移动出行创新,底层核心在于基础设施建设

神译局 · 2020-12-16
基建、系统与应用:移动出行4.0的核心框架

神译局是36氪旗下编译团队,关注科技、商业、职场、生活等领域,重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按:当下,汽车产业的网联化、智能化、电动化、共享化的大趋势已经更加明朗。未来的移动出行,是一个既令人激动,又让人紧张的领域。这篇文章原标题是The Backbone of Mobility Innovation is Infrastructure,作者Christian Saur在文章提出观点,认为移动出行创新的核心在于基础设施建设,并从三个方面对此展开了论述。

图片来源:Photoholgic via Unsplash

过去的移动出行突破,比如蒸汽或内燃机,改变了我们的移动方式。它们实现了在速度、数量、可负担性和运输灵活性等方面的提高。同理,在连通性和数字化发展的推动下,下一场革命也将如此。

不过,单靠这些创新本身,并不能完全实现潜在的提高。能够真正实现提高和发展的,则需要靠的是基础设施创新。

例如,道路建设为汽车成为主流交通工具铺平了道路。在此之前,铁路建设让铁路运输改变了全球各地客货运输的方式。

翻开基础设施创新新篇章

下一代基础设施创新将不同于以往。道路、铁路,或者其它实体建设都是为了支持某种特定的移动模式而建造的。

连通性则稍有不同。相比于促成某种独特的新兴模式,它促使现有企业和行业挑战者从根本上去重新思考世界的移动方式。

支持移动出行4.0所需的基础设施必须是多用途、数字化的实体建设,它们不会仅限于在某种特定场景的使用,而更多的是对大量不断发展的移动模式起支持作用。

理论上来讲,这就意味着,要实现下一代基础设施的发展,实际上存在无限的创造力和实验空间。实践上来讲,我们主要面临着以下三个方面的基本限制:

  • 城市和交通网络所面对的,是需要去支撑当前移动系统的传统基础设施,这些基础设施还并不一定能够针对新兴核心技术或相关技术进行优化。

  • 就交通运输量和维护成本而言,大多数交通运输系统已经达到甚至超过了临界点。

  • 基础设施项目通常都是长期的资本密集型项目,而投资计划的前景和预算往往则受到更多限制。

总而言之,这即意味着,我们不能简单地从零开始。相反,成功的基础设施创新将始终以已经存在的基础设施为基础。

要为移动出行4.0奠定基础,在可能的情况下就需要更新升级传统基础设施,同时在必要的情况下,再辅以大规模转型项目的开发。


对基础设施创新涉及到的各方面因素的深入分析,超出了本文的范畴。相比之下,我们希望将基础设施创新落脚到三个经常讨论和涉及到的主题类别:移动出行的多样化、替代性推进技术的出现,以及制造业的转型。

下文中,将依次针对以上三个主题类别展开探讨。需要再次提及的是,这三个部分都是比较广泛的类别。因此,我们在文中也选取了一些具体的例子,来说明如何认识和理解基础设施创新。

本文的目的,主要是阐述有关观点,激发沟通对话,而不是针对某个特定问题展开详尽的调查。

一、规划超越现有道路的通行路径

毫无疑问,在未来几十年里,各种类型的汽车将以一种或另一种方式,成为我们移动出行体验的重要组成部分。不过,移动出行正在向联运方向发展。

微型移动出行的选择正在兴起,无人机也在不断地发展。总体而言,移动出行已经变得越来越多元化。因此,基础设施建设需要反映出这些多元化发展,并对此做出响应。

每个人都可以起飞,但谁能着陆?

尽管无人机和其他空中运输方式还没有在我们的城市兴建起来,但这必然是未来发展的方向。它们所产生的影响,特别是对物流的影响,将产生颠覆性的作用,因此不可能将他们排除在明天的运输系统之外。

然而,他们还没有在城市环境中开辟出自己的空间。对此,部分原因是由于缺少法规,这样直接导致无法在某些区域部署无人机,同时也可能会在其他区域引发责任问题。此外,另一个原因也与基础设施的缺乏有关。

在城市中心,供人们使用的电动垂直起飞和着陆工具(eVTOLs)很可能需要更大、类似机场的架构。这些将不仅仅需要一个简单的eVTOL起降场地,而且还可能需要更复杂的盘旋进近区域,从而会占用更多的空间。

然而,假设这些eVTOLs属于最后部署的移动出行4.0的组成部分之一,我们就可以看到现有移动基础设施的重新利用。例如,城市道路以及停车楼等建筑架构,或者类似的空间,都可能会因为用户行为的转变而变得多余。

另一个更紧迫的问题,在于如何解决无人机送货问题。在城市郊区,虽然无人机能够在某个后院投递包裹,但在城市中心,这种方式并不可行。

建筑物必须为无人机建设并提供专门的投递区域,从而让无人机可以安全地投递货物。对此,利用负责不同区域的现有物流分派中心,就是一种可行的方案。

相比于只建设一个分派中心,在货物派送前都可以将其安全地锁住保管,直到收件人前来取件的方式,这种物流分派中心还可以为无人机送货提供一定的空间。

在这种情况下,收件人就可能需要接受这种交付方式,或者让其他人代替接收货物。无论如何,要实现城市空域移动的规模化发展,最核心的第一步,就是思考清楚起飞和着陆的问题。

智能基础设施——引入集体智能

随着自动驾驶汽车时代的逐渐到来,大众对交通基础设施的期待也将发生变化,基础设施必须要往更加智能化的方向发展。对交通标志的小操作(比如涂画),就可能足以让自动驾驶汽车错误地理解这个标志。

不过,更普遍的情况是,当人们坐在驾驶位主动操控汽车时,他们能看得更远,能够根据车流量或者自身经历及反应,预见突发情况,及时刹车或者了解可能出现的拥堵情况。

相比之下,自动驾驶汽车目前仍然是按照预先设定的规则做出响应,并基于有限的参数来做出抉择。

这是一种技术实用的方法,可以限制计算机的复杂性,并确保自动驾驶汽车能够及时地采取有关行动,避免有关事故的发生。

对于SAE标准下的L4级与L5级自动驾驶汽车而言,最困难的挑战之一,就是去预测人类驾驶员的行为,并做出响应。相比之下,其他自动驾驶汽车的行为几乎肯定是可以预测的,其意图对自动驾驶汽车而言也是清晰易懂的,它们很可能会保持不断沟通,以共享交通状况信息,并协调其对道路的使用。

——Robert Sparrow & Mark Howard

译者注:据国际自动机工程师学会(SAE)J3016分级标准标准,自动驾驶级别共分为5级。其中,L1级为辅助驾驶,L2级为部分自动驾驶,L3级为条件自动驾驶,L4级为高度自动驾驶,L5级为完全自动驾驶。

不过,基础设施在这里可以发挥至关重要的作用,来帮助扩大车辆的视野。

相比于期望每辆车都与周围车辆进行通信,不如试想这样一套系统,通过这套系统,每辆车都能与周围的智能基础设施不断交换信息,从基础设施(而不是从周围的车辆)那里接收所有相关信息。

这不仅可能会减少通信方面的开销,在为基础设施配备计算能力后,它还有可能去接管边缘计算任务。

另一方面,车辆所需的车载计算功率也将减少,从而可以降低能耗。这也许能让汽车制造商将更小的电池组装进汽车中,或者延长特定电池尺寸下的汽车续航里程。

所有这一切的实现,都必须以智能互联的交通基础设施为基础,让这些基础设施去接管本地移动计算能力。

此外,将本地计算单元连接起来,还可以达到有益的效果,特别是对车流量而言。知道沿某特定方向的车流量增加过后,交通信号灯就可以动态调节其信号灯时间,从而优化交通吞吐量,减少路面拥堵。

在另一种情况下,交通信号灯还可以将信息传达给汽车的导航系统,使其能够相应地调整规划路线。

这只是移动出行多样性背景下交通基础设施可以实现何种改变的两个具体例子。通过重新利用和升级现有基础设施,而不是去彻底地重建,前文中提到的许多好处就可能得以实现。

虽然这可以确保让未来移动系统去支持和增强现代运输模式,但要为其提供动力,则需要去投资于完全不同的基础设施。

二、为未来移动系统提供动力

将交通运输从化石燃料转向更具可持续的能源,是未来移动系统的核心挑战之一。毋庸置疑的是,这不仅仅涉及到直接排放的问题,还包括电网能源结构的问题。

不过,即便今天能够解决阻碍替代推进概念大规模应用的所有技术挑战,底层基础设施也无法去支持这些概念的大规模应用。

目前,为电气化移动的增长与发展做好能源网的准备是当前的首要问题,而做到这一点,就需要智能基础设施的创新。

上图中,四图依次是2019年全球、欧洲、北美和挪威的能源结构饼状图。其中,从颜色最深至最浅,分别代表石油、煤、天然气、核能、氢能、风能、太阳能、生物燃料以及其他可再生能源。图片来源:Our World in Data

集中整合电力生产、储存和消耗

到目前为止,我们一直认为能源网是一个单一电力线网格,将巨大的发电厂连接至终端消费者。然而,随着可再生能源发电的出现,这一观点就不再是事实了。

由于发电离消费者越来越近,在越来越多的家庭中,发电和消耗甚至会同时进行。在一个消费者即生产者的时代,能源网格将会出现更加分散化的发展。

对比消费者(左图)与消费者即生产者(右图)。图片来源:energy.gov。图片版权:Sarah Harman

对个人消费者而言,目前正在发生的事情对于较大规模的系统来说也是可行的选择。

相比于投资大量资金在各个地方建设高压电线,通过智能方式将可再生能源生产与创新的储能解决方案结合起来,可以减少在较偏远地区对电力线的需求,从而提供离网充电这一可能性。

多种创新的能量储存方法,比如飞轮储能系统,都是很有潜力的技术替代方案。

对此,风能或者太阳能被转化为动能,并可作为持续的电力流释放出来,非常适合为充电基础设施供电,尤其是在阳光充足或者多风地区。

加倍寻找替代能源

虽然电力无疑将为以陆地为基础的个人移动出行选择提供动力,但是像氢等替代能源也可能用于其他运输方式,特别是航运业或者长途卡车货运。

对此,海港将发挥关键性的作用,毕竟它们靠近可再生能源生产,拥有可以重新利用的传统基础设施,并且靠近最终的消费者。

生产“绿色”氢能源非常消耗能源,这即意味着,整个过程需要大量的可再生能源。

对此,港口由于可以利用海上风力和潮汐运动,而处于一个非常重要的位置。

相比于将能量储存在电池中,它可以直接就地转化为绿色氢能源。大多数港口已经具备可以转化能源的大型工业综合体,而这主要也是因为化学工业通常都位于港口附近。

另外,越来越多的公司都在研究基于集装箱的解决方案,从而不费吹灰之力就能完成部署。因为港口在一个限定区域中拥有大型柴油动力船队,它将是一个完美的试验场。

在完成生产后,氢能源既可以储存下来,或者也可以通过天然气管道运输。重新利用传统基础设施可以有效降低生产和储存成本,从而降低氢能源的生命周期成本。

航运业可能是氢动力发动机首批潜在的应用领域,因此,生产和储存也将靠近消费者。荷兰鹿特丹港、阿姆斯特丹港以及德国北部的港口都已经在试验这种方法,特别是用于运输业和其他行业。

总的来说,替代推进可以归结为三个关键问题:如何生产能源?如何储存及运输能源?以及如何将能源输送给终端消费者?

就化石燃料而言,虽然我们已经解决了这三个问题,但对于任何新能源,无论是电力、氢能源还是合成燃料,这方面都有很大的创新空间

三、重组流水线

流水线的发明,是一个前所未有的交通便利和交通普及时代的核心基石。因此,我们可以得出一个结论,移动基础设施始于流水线,从流水线上生产出了代表现代移动的大部分交通工具。

重新构想移动,即意味着去质疑其运输模式。这将会延伸到流水线,因此需要对流水线改革创新,从而生产出新一代的交通工具。基础设施创新必须从这里开始。

制造与开发的分离

过去一个世纪中,流水线实现了一段令人印象深刻的自动化发展,这主要归功于(特别是汽车行业)的标准化发展和机器人技术的进步。

随后,“先进”的机器人带来了足够灵活的流水线,足以灵活地适应各种型号,并实现了大规模定制生产。

如今,各大企业正斥巨资改造其工厂。大量的初创公司也在致力于寻找全自动同时高度灵活的车间解决方案。

这些企业目前只关心自己的产品线,但未来的流水线也许有能力制造来自各种移动公司的产品。

特别是在汽车工业中,电气化将大大降低制造的复杂性,OEM厂商也都在通过兼并、合作或成立合资企业(或合资工厂)等方式联手合作。

展望未来,这种想法有可能会创造出一个类似于当今半导体行业的行业。在这个行业中,不同实体将频繁地从事开发和制造工作。移动制造可能会成为一种商品,使工厂网络成为未来移动基础设施的关键组成部分。

零件与产品的融合

增材制造(俗称3D打印)被誉为给车间带来了前所未有的灵活性。然而,如果从另一个角度来看,3D打印让预生产和最终组装之间的联系变得更加紧密。

一次性打印大型复杂零件,可以减少装配环节所需的琐碎步骤。在这之前,装配通常都涉及到将一系列较小、较简单的零件组装到一个较大的结构中。

与此同时,这些打印机还可以在短时间内重新编程,几乎可以打印所有内容。

因此,增材制造可以成为进一步降低流水线复杂性的幕后驱动力。

它还可以让每个人都能享受到这种生产能力带来的变化,因为每个人只要能够获得3D模型并拥有一台合适的3D打印机,就可以打印任何零件。

反过来说,这还有可能促进开发或设计与制造的分离,在这种情况下,供应商将更注重于开发基础技术和相应的3D模型,而制造商则将接管从单个零件到组装的更广泛的生产范围。

生产交付网络

从极端上来讲,我们可以将生产交付网络想象成一个构成当前互联网基础设施的内容交付网络。

其底层思想是相似的。内容交付网络是由分散在全球各地的多个数据中心构建而成的,所有的数据中心都镜像了相同的内容。

提供丰富数据服务的公司,比如流媒体播放平台奈飞(Netflix),就在使用这种结构,并通过将数据在现实中移至客户较近的位置,来减少客户端的数据延迟。

生产交付网络将由跨地区的工厂和流水线网络组成,他们都具备相同的生产能力。这些工厂能够打印各种各样的零件,并配备了高度灵活的流水线,因此,他们可以生产不同公司的各种产品。

一些公司可能会专注于设计、建造和运行这些流水线,而其他公司则可能专注于设计和开发新产品。这可以激发产品和制造创新,并创造出一个环境,更适合跟上明天快速发展的移动领域。

生产交付网络可以将生产分散化,使其更接近终端消费者、降低供应链复杂性并简化物流,来使其成为商品基础设施。

写在最后

在本文中,我们从三个不同的角度研究了基础设施创新的必要性,即多样化移动出行、替代性推进,以及下一代制造。

毫无疑问,每一种分类,甚至还有更多类别,都将高度依赖于未来的创新和技术进步,以保持其相关性。然而,在深入研究这些类别的同时,同样明显的是一个整体组织系统的必要性。

以硬件为中心,通过技术来完成基础设施构建是第一步。但价值不会仅仅来自于单个基础设施项目。相反,只有根据系统参与者对资产进行协调、聚合和统筹,才能释放并创造真正的价值。

译者:俊一

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