未來機動性

汽車自發(fā)明以來已經(jīng)改變了整個人類的生活，特別是使人們的活動半徑獲得了極大的提高，一百多年來汽車為人類的移動出行提供了無限的空間。隨著信息化和智能化的發(fā)展，人們正在改變汽車，正在重新發(fā)明汽車，特別是為未來的機動性，重新設(shè)計汽車。本文總結(jié)了德國智能互聯(lián)技術(shù)改變?nèi)祟悪C動性方面提供了參考。

1 充分發(fā)揮自動駕駛優(yōu)勢，為應(yīng)對未來機動挑戰(zhàn)提供解決方案[1]

即使經(jīng)過120多年機動化，道路交通中的機動性還是面臨許多挑戰(zhàn)?？墒撬坪跤斜匾诩夹g(shù)上開辟新天地。如今許多地方已有的交通基礎(chǔ)設(shè)施非常擁擠，導(dǎo)致時間延遲，交通能源效率低以及經(jīng)濟成本下降。尋找停車位和擁堵不僅造成可避免的排放問題，而且僅在德國每年估計造成經(jīng)濟損失250億歐元。此外，不斷增長的電子商務(wù)將導(dǎo)致貨運量的增加。

城市中，公共交通業(yè)務(wù)無疑是個人流動性不可或缺的基石之一。由于經(jīng)濟原因，大部分人不常使用出租車，新的移動出行服務(wù)如汽車共享，只允許擁有有效駕駛執(zhí)照，剛在市場建立起來，其中一些移動服務(wù)在德國是不合法的，即使它們只提供經(jīng)濟實惠的出租車替代品服務(wù)。自動駕駛技術(shù)可以幫助到那些諸多挑戰(zhàn)。表格1中對應(yīng)VDI定義描述自動水平差別。

表1 自動駕駛級別[1]

文中FIGURE 1給出了信息處理鏈的示意圖。傳感器提供數(shù)據(jù)，這是描述駕駛狀況和交通狀況的基礎(chǔ)。

FIGURE 1 Information process chain of automated driving functions compared to the human[1]

自動化駕駛所帶來的挑戰(zhàn)非常復(fù)雜，可以用5個層次來說明。文中FIGURE 3示出自動駕駛過程中，從5個層級模型描繪出人因素與其它自動化等級如何相互交融一塊。

迎接以上所描述的的挑戰(zhàn)作為未來移動出行繼任者似乎有必要建立德國電移動出行國家層面戰(zhàn)略平臺。從技術(shù)層面既要有創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計理念又要有網(wǎng)絡(luò)手段。

2 公交車自主駕駛[2]

由于客運各種法律障礙，德國全國范圍內(nèi)的自主或自動駕駛目前不可行。然而，在非公共交通領(lǐng)域，今天已經(jīng)可以想到各種應(yīng)用。對于物流公司、公共交通站點和集裝箱碼頭，操作程序的部分自動化為成本優(yōu)化提供了機遇。

服務(wù)回來之后，公交車準備下一次當?shù)毓步煌ㄕ军c派遣。停歇在站點需要做的工作有小維修檢查，特別是車輛的加油、清洗。據(jù)在一家公交車站點調(diào)查，擁有大量公交車，大量運輸和調(diào)配擺放工作量可以通過自動駕駛得到釋放而且降低人工成本。使用標準技術(shù)確保公交車即可在站點也可在后來的公共道路自主駕駛。

Figure 1 Top view of the depot Stuttgart Galsburg with marking of the automatable operating sequences[2]

文中圖1斯圖加特公交站點地圖示出認同的9個運行步驟。站點自主駕駛是自動駕駛首批步驟之一，因為駕駛區(qū)域受到限制而且免受交通規(guī)則限制。雖然車輛遵守公共道路運輸?shù)囊话憬煌ǚㄒ?guī)，但由路人或其他道路使用者引起的許多不可預(yù)見的情況被消除。由于處于封閉區(qū)域，不合格人員，例如行人或玩耍孩子不會成為問題。已確定斯圖加特-蓋斯堡站點作為自動駕駛示范點。為全市公交車總站提供市區(qū)公交車。表2示出9個運行過程所需平均時間。

表2 9個運行過程評價時間[2]

為了確保自動駕駛的功能不受限于站點，該系統(tǒng)基于自主車輛標準技術(shù)而且與場地外的正常道路基礎(chǔ)設(shè)施兼容。為公交車配備GPS、攝像機、雷達和超聲系統(tǒng)可以解決有關(guān)加速、制動和轉(zhuǎn)向方面的挑戰(zhàn)。標準車輛已經(jīng)包括用于位置檢測、車道保持助力和安全距離警告?zhèn)鞲衅鳎▓D2）。

圖2 用交通紅綠燈標識停車道次[2]

自主公交車點提供巨大經(jīng)濟潛能。每天斯圖加特蓋斯堡服務(wù)總站面對150臺公交車輛，每年如果采用自主駕駛可以節(jié)省人工成本10萬歐元。比節(jié)省人工成本更重要的是增加運輸產(chǎn)能。另外自動駕駛能夠減少由于碰撞而引起的小的損傷。用于控制車輛的傳感器和作動器已經(jīng)足以應(yīng)對運作站點并為自動駕駛提供基礎(chǔ)。

3 開發(fā)數(shù)字世界中的移動出行[3]

汽車在上個世紀改變了世界，對其發(fā)展產(chǎn)生了決定性影響。今天世界的變化正在引起汽車業(yè)及其應(yīng)用發(fā)生重大變化。

車輛互聯(lián)和智能化正在高速向前發(fā)展。它們將使輔助系統(tǒng)能夠有助于提高車輛安全性，舒適性和運行效率。自主駕駛會改變用戶對車輛期望并生成車輛使用新的商業(yè)模式。能源部分的變化以及減少局部排放需求將提升汽車越來越多電氣化。這些改變的邊界條件需要整體的車輛開發(fā)方法。子系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)就是了解整車及其作為一個系統(tǒng)的環(huán)境，與其造型和人-機接口一起勾勒出一臺車輛特性。主要子系統(tǒng)如動力傳動系、熱管理、底盤、電氣系統(tǒng)以及車身和內(nèi)飾必須滿足結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計要求之外還要與車輛用戶要求相匹配（文中圖1）。在早期開發(fā)過程中，需要使用虛擬樣機模擬預(yù)先設(shè)定好影響車輛屬性，并在實際車輛操作短開發(fā)環(huán)路中經(jīng)受試驗和驗證。在封閉環(huán)路中再使用現(xiàn)實試驗中的結(jié)果作為模擬和車輛模擬器試驗和子系統(tǒng)開發(fā)輸入。動力系統(tǒng)與車輛開發(fā)鏈接允許利用先前未使用的潛力。

以合作方式完成對車輛衍生品或整車的開發(fā)。在使用前后一致的模擬環(huán)境下特別強調(diào)系統(tǒng)功能平面布置。車輛制造廠家正面臨把多種推進系統(tǒng)集成到它們產(chǎn)品系列中并具有可接受的制造復(fù)雜度的挑戰(zhàn)。從市場角度，每次車輛推進系統(tǒng)本身構(gòu)架須具有競爭力。一方面對于諸如高壓電池，動力系和位于車輛地板下排放系統(tǒng)位置發(fā)生任何折中都會影響車輛屬性，另外一方面影響到車輛車身結(jié)構(gòu)協(xié)同效果。動力系熱系統(tǒng)以及車輛內(nèi)飾也是整車重要一環(huán)。未來移動出行存在許多可能性，其特點即體現(xiàn)在動力系統(tǒng)解決方案的多樣性以及互聯(lián)性。為用戶提供全方位解決方案變的越來越復(fù)雜而且要求車輛開發(fā)采用新方法。通過虛擬早期功能相互作用和車輛用戶主觀感知來優(yōu)化整個子系統(tǒng)。由于內(nèi)燃機技術(shù)不斷進步，有可能假設(shè)未來由內(nèi)燃機驅(qū)動的車輛不再對空氣質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。這樣就為所有推進系統(tǒng)之間打開新的競爭之路。從長遠角度來看還會繼續(xù)聚焦CO2排放問題。合成燃料為內(nèi)燃機打開新的一扇窗。

圖1 基于對車輛系統(tǒng)理解的車輛開發(fā)[3]

為了開發(fā)和驗證，駕駛員輔助系統(tǒng)和自主駕駛要求大量場景。將來通過采用混合實際和虛擬開發(fā)環(huán)境獲取完美開發(fā)成果。

4 從安全助力功能到遠見和強化安全移動出行設(shè)計理念[4]

未來人們移動出行會基于不同運輸模式組合，自主駕駛車輛將會發(fā)揮重要作用。而在農(nóng)村地區(qū)，車輛主要還是由駕駛員操作和私人擁有，城市個人移動出行聚焦在用戶可按需求定購的自主駕駛車輛上。這些無人駕駛車輛將由中央車隊管理系統(tǒng)管控。它們不再由私人擁有，而是由移動提供商運營。

圖1 未來城區(qū)內(nèi)無人駕駛機器人出租車[4]

只有當車輛能夠檢測和詮釋其周圍環(huán)境時，才能實現(xiàn)自動駕駛。由此車輛須配備環(huán)境傳感系統(tǒng)例如相機雷達或激光。如果一個傳感器檢測出障礙物，首先使用相關(guān)職能系統(tǒng)，有必要詮釋該信息。環(huán)境檢測和詮釋領(lǐng)域正是需要做大量工作的地方。檢測，詮釋和安全反應(yīng)要求計算能力。某些情況需要采用新技術(shù)和新方法例如人工智能。目前由司機承擔的所有動作和監(jiān)控職責將來須車輛本身承擔來確保所有駕駛條件下其自身安全和可靠運行。如果司機使用該系統(tǒng)感覺安全，司機就會接受自動駕駛。

因為這些機器人出租車將完全取締駕駛員作用。這樣就會增大確保車輛和其周圍生態(tài)系統(tǒng)通常由司機所能承擔的責任技術(shù)挑戰(zhàn)內(nèi)容。這些遠遠超出了實際的駕駛?cè)蝿?wù)。我們已經(jīng)研究了道路狀況檢測問題，這是確保自主駕駛汽車安全運行的基本要求。如果世界主要城市街道到處出現(xiàn)自主機器人出租車迷人風景，這樣的模塊將只是模塊和技術(shù)解決方案的完整系統(tǒng)的一個組成部分。Continental公司正在與知名大學合作開發(fā)多種形態(tài)自動駕駛系統(tǒng)并最終實現(xiàn)其解決方案的工業(yè)化進程（文中圖1）。總之，很清楚一點自動駕駛對全球汽車供應(yīng)商行業(yè)的主要參與者的創(chuàng)新能力提出了很高要求。Continental公司意識到其在這方面的責任，并積極應(yīng)對挑戰(zhàn)。通過這樣做，我們正在為未來提供智能和可持續(xù)的移動出行鋪平道路，同時為保持個人移動出行吸引力作出重大貢獻。

5 激光雷達是自動駕駛和自主駕駛的關(guān)鍵技術(shù)[5]

雖然專家普遍認為，未來的汽車將會實現(xiàn)自動駕駛和自主駕駛，但問題何時和這類汽車如何看待當天的亮點依然是汽車行業(yè)的一個爭論點。然而，像法雷奧這樣的供應(yīng)商正在準備第一批產(chǎn)品。汽車制造廠家認為利用激光雷達識別環(huán)境是朝向高和全自動駕駛方向行進的關(guān)鍵因素。普遍共識是，除了攝像頭和雷達（以及近距離超聲波）系統(tǒng)之外，自動化水平3和更高層次也需要激光雷達。專家同意這一評估，估計到2026年激光雷達傳感器市場將增長到25億美元。

通過推出Scala激光掃描儀，法雷奧公司向高度全自動駕車輛邁出一大步。它是世界上首臺符合汽車行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，開發(fā)和制造工藝、驗證及成本方面嚴格要求的3-D激光掃描儀。

2010年Valeo公司開始開發(fā)激光掃描儀（圖1），其目標就是為大型汽車生產(chǎn)開發(fā)傳感器，公司與激光雷達專家Ibeo簽署專有合作協(xié)議。聯(lián)合開發(fā)活動的目標就是創(chuàng)建一個寬泛檢測范圍、高分辨率和大視野系統(tǒng)。

圖1 使用激光雷達測量方法的激光掃描儀[5]

在產(chǎn)品設(shè)計方面，主要挑戰(zhàn)是確?？梢苿硬考谡麄€工作溫度范圍（-40至+850C）內(nèi)以及車輛常規(guī)震動情況下所需機械精度。即使是旋轉(zhuǎn)鏡垂直角上出現(xiàn)最小錯誤，在50、100或甚至200 m距離處物體測量點生成可測偏差。傳感器以905 nm頻率發(fā)射肉眼看不到的紅外線激光束，按照DINEN60825-1認證為等級1激光。這就意味著激光掃描儀對人眼是安全的。根據(jù)這樣一個等級分類，通過組合光束的功率和持續(xù)時間，意味著短光脈沖可以具有比不間斷激光束更高的發(fā)射功率而且決定所需的最大光能量。

甚至產(chǎn)品引入市場前，Valeo公司開始對系統(tǒng)進行優(yōu)化改進工作。到2020年，Valeo公司計劃將系統(tǒng)推向系列成熟，這不僅包括捕捉車輛前方區(qū)域的激光雷達傳感器，而且還包括整合來自幾個激光傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生整車3600無死角。

為了確保順利運行，激光雷達傳感器前面板在冬天須沒有任何灰塵和污垢，或雪。這就是為什么法雷奧公司開發(fā)了用于激光雷達傳感器的Everview清潔系統(tǒng)以及用于傳感器盤的專用加熱系統(tǒng)。清潔系統(tǒng)配有一個帶有多個噴嘴的小型伸縮臂，可根據(jù)需要自動啟動，使傳感器免受灰塵、泥土、雪和其它污染。這個傳感器清潔系統(tǒng)到2020年實現(xiàn)成熟量產(chǎn)并由德國汽車制造廠家使用。

6 未來移動出行[6]

今天主流移動出行設(shè)計理念依然基于20世紀30年代所制定的未來愿景。未來模塊化移動出行解決方案可能會廢黜汽車成為主要交通方式。汽車行業(yè)目前正在努力將自己定位為移動服務(wù)提供商。

移動主要聚焦在地理移動，意味著大多數(shù)人被迫遷移，某種意義柔性化不要被綁在一個地方，大多數(shù)情況是從19世紀工業(yè)革命開始出現(xiàn)批量有限半徑遷移，移動出行意味著去工作、交易度假或與家人團聚。自Carl Benz和Gottlieb Daimler發(fā)明轎車，為人們創(chuàng)造新的可能性。當時轎車廣泛被認為是柔性化和個性化自由象征。

如果開發(fā)出一個新的移動出行愿景，它將包括以下內(nèi)容：一個現(xiàn)代化的高速火車網(wǎng)絡(luò)，智能基礎(chǔ)設(shè)施，自動駕駛車輛以及城市中心低成本公共交通運輸協(xié)調(diào)系統(tǒng)，特別是地鐵系統(tǒng)。

未來，客戶和用戶將參與開發(fā)移動出行解決方案的業(yè)務(wù)模型。消費者越多地使用這些解決方案，它們就越能滿足他們的需要。在某些方面，汽車行業(yè)目前可以比作傳統(tǒng)電視。它提供幾個觀眾沒有任何影響的節(jié)目。然而，未來的汽車行業(yè)可能與互動互聯(lián)網(wǎng)或邀請用戶定制設(shè)置的視頻游戲更加相似，但也允許它們主動影響或改變鏈接內(nèi)容。用戶對軟件應(yīng)用做出貢獻，這為人們提供無限創(chuàng)新空間。這意味著，借助機器學習，他們正在訓(xùn)練它們的系統(tǒng)檢測現(xiàn)實世界物品。乘客運輸全球市場價值十萬億美元。這意味著充分利用人工智能，繪制物理世界的公司，最低故障率、受益良多。其創(chuàng)新潛能也許大于任何其它行業(yè)。