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迈向平行轮胎

已有 3289 次阅读 2019-8-7 19:32 |系统分类:科普集锦

迈向平行轮胎

                                      ----《智能轮胎》序言

 

本书的写作,从策划到完成,用了整整20年的时间。看着眼前六百余页的书稿,往事历历在目,科研的辛苦与结果的无常,令人感慨。藉成书之机,简要回顾,权为序。


20世纪末,我的研究重点转向后来称为社会计算和平行系统的领域,但相当一部分精力仍花在智能交通方面,并在中国科学院自动化研究所建立智能交通实验室(Complex Adaptive Systems for Transportation, CAST)CAST的任务有二:首先以智能交通为主,力争建成一套能用于当时还在期望中的北京奥运会的系统;再以智能汽车为辅,开展基础理论和原型系统研究。因为在完成CaterpillarAutoDig(自动挖掘)和亚利桑那州的VISTA远望无人车,是Vehicles with Intelligent Systems for Transport Automation的英文缩写)项目之后,感觉由于法规和人性习惯,无人的智能车在50年内都难以普及应用,但此项研究在年轻学子和社会上具有很大的吸引力,而且涉及计算机、人工智能、力学、控制、电子、机械、动力等多种学科,是培养和锻炼人才的绝佳课题。


基于这种考量,我们在1999年为CAST规划了五个智能车的研究方向:一是嵌入式系统和实时专用操作系统,二是传感与控制,三是动力学与机电一体化设计,四是虚拟测试与验证技术,五是智能轮胎和网络化运维。2001年起,这也成了我的国家自然科学基金委员会杰出青年基金项目智能车辆核心技术及其应用的主要研究内容。


我将在国内招的第一个博士生王知学投入到第一方向,主攻实时任务的调度优化和汽车、道路、家庭,各类维护和服务中心之间的网络化操作系统。2004年我们与中国汽车技术研究中心合作,获得了国家科技部863重点项目支持,进行“vASOS-基于OSEK/VDXOSGi的嵌入式汽车软件平台与关键技术研发。当时中国汽车的电子部分占整车成本比例很低(2006年项目结题时,国内,普通汽车:约5%;中高档汽车:15%25%;高档汽车:无。国外,普通汽车:约18%;中高档汽车:35%45%;高档汽车:约50%),行业的有关单位都不愿参加此项目。后来山东省科学院很感兴趣,由其自动化研究所牵头,以我的名义在省里争取了一个300万的重点课题,后来又批数千万成立了山东省汽车电子技术重点实验室,主要由王知学负责,我做学术委员会主席。这个方向最近产业化的实践就是为二汽神龙完成的标致307”汽车的相关项目,规模达80万辆,但当时最急迫的任务是CANLIN总线技术的引入和集成。


第二个方向是我最不担心,可又难以展开的课题,因为当时难寻无人车的合作伙伴和试车场地,最后只好安排博士生李力利用VISTA项目的背景,于2005年完成英文专著《Advanced Motion Control and Sensing for Intelligent Vehicles》。同年,利用自己在美国拉斯维加斯主持IEEE智能车会议(2005 IEEE Intelligent Vehicles Symposium)的机会,劝说在会上做书展的施普林格出版社代表出版此书,理由是当时还没有这方面的研究专著。两年后,几番周折,施普林格出版社同意出版,可惜发行后销量甚少,直到2015年后情况才大为改善。十年后,在时任机械工业出版社副社长陈海娟女士的热情支持下,此书的中文版《智能汽车:先进传感与控制》得以发行。平心而论,此书中的一些理念,就是人工智能长足进步后的今天,也不见得落后。


因为曾学习研究力学多年,我对动力学与机电一体化的第三个方向有些偏爱,明知这不是智能车研发重点,还是坚持设立了这一方向,希望为将来的机电一体化设计与控制建立基础,扩展自己过去在柔性机器人手臂优化设计方面的工作。在美教书期间,我曾安排雷神公司Raytheon KD项目(Killer Vehicles,星球大战计划的一部分)的三位在职研究生建立过一个18个自由度的车辆动力学模型,虽然无法实时应用,但可以为深度仿真提供途径。然而,一段时间内我无法找到有兴趣且有能力从事这一方向的人员。无奈,只好动员从清华刚毕业的硕士生周群植做这方向的工作。群植花了三年多的心血,埋头一人完成了大量的工作,但由于其他更好的机会,最终还是放弃了这个方向,转入文本分析,获得博士学位后,在硅谷Apple实验室工作。两年前,我们在旧金山机场会面,就着眼前湾区的无人车热谈起此事,还真有一种先烈的感觉。至今,我还保留当年群植未完成的书稿《汽车动力学与控制基础》,但已无完成的欲望和气力。


最初,我并没有把第四个方向作为研发工作,而是将其看作是工程项目。研发VISTA时,我曾与通用汽车在亚利桑那州的两个试车场联系过,认为无人车技术虽然难上路,但在试车场可以发扬光大:以24/7的方式在各种路况和气候条件下试车。当他们告诉我试车员的工资和保险成本,特别是相伴的各种职业病(主要是胃下垂等病状)后,我更是觉得无人车可用于试车场。后来,我通过通用汽车OnStar(安吉星)公司的总裁David Acton先生向通用提交了一份无人车加数字化的试车场草案。之后听说通用将关闭其在亚利桑那的试车场,还以为会尝试自己的建议,但直到我把精力转到国内时还没有下文。


1999年初秋,由中国科学院自动化研究所一位老先生安排,我第一次赴长春一汽去见负责生产的一位资深副厂长,希望能在智能车方面合作。副厂长表示有兴趣在海南新的试车场中试一下无人数字试车场的建议,但是担心技术支撑问题。第二年我又带着访问中国的Acton先生与这位副厂长率领的一汽团队在京会谈,最后还是无果而终。不久,德国的奔驰和宝马都开始了将无人车和仿真用于汽车测试(不是设计,这方面工作很早就有)的研究。


就在我准备放弃这方面的计划之时,在访问公安部车辆中心时,有人向我推荐了交通部公路科学研究所的王笑京总工,并在他的安排下参观了交通部在通县(现为通州)的国家ITS实验基地:三千余亩,一片绿林!让我十分震撼,并提出将其中用于测试高速公路ETC的三百亩扩成数字化的无人车测试基地,这就是后来于2003年发表在《IEEE Intelligent Systems》杂志上的《Creating a Digital-Vehicle Proving Ground》一文的由来。虽然这一设想今天仍未实现,但数字化的虚实互补平行无人试车场的理念,目前已为许多专业人士接受,并在国家自然科学基金委员会组织的中国智能车未来挑战赛Intelligent Vehicles Future ChallengeIVFC)和江苏常熟的中国智能车测试基地得到了应用。自2009年起,IVFC的赛事和无人车的智能测试成为我和学生在无人车方面的主要工作,除了自己做了十多年的裁判长,博士生汤淑明和黄武陵也花了许多精力,特别是由此完成的无人车平行测技术在西安交通大学郑南宁院士团队、清华大学李力团队、青岛智能产业技术研究院和慧拓智能机器有限公司等多家单位的共同努力之下,已引发业内广泛的兴趣,相关文章《Parallel Testing of Vehicle Intelligence via Virtual-Real Interaction》(汽车智能的虚实互动平行测试)最近被选为《Science Robotics》杂志的人工智能焦点文章。


当然,在我眼中,最为曲折的还是智能轮胎这第五个方向。除了必需,研究智能轮胎的个人因素有三:一是20世纪80年代MIT有人提出机器人的直接电机驱动技术,我开始不解,后来觉得可用于汽车的轮胎直接驱动,或许可以减去许多机械驱动装置,这是自己第一次关注轮胎;二是在南亚利桑那州的露天大矿(Open Pits)做项目时,被比人高许多的特种矿山卡车用的轮胎吸引,特别是当我听说每条轮胎价格高达3万多美元,操作需要很高的技巧,相关维护和消耗是一笔巨大的费用后,对轮胎就更加好奇了;三是1997年夏天在洲际高速Ⅰ-10的图森至凤凰城路段上,由于轮胎胎面突然在高速行驶中剥离,险些酿成致命事故,让自己切身感到对轮胎实时监测的重要性,否则行驶安全和节能等优化措施就是空谈。


然而,谁可以开始这方面的研究?刚刚入学的博士生张向文引起了我的注意。除了他的力学背景外,直觉告诉我少语的向文可以静下心来专注当时信息领域里最不起眼极少有人研究的轮胎。本书的成稿,证实了自己当时的判断,只是向文的付出如此之大,是我没有想到的。


智能车项目启动之初,国企之外,我曾试图与两家民企合作,一是与刚拿到造车许可的吉利集团,曾委托山东省科学院自动化研究所的负责人给李书福先生写信,希望利用吉利的车建一支用于演示的无人车队,在中国重演一次美国1997年在圣地亚哥举办的无人车“Big Demo”,为吉利做广告,以此改变消费者眼里的摩托车汽车甚至农民车的印象,可惜无回应。二是与三角轮胎公司联系,研发智能轮胎。恰好此时美国交通部出台法规要求,200311月私家车的轮胎必须有气压监测系统(TPMS),这就是2000年爆发的著名的普利司通轮胎召回案和由此引发的TREAD国会法案的结果。在时任三角轮胎总工程师单国玲女士的大力支持下,中国科学院自动化研究所和美国亚利桑那大学与三角轮胎于2002年底合作成立三角智能轮胎研究中心。在此之前,我们已与三角轮胎合作完成了两篇智能轮胎论文,先后发表于《轮胎工业》杂志,这就是第1章参考文献部分的文[1]和文[2]。根据当时的文献检索,这是国内最早的智能轮胎文章。


研究中心成立仪式上的一段经历,让我终生难忘。时任亚利桑那大学工学院负责科研的院长,美国工程院院士J. Brent Hiskey教授专程由美赴威海参加成立仪式。会前检查文件时发现他的名字被拼成Whiskey,一种烈性洋酒,改过后打印出来,一看还是Whiskey!最后发现竟然是刚安装使用不久的编辑系统自动修改所致,一时成为智能的笑话!成立仪式之后的晚宴上,开始就要求他与大家一起按当地风俗连干三杯,否则,就不是诚心诚意。但Hiskey是一名虔诚的教徒,不但滴酒不沾,其教规让他连茶都不能喝。无奈之下,我只好代他,三杯之后立即呕吐不止,无法继续下面的活动。此事让我从一开始就对这一项目就有了恐惧之情,加上后来合作方负责人员之一脱离企业自己成立了经营TPMS产品的公司,研究中心项目没有做多少就终止了。


但研究还要进行,可一开始难题就出现了。在建模方面,发现轮胎与路面的摩擦模型众多,有名带姓的就有Dugoff模型、Burckhardt模型、LuGre模型等多个,但都不理想,加上当时GPS技术还不成熟,手头又无合适的测量手段,一时成为拦路虎。在技术方向,首选的声表面波(Surface Acoustic WaveSAW)技术虽然具有高精度、高灵敏、体积小、重量轻、功耗低、抗干扰能力强、结构工艺性好、便于大批量生产等许多优点,特别是可以无线无源化,对于轮胎极为理想,但当时无经费购置相应的设计测试环境和工具,加上大家对SAW封装工艺和温度对其测量精度的影响没有把握,最终只对SAW轮胎传感器的建模、仿真、设计、工艺、材料优化等问题做了一些力所能及的研究。这期间,我安排了李力和群植等协助向文完成了一部分工作。


不久,向文博士毕业,赴桂林电子科技大学任教。我曾想安排他在国外进修一段时间,但当时很少有人从事这方面的研究。离京前,我约向文深谈,希望他不要放弃刚开始的方向,我也将尽可能地支持他的研究。后来,为了让他更好地了解国际上智能轮胎的研究现状,加上此领域专家奇缺,我力主资历还浅的向文担任IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems的编辑。让我没有想到的是,做事一贯认真的向文处理稿件极其认真,在审稿方面耗去了大量时间,最后不得不辞去这项工作。


独立工作后,向文一直与我保持联系,继续智能轮胎的研究,取得了许多进展,并得到国家自然科学基金委员会等机构的有力支持。2007 年,我们完成了本书的英文初版《Intelligent Tires: Modeling, Sensing, and Analysis》,由硅谷的Westing Publishing Co 出版。这是一家由朋友在美创办的出版社,为了表示对其的支持,我们在第一方向的《嵌入式系统的组织与设计——基本方法与应用》(作者:王飞跃, 赖关丕, 艾云峰, 李乐飞, 黄锋),还有一本 Recent Advance in ITS》,共三本书都交其刊发,可惜公司不久就不再出版科技类著作。


后来,向文的研究一大部分转向电动汽车,并得到学校和地方的大力支持。2013年,武汉一家经营公交轮胎的企业对我关于采用平行技术实现轮胎网络化运营的设想感兴趣,商谈合作,我推荐了向文,希望他能借此进一步开展智能轮胎的研究。再后来,航天科技集团有关部门与深圳合作,计划在一个新区建立智能轮胎研究和运营中心,条件优厚,我动员向文参加,但因电动车的工作刚上台阶,他只能放弃。


无人车的世界热潮开始之后,我又一次与向文深谈,建议花时间完成《智能轮胎》中文版,因为我发现当时至少市面上还没有此类专著。更大原因是我认为应尽快启动智能轮胎研究,这对无人车的性能和安全至关重要。2016年的暑期,向文赴京,在我办公地点附近,集中精力专注本书的写作。基本框架商定之后,我安排相关学生和同事为其做些辅助工作,主要是建立了一个针对本书写作的智能轮胎知识(情报)服务平台系统。本书的附录里列出其初步的功能,希望有机会进一步完善,将来成为一个支撑大家从事智能轮胎研究和开发的开源平台。


初稿完成之后,已是2016年底。我花了三个多月的时间,才完成自己的修改意见,因为许多材料已超出当时我对智能轮胎的规划,有些内容自己读起来都感觉吃力了。一方面我为向文这么多年的坚持和认真所感动,一方面又为自己的一己执着而不安。如果当年向文没按我的指导而选择其他更加热门的课题,此般的辛苦,会有什么样的成就?当然,这是一个无法回答的问题。作为一名已有三十多年经历的研究生导师,印象里这是我第一次萌生这样的感想。


书稿修改完成后,没想到在阅读清样时我又有了新的想法,提出了许多新的修改意见。为此自己心里也有些不安,利用开会去桂林的机会,还与向文见了一面。没想到向文没有一句怨言,认认真真又花了数月的功夫,再次对书稿进行了全面的校订,也使本书的出版延迟了一年的时间。


我之所以坚持对轮胎的研究,是认为目前对轮胎的重视和研究远远不够,智能技术几乎还没有在轮胎上发挥作用。但轮胎对于车辆行驶的安全、对于环境保护的力度、对于行车效率及舒适水平的保障,至关重要,必须长期深入地研究。将来,我希望像本书最后一章所初步构想的一样,利用物联网、大数据、区块链和云计算等,使轮胎也成为虚实互动具有平行智能的智慧轮胎,成为确保各种车辆可以平安运行的平行轮胎


为此,我必须感谢向文,他在智能轮胎方向已经是我的老师,感谢他在相当程度上完成了自己在轮胎方面的愿望,更希望本书能够帮助更多的学者和工程技术人员投身智能轮胎的研究。在此,还要感谢在我轮胎研发之初给予极大帮助的单国玲女士和高彦臣博士,他们是中国轮胎行业发展的一线开拓者和见证人,感谢他们百忙之中审阅本书初稿并提出宝贵意见。王晓博士,陆浩、孙星恺、吕宏强、任志远等同事和学生也对本书做了许多支撑工作,在此深表感谢!


最后,借此机会,我要感谢机械工业信息研究院副院长陈海娟女士,还有机械工业出版社汽车分社的策划编辑孙鹏。他们曾多次赴中国科学院自动化研究所商讨本书的出版,为此项目付出大量心血和时间。没有他们的热情支持,本书的出版难以如此顺利。

王飞跃

中国科学院自动化研究所

复杂系统管理与控制国家重点实验室

2019316日于北京

 

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《智能轮胎》张向文王飞跃著北京机械工业出版社, 2019.





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3 张向文 张志镇 曹科才

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