50年前的“电子高速公路”:一公里成本12万美元 | 技术史

  • Vicky
  • 发表于: 2016/08/16 08:01:45 来源:车云网

尽管“电子高速公路”的想法太过昂贵已经被放弃,但前瞻者们闪光的点子对如今自动驾驶技术的发展弥足珍贵。

车云按:1969年7月,IEEE上发表了一篇叫做《电子高速公路》的论文,论文作者是俄亥俄州立大学的两名工程师:Robert E. Fenton和Karl W. Olson,当时他们的研究课题是"在主要高速公路上让车辆实现自动驾驶"。近50年过去了,但这篇论文最显著的特点就是描述了过去和现在之间极多的相似性。IEEE Spectrum作者Evan Ackerman撰文对这篇论文进行了精彩解读,车云菌编译如下。

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当然,Fenton和Olson提出的具体解决方案现在看来是有些过时,但他们讨论的问题和所预见的未来,与当前对无人驾驶汽车的讨论有很多共同之处。下面我们将通过一些文章的摘录,看看这半个世纪以来,自动驾驶技术有哪些「变」与「不变」。

注:想了解更多智能交通的历史,可以阅读参考报道《智能交通要从何处入手?先来看看百年前的案例》

阅读这些摘录时,请记住这篇文章发表于1969年。从80年代起,可以说十年就已经代表了遥远的未来:

审视一下当下的交通状况:拥挤的道路、大量的事故和死亡人数、性能过剩的汽车,这一切都表明我们需要改进现在的公路系统。而更惨的是,交通状况在接下来的十年里会变得更糟糕。据预测,相比1960年,美国1980年的车辆注册总数将增加62%,车辆行驶里程将增加75%。如果有人能放眼未来至2000年,他会看到庞大的超级城市,居民收入富足、寿命更长,因此也就有了更多的闲暇时间。所以很容易预测到人们旅行的次数会大大增加。除非事先做出一些变革,否则由此产生的交通状况会非常混乱。

很明显,这些交通问题不是说依靠建设更多更宽的公路就能简单解决的,而且还要考虑到资金和土地成本的问题。虽然已经涌现很多替代方案,比如高速表面轨道交通,是一种高速电动气垫式表面交通系统,不过大多数公众不会只满足于城际交通、甚至邻里交通等这类公共交通形式。目前已经普及的私家车这种个人交通形式就可以很简单的证明以上观点。由于能够给乘客提供更好的机动性、隐私和自由,个人交通这种角色的存在自然理所应当。可以肯定,这种能影响到他们生活空间格局的自由是不会被舍弃的。

虽然我不知道现在爆棚增长的出行量是因为上文中提到的充足收入或休闲时间这种理由,但越来越多的人上班通勤距离越来越长这个原因绝对没错。首先,关于我们用车时间越长,车辆自主性就越重要这个观点,作者肯定是正确的。不过同时,私人汽车所有权和使用权正在开始被分散式服务所替代,车辆自主化也使其成为可能。文中提到的“高速电动气垫式表面交通系统”看着还是很有趣的,听起来感觉似乎是他们预言了Hyperloop超级高铁。

在这种情况下,让人满意的解决方案是单个车辆自动化,其可行性经过了很多研究人员的检验。该方案不仅保留了个人交通单元,在改善公路容量和安全方面,以及减轻司机负担方面应该也都会带来相当大的进步。然而,这个目标的实现需要有极其庞大的各类必要系统来支撑,可能有1296个之多,而且控制这些系统必须非常小心,才可能让最终的结果是最优或接近最优水平。

本文在描述时用到了“双模式系统”的概念。简单来说就是车辆(当然是经过特殊改装的)具有两种驾驶模式:在常规道路上由人驾驶的模式和在自动驾驶公路上由机器控制的模式。

作者提出的这种系统,是那个年代对自动驾驶系统想法的典型代表,主要特点是严重依赖高速公路的相关基础设施。高速公路的环境定义完善且高度结构化,对自动驾驶汽车目前而言是最好的执行环境,也是最具价值的应用场所。这篇1969年文章的作者倒没有关心在其他类型的道路上如何自动驾驶,因为他们觉得考虑到实现难度和成本问题,实在不值得。短期内,高速路段自动驾驶也是很多项目的发力点。

然而,基于高速公路本身特质的高速路段自动驾驶技术很难推广。如果说通过翻修所有交通基础设施达到目的,别的不考虑,首先花费可不便宜。即使按1969年的物价标准计算,实现成本都很高:

一辆车安装所有的必要设备预计差不多几百美元即可,主要是对车辆集成电路进行改进和扩展。在计算机和高速路传感器上的总投资平均到每车道上,大约一公里的成本在1.2万~12万美金之间,这取决于所选的系统形式和未来的技术发展。

这个投资可以获得两个重要回报:极大增强高速公路车道的通行能力同时减少交通事故的数量。一方面,车道的通行能力预计可提升至800%,当然,这也跟所选的系统设计有关;另一方面,交通事故会减少的预期则是因为和人类驾驶者相比,电子系统反应速度更快,稳定性也更高的事实。

circa 1969——自动转向系统使用的感应线圈(资料来源:俄亥俄州立大学)circa 1969——自动转向系统使用的感应线圈(资料来源:俄亥俄州立大学)

有趣的是,Fenton和Olson感觉像是更重视交通运力的提高而不是安全。这和现在大多数自动驾驶项目的研发目的是相反的。很可能是因为效率的优势需要相当多的自动驾驶车辆一起工作时才会显现。他们选择用昂贵的电子高速公路和便宜的自动化车辆配合工作来实现这一点。而我们现在的方案是在哑巴一样的高速公路上,每辆车依靠自身系统实现自动驾驶。很明显,前者的方案更容易实现。

至于车辆本身,“不久的将来”将能提供比内燃机更好的动力系统,作者是这样畅想的:

在不久的将来,虽然汽车很可能还是内燃机驱动,但可能也会出现类似直流电机、燃气轮机、蒸汽机、直线感应电动机这些实用可行的动力解决方案。最终的选择可能是由空气污染、化石燃料的可持续性等类似因素决定的。

关于电动汽车的使用有一个很具吸引力的可能性:当在普通公路上行驶时,汽车所需电能全部依靠车载电池;而在电子公路上时,汽车就能完全依靠外部供电。此时,电量的供给可以通过延伸至外部的探测器收集,电量的管控则通过简单地控制功率流即可。

1969年论文中的原图,就提出了铺设能够实现无线充电的高速公路(资料来源:俄亥俄州立大学)1969年论文中的原图,就提出了铺设能够实现无线充电的高速公路(资料来源:俄亥俄州立大学)

作者描述的这种在高速公路行驶时收集电能,在周围其他地方时使用电池的电动汽车目前正在瑞典进行测试

这篇1969年的文章还考虑到了现阶段自动驾驶技术发展面临的另一个重要问题:在无人驾驶汽车里,人类应该扮演一个什么样的角色?

有一个经常被提到重要的问题:司机操控汽车的权限比系统高多少算合适。如果司机可以这样做,就会导致系统的随机性大大增加,不管是从安全性还是从系统效率的角度来看,这种设定都不受欢迎。

消费者和自动驾驶汽车之间该保持怎样的关系,直到现在依然是一个非常棘手的问题:除非你能100%保证系统的可靠性,要不然就必须保留人类司机的操控权限。但如何确保人类的警觉性,在必要时能够及时接管车辆?特斯拉提醒司机需要将手保持在方向盘上,如果你一直忽略它,系统将逐步降低车速。而谷歌甚至直接不信任人类,所以它的自动汽车根本就没有方向盘。

这篇1969年的文章作者倒是提出了一个略有差异的观点,他们担心人类司机那“不受欢迎的随机性”,预示着终有一天,路上最危险的汽车是人类操控的那一辆。

还需要一个与中央车站相连的通信系统,这样就形成了一幅完整的实时交通状况图。 

将自动驾驶汽车与通信系统相连,允许车辆间相互通信(和中央协调系统通信)将能使我们做到各种各样令人激动的事情,比如车流优化、合作路线规划,甚至未来交叉路口不再需要红绿灯。

关于自动驾驶汽车的可行性似乎没什么问题。然而,在一个令人满意的自动驾驶系统诞生前,还需要在研究和开发上付出大量的努力。钻研的方向不仅涉及到车辆控制领域的研究,还需要对现在人车间的复杂关系进行深入细致的调查。因为这一领域的知识积累对以后控制系统组件的合理规范和介绍都非常必要。而且还需要对密集型总体系统进行研究,以便在前车时间间距控制、并道和变道等各种状况下均能做出最优决策。另外,还要研究电子高速公路与未来其他模式交通系统间的接口问题。

作者的结论不管是在1969年还是现在来看都是非常具有前瞻性的。当高速公路自动化被视为只是通向完全自动化的其中一步,而且还不一定能独立完成时,重心就已经有所改变。伴随着技术的发展,现在已经可以做到将自动驾驶所需的所有传感器和计算机都安装在车上,而不必再依赖外部基础设施。这使得交通方式过渡到自动驾驶汽车变得更加简单。部分原因是因为它是由市场不断激励进步,而不是政府。 

但同时,我也非常感激作者在昂贵的电子高速公路方面的独特视角,这样能使普通司机开着相对廉价的汽车,也能享受到自动驾驶的好处。比如在华盛顿,如果现有汽车的技术改造成本较低,然后环城公路上再单独增加一些自动驾驶的基础设施,就能极大改善数量庞大的人群每天的通勤体验。虽然这已经不是我们目前技术的发展轨迹了,但是回顾一下过去,想想如果我们当时选择了不同的道路,现在会发生什么,不也是蛮有趣的嘛~

(本文是车云「翻译官成长计划」作品,原文来自IEEE Spectrum,编译/Vicky)

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