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王飞跃:平行驾驶与平行交通——从智能出行到智慧城市

2018 全球人工智能与机器人峰会(CCF-GAIR)在深圳召开,峰会由中国计算机学会(CCF)主办,雷锋网、香港中文大学(深圳)承办,得到了宝安区政府的大力指导,是国内人工智能和机器人学术界、工业界及投资界三大领域的顶级交流盛会,旨在打造国内人工智能领域最具实力的跨界交流合作平台。在7月1日,峰会的智能驾驶专场上,自动驾驶的专家和业内人士们齐聚一堂,对自动驾驶的未来展开了深入的探讨。

自动驾驶能有今天的高速发展,是站在众多研究者的肩膀上的。他们多年孜孜不倦的努力,才让自动驾驶进入我们的生活成为可能。但是在自动驾驶真正来临之前,仍有许多技术难点需要攻克,学者们的洞见至关重要。在CCF-GAIR 2018 智能驾驶专场上,中科院自动化所复杂系统管理与控制国家重点实验室主任、中国自动化学会副理事长兼秘书长、青岛智能产业技术研究院院长王飞跃教授为到场嘉宾进行了题为“平行驾驶与平行交通:从智能出行到智慧城市”的大会报告,向大家阐述了平行驾驶的概念和智能交通的未来。

以下是演讲全文:

自动驾驶未来巨大的想象空间

从上世纪八十代中开始研发太空、月球、火星上的机器人、无人车、无人工厂,到90年代初研发矿山上的无人卡车、当地淬取采矿,再到90年代后期研究高速公路的无人车和智能驾驶,已经有30多年的时间,这使我对无人驾驶有了一些与众不同的想法。

中国的汽车增长空间是非常大的,而技术应用空间则更大, 因为发达国家几乎一人一车,我们才十几人一部车,可每千里车祸死亡人数却是别人的五倍。90年代末到2000年初,国外汽车的电子产品占汽车成本的15%以上,我们差不多只有1%,差距非常大,当然增长空间也非常大。从1991年开始的20年间,我经常参加CES,到了2014年,CES有了变为汽车展商的感觉,无人驾驶出现。到了2016年,就达到了高潮,现在越来越多的汽车制造商,特别是互联网系的智能车StartUp, 必来CES。印象最深就是那一年CES在停车场上空放的巨大汽球,上书"Vehicle Intelligence"二个大字上,“汽车智能”的概念从此风行。问题是,这个汽车智能怎么实现?从L0到L5? 我有不同的看法。

其实中国很早就有了答案。我小时路叫马路,历史上中国在马路上是领先的。秦始皇统一中国靠的是马路,他建造了世界上第一个高速公路网——“秦直道”,将从咸阳到成都的时间缩短到几十个小时。秦朝家族原来是给周天子养马的一个落后部落,最后靠马发展起来。我陪外国人去看秦始皇陵兵马俑的马车时,都会告诉他们,这就是我们2000年前的奔驰、宝马。

但是,现在我们落后了。当人有路权的时候,我们居住在山洞、树上。当马有路权的时候,我们开始有了村庄、乡镇。当车有了路权以后,才有了现在的大都市。将来,人开的车和无人车不会在道路上混合行驶。将来,非自动驾驶车辆要上路,可能会像现在的马需要关在车里上路一样,这些车需要装在无人驾驶大卡车上,才能上路。将来,只有在赛车场上才会出现有人驾驶的车。而且,就像今天只有有钱人才能拥有马一样,以后,只有有钱人才能自己驾驶汽车。

在马与车混行的时候,高速行驶的车会让马受惊,从而容易引发出事故。当时英国甚至还出现了“红旗法案”,限定了汽车的车速,并要求人在开车时要在车前摇着小红旗呼喊,提醒行人小心。无人车可以毎小时开200里以上,一般人却不行。当无人车与有人车在同一条道路行驶时,高速行驶的无人车可能会让人类司机受惊,就像当年马受惊一样。所以,就像马需要让出路权一样,人也要将路权让给无人车,这样出行才绿色、高效。而无人车出现之后,整个社会形态将会改变,出现智慧城市和智慧社会。以后的旅馆酒店将拥有无人房车、无人餐车,想睡哪里,想在哪吃,都可以。就像马和车的到来对社会产生的变化一样,无人车也将带来更大的变化。所以,大家一定要有这种更加开阔的思维,不要局限于所谓的“马粪”问题,否则对不起智能车,更对不起这个时代。

什么是"马粪"问题? 1894年,几乎全世界报纸的头版头条都报道过马粪这一重大的社会问题。当时,伦敦有几万匹马,纽约有几十万匹马,路上的马粪成了严重困扰。此外,马粪招来苍蝇,传染疾病,甚至有的马还死在路上。当时的"专家"预测,这样下去毎天路上要积好几英尺厚的马粪,将引发重大社会问题,必须严肃对待、研究对策。可惜,我们现在已经没有机会再面临这样的马粪问题,连马都下路了,何来马粪。我相信将来有人开的车也必须出路权,下路! 现在研究的许多无人车问题,到头来也是马粪之类的问题,许多问题不是自然消失,就是自然得到解决,这是我跟大家不一样的观点。

智能车辆研究第一阶段:自动驾驶

从智能控制开始,到空间的机器人,再到月球上的无人车,火星上的无人工厂,再到矿山上进行推土、装载的无人车,一直到路上开的无人汽车,我都自已经历过。显然,现在的无人车,还远未达到智能的程度,但这项技术仍十分具有前景。

这是当年我们研发的VISTA Car,后来,我们连GPS也不用,只使用摄像头和雷达,还不是今天的LiDAR。九十年代,我们是世界上唯一一个在美国51号州际高速公路上进行无人车演示的团队,当时无人车的时速是120公里。测试点就在今年3月18日Uber无人车发生致命事故的地方,那已经是20年前的事情了。最初这只是一个工程项目,对我们研究控制的人来说,这不是一个太难的问题,我们连PID都不需要,只用PD就足够了,最后就是简单的分段控制。

当时就认识到最大的问题就是环境感知的问题,可那时有些专家很不认可我的看法。几年之后,清华的李力成为了我门下的博士生,我便让他总结了这项研究并写一本书。2005年就完成了撰写,但因为当时对无人车感兴趣的人太少,市场太小,直到2007年才出版,但长期无人理。2015年在常熟举办第一届中国无人车大会,我才觉得该是这本书发挥作用的时候了,于是,在2016年,我们又把它翻译成中文出版。这是英文第一部无人车专著,书中提出的许多东西,现在还没有实现。

智能车辆研究第二阶段:平行驾驶

2005年,在西安召开的IEEE第一届汽车电子与安全(ICVES)大会上,我提出要研究一个"车内简单、车外复杂"的智能车代理控制与服务系统,这就是平行驾驶的开始。当时还没有云端的概念,但是这个系统中,要求软件定义的汽车和物理汽车同时行驶,我称之为“人工汽车”,主要用来进行描述、预测、引导,形成软硬四部车,今天合称为“四胞胎”,虚实互动,一起行进,这就是平行驾驶的概念。

中国智能车的集大成者是基金委的视听觉认知重大计划,这是最为抽象的一个项目。认知科学的立项,就用了近10年的时间进行论证。从90年代末开始,讨论文集都出版了,但始终没有立项。因为认知科学太抽象了,有专家担心巨额的资金投入最后只能换来几篇论文。最后,大家同意把相关的算法研究成果应用在了无人车上,展示识别的过程,以及视觉、听觉的其它应用。目前,听觉用得比较少,视觉用得比较多。这是国家基金委信息学部的第一个大项目,当时预算1.5个亿。

接着,2009年,IEEE又在西安召开智能汽车大会,我们将其打造成了一个智能车挑战赛(中国智能车未来挑战赛)。挑战赛至今已经连续举办了10年了,今天的主持人邓志东教授从一开始就参加了。这一赛事现在已经成为了国际上历史最久、规模最大、水平最高的无人驾驶赛事。此前,没有一个科研单位曾写出过如何测试、如何评价车辆智能水平的科学文章,而这个赛事已经产生出了三篇此类文章。

中国研究无人车的创业者,大部分都是从这一赛事中产生的。挑战赛的最初两届都在西安举行,第一届只有6部车参赛,人走的比车开的快,车速不及人步行的速度; 第二届就变成人跑的比车开得快,参赛车的车速不及人跑步的速度。在第二届挑战赛上,还增加了交通标志识别测试,当时没有一个车队通过测试。到了2011年、2012年,挑战赛在内蒙古举行,虽然当时无人车的车速已经很高了,但是水平还有待提高。从2013年开始,这一赛事就固定在常熟举办。

最大的变化是从2014年开始的,当年的赛事吸引了许多创业者、企业的目光。2015年,开始有人向我打听参赛车队中是否有人才可以跟他们一起创业。挑战赛按4S评判:安全(Safty)、舒适(Smoothness)、快速(Sharpness)、智能(Smartness)。参赛者还需要在城市环境、郊外环境、高速环境上进行测试。在这批初创公司中,我最熟悉的是慧拓和驭势。

平行驾驶理论的发展与应用

而我自己关注的就是平行驾驶,即软件定义的车和物理的无人车一起行驶。它们行驶在三个世界:物理世界、心理世界,加上虚拟世界或人工世界,所以要有“人工汽车”。当物理的车在物理世界中行驶时,人工车已经在另外的空间里行驶了。通过物理车与软件定义的车之间的交互能够产生数据和智能。车行驶的过程就是产生数据的过程,传感器产生的小数据传输到云端,云端定义的车再将小数据通过各种计算实验扩展成大数据,然后再通过智能算法将大数据转换成小智能,让行驶变得更安全、高效、舒服,提供更好的服务。这就是从小数据到大数据,再到小智能的过程,也是平行车和平行驾驶要达到的目标。

平行驾驶就是把有人车、遥控车、网联车和无人车统一起来的技术手段。平行学习是其中的一项核心技术,让无人车在虚拟空间和实体空间中同时学习。例如,传统上我们发生了事故,将获得知识,进而修改法规。这是物理世界吃一堑,人工世界长一智。平行驾驶把它反过来,要在虚拟世界吃一堑,但在物理世界长一智。这就是为什么无人车要通过计算实验的方式把小数据集成大数据,再把大数据转为小智能,这一过程的核心就是平行学习。

视觉也是平行的,在物理世界行驶之前,我们可以先让人工车在虚拟世界中行驶,如果没有达到理想的效果,就不能进入物理世界。因为物理世界是已经实现的人工世界,而人工世界就是还没实现的物理世界。我们应该有90%的时间是在虚拟空间测试的,另外10%才在物理空间测试。

此外,感知、规划也是平行的。网络也要对应平行网络,物理信号之外,还会有社会信号、精神信号,情感信号。以后人机因素将会变多,远端的人机因素,车内外的人机因素都要考虑。所以平行驾驶需要考虑“四胞胎”,是双双胞胎。

这“四胞胎”中除了物理世界中的物理汽车,还有人工世界中的人工汽车:

第一是描述车辆。软件定义的汽车,不再需要使用传统的汽车用户手册,三维可视的描述车与物理车通过无线传感网连在一起,不论开到哪里都可用于运维和监护。

第二是预测车辆。前方的道路是否会发生事故,是否拥堵,预测车辆都能提前预测。

第三是规划车辆或引导车辆。规划车辆会提供最高效、最节能的路线,引导物理车更好的方式出行。

2018年3月18号,平行驾驶系统3.0版进行演示,昨天,又汇同国际平行驾驶联盟在2018年的IEEE智能车大会上进行了3.1版的演示。

2005年,我国的世界汽车市场在全球看来还不大,现在,我们已经连续几年位居世界第一大汽车市场了。现在,我们有很多的汽车生产商和大量的汽车,让老百姓立刻换成无人车,可能性是非常小的,也不应该,这个过程至少要10年,我看20年也不长。

现在有许多真正需要无人车的场景,其中一个就是矿山。在美国,一些大的矿山都在比较偏远的地方,没有人愿意去工作,只能招到一些经验不足的工人,给他们极高的工资,缴纳高额的保险。

而矿山中使用的卡车又非常昂贵,一部就要上百万美元,一个大轮胎就要30多万美元,有的卡车轮胎价格甚至高达60万美元。采矿商一般是买不起这类车的,只能租用。因此他们希望能够充分发挥卡车的效率,而这就要求驾驶员有丰富的经验。可是,挣到一些钱后,经验丰富的人往往不愿意再从事这份工作。

而愿意从事这份工作的员工,第一年的效率只能达到30%,培养一年后能达到70%,第三年能达到90%。但这些员工第二年认为自己有钱后,就不想继续了这份工作了。因此,矿场就只能不停地招人。所以他们就开始了自动化,但可惜我们当年那个无人矿山项目刚完成就遇到了世界范围的铜价大跌,最后也就没有派上用场。

但是铜矿并不是唯一需要自动化的地方,现在中国的矿山缺乏工人,因此,这项技术可以应用到矿山上去。将来,可以让软件定义的矿山与软件定义的大卡车,跟物理的矿山和物理的汽车一起运营,安全、可靠、保险、高效。

慧拓与中国最大的矿山卡车公司徐工合作,同时也进入了物流领域,给东风提供平行物流的应用,这都是十分有前景的方向。

物流、矿山这些场景有三合一的特色,即平常的运维、监控、应急三合一,非常适合应用平行驾驶。

此外,平行的概念也可以应用到自动驾驶的测试中。平行测试,能够让车虚拟空间吃一堑,在物理空间长一智。基金委设立了一个相关的重大项目,刚刚结题,已被评为优秀。

其中最重要的部分是虚拟测试。慧拓与吉利汽车在宁波的测试基地合作,其中,有1000多亩试车场是虚实结合的,目的是提高效益。

中国的无人车走到今天并不容易,前两天在常熟召开的IEEE IV大会,将无人车领域历史最悠久、规模最大的会议,又推向了一个历史高峰,有上千人参加。

在2002年的时候,原本确定中国是 IV 2006的主办国,但到了2003年,当时日本提出异议,认为中国的汽车市场规模较小,当地人对无人车、智能车大会不会感兴趣,建议大会移植日本召开,动议大会委员重新进行了投票,最终决定不在中国开。作为补偿,特给中国开设一个新的会议——VES,VES是汽车电子安全的会议。

2005年,在IEEE召开的技术理事会(TAB)上,人们还认为通用汽车不进入中国的原因是中国没有汽车市场。其实2005年时,中国市场已经达到了不错的规模,但这就是国外对中国汽车市场的认识。

一直到2009年,IV大会才到中国举办,今年是中国第二次举办。此次参会的每个外国人都认为大会办得非常成功,从来没有见过这么大的规模。此次大会的论文投稿数、参会人数、注册的人数都是历届最多。明年大会要在巴黎开,法国人表示有很大的压力。

这次会上,我们也与加拿大、美国、瑞典、英国,以及中国的一些学校联合成立了平行驾驶国际联盟,进行数据共享,要使数据共享成为主流。“马粪问题”虽然可以研究,但不应该大规模研究。另外,国际汽车工程学会提出自动驾驶的分类,就像当年养马协会、马车协会提出马车的分类一样,不管什么类最终都会被淘汰。未来人类驾驶员也会让出路权,就驾驶而言,我更相信机器自动化技术可靠。

平行交通与智慧城市

目前交通正在走向交通5.0。最初,交通5.0是指城市交通、公共交通、静态交通、物流交通,以及社会交通一体化。但后来IEEE专委会讨论认为,应该从以前的机械化、电气化,信息化、网络化,进入到平行化,平行化就是智能化的技术途径。智能只是一个概念,如何实现虚实互动的平行智能,是我们需要思考的问题。

平行交通,是我们最早开始切入点,即软件定义的交通系统,人工交通系统与物理交通系统合二为一。这一系统平常可以用来进行训练、培训,还可以进行实验与评估。例如产生一个人工交通事故,通过观察这个人工交通事故的传播与影响,我们可以制定相应预防和解决措施。

在修路之前,我们也可以先在系统上修一条人工路,进行计算实验,观察道路的通行效果、最佳位置。而不是按照现在的经济利益,拍脑袋决定。也不是让人工交通逼近实际交通,而是让实际交通逼近人工交通,使之更加高效。

针对平行交通,我们提出“五位一体”的应用,后来国家也对这个方案表示认可,成为发改委和交通部联合推出的青岛“多位一体”平行交通运行示范项目。

总结起来,当人有路权的时候,我们只能住在山洞里,住在树上,当马有了路权的时候,我们有了村落、乡镇,当车有了路权的时候,我们有了今天的大都市,只有当无人车有了路权,我们才能真正走向智能城市、智慧社会。

将来,不仅会有交通的控制中心TOC,还会有车辆运控中心VOC,严格控制车辆上路,它将变得更加安全,甚至消除事故伤亡。

有一年,在智能交通学会的理事会上,有人评价我们这个交通学会与传统交通没有任何关系。当时作为会长,我对这一评价做出了回应,还定了一条规则:所有当过会长的成员不得再次参加竞选。一定要让年轻人进来。我说的原话就是:We should be the force to force others to change. For that, we must have and keep our own identity。我们需要我们自己的担当,特别是在座的年轻人,如果你们都顺着旧的思维,社会就不会有进步,那还谈什么创新呢?我希望年轻人能够有自己的担当,改变这个社会。谢谢大家。

来源:雷锋网