z Georgii, znanego pod nazwą The Ray - mają też inne funkcje i zostały do nich w specjalny sposób przystosowane. Stworzono m.in. płytkie rowy odwadniające, wypełnione roślinnością, która jest znana z tego, że wychwytuje cząsteczki stałe, takie jak drobiny gumy, ołowiu i oleju, spłukiwane z drogi wraz z wodą. Obok drogi sieje się też pasy roślin o głębokich i gęstych systemach korzeniowych, aby powstrzymywały erozje i filtrowały wodę.

4. Wizualizacja pobocza z panelami słonecznymi w ramach projektu The Ray w Georgii

Słoneczny kilometr po chińsku

W grudniu otwarto dla ruchu kilometrowy odcinek inteligentnej, solarnej drogi w Jinan (5), mieście liczącym prawie 7 milionów ludzi, położonym ok. 350 km na południe od Pekinu. Praca nad projektem ruszyła dziesięć lat temu. Budowa trwała 55 dni na istniejącej części autostrady.

5. Odcinek chińskiej drogi z paneli fotowoltaicznych

Codziennie przejeżdża tędy ok. 45 tys. pojazdów. Inteligentna droga ma to wszystko, co znamy z podobnych projektów, podzielone na trzy warstwy. Żywotność odcinka szacuje się na piętnaście lat, co stanowi wynik porównywalny z arteriami asfaltowymi. Przezroczysty materiał na powierzchni pozwala naturalnemu światłu dotrzeć do ogniw słonecznych, które mogą wygenerować wystarczającą ilość energii elektrycznej do zasilania okolicznych świateł drogowych i ośmiuset domów.

Wbudowane czujniki monitorują różne parametry, takie jak temperatura i przepływ pojazdów, mają też komunikować się z podłączonymi pojazdami, w celu dostarczania m.in. aktualizacji informacji o ruchu drogowym. Elementy grzewcze zasilane energią słoneczną utrzymują też odcinek w stanie bezśnieżnym i wolnym od lodu. Zakłada się, że chińska inteligentna droga będzie również ładować pojazdy elektryczne podczas jazdy (6) - gdy tylko powstaną odpowiednie modele aut. Warto pamiętać, że w Chinach sprzedaje się tyle pojazdów elektrycznych, ile we wszystkich innych krajach łącznie, jednak póki co zdecydowana większość oparta jest na tradycyjnych akumulatorach, ładowanych z gniazdka.

6. Monitoring naładowania auta na chińskiej drodze

Jak wyjaśnia Zhou Yong, dyrektor generalny inwestora, czyli firmy Qilu Transportation Development Group (będącej własnością władz prowincji Szantung, obejmującej Jinan), droga testowa i tak jest na razie zbyt krótka, aby móc zapewnić bezprzewodowe ładowanie. Firma deklaruje jednak, że ma być tak samo inteligentna jak pojazdy przyszłości.

Przedstawiciele Qilu uważają, że możliwość zapewnienia lepszych i szybszych informacji o ruchu drogowym, dokładniejszego mapowania i ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych w ruchu to podstawy nowej filozofii smart road.

- Drogi, z których obecnie korzystamy, to produkt generacji 1.0 - powiedział Yong. - Pracujemy nad generacjami 2.0 i 3.0.

Do 2025 r. w Chinach będzie 30 milionów pojazdów o różnych poziomach autonomii. Tak przynajmniej powiedział Bloombergowi Yu Kai, założyciel Horizon Robotics Inc., firmy z siedzibą w Pekinie, opracowującej półprzewodniki dla tego typu samochodów. Rząd chiński twierdzi, że do 2030 r. 10% wszystkich samochodów w tym kraju powinno być w pełni samojezdnych.

Budowa odcinka drogi w Jinan kosztowała ok. 7 tys. juanów za metr kwadratowy, zatem całkowity koszt inwestycji wynosi ok. 41 mln juanów (6,5 mln dolarów). Według obliczeń Bloomberg News, aby technologia mogła być stosowana masowo, trzeba zejść z kosztami do 3 tys. juanów za metr kwadratowy. Zespół Qilu opracował jednak swoją technologię i niezbędne materiały we własnych laboratoriach, więc w miarę podejmowania masowej produkcji poszczególnych komponentów, ceny tego rodzaju przedsięwzięcia będą spadać.

7. Online Electric Vehicle - koreański autobus ładowany indukcyjnie na drodze

Drogi generujące i przekazujące energię są koncepcją rozwijaną od lat. Jednym z takich znanych na świecie od dawna projektów łączących smart road z rozwiązaniami energetycznymi jest Solar Roadways. Proponowane w nim drogi, składające się z ogniw fotowoltaicznych i materiałów pochodzących z recyklingu, mogą generować duże ilości energii ze słońca. Energia ta może być następnie dystrybuowana do okolicznego oświetlenia ulicznego, wykorzystywana do podświetlenia określonych pasów ruchu pojazdów, a nawet do topienia śniegu w celu poprawy warunków jazdy.

Podobnie jak w przypadku Solar Roadways, badania prowadzone przez południowo-koreański uniwersytet badawczo-rozwojowy KAIST doprowadziły do opracowania koncepcji dróg zdolnych do bezprzewodowego ładowania pojazdów elektrycznych podczas podróży.

Przy użyciu indukcji elektromagnetycznej droga przenosi moc bezpośrednio na specjalnie zaprojektowany Online Electric Vehicle (OLEV). Model został już z powodzeniem wprowadzony w Korei Południowej (7). Zbudowano tam arterię przystosowaną do bezprzewodowego ładowania elektrycznego autobusu. Wyposażona jest w elektromagnesy generujące pole zdolne do indukcyjnego ładowania ogniw pojazdu, który dzięki temu może używać znacznie mniejszych akumulatorów pokładowych.

Idące w podobnym kierunku rozwiązanie inteligentnej drogi - nie tylko ładującej pojazdy, ale również prowadzącej je w odpowiednim kierunku - zaprojektowali Chińczycy. Pojazd porusza się po takim torze niczym tramwaj lub miejski pociąg. Nie potrzebuje jednak szyn, bowiem do celu wiodą go zamontowane czujniki, po wyznaczonym przez komputer torze, również wyposażonym w sensory.

Wirtualne tory mogą okazać się obiecującym rozwiązaniem dla autonomicznego transportu.

Energetyczne wynalazki

Choć odpowiednie technologie są już właściwie w zasięgu ręki, to wziąwszy pod uwagę koszty tworzenia "słonecznych" nawierzchni, a także fakt, że na świecie jest 40 milionów kilometrów dróg, zastąpienie tradycyjnego asfaltu infrastrukturą cyfrową będzie długim i żmudnym zadaniem.

Inną rozważaną opcją jest więc zastosowanie paneli słonecznych, które przykrywają drogę zadaszeniem pozwalającym na ich ciągłą ekspozycję na słońce. Taka koncepcja została niedawno wprowadzona w życie w Korei Południowej, gdzie rząd sfinansował budowę 30-kilometrowego odcinka drogi ze ścieżką rowerową pomiędzy pasami ruchu.

Kraje eksperymentują również z innymi innowacyjnymi, inteligentnymi technologiami drogowymi. W kwietniu 2018 r. Szwecja otworzyła pierwszą na świecie drogę, która umożliwia przewodowe ładowanie pojazdów elektrycznych podczas jazdy. Dwukilometrowy odcinek jest projektem pilotażowym i działa zupełnie jak tor do zabawkowych wyścigów samochodowych. Auta pobierają energię z szyn ładujących, umieszczonych na powierzchni drogi. Podczas jazdy wysuwa się ramię łączące auto z taką szyną. Jest elastyczne i umożliwia względnie swobodne poruszanie się samochodu osobowego lub ciężarowego.

Trasa znajduje się tuż za Sztokholmem i choć ma sporo zwolenników pełnych nadziei na rozbudowę projektu, pojawiły się poważne pytania dotyczące wykonalności takich projektów w większej skali, zarówno z technicznego, jak i ekonomicznego punktu widzenia.

Warto zaznaczyć, że przepływy energii elektrycznej mogą być na drodze przyszłości dwukierunkowe. Za pomocą pantografu czy bezprzewodowo droga może poruszającym się pojazdom energię dawać, ale też ją od nich, przynajmniej w teorii, pobierać.

Istnieją projekty, zgodnie z którymi w nawierzchniach dróg miałyby być osadzane materiały piezoelektryczne, przekształcające drgania pochodzące z ruchu aut w energię. Inżynierowie z Uniwersytetu Lancaster opisali niedawno system, który odzyskiwałby w ten sposób 1-2 megawaty na kilometr, co wystarczyłoby do zasilania aż 2-4 tys. lamp ulicznych. Innym sprytnym sposobem, wymyślonym tym razem przez tureckich inżynierów, jest montowanie przy drogach wertykalnych turbin wiatrowych ENLIL (8), wprawianych w ruch podmuchami przejeżdżających pojazdów, zwłaszcza dużych. 

8. Przydrożne wertykalne turbiny wiatrowe ENLIL

Porozumienie pomiędzy pojazdami

Inteligentne drogi to dość obszerne pojęcie. Jak widać, określa się nim zarówno solarne projekty generujące energię, jak i systemy łączące wiele rozwiązań, wchodzące w interakcję z pojazdem i użytkownikiem, zbierające na bieżąco i przekazujące informacje - a w końcu także drogi ładujące pojazdy w ruchu. Wciąż opracowywane są nowe technologie, które mogłyby stać się częścią składową tej koncepcji.

Przykładem takiego rozwiązania jest testowany w Wielkiej Brytanii system pozwalający drogom niejako "rozmawiać" z samochodami, dostosowując do tempa przejazdu aut sygnalizację świetlną. Dotyczy to przede wszystkim pojazdów uprzywilejowanych, np. karetek, ale także związanych choćby z transportem.

Inną interesującą propozycją są "inteligentne" autostrady, które częściowo kontrolują ruch pojazdów. Wyposażone byłyby w sieć czujników obserwujących sytuację na drodze. Zbierane dane przesyłano by do systemu centralnego, który ustalałby efektywny limit prędkości dla aut znajdujących się na określonym odcinku. Pozwoliłoby to na zapewnienie możliwie największej płynności przejazdu i bezpieczeństwa, choć oczywiście wdrożenie takiej koncepcji wymaga jednocześnie rozwinięcia technologii autonomicznych aut.

Drogi przyszłości nie będą w pełni funkcjonalne bez możliwości współdziałania z pojazdami (oraz kierowcami) i dostosowywania się do warunków środowiskowych. Technologie komunikacji między pojazdami (V2V - vehicle to vehicle) oraz między pojazdem a infrastrukturą (V2I - vehicle to infrastruture) są obecnie testowane w ramach programu Inteligentnych Systemów Transportowych Departamentu Transportu Stanów Zjednoczonych, jak również przez niektóre firmy w Europie.

Przyszłe autostrady i mosty mają współtworzyć Internet Rzeczy, obejmując wykorzystanie zaawansowanych czujników w nowych i istniejących strukturach.

Przykładem integracji technologicznej takiej infrastruktury jest Memorial Bridge w Portsmouth, New Hampshire. Tamtejszy New Hampshire Department of Transportation (NHDOT) planuje umieścić w konstrukcji 250 czujników, gromadzących informacje na temat natężenia ruchu, naprężeń strukturalnych obiektu, panujących wibracji, a także prędkości wiatru, wilgotności i temperatury. Podobnie jak w przypadku wielu proponowanych rozwiązań oświetleniowych, czujniki będą zasilane w sposób zrównoważony, za pomocą systemu turbin przymocowanego do konstrukcji mostu.

W Holandii testowane jest fluorescencyjne oznakowanie jezdni, które emituje miękkie, niemęczące oczu kierowców światło. Na drogę mogą też zostać nałożone specjalne poziome znaki, ostrzegające o gołoledzi, widoczne pod wpływem mrozu, a przezroczyste w dodatnich temperaturach. Zamiast wydawać duże środki na oświetlenie tysięcy kilometrów dróg, pomysł wykorzystania światła w ciemnych znakach drogowych wydaje się atrakcyjną i ostatecznie tańszą alternatywą. Takie oznaczenia są już dostępne na holenderskiej autostradzie N329 w Oss. Wykonano je farbami zawierającymi proszek fotoluminescencyjny, który "ładuje się" w ciągu dnia.

Podobna myśl przyświeca projektowi zainaugurowanemu w amerykańskim stanie Michigan. W 2017 r. firma 3M Connected Roads uruchomiła we współpracy z tamtejszym stanowym departamentem transportu następujący program pilotażowy: na trzech kilometrach eksperymentalnej trasy zastosowano nowy rodzaj wysoko kontrastowej farby do znakowania drogi, która "współpracuje" z czujnikami samochodowymi.

Zainstalowano także eksperymentalne znaki odblaskowe, zawierające informacje przeznaczone do odczytywania przez systemy autonomicznych aut. 3M Connected Roads testuje również kolejne rozwiązanie - znakowanie ulic pakietami informacji, takich jak dokładne współrzędne GPS pojazdu lub sygnalizowanie charakterystycznych miejsc na drodze, np. ostrych zakrętów czy świateł stopu. Można to nazwać rozszerzoną rzeczywistością, choć w tym przypadku nie tylko dla ludzi, ale przede wszystkim dla maszyn.

Jednym z najbardziej udanych projektów cząstkowych, które wchodzą do wachlarza smart road, jest brytyjski system WheelWright. Tworzy go sieć czujników robiących zdjęcia przejeżdżającym samochodom. Na tej podstawie system przygotowuje raporty, zawierające informacje o ciśnieniu w oponach i zużyciu bieżnika. Celem jest informowanie kierowców, że wskutek stanu ogumienia ich aut może np. wzrosnąć zużycie paliwa lub że opona po prostu wymaga wymiany.

"Bystra droga" mogłaby się też sama naprawiać. Trwają już prace nad odpowiednimi rozwiązaniami. Na trzech brytyjskich uniwersytetach prowadzone są próby tworzenia "samouzdrawiających się" technologii betonu, które pozwoliłyby na samorzutną naprawę dróg bez interwencji człowieka.

Korki i sztuczna inteligencja

Według badań Consumer Technology Association (CTA), w ciągu najbliższych dziesięciu lat na świecie zacznie funkcjonować co najmniej 88 w pełni rozwiniętych inteligentnych miast.

Uważa się, że najbardziej zaawansowane we wdrażaniu związanych z tą koncepcją rozwiązań są obecnie Nowy Jork, Barcelona, Sztokholm, Londyn, Tokio i Singapur. Aglomeracje te wykorzystują technologie przyjazne dla środowiska i wprowadzają takie innowacje w swoich systemach transportowych, które mają zapewnić mieszkańcom lepszy styl życia.

Być może żaden aspekt współczesnego życia w dużym mieście nie jest bardziej frustrujący niż dojazdy do pracy. Kierowcy skazani są na codzienne zgadywanie, którą drogą podążać. Nawet jeśli znają swoje miasto na wylot, wybór przejezdnej arterii może być loterią. Zarządzanie ruchem jest od lat kluczowym problemem centrów aglomeracji, ale nowa fala technologii Internetu Rzeczy i zwiększona wymiana danych tchnęła w nie nowe życie.

Systemy centralne - łączące dane z pojazdów, telewizji przemysłowej i innych źródeł - będą wkrótce w stanie zbierać w dowolnym momencie informacje o dużej ilości aut na drodze, podobnie jak we wspomnianej koncepcji inteligentnych autostrad. Wykorzystując te dane, mogą przekierowywać kierowców na mniej zatłoczone trasy. Wymaga to oczywiście stosowania odpowiednich algorytmów, aby nie przerzucać korków z jednych ulic na inne, wcześniej drożne.

Inteligentna technologia drogowa nie jest tak bardzo nową koncepcją. Automatyczne środki kontroli ruchu drogowego - takie jak fotoradary, automatyczne sygnały zmiany kierunku jazdy i znaki ostrzegające o niebezpiecznych warunkach - to już od lat standardowe wyposażenie wielu dróg na świecie. Jednak w ostatnich latach dzięki nowym technikom komunikacji i przetwarzania danych zarówno znane już elementy nowoczesnej automatyki, jak i nowe funkcje wchodzą na kolejny poziom.

Dzięki integracji danych pochodzących z prognoz pogody, poruszających się po drodze pojazdów i raportów o natężeniu ruchu drogowego, drogi stają się łatwiejsze w zarządzaniu, pojazdy zmniejszają emisję dwutlenku węgla i, co najważniejsze, podróże stają się bezpieczniejsze.

Czasami wystarczą stosunkowo proste rozwiązania. Od niedawna w Indiach, na obszarach o dużej liczbie wypadków drogowych, władze transportowe eksperymentują ze stacjami monitorującymi Smart-Life. Zaprojektowane w formie słupów, wykorzystują czujniki radarowe i fale elektromagnetyczne do określania prędkości nadjeżdżających pojazdów. Ostrzegają następnie kierowców przed zagrożeniem po prostu… trąbiąc. Już w pierwszych testach technologia znacznie zmniejszyła liczbę wypadków. Mówi się o rozszerzeniu jej stosowania na kolejne drogi.

Coraz więcej miast implementuje do zarządzania ruchem drogowym sztuczną inteligencję. Londyński startup Vivacity Labs pracuje z Milton Keynes, angielskim miastem liczącym 230 tys. mieszkańców, nad wprowadzaniem systemu kamer zasilanych przez AI. Czujniki obejmą obszar 130 km2, wykrywając korkujące się rejony i pozwalając zmienić organizację ruchu za pomocą sygnalizacji świetlnej, aby na bieżąco usuwać wąskie gardła. System AI służy również do określania priorytetów ruchu drogowego, np. w odniesieniu do służb ratowniczych, transportu publicznego, a nawet rowerzystów.

Rozwiązanie wdrażane w amerykańskim Pittsburghu, autorstwa firmy Rapid Flow Technologies, również przewiduje stosowanie AI do zarządzania sygnalizacją świetlną. W oparciu o technologię opracowaną w Instytucie Robotyki Uniwersytetu Carnegie Mellon, system Surtrac (9) daje każdemu sygnalizatorowi pewien stopień autonomii przy podejmowaniu decyzji, kiedy zapalić czerwony lub zielony sygnał. Informacje te są przekazywane do innych skrzyżowań, które odpowiednio reagują na przychodzące dane w stałej pętli sprzężenia zwrotnego. Jeśli tego rodzaju oparty na sztucznej inteligencji i automatyzacji system zarządzania ruchem drogowym rzeczywiście udowodni, że potrafi zmniejszyć korki, to z pewnością szybko zdobędzie miasta świata.

9. Mapa instalacji systemu Surtrac

Firma Rapid Flow twierdzi w dodatku, że Surtrac może skrócić całkowity czas miejskiej podróży pojedynczego pojazdu nawet o 25% - w tym o 40% zmniejszyć czas oczekiwania na skrzyżowaniach. Mniejsza praca na biegu jałowym oznacza z kolei mniejszą emisję dwutlenku węgla z pojazdów niepotrzebnie zatrzymanych w ruchu drogowym. Kolejnym planowanym etapem rozwoju systemu jest wyposażenie samochodów w urządzenia do bezpośredniej interakcji z sygnalizatorami drogowymi, co umożliwiałoby dostosowanie prędkości pojazdów lub wyboru przez nie trasy tak, aby zawsze trafiały na zielone światło.

Można do tego zresztą podejść inaczej. Tak jak to ma miejsce w koncepcji Traffic Management as a Service, czyli "zarządzaniu ruchem jako usługą". Opierający się na niej projekt powstały w belgijskiej Gandawie ma na celu przekształcenie tradycyjnych systemów miejskiego monitoringu ruchu w wirtualne usługi zarządzania ruchem, które są nie tylko inteligentniejsze niż dotąd, ale i bardziej dostępne dla społeczeństwa. Chodzi o stworzenie scentralizowanego, opartego na chmurze, Centrum Kontroli Ruchu.

Platforma integrować ma lokalne i globalne źródła informacji w celu monitorowania w czasie rzeczywistym danych o ruchu pod kątem ewentualnych anomalii. Z jednej strony umożliwi to władzom natychmiastowy dostęp do platformy i skuteczne zarządzanie ruchem. Z drugiej, pozwoli obywatelom na rejestrację w systemie i otrzymywanie informacji o potencjalnych przeszkodach w dotarciu do celu. Poprzez inteligentne ustalanie priorytetów technologia ta może być wykorzystana do rozluźnienia ruchu w kluczowych obszarach miejskich i stworzenia korzystniejszych warunków dla transportu publicznego.

Kto ma być mądry? Pojazd czy droga?

Z badań OECD (Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju) wynika, że 70% wypadków drogowych bierze się z błędu człowieka. Pojazdy autonomiczne projektuje się tak, aby wypadki odeszły w przeszłość. Szansa na zmniejszenie ogólnego wskaźnika obrażeń jest zatem spora. Jednak - jak wyjaśnia w komentarzu do badań José Papi, przewodniczący Smart Transportation Alliance - "zautomatyzowany pojazd nie może działać bez inteligentnej infrastruktury".

Wbrew pozorom, nie dla każdego jest to oczywiste. Przodujące w technikach autonomicznej motoryzacji Google (a także niektóre inne firmy pracujące nad autonomicznymi systemami jazdy) wcale nie rozwija wkomponowanego w infrastrukturę systemu sygnalizacji, połączonego z systemami samochodowymi. Firmowi specjaliści wychodzą z założenia, że ich samochody muszą być całkowicie samowystarczalne, więc i bezpieczne, w jeździe na każdej drodze. Zgodnie z tym przekonaniem droga nie musi być inteligentna. A jeśli nawet, to rozbudowa inteligentnej infrastruktury pozostaje sprawą władz, zarządców dróg, samorządów i rządów.

Tak czy owak pojazdy w pełni autonomiczne muszą być "świadome" obecności i położenia zarówno statycznego otoczenia - w rodzaju jezdni i słupów telefonicznych - jak i innych pojazdów, a uzyskują to przez zastosowanie czujników, kamer, detektorów ultradźwiękowych czy radaru (lidaru). Ich zdolność do interakcji z infrastrukturą drogową i innymi pojazdami można zwiększyć poprzez systemy Internetu Rzeczy, które zapewniają łączność bezprzewodową i mobilny dostęp do sieci. Vodafone testuje już nawet komunikację pojazd-pojazd w sieciach 5G.

Powstają projekty, które mają zmniejszyć przepaść pomiędzy starą infrastrukturą a nowymi autonomicznymi pojazdami.

Jednym z przykładów jest pilotażowy system w centralnej dzielnicy biznesowej miasta Tampa na Florydzie. Wykorzystuje on inteligentne systemy, w tym wykrywanie światła i LiDAR, do śledzenia interakcji między pojazdami, pieszymi, transportem publicznym i infrastrukturą drogową, co pozwala zarządcom dróg na lepsze monitorowanie i kontrolę ruchu drogowego, poprawiając jednocześnie bezpieczeństwo i skracając czas podróży.

Plastikowe drogi

Szeroka definicja smart road obejmuje również rozwiązania eko, związane z gospodarką odpadami. Problem plastiku, o czym pisaliśmy już wiele razy, narasta. Roczna światowa produkcja odpadów z tworzyw sztucznych - 380 mln ton - to ponad trzy razy więcej niż 120 mln ton produkowanego w tym samym okresie asfaltu. Tak jak tworzywo sztuczne pochodzi w większości z produktów petrochemicznych, tak i asfalt jest produkowany jako produkt uboczny rafinacji ropy naftowej. Długowieczność plastikowych odpadów może okazać się jednak pożądaną cechą z punktu widzenia budowniczych dróg.

We wrześniu 2018 r. w holenderskim mieście Zwolle otwarto 30-metrowy tor rowerowy wykonany w 70% z przetworzonego tworzywa sztucznego, a w 30% z polipropylenu. To test rozwiązania o nazwie PlasticRoad (10), opracowywanego przez dwie holenderskie firmy, KWS i Wavin. Nawierzchnia jest tu prefabrykowana w zakładzie wytwórczym jako modułowe elementy. Następnie poszczególne sekcje są transportowane na plac budowy i układane na odpowiednim fundamencie, takim jak piasek. W Zwolle wykorzystano odcinki o długości 2,4 m i szerokości 3 m, wyposażone w czujniki do pomiaru temperatury, zginania i przepływu wody przez kanały odwadniające. W pobliskim Giethoorn budowana jest już druga pilotażowa droga rowerowa.

10. Budowa PlasticRoad w holenderskim Zwolle

Jeśli wszystko pójdzie dobrze, wynalazcy będą chcieli rozwinąć swój pomysł w takim kierunku, aby moduły konstrukcyjne wykonywano w całości z tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu. W ślad za nimi mogą iść ścieżki, parkingi i… perony kolejowe. Planowane są też odcinki przeznaczone do użytku jako drogi dla samochodów. Mogą one zawierać czujniki do monitorowania ruchu drogowego. Z czasem obwody wbudowane w plastikowych drogach mogą rozszerzyć swoją funkcjonalność o obsługę autonomicznych pojazdów i bezprzewodowe ładowanie samochodów elektrycznych.

Inną metodą wykorzystania tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu jest mieszanie materiału w gorący materiał bitumiczny podczas produkcji asfaltu. Właśnie z wykorzystaniem tej techniki ma powstać na terenie kampusu Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego droga, na której brytyjska firma MacRebur testować będzie swoje mieszanki. Jak wyjaśniał w mediach Toby McCartney, który wraz z grupą kolegów założył w 2015 r. wspomnianą firmę, każda z mieszanek jest produkowana z tworzyw sztucznych niedających się łatwo lub tanio poddawać recyklingowi i dlatego zazwyczaj trafiających na wysypiska śmieci.

Poszczególne rodzaje mieszanek mogą zawierać dwadzieścia lub więcej różnych polimerów dla określonych nawierzchni. Jedna może być np. odpowiednia dla pasa autobusowego, który przenosi duże obciążenia, a inna zapewni elastyczność w obszarze ruchu skrętnego, takim jak rondo, gdzie siły boczne pochodzące od kół pojazdów są w stanie rozciągnąć powierzchnię, powodując jej rozerwanie. Można również dostosować nawierzchnię do ekstremalnych temperatur i zimna. A ponieważ dodatek plastiku pomaga uszczelnić małe pory, które pozwalają wodzie przedostać się pod powierzchnię drogi i powodować jej pękanie, zmodyfikowany asfalt jest w stanie zapobiec powstawaniu dziur. Co więcej, kiedy potrzebna jest obróbka powierzchniowa, materiał może być ponownie poddany recyklingowi.

Mieszanki tworzyw sztucznych były już stosowane na drogach, parkingach i pasach startowych lotnisk w różnych częściach świata. Jednym z najstarszych projektów jest odcinek drogi w Cumbria, w północno- zachodniej Wielkiej Brytanii, szeroko wykorzystywany przez duże ciężarówki. Jak twierdzi McCartney, kiedyś trzeba było wymieniać tam nawierzchnię co sześć miesięcy, ale po dodaniu plastiku, po dwóch latach droga nadal jest mocna.

Kolejnym krajem, który zaczyna przetwarzać tworzywa sztuczne na drogi, jest Australia. W Rayfield Avenue, Craigieburn, na przedmieściach Melbourne, zakończono budowę 300-metrowego odcinka przy użyciu substancji zwanej Plastiphalt. Do budowy wykorzystano materiały pochodzące z recyklingu ponad 200 tys. plastikowych toreb i opakowań, 63 tys. zmiażdżonych szklanych butelek oraz tonera do 4,5 tys. wkładów do drukarek. Wszystko to zostało zmieszane w 50 ton zregenerowanego asfaltu, dzięki czemu powstało łącznie 250 ton materiału na nawierzchnię drogową.

Użytkownik 2.0

Warto jednak zauważyć, że na tak inteligentnych drogach nowej generacji, oplecionych najnowszymi rozwiązaniami, wstyd będzie wykazywać brak inteligencji, co niestety na drogach 1.0 wielu kierowcom się zdarza. Prawdę mówiąc, okazywanie podobnych ubytków rozsądku wstydliwe było również na tych tradycyjnych szosach, mniej smart, ale to już trochę inna historia.

Mirosław Usidus