空旷的高速公路笔直地延伸至地平线，所以我抽出一点时间瞥了一眼汽车中控台上的电子显示屏。我迅速读出屏幕上的数字，然后目光回到挡风玻璃上，这时我看到……什么都没有。浓雾吞没了道路，我正盲目驾驶。在我能感觉到脚刹之前，一个清晰的警告——刹车灯般的红色矩形——闪烁在挡风玻璃上。我没有多想，猛踩刹车踏板，大声咒骂。我的车仓促停了下来，一辆抛锚的汽车突然从前方的迷雾中出现。
我还没来得及呼气，明亮的灯光就照亮了四周，乘客舱内响起了不和谐的笑声。我突然想起，我正坐在位于密歇根州迪尔伯恩市福特研究与创新中心的 VIRTTEX（虚拟测试跑道实验）驾驶模拟器实验室里。这个巨大的蛋形模拟器圆顶使那里的专家能够在完全安全但高度逼真的虚拟现实条件下进行驾驶测试。对讲机里传来的无形的笑声是控制室技术人员在嘲笑我短暂的慌乱。
在过去的 15 分钟里，他们向我抛出了各种任务——每一个任务都旨在展示分心驾驶的危险。我的工作之一——实际上是最后一个工作——是在被要求时看向中央显示屏，并在不失去车辆控制的情况下报出那里出现的数字。视线离开道路超过两秒钟，发生碰撞或险些碰撞的几率就会增加一倍。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在随后的汇报中，VIRTTEX 实验室的技术负责人迈克·布洛默告诉我，在最后任务中弹出的挡风玻璃警报是由沃尔沃汽车上的前方碰撞警告装置生成的视觉警报。该系统就像一个电子守护天使，通过雷达和摄像头监控前方交通状况，并在感知到危险时向驾驶员发出信号。他指出，该警告与标准红色刹车灯的显著相似之处并非巧合：“工程师选择该特定信号是因为其含义对每一位经验丰富的驾驶员来说都直观明了。即使你以前从未见过它，你也确切地知道它的含义并采取了纠正措施。”
该系统只是旨在避免交通事故的最新一代先进安全设备的一个例子。尽管这些技术目前在许多高端车型上都有配备，但它们也开始普及到成本较低的汽车和卡车上。下一代主要的防撞技术应该会更加有效，因为它将能够在没有任何驾驶员输入的情况下自动启动刹车。这些以及相关的安全功能可能预示着汽车的新时代，在这个时代，车主越来越愿意接受道路上的自动化辅助，即使这意味着将他们对车辆的传统掌控感让渡给机器人系统。专家表示，在几十年内，许多先进汽车将能够避免大多数碰撞事故。事实上，在某个时候，它们将能够自动驾驶。
安全趋势
这些创新的主要动机非常明确。美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 的数据显示，2006 年美国发生了约 600 万起机动车交通事故。这些事故导致近 39,000 人死亡和 170 万人受伤。当年涉及碰撞事故的 1060 万辆汽车中，几乎 95% 是乘用车或轻型卡车。与此同时，尽管人们不断呼吁加大对公共交通的投资，但美国的道路只会变得更加拥挤。世界其他地区，特别是汽车拥有量激增的发展中国家，也普遍存在类似的情况。
梅赛德斯-奔驰的约尔格·布鲁尔表示，事故统计数据表明，驾驶员失误是道路安全问题的主要原因。“例如，当前方车辆突然减速时，驾驶员可能难以判断刹车力度，”他说。“而且，你会浪费宝贵的微秒时间来判断危险的严重程度。” 因此，“许多人刹车太晚、力度太小或根本不刹车，”他解释说，因此梅赛德斯-奔驰及其竞争对手正在努力提供自动刹车辅助功能。
还有两个趋势也在推动汽车自动化程度的提高。首先，世界上大多数驾驶人群的平均年龄正在迅速上升。随着驾驶员的机能和能力下降，技术可以越来越多地弥补这一不足，以确保车内乘客和道路上其他人的安全。
第二个趋势不太明显。目前，更环保、更节能的汽车风靡一时。大多数此类努力都集中在开发更节能的发动机上，但工程师可以通过制造更轻便的汽车来实现同样的效果。不幸的是，这种“轻量化”通常会导致车辆结构不够坚固，在碰撞中更容易受到损坏。能够避免事故的汽车可以在一定程度上弥补这一缺点。
另一方面，一些因素正在限制先进安全技术上线速度。它仍然相当昂贵。此外，汽车制造商仍然担心因安全系统故障造成的伤害或死亡而可能产生的任何代价高昂的法律后果。或许最重要的是，汽车制造商小心翼翼地不过多侵犯客户对公路机器的强烈控制感，因此他们专注于向驾驶员宣传最新功能的好处，同时推出这些功能。这种努力归根结底是要建立对新功能的信任。
生存下来
一些有助于驾驶员预防事故或减轻碰撞伤害和损坏强度的第一代技术（在业内被称为主动安全系统）已经为人所熟知。（所谓的被动安全功能，例如安全带、安全气囊和可溃缩或碰撞吸能区，在发生碰撞时保护您。）1978 年上市的防抱死制动系统 (ABS) 改善了转向性能，并在有人猛踩刹车时加快减速。“ABS 是传感器首次被允许‘感知’危急驾驶情况，然后自动采取行动来减轻这种情况，”布鲁尔说。
牵引力控制系统 (TCS) 是接下来推出的主要主动安全技术。它们可以防止发动机驱动的车轮失去牵引力，从而在驾驶员踩下过多油门（发动机节气门）时提高车辆的整体控制性能，从而产生超过路面条件所能承受的扭矩（旋转力）。
TCS 之后是增强型稳定性控制系统，或 ESC。这些系统不断监控方向盘的角度和车辆的行驶方向；后者通过侧向运动速度、汽车相对于其中心轴的角度以及车轮的转速来评估。当 ESC 系统检测到侧滑时，它会尝试通过选择性地启动使汽车轨迹变直所需的刹车来短路侧滑。它还可能会降低发动机的动力，直到汽车恢复正常。
梅赛德斯-奔驰和丰田的研究表明，ESC 的安装可将单车事故减少 29% 至 35%，并将正面碰撞事故减少 15% 至 30%，这在美国每年可转化为数千条生命和数百亿美元的损失。NHTSA 最近决定到 2012 年将 ESC 技术作为总重量低于 10,000 磅的车辆的标准配置，这突显了 ESC 的显著成功，罗伯特·博世公司车辆运动和安全部门的凯·斯特珀在密歇根州法明顿希尔斯报告说。新规的一个预期好处是 ABS 和 TCS 将成为所有汽车和轻型卡车的标准配置。
网络化安全
斯特珀继续说道，此外，ESC 是新一代安全系统的关键，该系统利用车辆传感器、驱动装置和计算机之间的网络通信。由于 ESC 使用加速度或重力传感器来监控车辆的整体运动，因此它可以为中央监控和控制器单元提供有效应对迫在眉睫的道路威胁所需的信息。“直到最近，车辆中不同的安全子系统都是彼此独立工作的，”他说。“但是，通过将组件联网在一起，使它们能够相互通信，我们可以实现增强的功能，甚至全新的功能，通常使用相同的设备，甚至更少的设备。”
考虑一下这种转变的一个例子：为了在碰撞中触发展开，博世当前的侧面碰撞安全气囊系统依赖于两个独立的传感器来验证侧面碰撞正在发生——一个在车门中检测压力，另一个在稳定性控制单元中测量加速度。“不幸的是，您必须等到验证之后才能启动安全气囊，因此您会损失宝贵的毫秒时间，这在碰撞中可能是永恒的，”斯特珀指出。但在最新的网络化方法中，监控车辆运动的中央“黑匣子”控制器可以从 ESC 的加速度传感器接收有关偏航的信息——即车辆绕其垂直轴旋转，表明车辆正在侧滑——并准备在车门压力传感器关闭时立即展开侧面安全气囊。
汽车行业才刚刚开始通过将许多以前独立的安全性子系统集成到网络中来利用这些潜在的协同效应，以便所有子系统都可以获得关键信息。斯特珀总结说，这种改变应该可以节省成本，“因为完成相同的任务将需要更少的传感器。”
碰撞警告
在安全系统中，更令人兴奋的是警告和帮助避免与前方车辆或其他危险发生碰撞的技术——我在福特模拟器中以及在不同的测试跑道上试用过其中的一些版本。前方碰撞警告系统基于相对较新的自适应巡航控制装置，该装置依靠雷达数据来保持两辆车之间预设的距离或时间间隔。
更新的“停止和启动”自适应巡航控制系统使在缓慢移动的交通中行驶变得更加容易，因为它们可以精确地跟随前方汽车的停止和再次启动。添加摄像头和复杂的软件控制算法构成了一个基本的碰撞警告系统。
大陆汽车系统公司位于密歇根州奥本山的迪恩·麦康奈尔表示，这些设备需要将雷达与摄像头结合使用，因为每种设备都具有不同的功能。“雷达可以判断是否有物体在那里，并且可以测量到障碍物的距离，但它们在对物体进行分类方面不太擅长。视频摄像头系统可以区分重要物体（例如汽车）和不重要的物体（例如街道上的沙井盖）。” 他解释说，只有将它们结合起来，才能有信心地确定何时可能发生危险的正面碰撞，并且需要刹车。
麦康奈尔指出，在典型的安装中，远程 77 吉赫兹微波雷达传感器监控前方 400 至 650 英尺的范围，而短程 24 吉赫兹雷达单元扫描前方数十米范围。它们的广角摄像头可以识别大约 130 至 165 英尺远的物体。当警告系统确定汽车正以过快的速度逼近前方汽车时，它会轻推刹车踏板、闪烁刹车警报或激活其他信号，并通过预压液压刹车管路为瞬时启动刹车做好准备。如果驾驶员没有采取任何行动且碰撞迫在眉睫，则系统会自动减速车辆，至少可以减轻任何碰撞的影响。许多人将该技术比作将汽车的碰撞吸能区向前延伸。
自动刹车
今天的碰撞警告系统为未来的主动安全系统指明了方向，这些系统可以自动踩刹车或将汽车驶回车道以完全避免事故。但是，成功地部署故障安全、全速版本的此类技术要困难得多，并且还需要 5 到 10 年的时间。
沃尔沃在其 XC60 车型中率先尝试了自动刹车，推出了 City Safety 功能，这是一种低速碰撞避免和缓解系统，可在时速 20 英里以下运行。沃尔沃位于瑞典哥德堡的托马斯·布罗伯格表示，City Safety 旨在解决低速（通常是城市）轻微碰撞问题，在许多地方，轻微碰撞约占所有汽车碰撞事故的四分之三。大多数轻微碰撞都是由分心驾驶员造成的。尽管这些事故很少导致死亡，但它们经常导致挥鞭伤，并且布罗伯格指出，“对社会造成了非常大的损失。”
City Safety 配备红外激光测距仪，可发出光束并寻找前方 20 至 25 英尺物体反射回来的光线。接收器测量两个物体相互靠近的速度，并在必要时准备紧急刹车以快速响应。“如果驾驶员在这种情况下不做任何事情，系统将自动刹车，”布罗伯格说。“此时它不会发出警告，因为它只会让驾驶员感到困惑。” 事后，系统会通知驾驶员 City Safety 已启动。
布罗伯格说，升级到全面的全速自主刹车系统将很困难，因为确保它在危急情况下采取的任何行动都是正确的举措具有挑战性。“制造自动刹车的汽车很容易，”他观察到。“诀窍是确保它在不应该刹车时不会刹车”，并确保“每次都能采取正确的行动”。到目前为止，沃尔沃、其他汽车制造商和安全系统供应商仍在进行测试，以确保他们的系统超可靠。例如，他们正在将这些系统安装到世界各地不同环境中的汽车中——通常由普通客户拥有。大多数时候，新系统处于非活动状态，但它们会记录是否会做出正确的决策。
保持在车道内
前视摄像头是警告驾驶员车辆何时偏离车道的设备中的关键组件。摄像头跟踪车道标记，并注意车辆何时偏离它们定义的路径。
日产是率先推出此类技术的汽车制造商之一，日产北美公司位于田纳西州纳什维尔的亚历克斯·卡迪纳利报告说，日产正在推出升级后的车道保持技术。“我们的新型车道偏离预防系统可防止驾驶员因注意力不集中、分心或困倦等原因而不经意地漂移出车道。它通过在一侧车轮上施加制动输入来干预，从而产生偏航运动，使汽车回到车道内。” 除了使用安装在后视镜上方的摄像头监控车道标记外，该装置还会考虑车辆的速度和驾驶员的转向操作。
我有机会在底特律南部柔和的乡村地区的博世美国测试机构外进行的一次试驾中演示了类似的系统。在三位博世工程师坐在乘客座位上的情况下，我们行驶在一段几乎空旷的笔直双车道公路上。当道路畅通时，我旁边的研究人员通过几次笔记本电脑按键启动了系统。然后我将汽车驶入相邻车道，方向盘和座椅开始抖动，就好像我们刚刚驶入“搓板”土路一样。信息很明确：回到你的车道。我们继续尝试了几个类似的基本概念的实施方案，只是警报信号变成了蜂鸣声、提示音和仪表盘灯。拨动转向灯会覆盖车道保持功能。
我很快发现，我最习惯研究人员称之为“浴缸模式”的类似老虎机的动作，指的是他的笔记本电脑屏幕上机器对转向偏差的响应图的倾斜侧面。每次我转动方向盘将汽车驶离我的车道时，一股相反的力都会非常平稳地将车辆导回我的车道。当我评论说我会发现“非常容易习惯在浴缸中央行驶”时，工程师们满意地笑了。
避免被盲点
车道保持系统的对应物是盲点检测系统，该系统使用侧面安装的超声波或雷达传感器来查看相邻车道，并在驾驶员盲点区域内有车辆时通知驾驶员。在目前市场上销售的大多数此类系统中，当车辆占据这些区域时，后视镜中的警告灯会亮起。麦康奈尔表示，盲点检测器在尝试过它们的驾驶员中越来越受欢迎，但该技术“实际上可能在商业市场中发展得更快，因为所有卡车都有很大的盲点。”
盲点技术的延伸是由系统提供的变道辅助功能，该系统会告知驾驶员相邻车道中的汽车何时快速逼近，甚至阻止他们转向这些车道。在这种情况下，麦康奈尔说，传感区域扩大到“几个车身长度，大约 165 英尺，在后面。” 一项相关技术旨在避免当驾驶员倒车碾过一个小的、看不见的孩子（通常在车道上玩耍）时发生的 ужасные 情况。这些倒车保护系统可以在接触之前检测到孩子或物体并使车辆停止。他报告说，NHTSA 正在与汽车制造商及其供应商进行讨论，以解决这些可怕但——值得庆幸的是——相当罕见的事件。
麦康奈尔预测，未来将会出现能够识别和避让道路上的行人和动物（例如鹿），甚至在夜间也能识别和避让的安全系统，以及交通标志识别系统，例如，防止驾驶员闯红灯和停车标志。
所有这些先进传感器系统的组合，特别是如果它们是联网的，可以在车辆周围建立一个虚拟的“安全气泡”，可以检测到附近几乎任何危险。但这样的车载系统可能很复杂且成本高昂，可能超过车主愿意花费的金额。
汽车对话
由于成本问题，许多汽车制造商正在研究一种替代的、
成本较低的方法，该方法涉及通过无线通信（与短信相比没有复杂多少）将车辆和道路基础设施连接起来。通用汽车研发执行总监艾伦·陶布表示，“与其依赖汽车自身的车载传感器套件，不如通过查询其他车辆和附近的道路标志和交叉路口来了解附近发生了什么？”
这种车对车 (V2V) 和车对基础设施 (V2I) 系统“将使驾驶员能够看到超出视觉范围的地方。例如，假设前方街道上停着一辆车，但它就在拐角处，”陶布说。“车载系统可能无法及时感知到它，但附近经过的汽车可能会感知到。” 或者，具有内置无线通信节点的交叉路口管理系统可以告知注意力不集中的驾驶员，他的汽车即将闯红灯。如果需要，它甚至可以踩刹车。
该概念的部分巧妙之处在于它是低技术的：汽车和道路将仅配备基本的传感器，例如全球定位系统 (GPS) 定位设备、一些计算能力以及兼容的无线短距离无线电发射器和接收器单元。陶布指出，并非每辆车最初都需要配备这些设备：“即使只有 5% 或 10% 的车辆普及率，您也能获得一些安全效益。”
但该方法也有缺点。这两个系统都要求在一个国家销售汽车的所有汽车公司都同意一致的通信标准，这至少需要时间来建立。尽管为汽车配备在道路 V2I 网络中运行的设备不会花费太多，但在整个道路基础设施中安装所需的设备可能会很昂贵。一项估计表明，在美国建立全国性的 V2I 系统将耗资一万亿美元。
尽管如此，有关 V2V 技术的谈判仍在感兴趣的各方之间进行，包括丰田、通用汽车、日产等，特别是日本和中国的研究机构正在开发 V2I 原型。
自动驾驶
一旦目前正在开发的安全系统和自主导航技术实现了真正万无一失的可靠性，并且驾驶员完全接受它们，那么预见到能够自动驾驶的车辆就不足为奇了。事实上，研究人员已经表明，这种汽车是可行的。
2007 年，一辆经过改装的雪佛兰 Tahoe，昵称“Boss”，以及几辆类似的无人驾驶汽车成功地在加利福尼亚州维克托维尔的一个逼真的城市街道景观中导航，该景观配备了其他汽车甚至交通拥堵。这些无人驾驶汽车和卡车正在参加美国国防高级研究计划局的城市挑战赛，这是一项旨在证明机器人公路车辆可以变得实用的比赛。此后不久，通用汽车首席执行官小 G. 理查德·瓦戈纳预测，他的公司将在 10 年内将自动驾驶汽车推向市场。这种预测可能有点乐观，但他的声明肯定指明了在不久的将来实现真正的机器人汽车的方向。
注：本文最初发表时的标题为“驶向零碰撞汽车”。