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未来交通走过了怎样的发展历程?

智能交通技术 | 智能交通前沿科技 2020/01/14 09:03

导 语

近几年,关于未来交通的思索,一直为行业内外津津乐道,但未来交通并非空中楼阁,它的发展要基于当前的技术发展状况。因此,回顾相关交通技术的发展历程十分必要。那么, 与未来交通相关的技术有哪些?又 走过了怎样的发展历程呢? 今天,我们请公安部道路交通安全研究中心特约专家、交通工程师郭敏为大家介绍。

我在 几年前看到“未来交通”这个名词时,就在思索它究竟是什么的问题。未来交通是一个引人瞩目的名词,很多相关介绍往往会围绕技术或通讯方面展开,但是有这样一句话——“现在就是过去的未来”,就是说,现在的技术实际上都源于过去,那么, 未来交通会怎么样,一定也是基于现在的情况 。虽然技术一直在进步,但其服务目标却一直都没变,比如安全、效率、公平和舒适,至少在可以想见的将来不会改变。因此,我在思考未来交通时,一直在思考什么会变,什么不会变。今天就把这些思考分享给大家,共同探讨。

早期交通技术发展状况

讨论未来交通时,还是要先了解目前各种交通技术的发展历史。

20世纪30年代关于未来交通的设想

图1是1939年美国通用汽车公司一则涉及无人驾驶的广告,图中四个人在行驶的汽车里打牌,却没有人驾驶车辆,这就是当时设想的一种未来交通模式。 图1的道路上有一排引导车辆行驶的“ 黑点 ”, 20世纪70、80年代发明的地磁和一些嵌入路面的设备,正是源于这一思路。 在20世纪90年代刚刚兴起的 车路协同系统 IVHS )中也可以看到这些概念。 也就是说, 20世纪30年代就已出现了很多今天正在应用的交通技术思路,过去 和未来一直是有承继关系的

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图1:1939年美国通用汽车公司的一幅广告

20世纪70年代:最早的导航系统与交通管理中心

20世纪70年代,出现了图2上的 驾驶人与辅助信息导航系统 ,同样是由美国通用汽车公司研发。 我们所熟悉的GPS是20世纪60年代美国军方研发的全球卫星定位系统,一直到20世纪80年代末才在全球部署完成,也就是说,在20世纪70年代这一系统尚未普及。 那时驾驶人的困扰 是找不到路 为解决该困扰,美国通用汽车公司在道路上放置了很多地磁,通过电报编码跟车辆进行简单通信,驾驶人通过地磁位置和简单电报通信编码就能够知道车辆位置。 除此以外,驾驶人还可以知道车辆在该位置的车速是多少。 这个 驾驶人信息与辅助导航系统就解决了我们现在所说的旅行者信息问题 。该 系统得到了美国国防部研究计划局(DARPA)的关注,因为美国国防部研究计划局 (DARPA) 一直想做一些与自动驾驶有关的事情,后来也确实推动了自动驾驶的发展。

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图2:美国通用汽车公司研发的驾驶人辅助信息与导航系统

如图3所示,20世纪70年代 出现了第一批交通管理中心(TMC) 虽然在今天看来这是很常见、自然而然的,但在当时, 理和控制是分散的, 还没有像“建立交通管理中心”这样有一套完整构架的做法。 随着工业技术,尤其是微电子技术和检测技术的发展,对交通现场流量、密度、速度等数据的获取与分析,加上交通工程技术,如通行能力手册、交通流技术等发展,使得建立交通管理中心(TMC)具备了一定基础。 交通管理中心 要到20世纪90年代才 在美国大面积推广

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图3:第一批交通安全控制中心

图4是最早的民用GPS,单价3000美元,非常昂贵;图5是最早的民用导航,出现于1998年,地图非常简陋,价格却十分昂贵,单价400美元,而现在手机导航app都是免费的。

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图4:最早的民用GPS(1989)

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图5:最早的民用导航(1998)

20世纪80年代:“普罗米修斯计划”、电子车牌与无人驾驶车辆

20世纪80年代,一些交通技术得到了很大发展,其中不得不提欧洲的“普罗米修斯计划”。“普罗米修斯计划”所做的主要可以概括为图6中的十项工作。具体来说, 这一计划首先是针对车辆的 ,未来交通跟车辆密切相关,陆地交通的发展离不开车辆技术发展,所以计划的前四点(CED1-CED4)都是车辆方面的工作;其次 还着眼于对人的救援 ;最后是 商用车的管理 ,这实际上涉及到经济效率的问题。“普罗米修斯计划”取得了一些成绩,尤其在无人驾驶方面成就突出。

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图6:欧洲“普罗米修斯 计划

电子车牌(ENP)和现在流行的ETC也在这一时期开始启用 ,其中 ETC最早是在香港开始启用 。香港的做法是在地面埋设地磁,车辆上安装电子车牌作为通讯设备,二者能够进行通讯,实现通讯后就可以同步实现扣费或者进行交易等功能。其实,该技术在20世纪70年代就已初步成熟,20世纪80年代已开始商用。需要注意的是,该技术与新加坡在1998年大力推广的电子道路收费(ERP)是一脉相承的。

这一时期, 美国国防部研究计划局(DARPA)研发出了一种无人驾驶车辆 。这一研发主要出于军事运输目的,想要使无人驾驶车辆承担在战场上运输伤员或物资的作用(见图7)。 这可以说是无人驾驶车辆的先驱 ,其中很多设计思路沿用至今。

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图7:DARPA研发的无人驾驶车辆

除了研发无人驾驶车辆, 美国还做了很多针对未来交通的研究 ,也提出了一些较为重要的设想和观点,例如高级交通管理系统(ATMS)、高级旅行者信息系统(ATIS)、商用车运营(CVO)、先进的车辆控制系统(AVCS)、先进的公共交通系统(APTS)和先进的农村运输系统(ARTS)。这些系统在后来的ITS体系框架里都可以看到。

在1984年, 洛杉矶建成了第一个现代意义上的交通管理中心(TMC) ,集成了车辆检测器、闭路电视和协调信号定时,对后世影响很大。

20世纪90年代交通技术发展状况

两个重要法案

20世纪90年代出现了两个重要法案: 《多模式地面运输效率法案》 (Inter-modal Surface Transportation Efficiency Act,ISTEA)和 《21世纪运输平等法案》 (Transportation Equity Act for the 21st Century,TEA-21)。之所以强调这两个法案的重要性,是因为未来交通的发展状况实际上与现行政策密切相关,政策在其中起到的是领头作用,一旦政策出了问题,后续很多环节,如投资、技术等,都会出问题。

1991年,美国总统老布什签署《多模式地面运输效率法案》(ISTEA),提出建立车路协同系统(IVHS)的计划,投资总额为6.6亿美元,计划时间为6年。1998年的《21世纪运输平等法案》(TEA-21)则进一步追加了投资。

在《多模式地面运输效率法案》(ISTEA)制订之时,美国学术界、工程界不少人士认为,要让车辆和道路形成关联、互相通信,这样可以把未来交通做的更好。而后又发现, 地面交通不仅是车辆和道路的关系 还涉及到行人和其他运输方式 ,如公交车、商用车等,其涵盖范围远比车路关系更丰富。当然,高铁、飞机之类不在地面交通之列。因此,车路协同系统IVHS后来被更名为ITS,ITS是IVHS思想的进一步发展,我国引进相关技术基本上也是从ITS开始,但对其前身IVHS接触不多。我国最近几年,“ 车路协同 ”这个名词被大家当作新概念重新提起,实际上它早就存在。

那么,ITS指的究竟是什么?ITS官网给出了较为清晰的定义: ITS是通过将先进的通信技术集成到交通基础设施和车辆中来提高运输安全性、移动性,并提高生产力 。简单地说,ITS就是减少事故和时间浪费,从而带来效益。其中涉及很多方面,如数据如何准确及时交换,如何让政府、政策、资金、流程得到有效实施,以及如何形成良好的公私合作。良好的公私合作是其中很重要的一个方面。 未来交通一定要基于公私合作 。公共部门所做的事情非常有限,但是作用很大,因为其负责的都是基础性工作。真正的ITS一定是在私营组织或者民营企业,例如车商就是ITS的重要基础之一,如果车商技术水平不高,很难做好ITS。ITS还要求实现公共机构和私营组织之间的数据共享,例如,从2014年开始逐渐火热的MasS就是以数据共享为基础的。

图8是对《多模式地面运输效率法案》(ISTEA)6.6亿美元投资的效益评估(2009),据其显示,大部分收益来自旅行者信息系统,每年约可带来5.43亿美元的收入。

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图8:效益评估

《多模式地面运输效率法案》(ISTEA)还专门提到了自动公路系统(AHS),这个自动公路系统(AHS)实际上已经在连续流的公路上实现了无人驾驶,相当于现行无人驾驶等级标准的level-2级别,当时大概有12个车商和部分高校参与了这个项目。现在一些技术,如导航等,都与自动公路系统(AHS)的很多技术有一定关联性。

TravTek项目和DSRC技术

20世纪90年代还出现了哪些对现在有影响的技术或项目呢? 首先是 TravTek项目 (1992),由AAA基金会和佛罗里达州交通运输部合作完成,图9是其设计的导航系统界面,现在看来非常简陋。

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图9:TravTek项目的导航界面

其次是 申请为专用短程通信技术( DSRC 分配频段 专用短程通信技术( DSRC 是日后的车联网、联网车辆和C-ITS里非常重要的一项技术,意图解决车路通信问题。 专用短程通信技术( DSRC 源于WIFI,其优势在于时延短、抗自然灾害能力强、稳定性良好,缺点是相比WIFI而言,传输效率不高。

值得一提的是,在 类似 专用短程通信技术( DSRC 这样的 技术出现之前,车路通信问题一直是业界的困扰。 前面讲到的地磁、电报编码 通信,都不能形成良好的应用效果,因此,如何实现车路协同曾是一个很热门的话题。 不过, 专用短程通信技术( DSRC 等出现之后 车路协同得以实现 ,因此, 国际上的主流研究已不再关注车路协同 ,而转向人因理论、车辆作为终端的商业价值、共享和高效低成本运输等议题。如今,实现 车路协同的许多技术已颇为成熟,在我国 再次提起 车路协同,重点应是补足这块拼图的产业发展。

21世纪初交通技术发展状况

社会发展带动交通技术发展

2000年出现了大面积持有移动手机的社会现象,WIFI技术也开始随之大面积推广,同时,社交网络出现、以iphone为代表的智能手机兴起、地图商用化,这些均代表着整个社会的发展,也奠定了20世纪前十年交通技术快速发展的基础。

新的规定与法案的出台

这一时期,美国高速公路管理局( NHTSA 专用短程通信技术( DSRC )中 一些应用了V2V和V2I安全通信系统的技术做了规定,包括对分配到的频带资源里各个信道使用提出建议,制定传输和接受信息的标准化规定等。 为什么是 美国高速公路管理局( NHTSA 去做规定? 因为根据美国法律的规定, 美国高速公路管理局( NHTSA 主管与车辆安全相关的所有设备和元器件。

2005年还有一个延续《21世纪运输平等法案》(TEA-21)的法案,即《安全、负责、灵活、高效运输公平法》(Safe, Accountable, Flexible, Efficient Transportation Equity Act: A Legacy forUsers,SAFETEA-LU),总投资5000多亿美元,用于更新全美的旧桥梁和旧道路。

DARPA 大奖赛的连续举办

DARPA大奖赛也是这一时期的重要事件。美国国防部研究计划局(DARPA)在2004年举办了第一届DARPA大奖赛,向全美征集无人驾驶车辆,要求无人驾驶车辆在崎岖沙漠地区的一条全程142英里的道路上独立行驶。为什么选择沙漠地区?因为这样能够排除行人、自行车等人为因素的干扰。第一届比赛没有一辆车跑完全程,最好成绩是135英里;2005年举办了第二届,添加了排位赛, 排位赛要求车辆通过设有不同类型障碍物的一段道路, 最后跑完142英里全程的大概只有七家,冠军是斯坦福大学,亚军是卡内基梅隆大学;2007年举办了第三届,卡内基梅隆大学夺冠。 这三届大奖赛实际上奠定了现在无人驾驶的很多技术 ,比如红外扫描技术,在那时就已应用于一些参赛车辆。此外,参赛车辆上均应用了自动驾驶地图。

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图10: DARPA大奖赛

新一代911系统

美国的新一代911系统(Next-Generation 911)也出现于2000年。 这个系统很重要,因为涉及到公共服务,这正是我国目前急需要做的一件事情。新一代911系统 (Next-Generation 911) 能够很快定位报警者位置,知道伤情并派出相应援助。2005年, 美国高速公路管理局( NHTSA) 和美国国家电信与信息管理局成立了国家911计划办公室,利用新一代911系统接入各种联网设备的911呼叫,以更快速度向接入人和公众提供更准确的信息,能够接入文本、图像、视频和数据并有强大的共享数据和资源能力,形成更有效的应急响应和指挥(见图11、12)。

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图11:新一代911系统图解

新知图谱, 未来交通走过了怎样的发展历程? 图12:新一代911系统工作实景

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