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IEEE智能车辆研讨会, 2000, 15(1):25-30
全球智能车辆应用调查
R.Bishop
简介
智能车辆的应用非常多样，并且在汽车、卡车、公共交通、工业和军事行业的影响不断提高，智能车辆的应用在全球越来越广。智能车对于提供更高的安全性和运营效率有很重要的意义。智能车辆（IV）作为智能交通系统（ITS）的一部分，IV通过传感器和智能算法来了解车辆周围的环境帮助驾驶员驾驶车辆或完全控制车辆（全自动）。继信息导向系统的成功之后，IV系统被看做是下一个引领ITS的核心技术，IV在控制层直接对车辆进行完全控制，使车辆能够高效快速行驶。本文概述了此领域中的应用程序的策略和方案的选定。
智能车辆领域——智能车辆领域可以被分成几种不同模式：a）给驾驶员提供警告和询问的系统（预警系统）。b）该系统要对车辆采取部分控制，包括车辆稳态协助驾驶和紧急状态干预控制以避免碰撞（避撞系统）。C)对车辆进行完全控制（智能车）。碰撞预警系统包括的功能有前方碰撞预警、盲点预警、车道偏离预警、车道变换/合并预警、十字路口碰撞预警、倒车预警、后方预警以及侧面预警。碰撞警告的一个特殊的功能是对驾驶员进行监控，检测驾驶员是否疲劳和预警障碍物，从而使驾驶员安全地操作车辆。如果驾驶员没有充分响应警告，防撞系统会强制控制方向盘、刹车和油门以使车辆回到安全状态。驾驶员辅助系统包括自适应巡航控制，车道保持，辅助停车等功能。车辆自动驾驶系统有很多不同应用，包括低速自动驾驶（对于交通堵塞）、自主驾驶和近距离跟随（提高道路通行量），还可以在诸如公共汽车和货运汽车的停车区进行电子管控指导。智能系统可以通过安装在车辆上的各种仪器以及设定的程序实现这些功能。或者作为协助系统，从道路以及车辆获得协助，或者其中之一。道路援助通常采用在基础设施中安装参考标记的方法。车辆互助系统能够让车辆之间的距离更加紧凑，从而达到提高交通效率的目的。通常把车辆的参数和相关信息传输给跟随车辆。要达到的目标是在所有道路以及所有路况下都能保持一个很高的性能水平，并且发挥相互合作的优势，去提高系统的性能。
关键支撑技术——虽然许多类型的技术可以支持上面列出的功能，但是在全世界各种不同的研究计划中，一些具体技术一直在出现，有：
在多行业的共同努力下，图像处理技术正快速发展，智能车系统正充分利用其发展成果。摄像机从安装和成本等方面都非常适合智能车系统，而且计算机硬件能够和它兼容，并且能够配套特殊的电路配合摄像机。机器视觉能够支持车道检测和车辆跟随功能，以及在较小范围内的障碍物检测。
雷达 - 支持自适应巡航控制系统的雷达将在未来几年内在市场中大量出现。雷达远距离测距能力以及提供精确方位的能力能够给车辆提供充分的道路数据，并且程序在识别前进道路上的物体以及其它物体的能力在日益提升。雷达系统的频率预计将统一为77GHz，因为这是目前欧洲的标准。
磁性标识 – 磁性标识提供了强大的全方位指示车道边界的功能，以补充机器视觉技术的不足之处。商业上可用的磁性公路车道标线胶带或离散标记物已经被采用并且在个别地方已经开始部署。由于必须将磁性标识安装在道路上，所以将磁性标识先部署在某些测试地段的希望比较大。
高精度数字地图和GPS——主要数字制图公司正在与汽车行业合作，确保能够研发出精度水平更高的设备提供给智能车系统，例如提供道路曲率和车道状况的设备，像提供精确道路边界的设备等。将采用Cenlimeler级GPS技术来检测车辆位置，并切断数字地图的信号然后扩大由传感器提供的信号。
乘用车应用
全世界的高速公路每年都有很多事故发生，造成很多的伤亡。由于智能系统能够减少事故率，所以智能系统在乘用车上的应用将会带来很大的商业效益。因为要减少误报警并且要提升可靠性，智能系统在引进到乘用车上的进程比较缓慢，但是在稳步进行中。
碰撞预警——上面所提及的碰撞预警系统已经有了成品并且已经测试过。夜视和后方预警已经在一些车辆上有了应用，三菱和日产近日发布了可用的碰撞预警系统。前方预警和车道预警系统将会在未来一到两年内投入使用。日本智能道路概念将会给用户提供很多服务，比如车道保持，交叉路口避撞，躲避行人和车距保持系统等。示范项目会在2003年部署，2015年将会在全国实施。一次重要的测试以及公共展示，代号SmartCruise 21，将由日本政府和高级Cmise-Assist公路系统研究协会在2000年底举办。欧盟委员会基金大力支持纵向和横向碰撞警告研究，美国在实施IVI计划的过程中与某些重要汽车制造商建立了伙伴关系，并且使用高精度地图着重研究了驾驶员操作（驾驶员工作量）的很多细节，还使用很好的实验方法来对相关产品进行测验。
避撞和辅助驾驶——较高水平的辅助驾驶系统是自适应巡航控制（ACC），现在在欧洲和日本已经投入使用，不久将在美国投入使用。（ACC能够监测到前方速度较慢的车辆，并调整速度建立一个安全的跟随距离，当前方无状况后又恢复设定的速度。）目前ACC系统在高速公路上非常适用。下一代ACC系统（正在测试中）将支持在启停频繁并且道路拥挤的路况使用。1999年三菱在日本发布了新的辅助驾驶系统，这套系统在ACC的基础上补充了道路偏离预警和侧/后方监视等功能。本田，日产，丰田在联合高级安全车辆项目中开发了多个安全子系统，包括车道定位、车距控制、紧急制动、障碍物预警、瞌睡预警系统和夜间行人预警。欧洲投资的研究主要集中在驾驶员监测，道路状况感知，图像处理，方向控制和传感器等方面。通用汽车公司已经开展了一项为期五年耗资3500万美元的项目，该项目的主要内容是发展和测试后方预警防撞系统。
速度智能调整——一些国家正在把速度智能调整系统作为增强车辆安全性的手段对其进行测试。该系统能够自动控制车辆的速度，设定速度的依据是道路信息或者卫星和车载地图的信号。在瑞典正在进行一项涉及7,500多辆汽车的大型试验，而在荷兰，英国和韩国也有类似的测试。 强制使用这些系统后事故减免幅度为20％，公众对这些系统的认可度在很大程度上取决于现行文化和对政府管理的态度。
智能控制系统——对车辆实施智能控制的优点有提高车辆的安全性，大大提高交通效率以及使驾驶员操作更简单等。这种智能控制系统在上世纪九十年代已经有了模型并且被广泛展示，在技术上已经有了可行性。目前研究的主要内容是对该系统的细节进行改进和提高。韩国大学，日本机械工程实验室，意大利帕维亚大学，俄亥俄州立大学，加利福尼亚大学等开发的全功能自动化汽车正在进行测试和改进。最近低速车辆智能控制系统（ISA）受到欢迎，因为该系统给驾驶员带来了很大的便利，ISA将会在道路拥挤时发挥作用，它能使驾驶员在堵车时的驾驶更加轻松，而不是身心俱疲。当路况变好后司机将恢复对车辆的控制，亚洲和欧洲正在大力发展这项技术。
重型卡车应用
碰撞预警——重卡市场是早期实施该技术的理想行业，因为碰撞事故造成的损失会大大影响重卡拥有者的利润。碰撞预警系统的价钱对于大部分汽车消费者来说是不能接受的，但是在重卡汽车范围内却是可以接受的。据估计，目前在美国有超过50000台基于雷达的碰撞预警系统正在重型卡车上运营，这种卡车的年销售量约为10000台。 一些使用重卡的公司，为了一些小的事故也要花费平均每年两万美元的费用，遇到重大事故将会花费超过十万美元的费用。购买具有碰撞预警系统汽车的用户反馈称，该系统大大减少了车辆的事故率，并且帮他们平均每辆车挽回了将近两千美元的损失。在亚洲以及欧洲碰撞预警系统也快投入使用。车道偏离预警系统在1999年开始投入使用。它利用图像处理技术来识别道路的边缘进而达到车道偏离预警。戴姆勒—克莱斯勒公司宣布，该功能将于2000年在欧洲和美国销售的卡车上使用。美国IVT项目已经开始了三项针对重型卡车防碰撞策略的测试 ， Freightliner公司正在测试一个防侧翻控制设备，车道偏离预警以及碰撞预警。沃尔沃卡车正在对前方碰撞预警系统、盲点预警、自适应巡航控制和电子制动系统做测试。与此同时，拥有超过四十万辆卡车的美国国防部，正在发起一个智能卡车的活动，该项目预计将于2000年底开始。
驾驶员疲劳监控——由于疲劳驾驶是导致重卡汽车事故的主要因素，所以很多重卡制造商正在研究防止疲劳驾驶的方法。研究重点是掌握与疲劳有关的生理参数，确定可测量的生理参数，开发出可以丝毫不影响驾驶的监控驾驶员的车载系统，从而对疲劳驾驶发出警报使驾驶员恢复正常驾驶。现在正在对该系统进行很多不同的测试。很多汽车公司都在研发该系统，并且提出了疲劳驾驶系统的相关指标。例如，Assistware SafeTrak研发出的产品会根据车辆路径跟踪设备（图像处理设备）的运行平均值给驾驶员评判“得分”。该系统采用了车辆行驶的一个经验原则，即随着疲劳程度的增加，车辆的运行轨迹会出现与正常运行轨迹不同的徘徊现象。
避撞与辅助驾驶——避撞系统在某方面将借鉴上文中提到的碰撞预警系统。通过改造刹车系统可以增强前方防撞预警，具体改造是对不同车轮施加不同的操纵力，这样还可以和ESC相互协作，防止车辆的侧翻。ESC预计在2001年之前在欧洲投入使用，ACC在1999年在美国慢慢投入使用，美国的卡车制造商正在积极将这一系统投入使用。通过对卡车司机的调查显示，ACC能够减轻驾驶的疲劳感以及节省燃油。
自动驾驶——奔驰，雷诺和依维柯开展一个项目，研究一种电子拖杆用于自动驾驶重卡的近距离驾驶。这个项目有三种模式，如下：
a)前后两辆汽车，但是只在第一辆车上有驾驶员。
b)有多辆汽车，但是只在第一辆有驾驶员，其它车均跟随前车行驶。
c)有多辆汽车，但是全是自动驾驶汽车。
这些模式要求引导车和后续卡车之间能够连续通信，并且跟随车辆上要安装IR和摄像机，经过图像处理后能够锁定牵引车。双卡车系统在1999年被成功展示。后续的研究任务是加强系统的稳定性以及可靠性，并且不断增加卡车的数量。此外，明尼苏达大学通过分析感测信号，为卡车量身打造了一套增加安全性的系统，称为SafeTruck。在必要时系统会发出警报，当车辆出问题时，系统会进行干预驾驶，开到路边并且停车熄火。
巴士和公共交通应用
碰撞预警——有关巴士的碰撞预警项目目前只有美国的IVI 项目。虽然公共汽车事故不会造成严重的伤亡事故，但轻微事故的经济损失仍然很大（估计全国为8亿美元）。自由贸易协定正在促进一个统一的标准，对于车道变更，前/后方碰撞预警等等。
避撞系统和辅助驾驶——在公交车上应用的避撞系统是在碰撞预警系统的基础上发展而来的。辅助驾驶的主要功能是准确对接，当公交车进入站台时，车门和站台能够准确对接。这个功能能够让乘客上下车门时更加通畅并且减少安全事故。这种功能需要使用很多传感器来实现。这个功能也引起全球的关注，并且有望在2001年投入使用。
自动驾驶——电子引导系统能够使公交车的运载能力接近轻轨，但是却不需要大量的资金用来投资修建轨道。由于市区空间有限，所以只能给公交车提供有限的道路去行驶，但是电子引导系统能够让公交车在有限的车道内高效快速行驶。英国伦敦交通部门计划在2002年将该系统在某些交通线路中投入使用。美国的几个运输公司正在考虑将电子引导系统投入使用，并且得到了快速公交系统项目的支持。加利福尼亚州正在积极研究自动驾驶公交车，并且要在2002年展示成果。巴西等南美国家也在考虑引进引导巴士系统。
特种车辆应用
特种车辆的自动化主要集中在铲雪车，工业重复性作业车辆以及军事车辆。
碰撞预警——加利福尼亚州和明尼苏达州的相关机构正在对使用该系统的铲雪车进行测试，测试内容为在暴风雪等低可见度的天气时，该系统能否为铲雪车检测出道路的边界。该系统能够为车辆提供车道信息，采用的设备和方法有车道磁性标识，高精度地图以及准确的GPS定位。行驶时驾驶员可以在操控车辆的同时在屏幕上看到车道边界信息。USDOT IVI项目已经向明尼苏达州政府提出申请，对该系统进行多项测试。
自动驾驶——加利福尼亚州正在研制一种全自动的除雪车，用于危险的山道。
工业自动化车辆——在海港，运输集装箱的车辆在船舶和运送点之间来回穿梭，运送距离大概有几百米。这种高度重复作业的车辆已经在鹿特丹港口实现了自动化。全球其他港口正在考虑引进这种系统。 此外，大型工业场所会在局部用卡车运送大量货物。荷兰研发出一种可以在固定路线运送货物的自动化车辆。该自动车辆采用了电磁标识以及光信标来感测道路信息。这种运送货物的系统正在荷兰南部的一个工业厂址进行试验，荷兰政府正考虑在公共道路旁修建特殊车道，供自动化车辆将货物从鹿特丹港运送至别的地方。
军事应用——美国国防部试图使用无人驾驶车辆完成过于危险的军事侦察任务。目前的第三代项目的目标是无人驾驶车辆无论在公路还是非公路都能有很高的性能。由于智能交通系统与一些种类的汽车会有冲突，所以乘用车和商用车的行驶会有一个拆分。这些汽车会有两种不同的速度，在公路上行驶时为65公里每小时，在越野路段为32公里每小时。Demo 的传感器有77 GHz FMCW雷达，全方位立体摄像机，LADAR 2GHz雷达和后视摄像机。该车辆计划在两千年底对外界进行展示。
总结
从上文可以看出，在接下来的几年内，将会有更多的关于无人驾驶汽车的研究。在2000年底就会在日本看到Smart Cruise 21这个意义重大的项目。汽车自适应巡航系统将会应用的越来越广泛。2001年的重点将会是对于重卡汽车自动化的研究，在2001-2004年之间，辅助驾驶系统以及公交车的智能化将是研究的重点。加州计划在2002年展示全自动的卡车和巴士。2003年欧洲将开展低速汽车自动化的研究，不久之后将会在欧洲和日本投入使用。到2010年，美国计划将重卡汽车的事故率减少百分之五十，日本计划减少百分之十五的机动车事故率。日本Smartway概念计划到2015年全面实施，韩国将在2020年实现高速公路车辆自动化，这些国家都在稳步的实施自己的计划。
在巴士以及特种汽车上采用智能技术将有利于这些技术在人群中转播，提高这些技术的知名度，这也将
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