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如何应对汽车智能化带来的革命?

2022-07-08 09:36 浏览: 297589 次 我要评论(0 条) 字号:

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1 引言


汽车是当今世界最具代表性的交通工具和工业化产品,汽车的智能化被普遍认为是汽车第4轮技术革命的主要方向。汽车智能化不仅是汽车作为一种大众交通工具自动化操控行驶水平的提升,还包括以汽车生产制造为主体的汽车产业链的整体智能化跃升,还将在更大的范围内渗透于智慧能源、智慧交通、智慧基础设施、智慧城市等领域,正在成为全球智能化革命的重要载体和组成部分。受汽车智能化技术革命的影响,未来汽车产品形态、汽车交通出行模式乃至与汽车相关的能源消费结构和社会运行方式都将发生重大变化。同时,汽车的智能化进程也受各相关领域科技发展水平以及工业、交通、能源、环境和城镇化进程的影响。因此,系统研究汽车智能化技术革命的发展规律对我国加快推进汽车智能化技术创新和科学制定汽车产业发展路径具有重要意义。


2 汽车智能化技术革命发展历程和驱动力


2.1 汽车正在迎来智能化技术革命


自汽车发明至今,受益于社会发展进步和科技水平不断提升,其大致经历了4次技术革命。


第1次是汽车机械化技术革命(约从19世纪末至20世纪20年代)受第 1次工业革命(机械化革命)的影响,蒸汽机、内燃机相继发明,能源由人力和牛、马等生物能向煤和石油等化石能转变,人类利用各种传动轴、传动轮等机械装置传导,灵活高效地实现了化学能向热能和机械能转换,搭载内燃机的汽车应运而生。搭载内燃机的汽车解放了人类的双脚(手),拓展了人类的出行半径,极大提升了人们出行的灵活性和便捷性。第2次是汽车电气化技术革命(约从20世纪20年代至70年代)。


受第2次工业革命(电气化革命)的影响,人类利用电动(发电) 机实现了电和磁的灵活转换,自此以后人类绝大多数生产生活都离不开电,电力代替了人力。在电气化影响下,内燃机和变速器等主要部件的自动化水平不断提升,汽车的部分操作也可以使用按键来实现,大大简化了汽车的可操作性。得益于电气化水平的提升,汽车生产制造也产生了革命性变化,美国人福特引入电力驱动的流水线快速批量生产汽车,从此汽车被大规模生产制造出来,成为最普遍的工业产品和大众交通工具。


第3次是汽车信息化技术革命(约从20世纪70年代至90年代)。受第3次工业革命(信息化革命)的影响,人类在用硅制造电子管、晶体管的基础上,发明了电子计算机和可编程控制器(PLC),部分代替了人脑的逻辑运算、精准操作控制、强制记忆等能力,部分功能甚至比人脑更精细更强大。信息化的飞速发展也推动了汽车科技水平的提升,当前汽车控制系统几乎全由电子控制装置实现,并在提高经济性、动力性、可靠性、舒适性和排放控制等方面起到了显著作用。先进计算机技术的发展使CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAE(计算机辅助工程)、CIMS (计算机集成制造系统) 等在汽车工业领域大量应用,大幅提升了汽车的性能和品质。


第4次是汽车智能化技术革命(约从21世纪初至今)。在以新一代信息和通信、移动互联网、大数据、人工智能等为特征的第 4次工业革命(智能化革命)的影响下,万物互联时代正在到来,包括人在内的万事万物都将可以通过数据连接为可以感知和回应环境变化的泛智能体,整个世界将有可能演变为复杂、泛在的智能化虚拟机器 。智能化将显著降低工业体系产销之间的信息不对称,加速两者之间的相互联系和反馈,催生出消费者驱动的商业模式,以人工智能为核心的产业群初见端倪。在智能化革命的影响下,汽车可以实现肢体、语音甚至神经操控,最大程度实现自动化。同时,汽车将成为新的移动终端,将人、车、路、信息等融为一体,无人驾驶将成为现实。汽车智能化发展将有效改善居民的出行效率,改变居民的生产生活方式,催生新的产业,形成新的经济增长点。


汽车经历的4次技术革命分别对应于人类社会经历的4次工业革命,受4次工业革命的影响又引领和带动着工业革命的发展。由于先进技术在汽车领域应用需要一定周期,因此,汽车技术革命略滞后于工业革命的进程。又由于汽车具有最普及交通工具和工业产品的属性,汽车技术革命均后来居上成为引领工业革命的重要力量。未来,随着新能源、物联网、人工智能、5G等一系列新技术在汽车领域的应用进入集中爆发期,智能汽车将成为下一个产业革命的焦点,汽车智能化革命将成为交通和工业智能化大潮的引领和先导性力量,将在新一轮科技创新与现代产业升级中发挥至关重要的作用。


2.2 汽车智能技术革命的主要驱动力


一是持续增长的交通运输需求为汽车智能化提供了广阔发展空间。汽车与人民群众的日常出行、社会资源的顺畅流通密切相关,是满足人民群众美好出行和运输需求的重要载体。目前,我国千人汽车保有量约为200辆左右,远低于日本 (约600辆)和美国(约800辆)等发达国家。预计2035年我国城镇化率将超过70%  ,随着我国城镇化率不断提升,以及经济的不断发展,居民出行和公路货物运输量将持续增长,道路运输需求也将持续增长。汽车智能化有助于减少道路交通事故、降低温室气体排放、提升交通运行效率、改善生态环境。以减少道路交通安全事故为例,据统计,全球每年有超过百万人因道路交通事故死亡,其中约90%的道路交通事故是由驾驶员人为因素所导致。自动驾驶汽车一般搭载由激光雷达、毫米波雷达、车载摄像头等数十个传感器组成的感知系统,可360°探测车身四周物体,在多种传感器的融合下,自动驾驶汽车的感知能力远高于人类,可避免由视觉盲区等因素导致的事故发生。美国国家公路交通安全管理局曾对特斯拉展开调查,发现车辆在安装辅助驾驶系统后,可使事故发生率降低约40%。以自动驾驶为代表的汽车智能化有望显著减少人为因素导致的道路交通事故,促进道路交通安全水平的提升。此外,从产业角度来看,汽车产业智能化水平的提升是汽车产业转型升级和催生新的经济增长点的主要方向。汽车在全国商品零售额中的占比连续多年超过10%,在推动经济增长、改善民生福祉方面的作用日益凸显 。汽车智能化带来的生产方式变革、产业格局调整和生态体系重塑,将对我国产业迈向全球价值链中高端,加快发展现代产业体系,推动经济体系优化升级起到重要推动作用。


二是新一轮科技和产业革命的迅速发展成为汽车智能化的内生驱动。当前,以新一代信息通信、云计算、大数据、人工智能等技术为代表的新一轮科技和产业革命发展势头迅猛,5G 技术、增材制造、深度学习、AI算法、生物识别等新兴技术快速渗透汽车全产业链,汽车技术体系重构速度和力度前所未有。其中,快速发展的电子信息技术成为汽车智能化发展的核心力量,自动驾驶正在一步步成为现实。目前,智能化的应用主要集中在汽车安全、音频识别、车载导航等模块,诸多智能化功能如全球定位系统、车辆驱动力控制模块、语音识别系统、车载导航系统等都得以飞速发展,为汽车智能化提供了有力的支撑。新一代人工智能技术加快了智能感知、辅助驾驶、自动驾驶等新技术的研发和应用。5G 赋能V2X,基于C-V2X 的车路协同路线将加速自动驾驶的普及应用,并将丰富新能源汽车的信息服务、安全出行和交通效率等业务。


汽车的生产方式加快向充分互联协作的智能制造体系演进,高档数控机床、工业机器人、在线检测设备、智能物流设备等智能制造装备在企业生产过程中逐步集成应用。面向生产线、生产车间广泛应用现场数据采集与分析系统、车间制造执行系统(MES)与产品全生命周期管理(PLM)、智能仓储系统 (WMS)、企业资源计划 (ERP) 等系统的高效协同与集成将有效提升制造水平、产品质量和生产效率。以用户订单为基础的柔性、混流定制化制造体系成为实现消费者个性化定制商业模式的重要手段。汽车技术的持续革新,相关新技术的不断涌现以及科技进步速度和效率的显著提升,将使汽车智能化水平不断提升,成为汽车智能化发展的根本驱动力。


三是日益趋紧的能源、环境约束对汽车智能化提出了更高要求。截至 2020 年底,我国汽车产销量已连续12年位居全球第1位,汽车保有量2.81亿辆。天文数字的汽车保有量给人民群众带来巨大出行便利的同时,也带来了能源、环境的巨大挑战。能源方面,我国原油进口量从 2011~2020 年10年间增长了1倍多,原油对外依存度从 50%快速增长至超过73%。众所周知,汽车领域是化石能源消耗大户,相关数据表明,2017年中国道路交通石油消费占比已达到48% ,我国能源可持续发展迫切需要汽车降低化石能源使用率并提升利用效率,在21世纪初开始大力推进节能和新能源汽车的研发和产业化,目前已经初见成效。以节能和新能源汽车为载体,加快推进智能化进程,可以进一步提高能源利用率和提升交通系统的整体效能,打通智慧交通和智慧能源系统的底层数据,实现交通能源协同发展。环境方面,据联合国环境署数据,2018年全球二氧化碳排放量达到 553 亿吨,比2017 年增加2.7%,大气中约有12%的二氧化碳来自传统内燃机汽车排放的尾气。随着环保压力的加剧,各国政府正采取日趋严苛的措施限制汽车尾气的排放,部分国家和地区已经提出了禁止生产和销售燃油汽车的时间表。2020年,习近平总书记宣布了中国将力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和的宏伟目标,汽车智能化水平的提升,可以有效助推双碳目标的达成。例如,通过汽车尾气智能化管理系统对区域内环境信息进行共享,同时对智能汽车尾气排放进行实时监测和精细化管理,有助于推动构建绿色、低碳社会。


2 汽车智能化技术革命及其体系构建


当前,我国正处在汽车智能化发展的关键阶段,准确把握汽车以智能化为主要方向的第4次技术革命新趋势,深化对汽车智能化发展的新认识,明晰汽车智能化发展的新路径,有利于科学推进汽车产品智能化、汽车产业智能化乃至汽车交通智能化健康有序发展。


3.1 汽车智能化发展的内涵和外延


汽车智能化(即汽车第 4次技术革命)具有丰富的内涵。从狭义看,汽车智能化是汽车作为交通工具和工业产品的机械化、电气化、信息化再到智能化的发展和升级。在智能化阶段,汽车搭载先进传感器、控制器、执行器等零部件,通过车载传感系统和信息终端实现与人、车、路等的智能信息交换,使车辆具备智能环境感知、决策、执行能力,能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态,并使车辆按照人的意愿到达目的地,最终实现替代人来操作的目的。《智能汽车创新发展战略》 提出:智能汽车是指通过搭载先进传感器等装置,运用人工智能等新技术,具有自动驾驶功能,逐步成为智能移动空间和应用终端的新一代汽车。智能汽车通常又称为智能网联汽车、自动驾驶汽车等 。《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》提出智能网联汽车是搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置,融合现代通信与人工智能等技术,实现车与 X(车、路、人、云等)智能信息交换、共享,具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能,可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶,并最终可实现替代人操作的新一代汽车 。


从广义看,汽车智能化还包含以汽车生产制造为主体的汽车产业链的纵向智能化,以及与汽车相关领域的横向智能化。汽车纵向智能化体现为汽车全产业链条的智能化,即从研发设计到生产制造、销售使用、出行服务、回收利用等涉及产业链条各主要环节的智能化,纵向智能化水平提升表征了汽车产业整体水平的进步,例如制造生产线的智能化水平将显著影响汽车产品生产制造的经济性和一致性。横向智能化涉及与汽车产品和产业相关的材料、能源、交通、城市以及基础建设等各个领域的智能化,这些领域智能化水平的提升会不同程度地影响到汽车产品和汽车产业链的整体水平,是智能化大潮的重要组成部分。横向智能化和纵向智能化围绕的焦点是汽车产品的智能化(狭义的汽车智能化),三者相互独立又密切相关,共同构成了广义的汽车智能化。


3.2 汽车产品的智能化发展


汽车产品智能化是指汽车作为一种最普遍的交通工具和工业产品的智能化进程。随着智能化水平的提升,汽车的各项功能也加速升级和扩展,融汇人工智能、互联网、大数据、云计算、信息通信等多种变革性技术,在更大范围内,汽车产品本身的功能将与人、路、云等密切协作和互动,推动汽车从单纯交通工具和工业产品向移动智能终端、储能单元和数字空间转变,在未来人-车-路协同交通系统中发挥核心作用。


汽车智能化技术革命涉及多领域技术交叉,主要有单车智能化关键技术以及车辆与外界的信息交互 (车辆群体智能以及人-车-路-云协同智能) 关键技术。具体包括智能化整体架构、环境感知探测技术、智能化控制和决策技术、专用通信与信息系统、大数据云计算平台技术、智能化安全技术、高精度地图和定位、智能化测试评价技术以及智能汽车相关的标准法律体系等若干子系统。涉及到的更加具体的功能和关键技术还有行驶环境和车辆状态感知、驾驶行为预测与决策、行驶轨迹规划、关键线控执行机构、车辆三向运动控制、车辆多目标智能控制、电子电器架构、人机交互、智能计算平台、专用芯片与模块、车载信息交互、信息安全、测试评价方法与技术标准等。同时,还包括支撑这些技术实现的一系列高精度传感器、激光雷达、毫米波雷达、各种功能和用途等硬件以及各种人工智能算法和软件等。


目前,国内外各车企和研究机构均在投身汽车产品智能化技术研发,并且已经有大量的关键性技术被攻克,车辆的许多智能化功能正在测试和应用到整车产品中为大众服务。但是需要注意的是,汽车产品的智能化是一个长期而复杂的过程,还需要有更多的技术创新和测试验证来支撑。目前,多数人关注的汽车智能化的阶段性目标是实现汽车全无人驾驶,但是实现全无人驾驶不会是智能化的终点,在未来实现汽车全无人驾驶后,汽车产品功能和性能还将继续朝着更加高级的方向进步。


3.3 汽车“纵向”智能化发展


以数字化和智能化技术为基础,在互联网、大数据、云计算的支持下,汽车产业设计研发、生产制造、销售服务等全产业链条相关模式和生态都将发生重大变化,即本文所提出的涉及汽车全产业链的汽车纵向智能化。首先,个性化的批量定制将成为一种趋势,未来基于互联网平台,汽车制造企业与客户、市场的联系将更加紧密,用户可以通过创新设计平台将个性化需求提交给汽车制造企业,或直接参与产品设计,而柔性的制造体系可以高效满足用户的诉求。其次,服务型制造将成为主流业态。目前,汽车产业发展的主动权逐步从生产端向消费端转移,创新和服务逐步成为产业发展的重点。智能制造不仅改变着汽车的生产方式,也将颠覆汽车产业的商业模式。汽车企业与配套企业及用户的采购、生产、销售、财务等业务在电子商务平台上进行整合,将大幅提高产业链效率,降低成本。


智能技术的应用使汽车产业链向后端如通信服务、汽车共享等出行服务领域延伸。在向自动驾驶迈进的过程中,人-车-路-云协同的程度越来越高,出行服务越来越多地成为车企的重点关注领域甚至作为核心业务来布局,传统的汽车产业与信息服务方、道路运营方等之间的合作越来越紧密。目前,智能的车搭配智能的路的车路协同模式已经初步显现,智能化的车辆已经跟路侧感知、交通信号控制等密切融合,催生出新的车路协同的产业模式。未来汽车产业的边界将日趋扩展,产业链、价值链和创新链不断延伸,共同向人-车-路-云等多要素融合的未来汽车产业体系迈进。智能化技术也将进一步深刻改变汽车产业生态,促进汽车产业与制造业、服务业的各个领域不断融合。新的汽车产业融合体系将带动投资、就业和税收以及其它附加价值的增长,催生一个以汽车移动终端为核心,并向各相关方延伸的新价值体系,相关利益链也将深度调整和重构,拥有智能化的关键核心技术以及整体解决方案的利益方将成为新的赢家。


3.4 汽车“横向”智能化发展


汽车的智能化还将进一步融合智慧能源、智能交通、智慧基础设施等要素。未来智能化将逐渐成为汽车出行和运输服务的主要趋势,特别是智能汽车智能网联汽车与智慧交通系统紧密融合,将重塑交通格局,基于实时的信息交互,形成融合各种交通工具及基础设施信息于一体的多元运输服务新一代生态系统,实现出行效率的有效提升。新一代生态系统将包含智能交通设施、车辆、行人、云资源、控制管理系统、智能调度系统、能源分配系统等,实现更加科学、更加绿色、更加高效的城市道路交通运行。


智慧能源系统架构以智能微电网为载体,分布式能源为支撑,并通过对整个能源体系的“数字化管理”将多种供能形式有机结合与分配,实现能源的梯级利用和资源互补。新能源汽车可以控制得更为精准、运行得更为经济,从而更好地实现低碳和节能。智能交通是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统,从而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。智能交通系统是一个综合性系统,从业务层面可以分为终端层(主要负责数据采集、服务应用等)、支撑层 (主要负责数据信息的传输、计算、存储、处理等) 和应用层 (主要负责交通管理和服务)。该系统可实现对各路口、路段的车流量数据自动采集并进行智能分析,提供最佳的路口交通信号配时方案,并通过远程干预和微调,提高路口通行能力,实现通行有序化。因此,智能交通能够有效实现传统交通运输业和互联网的渗透和融合,形成具有“线上资源合理分配、线下高效优质运行”的新业态和新模式,从而提高公众出行效率,促进城市节能减排。汽车智能化发展将逐步实现自动驾驶,而自动驾驶将使全面的汽车共享成为可能,并将大大提高老年人、行动不便人群等弱势群体的移动能力,人们的通勤距离、聚居区域、出行方式等生活习惯将发生革命性变化,从而塑造全新的城市交通模式和生活形态。美国、日本、欧洲正在积极展开以汽车为主的未来城市交通出行模式探索与尝试,如密歇根州的MCity未来交通测试场,神奈川的机器人出租车项目,德国、荷兰与奥地利共同推进的协同式智能交通走廊等。


智能基础设施是物理基础设施和数字基础设施相结合的结果,可以提供改进的信息,以便使用者做出更好、更快和成本更低廉的决策。物理基础设施包括能源设施、水利设施、电力设施、通讯设施、市政设施、便民服务设施等,数字基础设施包括传感器、物联网、BIM/GIS、大数据、机器学习等。路网将具备全域感知能力,满足复杂的车路协同需求,可实现交通道路通信设施、视频监控设施、交通信号、交通标识标线的智能互联。未来,基于智慧基础设施,面向消费者的智能充电和智能交通服务,面向电网的智能互通服务,面向管理者的智能交通调度服务等智能服务将成为主流。


智慧城市建设要求通过以移动技术为代表的物联网、云计算等新一代信息技术应用实现全面感知、泛在互联、普适计算与融合应用。智慧城市的建设包括政务、交通、医疗、安防等众多方面,需要大数据、云计算、人工智能等各项信息技术的支持,更需要基础设施的建设与完善。智慧城市是当代社会城市发展的新形态,对于提升政府的服务和管理能力,促进产业结构升级改造和知识型人才的聚集具有极为重要的意义 。汽车智能化的发展推动智能交通系统的形成与发展,智能交通系统的发展与完善又为智慧城市系统提供强有力的支撑,智能交通系统作为智慧城市发展的重要一环,推动着智慧城市的蓬勃发展。智能网联汽车将加速智能交通基础设施的建设和应用,进而推动现代化城市交通系统的发展,同时将与智能电网、智能家居、智能办公等智慧城市的各个方面实现联动。


4 启示和建议


4.1 紧抓新一轮汽车智能化机遇,加快推动汽车与智能技术融合发展


在全球智能化浪潮的引领下,汽车智能化进程不可逆转,必将引领智能化技术的创新和突破。在这一轮智能化大潮中,我国在新能源汽车、互联网、5G 等领域的先发布局,已经使我国在汽车智能化发展方面具备了一定的先发优势。后续要持续加强以企业为主体的汽车智能化创新体系建设,着力推动国家制造业创新中心、国家技术创新中心等新型研发机构的发展,加强共性技术供给。加强基础研究、前沿技术和成果转化的体系建设,推动产学研协同创新和大中小企业集成创新的有机衔接。推动 5G、人工智能、自动驾驶技术在汽车领域的应用。加大对电动化、网联化、智能化领域专业和复合型人才的培养力度,补齐新兴领域人才需求短板,满足产业变革对新型人才的需求。


4.2 以提升汽车全产业链智能化水平为契机,加速推进产业体系智能化转型升级


从历史来看,无论是福特的流水线和丰田精益生产模式都带来了产业发展的革命性变化,并引领了一个时期全球产业体系的发展方向。在新一轮汽车产业智能化发展过程中,将以智能汽车为核心,引发涉及全产业链的巨大变革,产业分工和利益分配将被重塑。这将为处于上升阶段的我国汽车产业乃至相关联的新材料、化工、能源、交通服务等行业将带来巨大的发展机遇。我国在这一轮变革中将有很大机会更大程度地参与国际产业分工并掌握主动权。因此,我们要支持智能化优势特色企业做大做强,引导开展国内外有序重组整合、企业并购和战略合作。积极打造具有国际竞争力的智能汽车领军企业和知名品牌。优先推动智能化关键部件企业升级发展,引导智能汽车相关零部件企业高端化、集团化、国际化、集群化发展,打造安全可控的汽车智能化零部件配套体系。开展资源循环利用试点,打造产业链上下游联动的回收利用体系等。


4.3 在更大范围内统筹布局汽车产品和横、纵向智能化发展


推动汽车智能化发展,还需要发挥我国的体制和制度优势,不断完善多部门协调推进机制,加强组织领导,健全工作机制,破除制约跨产业融合发展的制度因素。组建跨产业融合联合体或联盟,整合产学研用等领域的优势资源,不断完善跨产业协同创新机制,研究解决技术协同攻关、标准协同制定等制约跨产业融合发展的关键问题。加快实现全网范围内“源-网-荷-储”智慧互动,建立完整的智能充放电通信传输体系,完善充放电服务体系。整合交通大数据资源,建设城市交通大脑,实现交通精细化管理功能落地。突破大规模新能源汽车云接入、云服务关键共性技术,研发区域与全局协同的城市交通智慧决策云平台。聚焦典型应用场景,强化智慧出行云服务能力,大力发展出行综合信息服务产业。完善国家V2X通信认证体系,对交互信息合法性进行验证,实施数据流动管理,加强个人信息保护,促进数据共享和使用。支持智能化道路基础设施,如车用无线通信网络、高精度时空服务系统、地图系统以及大数据云控平台等,加快推动道路基础设施数字化、智能化建设。



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