互动科普

自动化公路、

Rill.,JH

公路上回交通是现代工业国家的生命线.但是在美国，正如其它许多地方的情况一样，主要公路上的车流已经大到了不堪承受的地步:在主要城市周围，高度密集的车流已使交通高峰期间高速公路上的行驶速度降到了每小时35英里(56公里)以下.过大的车流造成的时间耽拥总计达到每年50亿小时以上，同时还浪费了无数的燃油井毫无必要地使废气排放量增加了许多倍.

有人可能认为，解决问题的出路不外乎是建造更多的公路。然而，修建新公路是造价极高的工程，尤其是在城市地区。例如，改建波士顿中央干道l1公里长的一个路段将需要大约80亿美元的资金。由于造价如此昂贵，大规模地扩建城市通道在经济上是不可行的。因此，如果要使公路交通赶上城市中心区的发展速度，人们就必须设法学会更加有效地利用现有的公路。

一种可能的方案是建设一个自动化公路系统，也就是辟出一条车道或一组车道来让装有专门设备的小汽车、卡车和公共汽车在计算机的控制下结队行驶。这项工程不要求设置一台巨大的中央计算机来指挥所有汽车的行驶，而是通过一个小型计算机的网络——这些小型计算机安装在汽车内以及某些路段的路边——来协调车流，从而提高汽车的效率并使乘客更安全。

一种可能的方案是建设一个自动化公路系统，也就是辟出一条车道或一组车道来让装有专门设备的小汽车、卡车和公共汽车在计算机的控制下结队行驶。这项工程不要求设置一台巨大的中央计算机来指挥所有汽车的行驶，而是通过一个小型计算机的网络——这些小型计算机安装在汽车内以及某些路段的路边——来协调车流，从而提高汽车的效率并使乘客更安全。

这种自动化事实上可能是扩大公路交通能力的最省钱的途径。一条典型的高速公路车道每小时可通过约2千辆汽车，而一条配备特殊装置后可自动引导车流的车道每小时将能通过约6千辆汽车，车流大小与车道人口和出口的间隔距离有关。由于不需要修建新的公路，也不需要拓宽现有的公路，这方面节省下来的钱可以支付使汽车自动行驶所需的复杂电子设备的费用还绰绰有余。

虽然这一方案看起来似乎颇有幻想色彩，但自动驾驶的汽车并不是什么新概念实际上，在1939年的纽约世界博览会上，通用汽车公司展厅中最吸引人的东西就是自动化公路的一种实用模型。在五十年代末期和六十年代初期，通用汽车公司研究人员继续着手改进各种无驾驶员的车辆。例如，他们证明了机器人卡车能够在露天煤矿工作。随后，在六十年代和七十年代初期，俄亥俄州立大学的Fenton证明了用导线操纵的汽车可以在一条试验道路上顺利行驶。

虽然这些早期的旨在实现行车自动化的尝试都是很有价值的研究工作，但它们的结果被证明是过于粗糙，不能成为真正实用的东西。不过，到八十年代后期，微处理机、无线通信和各种电子传感器等领域所取得的进展促使许多人又重新考虑自动化公路的设想。这样在1988年人们组建了一个集团——它最初称为“机动2000”(Mobility2000卜来研究这种种可能方案。随后该集团组成了美国智能车辆公路协会”(后来又改名为“美国智能运输协会)，现在已有1千多个机构是它的会员。这个协会的任务是推进各种各样的“智能运输系统的采用(其中包括自动化公路)。

美国政府也一直在为实现这一目标而努力。1991年，美国国会规定要在1997年前检验一个原型系统，而我所在的机构——全国自动化公路系统集团一一刚刚在加利福尼亚州的一段高速公路上进行了此项试．验。这项试验证明了自动化可以使现有的公路能够行驶更多的汽车，同时确保行车更为安全。

靠自动驾驶仪行驶

在自动化公路上行驶将会是一种什么样的情况呢?答案将取决于最终采用何种系统。目前有两种不同的系统处于设计阶段。第一种是专用车道系统，它要求留出某些车道专供自动化汽车使用。第二种是混合交通系统，在这一系统中，全自动化的汽车将同部分自动化的汽车或靠人驾驶的汽车共用公路。专用车道系统需要对现有的公路进行更广泛的改造，但它有望使高速公路的通过能力获得最大程度的提高。

无论采用哪种方案，驾驶员都必须规定要去的目的地，在行车开始之时——也有可能是在汽车刚要进入自动化公路之前——将这～信息输入汽车内的计算机。如果部署的是一个混合交通系统，那么只要驾驶员进人配备有适当装置的公路，自动驾驶就可以开始了。如果部署的是一个专用车道系统，那么汽车可以通过两种不同的方式进入这些车道并加入现有的车流中。一种方法是使用一条专门的驶入坡道。当驾驶员接近公路的进人点时，安装在路旁的装置将通过电子方式对汽车进行询问，以确定它的目的．地并检查它是否拥有处于正常工作状态的适当的自动化设备。在断定汽车通过了这些检查后，公路系统将引导驾驶员穿过一道门，驶向一条自动化车道。在这种情况下，从手动驾驶方式到自动驾驶方式的转换是在驶入坡道上进行的。

另外一种方法是使用由自动化汽车和普通汽车共用的常规车道。驾驶员按照通常的方式驶上公路并转到一条“过渡”车道上。然后汽车在计算机的控制下又转到一条专门留给自动化汽车使用的车道上。(据推测关于这些车道仅限于自动化汽车使用的规定将得到很好的遵守，因为所有非法闯入这些车道的人都会很快被有关部门抓获。)

上面这两种使汽车汇人自动化车道的车流中的方法可以使新进入的汽车的行驶同已经在车道上的汽车保持安全一致。在这方面，自动控制有助于实现平稳的汇合，不会产生通常容易遇到的一些不确定因素，从而消除了发生事故的潜在可能性。一旦汽车稳定地进人了自动驾驶的阶段，驾驶员就可以松开方向盘，打开晨报阅读或者使自己放松一下。

负责引导汽车进人公路的系统的集中管理部分并不需要一直不停地指挥着在它的控制下行驶的汽车。探查危险以及管理行驶的责任可以由汽车和自动化公路来分担。例如，可以要求每辆汽车各自探测障碍物并控制自己的转向、刹车和加速以避免撞车。汽车之问的通信可以仅用于使大家分享关于车流的消息。在要求较高的场合中，监控公路的计算机可以承担一种监督的作用，规定汽车的速度并引导车辆驶过自动化公路和地方道路之问的过渡地段，以使车流在任何时候都保持平稳。

事实上，自动化公路上的车流的协调可以采取多种方式。现在设想的种种协调方案中，极端的两种情况分别称为自由代理人汽车(free—agentvehicles)和成组汽车(platoonedvehicles)。顾名思义，自由代理人汽车是各自独立地行驶的。每辆车的行驶方邙保证即使它前面的一辆车全力剥尔时——可能是因为公路上突然霄出了一个障碍物——它都能及时停下而不发生任何意外。两辆车之问所需要的间隔距离将取决于于它们的刹车性能、路面的状况以及控制设备的电子反应时问等(电子反应时问比任何驾驶员的反应时间都要短得多)。

成组汽车是另一种极端情况，此时在公路上行驶的是一组组相互间密切协调配合的汽车，以充分利用公路的通过能力。这些汽车将通过一个无线局域通信网互相联系，该网络可以连续不断地交换有关汽车的速度、加速、刹车、障碍物以及其它诸如此类的信息。这样不断的信息交流使得一组中的汽车实际上变成了通过电子方式联接起来的列车。每一组可能有l0到20辆自动汽车，基本上是在专用车道内行驶。然而，与铁路列车不同的是，这些汽车列车将是动态的，它们将按照交通状况和各辆车目的地的要求而不断地组成、分开并重新结合。借助于精确的控制，可以使一组内各成员车的间距缩小到只有几米。

当汽车彼此间靠得这样近时，如果有一辆车因为比如说设备出了故障而意外地放慢速度，那就有可能发生撞车。然而说来也怪，这类撞车不但很罕见，而且发生相撞的各车之问的相对速度很小，因此可能只发生微不足道的损坏。相邻各组汽车之问的距离将足够大，以保证即使在前面一组突然停下时它们不会撞在一起。

无论是采用自山代理人方式还是以成组方式沿着这种二十一世纪的公路驾车出行，每辆汽车最终都必须离开自动化车道而返回通常的驾驶状态。汽车退出自动化车流的过程很有可能就是把它进入自动化车流的过程刚好颠倒过来，这似乎是相当合情合理的。然而这里有一个问题。由于小汽车或卡车已经在自动控制下行驶了一段时问，当汽车接近其预定的出口时，驾车者可能还没有准备好重新接过方向盘操’纵汽车。他可能在忙着别的事情，可能睡着了，甚至可能已经死了。自动化公路系统必须对付所有这些情况。为此，这个系统可以向驾车者发出信号提醒他注意快要到出口了，然后在驾车者承担起有限的操纵任务的情况下观察汽车的行驶状况。如果驾车者的动作正常，计算机就将完全放弃控制，而转山驾车者来完成退出自动化车道的过程。但是，如果驾车者没有作出正确的反应，报警器就将响起来。如果这样的催促不能叫醒驾车者，自动化系统就将通知有关部门说发生了意外情况，并让汽车在附近的待留区中安全地停下来。

众多的辅助装置

初看起来，未来的自动化公路可能与现今的许多公路极其相似。但是，为了把现有的道路转变成自动化的高速公路，需要对现有道路进行各种各样的改造。这一过程的开始阶段可能是对部分现有公路进行改造，修建专门的斜道、过渡车道及路障等。同时还必须建立自动车道人口区并为不能进人自动车道的汽车的分流作好准备。最后，山于偶尔有一些驾车者不能自行恢复对汽车的手动控制，在自动化车道的出口处必须为这些驾车者设置安全待留区。

虽然公路本身肯定必须安装一定数量的专门设备，但自动化公路交通所需的新技术大部分都将集中在未来的汽车中。例如一辆装备齐全的汽车可以使用一套磁强计来检测在每条车道的中央每隔一米左右埋设的磁铁。每块磁铁除了构成汽车行驶的一个基准点外，每当汽车通过它时它还可以传送一位信息(此信息通过磁铁是北极指向上方还是南极指向上方来编码)。这些数字数据有多种作用，例如告知自动化汽车的位置以及关于道路前方的弯曲情况等。

一个前视传感器(可能以一台毫米波雷达或红外激光器为核心)探测前方的危险障碍物和其它车辆。摄象机也可以起到这种作用。(摄像机与计算机相连，计算机则迅速地处理图像。)开发这类器件所需要的工程设计工作更具有挑战性，但这些视频设备也能够跟踪车道的边界，这样就没有必要使用磁铁和磁强计了。

与各种各样执行机构相耦合的加速计可以操纵转向、刹车和油门，使车辆保持适当的速度和姿态。每辆汽车上都载有数字无线电设备，它使车上的计算机能够同附近的其它车辆通信，也能同监控公路的监视计算机通信。一幅图像显示——很可能会象如今的战斗机那样投射在挡风玻璃上——使驾车者得知有关汽车运行情况的信息。

自动化的路障?

这些未来的发明创造似乎还是离我们很遥远的事，但大多数专家一致认为，公路自动化从技术上说是可行的，即使只靠现有的技术也是可行的。然而，其它方面的众多因素可能会使这类系统无法成为真正实用的东西。在这些因素中，最终价格尤其是一个相当重要的问题：一般的购车者必须能买得起自动化驾驶设备。汽车行业的经验证明，小客车的任选附件，如果成本超过了900美元左右，则其销路就相当差。因此，可以预计，900美元差不多就是消费者愿意为自动化驾驶所需的专用设备付出的最高价格了。

但是，这类对成本的关心所构成的障碍可能并不象看起来那样严重。汽车技术的自然发展毫无疑问将推出各种形式的复杂电子器件，以改进安全性能或增进舒适程度。例如，能够控制汽车在自动化公路上行驶的视频传感器或许最先将用来提醒一位打瞌睡的驾车者注意他的汽车正在驶离车道或公路——这种失误是导致乡村公路上伤亡事故的主要原因。此外，对于在自动化驾驶中控制油门和刹车所需的前视传感器，汽车制造商们在开始时可能把它作为一种先进的行驶控制系统的组成部分或作为防止潜在撞车的早期报警器．如果驾驶员未及时作出反应，这类设备甚至可以代替驾驶员将汽车刹住。安全专家们希望，此种装置——事实上它目前正在日本出售——能够减少因驾车者的失误及注意力不集中而带来的种种危险，而这些因素所导致的撞车现在占了撞车事故总数的十分之九。

双向数字式无线电通信设备也可能在实现自动化驾驶之前就得到应用。这类设备可以提醒驾车者注意危险的道路状况，向驾车者提示最佳的行车路线，或许还会在发生紧急情况时自动请求帮助。事实上，通用汽车公司推出的“OnStar(上星)导航装置以及福特汽车公司出售的“Rescu(营救)无线电系统现在就具有这些性能。

因此，实现驾车自动化所需的额外设备的成本可能将被证明不会高得令人不敢问津，因为新的汽车反正总会逐渐地把大部分所需的电子设备吸收进去。但是自动化公路是否取得成功同样将取决于一系列的社会问题和制度问题。尚不清楚汽车制造厂商在多大程度上愿意接受销售自动行驶的汽车所带来的潜在责任。适当设计的自动化汽车和自动化公路可以比现有的公路安全得多，因此总的责任费用将会下降。但是有关各方所承担的费用比例却将有变化：驾车者承担的费用比例理应下降，而汽车制造厂商和公路管理部门所承担的比例则将上升。

即使能够通过制定新的立法和实行新的保险方式而解决责任问题，还是不知道人们是否希望汽车驾驶出现这样急剧的变化。肯定没有人想要一夜之间就部署这样一个大规模的自动化公路系统。然而，随着相关的汽车技术逐步地得到推广和普及，自动化公路可能会循序渐进地一步步发展起来。

关于这样一种向自动化交通发展的过程，我们可以举下面这个富有启发性的假想实例来加以说明。目前，休斯敦Katy高速公路的中央划出了几条专用车道供公共汽车和载有两位或两位以上乘客的小汽车使用。休斯敦的公共交通部门正在研究提高交通自动化程度，使公共汽车结队行驶，就象用电子方式连接起来的列车一样，从而改进这条高速公路上的通过能力。下一步可能是允许配有适当装置的小汽车加入这些车队，或许需要为这种快捷省事的旅行付一笔通行费。最后，把这些专用车道隔离出来的路障可能会向外移动，进一步扩大公路上的自动化区域而使常规车道缩小。不需要建造任何新的公路，但公路的利用程度却可以大大增加。而且，这一转变过程中的任何中间阶段都不要求最终出现一种完全自动化的公路。每一步进展本身都有充分的技术和经济方面的理由。

通过这一方式实现公路自动化最终可能被证明是满足对城市中心周围公路通过能力的日益增长的需求的最简便途径。然而有些人怀疑社会是否一定应当满足这种需求。与其它解决交通问题的途径相比(例如部署便利的轨道交通或适当规划社区的布局使人们能舒适地住在他们上班的地方)，享受乘坐私人小汽车出行的自山是否就带来了更高的生活质量?这个问题的正确答案将是因地而异的。最近进行的这些试验公路自动化的工作应当有助于规划人员和政府官员在作出这些重要决策时考虑所有各种可能的方案。

某些最新尝试

1997年8月7日，全国自动化公路系统集团(NAHSC)开始对官：旃壤公路的技术可行性进行为期4天的论证试验。论证场地是加利福尼亚州圣迭戈北面15号州际公路的一个长11公里的路段。这段公路的两条车道可以很方便地与其它车道分离开来．在交通高峰期间这两条车道上行驶的是有两位或豫位以上乘车者的汽车o，而在其它时问这两条车道则关闭，供加利福尼亚交通部进行各种各样的试验

作为准备措施，我所在的集团的成员崔路边安装7数字蔼稍沿着两条车道的中央安装了磁铁．第一次试验使用了两辆公共汽车和3辆小汽车，全都以自由代理人的方式行驶.这些汽车以公路上的行驶速度完成了一系列的自动化车道转毒串起车动作，使用侧视及后视传感器来探测享现情缸.这些汽车也显示了它们能叫嚷蠢捧回隔距离前后相随，并通过合作来避开障碍物。

第二项试验证明了各车之间实现更大程度的合作能够提高公车从静止状态起动，加速到在公路上行驶的速度，同时各车四米左右).然后，这个由8辆车构成的车组分开了一一其中让另一辆车趴这个车组中离开.在试验车道的末端，全停下来.整个过程中东组内的各车始终保持着紧密的间距.

第三项试验演示了在向全自动化发展的过程中的某些可能的中问阶段．两辆由人驾驶的汽车在开始逐渐偏离其所在车道时，报警器便提醒驾车者注意这一情况．这些汽车也试验了自适应的行驶控制：它们能放慢速度，使其与前面一辆车始终保持着令人放心的距离，并在走走停停的行驶中自动进行加速和刹车．然后这两辆车转入全自动化行驶，从而使它们互相配合地转换车道并避开障碍物．这段时问中在加利福尼亚州进行的其它一些试验证叨了公路自动化能够操纵重型卡车和养路车的行驶，还显示了这种自动化在城市和农村环境中的风格是不同的。

这些试验工作扩大了不久前在日本取得的成果．1996年9月，日本的工程师们让自动化车辆沿着小诸市附近6公里长的一段隔离出来的高速公路行驶。这项试验证明了汽车能够完全通过埋在公路上的磁铁安装在汽车上的摄象机和布置在试验车道旁边的无线电天线进行控制．

在欧洲，研究工作主要集中在商业车辆的自动化上．欧洲委员会目前正为一个改造重型卡车的项目提供经费。它希望开发一种。电子拖杆，使一辆或几辆拖车能自动尾随一辆由人驾驶的卡车行驶．这些卡车将组成一个只有一名驾驶员的重载车辆车队．道路试验将于1998年开始．

图2公路上的塞车使波士顿中央干道挤得水泄不通(左上图)．但是在那里进行施工以缓解交通紧张(左下图)所需的费用过份高昂——扩建11公里公路的造价达80亿美元．将来．面临交通紧张问题的其它城市可能会选择发展公路自动化这条途径(右图)，它可以提高公路的通过能力，因此无需修建新的公路．

图3最近在加利福尼亚州南部l5号州际公路的一段上进行的试验中，汽车可以放心大胆地结队自动化行驶．

图4自动化驾驶所需的电子设备包括埋在公路上的磁铁(左下)，安装在保险杠下面的磁强(左上)以及安装在汽车内部的一大批其他各种传感器、执行装置和计算机。