李克强回清华从事智能汽车研发的经历

作者：李克强，来源：清华大学车辆与运载学院

时光荏苒，随着2020年的到来，我从国外回到母校汽车工程系工作已经过了二十年，从当时汽车系最年轻的教授变成车辆与运载学院（一年前由汽车工程系改名）的“老教授”之一了。

我是1980年从四川省资阳中学考入清华的，那一年我17岁。录取通知书上写的是“热能工程系汽车工程专业”。进校后才得知，为适应中国汽车工业的发展形势，学校接受了机械部的建议，决定在热能工程系的汽车和内燃机两个专业的基础上组建汽车工程系。所以我们这批1980年考进这两个专业学习的学生就成为汽车工程系的第一届本科生了。清华汽车专业是我报考的第一志愿，我很庆幸当年如愿以偿，也很高兴我能一直从事自己钟爱的专业，对汽车工程技术和汽车产业的发展能有深刻的了解和认识。在清华受到了扎实的数学、力学基础教育，高年级阶段先后学了夏群生、黄世霖、管迪华老师讲授的《随机振动基础》《工程信号处理》《实验模态分析》几门课程，并在夏群生老师指导下完成了“基于多点激励的汽车车架振动传递函数的测试”的本科毕业设计，成绩为“优秀”。这些是我后来从事智能汽车系统动态设计与控制方向科研的基础。

1985年我本科毕业后去了重庆大学，在何渝生、梁锡昌两位老师指导下完成了硕士和博士生阶段的学习。其中硕士论文工作是在国家“七五”科技攻关项目支持下完成的“汽车微机实验模态分析系统”，我在通用微机上增加A/D转换器和FFT处理器，并在模态理论分析和实验测试的基础上，开发完成了数据采集、频谱分析、系统模态参数辨识、灵敏度分析及动画显示全套功能软件，实现了汽车结构动态系统的实验模态分析。当时的软件编程是基于汇编语言和在DOS环境下的BASIC语言等，所开发的系统可替代昂贵的进口模态分析专用计算机，我作为第二完成人所取得的成果曾在1988年中央电视台的新闻节目中被报道。我的博士论文“汽车车内噪声特性研究”是基于我1992-1994年在日本五十铃汽车公司车身技术中心两年从事汽车结构振动噪声分析与控制工作而完成的，我提出了一种车身结构振声灵敏度实验分析与评价新方法，可降低因车身结构及车内声场耦合系统非线性带来的误差，使测试误差从原方法的23%降低到7%。该成果被日本同行评价为“在日本汽车技术领域也属最高水平”，并被日本汽车技术权威专著《自动车振动噪声低减技术》收录。1997年我第二次去日本，在那里又待了三年多，先后在东京农工大学和运输省交通安全与环境研究所从事汽车结构主动控制技术研究，并开始涉足那时在国外汽车行业刚刚起步的智能汽车相关研究，包括汽车的运动控制和自适应巡航控制（ACC）性能分析和评价，相关成果被当年的《日本自动车技术》年鉴介绍。通过上述研究工作，我在汽车动态设计和控制领域，从理论分析到实践应用、计算机软硬件应用等方面，有了很好的历练，为我此后回清华从事智能汽车研究打下了坚实的基础。

2000年在连小珉和夏群生老师的推荐和帮助下，我申请获得了清华大学“百人计划特聘教授”资格，时隔15年又回到母校，开始了汽车领域人才培养和智能汽车科技研发的历程。刚回来时，国内汽车界对智能汽车的研究尚属起步阶段，不像今天已成为研究的热点。我很幸运，能利用学校百人计划200万元的资助（在2000年时是相当大的一笔科研经费），很快搭建了包括毫米波雷达、激光雷达、dSPACE控制系统及电控液压装置等在内的智能汽车实验平台。同时，联合一汽、二汽等企业通过激烈竞争，我牵头申请到了“十五”国家科技攻关计划项目“智能交通系统技术及示范应用”中唯一与智能汽车相关的项目——“汽车安全辅助装置开发”。这些使我在清华开展智能汽车领域的研究有了一个好的开端。我和我的团队聚焦在智能汽车“系统动态设计与控制”的研究方向，以提升汽车交通的安全与节能为研究应用目标，通过20年来持续承担国家项目（863、973、重点科技计划、国家自然基金等）及开展国际合作研究（与戴姆勒、丰田、通用、英特尔、斯坦福、东京大学等国际知名企业及高校），建立了“结构共用、控制协同”的汽车智能安全与节能技术体系，并取得了三项主要成果。

（1）提出了汽车智能驾驶系统的结构共用架构，研发出传感器共用型汽车智能节能系统，实现了汽车智能化和电动化两者融合构型及其产业化。由于现有的汽车智能驾驶系统的构型仍沿用传统的功能叠加架构，导致部件配置重复、软硬件设计割裂，且该架构下汽车智能化和电动化两系统相互独立，难以协同，综合性能欠佳，这是汽车智能化发展中的国际性难题。为此，我们提出了汽车智能驾驶系统的传感器及控制器结构共用设计方法，通过交通场景驱动的传感器组合优选和控制器计算资源的虚拟分块调度，并设计智能驾驶功能子任务的定量评估及系统区块资源的动态匹配机制，这样就可以突破软硬件设计割裂、资源利用效率低下的难题，实现部件共用、信息共享和功能协同的汽车智能驾驶系统新架构。我曾受邀在2012年德国工程师年会（VDI）智能汽车主题会上做报告介绍这一成果。同时，我们还突破了传感器共用型汽车智能节能驾驶关键技术，通过共用前向测距传感器的信息、建立汽车驱／制动系统功率需求的动态预测方法及其工作状态的动态优化技术来提升行车过程中电能与机械动能的转换效率，解决因驾驶人操作随意性大而导致动力利用效率低的难题，可以在安全自动跟车的同时得到节能效果。我们团队所研制的汽车智能化与电动化两者融合构型产品，已经实现了在我国汽车行业的批量前装配套，相关成果获得了2018年国家科技进步二等奖。

（2）发明了汽车多目标协同的智能安全控制方法及技术，研制出控制协同型汽车智能安全系统并实现产业化。汽车智能安全系统是现阶段可实用化的智能汽车产品，然而我们研发该类系统面临两大难题：一方面，我国道路交通场景复杂，现有民用低成本感知技术难以适应；另一方面，安全系统设计往往忽略驾驶人习惯和节能需求，导致系统多性能目标协调不足，用户接受度低。针对汽车智能安全系统的协同控制，我们提出了适用于我国复杂道路交通工况的协同感知与控制方法，通过发明异构多源传感器（毫米波雷达＋摄像头＋超声波雷达）多特征分级融合的交通环境实时感知方法，突破了复杂交通环境下场景动态多变的制约，使车辆和车道线的识别准确率同时得到提升，行人和自行车的联合识别率比现行国际主流方法有显著改善。我们还提出了行车过程中安全、节能和舒适三目标协同的滚动时域优化控制方法，通过自适应驾驶人行为特性，克服模型参数固化和控制目标单一的技术缺陷，在保障节能、舒适的同时提升了跟车安全裕度。在此基础上开发了汽车智能安全系统的集成匹配技术，包括：基于道路环境形态连续性的多传感器动态自校正技术，可解决因行驶过程中车身振动扭曲而导致传感器位置标定失效的难题；依据驾驶人操作意图实现人工与自动控制模式的柔性切换技术，开发出双模式电子节气门和电控辅助制动装置，可解决智能安全系统产品类型多、集成难且人机交互性差的问题。我们团队研发出的具有自主知识产权的汽车智能安全辅助系统产品，已实现了向高科技企业的转移，在各类汽车上的前装配套数量已超过100万套，专利转让收益超2000万元，获得了2013年国家技术发明二等奖。

（3）开发出智能网联汽车的车云融合控制系统，突破了云控多车系统的分层重构建模、分布式优化控制等关键技术，实现了智能网联汽车的云控示范应用。在完成前面两项智能汽车驾驶辅助技术的基础上，我们还开展了基于多车协同的智能汽车技术的研究。由于多车系统存在着信息层／物理层动态耦合、平面车群时空冲突等难题，因此多车系统建模、协同融合控制与融合优化计算等核心技术亟待攻克。为此，提出了云控多车系统的分层重构建模与融合控制方法，建立了集车辆动力学、分布式控制器、通信拓扑和编队构型于一体的“云—管—车”多元分层重构模型，并实现了云控多车系统信息层与物理层不确定性的等效置换解耦。针对多车的融合控制，提出了分布式多目标模型预测控制及多车队列系统终端稳定性技术，突破了大规模车群下行驶安全性、经济性和稳定性的协同局限。针对大规模车群交互拓扑下的云控系统算力不足的问题，提出了车群运动轨迹的时空重组并行优化技术，将计算复杂度从平方级缩减为线性级，大幅提高了云控平台的计算效率。所研制的包含路侧单元、车载单元、融合感知与融合控制功能的云控平台，已落地上海、长沙等城市，实现了开放道路上云控协同感知与控制典型场景的示范应用。

在从事智能汽车领域的教学和科研工作过程中，我有以下几点感悟和认识。

１）要厘清概念，明确定位。汽车智能化是跨产业领域的重大变革性技术，引发了世界各国激烈角逐，是目前学术界和产业界的研究热点。由于其技术快速迭代且系统复杂交叉，对智能汽车涉及的许多概念尚未厘清，很多理解是过时的或片面的，诸如：自动驾驶（automated driving）、自主式自动驾驶（autonomous driving）、网联汽车（connected vehicle）、智能网联汽车（CAV/ICV）等，它们可统称智能汽车，但各自的定义是不同的。其中智能网联汽车及其英文缩写ICV（Intelligent & Connected Vehicles）是由我们团队提出的，与国外提出的CAV（Connected & Automated Vehicles）概念相同，它是基于移动互联技术与自动驾驶汽车相结合的新一代的智能汽车，是信息物理融合系统CPS（Cyber-Physical Systems）在汽车交通系统中的典型应用，是一种不同于单车智能的新型产品形态。而智能网联汽车技术是由单项技术和系统技术组成的，单项技术包括感知、决策、通信、定位等。而以我们汽车工程为基础的系统技术包括系统动态设计与控制、系统集成与评价，其中系统动态设计与控制，涉及：系统构型、系统建模、动态分析和控制系统设计等方面，是实现汽车智能化的关键。因此，我们的科研定位应在了解智能汽车相关单项技术的基础上，聚焦于智能汽车系统技术。同样，在智能网联汽车时代，我们车辆工程人才培养应有定力，车辆工程专业知识根本不可能被信息技术知识替代，我们既要增加一些相关的ICT新知识（移动互联、AI等），也要完善汽车系统技术的知识架构，以适应智能化网联化的变革和社会的需求。

２）面临机遇与挑战，要勇于创新。智能网联汽车是全球汽车产业的未来发展方向和战略制高点，它在我国的发展面临重大机遇和挑战。一方面，新一代信息通信技术与汽车相结合，推动汽车产业结构发生革命，为中国自主汽车产业的智能化转型升级以及发展适合国情的产业模式提供了重大机遇。另一方面，智能汽车涉及高新技术、产业及社会发展的诸多方面，已形成国家间的竞争，而智能网联汽车的核心“卡脖子”技术环节存在缺失会威胁产业安全，因此相关重要技术亟待突破。由于智能网联汽车是一典型的信息物理融合系统（CPS），可以至少从两个领域开展创新性的研究和突破：一是以智能汽车为基础的信息物理系统（CPS）的构型；二是在CPS架构下智能汽车的系统重构。在上述两个领域，我们团队一直在努力探索，包括提出的“结构共用智能汽车系统新架构”“拟人化智能汽车多目标协同控制”“车云融合智能网联云控系统”，以及提出的“智能汽车网联分级”、智能网联时代汽车产业将出现新的产业形态——介于1级供应商和2级供应商之间的基础平台级供应商等新概念。我提出了基础平台级的供应商可称之为1.5级供应商，它们将生产出计算基础平台、车载终端基础平台、云控基础平台、动态高精度地图基础平台和信息安全基础平台这五大新型零部件总成，提供给1级供应商或主机厂由后者去完成最终的智能网联汽车产品。

３）坚持“理论创新⁃技术突破⁃成果转化”“三位一体”的科研模式。在大学从事科研有不同的模式，美国的哈佛大学是以理论为特色的科研，麻省理工是做“理论⁃技术”相结合的科研，而斯坦福大学是“理论⁃技术⁃产品”“三位一体”的科研模式，我认为，我们车辆工程学科的科研模式，特别是对智能汽车的研究，最宜采用“三位一体”模式。以色列希伯来大学的Amnon Shashua教授团队就是一个基于“理论—技术—产品”“三位一体”科技创新模式的成功案例。Shashua教授团队创立了Mobileye公司，经过十余年理论研究、技术突破和产业化工作，将科研成果迅速向高新技术产品转化，其基于图像技术的自动驾驶产品已占领了全球自动驾驶相关产品市场，超越Bosch等国际一流传统汽车零部件供应商的同类产品，获得了产业界的高度认可，2017年该公司以153亿美金被美国英特尔公司收购，证明了在智能汽车技术变革时期，基于“理论—技术—产品”的科技创新模式非常成功。我在担任汽车工程系系主任期间，对于本系的科研工作定位就主张实行“三位一体”的发展模式。我积极推动建立了聚焦科技成果转化的清华大学苏州汽车研究院，与校内的汽车安全与节能国家重点实验室形成整体研究体系。我的课题组在智能汽车科研方面，也按此模式开展相关工作。课题组老师和研究生，主要开展智能汽车系统动态设计与控制方面的理论和关键技术研究，在复杂系统动力学、智能决策与控制方向的理论研究和技术突破方面取得了一系列成果；同时我们支持毕业的学生出去创业，他们已经先后建立了苏州智华、北京智行者、清智科技、启迪云控等在行业里具有影响力的高科技公司，这些企业也反过来支持着我们课题组的人才培养和科研发展。

４）跨界融合，团队合作。智能网联汽车由三大部分组成：新一代信息通信技术、汽车系统技术、将两者融合于一体的集成技术，若要真正意义上实现智能网联功能，三者缺一不可。而其中的两者融合一体化系统，是智能汽车的核心关键，其技术的定义和研究开发模式也与现有的产业不同。需要实现跨界协同、融合创新，加强汽车、交通、信息通信、人工智能等领域骨干企业的相互合作，补短板、强弱项，提升智能汽车创新链、产业链、价值链。我作为首席科学家参与组建的国家智能网联汽车创新中心，通过政产学研用相结合、跨界协同的模式，坚持“智能网联汽车行业亟需的前沿基础、共性交叉技术提供、技术转移扩散、首次商业化应用支撑”的发展定位，联合车企、ICT（信息通信技术）企业等不同产业领域的单位，建立行业亟需的“中国方案”的智能网联汽车信息物理系统体系架构、统一规范和协同机制下的自动驾驶场景库以及相关基础平台等，加强了技术链和产业链的协同创新。由于智能汽车的系统复杂性，团队合作和年轻人才的培养也尤其重要。这些年来，我在带团队时，重视团队合作承担重大课题，同时也注重年轻人的进步和成长，先后培养博士后和博士生50余人，其中王建强获长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金、万人计划领军人才等支持，罗禹贡获中国汽车工业优秀青年人才奖和茅以升北京青年科技奖，李升波获青年长江学者特聘教授、国家青年优秀基金的支持，他们都已成为智能汽车研究领域的佼佼者。

我回到清华20年来，在我们团队各位老师和同学的共同努力下，获得了国家技术发明二等奖２项、国家科技进步二等奖１项，授权国内外发明专利80余项，发表SCI/EI论文200余篇，获国际学术会议最佳论文奖4项，出版专著1部、译著2部。我还获得了教育部长江学者特聘教授称号，以及首届全国创新争先奖。在为行业服务方面，我担任了工信部车联网产业发展专项专家组组长、中国智能网联汽车产业创新联盟专家委员会主任和国家智能网联汽车创新中心首席科学家，并主笔完成了《智能网联汽车技术路线图》等重要报告。回顾这些年的工作经历，很感恩学校和汽车工程系对我的支持和帮助。清华“自强不息，厚德载物”“行胜于言”的文化，清华师生严谨勤奋、积极向上的作风，深深地影响和鼓舞着我，使我在工作中努力做到追求卓越、不断进步。

（李克强，清华大学汽车专业1985届毕业生，重庆大学1995年博士，2000年来清华大学汽车系任教授，曾连任汽车工程系系主任九年，现任汽车安全与节能国家重点实验室主任，国家智能网联汽车创新中心首席科学家）

* 本文来自清华大学车辆与运载学院，《清华人·汽车人》，作者为李克强。