自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)研究

孫明陽(yáng)

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛;智能汽車;模塊化設(shè)計(jì);安全模塊;3D打印技術(shù)

汽車隨著科技的日新月異已經(jīng)發(fā)展為智能化自動(dòng)駕駛新階段。尤其是近幾年，自動(dòng)駕駛汽車研發(fā)已經(jīng)從封閉實(shí)驗(yàn)階段轉(zhuǎn)為開(kāi)放試運(yùn)行階段。全球汽車企業(yè)及相關(guān)行業(yè)協(xié)同合作，加速了人類自動(dòng)駕駛汽車時(shí)代的來(lái)臨。

1自動(dòng)駕駛汽車及其模塊化設(shè)計(jì)分析

1.1自動(dòng)駕駛汽車及其模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展

在國(guó)外，自動(dòng)駕駛汽車（Autonomous vehicles;Self-drivingcar）是一種通過(guò)電腦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的智能汽車。根據(jù)史料將自動(dòng)駕駛汽車智能化發(fā)展大致分為三個(gè)階段：第一階段，實(shí)現(xiàn)性自動(dòng)駕駛（高度自動(dòng)化），第二階段，安全性自動(dòng)駕駛（零傷亡目標(biāo)），第三階段，體驗(yàn)性自動(dòng)駕駛（人機(jī)交互）。1981年9月，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)（cAAI）在長(zhǎng)沙成立，標(biāo)志這中國(guó)人工智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)正式開(kāi)始。截止1991年，中國(guó)汽車智能發(fā)展進(jìn)入借鑒摸索實(shí)踐階段。到2001年中國(guó)汽車智能制造基本實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。2011年，中國(guó)智能汽車領(lǐng)域已經(jīng)取得突破性發(fā)展，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟快速形成規(guī)?；?。2017年4月工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展改革委和科技部，三部委共同印發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》（工信部聯(lián)裝[2017]53號(hào)）指出：“到2020年，汽車DA（駕駛輔助）、PA（部分自動(dòng)駕駛）、CA（有條件自動(dòng)駕駛）系統(tǒng)新車裝配率超過(guò)50%，網(wǎng)聯(lián)式駕駛輔助系統(tǒng)裝配率達(dá)到10%，滿足智慧交通城市建設(shè)需求。到2025年，汽車DA、PA、CA新車裝配率達(dá)80%，其中PA、CA級(jí)新車裝配率達(dá)25%，完全自動(dòng)駕駛汽車開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)?！贬槍?duì)自動(dòng)駕駛汽車各個(gè)層面的研究正在如火如荼的展開(kāi)。從設(shè)計(jì)、制造的角度，模塊化自動(dòng)駕駛汽車成為一個(gè)選擇方向。綜上，自動(dòng)駕駛汽車的使用有兩種情境：一個(gè)是私有模式下的自動(dòng)駕駛汽車;另一種是公有共享模式下的自動(dòng)駕駛汽車。自動(dòng)駕駛汽車普及必將經(jīng)歷三個(gè)階段：第一階段是自動(dòng)駕駛汽車與傳統(tǒng)汽車試行階段;第二階段是自動(dòng)駕駛汽車與傳統(tǒng)汽車并行階段;第三階段是自動(dòng)駕駛汽車獨(dú)行階段。自動(dòng)駕駛汽車的車型變化同樣經(jīng)歷三個(gè)演變階段：第一個(gè)階段是單體車運(yùn)行;第二階段是合體車運(yùn)行;第三階段是復(fù)合體車運(yùn)行。

1.2自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)的特征

由于自動(dòng)駕駛汽車擺脫了人工親自駕駛操作的必須性，所以，自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)與汽車模塊化設(shè)計(jì)有顯著區(qū)別，如表1所示。基于模塊化汽車設(shè)計(jì)原理、方法的基礎(chǔ)上，模塊化自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展需堅(jiān)持兩個(gè)方向：一個(gè)是“極簡(jiǎn)主義”設(shè)計(jì)，外觀簡(jiǎn)約、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、部件減少。另一個(gè)是基于3D打印技術(shù)的整車打印和局部零部件打印。如Oiio采用模塊化設(shè)計(jì)理念2060或推出未來(lái)通勤車輛設(shè)計(jì)。

2自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)的原則及方法

2.1自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)原則

采用模塊化原理、方法設(shè)計(jì)汽車，制造汽車已經(jīng)成為可能。主要因?yàn)槠嚵悴考?gòu)成已經(jīng)從上萬(wàn)個(gè)發(fā)展為上百個(gè)，伴隨材料技術(shù)和制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）等最新科技的普及應(yīng)用，汽車構(gòu)成部件甚至更少。傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)以圍繞人工駕駛操作為主，包括外觀、內(nèi)飾、結(jié)構(gòu)等，所以車身外觀基本一致，并無(wú)大的改變。但是，自動(dòng)駕駛汽車擺脫了人工駕駛操作的必須性，因而整車設(shè)計(jì)應(yīng)該完全采用新的思維視角進(jìn)行思考。從設(shè)計(jì)到制造，結(jié)合用戶需求可知，自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)是一種發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)調(diào)查總結(jié)出自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)三原則：

第一，智能性原則。無(wú)論是載人自動(dòng)駕駛汽車還是非載人自動(dòng)駕駛汽車，汽車自動(dòng)化水平（或者說(shuō)智能化程度包括多感官參與下人機(jī)交互體驗(yàn)等）是汽車自動(dòng)化駕駛的本質(zhì)特征…。

第二，安全性原則。自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)安全模塊設(shè)計(jì)體現(xiàn)出來(lái)，尤其針對(duì)載人自動(dòng)駕駛汽車而言，“以人為本，生命第一”的設(shè)計(jì)原則是自動(dòng)駕駛汽車的核心內(nèi)容。

第三，可持續(xù)性原則。自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)保證汽車的標(biāo)準(zhǔn)化模塊可以不斷的替換更新。安全、環(huán)保的綠色材料是自動(dòng)駕駛汽車可持續(xù)設(shè)計(jì)的綠色保障。

2.2自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)方法

自動(dòng)駕駛汽車采取模塊化設(shè)計(jì)方法，包含兩個(gè)主要方面：第一，自動(dòng)駕駛汽車硬件的模塊化分解設(shè)計(jì);第二，自動(dòng)駕駛汽車軟件的模塊化通信設(shè)計(jì)。通過(guò)建立自動(dòng)駕駛汽車（產(chǎn)品）模塊庫(kù)將汽車進(jìn)行系統(tǒng)工程管理便于研發(fā)。

3自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)案例分析

3.1自動(dòng)駕駛汽車方艙模塊設(shè)計(jì)分析

翻檢模塊化自動(dòng)駕駛汽車相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)瑞士Rinspeed模塊化自動(dòng)駕駛概念車提供了一種可行性研究方向，即自動(dòng)駕駛汽車乘員方艙可以設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立單元模塊。該公司2018年推出Snap模塊化自動(dòng)駕駛車。該自動(dòng)駕駛車是一個(gè)自動(dòng)駕駛模塊化汽車，它由吊艙和底盤兩個(gè)主要模塊構(gòu)成。2019年升級(jí)改進(jìn)款的Microsnap自動(dòng)駕駛模塊化吊艙在尺寸上進(jìn)行了縮減，形成封閉艙體。據(jù)此，結(jié)合汽車設(shè)計(jì)發(fā)展史可知，乘員艙分開(kāi)獨(dú)立設(shè)計(jì)有其科學(xué)合理性，符合模塊設(shè)計(jì)思維。

3.2自動(dòng)駕駛汽車安全模塊設(shè)計(jì)分析

從2016年1月份的特斯拉致死案到2018年3月份優(yōu)步自動(dòng)駕駛汽車撞死行人，再到2018年5月份谷歌開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)駕駛項(xiàng)目Waymo自動(dòng)駕駛小型貨車在亞利桑那州錢德勒相撞，造成測(cè)試員輕傷一案，為自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)安全敲響了警鐘。通過(guò)實(shí)際案例得出，自動(dòng)駕駛汽車安全面臨考驗(yàn)。

在自動(dòng)駕駛汽車模塊設(shè)計(jì)上，應(yīng)該明顯區(qū)分載人自動(dòng)駕駛和無(wú)人自動(dòng)駕駛的安全模塊設(shè)計(jì)。載人自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)該增加頭部、膝部和腰部等安全防護(hù)模塊，保證乘員的安全。相反，無(wú)人自動(dòng)駕駛汽車則可以減少此類安全模塊設(shè)計(jì)的比重。其中，自動(dòng)駕駛汽車乘員范圍包括特殊群體如殘疾人、老年人等，所以，安全模塊設(shè)計(jì)十分必要。自動(dòng)駕駛汽車意外碰撞情況分析，一種是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中（行駛中）意外碰撞，另一種是靜止?fàn)顟B(tài)下（停車中）意外被動(dòng)碰撞。因此，前者方艙模塊和后者安全模塊設(shè)計(jì)的意義尤為重要，后者相對(duì)是非重點(diǎn)研究對(duì)象。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明：自動(dòng)駕駛模塊化汽車從用途角度，汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在兩個(gè)方面：第一，基于安全性的安全模塊;第二，基于實(shí)用性的功能模塊。OSVehicle自動(dòng)駕駛模塊化汽車Edit可以拆分的五個(gè)部分分別為：前臉、車尾、車頂和兩個(gè)對(duì)稱門。除了外觀之外，內(nèi)飾部分同樣可以進(jìn)行定制?；谏鲜鰧?shí)踐可以預(yù)測(cè)，車身分解模塊可以作為安全模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

此外，自動(dòng)駕駛汽車在不同環(huán)境模式下，應(yīng)該具備多功能變體模塊，以適應(yīng)多種環(huán)境變化需求。自然環(huán)境如氣候環(huán)境，地理環(huán)境等，人工環(huán)境如交通環(huán)境，空間環(huán)境等。根據(jù)用戶需求，提供更多的模塊選擇空間。

4結(jié)論

基于工業(yè)革命4.0背景下，文中簡(jiǎn)要回顧了自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)及自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，其次，分析了自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)的原則及方法，最后，針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的非人為操控危險(xiǎn)性，從功能角度提出了方艙模塊設(shè)計(jì)和安全模塊設(shè)計(jì)的必要性。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車是人類智能公交發(fā)展的必然趨勢(shì)。自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)能更好地滿足智能公交乃至智慧城市的發(fā)展需求，市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景廣大。最后，希望文中針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車模塊化設(shè)計(jì)的分析與展望對(duì)自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)嵺`提供新的思考方向，在宜人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，更加符合未來(lái)智能公交乃至智慧城市建設(shè)發(fā)展的需求。