Codzienna frustracja oczekiwania na światłach, gdy światła zmieniają się w pozornie niekończącym się cyklu, jest znana niemal każdemu kierowcy. Ale ten czas spędzony na postoju to nie tylko test cierpliwości; stanowi on również znaczący problem ekologiczny. Praca silnika na biegu jałowym, gdy pojazd stoi, jest odpowiedzialna za zaskakująco duży udział w emisji dwutlenku węgla. Szacuje się, że w samych Stanach Zjednoczonych nawet do 15% całkowitych emisji CO2 z transportu lądowego może pochodzić właśnie z tych nieproduktywnych chwil na skrzyżowaniach. Na szczęście nowe rozwiązania technologiczne oferują obiecującą wizję przyszłości, w której ruch miejski staje się znacznie czystszy i bardziej wydajny.

Rewolucyjne badania prowadzone przez naukowców z prestiżowego Massachusetts Institute of Technology (MIT) rzucają nowe światło na potencjał tak zwanych środków "eko-jazdy". Środki te, które obejmują dynamiczne dostosowywanie prędkości pojazdu w celu uniknięcia niepotrzebnego zatrzymywania się i gwałtownego przyspieszania, mogłyby drastycznie zmniejszyć szkodliwe emisje. Badanie, jedno z najobszerniejszych do tej pory, pokazuje, że zastosowanie tych strategii mogłoby zmniejszyć emisje CO2 na skrzyżowaniach miejskich o imponujące 11 do 22 procent.

Czym właściwie jest eko-jazda i dlaczego jest kluczowa dla przyszłości miast?

Eko-jazda to ogólny termin obejmujący szereg technik i technologii mających na celu zmniejszenie zużycia energii i szkodliwych emisji pojazdów. W swojej istocie jest to inteligentniejszy sposób prowadzenia pojazdu, który optymalizuje ruch pojazdu zgodnie z warunkami drogowymi. Zamiast reaktywnego stylu jazdy, który opiera się na gwałtownym hamowaniu i przyspieszaniu, eko-jazda promuje płynność i przewidywanie. W niedalekiej przyszłości może to oznaczać korzystanie ze smartfonów lub ekranów w samochodach, które dają kierowcom zalecenia dotyczące idealnej prędkości. Patrząc długoterminowo, wizja obejmuje inteligentne systemy, które bezpośrednio zarządzają prędkością pojazdów półautonomicznych i w pełni autonomicznych, wykorzystując zaawansowaną komunikację między pojazdem a infrastrukturą drogową (V2I).

Znaczenie tej technologii wykracza poza samo zmniejszenie emisji CO2. Mniej zatrzymań i ruszań oznacza również mniejsze zużycie paliwa, co przynosi bezpośrednie oszczędności finansowe dla kierowców. Zmniejsza się również emisja innych niebezpiecznych zanieczyszczeń, takich jak tlenki azotu (NOx) i pyły zawieszone (PM), które mają bezpośredni negatywny wpływ na jakość powietrza w obszarach miejskich i zdrowie publiczne, powodując choroby układu oddechowego i inne schorzenia. Mniejszy hałas oraz zużycie hamulców i opon to dodatkowe korzyści, które przyczyniają się do przyjemniejszego i bardziej zrównoważonego środowiska miejskiego.

Moc sztucznej inteligencji w służbie bardziej ekologicznego transportu

Aby określić ilościowo rzeczywiste skutki eko-jazdy na poziomie całego miasta, zespół z MIT przeprowadził obszerne, czteroletnie badanie modelowe. U podstaw ich analizy leży potężna metoda sztucznej inteligencji znana jako głębokie uczenie ze wzmocnieniem (deep reinforcement learning). Podejście to pozwoliło badaczom stworzyć i przeanalizować miliony scenariuszy drogowych w cyfrowych replikach ponad 6000 skrzyżowań z sygnalizacją świetlną w trzech dużych miastach amerykańskich: Atlancie, San Francisco i Los Angeles.

Proces był niezwykle szczegółowy. Najpierw zidentyfikowali aż 33 kluczowe czynniki wpływające na emisje z pojazdów. Czynniki te obejmują wszystko, od temperatury powietrza i nachylenia drogi, przez typologię skrzyżowania i wiek pojazdu, po natężenie ruchu, zachowanie kierowcy i geometrię drogi. Korzystając z danych z otwartych źródeł, takich jak OpenStreetMap i pomiary geologiczne, stworzyli niezwykle wierne symulacje.

System głębokiego uczenia ze wzmocnieniem działa na zasadzie prób i błędów w ramach tych symulacji. "Agent" AI, reprezentujący pojazd, jest nagradzany za zachowania zmniejszające zużycie energii (takie jak płynny przejazd przez skrzyżowanie) i "karany" za te nieefektywne (takie jak gwałtowne hamowanie). Powtarzając ten proces miliony razy, AI uczy się optymalnych strategii dostosowywania prędkości dla każdego możliwego scenariusza, osiągając maksymalne możliwe oszczędności energii dla całego systemu transportowego, nawet dla pojazdów, które nie uczestniczą aktywnie w programie.

Zaskakujące wyniki: Mały udział przynosi wielką zmianę

Analiza wyników przyniosła kilka kluczowych i bardzo zachęcających spostrzeżeń. Pełne wdrożenie eko-jazdy, w której wszystkie pojazdy korzystają z optymalizowanych prędkości, mogłoby zmniejszyć emisje na skrzyżowaniach o 11% do 22%, w zależności od specyficznej struktury miejskiej. Na przykład Atlanta, z dłuższymi odcinkami między skrzyżowaniami i wyższymi ograniczeniami prędkości, mogłaby odnieść większe korzyści, podczas gdy gęściej zaludnione miasto, takie jak San Francisco, ma mniej przestrzeni na optymalizację, co skutkuje nieco mniejszymi, ale wciąż znaczącymi oszczędnościami.

Być może najważniejszym wnioskiem z badania jest to, że nie jest potrzebne stuprocentowe wdrożenie, aby osiągnąć znaczące rezultaty. Naukowcy odkryli, że nawet jeśli tylko 10% pojazdów na drodze aktywnie korzysta z eko-jazdy, osiągnięto by od 25% do 50% całkowitego potencjalnego zmniejszenia emisji. Zjawisko to, znane jako "dynamika podążania za pojazdem", występuje, ponieważ pojazdy nieuczestniczące w systemie naturalnie podążają za rytmem zoptymalizowanych pojazdów przed nimi, dostosowując swoją prędkość i tym samym również zmniejszając liczbę zatrzymań i własne emisje. Tworzy to pozytywny efekt falowy w całym przepływie ruchu.

Dodatkowo badanie wykazało, że 70% całkowitych korzyści można osiągnąć poprzez optymalizację ruchu na zaledwie 20% najbardziej krytycznych skrzyżowań. To spostrzeżenie ma ogromne znaczenie dla planistów miejskich, ponieważ sugeruje, że eko-jazdę można wprowadzać stopniowo i celowo, koncentrując się na kluczowych punktach, a mimo to osiągać wymierne pozytywne efekty w zakresie redukcji zanieczyszczeń i walki ze zmianami klimatycznymi.

Bezpieczeństwo, wdrożenie i synergia z pojazdami elektrycznymi

Jednym z kluczowych pytań każdej nowej technologii transportowej jest bezpieczeństwo. Analiza zespołu z MIT, wykorzystująca znormalizowane wskaźniki, takie jak "czas do kolizji", sugeruje, że eko-jazda jest równie bezpieczna jak przeciętna jazda człowieka. Jednak autorzy ostrzegają, że zmiana zwykłego rytmu ruchu "zatrzymaj się i rusz" może wywołać nieoczekiwane reakcje u niektórych kierowców i potrzebne są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć wszystkie aspekty bezpieczeństwa.

Droga do szerokiego zastosowania tej technologii jest jasna i stosunkowo prosta. Cathy Wu, jedna z autorek badania, podkreśla, że jest to "niemal darmowa interwencja". Większość z nas już posiada smartfony, które można wykorzystać do pierwszych aplikacji z zaleceniami dotyczącymi prędkości. Równolegle przemysł motoryzacyjny szybko wdraża zaawansowane funkcje automatyzacji, które stanowią techniczną podstawę dla przyszłych, w pełni zintegrowanych systemów. "Aby coś szybko wdrożyć w praktyce, musi być stosunkowo proste w implementacji i gotowe do użycia. Eko-jazda idealnie wpisuje się w ten opis" - stwierdza Wu.

Szczególnie interesująca jest synergia eko-jazdy i rosnącej liczby pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Chociaż pojazdy elektryczne nie emitują spalin bezpośrednio z rury wydechowej, zmniejszenie cykli zatrzymywania się i ruszania znacznie poprawia ich efektywność energetyczną i wydłuża zasięg baterii. Badanie wykazało, że w San Francisco, gdzie 20% wdrożenia eko-jazdy przynosi 7% redukcji emisji, połączenie z przewidywanym wzrostem liczby pojazdów elektrycznych podniosłoby tę liczbę do aż 17%.