Előfizetés a lapra

Lendkerekes játékautótól a fantom forgalmi dugókig

A hét kutatója, BME, dugó, élettelen természettudomány, fizika, időkésést tartalmazó rendszerek, interjú, lendkerék, műszaki, Prima díj

2016/03/03

Stépán Gábor akadémikus vehette át a Príma díjat december 4-én a Művészetek Palotájában, novemberben pedig egy másik rangos díjat kapott meg Amerikában. A BME Gépészmérnöki Karának tanszékvezetője, volt dékánja sok hivatali teendője mellett is ragaszkodik ahhoz, hogy tanítson. Mi kedvenc kutatási területeiről kérdeztük.

– A legtöbb fiú műszaki érdeklődése alighanem a lendkerekes kisautók tologatásával kezdődik. Önnél is így történt?

– Igen. Nagyapám barkácsolós ember volt. Szombatonként találkoztam vele, együtt átnéztük az Ezermester újságot, hogy mit lehetne belőle megcsinálni. Egyik karácsonyra kalapácsot meg harapófogót vett nekem, gyakorlatias pályára próbált nevelni. Azután volt egy matematikatanárom az Apáczai Gimnáziumban, Sain Márton. Ő szerettette meg velem a matematikát. A BME-re még gépgyártás-technológusnak jelentkeztem. A felvételin megkérdezték, van-e kedvem egy újonnan induló specializációra jelentkezni a gépészmérnöki karon, amit úgy hívtak: matematikus-mérnök. Később nagy hasznát láttam, hogy a gépészetet és a matematikát össze tudtam kapcsolni. Tudományos munkám jelentős része ebből fakad.

– Hogy jelenik meg a matematikai és hogyan a mérnöki szemlélet az eredményeiben?

– Az egyik fontos témám az időkésést tartalmazó rendszerek vizsgálata. Példaként azt szoktam említeni, hogyan nyomom meg a fékpedált, amikor fölvillan az előttem haladó autó féklámpája. Ennek az emberi részét igen bonyolult parciális meg sztochasztikus differenciálegyenlet-rendszerekkel lehetne leírni, amelyek gyakorlatilag megoldhatatlanok, és így reménytelen modellezni a folyamatot. Viszont, ha azt mondom, hogy bennem egy hullám fut végig, és csak azt figyelem, milyen jel ment be, mekkora jött ki, és közben mennyi idő telt el – ez az időkésés, itt reflexkésés –, sokkal egyszerűbb lesz a modell. Ami ebben matematikai újdonság, az egy viszonylag új típusú differenciálegyenlet. Ennek elméletét 1950-től mind a mai napig építik. Ezzel a megközelítéssel olyasmiket lehet modellezni, amit eddig a mérnökök nem tudtak, éppen a jelenségek bonyolultsága miatt.

 Ilyen klasszikus gépészeti feladat a szerszámgéprezgés is. Úgy lehet elképzelni, hogy ha a torta tetején húzza az ember a krémet, és a keze remeg, akkor hullámos lesz a felület, majd a remegő kezünk egy már hullámos krémfelületre fut rá újra – saját „múltjának” a nyomára. Ugyanez van szerszámgépeken forgácsoláskor. Ha a szerszámkés kicsit rezeg, akkor az rontja a munkadarab minőségét, amit el kell kerülni. Ennek sok ága-boga van, esztergálás, fúrás, köszörülés, marás.

– Van-e kapcsolat a rezgések és másik kedvenc témája, a fantom forgalmi dugók között?

– Van, mivel itt is megjelenik az időkésés. Hogy milyen követési távolságot tartunk, milyen sebességgel megyünk autópályán, városban, az annak függvényében fejlődött ki, hogyan tudták az autók vezetői kezelni saját reflexeik késését. A lábunk felé 6 tized másodperc a késés, de néha 1-2 másodpercbe is beletelik, mire döntésünk után reagál az autó.

 Forgalmi dugóval mindenki találkozott már. Baleset vagy útfelbontás esetén ez természetes, nem szorul magyarázatra. De miért van az, hogy adott forgalmi sűrűség mellett, néha kialakul a dugó, néha nem? Akkor is, ha nem volt baleset, nem volt sávlezárás, és mégis... Ezt a paradoxont régóta kutatták. Megvoltak az egyenletek, de azért nem jutottak előre, mert nem szerepelt benne az emberi reflexek miatti időkésés. Mi beépítettük, amitől persze nagyon bonyolult lett a számítás. Pár év alatt sikerült bizonyítani azt, ami egyébként tipikus a késleltetett rendszereknél: ha kicsit zavarom meg, akkor visszaáll az egyenletes forgalom, ha jobban, akkor nem. Olyan, mint a villanykapcsoló: ha kicsit nyomom meg, visszaáll, ha nagyon, átbillen. A forgalmi dugóknál a modell azt mutatja, hogy ha 130-cal megyünk biztonságos követési távolsággal és úgy zavarnak meg, hogy 110-re kell lassítanom, akkor a mögöttem levő 112-re, az utána levő 114-re stb. fog lassítani és a dugó „kioldódik” egy idő után, a sebesség visszaáll 130-ra. Ha viszont 130-ról viszonylag gyorsan kell lassítanom 100-ra, akkor a következő autó 98-ra fog lassítani, az őt követő 96-ra, aztán 94-re – és mögöttem több kilométerre valakinek meg kell állnia. Kialakul egy dugó, ami már nem tud „feloldódni”.

– Lehet alkalmazni a modellt a gyakorlatban is?

– Az elméleti modell csak tiszta helyzetekre érvényes, autópályákra, körgyűrűkre. A sávváltás, a közlekedési lámpák már bezavarnak. De az amerikai és a német autópályákat modellező számítógépi algoritmusokban ma már figyelembe veszik az időkésést, ezzel pedig jelentősen javult előrejelzési pontosságuk. Emiatt vezették be azt is több helyen, hogy a kamionok csak a szélső sávban mehetnek, ezzel csökkent a fantomdugók kialakulásának valószínűsége.

 A számítógép sokkal gyorsabb, nem 6 tized másodperc lesz a késés, csak egy század. A radar, a lézer mér, a processzor számol, és a kocsi „magától” fékez, vált sávot. Tudjuk, hogy az autósok nagy része már azt sem szereti, ha nem ő vált sebességet és nem ő fékez, de lehet, hogy ehhez is hozzászokunk majd. Az ilyen rendszerek késése annyival kisebb, hogy ez jelentősen csökkentheti a követési távolságot, ezzel a légellenállást, a fogyasztást. De ez a fantomdugó jelenség ugyanúgy lejátszódhat, ha valahol átszalad az úton egy kutya. Ha kisebb a követési távolság, nagyobbak lehetnek a dinamikai problémák, a balesetek is.

– Ha minden autó „figyeli” az összes többit, az megoldás lehet?

– Felmerül ez az elképzelés is. Ne csak a közvetlenül előttünk lévőt figyeljük, hanem tegyünk adókat a kocsikra és mindenki figyeljen mindenkit. Volt tanítványom, Orosz Gábor ezen dolgozik az amerikai Michigan egyetemen. De még a processzorok kicsiny időkésése is szétverheti a rendszert: nagyon fontos, hogy milyen késéssel és honnan jön információ. Bizonyos egymást „keresztező” információs kapcsolatok is destabilizálhatják a rendszert. Ezt az egész teóriát ma szokás késleltetett hálózatok elméletének is nevezni.

– A robotika is a kutatási területei közé tartozik.

– Ehhez kapcsolódó szép téma az érintés, az erőszabályozás. Az, hogy egy robot mozogjon a térben, például fessen, ma már megoldott feladat a kereskedelmi robotok számára. De ha valamit meg kell fogni, érinteni, akkor gond lehet. Nem véletlen, hogy nincsenek ablaktisztító robotok. Ha nem nyomjuk elég erősen a rongyot, akkor koszos marad az üveg, ha túl erősen, akkor betörik. Van egy optimális erő, amivel nyomni kell a felületet. Nem tudunk olyan tökéletes erőszabályozású robotot építeni, ami bármilyen körülmények között meg tud érinteni akár egy puha, akár egy kemény tárgyat úgy, ahogy az ember csinálja. Remélem, néhány év múlva már a tapintások elméletéhez tartozó területen is tudunk átütő megoldásokról beszámolni.

– Több nemzetközi és hazai kitüntetés méltó birtokosa, beszélgetésünk egyik aktualitását a Príma díj adja. Mit jelentenek az elismerések az Ön számára?

– Fontos számomra, hogy az elismerések közül sok jött külföldről. Novemberben Houstonban az amerikai gépészmérnökök dinamikai díját kaptam meg. Eddig jellemzően amerikaiak kapták, olyan egyetemek képviselői, mint a Cornell, CalTech, MIT vagy a Princeton. És most ott szerepel a BME is. Az egészben ez a legjobb, mert azt gondolom, ez a következő generációknak erőt fog adni. Látni fogják, hogy itthon is lehet nemzetközi szintű tudományt csinálni; a magyar mérnökök a tudomány világában ma is öregbítik hazánk hagyományosan jó hírét.

 TRUPKA ZOLTÁN

2016/1