基于典型危險(xiǎn)工況的危險(xiǎn)評(píng)估方法研究

文/馮欽

【機(jī)動(dòng)車專欄】

基于典型危險(xiǎn)工況的危險(xiǎn)評(píng)估方法研究

文/馮欽

通過對(duì)6種典型的危險(xiǎn)工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，了解駕駛員對(duì)于危險(xiǎn)工況的反應(yīng)時(shí)間，以及緊急制動(dòng)起始點(diǎn)，并利用這些典型危險(xiǎn)工況數(shù)據(jù)，建立了一種新的基于TTC1-h的危險(xiǎn)評(píng)估模型，用于碰撞回避系統(tǒng)的控制策略開發(fā)。

典型危險(xiǎn)工況 主動(dòng)安全 控制策略

伴隨著汽車保有量的增加，汽車發(fā)生碰撞事故的次數(shù)越來越頻繁，嚴(yán)峻的交通安全問題使得人們對(duì)汽車安全性的要求越來越高。盡管很多被動(dòng)安全措施可以減少事故發(fā)生后的人員傷亡，減輕事故的傷害程度，但并不能降低道路交通事故發(fā)生率，被動(dòng)安全已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)代交通安全的需求，主動(dòng)安全技術(shù)將成為下一代汽車安全技術(shù)的主角。

一、危險(xiǎn)評(píng)估

汽車安全技術(shù)的研究重心逐漸由被動(dòng)安全技術(shù)向主動(dòng)安全技術(shù)轉(zhuǎn)移。由于自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（）具有很大的潛力來減少交通事故，因此得到了越來越多的重視，已經(jīng)成為主動(dòng)安全研究的一個(gè)重要方向。利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)（相機(jī)、雷達(dá)等傳感器），實(shí)時(shí)對(duì)車輛的周圍環(huán)境和車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行探測，并估計(jì)當(dāng)前環(huán)境的危險(xiǎn)程度，當(dāng)檢測到有潛在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出警告以提醒駕駛員采取措施回避危險(xiǎn)，并在駕駛員沒有及時(shí)對(duì)警告信號(hào)做出正確的反應(yīng)且碰撞危險(xiǎn)變得十分緊急時(shí)，系統(tǒng)提供制動(dòng)力，通過自動(dòng)制動(dòng)等主動(dòng)介入方式來避免事故發(fā)生或減輕碰撞事故的嚴(yán)重程度。一個(gè)好的緊急制動(dòng)系統(tǒng)，就要考慮兩方面的平衡：制動(dòng)效能和用戶接受度。也就是說，的核心問題就是需要確定合適的介入時(shí)刻。一般來說，以碰撞時(shí)間（）為例，

越大時(shí)采取制動(dòng)，制動(dòng)效能會(huì)越好，越不容易發(fā)生事故。但是，此時(shí)的用戶滿意度就非常差了，用戶希望的是越符合他們的駕駛習(xí)慣越好，需要的是小一點(diǎn)采取制動(dòng)措施。如何使這兩者達(dá)到平衡，既保證制動(dòng)效能，又滿足用戶的接受度，這就要求我們對(duì)真實(shí)的道路工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。本文從真實(shí)道路數(shù)據(jù)出發(fā)，選取6種典型的危險(xiǎn)工況用于駕駛員駕駛行為的分析。然后，根據(jù)駕駛員行為數(shù)據(jù)建立基于-1-h的危險(xiǎn)評(píng)估算法。

二、真實(shí)道路交通事故與危險(xiǎn)工況數(shù)據(jù)采集

由于出租車具有運(yùn)行時(shí)間長，運(yùn)行道路覆蓋廣的特點(diǎn)，更有利于得到本研究關(guān)心的數(shù)據(jù)，故在出租車上裝上車輛行駛記錄儀（VDR）進(jìn)行危險(xiǎn)工況數(shù)據(jù)采集。VDR固定在車輛前擋風(fēng)玻璃后視鏡處，內(nèi)含加速度傳感器及圖像處理元件。儀器攝像頭正對(duì)駕駛員視野前方，VDR觸發(fā)值設(shè)定為橫向或縱向加速度大于等于3.92 m/s2，當(dāng)車輛運(yùn)行過程中達(dá)到觸發(fā)條件后，VDR會(huì)自動(dòng)記錄觸發(fā)點(diǎn)前15 s和后5 s的車輛前方視頻、車輛速度和加速度信息。

在對(duì)307例危險(xiǎn)工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析過程中，本文是根據(jù)車輛的速度曲線提取危險(xiǎn)工況的關(guān)鍵加速度段，研究駕駛員在危險(xiǎn)工況下的制動(dòng)行為特征。圖1將危險(xiǎn)工況的關(guān)鍵加速度段形象地表示出來，同時(shí)又點(diǎn)出了關(guān)鍵加速度段的6個(gè)重要點(diǎn)，尤其是危險(xiǎn)出現(xiàn)點(diǎn)、緊急制動(dòng)起始點(diǎn)、緊急制動(dòng)終止點(diǎn)，這3個(gè)點(diǎn)在下文的關(guān)于駕駛員駕駛行為特性的分析中起到很重要的作用。

圖1 危險(xiǎn)工況關(guān)鍵加速度示意圖

三、數(shù)據(jù)分析

VDR采集到了約4 000例觸發(fā)工況，在進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選后，總共得到8例事故和1 200例危險(xiǎn)工況。將這1 200例危險(xiǎn)工況進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，通過主觀評(píng)價(jià)對(duì)危險(xiǎn)工況分別按危險(xiǎn)度等級(jí)進(jìn)行標(biāo)記，并將危險(xiǎn)度較高的案例作為研究目標(biāo)。主要分為4級(jí)：0級(jí)（危險(xiǎn)預(yù)兆）、1級(jí)（輕微危險(xiǎn)）、2級(jí)（一般危險(xiǎn)）、3級(jí)（緊急危險(xiǎn)）。本文將篩選出危險(xiǎn)度為2級(jí)和3級(jí)的危險(xiǎn)工況作為研究目標(biāo)，共得到430例危險(xiǎn)工況。

得到這430例危險(xiǎn)工況后，參照美國高速公路安全管理局（NHTSA）標(biāo)準(zhǔn)提出的37類預(yù)碰撞場景分類方法對(duì)這些危險(xiǎn)工況進(jìn)行分類，將危險(xiǎn)工況分類標(biāo)記。根據(jù)采集的工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到危險(xiǎn)工況排名前6位的工況共有307例，無（或有）預(yù)先車輛行為的自行車（摩托車）沖突、前車減速、車輛同向變道、無預(yù)先車輛行為的行人沖突、前車偏離車道，占所有危險(xiǎn)工況總數(shù)的71.4%。本文采用這307例危險(xiǎn)工況來分析駕駛員行為。

在采集的危險(xiǎn)工況中，所有的工況均采用了制動(dòng)措施來避免事故的發(fā)生。當(dāng)然，也有很小比例的工況在采取制動(dòng)措施的時(shí)候，同時(shí)采用了轉(zhuǎn)向措施。本文只關(guān)注駕駛員的制動(dòng)行為。

本文利用采集的危險(xiǎn)工況數(shù)據(jù)來確定駕駛員反應(yīng)時(shí)間，危險(xiǎn)出現(xiàn)點(diǎn)為t1，緊急制動(dòng)起始點(diǎn)為t2，駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間τ＝2－1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到的駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間主要集中在1.0 s左右，故本文設(shè)定駕駛員反應(yīng)時(shí)間為1.0 s。描述的是假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻該車與目標(biāo)車相對(duì)速度不變的情況下，該車與目標(biāo)車碰撞發(fā)生時(shí)的時(shí)間，即：TTC等于相對(duì)距離除以相對(duì)速度。

為了數(shù)據(jù)提取方便準(zhǔn)確，在計(jì)算駕駛員急制動(dòng)開始時(shí)的值時(shí)，本文只選用前車減速工況（數(shù)量第二多的危險(xiǎn)類型），具有較強(qiáng)的代表性。除去難以進(jìn)行視頻圖像處理的數(shù)據(jù)，最終得到的有效數(shù)據(jù)為75例。在這75例工況中，駕駛員緊急制動(dòng)開始時(shí)的值與該車速度的關(guān)系如圖2所示，所有的車輛在緊急制動(dòng)開始時(shí)的值均小于5 s，絕大部分分布在0.8 s～2 s之間。

圖2 緊急制動(dòng)起始點(diǎn)的TTC-Vh關(guān)系圖

四、建立危險(xiǎn)評(píng)估算法

根據(jù)之前的相關(guān)研究，駕駛員的制動(dòng)行為與的倒數(shù)TTC（-1）密切相關(guān)，本文中選用TTC-1來表征危險(xiǎn)。TTC-1描述的是前車大小增加率的時(shí)間變化，或車間距離R對(duì)數(shù)的時(shí)間變化，表征了視角增加的梯度（如圖3所示）。

圖3 TTC-1的說明

本文采取的危險(xiǎn)工況，主要是城市道路工況，行車速度不高。從采集的工況數(shù)據(jù)中可以得知，危險(xiǎn)工況中本車的速度主要在50 km/h以內(nèi)，速度在50 km/h以上的數(shù)據(jù)量非常少，考慮到數(shù)據(jù)處理的可靠性，本文只選用速度在50 km/h以下的數(shù)據(jù)。對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，并且求出90%的預(yù)測區(qū)間，最終結(jié)果如圖4所示。其中50百分位線為線性擬合得出，50百分位函數(shù)表達(dá)式為公式（2）：

50百分位線表示約有50%的駕駛員在達(dá)到該線的值時(shí)已經(jīng)采取了制動(dòng)措施。從圖4中可以看出，駕駛員緊急制動(dòng)開始時(shí)的TTC-1值并不是一個(gè)定值，而是與自車速度成一定關(guān)系。

圖4 駕駛員緊急制動(dòng)起始點(diǎn)的-及擬合曲線

5百分位線和95百分位線包圍區(qū)域?yàn)轳{駛員急制動(dòng)開始時(shí)刻的TTC-1的90%預(yù)測區(qū)間，95百分位線可表示為當(dāng)TTC-1達(dá)到該曲線所表示的值時(shí)，約有95%的駕駛員已經(jīng)采取了制動(dòng)。95百分位線函數(shù)表達(dá)式為公式（3）：

5百分位線可表示為只有約5%的駕駛員在TTC-1達(dá)到該曲線所表示的值時(shí)采取了緊急制動(dòng)。5百分位函數(shù)表達(dá)式為公式（4）：

根據(jù)圖5中結(jié)果可以按照與速度的關(guān)系劃分危險(xiǎn)等級(jí)，共劃分了4個(gè)區(qū)域：危險(xiǎn)等級(jí)最高、危險(xiǎn)等級(jí)較高、危險(xiǎn)等級(jí)一般、安全?？紤]到值很大（TTC-1很?。r(shí)，車輛處于安全運(yùn)行狀態(tài)。本文中采集的危險(xiǎn)工況數(shù)據(jù)小于5 s，對(duì)于TTC大于等于5 s的數(shù)據(jù)，說明車輛正常運(yùn)行。因此TTC將等于5 s（TTC-1等于0.2）設(shè)定為臨界值。

圖5 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

當(dāng)TTC-1值高于95百分位線時(shí)，認(rèn)為危險(xiǎn)等級(jí)最高（圖5中區(qū)域IV）；當(dāng)TTC-1值高于50百分位線、低于95百分位線時(shí)，認(rèn)為危險(xiǎn)等級(jí)較高（圖5中區(qū)域III）；在TTC小于5 s，即TTC-1大于0.2時(shí)，當(dāng)TTC-1值高于5百分位線時(shí)，即當(dāng)TTC-1大于最大值（TTC-1）時(shí)，危險(xiǎn)等級(jí)一般（圖5中區(qū)域II）；當(dāng)TTC-1小于最大值（TTC-1）時(shí)，當(dāng)前交通環(huán)境安全。

將危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域劃分之后，就要考慮建立危險(xiǎn)評(píng)估算法。本文建立的危險(xiǎn)評(píng)估算法采取兩級(jí)報(bào)警、兩級(jí)制動(dòng)的方式。危險(xiǎn)評(píng)估模型建立范圍：Vh小于等于50 km/h，危險(xiǎn)評(píng)估模型主要考慮4個(gè)臨界值：全制動(dòng)臨界值、輕制動(dòng)臨界值、視覺+聲音報(bào)警臨界值、視覺報(bào)警臨界值（見圖6）。

圖6 危險(xiǎn)評(píng)估模型4個(gè)臨界值

全制動(dòng)臨界值：采用的是TTC-1-Vh（Vh小于等于50 km/h）中的95百分位線，此時(shí)采用100%的制動(dòng)力。此種情況下采取制動(dòng)措施，至少可避免95%的危險(xiǎn)工況。

全制動(dòng)TTC-1臨界值表達(dá)式為公式（5）：

制動(dòng)區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)等級(jí)最高的區(qū)域，根據(jù)圖5所劃分的區(qū)域來分，區(qū)域IV為全制動(dòng)區(qū)域。

輕制動(dòng)臨界值：采用的是TTC-1-Vh（小于等于50 km/h）中的50百分位線，此時(shí)采用40%的制動(dòng)力。此種情況下采取制動(dòng)措施，至少可避免50%的危險(xiǎn)工況。

輕制動(dòng)TTC-1臨界值表達(dá)式為公式（6）：

輕制動(dòng)區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)等級(jí)較高的區(qū)域，根據(jù)圖5所劃分的區(qū)域來分，區(qū)域III為全制動(dòng)區(qū)域。

視覺+聲音報(bào)警臨界值：采用的是TTC-1-Vh（Vh小于等于50 km/h）中的50百分位線+（駕駛員反應(yīng)時(shí)間），=1.0 s，此時(shí)為公式（7）：

一般來說，駕駛員對(duì)聲音報(bào)警比較敏感，對(duì)于視覺報(bào)警反應(yīng)的時(shí)間要長一些，視覺+聲音報(bào)警作為第二次報(bào)警，針對(duì)的是大部分駕駛員，加入聲音報(bào)警，表明車輛危險(xiǎn)程度增加，提醒駕駛員立即采取避撞措施。

視覺報(bào)警臨界值：采用的是－h(huán)（小于等于50 km/h）中5百分位+（駕駛員反應(yīng)時(shí)間），RT=1.0 s，此時(shí)間可參照公式4，但是報(bào)警時(shí)間的TTC最大值為5 s，即TTC-1的最小值為0.2。此時(shí)

視覺報(bào)警作為第一次報(bào)警，僅采取了視覺報(bào)警，此時(shí)車輛開始進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，給駕駛員一個(gè)稍弱的警告，提醒駕駛員采取避撞措施。

視覺+聲音報(bào)警區(qū)域與視覺報(bào)警區(qū)域均位于危險(xiǎn)等級(jí)一般的區(qū)域，根據(jù)圖5所劃分的區(qū)域來分，均位于區(qū)域II。

將全制動(dòng)、輕制動(dòng)、視覺+聲音報(bào)警、視覺報(bào)警合在一起，組成本文所需要的危險(xiǎn)評(píng)估模型（如圖7所示）。

圖7TTC-1-h危險(xiǎn)評(píng)估模型

五、結(jié)語

本文研究的危險(xiǎn)評(píng)估算法基于真實(shí)道路交通典型危險(xiǎn)工況，采用兩級(jí)報(bào)警、兩級(jí)制動(dòng)來達(dá)到及時(shí)躲避障礙物、降低車輛危險(xiǎn)程度的效果，采用漸進(jìn)式預(yù)警（兩級(jí)報(bào)警，由顏色預(yù)警到聲音報(bào)警），可以讓駕駛員有所準(zhǔn)備，不會(huì)感到警報(bào)過于突然，同時(shí)采取漸進(jìn)式制動(dòng)（兩級(jí)制動(dòng)），在不同的危險(xiǎn)階段采用不同的制動(dòng)力，制動(dòng)力由小到大，這樣能夠及時(shí)地在車輛處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行有效控制，從而幫助司機(jī)避免城市交通常見的低速行駛時(shí)的追尾事故，大大減少維修車輛的時(shí)間與成本，降低人員傷亡率。通過試驗(yàn)仿真驗(yàn)證，得到本危險(xiǎn)評(píng)估算法在50km/h以內(nèi)時(shí)可以有效避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

Through data analysis of six typical kinds of hazardous working conditions,driver's reaction time towards dangerous working conditions as well as emergency braking starting point were obtained.The data of near-crash traffic situations are utilized to establish a new risk assessment1－based model,which is applicable to the control algorithm development for the collision avoidance systems.

Typical near-crash traffic situation,active safety,control algorithm

（作者單位：國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海））