汽車智能安全輔助系統(tǒng)與交通事故關聯(lián)分析

祝琳　唐志華

摘 要：交通事故是車-人-路-環(huán)境共同作用的結果，如何從“車-人”角度研究汽車安全輔助系統(tǒng)對降低交通事故的發(fā)生率具有重要的現(xiàn)實意義。通過對典型交通事故的特征，以及基于典型智能安全輔助系統(tǒng)的結構原理分析其與交通事故的關聯(lián)性兩部分進行探究。探究可得汽車智能安全輔助系統(tǒng)在降低汽車輪胎抱死失去轉(zhuǎn)向能力、汽車側翻和汽車側滑等典型交通事故中起了很大的作用。從而，論文研究明確了汽車安全輔助系統(tǒng)對降低交通事故發(fā)生率的積極作用，奠定了從“車-人”角度降低交通事故發(fā)生的理論基礎。

關鍵詞： 交通事故特征；防抱死控制系統(tǒng)；驅(qū)動防滑電子控制系統(tǒng) ；穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

中圖分類號：U463.52+6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）04-0053-05

1 交通事故特征

道路交通事故是指車輛行駛在道路上因過錯或者意外造成的人身傷亡或者財產(chǎn)損失的事件。[1]簡單的說，交通事故就是車-人-路-環(huán)境共同作用的結果，本節(jié)研究與車有關的典型的交通事故特征。

1.1 汽車側翻

典型的交通事故中，汽車側翻是指汽車在運行過程中繞其縱軸線轉(zhuǎn)動90°或者更大的角度，導致車身與地面相接觸的一種危險的側向運動。[2]

引起汽車側翻的原因有兩種類型：一種是由其本身的慣性力引起的非絆倒側翻，另一種是由于汽車側滑后撞擊障礙物引起的絆倒側翻。[3]汽車側翻現(xiàn)象會導致嚴重的交通事故，給人們的生活帶來沉重的災難。在當今社會，如何避免汽車側翻的問題已成為車輛安全問題研究的一大重點。

1.2 汽車側滑

汽車在行駛的過程中，因制動、轉(zhuǎn)動慣性和其他原因，使得車輪與地面之間產(chǎn)生一種相互作用力，并且這種作用力垂直于汽車的行駛方向，進而引起某一軸或某兩軸的車輪出現(xiàn)朝著橫向運動（即朝著側面發(fā)生甩動）的現(xiàn)象，稱為側滑。 [4]

車輛在緊急制動時，若踩剎車踏板的力度過大，車輪就會被剎車蹄片抱死，即制動器鎖死了輪胎，后軸輪胎抱死會出現(xiàn)后輪側滑。此外，由于車輛自身的慣性很大，車輛一定會沿著它原來行駛的方向繼續(xù)向前直線滑行一段距離。在汽車實際運行中，若輪胎磨損不均勻，路面不平或有一些小的側向力作用，滑行的汽車就會發(fā)生側滑現(xiàn)象，甚至完全掉頭。如果汽車是超速行駛或是大型機動車發(fā)生此類情況時，更會因為速度大來不急剎車或體積大重心不穩(wěn)而導致翻車事故，或者與路兩旁建筑物相撞發(fā)生側翻事故。側滑現(xiàn)象在惡劣天氣時，后果更為嚴重，不僅會出現(xiàn)財產(chǎn)損失，還會失去生命，危害家庭。為了避免汽車側滑的交通事故，汽車工程師們研發(fā)了驅(qū)動防滑系統(tǒng)，

1.3 車輪抱死失去轉(zhuǎn)向能力

對于想要緊急制動的車輛，如果駕駛人猛踩制動踏板，制動蹄將被鎖死，如果是前面的輪胎鎖死，將使汽車前輪失去轉(zhuǎn)向能力，由于慣性汽車向前滑動，朝著作用力較小的方向運動，若是在彎道上或前方有障礙物時，就有可能造成交通事故的發(fā)生，如圖1中的沒有安裝ABS的普通小汽車，就是這種現(xiàn)象，當小汽車遇到障礙物猛踩制動踏板時，車輪抱死失去轉(zhuǎn)向能力，撞到了障礙物，發(fā)生了交通事故，輕則損失財產(chǎn)，重則車毀人亡。但安裝有ABS的汽車，在遇到前方有障礙物時，在緊急制動轉(zhuǎn)向時，就能夠防止車輪抱死失去轉(zhuǎn)向能力，避免了交通事故的發(fā)生。

2 ABS與交通事故關聯(lián)性分析

在汽車的數(shù)量逐漸增多的同時，車-人角度的交通事故也隨之增多。人們在買汽車時都會買帶有智能安全輔助系統(tǒng)的汽車——具有很高的安全性能。比如汽車上安裝了防抱死制動系統(tǒng)后，車輛在行駛時就可以避免車輪被鎖死以及具有很好的穩(wěn)定性。使車輛在道路上遇緊急制動時能夠盡可能的使車子安全的停下來，同時，ABS還可以為汽車提供合適的制動力，使駕駛人可以順利的完成制動以及轉(zhuǎn)向操作。

2.1 ABS結構原理

汽車防抱死控制系統(tǒng)的應用提高了汽車的安全性能，給駕駛員朋友帶來了一定的安全保障，即ABS在汽車組成成分中扮演著重要的角色。汽車防抱死制動系統(tǒng)是在常規(guī)制動系統(tǒng)的基礎上，增設了一個電子控制系統(tǒng)而構成的，它由輪速傳感器、電子控制裝置、壓力調(diào)節(jié)器等構成。裝有ABS的汽車在高速運行中，當駕駛員猛踩制動踏板時，調(diào)節(jié)閥會產(chǎn)生制動壓力給制動器讓其減少對車輪的制動力，防止車輪轉(zhuǎn)速急速降低，重復此過程，直到車輪正常轉(zhuǎn)動為止，所以輪胎不會出現(xiàn)抱死滑移。但無ABS的汽車在制動過程中若發(fā)生車輪抱死滑移，輪胎與路面間的側向附著力將會完全消失 ，這種情況很容易會使汽車失去轉(zhuǎn)向能力或甩尾現(xiàn)象，損失慘重。

ABS對提高汽車的安全性能有很大的作用，對遏制交通事故的發(fā)生具有重大的意義，那么ABS是如何工作的呢？當汽車要制動時，ABS的傳感器就能及時檢測車輪是否抱死，并將此信息傳給控制裝置。若車輪抱死，則電子控制裝置會立即減少對此車輪的制動力，直到其正常轉(zhuǎn)動時為止。另一方面，如若車輪的轉(zhuǎn)動程度過大，電子控制裝置又對此車輪增加制動力，從而保證車輪受到了制動并且又不會抱死。就這樣在整個過程中不斷重復此動作，一直到車子完全穩(wěn)定的停下來。事實上，ABS運轉(zhuǎn)時，其電子控制裝置每秒鐘都能檢測多達數(shù)百次的車輪，看是否鎖死，而且還伴隨著數(shù)十次的操縱動作。因此，ABS可以有效減少汽車的方向失控和輪胎的側滑現(xiàn)象，避免了輪胎抱死，使輪胎能夠在路面上繼續(xù)慢慢轉(zhuǎn)動，提高了汽車的剎車效果，而且還能降低剎車消耗以及延長剎車零件的使用壽命，提高車輛制動方向的穩(wěn)定性。

2.2 關聯(lián)性分析

車輛本身的安全性能，就是我們經(jīng)常所說的智能安全輔助系統(tǒng)，自汽車上裝有ABS以來，它給我們的生命安全帶來了極大的保障，更是對遏制交通事故的發(fā)生做了突出的貢獻。ABS不僅可以防止車輪鎖死失去轉(zhuǎn)向能力，能夠使汽車在行駛過程中始終保持平穩(wěn)的運行狀態(tài)，ABS還可降低側翻和失去轉(zhuǎn)向能力等交通事故的發(fā)生率。根據(jù)道路交通事故統(tǒng)計的官方數(shù)據(jù)：具有ABS的車輛能降低交通事故率為30%甚至高達40%；能避免干燥路面上24%的事故發(fā)生率；在惡劣環(huán)境下也能避免15%的事故發(fā)生率；同時，也能降低27%的車-人角度的交通事故率。

未裝ABS的汽車，在彎道轉(zhuǎn)彎時因緊急剎車力度過大，車輪被抱死失去轉(zhuǎn)向能力而導致交通事故發(fā)生。如果安裝了ABS就能避免此類事故的發(fā)生，當車輪將要抱死失去轉(zhuǎn)向能力時，ABS的電子控制裝置會立即減少對將要抱死車輪的制動力，一直到此車輪又繼續(xù)正常轉(zhuǎn)動時為止。如若車輪的轉(zhuǎn)動程度過大，電子控制裝置又對此車輪增加制動力，從而保證車輪受到了制動并且不會抱死。在整個過程中不斷重復此動作，一直到車子完全穩(wěn)定的停下來，ABS就這樣避免了一定的財產(chǎn)損失和人身傷亡。另外，ABS還可以避免汽車撞向障礙物導致的側翻，即側滑現(xiàn)象。因為ABS可以防止車輪的抱死，那么車輪就不會發(fā)生側滑，因此，也避免了側翻現(xiàn)象。

3 TCS與交通事故關聯(lián)性分析

隨著越來越多的人注意交通安全問題，ABS已不能滿足人們對安全的需要，因此，在ABS的基礎上研制出來了電子控制系統(tǒng)（TCS或ASR），即牽引力控制系統(tǒng)或電控行駛平穩(wěn)系統(tǒng)，它是通過電子控制裝置控制驅(qū)動輪的驅(qū)動力，在汽車運行過程中驅(qū)動輪不會過度滑轉(zhuǎn)，從而提高汽車的驅(qū)動性、穩(wěn)定性和安全性能的控制系統(tǒng)，其安全性能高于ABS。TCS的出現(xiàn)，控制了汽車在運行過程中的滑移率，這樣驅(qū)動輪就不會快速滑動，最大程度的利用車輪與路面間的附著能力，來提高汽車本身的驅(qū)動性能和行駛方向的穩(wěn)定性。

3.1 TCS結構原理

為了提高汽車自身的安全性能，現(xiàn)在的汽車已經(jīng)普遍安裝了防抱死控制系統(tǒng)（ABS）。但隨著汽車工業(yè)的進步，科學家們在汽車防抱死系統(tǒng)的技術上進行擴展，出現(xiàn)了汽車驅(qū)動防滑電子控制系統(tǒng)（TCS），主要由傳感器、控制裝置、節(jié)流閥傳感器以及節(jié)流閥執(zhí)行器等組成。TCS與ABS共用前后車輪傳感器，進行車輛運行狀況的檢測。

TCS主要通過控制驅(qū)動輪和非驅(qū)動輪之間轉(zhuǎn)速的差值、驅(qū)動輪滑移率的大小以及掌握駕駛員轉(zhuǎn)向意圖和左右車輪的速度差值兩方面，保證了驅(qū)動防滑系統(tǒng)的進行。一方面，當汽車開始加速時，TCS的控制系統(tǒng)就開始工作，對驅(qū)動輪和非驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差之間的大小進行檢測，如果轉(zhuǎn)速差太大，即驅(qū)動力太大，控制系統(tǒng)就會通知執(zhí)行器減少對發(fā)動機的供油，這樣驅(qū)動力就會變小了，其滑轉(zhuǎn)率也因此降低了，避免了驅(qū)動輪的打滑現(xiàn)象。其實在汽車開始運行的過程中，車輪一般都會出現(xiàn)打滑，但如果打滑導致滑轉(zhuǎn)率過大，輪胎的磨損程度會加快，同時也使輪胎與地面間的摩擦力減小，不利于車輛安全行車，所以汽車起步時，只有輪胎獲得合適的滑轉(zhuǎn)率，才能使汽車擁有最大的驅(qū)動力；此外，在車輛轉(zhuǎn)彎時，汽車要想有很好的加速能力，也需要使輪胎有較大的滑轉(zhuǎn)率。另一方面，TCS通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的傳感器判斷汽車的運行狀態(tài)，了解駕駛員接下來的轉(zhuǎn)向動作，與此同時，車輪的傳感器也會檢測到左右輪的速度差值，得到汽車本身的轉(zhuǎn)向意圖，通過對比兩者的轉(zhuǎn)向程度，得到汽車的實際轉(zhuǎn)向狀態(tài)。若檢測結果是汽車轉(zhuǎn)向不足或汽車過度轉(zhuǎn)向，TCS的控制裝置就會知道驅(qū)動輪的驅(qū)動力偏大了，緊接著就會發(fā)出降低驅(qū)動力的指令，從而實現(xiàn)了駕駛員本身的轉(zhuǎn)向意圖，防止車輛打滑。即安裝有TCS的汽車在轉(zhuǎn)向不足或過度轉(zhuǎn)向，都能安全的停下來。

3.2 關聯(lián)性分析

在ABS基礎上，出現(xiàn)了驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（TCS），它可避免驅(qū)動輪的打滑現(xiàn)象，對車身的穩(wěn)定有很大的幫助。汽車在制動時，若是發(fā)生打滑現(xiàn)象，有可能會發(fā)生交通事故，造成財產(chǎn)損失；在雨雪天氣，路面較滑，還可能會出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象，甩尾時萬一撞到了道路兩旁的建筑物或是另一輛車，就會造成傷亡慘重的交通事故，但是TCS的出現(xiàn)就可避免此類事故的發(fā)生。

如圖2所示，安裝有TCS的白色小汽車就能夠很好的避免打滑和甩尾現(xiàn)象的發(fā)生，當驅(qū)動輪打滑的一剎那，TCS的控制裝置就立即檢測到驅(qū)動輪和非驅(qū)動輪之間的轉(zhuǎn)速差異大，然后減少對發(fā)動機的供油，接著驅(qū)動力隨著供油量的減少也隨之減少，從而降低驅(qū)動輪的滑移率，防止了輪胎的打滑，一場交通事故也就避免了。但是灰色的小汽車因為沒有安裝TCS，在濕滑路面上驅(qū)動輪發(fā)生打滑現(xiàn)象時車身就失去了穩(wěn)定性，偏離了原來的車道。如若此時灰色小汽車左側有車通過，就可能發(fā)生嚴重的交通事故，造成巨大的損失。所以TCS的應用對降低交通事故的發(fā)生也有著很大的作用。

4 ESC與交通事故關聯(lián)性分析

在ABS和TCS的基礎上進一步擴大功能，出現(xiàn)了電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC），它是一種新的汽車主動安全系統(tǒng)，在結構上多了橫擺率傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器以及側向加速度傳感器。在車輛行駛時，能夠利用電子控制單元穩(wěn)定住車輪的驅(qū)動力和制動力，使汽車可以保持在整個運行過程中都能有一個很好的側向穩(wěn)定性。[5]

4.1 ESC結構原理

汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）是汽車底盤動力學控制的核心技術，ESC能夠?qū)崿F(xiàn)在汽車極限工況狀態(tài)下的制動、驅(qū)動和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性一體化控制。[6-7]ESC 主要通過傳感器和執(zhí)行器、發(fā)動機ECU三部分進行工作，通過ECU監(jiān)控車輛運行狀態(tài)，并介入汽車發(fā)動機和制動系統(tǒng)的工作。典型ESC的傳感器上由輪速傳感器、側向加速度傳感器、制動主缸壓力傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器以及橫擺角速度傳感器等。[8]執(zhí)行器則由傳統(tǒng)制動系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)組成，其中傳統(tǒng)制動系統(tǒng)又包括真空助力器，管路以及制動器組成。電子控制單元起著很大的作用，與發(fā)動機的管理系統(tǒng)一起調(diào)節(jié)和干預發(fā)動機動力的輸出。

ESC是ABS和TCS兩者基礎上延伸的產(chǎn)物，它具有著這兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，同時，還保證了汽車運行中的穩(wěn)定性，可以說是現(xiàn)代汽車安全性能的最高級形式。ESC主要是對車輛豎直方向的穩(wěn)定性和水平方向的穩(wěn)定性進行控制調(diào)整，從而確保車輛能夠按照駕駛員的意愿行駛。首先，因為ESC是基于防抱死的功能，所以汽車在制動過程中，ESC能夠使被鎖死的輪胎，每秒鐘連續(xù)制動數(shù)百次，相當于“點”剎。此時，如果汽車是全力制動狀態(tài)，輪胎依舊會在ESC的作用下正常滾動，而且滾動摩擦比輪胎抱死后的滑動摩擦更容易控制車輛的行駛方向。然后ESC會和發(fā)動機的ECU一起工作，檢測驅(qū)動輪和四個車輪的轉(zhuǎn)速差值，判斷驅(qū)動輪有沒有打滑。對于打滑的驅(qū)動輪，ESC就會立即通過減少節(jié)氣門的進氣量和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速降低發(fā)動機的動力輸出，讓其停下來。重復此操作減少了驅(qū)動輪的打滑現(xiàn)象，同時，還保證了車輪與地面之間的抓地力是最合適的動力輸出，使汽車在行駛速度很快的時候，驅(qū)動輪也能夠得到控制，不發(fā)生打滑現(xiàn)象。

此外，ESC在保持車輛橫向穩(wěn)定性時，還能通過橫擺角速度、橫向加速度和輪速的大小算出實際軌跡與駕駛員期望軌跡之間的差異，使得車輛發(fā)生不足轉(zhuǎn)向或過多轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象。這時，ESC就會對單個車輪或者多個車輪進行控制，從而來干預車輛變換車道或轉(zhuǎn)彎時的狀態(tài)，使車輛能夠安全平穩(wěn)的進行變換車道和轉(zhuǎn)彎。

4.2 關聯(lián)性分析

ESC是最高級的防滑系統(tǒng)和新型的主動安全系統(tǒng)，它有效地避免了各類側翻事故的發(fā)生，降低了交通事故發(fā)生率，減少了乘員傷亡，給駕駛員朋友帶來了安全保障，因而ESC越來越受到人們的重視。比如汽車側翻中的非絆倒側翻，即在彎曲道路行駛時，橫向加速度過大，摩擦力不能夠提供足夠多的向心力，因而造成了側翻現(xiàn)象，為減少此類側翻交通事故給人們帶來的傷害，穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的橫擺控制就發(fā)揮了重要的作用。當車輛行駛在彎曲路面，若加速度過大時，ESC能立馬檢測到橫向加速度和橫擺角速度過大，這時ESC和發(fā)動機的ECU協(xié)同工作，立即減少發(fā)動機的動力輸出，直到車輛輸出合適的動力，使車子回到正常行駛狀況，避免了交通事故的發(fā)生。

另一方面，有些國家研究結果表明，安裝有 ESC的汽車能夠降低50%的碰撞事故發(fā)生率。美國一所大學也曾研究過，有三分之一的汽車使用ESC解決失控問題，保持汽車的穩(wěn)定性。此外，在2010年之前，美國政府為了降低翻車等交通事故死亡率，就嚴格要求在所有新車上安裝使用穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的措施。據(jù)后來的數(shù)據(jù)顯示，這一強制措施的實施，使得美國每年可以有10 000人幸免于難，這一個多么嚴重的事實。所以說，為了能有更多的人幸免于難，穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）應用于汽車上是必要的。

5 結語

論文研究了汽車智能安全輔助系統(tǒng)與交通事故的關聯(lián)性，主要結論如下。

（1）總結了三種典型交通事故特征，分別是汽車側翻、汽車側滑和車輪抱死失去轉(zhuǎn)向能力。

（2）進行了三種典型汽車智能安全輔助系統(tǒng)與交通事故的關聯(lián)性分析。汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）能夠減少車輪因抱死失去轉(zhuǎn)向能力的交通事故；驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（TCS）能夠防止車子輪胎打滑，避免和減少了汽車側滑事故的發(fā)生；穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）能夠使車輛安全平穩(wěn)的換道和轉(zhuǎn)彎行駛，有效減少汽車側翻事故的發(fā)生。

參考文獻：

[1] 裴玉龍. 道路交通安全[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 王宏雁，董文灝.客車側翻的運動學分析[J].交通科學與工程，2012，28（3）：61-66.

[3] 歐健，程相川，周鑫華，等.基于汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的側翻控制策略[J].西安交通大學學報，2014，49（2）：283-290.

[4] 郝偉.汽車側滑原因分析與預防[J].甘肅科技，2010，26 （1）：88-89.

[5] 王振剛，范健文，高遠，等.四輪轉(zhuǎn)向車輛操縱穩(wěn)定性的最優(yōu)控制策略研究[J].廣西科技大學學報，2015，26（1）：1-6.

[6] 張小龍，李亮，李紅志，等.汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)側偏角道路試驗測試系統(tǒng) [J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（10）：1-5.

[7] LI Liang，WANG Hui-yi，YU Liang-yao，et al.Fast estimation and compensation of the tire force in real time control for vehicledynamic stability control system[J].International Journal of Vehicle Design，2008，46（3/4）：208-229.

[8] 張彥會.基于載荷轉(zhuǎn)移的爆胎汽車操縱動力學研究[J].廣西工學院學報，2011，22（1）：39-43.

責任編輯 祁秀春