더 안전한 자동화 교통 설계를 주도하는 미니 스마트 시티

 

이 도시는 여느 도심과 닮았다 - 그것이 바로 요점이다. 주거용 주택 및 상업 시설, 조경 된 공원, 도로, 원형 교차로 및 신호등 블록이 있다. 다양한 차량이 있으며, 심지어 과속 운전자를 세운 경찰차 몇 대도 있다.

 

그리고 이 모든 것이 홀리스터 홀 지하에 있는 단칸방에 들어간다. 정보 및 의사 결정 과학 연구소에 오신 것을 환영한다. 1:25 비율로 축소된 20x20피트의 '스마트' 도시와 맞춤형 자동차, 드론, 카메라, 가상 현실 기술은 연구자들이 더 나은, 더 안전한 교통 수단을 설계하는 데 도움을 주고 있다.

 

특히, 확장된 스마트 시티는 소형 동력 자동차가 인간에 의해 원격으로 조종되는 다른 차량뿐만 아니라 주변 환경과 상호 작용할 수 있도록 함으로써 커넥티드 및 자동화 차량과 같은 새로운 모빌리티 시스템의 성능을 개선하려고 한다. 도시는 통제된 환경이기 때문에 실험을 반복하고 결과를 검증할 수 있다. 그러나 예측 불가능성은 권장된다.

 

"실험용 테스트베드가 없으면 시뮬레이션을 사용합니다. 그리고 시뮬레이션은 성공할 운명에 처해 있습니다. 그들은 항상 완벽합니다"라고 연구소 소장이자 코넬 공대의 토목 및 환경 공학 교수인 안드레아스 말리코풀로스(Andreas Malikopoulos)는 말했다. "그러나 실제 환경에서는 잘못된 커뮤니케이션, 오류, 지연, 예기치 않은 사건이 발생할 수 있습니다. 이 테스트베드는 데이터를 수집하고 정보를 추정할 수 있는 기회를 제공할 수 있는데, 이는 안전 문제와 자원 및 공간의 필요성 때문에 실제 자동차로는 현실 세계에서는 할 수 없었던 일입니다."

 

이 거대한 도시의 기원은 10여 년 전으로 거슬러 올라가는데, 당시 제너럴 모터스(General Motors)의 연구원이었던 말리코풀로스(Malikopoulos)가 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)에서 일하고 있었을 때였다. 그는 커넥티드 및 자동화 차량을 통해 운송 수단의 에너지 효율성을 개선하는 방법에 대해 생각하고 있었다. "저는 '좋아요, 우리가 이 모든 것을 할 수 있어요'라고 말했다. "하지만 하드웨어가 좀 필요하잖아요."

 

나쁜 운전자를 구함
2014년, 그는 미국 에너지부(DOE)로부터 효율성 프로젝트에 대한 보조금을 받았고, 규모가 있는 로봇 테스트베드를 만들겠다고 제안했지만 필요하지 않다는 답변을 받았다. 3년 후, 그는 정부 연구를 떠나 델라웨어 대학의 교수가 되었고, 그곳에서 마침내 테스트베드 구축이라는 "꿈"을 실현할 수 있었다. Malikopoulos가 2023년 가을에 코넬로 이사했을 때 그는 새로운 기능을 추가하고 동력 차량을 업그레이드하여 규모가 아니라 정교함을 확장했다.

 

이 연구소는 현재 5세대 차량에 탑승하고 있다. 대부분이 학부생인 팀원들은 기성품 원격 제어 차량을 타고 RC 구성 요소를 제거한 다음 메인프레임 컴퓨터에 연결되는 맞춤형 전자 장치, 센서 및 Wi-Fi를 설치한다. 각 차량에는 고유한 시각적 마커가 있어 테스트베드의 8개 카메라와 GPS 시스템으로 추적할 수 있다.

 

여름 동안 모터 풀은 75대의 자동차와 15대의 미니 드론으로 확장되었다. 공중 요소를 사용하면 여러 대의 드론이 차량을 추적하고 위치 정보를 방송할 수 있으며, 이는 혼합 교통을 조정하고 안전을 강화하는 데 도움이 될 수 있으며 군사 호송대를 보호하는 데 특히 유용할 수 있다.

 

학생들은 하드웨어와 소프트웨어만 작업하는 것이 아니다. 또한 운전석에 앉을 수도 있다: 실험실에는 누구나 앉아서 확장된 도시를 "운전"하고 자동차의 관점에서 탐색하고 도로의 다른 차량과 상호 작용할 수 있는 6개의 운전자 에뮬레이터가 있다. 학생들은 대규모 언어 모델을 통합한 실험실에서 설계한 모듈을 통해 무인 자동차와 통신할 수도 있다.

 

사이버 물리 시스템이라고도 하는 자동화 차량과 인간 주도 차량의 조합은 연구원들이 커넥티드 차량과 자동 차량이 실시간으로 반응하는 방식을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있는 수준의 불확실성을 야기한다. 그런 다음 연구원들은 이러한 반응을 개선할 컨트롤러와 알고리즘을 설계할 수 있다.

 

실험실 구성원은 또한 VR 헤드셋을 착용하여 컴퓨터 시뮬레이션 도시에서 운전하고 다양한 교통 시나리오와 조건을 경험할 수 있다. VR 시스템은 보다 인터랙티브한 주행을 위해 테스트베드의 디지털 트윈을 생성할 수 있다.

 

VR 테스트베드의 프로젝트 책임자인 시스템 엔지니어링 석사 Simon Tian은 "VR의 이점은 비용 효율성, 시간 효율성, 그리고 가장 중요한 안전성입니다"라고 말했다. "실제 차량으로 실험하는 것은 비용과 시간이 많이 듭니다. 각 실험마다 차량, 장소에 있는 사람, 물체와 관련된 모든 것을 재설정해야 합니다. 특정 도로에서 특정 실험을 원한다면 해당 도로를 건설해야 합니다. 타임스퀘어에서 테스트를 진행하고 싶다면 아직 직접 테스트할 수 있는 장소가 없습니다. 하지만 VR에서도 할 수 있습니다. 이 기술은 충분히 실현 가능합니다." 티안과 6명으로 구성된 팀은 CARLA라는 오픈 소스 자율주행 시뮬레이터와 자체 Python 코딩을 사용하여 전체 VR 시스템을 처음부터 구축했다.

 

이제 실험실은 나쁜 운전이 용인되는 것이 아니라 필요한 유일한 장소이다.

"우리는 기본적으로 기계 학습을 사용하여 인간이 의사 결정을 내리는 방식을 모델링하는 방법을 배웁니다"라고 박사 후 연구원인 Heeseung Bang, Ph.D. '24는 말했다. "그러기 위해서는 다른 종류의 인간 운전자 데이터가 필요합니다. 하지만 이러한 데이터를 수집하기 위해서는 VR이 필요한데, 이를 통해 사람들이 실제로 충돌할 수 있고, 공격적인 운전자들이 실제로 얼마나 운전을 하는지 볼 수 있습니다. 데이터 세트가 확보되면 도시에 구현하고 그들이 어떻게 반응하는지 확인할 수 있습니다."

 

차량은 그 자체로 많은 불확실성을 야기한다. 방 교수는 "이는 매우 복잡한 시스템이며, 동일한 시나리오를 반복하더라도 자동차는 교차로에 진입하는 속도와 시간 등 다양한 조건에 따라 다른 결정을 내릴 수 있다"고 말했다.

 

더 스마트한 차량, 더 안전한 도로, 더 큰 형평성
이 연구소는 운송에 초점을 맞추고 있지만 사회적 영향에 대한 관심도 병행하고 있으며, Malikopoulos는 사이버 물리 시스템 공간에서 형평성을 높일 수 있는 방법을 모색하는 데 열심이다. 그는 현재 연방 고속도로 관리국(Federal Highway Administration)과 협력하여 다른 기관에서 교육 모듈로 테스트베드에 액세스할 수 있도록 하고 있으며, 연구자들이 로그인하여 알고리즘을 입력하고 테스트베드를 사용하여 자체 실험을 실행할 수 있는 온라인 플랫폼을 만들 계획이다.

 

지난 10월, 말리코풀로스는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 안전 학습 지원 시스템(Safe Learning-Enabled Systems) 프로그램으로부터 80만 달러의 공동 지원금을 받아 복잡한 운영 환경에 스마트 자율 시스템을 배포할 수 있는 프레임워크를 구축하는 동시에 시스템이 극한 이벤트를 처리할 수 있도록 보장하고 불규칙하고 안전하지 않은 동작을 모니터링할 수 있도록 했다. 수학 컴퓨팅 소프트웨어 회사인 매스웍스(MathWorks)는 최근 자율 주행 시스템의 실시간 제어 툴박스를 개발하기 위해 스케일드 시티 테스트베드를 사용할 수 있도록 보조금을 제공했다.

 

또한 아우디는 최근 미국 에너지부(DOE)의 고등연구계획국(Advanced Research Projects Agency)-에너지(Energy)로부터 430만 달러 규모의 프로젝트를 완료했으며, 미시간 대학교(University of Michigan), 보스턴 대학교(Boston University), 오크리지 연구소(Oak Ridge lab) 및 로버트 보쉬(Robert Bosch GmbH)와 협력하여 아우디의 A3 플러그인 하이브리드의 효율성을 25% 개선했다.

 

말리코풀로스는 "우리는 모든 알고리즘을 개발하고 기술적 문제를 해결하기 위해 확장된 도시를 사용했다"고 말했다. "그래서 실제 아우디로 현장 테스트를 하러 갔을 때, 우리는 준비가 되어 있었습니다."

 

이 확장된 도시는 차세대 커넥티드 및 자동화 차량의 설계에 대한 정보를 제공하는 것 외에도 Malikopoulos가 이러한 기술을 사용할 차세대 엔지니어를 교육하는 데 도움을 주고 있습니다. 미니어처 도시는 훌륭한 모집 도구라는 것이 밝혀졌다.

 

시스템 엔지니어링 박사 과정 학생인 Shanting Wang(M.S. '24)은 작년에 실험실 구성원 중 한 명의 초대를 받아 테스트베드를 확인해보았습니다. Wang은 연구소의 기술 혁신과 토목 공학에 대한 실제 응용 프로그램 모두에 깊은 인상을 받았고 팀에 합류했다.

 

"교통은 계획을 세우는 것이지만 이전에는 사람들이 과거 데이터를 기반으로 계획을 세웠습니다. 예를 들어, 월요일 아침에는 교통 흐름이 더 많을 것입니다. 그러나 그것들은 단지 근사치일 뿐이다"라고 그녀는 말했다. "이제 우리는 센서에서 실시간 데이터를 얻을 수 있으며, 실제 데이터에서 알고리즘을 개선하고 컨트롤러를 개선할 수 있습니다. 교통 혼잡을 줄일 수 있습니다. 여기서 해결책을 찾을 수 있고, 현실 세계에 적용할 수 있습니다."

 

실험실은 두 번째 테스트베드를 수용하기 위해 인접한 방으로 확장되고 있다. 말리코풀로스는 심지어 도시의 규모를 늘리는 아이디어를 가지고 놀기도 했습니다. 그는 1:10까지 갈 수 있을 것으로 추정한다. 때로는 더 작은 것이 더 똑똑하다. 현재 말리코풀로스는 꿈의 도시를 가지고 있으며, 그 도시에는 당연히 드림카가 있어야 한다.

 

현실 세계에서 말리코풀로스는 피아트 500C를 운전한다. "제 할아버지가 그리스에서 운전하곤 했던 것이죠. "하지만 여유가 있다면 이걸 가질 가능성이 가장 높습니다." 그는 가짜 잔디밭 위의 미니어처 건물들 사이에 주차되어 있는 작고 반짝이는 차를 가리켰다. 빨간 페라리였다. (Energy Daily)