駕駛員輔助系統(tǒng)報(bào)警性能測(cè)試臺(tái)架的研究

王睿達(dá)，孟建軍

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

我國(guó)車(chē)輛保有量持續(xù)增長(zhǎng)，各種汽車(chē)安全技術(shù)大量應(yīng)用，例如 ABRS（安全氣囊），C-NCAP（中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程）中的碰撞性能測(cè)試等技術(shù)措施能夠減輕發(fā)生碰撞事故產(chǎn)生的危害，降低事故引發(fā)傷亡的概率。但是，被動(dòng)降低碰撞危害程度的方式，還不足以使汽車(chē)完全避免事故，因此，能夠幫助駕駛員感知行車(chē)環(huán)境、車(chē)輛狀態(tài)信息，預(yù)估交通危險(xiǎn)的，提出警告輔助駕駛員正確判斷和正確決策，或主動(dòng)干預(yù)車(chē)輛操控的駕駛員輔助系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，車(chē)道偏離報(bào)警系統(tǒng)（LDW）和前撞報(bào)警（FCW）是駕駛員輔助系統(tǒng)中重要的組成部分。由于報(bào)警的性能會(huì)影響駕駛員對(duì)當(dāng)前行駛狀況的判斷，因此針對(duì)報(bào)警是否可靠的測(cè)試顯得非常重要。

中國(guó)專(zhuān)利201010261862.1提出了一種針對(duì)LDW的測(cè)試裝置[1]，使用圖像檢測(cè)設(shè)備計(jì)算道路車(chē)道線和自車(chē)車(chē)輪之間的相對(duì)距離，以及自車(chē)相對(duì)于車(chē)道線的離線速度，將檢測(cè)而得的數(shù)據(jù)與待測(cè)系統(tǒng)識(shí)別車(chē)道線的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得到待測(cè)系統(tǒng)的識(shí)別精度，但是測(cè)試設(shè)備的精度是否高于待測(cè)系統(tǒng)卻不能保證。NHTSA評(píng)價(jià)FCW的性能使用道路測(cè)試方法，實(shí)時(shí)記錄行車(chē)環(huán)境影像資料和時(shí)間同步的FCW報(bào)警數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)試人員比對(duì)自由駕駛過(guò)程中待測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的車(chē)前、車(chē)后、車(chē)側(cè)和駕駛室影像，得到每一次報(bào)警性質(zhì)[2]，從而得到報(bào)警準(zhǔn)確率等參數(shù)表征系統(tǒng)總體性能的可靠性，盡管其真實(shí)地反映了FCW報(bào)警的性能，但是自由駕駛中的道路狀況的隨機(jī)性，導(dǎo)致了一旦更換不同待測(cè)系統(tǒng)就需要再次進(jìn)行大量道路試驗(yàn)，工作量極其龐大，而且我國(guó)的交通環(huán)境復(fù)雜，僅各種公路建設(shè)中存在的車(chē)道線樣式就有10種[3]，道路試驗(yàn)更是短時(shí)間難以完成。并且，上述兩種裝置和方法都很難設(shè)計(jì)某種特定的工況，做到有針對(duì)性地測(cè)試報(bào)警系統(tǒng)在各種易誤報(bào)、易漏報(bào)的工況下的報(bào)警性能。提升報(bào)警系統(tǒng)的性能，降低誤報(bào)率和漏報(bào)率是重要手段[4-5]。因此，集成有統(tǒng)一的人工比對(duì)方法，樣本具有通用性和可重復(fù)性，針對(duì)降低誤警率和虛警率，能夠針對(duì)駕駛員輔助系統(tǒng)報(bào)警功能的性能進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試的臺(tái)架顯示出其重要價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

首先，測(cè)試樣本采集和管理，樣本可重復(fù)使用，；其次，實(shí)現(xiàn)測(cè)試樣本對(duì)于待測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回放；再次測(cè)試臺(tái)架I/O接口通用，工作參數(shù)可調(diào)，方便用于接入不同報(bào)警系統(tǒng)，評(píng)價(jià)不同系統(tǒng)應(yīng)對(duì)同一工況能力的差別；最后，設(shè)計(jì)能夠在樣本回放的離線分析階段，對(duì)報(bào)警信號(hào)的性質(zhì)進(jìn)行人工判定的結(jié)果進(jìn)行記錄，能夠在判定完畢后出具分析報(bào)告。

測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是LabVIEW，更注重測(cè)試人員所使用的前面板開(kāi)發(fā)，使測(cè)試過(guò)程更加直觀[6]，硬件則為NI公司的PXI和PCI系列板卡。

在如圖1所示為測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，測(cè)試系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)3個(gè)主要的功能單元：數(shù)據(jù)采集單元，離線分析單元，分析報(bào)告單元。其中，數(shù)據(jù)采集單元用于采集樣本、管理測(cè)試工況數(shù)據(jù)庫(kù)。離線分析單元用于將測(cè)試工況數(shù)據(jù)庫(kù)的樣本回放給待測(cè)系統(tǒng)形成仿真的道路行駛環(huán)境和自車(chē)狀態(tài)信息；離線分析集成有判定子模塊，用于測(cè)試人員綜合待測(cè)系統(tǒng)在仿真環(huán)境下的工作情況判定報(bào)警的性質(zhì)。分析報(bào)告單元，用于解析測(cè)試樣本的特征曲線、待測(cè)系統(tǒng)報(bào)警的特征曲線以及測(cè)試人員對(duì)比判定的結(jié)果。用戶控制模塊則用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試人員在虛擬儀器操作界面上進(jìn)行各種調(diào)試。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Test system structure

2 測(cè)試系統(tǒng)搭建

圖2中所示的數(shù)據(jù)采集單元工作狀態(tài)。用戶控制程序配置數(shù)字化儀PXI-5122端口連接圖像傳感器視頻輸出端口；PXI-8513/2局域網(wǎng)絡(luò)CAN卡連接實(shí)驗(yàn)車(chē)的車(chē)載OBD接口，視頻數(shù)據(jù)和CAN報(bào)文數(shù)據(jù)保存時(shí)序同步。在嵌入式控制器PXI-8108集成的硬盤(pán)存儲(chǔ)單位上建立測(cè)試工況數(shù)據(jù)庫(kù)，按照采集時(shí)刻為文件名標(biāo)注同一時(shí)間采集的視頻數(shù)據(jù)和CAN報(bào)文數(shù)據(jù)成為一個(gè)樣本。PCI-1409作為視頻數(shù)據(jù)監(jiān)控的硬件系統(tǒng)，其的視頻輸入端與PXI-5122板卡的輸入端并聯(lián)。

圖2 數(shù)據(jù)采集單元工作狀態(tài)Fig.2 Operating mode of data acquisition unit

圖3 為離線分析待測(cè)系統(tǒng)接入時(shí)的配置，PXI-5421作為仿真道路環(huán)境中取代圖像傳感器為仿真視頻信號(hào)源；PXI-8513/2作為仿真自車(chē)狀態(tài)中取代車(chē)載ECU為仿真CAN報(bào)文數(shù)據(jù)信號(hào)源，CAN/XS0為輸出端口。圖3中3.1和3.2連線包含兩種數(shù)據(jù)通信通道：1）測(cè)試平臺(tái)的視頻數(shù)據(jù)仿真數(shù)據(jù)源與待測(cè)系統(tǒng)的通信；2）CAN報(bào)文數(shù)據(jù)的仿真數(shù)據(jù)源與待測(cè)系統(tǒng)的通信。3.3連線連接了待測(cè)系統(tǒng)報(bào)警輸出信號(hào)與測(cè)試平臺(tái)，由PXI-8513/2的CAN/XS0作為報(bào)警數(shù)據(jù)采集端口。

圖3 離線分析單元工作狀態(tài)Fig.3 Operating mode of offline analysis unit

圖4 為測(cè)試人員判定操作界面示意圖。PCI-1409板卡的CH0連接到待測(cè)系統(tǒng)視頻處理圖像輸出端從而能夠采集待測(cè)系統(tǒng)處理后的行車(chē)環(huán)境圖像，并將處理后的圖像置于圖4中視頻觀察區(qū)。圖4中4.11和4.12為虛擬轉(zhuǎn)向燈，解析自車(chē)狀態(tài)的左、右轉(zhuǎn)向燈信號(hào)，4.13為虛擬剎車(chē)燈，解析了自車(chē)狀態(tài)的剎車(chē)信號(hào)；虛擬車(chē)速表，解析了樣本中自車(chē)狀態(tài)的實(shí)時(shí)車(chē)速；4.21和4.22為虛擬車(chē)道偏離報(bào)警提示燈，4.23為虛擬前撞報(bào)警燈；判定區(qū)中包含6個(gè)虛擬按鍵，其中虛擬按鍵4.31、4.32、4.33表示了車(chē)道偏離報(bào)警判斷的性質(zhì)，分別為正確、誤報(bào)、漏報(bào)；同樣，虛擬按鍵4.41、4.42、4.43表示了前撞報(bào)警判斷的性質(zhì)，分別為正確、誤報(bào)、漏報(bào)；程序設(shè)置了暫停和播放兩個(gè)虛擬按鍵作為控制樣本回放給待測(cè)系統(tǒng)的控制方式。測(cè)試系統(tǒng)記錄測(cè)試人員對(duì)判定區(qū)內(nèi)6個(gè)虛擬按鍵操作的時(shí)刻，在測(cè)試工況數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)樣本取出的時(shí)刻編輯文件名，并以txt文檔格式保存。在此操作界面上，測(cè)試人員可以根據(jù)如下信息進(jìn)行判定的操作：視頻觀察區(qū)的車(chē)輛前方道路影像，虛擬儀表和虛擬指示燈所表達(dá)的自車(chē)行駛狀態(tài)和待測(cè)系統(tǒng)報(bào)警的狀態(tài)。

圖4 判定操作界面示意Fig.4 Schematic plot of determineing operator interfaces

圖5 為分析報(bào)告生成界面，圖5右邊數(shù)據(jù)圖線區(qū)解析以當(dāng)前回放樣本的時(shí)間為基準(zhǔn)的自車(chē)狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)的曲線，包括車(chē)速-時(shí)間曲線、報(bào)警時(shí)刻-時(shí)間曲線、轉(zhuǎn)向燈-時(shí)間曲線、剎車(chē)信號(hào)-時(shí)間曲線、待測(cè)系統(tǒng)報(bào)警-時(shí)間曲線；左邊判定文檔區(qū)測(cè)試人員對(duì)于待測(cè)系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前回訪的樣本的測(cè)試結(jié)果，格式為“****年**月**日**時(shí)**分**秒，**報(bào)警正確（或誤警或虛警）”。

圖5 分析報(bào)告生成界面Fig.5 Interface of generate analysis report

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)能否滿足研究需要，選擇某型基于圖像的具有LDW功能和FCW功能的駕駛員輔助系統(tǒng)作為待測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試方案設(shè)計(jì)如下：

1）驗(yàn)證目的概述

待測(cè)系統(tǒng)V和待測(cè)系統(tǒng)V+，V系統(tǒng)集成有初期報(bào)警算法，V+系統(tǒng)則在V系統(tǒng)初期報(bào)警算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)和修改。在實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)過(guò)程中，由于道路行車(chē)的隨機(jī)性，同一報(bào)警場(chǎng)景很難完全一致重復(fù)出現(xiàn)，因此僅有實(shí)驗(yàn)人員主觀感受認(rèn)為V+系統(tǒng)的性能略好于V系統(tǒng)，在什么工況下性能好也無(wú)法確定。因此，針對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)虛擬測(cè)試，對(duì)比兩種系統(tǒng)在同一測(cè)試樣本下的報(bào)警性能。

2）樣本準(zhǔn)備

選擇同一測(cè)試工況樣本ES1，ES1是包含時(shí)序同步的車(chē)載CAN信息和車(chē)輛前方道路圖像的數(shù)據(jù)組合。測(cè)試工況樣本特點(diǎn)如表1所示，除去表中的16個(gè)描述報(bào)警場(chǎng)景，其余時(shí)間均為正常安全行駛場(chǎng)景。

表1 ES1樣本特點(diǎn)Tab.1 Sample characteristics of ES1

3）驗(yàn)證過(guò)程

分別將待測(cè)系統(tǒng)V和V+接入測(cè)試系統(tǒng)，回放ES1，測(cè)試兩種系統(tǒng)對(duì)于相同的14個(gè)場(chǎng)景的報(bào)警反應(yīng)，以及在其余樣本時(shí)間內(nèi)的報(bào)警反應(yīng)，如圖6為ES1樣本的視頻截圖。

圖6 測(cè)試工況樣本截圖Fig.6 Screenshot of testing sample

如表2為2個(gè)待測(cè)系統(tǒng)針對(duì)該測(cè)試工況樣本中包含的12個(gè)正確報(bào)警場(chǎng)景的反應(yīng)，V系統(tǒng)只有在 “突然加速?zèng)_向前車(chē)”時(shí)未報(bào)警，由此可見(jiàn)兩個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)正確報(bào)警場(chǎng)景反應(yīng)的能力差別不大，V+系統(tǒng)在處理一項(xiàng)易漏報(bào)場(chǎng)景的能力較好。計(jì)算得到，V系統(tǒng)的報(bào)警正確率為91.7%，漏報(bào)率為8.3%。

如表3為2個(gè)待測(cè)系統(tǒng)ES1樣本回放中，除去正確報(bào)警場(chǎng)景外的其余時(shí)間的報(bào)警統(tǒng)計(jì)，所有的報(bào)警出現(xiàn)均為誤報(bào)，V系統(tǒng)的誤報(bào)率為29.4%，V+系統(tǒng)則為11.8%，V+系統(tǒng)誤報(bào)率降低至V系統(tǒng)的三分之一，并且如表3中所示，V+系統(tǒng)基本上消除了LDW的誤報(bào)，但是對(duì)于FCW的誤報(bào)相對(duì)于V系統(tǒng)依然存在。

表2 正確報(bào)警場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test result of accuracy warning

表3 誤報(bào)警統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of error warning

4 結(jié) 論

文中提出了一種測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建方法，測(cè)試對(duì)象為具有車(chē)道偏離報(bào)警系統(tǒng)和前撞報(bào)警系統(tǒng)的駕駛員輔助系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)于報(bào)警性能的測(cè)試目的。

測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)是：1）統(tǒng)一測(cè)試樣本，增加了樣本通用性，減少測(cè)試工作量；2）在硬件在環(huán)虛擬測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)待測(cè)系統(tǒng)接入測(cè)試系統(tǒng)形成模擬的行車(chē)環(huán)境時(shí)，輸入不同測(cè)試樣本或相同測(cè)試樣本，可方便得知單一待測(cè)系統(tǒng)在不同危險(xiǎn)場(chǎng)景下報(bào)警的可靠性，或者不同待測(cè)系統(tǒng)在單一危險(xiǎn)場(chǎng)景下報(bào)警的性能差別；3）測(cè)試系統(tǒng)有較高的通用性，由于采用了PXI系列硬件系統(tǒng)，有多種I/O接口可供選擇，待測(cè)系統(tǒng)較易接入測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行離線分析；4）測(cè)試系統(tǒng)提供給測(cè)試人員的測(cè)試方法綜合考慮了道路狀況和自車(chē)行駛狀態(tài)，較為可靠。

[1]李克強(qiáng)，王建強(qiáng)，羅劍，等.車(chē)道偏離報(bào)警系統(tǒng)的測(cè)試裝置：中國(guó)，201010261862.1[P].2010.

[2]Fitch G M，Rakha H A，Arafeh M，et al.Safety Benefut Evaluation of a Forward Collision Warning System:Final Report[R].US:NHTSA and Center for Truck and Bus Safety Virginia Tech Transportation Institute，2008.

[3]中華人民共和國(guó)交通部.JTB01-2003.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：2004.

[4]Wilson B H，Stearns M D，Koopmann J，et al.Evaluation of a Road-Departure CrashWarning System[R].US:U.S Department of Transportation National Highway Traffic Safety Administration，2007.

[5]郭磊，王建強(qiáng)，李克強(qiáng).存在車(chē)輛干擾的車(chē)道線識(shí)別[J].汽車(chē)工程，2007，29（5）：372-376.GUO Lei，WANG Jian-qiang，LI Ke-qiang.Lane detection llnder vehicles disturbance [J].Automotive Engineering，2007，29（5）：372-376.

[6]徐曉東，鄭對(duì)元，肖武.LabVIEW 8.5常用功能與編程實(shí)例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.