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“智能路网”,下一个风口?

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  • 更新时间:2020-11-19

今天,我们来聊一聊“智能路网(或“智能公路、“自动化公路系统、“电子化高速公路、“智能交通系统等)。


为什么会聊“智能路网


因为这与“自动驾驶”密切相关,更是在“自动驾驶被提出初期的50、60年代被认为是基本所在。



全文目录:


智能路网的一些基本概念

1939年通用的“未来世界

黄金时代与电子化高速公路

自动化高速公路的衰亡

各国新“智能路网”的尝试

对中国来说,是风口吗?




01


智能路网的一些基本概念



所谓的“智能路网” (或“智能公路”、“自动化公路系统”、“电子化高速公路”、“智能交通系统”等),是通过交通资讯信息的收集和传递,实现对车流在时间和空间上的引导、分流。旨在避免公路堵塞,加强公路用户的安全,以减少交通事故的发生。并改善了高速公路交通运输环境,使车辆和司乘人员在高速公路上安全、快速、畅通、舒适地运行。


“智能路网”在消费者层面往往不太得到关注,这就和过去消费者很少会去关注高速公路的建设一样,“智能路网”不是一种个人投资项目,而是国家层面的公共设施基础建设,但是“智能路网”恰恰是“自动驾驶”的重要组成部分。为什么这样说,我们接下来就来看看其发展的历史。


02


1939年通用的“未来世界


早在1939年,通用汽车公司的市场部人士就设想出了第一代无人驾驶汽车,并在世界博览会上公之于众。


通用汽车的“未来世界”以美国的一个典型城镇为背景,构建了未来现代化后的沙盘模型。参观者凭借移动座椅的便利,随着椅子移动欣赏这个迷你世界的动人景色。迷你的城市、农场、郊外,甚至还有一个小机场,接连从参观者的眼前滑过,而将一切这些建筑连接起来的是宛若绸带穿行于其间的自动化高速公路。在18分钟的浏览过程中,参观者还能听到一段解说录音,描述着这个未来世界的幸福生活。并预计到1960年时它将使驾驶出行可以解放双手,解放双脚。


“未来世界”的解说词为人们描绘了1960年的生活:


普通人也可以享受便利的出行,所依托的就是在自动化高速公路上行驶的借助一套无线电控制系统管理的汽车。按照解说的设想,仅仅在据当时21年后的未来世界,人类驾驶员就都会变成休闲的乘客,这都要感谢通用汽车公司研发出的创新汽车。无线电控制的汽车会自行引导驶进驶出自动化的公路,既安全舒适又经济便利,将人们从家里送到公司、机场,或者任何人们想去的地方。




其实,只要知道通用汽车的“未来世界”并非由工程师构思设计,而是由舞美设计师出身、工业设计界的传奇人物诺尔曼·贝尔·盖迪斯(Norman Bel Geddes)设计出来的,对于最后的这个结局也就不足为怪了。贝尔·盖迪斯之所以为人所知,就在于他尤其擅长营造魔幻电影中的场景布置,对鸡尾酒调制器、台灯、收音机等日常物品进行未来化诠释。


在那次博览会之后,贝尔·盖迪斯写了一本叫作《魔法高速公路》(Magic Motorways)的书,讲的是如何将这种精心设计的高速公路变成现实。他认为1939年展出的“未来世界”之所以能备受大众追捧,就在于人们渴望汽车带来的隐私性和出行便利,但又吝于为此付出的代价:


成千上万的人排队等着乘坐汽车,但也因此承受各种烦恼——每天忙着从一个地方赶往另一个地方,拥堵的路口、堵塞的窄道、危险的夜间驾驶、烦人的警笛、鸣叫的喇叭、闪烁的交通灯、误导人的路标以及令人气愤的交通规则。人们震惊于每天频发的交通事故及其造成的伤亡,所以渴望能有个明智的解决之道,让他们摆脱这种近乎于盲目自杀的混乱行为。


03


黄金时代与电子化高速公路


对于汽车和电子化高速公路的发展,20世纪五六十年代都是一个黄金时代。伴随着二战后的经济繁荣,成千上万的人购买了他们的第一辆车。根据美国的人口普查的数据显示,截至20世纪50年代末,大多数美国家庭都至少拥有一辆汽车。


为了鼓励汽车运输业的发展,1956年联邦政府通过了《联邦高速公路法案》(Federal Highway Act of 1956),开启了持续数十年的公路疯狂建设,并最终让美国各个城市、郊区以及乡村的格局面貌焕然一新。随着购车用户数量的急速上涨,数百万驾驶员奔向了这个国家新建的各个道路和高速公路。随着数万英里的道路铺设,横跨东西海岸的州际公路系统的完善,美国的汽车文化就这样诞生了。



美国无线电公司(Radio Corporation of America, RCA)是20世纪50年代电子工业创新的发源地,通用汽车公司遂与之合作研发电子化高速公路。美国无线电公司雇用了当时著名的发明家弗拉基米尔·兹沃雷金(Vladimir Zworykin)——阴极射线管及自动化解决方案的开拓者,由其研发信号灯的管控系统。兹沃雷金很早就意识到高速增大的交通密度和公路上飞速奔驰的汽车会带来负面影响,因此他提出的新方法是要将驾驶员从驾驶的机械重复性任务中解脱出来。


在与通用汽车的工程师团队合作之后,兹沃雷金的专家团队将设计自动化高速公路的难题拆解为三个子问题。正如兹沃雷金所言:任何汽车控制系统都(必须)得知道公路上每辆车的具体位置信息。这就意味着需要车辆拥有某种侦测手段。第二个必备条件就是每辆车都必须清楚地知道自己及周边汽车的位置。通常车辆是尾随前进的,因此这就需要在车辆之间或车辆与道路之间建立某种沟通手段。第三步就是要汽车的自动控制系统能针对接收到的信息作出回应。


经过几年的研究,两组团队拼凑出来一个他们称之为“电子化高速公路”的创意解决方案(尽管以今天的标准而言,还是略显粗糙)。他们结合了无线电技术、电子电路以及基于历史悠久的电磁学理论而创建的逻辑门电路。1958年,他们完成了“电子化高速公路”的一次最全面的展示,在内布拉斯加州林肯市郊区一条400英尺长、专门改造过的高速公路上,装有俏丽垂直尾翼和双摄前大灯的两辆1958年款雪佛兰参与了测试。


凭借内布拉斯加州道路管理局的大力支持,通用汽车和美国无线电公司的研究团队组装出一套原始的车辆侦测与引导系统,可以实现在两个主轴方向上对汽车移动的控制:横向维度,将车辆稳定在车道界线内部;纵向维度,将车辆与前后其他车辆保持一定的安全距离。两年后,利用同样的方式,他们又在新泽西州建立了另一条电子化高速公路的测试跑道,但这次是为通用汽车专门定制的,最终成功实现了车辆的自动启动、加速、转向与停止,全程没有人工直接参与。



1960年,新泽西州普林斯顿市政府发表了一篇激动人心的新闻稿,对促成“电子化高速公路”的技术进行了解读说明。


车辆侦测系统可以实现前后车辆自动维持安全距离的功能,并在道路前方出现障碍物或停泊车辆时自动停止车辆向前行驶。引导系统则需在行车道的中心铺设一条连续延长的电缆。


汽车前端装有两个用于距离引导的电磁线圈,负责拾取电缆中的信号电流。只要汽车的行进方向偏离车道中心线,一侧的信号强度就会强于另一侧,并产生差异信号提示,这个提示既然可以通过闪光或声音提醒驾驶员,也可以自动地引导方向盘调整。


车辆侦测系统是各种复杂电子设备的综合。这个系统必须实现基础设施之间的信息通信,这涉及晶体管、无线电发射器以及灯光。为了创建这一侦测系统,美国无线电公司的工程师首先在道路中铺设一系列矩形电线回路,这些矩形回路的长度比汽车车长略短,一个个矩形回路之间首尾相接,覆盖整条测试道路。每当车辆行驶经过一个矩形回路,就会向埋在道路中的晶体管侦测设备发送一个特殊的信号。


当车辆快速驶过这一系列矩形回路时,反馈信号就会流入由所有侦测器组成的一个网络里。这一系列连续的动作信号会点亮道路边缘的一串照明灯,形成一种电子化飞行尾翼的感觉,进而起到警示附近其他车辆的效果。从理论上讲,人类驾驶员能够清楚地看到无人驾驶车辆的位置就是缘于两侧路灯的照明。其实,也并不需要人去注意,这些信号就会以无线电的形式传播给附近的控制塔,然后由控制塔自动地以无线电指示的方式传递给附近的前后车辆,提醒它们通过刹车或加速来调整与这辆车之间的距离。


当时,对于通用汽车和美国无线电公司的这套粗糙的原型系统,人们的乐观情绪高涨。普林斯顿市政府甚至发表了一篇通讯稿,热情豪迈地认为在未来的某一天,这一套电子化高速公路的发明将使得未来的出行者可以在周末出游时坐在车中打桥牌或睡一觉。然而除去公众的热情反馈,通用汽车的电子化高速公路方案并没有真正实施起来。


也许是受到先前成功的鼓舞,通用汽车公司在1964年的纽约世界博览会上再次作出了无人驾驶汽车的尝试,而那里正是25年前1939年未来世界大放光彩的地方。通用汽车在广告中这样宣传他们的概念车火鸟:


某一天,一家人驾车行驶在超级公路上时,可以将车辆的控制权交给一套自动程序化的引导系统,人们随后就能尽情享受旅程的舒适和绝对的安全,并以今天高速公路上汽车的两倍速度前往目的地。尽管火鸟有着吸引人的柔美线条和单峰垂直尾翼,它还是成为了通用汽车在无人驾驶汽车领域投入几十年后的绝唱。



纵观20世纪六七十年代,利用通用汽车和美国无线电公司的基础系统——电缆、金属传感器和磁场感应器的组合,其他研究者继续针对自动化高速公路做了些改进升级。20世纪60年代,美国俄亥俄州成为了汽车工程领域的前沿研发中心,在当时尤其以自动化车辆引导和控制的研究为人所熟知。同一时期,英国交通道路研究实验室(Transport and Road Research Laboratory)测试了一辆雪铁龙DS款改造的无人驾驶汽车,区别在于只是将引导线路嵌在测试跑道的表面。


直到20世纪70年代末,大多数无人驾驶汽车的研究也还都没有将重心放在小型汽车上。后来,研究者将精力投入到无人驾驶汽车的另一细分领域中——自动化大众运输工具(automated peoples movers,APMs),而这一套方案在今天的一些大型机场(希思罗机场、肯尼迪机场)中已经得以应用。电子化高速公路的时代也随之终结。


04


自动化高速公路的衰亡


自动化高速公路的美梦最终破灭的主要原因之一就是成本。安装必备的电缆和路边控制系统是一项耗资巨大却又见效缓慢的工程,装配一条短小的测试跑道所需的成本还算合理,但是对于美国或欧洲那些横跨各州的浩大公路网系统而言,方案就显得不切实际了。即使在20世纪60年代,政府划拨了大量的公路建设预算,但考虑到埋设线缆、晶体管以及其他电子设备组成的这一套脆弱的基础设施,想要装配并维护数万英里州际公路的成本也太过高昂了。


在1969年发表的一篇文章中,俄亥俄州的研究者罗伯特·芬顿(Robert Fenton)和卡尔·奥尔森(Carl Olson)就提出每一英里基于计算机和传感器搭建的高速公路,需要投入的总成本在2万到20万美元之间。电子高速公路不仅成本太高,而且当时可用的电子技术和计算机技术都还太粗糙。尽管芬顿和奥尔森都是自动化高速公路的拥趸和专家,但是他们也不得不承认即使经过了数年的紧密研究和快速发展,目前仍无法完全罗列出实现该方案所需的系统元件,因为还缺少关键性的技术知识。


不考虑成本和技术因素,致使身处黄金时代的自动化高速公路项目最后走向终结的另一个原因,是汽车行业失去了最初的理想主义。汽车行业曾经吸引了很多大胆创新的设计师和大量专业技术人员,但随着自身的发展壮大,它不得不面对这样一个事实——汽车不再是新鲜事物了。汽车和高速公路已经成为每天生活的实用工具。


此外,还有一个尚未解决的难题就是安全问题。在过去几十年中,美国联邦交通运输机构筹资成立的大部分研究所都致力于发展车对车通信系统(vehicle-to-vehicle,V2V)与车与基础设施(vehicle-to-infrastructure,V2I)。从广义上来说,车对外界的信息交换(vehicle-to-everything,V2X)越来越趋向指V2V与V2I计划。


美国联邦交通运输机构关于V2X的倡议,目标在于创建无线交通基础设施网,连接每辆汽车。它们通过路边传输器共享数据,从而减少事故,挽救生命。V2X研究利用的是由联邦运输委员会(FCC)监管的专用短程通信技术网络(DSRC)的部分储备带宽。负责V2X计划的机构是美国交通运输部的一个主管部门——美国高速公路安全协会(NHTSA)。


早在20世纪80年代,信息技术重塑了整个工业格局。1986年,为了解决美国日益增长的交通和汽车尾气问题,加州交通局联手加州大学,共同探索信息通信技术在汽车与高速公路的应用,帮助人们提升驾驶效率。这次合作最终促成了一个名为先进技术与高速公路(Program on Advanced Technology and Highways,PATH)的全国项目。很快地,加州交通局与该项目人员意识到没有联邦的支持,没有大型汽车企业的广泛参与,他们很可能徒劳无功。


然而PATH的利益相关者没有气馁,主持了好几个专题会议,并持续推广。由于不堪忍受美国史上最糟糕的交通堵塞和城市空气的煎熬,1988年,来自联邦政府、多个州的政府机构、工业界和多所高校组成一个特别工作小组,名为移动2000(Mobility 2000)。该小组游说美国交通运输局尽快成立正式的联邦项目办公室,出台法律规章,促进先进技术应用,提升全国高速公路与道路的安全性与效率。到了20世纪90年代初期,为了促进智能车辆和公路系统(intelligent vehicle and highway systems, IVHS)的发展,美国交通运输局终于成立了正式的联邦项目办公室。


到了1994年,此项目的资金已经全部到位。联邦公路管理局此时需要交通专家团队参与进来,逐步设计、建造出自动高速公路的运行模型。这一年年末,美国交通运输局组建了拥有120名成员的国家自动化公速公路系统联盟(National Automated Highway System Consortium),来落实自动化高速公路系统的发展战略与最终切实可行的模型。发展至此,繁冗复杂的联邦项目管理体系终于形成,其中的各种机构、工作小组和团体数量之多,足以媲美以复杂著称的欧洲皇室家族族谱。


高高在上的联盟成员排起队来,迫不及待要把资金收入囊中,另一边还有各大汽车技术巨头在等着:霍尼韦尔(Honeywell)、通用汽车(GM)、福特汽车公司(Ford)、PATH、德科电子(Delco Electronics)、卡内基·梅隆大学等等。


经过三年的艰辛付出与汽车、交通行家的努力,美国交通运输局终于成功定义和创造出全自动化汽车-高速公路系统(Fully Automated Vehicle-Highway System),吸引了数千万的研究经费。为了展示其在过去三年内的研究成果,联盟在加州圣地亚哥北部举行了一场名为Demo 97的活动,并邀请国会官员、政客和企业高层试驾原型车辆。


Demo 97活动在15号洲际公路延长段举行。七天下来,观众看到了各式各样的汽车展示。每一种展示都以多种方式呈现出自动驾驶系统是如何实现车道保持与纵向控制(车与车之间适当的前后距离)。目的在于告诉人们,尽管没有人手控制方向盘、手动挡,没有用脚踩刹车和油门,自动驾驶车辆也能自主掌握方向,加速和刹车。


观众发出阵阵惊叹。道路磁铁系统的应用让人回想起通用公司和美国无线电公司几十年前做的实验。加州大学PATH项目组展示了由8辆1997年版的别克LeSabre轿车组成的车队,车子紧凑地排成一列纵队前进(车辆结队),这样驾驶可以有效节省汽油。本田公司展示了两款样车,配备了先进的敏捷操控辅助系统,能够在人和车之间转换驾驶方向(向前或向后),启用传感器自动变换车道,灵活避开路障。丰田公司给大家展示了激光传感系统怎样工作,在遇到路障、盲点和变换车道时,系统会发出警示提醒司机。


一切都按计划顺利进行,车辆的表现无可指摘。但这次活动依旧有主要有两个问题:当时的无人导航驾驶技术还不够成熟,不足以保障安全;展示中的自动高速公路系统仍然需要配置昂贵的专门基础设施。


这次活动不经意间葬送了自动高速公路系统的前途。Demo 97之后,人们认为自动驾驶的想法不切实际。过了些时候,公众开始发现联盟的成果实际上几乎没有得出实际的结论和技术突破。于是美国交通运输局不再为自动化高速公路筹集科研资金,他们当时的想法在今天依然得到认同,即把司机辅助系统的科研技术当作扶持重点,而不是研究如何取代司机。


目前,全美尚未建立起统一的V2X技术数据传输标准。缺乏公认的国家级数据标准可能导致V2X汽车仅限于当地城市、所在州道路传感器之间交互信息。大部分的驾驶路线都会经过不同的城市和州界,基于这一客观事实,地区之间不同的V2X数据标准极大限制了这种全国性基础设施的实用性。事实上,这还没有算上复杂多变的人为因素。V2X的研究具有典型的脱离时代的特征,人类司机自始至终都需要在其中扮演关键的角色。


最后,像所有的点到点(peer to peer,P2P)无线网络一样,V2X系统对防御黑客入侵、系统干扰和诈骗等风险能力极其微弱。软件行业再三汲取的深刻教训是,任何分散型通信机制都无力抵御黑客入侵和破坏的风险。任何制造系统都存在漏洞和不到位之处。无论有多少专家学者、工程师团队参与设计,研制出的交互系统多么万无一失,总会有些防不胜防的人。V2X基础设施一天内需要顺利完成上百万辆个人轿车之间的上千次交互,而黑客入侵系统只需要一次得手便能大肆破坏。


05


各国新“智能路网的尝试


虽然 “智能路网”在最初的先行国(美国)混得实在是不好,而且成本与网络安全的问题,在目前看来都难以解决。但是似乎全世界仍然认为“智能路网”将是公路的“未来形态”,所以,发达国家全都在默默地进行小规模的尝试,让我们看看他们都有点什么尝试!


瑞典欧洲E4公路


瑞典开通了最智能的一段公路——欧洲E4公路处于瑞典北部城市Pite和 Lule之间的路段。这一智能公路安装了太阳能传感器,可以对行驶车辆作出路面结冰、事故拥堵和其他危险情况的预警。


瑞典研究人员在一段4公里的E4公路上安装了400个信息发布装置,这些装置利用无线网络为驾驶员提供信息。如果该项目获得成功,将会用于创造商业价值。智能公路的传感器连接在沥青与胶合剂铺成的路面,利用太阳能电池工作,每个装置包括灯、信息处理器、储存器、感应器和信息交换器。该装置的显示灯可变换颜色,提前几百米就可对结冰路面和危险情况作出警示。


日本智能公路


在日本,作为一个使ITS应用系统结合为整体的平台,信息技术与道路交通的结合正在使日本普通的路面向“智能公路”转变,智能公路从2003年开始出现在日本的几个地区。日本智能公路的目标是将道路交通事故减少50%,同时有效地缓解交通拥堵,并减少对环境的污染。



英国智能高速公路


英国高速管理局2017年向公众展示了将在未来10年建造的智能高速公路。这种公路配有太阳能交通标识灯、道路监测传感器、随时待命的清障车和电子信息提示牌等设施,可大大改善公路的运行状况。


一种被称为“猫眼”的太阳能路面标识灯将在这种公路上广泛使用。它可有效吸收太阳能,即使阴天也可以获得足够的能量供夜间使用,照射距离比目前使用的标识灯远10倍,驾驶者在0.8公里外即可看到。


这种公路的路面下还设有传感器。为保持路况良好,传感器可持续监测道路承受的应力和压力情况,并将几分钟前测得的数据传达到计算机控制中心,一旦路面出现缺陷可尽快修复。另外这种公路还配有由高技术装备探寻车,可以每小时80公里的速度在高速公路和公路干线上收集路况信息;发生交通事故时,随时待命的清障车几分钟内即可将损毁车辆拖走;如出事地点离清障车较远,人们还可用设在路边的紧急电话报警。公路主干道上还设有电子信息牌。在无法看到前方路况的情况下,电子信息牌可及时通报前方道路情况;遇到交通拥挤时还可提示离得最近的火车站,以便驾驶者能转乘火车尽快到达目的地。




荷兰智能高速公路


在2012年10月荷兰设计周的活动中智能公路的概念被提出,该智能高速公路将采用最新的技术,这种公路将会更可持续、更安全以及更为直观。智能公路的创新设计概念包括:夜光公路、动力学漆、交互感应灯以及感应优先车道。


荷兰的公路还将在2013年涂上温度反应动态漆,这种漆可以在天冷路滑时让司机清晰地辨认出路面上哪里有冰。在这些未来陆路交通概念中,最大胆的设计是能让电动汽车司机边行驶,边为自己的车充电。另一项设计是在道路上安装节能灯,灯光可以随着车辆的接近渐渐变强,在车辆驶离后,灯光会自动熄灭。



06


对中国来说,是风口吗?


中国在“智能路网”方面的发展现状如何呢?我们先来看看近些年来的一些新闻:


2017 年9 月江西的宁都至定南高速公路智慧高速项目投入试运行,这条智慧高速的特点可以被总结为“智行”和“智感”……


2017年12月山东济南国内首段光伏高速公路南绕城高速正式通车。这条太阳能公路里程长、造价低、实用性强,设计荷载采用现行国家公路标准,且设计使用寿命、路用性能各项指标均高于现有沥青混凝土路面,可以说是集梦想与现实于一体的一段高科技公路……



2018年2月,交通运输部发布了《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》(以下简称“通知”),决定在北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南、广东九省(市),加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点……


2018年2月,华为发布了C-V2X芯片、6月发布了首款商用C-V2X RSU(路侧单元),构建了可商用的C-V2X解决方案,同时,6月份发布EI交通智能体使能聪明的道路、10月发布了移动数据中心MDC600使能自动驾驶……



2018年底,百度宣布在“百度 Apollo 媒体沟通会”上将正式开源 Apollo 车路协同方案,向业界开放百度 Apollo 在车路协同领域的技术和服务,让自动驾驶进入“聪明的车”与“智能的路”相互协同的新阶段,全面构筑“人-车-路”全域数据感知的智能路网……



目前浙江省也已经开始建设全国首条“超级高速公路”,预计2022 年杭州亚运会前通车。杭绍甬高速公路全长为161 公里,采用双向六车道高速公路标准,项目总投资约96.9 亿元2018年2月华为发布了C-V2X芯片、6月发布了首款商用C-V2X RSU(路侧单元),构建了可商用的C-V2X解决方案,同时,6月份发布EI交通智能体使能聪明的道路、10月发布了移动数据中心MDC600使能自动驾驶……


我们可以看到,中国的“智能路网”起步较晚,但这或许是一种幸运,让我们有了更多的“前车之鉴”,目前来看无论是华为提供的网络建设方案,还是百度提供的软件建设,都是一个不错的开头。然则,我们也知道,有些事情执行起来远比看起来复杂很多。


所以,我们所知的就是以下这些重点:




1. 国家很支持“智能路网”;
2. 国内的厂商很积极地在配合;
3. “智能路网”是一个潜在却很难入场的“风口”。




文献来源:

1. (美)胡迪·利普森(Hod Lipson);梅尔芭·库曼(Melba Kurman). “无人驾驶:人工智能将从颠覆驾驶开始,全面重构人类生活。”
2. 百度宣布Apollo车路协同开源方案:构筑智能路网
3. 车路网协同,智能交通的必由之路?中国道路运输网


本文转载于:微信公众号“中国公路”

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