平行駕駛與平行交通：從智能出行到智慧城市

2018全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR）在深圳召開，中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室主任、中國自動化學(xué)會副理事長兼秘書長、青島智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長王飛躍，在此次CCF-GAIR大會上，他發(fā)表了《平行駕駛與平行交通：從智能出行到智慧城市》的大會報告。

7月1日上午，王飛躍教授作為CCF-GAIR大會智能駕駛專場第一位嘉賓登場。王教授早早地來到了現(xiàn)場，臉上洋溢著喜悅。對于他來講，最近確實有幾件值得高興的事情：第29屆IEEE IV大會在常熟圓滿落幕，本屆會議成為IV會議歷史上論文投稿數(shù)最多，注冊人數(shù)最多，參會人員最多，第一次過千人的會議。作為本屆IV會議的主席，王飛躍教授在開幕式上主持并致詞：IV作為一個開放的國際性學(xué)術(shù)盛會，歡迎來自世界各地的專家學(xué)者參與其中，希望未來IEEE有更多有年輕人參與其中，做出更多貢獻。在這次大會期間，由王飛躍教授聯(lián)合歐美中十八所大學(xué)發(fā)起的國際平行駕駛聯(lián)盟（iPDA）宣告成立，iPDA國際聯(lián)盟的成立，將促進聯(lián)盟成員交流與平行駕駛相關(guān)的最新研究成果，用于研究的非保密性測試數(shù)據(jù)將在成員之間實現(xiàn)共享，參與共建平行駕駛通用共享研究平臺。同時，IV 2018會議的最后一天（6月30日），由國際平行駕駛聯(lián)盟（iPDA）承辦的“IEEE IV 2018 On-road Demonstration ”國際智能車聯(lián)合道路演示”在中國智能車綜合技術(shù)研發(fā)與測試中心得到了成功演示。這三件大事，讓平時不茍言笑的王飛躍教授臉上掛滿了笑意。

平行駕駛與平行交通：從智能出行到智慧城市

警惕無人車與智能駕駛中的“馬糞”問題

演講一開始，王飛躍教授以他多次提到的馬車時代向汽車時代轉(zhuǎn)變的例子來映射當下正在經(jīng)歷的汽車智能化變革。他說：“當馬跟車混起來開的時候，車開快了馬會受驚，會出事故。無人車跟有人車在一起開，無人車開100、200、300公里的時速，不是馬受驚，而是人受驚?！蓖踅淌谙矚g做這種類比，就像他相信關(guān)鍵小數(shù)據(jù)的重要性一樣，未來無法預(yù)知，但是一些有規(guī)律的小數(shù)據(jù)總會幫助我們對還未發(fā)生的事情做出先驗的判斷，這可能就是我們俗語中“吃一塹，長一智”中的智之所在。

然而，在馬車時代我們吃了太多 “塹”。上世紀末，馬作為主要的交通工具，隨之而來的卻是無法分解的馬糞，這個問題困擾了當時人們很多年，甚至有專門國際會議來研究當時面臨的“馬糞危機”。在馬車時代，我們沒有成功解決馬糞問題，然而汽車的普及，所有問題都不存在。而在人工智能時代，當我們研究討論如何解決車輛的無人駕駛問題，車輛武裝上了高線束激光雷達等傳感器感知，配上“足夠算力”的計算單元，優(yōu)化算法，把一輛輛汽車改裝成繁雜的智能體搬到了馬路上，仍無法避免無人車在長久時間內(nèi)不出現(xiàn)事故。這是否正是當下遇到的“馬糞問題”？王教授說：“有人駕駛、遠程控制、網(wǎng)絡(luò)車和無人車需要統(tǒng)一起來，成為平行駕駛，如果你硬要分開，對我來說就是馬糞問題?！倍?，平行車和平行駕駛的最大好處之一，就是把過去在物理世界吃一"塹"，虛擬世界長一"智"，變成在虛擬世界吃"塹"，物理世界長"智"。

智能車輛研究第一階段：自動駕駛

王飛躍教授的研究是從機器人開始，到空間的機器人，再到月球上的無人車，火星上的無人工廠，再到礦山上進行推土、裝載的無人車，一直到現(xiàn)在的民用無人車。經(jīng)過多年研究，他總結(jié)無人車想要在路上開，還未達到非常智能的程度，但這項技術(shù)仍有前景。20多年前，其團隊研發(fā)了VISTA Car， 甚至不用GPS和LiDAR，只使用攝像頭和雷達，成為世界上唯一一個在美國51號公路上進行單車演示的團隊，當時時速是120公里，測試點就在今年三月Uber發(fā)生致命事故的地方。最初它只是一個工程項目，對研究控制的人來說，這不是一個太難的問題，連PID都不需要，只用PD就足夠了。

當時最大的問題就是環(huán)境感知問題，這才是利用有限的資源去實現(xiàn)車輛的智能自動化控制之關(guān)鍵。幾年后，這段研究被王教授當時的研究生、現(xiàn)清華大學(xué)教授李力總結(jié)成其博士論文并寫成一本書《智能汽車：先進傳感與控制》，于2007發(fā)表，成為第一部英文智能車技術(shù)專著。書中提出的許多觀念，現(xiàn)在還沒有人實現(xiàn)。2015年之前，這本書并沒有太大的銷量，當時的人們可能不會想到，10年后的今天，無人駕駛技術(shù)竟變得如何火熱。

在2002年，原定于中國舉辦 IV 2006，但到了2003年，日本提出異議，他們認為中國的汽車市場規(guī)模較小，當?shù)厝藢o人車、智能車大會不會感興趣，建議大會移至日本召開，IEEE ITS委員重新進行了投票，最終決定不在中國開。一直到2009年，IV大會才到中國西安舉辦。為了提高國內(nèi)對自動駕駛技術(shù)的研發(fā)熱情，2009年IV大會舉辦期間，在鄭南寧院士及王飛躍教授的共同倡導(dǎo)下，創(chuàng)辦了中國智能車未來挑戰(zhàn)賽，至今已經(jīng)連續(xù)舉辦了10年，這一賽事現(xiàn)在已經(jīng)成為了國際上歷史最久、規(guī)模最大、水平最高的無人駕駛賽事。

中國研究無人車的創(chuàng)業(yè)者，大部分都是從這一賽事中產(chǎn)生的。挑戰(zhàn)賽的最初兩屆都在西安舉行，第一屆只有6部車參賽，人走的比車開的快，車速不及人步行的速度; 第二屆就變成人跑的比車開得快，參賽車的車速不及人跑步的速度。在第二屆挑戰(zhàn)賽上，還增加了交通標志識別測試，當時沒有一個車隊通過測試。到了2011年、2012年，挑戰(zhàn)賽在內(nèi)蒙古舉行，雖然當時無人車的車速已經(jīng)很高了，但是水平還有待提高。從2013年開始，這一賽事就固定在常熟舉辦。挑戰(zhàn)賽按4S評判：安全(Safty)、舒適(Smoothness)、快速(Sharpness)、智能(Smartness)。參賽者還需要在城市環(huán)境、郊外環(huán)境、高速環(huán)境上進行測試。

“最大的變化是從2014年開始的，當年的賽事吸引了許多創(chuàng)業(yè)者、企業(yè)的目光。2015年，開始有人向我打聽參賽車隊中是否有人才可以跟他們一起創(chuàng)業(yè)。在這批初創(chuàng)公司中，我最熟悉的是慧拓和馭勢?！闭劦酱颂?，王飛躍教授激動地說，“之前，沒有一個科研單位曾寫出過如何測試、如何評價車輛智能水平的科學(xué)文章，而這個賽事已經(jīng)產(chǎn)生出了三篇此類文章?！?/p>

今年是IV會議第二次在中國舉辦，此次大會的論文投稿數(shù)、參會人數(shù)、注冊的人數(shù)都是歷屆最多。此次參會的每個外國人都認為大會辦得非常成功，從來沒有見過這么大的規(guī)模。明年大會要在巴黎開，法國人表示"亞歷山大"。

智能車輛研究第二階段：平行駕駛

無論是中國智能車未來挑戰(zhàn)賽，還是之前Vista Car，其實都是在單車上做的研究。然而，未來我們必然會經(jīng)歷一段有人駕駛汽車、智能車、無人駕駛車等從L0到L5級別車輛混合行駛的階段，不同車輛之間會產(chǎn)生無數(shù)種場景，無人車在遇到這些未曾經(jīng)歷過的駕駛場景時，勢必會產(chǎn)生安全問題。如何把這些車輛統(tǒng)一起來？

王教授提到：“2005年我提出要做一個"車內(nèi)簡單、車外復(fù)雜"的虛實互動網(wǎng)絡(luò)化平行智能駕駛系統(tǒng)，當時還沒有云端的概念，要軟件定義的汽車（人工汽車）和物理汽車一起開，而且一部物理汽車要對應(yīng)三部軟件汽車：一部用來做描述，與物理車通過無線傳感網(wǎng)聯(lián)在一起，描述車輛的即時狀態(tài)，不論開到哪里都受監(jiān)護；一部用來做預(yù)測，前方道路是否發(fā)生事故，是否擁堵，預(yù)測車輛都能提前預(yù)測；還有一部用來做規(guī)劃和引導(dǎo)，給你提方案，怎樣路線最好，最省油，最節(jié)約時間?！?這些虛實車構(gòu)成平行車，相應(yīng)的駕駛方法就是平行駕駛。

平行駕駛理論是基于信息物理社會系統(tǒng)（CPSS）通過將人工系統(tǒng)與真實系統(tǒng)虛實結(jié)合起來，它利用ACP （Artificial societies, Computational experiments and Parallel execution）方法，通過人工系統(tǒng)對實際無人車和路建模，構(gòu)建軟件定義車輛及車路系統(tǒng)，同時建立控制計算中心，對無人車和道路采集的真實數(shù)據(jù)及人工系統(tǒng)的虛擬數(shù)據(jù)進行聯(lián)合優(yōu)化，保證無人駕駛更高級別的安全性，同時對單車進行相應(yīng)的改造，從而降低車輛成本。平行駕駛充分利用了全球數(shù)字化及信息化資源，將云端、道路及車輛上的資源無縫銜接，充分考慮安全性、舒適性、敏捷性和智能性等指標，將物理、社會、信息空間打通，從而有效保證車輛行駛安全與最優(yōu)行車體驗，最終實現(xiàn)可靠、舒適、快速的平行駕駛。

同時，無人車通過計算實驗的方式把小數(shù)據(jù)導(dǎo)成大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)導(dǎo)成小智能，核心就是平行學(xué)習(xí)?；谄叫欣碚?，可以構(gòu)建人工場景來模擬和表示復(fù)雜系統(tǒng)的特定場景，并將選取的特定“小數(shù)據(jù)”在平行系統(tǒng)中演化和迭代，以受控的形式產(chǎn)生更多因果關(guān)系明確、數(shù)據(jù)格式規(guī)整、便于探索利用的大數(shù)據(jù)。

視覺也是平行的，無人車在物理世界開，先在人工世界試開，“要在人工世界吃一塹，物理世界要長一智”。平行視覺研究思路是針對視覺計算研究中存在的實際數(shù)據(jù)獲取和標注成本高、難以覆蓋復(fù)雜環(huán)境、極端場景樣本稀少、訓(xùn)練的模型適應(yīng)性差等問題提出的，采用Agent建模方法，模擬北京中關(guān)村區(qū)域和常熟智能車測試區(qū)域，在計算機上建立人工場景，設(shè)計豐富典型的環(huán)境條件和目標運動，生成帶詳細標注信息的圖像數(shù)據(jù)集。

有了虛實互動的平行理念，感知、規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)向控制、測試都需要平行?！拔锢?a target="_blank">信號之外還要有社會信號、精神信號，還有情感信號，駕駛員、人機因素，以后人機因素多了，遠端的人機因素，車內(nèi)外的人機因素都要考慮。所以最后至少是四胞胎，雙胞胎是不夠的。

平行駕駛的應(yīng)用

很多人聽到這樣的“平行駕駛技術(shù)架構(gòu)”，“數(shù)字四胞胎”，“虛實互動”……第一反應(yīng)是“這么龐大的工程該如何落地？”王飛躍教授也列舉了一些具體的實例

慧拓智能機器有限公司（VIPioneers）是一家以ACP平行理論為基礎(chǔ)，致力于新一代云端化智能網(wǎng)聯(lián)自動駕駛技術(shù)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的公司。今年3月18號，慧拓在中國智能車綜合技術(shù)研發(fā)與測試中心（常熟）發(fā)布其 “第三代平行駕駛系統(tǒng)”，公開演示了“駕駛員”如何利用平行駕駛管控中心的遙控駕駛系統(tǒng)中遠程管理并控制在真實道路上行使的多輛無人駕駛車。6月30日，在IEEE IV 2018 On-Road Demonstration國際智能車聯(lián)合道路演示上，他們給全世界展示了平行駕駛3.1版，現(xiàn)場演示了一般交通場景響應(yīng)式接管、緊急交通場景主動接管、主動避障、中心駕駛員實時狀態(tài)檢測四個部分。圍繞“平行駕駛”框架的平行駕駛3.1系統(tǒng)，通過平行駕駛管控平臺流暢的管理多臺無人車，讓無人車更安全平穩(wěn)的在道路上行駛，這無疑是自動駕駛技術(shù)的落地提供了一種安全、可靠、高效的實施方案，實現(xiàn)道路上混合車輛系統(tǒng)（有人駕駛、自動駕駛、無人駕駛）的安全平穩(wěn)智能管理，同期也成立了一個國際平行駕駛聯(lián)盟（iPDA），由18所學(xué)校參加進來共享數(shù)據(jù)。

對無人車真正剛需的場景可能是礦山，礦山中使用的卡車非常昂貴，一部就要上百萬美元，實現(xiàn)了自動化才能更高效，讓軟件定義的礦山與軟件定義的大卡車，跟物理礦山和物理汽車一起運營。王飛躍教授表示：“慧拓己與中國最大的礦山卡車公司合作，后來也進入了物流領(lǐng)域，給東風(fēng)提供平行物流的應(yīng)用。物流、礦山這些場景有三合一的特色，即平常的運維、監(jiān)控、應(yīng)急三合一，非常適合應(yīng)用平行駕駛?！?

中國科學(xué)院自動化研究所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了虛實結(jié)合的無人駕駛車輛平行測試平臺。該平臺建立了實際測試場地和任務(wù)的精確監(jiān)控系統(tǒng)，利用高精度地圖和高精度差分GPS記錄車輛動態(tài)數(shù)據(jù)，通過車內(nèi)和車外的視頻監(jiān)控采集駕駛環(huán)境數(shù)據(jù)，基于4G和V2X通訊實時傳輸這些監(jiān)控數(shù)據(jù)，在云平臺儲存和分析數(shù)據(jù)和評測任務(wù)的執(zhí)行情況。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，便捷地建立虛擬測試空間和任務(wù)。通過虛擬測試和實際測試的互動，不斷迭代更新，提高虛擬測試中Agent行為的真實性，更好的擬合人類駕駛員、行人等和受試車輛互動行為。在對應(yīng)的虛擬空間中，利用對抗式生成網(wǎng)絡(luò)和平行學(xué)習(xí)的方式快速生成更多具有挑戰(zhàn)性的測試任務(wù)，并通過虛擬測試探查當前的車輛智能系統(tǒng)面對這些測試任務(wù)的反應(yīng)和結(jié)果。該系統(tǒng)在2017年中國智能車未來挑戰(zhàn)賽中首次實戰(zhàn)應(yīng)用，虛實結(jié)合的無人駕駛車輛平行測試平臺的這些優(yōu)勢已經(jīng)得到了充分的體現(xiàn)。

“慧拓現(xiàn)在跟吉利汽車在寧波有五六千畝的測試基地，其中有1000多畝就是做虛實結(jié)合的，其它的部分做傳統(tǒng)的測試。平行測試，要在虛擬空間吃一塹，要在物理空間長一智?；鹞痛嗽O(shè)了一個重大的項目，這個項目己順利完成并被評優(yōu)，因為確實它的效率很高，近年來連Google也開始采用，已成世界趨勢?！?/p>

王飛躍表示，平行駕駛是在有人駕駛、無人駕駛、遠程控制、網(wǎng)絡(luò)駕駛之上的駕駛方式，平行駕駛中，駕駛的過程就是產(chǎn)生數(shù)據(jù)的過程，它把物理傳感器獲得的關(guān)于路況、關(guān)于車輛服務(wù)、關(guān)于車輛狀態(tài)的信息，進一步加工，把這些物理世界得來的這種小數(shù)據(jù)，通過計算實驗的方式，擴展成大數(shù)據(jù)，再用智能方法把這些大數(shù)據(jù)提煉成針對具體問題、具體服務(wù)的小智能、小規(guī)則、小知識，完成出行的智能控制，智能管理，讓出行變得安全、舒適、敏捷、智能。平行駕駛的商業(yè)化應(yīng)用過程中，應(yīng)從小處入手，選取特定的場景比如園區(qū)、小區(qū)、港口、特種行業(yè)，行業(yè)也可以涵蓋物流、配送、礦山等。

平行交通與智慧城市

談到未來的智能交通，王教授提到：“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、靜態(tài)交通、物流交通，以及社會交通一體化。但后來IEEE專委會討論認為，應(yīng)該從以前的機械化、電氣化，信息化、網(wǎng)絡(luò)化，進入到平行化，平行化就是智能化的技術(shù)途徑。智能只是一個概念，如何實現(xiàn)虛實互動的平行智能，是我們需要思考的問題。

平行交通，是我們最早開始切入點，即軟件定義的交通系統(tǒng)，人工交通系統(tǒng)與物理交通系統(tǒng)合二為一。這一系統(tǒng)平?？梢杂脕磉M行訓(xùn)練、培訓(xùn)，還可以進行實驗與評估。例如產(chǎn)生一個人工交通事故，通過觀察這個人工交通事故的傳播與影響，我們可以制定相應(yīng)預(yù)防和解決措施。

在修路之前，我們也可以先在系統(tǒng)上修一條人工路，進行計算實驗，觀察道路的通行效果、最佳位置。而不是按照現(xiàn)在的經(jīng)濟利益，拍腦袋決定。也不是讓人工交通逼近實際交通，而是讓實際交通逼近人工交通，使之更加高效。針對平行交通，我們提出“五位一體”的應(yīng)用，后來國家也對這個方案表示認可，成為發(fā)改委和交通部聯(lián)合推出的青島“多位一體”平行交通運行示范項目。

總結(jié)起來，當人有路權(quán)的時候，我們只能住在山洞里，住在樹上，當馬有了路權(quán)的時候，我們有了村落、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，當車有了路權(quán)的時候，我們有了今天的大都市，只有當無人車有了路權(quán)，我們才能真正走向智能城市、智慧社會。將來，不僅會有交通的控制中心TOC，還會有車輛運控中心VOC，嚴格控制車輛上路，它將變得更加安全，甚至消除事故傷亡?！?/p>

最后，王飛躍教授用他曾在智能交通學(xué)會的理事會上的發(fā)言鼓勵年輕人：“We should be the force to force others to change. For that, we must have and keep our own identity。我們需要我們自己的擔當，特別是在座的年輕人，如果你們都順著舊的思維，社會就不會有進步，那還談什么創(chuàng)新呢？我希望年輕人能夠有自己的擔當，改變這個社會?！?/p>