贾利民^1,2
（1. 北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044；
2. 北京交通大学 交通运输学院，北京100044）

摘  要：自主式交通系统（Autonomous Transportation Systems, ATS）作为人类智能向机器智能转移过程中形成的、具有典型复杂巨系统特征、处于发展演化初期的新型交通系统，尚无国际公认的定义和相关理论技术体系。本文介绍了ATS的背景及由来，研究了ATS的概念、内涵及组成结构，并在此基础上提出了ATS的发展路径及关键技术。为后续指导ATS高质、高效、有序的建设发展奠定理论基础和科学依据，ATS引领下的技术和应用创新将进一步提升我国交通系统的安全、效率、效能和环境友好性水平，促进交通绿色智能发展。
关键词：自主式交通系统；智能交通；发展路径；关键技术

　　0 引言
　　自主式系统作为人工智能的、自动化的、可以取代人类的功能系统，相关研究起步于上世纪的八十年代中期。该理念最早提出于国防和军用系统领域，并在极端恶劣和苛刻条件下、不适合人类操作的环境下，得到强化和较快发展。
　　本世纪初，自主式系统进入交通系统。北京交通大学贾利民教授团队，华北电力大学武平教授团队，清华大学李克强院士团队，北京航空航天大学王云鹏院士团队，公安部无锡交通管理研究所王长君团队，国家高速列车技术创新中心刘保明团队，武汉理工大学严新平院士团队等专家学者参考和总结美国、日本、欧盟智能交通系统、自主式系统架构和源于中国并具有国际普适意义的交通智能化需求基础上，尝试构筑了中国自主式交通系统架构，以引领了交通智能化技术的发展。其中，道路交通、轨道交通等不同类型交通方式在发展水平、所处发展阶段和发展路径上存在差异，不同的交通方式智能化水平差别也比较大。而面向未来交通系统技术和产业的变革性发展，在未来交通系统建设发展中摆脱“路径依赖”，研究形成“源于中国、普适引领”的自主式交通系统（Autonomous Transportation Systems, ATS）体系框架，是引领形成自主可控并具备国际竞争力ATS技术和产业体系的关键，也是科技创新支撑交通强国建设的迫切需求。

　　基于此，本文研究了ATS的概念及内涵，提出了立足中国、普适全球的ATS发展路径与关键技术体系，为ATS的中国发展和全球引领提供可遵循的模式与路线，支撑交通强国战略。ATS引领下的技术和应用创新将进一步提升我国交通系统的安全、效率、效能和环境友好性水平，促进交通绿色、智能发展。
　　1 需求分析
　　当前，我国交通系统在安全、服务、效率和可持续方面仍然存在诸多问题，面临需求不断增长、深化和多样化的挑战，在新兴技术赋能/使能下交通系统功能、性能和服务水平提升能力较发达国家差距还很大。

　　目前，在习近平总书记指明的“安全、便捷、高效、绿色、经济”交通发展目标引领下，我国已经形成了面向未来交通发展的、重大的、具有方向意义和战略意义的一系列规划和路径，如《交通强国建设纲要》、《国家综合立体交通网规划纲要》以及习总书记明确指出的构建立体现代化的城市交通系统，为我国提出了交通强国的战略目标，亟需与信息、材料和能源等领域新兴技术实现融合，进而提升我国交通系统的整体效能和科技水平。

　　作为人类文明基石之一的交通，其发展历史的各阶段表征了一个非常重要的理念和事实：交通作为集大成的行业和领域，一定是在新的使能技术的融合下满足自身的发展目标，同时在自身的发展过程中又带动了其他相关领域的发展。这是发展过程背后的动力以及支撑，这种动力和支撑实质上来源于技术融合和赋能，与信息技术的融合具有特别的重要性。ATS作为交通系统智能化的高级发展阶段，需要通过与信息技术的融合来实现。

　　综合化的过程同样也面临着通过融合实现的问题，综合化过程的本质是指通过信息层面、功能层面、物理层面、服务层面的综合发展，保障在有信息技术支撑下服务的连续性。自主化在整个综合运输或者交通运输系统综合化的过程中，也是不可或缺的，并处在一个相对高级的发展阶段。

　　从趋势上讲，过去人类既是交通系统中的被服务对象，也是交通履行其使命全过程的参与者。随着智能化技术的发展，人类在交通系统中作为感知者、决策者、执行者的作用逐步退化直至消失，而自主式交通追求的正是人类不断退出交通系统的服务功能，直到完全由机器来实现所有交通运输服务提供过程。

　　2 自主式交通系统的基本认知
　　自主式系统的研究起步较早，将该系统具体化为交通系统，即自主式交通系统，它的理念、本质、基础技术和已经发展起来自主式系统的区别本质上并不是很大，归根到底还是人在系统中起到什么样的作用，而人的作用的退出过程就是智能化水平和技术不断发展和提升的过程。发达国家在该领域的研究及应用已走在前列，我国仍然面临着继续扮演跟随者角色的现状。

　　基于此，为抢占新一代智能交通系统发展先机，在起点上规划出ATS系统的路径和结构体系，创建“以我为主、主动变道、兼收并蓄、原创引领”科技创新发展新模式尤为重要。2021年8月25日发布的《关于科技创新驱动加快建设交通强国的意见》，提到了加强ATS成套技术的研发，《“十四五”交通领域科技创新规划》中也提到了要创建ATS技术体系。这些政策也为我国ATS的研究、发展提供了引领和保障。

　　首先，本文研究了ATS的定义。ATS是在交通系统与智能、网络、数据、材料、能源等使能/赋能技术以及心理、认知和行为科学深度融合基础上，其组分物理/逻辑实体及系统整体具备可演进的自感知、自适应、自学习、自决策、自修复、自进化与和谐互操作能力，系统整体具有高度智能、高度弹性、高度适应性、高度开放性和高度自治性的新一代交通系统，是典型的多领域有机融合、结构和功能复杂，可以高安全、高效率、高品质地完成“位移+”使命的绿色体系化系统。该定义在不同ATS发展阶段有不同的具体要素反映，且可以在相当长时间的ATS发展过程中保持相对稳定，既反映实际的内涵，又反映实践的过程，并最终具有的新的性质。该定义明确了ATS的功能、方向、属性，也反映了与既有交通系统的差异化品质。其中一个很重要的理念，在于ATS的使命仍然是位移，这也是交通的本质功能。此外，ATS属于体系化系统（System of Systems, SOS），它不是单一要素的简单组合，而是非常复杂的，需要密切、深入探究其内在联系的系统。

　　其次，研究了ATS的演化过程。在研究探索的过程，以及形成国家与科技创新有关的重要性、战略性文件表述过程中，我们认为交通系统最重要的组分集是决策体、运载体、基础设施以及管理过程，这几大要素集及其互操作关系决定了交通系统的形态。在人逐渐退出交通系统功能实现过程中，决策体、运载体、基础设施和环境几大要素集间形成了不同的互操作关系，代表着不同水平及阶段下具有ATS特征的智能化交通系统，我们把ATS不同的发展阶段按自主化水平粗分为：现有交通系统、部分自主化交通系统、高度自主化交通系统和完全自主化交通系统（理想交通系统）。我们追求的理想系统就是环境、运载体和基础设施之间相互作用所形成的交通系统的功能和服务过程，完全由机器实现，交通系统变成一个无人参与的有机整体。人仅仅作为交通系统提供位移+服务的对象，不再介入到交通系统自身功能的形成、实施以及服务过程中。

　　3 发展路径
　　对于任何一个具有演进性质、清晰起点和明确发展阶段的复杂体系化系统，架构是其建设发展的首要环节和发展原点。本文研究定义并建立了ATS顶层架构，即面对不同自主化水平的交通需求，构建ATS功能架构，支撑功能之间相互关系的逻辑架构，以及作为技术承载体的物理架构，从功能、逻辑、物理层面对未来ATS演进过程的不同阶段做出完整的、可长期持续引领ATS基础技术和应用发展的架构，引领、约束和导向相关单元、系统和体系化技术的发展。

　　在架构的基础上，参考关于自动驾驶分级、自动驾驶基础设施支撑能力分级等体系，定义了不同阶段的“自主化水平”（Degrees of Autonomy, DoA），形成未来发展的可能路径。伴随着不同等级的自主化水平的提高，人参与其中的程度逐渐减少，在ATS的不同发展阶段，人与系统间呈现出四种关系：现在交通系统中，人在环内，高度介入交通系统运行各个环节；部分自主化系统中，人在环边，代表着人在中间起着最终决策者和控制者的过程；高度自主化系统中，人在环上，意味着人起到监督的作用，在非常异常、稀有的不被作为可能的惯常功能发生的时候，人可以具备接管的能力；在完全自主化系统/理想系统中，将追求最终的发展目标，即人不在环。

　　4 支柱性关键技术
　　初步认为ATS有五大类支柱性核心技术(Pillar Core Technologies--PCT)，可以分别相对独立地在使能技术支撑下演进，并在协同综合的基础上形成不同自主化水平的ATS。

　　1）自主式交通系统综合感知和态势辨识技术，完成对ATS内各组分、各功能及环境状态及其态势的综合感知与辨识。

　　2）自主式交通系统基础设施和路网数字化技术，其中包括了交通需求导向的数字技术（Digitization Technologies）和数字化技术(Digitalization Technologies) 。

　　3）自主式交通系统互操作技术，互操作技术决定了整个系统的结构和外部化功能体系，由完成同样互操作功能的不同技术，以及由同样技术支撑实现的不同目的的互操作机制共同组成。

　　4）自主式交通系统计算技术，该技术主要面向ATS全生命周期各阶段计算框架、计算模型的体系化、系统化构建，实现对交通功能、交通行为、交通状态的精准表达。

　　5）自主式交通系统集成技术，不同的组合可以定义适应不同场景、需求、功能和行为的交通系统。作为前四大类支柱技术各自按规律发展下的融合协同与互联集技术，集成技术可体现最终系统的整体结构和功能。

　　另外，还有一项赋能技术，自主式交通系统信息物理系统（Cyber-Physical Systems for ATS, CPS-ATS）技术，包括数字孪生技术作为其技术子集。装备、技术设施、功能、实体以及互操作关系的孪生，都是在CPS的架构下以交通组分的数字化为基础，通过数字侧和物理侧的互操作来体现的。该技术贯穿于整个ATS架构设计、系统设计、实现及应用全过程。

　　5 总结
　　交通系统永恒不变的使命是“位移”，不因任何技术的发展而变化，只是随着需求的发展不断附加新的其他功能，从而形成不断丰富和演化的“位移+”。交通系统组分的进化方向就是向无人化过渡，在吸取人类智能或者是生物智能的基础上，充分防范、补偿和减少人因负面影响。现在很多交通安全和效率问题与挑战都是人的影响因素负面效应带来的，如何克服、如何避免、如何减少、如何消除人因负面影响，实现机器对人的替代这个智能化的过程受到了广泛关注，而最终的目标是要实现高度智能化。ATS的发展使命就是构建以“安全、便捷、高效、绿色、经济”的交通系统，通过智能化技术实现交通系统的少人/无人化，从而实现交通系统的本质功能与核心使命——位移，使交通运输变成一个完全无摩擦、无缝、高效、安全、绿色和经济的位移保障与服务体系。