信息技术发展具有 20 年的周期律: 1970 年至 1990 年是发轫于 PC 的数字化,1990 年至 2010 年是互联网推动的网络化,而从 2010 年开始的这 20 年,我们面临的将是人工智能的寒武纪大爆发。
目前,人工智能炙手可热,创业公司如雨后春笋般涌现。从业者开始思考,如何让技术形成涟漪效应,促使产业非线性、跃迁式增长。
有人把人工智能和产业的关系比喻成 “ 葡萄干和面包 ” ,虽然葡萄干离开面包仍是葡萄干,但两者结合在一起就能创造出高价值的新品类。
笔者近年来一直在探索人工智能的产业机会,并得出结论:未来 15 年,智能驾驶将是人工智能所带来的增值最大的产业,没有之一。
首先,激活、重塑和创造多个万亿级市场。
激活汽车市场,智能、安全和人机共驾的新体验将重新激起人们换车的需求;
重塑出行市场,无人驾驶 + 共享汽车将解决如今困扰消费者和出行服务商的最大问题——司机成本和 “ 坏人 ” 风险。如果说当前的网约车只解决了 2 % 的出行,那么未来无人驾驶出租车可以将这个比例提升数十倍;
创造了新的消费经济和生产力市场——乘客经济。乘客在路上或消费,或工作,或娱乐,每一辆车都可以变成移动的商业地产。
其次,解决人类进入汽车社会以来一直无法解决的多个社会问题——交通拥堵(以及怠速行驶带来的废气排放)、事故频发、停车难等。无人驾驶如同具有千亿公里的驾驶经验和百万年驾龄的“ 老司机”,不疲劳、不路怒、不酒驾药驾、不随意加塞、也不用操心停车,可以根本性解决上述问题,真正满足人民群众对美好生活的向往。
智能驾驶的发展,可以分成4个阶段:
2004 年以前;
2004 年 - 2009年:第一个 6 年——孕育;
2010 年 - 2015 年:第二个 6 年——成长;
2016 年 - 2021 年:第三个 6 年——开花;
2022 年 - 2027 年:第四个 6 年——结果。
2004 年以前
自动驾驶的前世
1921 年 8 月,第一辆无人驾驶(实为遥控)汽车在美国诞生,美国陆军的一位电子工程师坐在后面的一辆车上,用无线电操控前面那辆无人车的方向盘、离合器和制动器。
1939 年的纽约世界博览会,通用汽车在 “ 未来世界 ” 展览上,预言 1960 年高速公路将具有电子轨道,与汽车的自动驾驶系统相配合,实现无人驾驶,直到驶出高速公路才切换回司机驾驶。
此后,通用汽车并没有把这个预言当做儿戏,而是在 1956 年展出了 Firebird II,这辆看似 “火箭” 的概念车有史以来第一次具备了自动导航系统。两年以后,Firebird III 问世时,BBC 现场直播了基于车路协同的无人驾驶,高速公路上预埋的线缆与车端的接收器通过电子脉冲信号进行通讯,展示了未来高速公路的无人驾驶形态。
实际上,真正具备独立自动驾驶能力的原型——Shakey,出现在 20 世纪 60 年代,诞生于斯坦福研究院(Stanford Research Institute),这个研究院后来改名为斯坦福国际研究院(SRI International),以发明了电脑鼠标和语音助手 Siri 闻名,它的另一重要贡献是机器人。
Shakey 是第一个具有完整感知、规划和控制能力(这也是后来机器人和无人车的通用框架)的机器人。Shakey 之父是科学怪才查尔斯·罗森(Charles Rosen),也是斯坦福国际研究院的创始人。猎奇的媒体对 Shakey 做出了超出其实际能力,甚至耸人听闻的宣传,末日论第一次泛起,这让科学家们颇为尴尬,而这也是人工智能学界第一次与媒体结下了梁子,后来无数次反复。
如果说 Shakey 只是个在室内移动的机器人,那么 “斯坦福车(Stanford Cart)” 则是第一辆接近于无人驾驶汽车的机器人。汉斯·莫拉维克(Hans Moravec)被誉为“人工智能最坚定的支持者”,在他的领导下,“斯坦福车”取得了巨大进展。莫拉维克的团队研发了很多新技术,例如,用单一摄像头计算场景的 ,后来 Mobileye 采用了类似技术。多数情况下,“斯坦福车” 需要通过远程图像来操控,有一次它逃脱了控制,直接驶入了繁忙的道路,当莫拉维克从监视器中看到一辆真实的车辆从 “斯坦福车” 边上呼啸而过,大吃一惊,于是追捕“叛逃机器人”成为无人车历史上诙谐的一笔。
莫拉维克在机器视觉的探索中遭遇了很多挫折,后来提出了著名的莫拉维克悖论(Moravec’s Paradox)——人类的高阶智能,比如推理、规划和下棋,计算机都能够轻易实现。而只有几个月大的婴儿就能驾轻就熟的低阶智能,如感知和运动配合,计算机都遥不可及。在 学习尚在襁褓之中的时代,科学家们还找不到头绪。
上世纪 80 年代,电视剧《霹雳游侠》(Knight Rider)中的 KITT 自动驾驶汽车风靡一时。几乎同时,汽车制造强国日本、德国和美国真正开始自动驾驶汽车的研发。日本的筑波工程研究实验室、德国的慕尼黑国防军大学与梅赛德斯联合团队、美国的国防高级研究计划局(DARPA)和卡内基梅隆大学,分别以 “ 摄像头为主、其他传感器为辅 ” 开发出不同的自动驾驶汽车的原型,并且在真实路况中展现出了令人信服的能力。
尤其是卡内基梅隆大学的 NavLab ,在 1995 年完成了从匹兹堡到圣地亚哥的 “ No Hands ” 跨越美国之旅,其中 98.2 % 的里程由无人驾驶完成,虽然车辆速度不快,但即使放到今天来说,这样的成果仍然非常了不起。这辆后来进入 “ 机器人名人堂 ” 的无人车是基于 Pontiac Trans Sport Minivan(小型多用途车)改造的,主要原因是相比轿车,Minivan 能塞进去更多的设备。后来 Waymo 也是采用了菲亚特克莱斯勒的 Minivan “ 大捷龙(Pacifica)” 作为无人车的改装基础。
90 年代末的另一个创举来自意大利帕尔马大学视觉实验室 VisLab ,他们利用双目摄像头组成的立体视觉系统,在高速公路上实现了 2000 公里的长距离试验,无人驾驶占比 94 % ,而车速则达到了 112 公里/小时。
几乎与此同时,中国学术和产业界也开始了智能驾驶的探索。在清华大学,1978 年齐国光教授课题组开始研究自动驾驶,1986 年何克忠教授的 HTMR 课题组接力,到 HTMR-III,才真正有了接近自动驾驶汽车的原型车。
中国第一辆自动驾驶汽车是 90 年代初的 ATB-1(Autonomous Test Bed-1),由北京理工大学、南京理工大学、国防科技大学、清华大学和浙江大学五家单位联合研究,而后的 ATB-2 速度较之第一代提升了 3 - 4 倍,这些院校多数成为了后来中国无人驾驶人才的摇篮。
同样是 90 年代,中科院自动化研究所的王飞跃教授在美国也开始了无人车的研究。
与美国类似,中国在遥控驾驶方面的探索也较早,1980 年国家立项“遥控驾驶的防核化侦察车”项目,哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所和国防科技大学参与了该项目的研究。在第二个阶段来临的前一年( 2003 年),国防科技大学与一汽合作的红旗 CA7460 实现了高速公路的自动驾驶演示,峰值速度达到 170 公里/小时,并且实现了自动超车。
2004 年 ~ 2009 年
第一个 6 年:孕育
2004 年的 是美国国防高级研究计划局(DARPA)的无人车挑战赛 “ Grand Challenge ” 。时值 “ 第二次海湾战争 ” 刚刚开始,国防部注意到沙漠行动中的士兵伤亡,希望用无人驾驶来解决这一问题。
DARPA 挑战赛是美国的一项优良传统,国会拨专款,通过挑战赛发现那些变革性的、高回报的科研成果,极大地缩短了基础科学发现与军事应用之间的鸿沟。3 次无人车挑战赛、1 次机器人挑战赛(Robotics Challenge),以及 2018 年的航天发射挑战赛(Launch Challenge),使其天下闻名。
挑战赛要求无人车成功穿过240公里的沙漠道路,不出意料,2004 年所有车队在沙漠中折戟。这让随后 2005 年的挑战赛成就了一段光辉岁月。
卡内基梅隆大学的 Red 车队是夺冠热门,其负责人、机器人专家雷德·惠塔克(Red Whittaker)志在必得。他认为无人驾驶不是仅仅靠努力工作就能实现的,“ If you haven't done everything, you haven't done a thing. ”意思是你什么都得会,才能够取得成功,只懂某些方面等于零。这也间接道出了无人驾驶的高门槛。
在参赛队伍中,斯坦福大学的 “ 斯坦利(Stanley)” 无人车并不起眼,可是领队塞巴斯蒂安·特龙(Sebastian Thrun)矢志夺魁,他是机器人 SLAM(同步定位与地图创建)技术的先驱者,先前从卡内基梅隆大学失意出走,试图在这场比赛中夺回尊严。无人驾驶车的传统三强是卡内基梅隆大学、斯坦福大学和麻省理工学院,但在挑战者当中还有一个来自加州大学伯克利分校的年轻人,安东尼·莱万多斯基(Anthony Levandowski),这个身高 2L米、特立独行的年轻人以一辆名为 “恶灵骑士” 的摩托车参赛,吸足了眼球。
卡内基梅隆大学的两辆车一路领先,可下半程莫名的故障导致两辆车大幅减速,只获得第二名和第三名。“ 斯坦利 ” 虽然在比赛中出了几次事故,但没有大碍,在删除了一些无关紧要的代码后竟然越跑越快,最终斩获 200 万美元的冠军奖金。一直到 12 年以后,卡内基梅隆失利的原因才浮出水面,原来是引擎控制模块和喷嘴之间的一个过滤器坏了,使引擎失去了动力。“ 千里之堤,溃于蚁穴 ”,对待无人驾驶要有十二分的敬畏之心。特龙后来感叹,斯坦福能赢,纯粹是随机性发生作用。
在这次比赛中,很多车辆都使用了激光雷达、高精度的地理信息系统和惯性导航系统,直到今天这些仍然是很多无人车的标准配置。当然,那个时候的激光雷达可以说是千奇百怪,其中霍尔(Hall)兄弟做的激光雷达大如脸盆,这两兄弟是音响店的老板,又是 “ 格斗机器人 ” 的爱好者,从钻研机器人到研究激光雷达,成就了后来激光雷达领域的先锋 —— Velodyne。
笔者第一次接触无人车就是在 2005 年,当时英特尔研究院的 Gary Bradski(OpenCV 之父)帮助特龙的团队提升视觉能力,他力劝英特尔的市场部门赞助斯坦福车队,彼时英特尔已经花了 10 万美元赞助卡内基梅隆大学,于是特龙给了个友情价—— 2 万美元,英特尔幸运地赢得了这个最终冠军的赌注。有趣的是,由于“斯坦利”全身已经贴满各种赞助商的商标,英特尔的标志只能贴在前车窗上,这是个很醒目的位置,而且昭示这是辆无人车(因为没有司机透过前车窗看后视镜)。
转眼到了 2007 年,DARPA 已经不满足于荒野的无人驾驶,开始 “ 城市挑战赛 (Urban Challenge)”。卡内基梅隆大学卷土重来,这次他们准备充分,组建了一支 40 人的队伍,其中包括大将克里斯·乌尔姆森(Chris Urmson)。除了两辆参赛的车辆,还有一辆补给车提供充足的零件替换。卡内基梅隆大学的惠塔克终于摘得桂冠。据说,这次卡内基梅隆大学投入巨大,以至于拿到 200 万美元大奖后依然没有填补亏空。在他们的装备库里,第一次出现了一种新型的 64 线激光雷达,为了让这件装备投入使用,卡内基梅隆大学的工程师编写了大量的驱动程序。霍尔兄弟的 Velodyne 提供了这一超级武器,从脸盆大小到花盆大小,凝聚了他们的很多心血。在其后的近 10 年间,64 线激光雷达成为全世界绝大多数无人车必须配置的组件。
两次挑战赛极大地振奋了科研届的信心,也培养了大量人才。据说谷歌的创始人拉里·佩奇(Larry Page)是个极客,他与特龙因为对机器人感兴趣而成为密友,对于无人驾驶,佩奇有了新的想法。他把特龙招来谷歌,先是在谷歌街景上小试牛刀,到 2009 年的时候,秘密成立了无人车项目 “司机(Chauffeur)”,并且聚集了一批在挑战赛中声名鹊起的名将,包括前面提到的乌尔姆森和莱万多斯基。
阿姆侬·沙书亚(Amnon Shashua)是一位视觉专家,属于麻省理工派,在斯坦福学术休假时是特龙的室友。作为希伯来大学教授,他创建了 Mobileye,是第一个试图产品化 ADAS(先进驾驶辅助系统)技术的先驱者。Mobileye 创建于 1999 年,到 2009 年时,走过了 “ 从 0 到 1 ”的苦旅,已经有多款车型安装了它的产品。创立之初,没有人想到它一直到 2014 年才敲钟上市,更让人没有想到的是,2017 年它被英特尔收购,而这 18 年,它走出了一条少有人走的道路。
DARPA 的无人车挑战赛激励了中国的同行。2009 年,在国家自然科学基金委员会 “ 视听觉信息的认知计算 ” 重大研究计划的支持下,首届中国 “ 智能车未来挑战 ” 大赛在西安举行,从此拉开了中国系列挑战赛的序幕。
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