客車前撞預(yù)警系統(tǒng)性能測試與評價＊

牛成勇 徐建勛 曾杰 游國平 張儀棟

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

1 前言

前撞預(yù)警系統(tǒng)（Forward Collision Warning System，F(xiàn)CWS）可以在汽車碰撞前發(fā)出緊急的碰撞警告，提醒駕駛員提前做出制動措施，以有效降低追尾事故發(fā)生概率或減輕碰撞激烈程度。先進駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）通過傳感器（如攝像頭、雷達(dá)）進行信息感知與動態(tài)辨識目標(biāo)，有效提高汽車的主動安全，且以Mobileye為代表的、基于視覺的FCWS系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車上，為廣大用戶提供了方便與安全。

隨著交通運輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《營運客車安全技術(shù)條件》（JT/T 1094—2016）的實施，不同傳感器類型的FCWS系統(tǒng)大量裝備于營運客車上，因此，有必要對各生產(chǎn)企業(yè)的FCWS產(chǎn)品性能進行比較和分析，為國內(nèi)企業(yè)更好地開發(fā)FCWS產(chǎn)品和主機廠了解FCWS性能提供借鑒，同時，就行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的某些指標(biāo)和弊端提出異議，對標(biāo)準(zhǔn)的進一步修訂提供參考依據(jù)。

2 FCWS功能及工作原理

圖1為FCWS功能組成架構(gòu)，從圖1可看出，首先，系統(tǒng)感知層通過傳感器進行環(huán)境感知以獲取前方障礙物相對距離、相對車速、相對位置等目標(biāo)信息；然后，系統(tǒng)決策層將獲取的目標(biāo)信息進行數(shù)據(jù)處理；最后，系統(tǒng)通過控制層發(fā)出聲光預(yù)警（或觸覺振動方式）以警示駕駛員。

FCWS常用的傳感器方案包括單獨使用攝像頭、毫米波雷達(dá)及使用毫米波雷達(dá)+攝像頭信息融合等3種，如圖2所示。攝像頭的近距識別率高，能分辨目標(biāo)與車道線的相對位置，但是環(huán)境適應(yīng)性較差、算法復(fù)雜、識別效率較低、硬件成本較高；毫米波雷達(dá)具有目標(biāo)探測距離遠(yuǎn)、目標(biāo)更新頻率高、環(huán)境魯棒性好等特點，其對目標(biāo)的探測主要依靠電磁波硬件系統(tǒng)，對目標(biāo)識別算法的要求較低，占用硬件資源較少；毫米波雷達(dá)+攝像頭信息融合的方案可有效結(jié)合兩種異構(gòu)傳感器的優(yōu)勢，在不同測距范圍內(nèi)實現(xiàn)對車輛目標(biāo)的準(zhǔn)確探測，提高系統(tǒng)環(huán)境感知能力。

圖1 FCWS功能組成架構(gòu)

圖2 FCWS傳感器方案

3 客車FCWS性能測試評價方法

3.1 測試項目

根據(jù)交通運輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014《營運車輛行駛危險預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)要求和試驗方法》中要求，F(xiàn)CWS性能需要通過預(yù)警時間試驗（圖3）和虛警試驗（圖4）進行評價。

3.2 測試設(shè)備及車輛

在國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行FCWS測試，主要測試儀器為英國生產(chǎn)的ABD SR60和SR150駕駛機器人（包括轉(zhuǎn)向、制動油門組合機器人），牛津RT 3002+RT base基站，德國生產(chǎn)的目標(biāo)假車（通過Euro-NCAP認(rèn)證）。測試車輛為純電動營運客車，空載狀態(tài)。試驗設(shè)備及測試車輛如圖5所示。

3.3 客車FCWS測試評價

3.3.1 預(yù)警時間TTC測試評價方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014中的試驗方法對裝備FCWS的純電動營運客車進行FCWS性能測試試驗，測試場景包括前車靜止試驗（CCRs）、前車慢行試驗（CCRm）和前車制動試驗（CCRb）3種。

圖3 FCWS系統(tǒng)預(yù)警時間TTC試驗場景

圖4 FCWS系統(tǒng)虛警測試場景

圖5 FCWS系統(tǒng)測試設(shè)備及測試車輛

a.在前車靜止試驗（CCRs）時，目標(biāo)假車靜止，測試車輛以72±1.6 km/h的車速接近目標(biāo)假車，在駕駛員接收到報警后松開油門踏板并進行制動。該試驗的評價指標(biāo)為：系統(tǒng)須在碰撞時間TTC≥2.7 s（無上限值）時發(fā)出碰撞警告。

b.在前車慢行試驗（CCRm）時，目標(biāo)假車以32±1.6 km/h的車速行駛，測試車輛以72±1.6 km/h的車速接近目標(biāo)假車，在駕駛員接收到報警后松開油門踏板并進行制動。該試驗的評價指標(biāo)為：系統(tǒng)須在TTC≥2.1 s（無上限值）時發(fā)出碰撞警告。

c.在前車制動試驗（CCRb）時，目標(biāo)假車和測試車輛均以72±1.6 km/h的車速行駛，兩車相對距離控制在30±1.5 m，跟隨7 s后，目標(biāo)假車開始減速，并在1.5 s內(nèi)減速度維持在0.3g，在駕駛員接收到報警后松開油門踏板并進行制動。該試驗的評價指標(biāo)為：系統(tǒng)須在TTC≥2.4 s（無上限值）時發(fā)出碰撞警告。

測試車輛在3種測試場景下的合格判定條件為：連續(xù)試驗不少于7次，TTC大于規(guī)定值表示此次試驗成功，成功次數(shù)≥5且未連續(xù)2次失敗表示試驗通過。

俄羅斯科學(xué)院卡爾梅克科研中心成立于1941年，成立之初，叫作卡爾梅克語言、文學(xué)和歷史研究所，歸卡爾梅克自治共和國政府管轄(即所謂“卡爾梅克蘇維埃社會主義自治共和國執(zhí)行人民委員會”)。1988年，該研究所劃歸蘇聯(lián)科學(xué)院，并更名為“蘇聯(lián)科學(xué)院卡爾梅克社會科學(xué)研究所”，1999年后，一度更名為“俄羅斯科學(xué)院卡爾梅克人文科學(xué)研究所”，現(xiàn)名俄羅斯科學(xué)院卡爾梅克科研中心。坐落在埃利斯塔市中心И.К.伊利什金大街，8號。

3.3.2 虛警試驗測試評價

若FCWS頻繁發(fā)生虛警，將會造成駕駛員誤判或?qū)︸{駛員造成干擾，因此需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014中的性能要求進行虛警試驗，以檢驗FCWS虛警誤報情況。

4 客車FCWS試驗結(jié)果分析

針對某純電動營運客車匹配的國內(nèi)外不同廠家生產(chǎn)的6款FCWS產(chǎn)品性能進行了對比試驗，F(xiàn)CWS配置信息如表1所列。

表1 FCWS配置信息

4.1 CCRs測試場景試驗結(jié)果

在CCRs測試工況下，該客車配置不同F(xiàn)CWS產(chǎn)品后的TTC響應(yīng)數(shù)據(jù)如表2和圖6所示。

表2 CCRs工況下純電動營運客車配置不同F(xiàn)CWS后的TTC響應(yīng) s

圖6 CCRs工況下純電動營運客車配置不同F(xiàn)CWS后的TTC響應(yīng)

由試驗結(jié)果可知，基于單目攝像頭的A4系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，TTC標(biāo)準(zhǔn)差很小，試驗重復(fù)性較好；相對于視覺系統(tǒng)，基于毫米波雷達(dá)的B系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布均位于標(biāo)準(zhǔn)要求值之上，且波動相對較小；而基于毫米波雷達(dá)與攝像頭信息融合的C系統(tǒng)最為穩(wěn)定且重復(fù)性最好，其TTC值均接近于標(biāo)準(zhǔn)要求的2.7 s極限值。

該試驗結(jié)果雖存在不合格現(xiàn)象，但均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，也就是說，標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014中只規(guī)定了TTC的下限值（2.7 s）而未規(guī)定上限值，這可能會使生產(chǎn)廠家為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（只要TTC在2.7 s以上即可）在設(shè)計FCWS時將TTC提前，將會干擾駕駛員，影響車輛安全駕駛。

4.2 CCRm測試場景試驗結(jié)果

圖7為CCRm工況下純電動營運客車配置不同F(xiàn)CWS后的試驗結(jié)果。由圖7可看出，與CCRs工況下的測試結(jié)果類似，基于單目攝像頭的FCWS，其TTC在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值2.1 s左右波動較大；基于毫米波雷達(dá)的FCWS性能相對較好；同樣，基于毫米波雷達(dá)和攝像頭信息融合的C系統(tǒng)最接近于標(biāo)準(zhǔn)要求的極限值。

圖7 CCRm工況下純電動營運客車配置不同F(xiàn)CWS后的TTC響應(yīng)

由試驗結(jié)果可知，針對基于單目攝像頭的CWS而言，由于其算法的差異性而導(dǎo)致識別靜態(tài)目標(biāo)難度大于動態(tài)目標(biāo)，故一套滿足動態(tài)試驗場景的設(shè)計參數(shù)不一定滿足靜態(tài)場景。因此，如何“均衡”動態(tài)目標(biāo)跟蹤與靜態(tài)目標(biāo)識別成為基于視覺的FCWS設(shè)計的關(guān)鍵。

4.3 CCRb測試場景試驗結(jié)果

圖8為CCRb測試工況下純電動營運客車配置不同F(xiàn)CWS后的試驗結(jié)果。由圖8可看出，相對基于視覺的FCWS，基于毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)在不同測試場景下的性能穩(wěn)定性和可靠性稍好。顯然，融合毫米波雷達(dá)和攝像頭的C系統(tǒng)表現(xiàn)依然優(yōu)異。

圖8 CCRb工況下純電動營運客車配置不同F(xiàn)CWS后的TTC響應(yīng)

由上述測試結(jié)果可知，由于單目視覺無法直接測量本車與前車的相對距離、相對車速，只能通過像素距離擬合出空間距離曲線而近似獲得相對距離信息，所以預(yù)警時間TTC控制較為困難。

4.4 虛警測試場景試驗結(jié)果

按照圖4所示試驗場景，在試驗場地內(nèi)、外均進行了虛警試驗，結(jié)果表明，6款FCWS產(chǎn)品均能實現(xiàn)對雙向車道、縱橫向車輛的有效分辨，同時能夠?qū)μ鞓?、護欄、靜止車輛等目標(biāo)進行排除，均未出現(xiàn)虛警情況，并且對非車目標(biāo)辨識能力較強。

4.5 客車FCWS測試評價問題分析及建議

a.對于基于視覺的FCWS產(chǎn)品，與基于毫米波雷達(dá)的FCWS在穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)一致性方面存在一定差距，國內(nèi)企業(yè)在對標(biāo)國外競品的同時，需要不斷優(yōu)化測距算法以提升系統(tǒng)預(yù)警穩(wěn)定性。

b.標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014中對碰撞時間TTC只有下限值要求，沒有上限約束，這將導(dǎo)致FCWS產(chǎn)品生產(chǎn)廠家為同時滿足3種測試場景下的報警時間要求而將FCWS的TTC時間提前，即過早報警。鑒于此，建議修訂標(biāo)準(zhǔn)中的TTC要求，合理規(guī)定報警時間的安全裕度。

c.由于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求FCWS性能測試的嚴(yán)苛性，因此，F(xiàn)CWS產(chǎn)品生產(chǎn)廠家在進行研發(fā)測試時，往往達(dá)不到測試要求，甚至找不到合適的場地進行測試。建議進行FCWS性能測試時至少應(yīng)滿足以下要求：

第一，根據(jù)目前國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的測試情況，測試時至少需要具有1.5 km長直路的測試場地；

第二，測試車輛和目標(biāo)車至少均安裝制動、油門組合機器人以控制車速及減速度（尤其是目標(biāo)車0.3g的減速控制），轉(zhuǎn)向機器人可視情況安裝；

第三，應(yīng)利用先進的采集系統(tǒng)準(zhǔn)確采集TTC需要獲取報警聲音頻率、光學(xué)報警亮度（如AVAD2采集系統(tǒng)）和測試車輛與目標(biāo)車的距離（如GPS差分基站、高精度陀螺儀和雙車通信模塊RT-RANGE）；

第四，為保證試驗的安全性，需采用符合法規(guī)要求的目標(biāo)假車，如通過Euro-NCAP認(rèn)證的德國產(chǎn)目標(biāo)假車。

5 結(jié)束語

本文依據(jù)交通運輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014，針對某純電動營運客車匹配國內(nèi)外不同廠家生產(chǎn)的前撞預(yù)警系統(tǒng)（FCWS）的產(chǎn)品性能進行了測試與評價，同時指出了目前在客車FCWS的測試與評價方面存在的問題并提出了相關(guān)建議，為相關(guān)零部件生產(chǎn)商進一步提高系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性的設(shè)計提供技術(shù)參考。

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