客車LDWS與FCWS性能測試研究

牛成勇, 蘇占領(lǐng), 吳昆倫, 胡 雄， 徐建勛

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122； 2.汽車主動安全測試技術(shù)重慶市工業(yè)和信息化 重點實驗室， 重慶 401122； 3.自動駕駛系統(tǒng)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)研發(fā)與測試應(yīng)用重慶市工程研究中心， 重慶 401122)

前撞預(yù)警系統(tǒng)(forward collision warning system，F(xiàn)CWS)與車道偏離系統(tǒng)(lane departure warning system，LDWS)可在汽車臨近危險狀態(tài)時及時提醒駕駛員做出預(yù)防措施，以有效降低事故發(fā)生概率、提高行駛安全性[1]。隨著汽車智能化、電動化的不斷發(fā)展，交通運輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1094—2016[2]和JT/T 1178.1—2018[3]相繼發(fā)布、實施，不同類型的ADAS系統(tǒng)(包含F(xiàn)CWS、LDWS)將大量裝備在汽車上，尤其在營運客車和營運貨車領(lǐng)域。鑒于此，有必要對國內(nèi)外的FCWS和LDWS產(chǎn)品相關(guān)性能進行測試研究，為國內(nèi)整車廠及相關(guān)零部件廠的研發(fā)提供參考。同時，指出標(biāo)準(zhǔn)中某些評價指標(biāo)存在的問題并提出合理建議，希望對標(biāo)準(zhǔn)的進一步修訂提供技術(shù)支持。

1 LDWS性能測試研究

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014[4]的要求，LDWS性能評價試驗項目為彎道(目前有兩種彎道曲率半徑)報警產(chǎn)生測試、直道可重復(fù)性測試、虛警測試，其基本覆蓋了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的典型特征測試項目，能夠?qū)DWS性能進行較為客觀、完善的測試評價[5]。

測試LDWS所需主要儀器為英國生產(chǎn)的SR150駕駛機器人(包括轉(zhuǎn)向、制動油門組合機器人)；AVAD2/AVAD3聲光采集系統(tǒng)(可采集0～5 kHz頻段的聲音)、牛津 RT 3002+GPS差分基站(厘米級定位精度)。測試車輛為營運客車，空載狀態(tài)(系統(tǒng)會根據(jù)載荷不同而進行自校準(zhǔn))。

1.1 LDWS測試評價

1.1.1 彎道報警產(chǎn)生測試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，設(shè)置如圖1所示的彎道報警產(chǎn)生測試方法：測試車輛以規(guī)定試驗車速進入測試車道，跟蹤行駛至穩(wěn)定狀態(tài)后，以某一偏離速度偏離出彎道(內(nèi)側(cè)/外側(cè))。測試車輛應(yīng)在兩種彎道情形(左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎)、在兩種偏離速度范圍(0～0.4 m/s 和0.4～0.8 m/s)內(nèi)，向左側(cè)和右側(cè)各偏離一次。

圖1 彎道報警產(chǎn)生測試方法

判定依據(jù)：在每次測試中，LDWS應(yīng)保證車輛在越過最早報警線(車道線內(nèi)0.75 m)后，未越過最遲報警線(商用車輛為車道線外1 m)之前發(fā)出報警。

測試結(jié)果：表1是該營運客車在彎道以65 km/h速度行駛、兩種偏離速度的工況下， LDWS 彎道報警位置點的偏離距離的測試結(jié)果。

表1 電動客車LDWS彎道報警產(chǎn)生測試結(jié)果

注：表中報警時刻位置要求車輛前輪外緣位于車道線外側(cè)時為“正”，位于車道線內(nèi)側(cè)時為 “負(fù)”，車道線為“0 m”

1.1.2 直道可重復(fù)性測試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)置如圖2所示的直道重復(fù)性產(chǎn)生測試方法：測試車輛以規(guī)定試驗車速在一段直路上行駛，跟蹤行駛至穩(wěn)定狀態(tài)后，以某一偏離速度偏離出直道(左偏/右偏)。測試車輛應(yīng)在兩種偏離情形(左偏和右偏)、在兩種偏離速度范圍(0.1～0.3 m/s和0.6～0.8 m/s)內(nèi)，每組進行4次測試，共計16次測試。

圖2 直道可重復(fù)性測試方法

判定依據(jù)：LDWS應(yīng)保證車輛在越過最早報警線(車道線內(nèi)0.75 m)后，未越過最遲報警線(商用車輛為車道線外1 m)之前發(fā)出報警；應(yīng)通過單組4次試驗中的3次，且通過共需16次試驗中的13次試驗。

測試結(jié)果：圖3是該客車在直道以65 km/h速度行駛、橫向偏離速度為0.79 m/s的測試工況下， LDWS報警位置點及報警信號測試結(jié)果。圖中，觸發(fā)報警信號的時刻所對應(yīng)的偏離車道線距離即為LDWS 的報警位置點(車道線外側(cè)0.18 m)。

圖3 客車LDWS報警信號及報警距離結(jié)果

1.1.3 虛警測試

測試車道：直道，總長1 km；判定依據(jù)：當(dāng)車輛在非報警區(qū)域正常行駛時，系統(tǒng)應(yīng)不發(fā)出報警；測試結(jié)果：該營運客車在虛警測試中未發(fā)生誤報警，符合試驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 存在問題及建議

目前，LDWS測試評價存在以下問題：

1) LDWS測試方法主要針對特定工況的試驗場景和試驗道路。然而，對于惡劣場景的測試則更多由系統(tǒng)生產(chǎn)廠家進行內(nèi)部研發(fā)驗證，其測試場景缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)且無法提出統(tǒng)一的評價指標(biāo)。

2) 就現(xiàn)階段的LDWS評價指標(biāo)而言，商用車最遲報警線位于車到邊界外側(cè)1m處，該標(biāo)準(zhǔn)要求過低。例如，對于兩款LDWS產(chǎn)品，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，不能有效評判報警早晚的優(yōu)劣性，即不能很好地評價兩者的性能差異性和優(yōu)劣性。

隨著LDWS廣泛應(yīng)用于營運客貨車及乘用車，應(yīng)綜合全面評價其系統(tǒng)可靠性與有效性。因此，針對LDWS測試與評價提出如下建議：

1) 基于攝像頭的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性相對較差，故可在復(fù)雜光照條件、破損模糊車道線、雨、雪、霧等惡劣工況下進行獨立零部件識別性能測試，進一步提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[5-7]。

2) 現(xiàn)階段的LDWS初始報警車速大多設(shè)置為50～60 km/h，為應(yīng)對不同路況條件(如平坦路面、山區(qū)、郊區(qū)等)，系統(tǒng)開發(fā)商可提供多模式的車道偏離報警初始車速(如配備可供駕駛員操作的初始車速調(diào)節(jié)按鈕)，進一步提升客車的行駛安全性。

2 FCWS性能測試研究

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014的要求，設(shè)置如圖4所示的預(yù)警時間試驗場景對FCWS性能進行測試與評價[4，8-10]。

(a) 靜止假車

(b) 移動假車

FCWS測試所需主要儀器為英國生產(chǎn)的SR150駕駛機器人(包括轉(zhuǎn)向、制動油門組合機器人)，前后車均需安裝；AVAD2/AVAD3聲光采集系統(tǒng)(可采集0～5 kHz頻段的聲音)、牛津 RT 3002+GPS差分基站(厘米級定位精度)+雙車通信模塊；EVT目標(biāo)假車。

2.1 客車FCWS測試評價

該營運客車的3種FCWS傳感器方案為：基于單目攝像頭方案(代號：A)；基于毫米波雷達方案(代號：B)；基于攝像頭+毫米波雷達信息融合方案(代號：C)。

2.1.1 CCRs測試評價

1) 試驗方法：試驗場景如圖5所示。注意：目標(biāo)假車與測試車輛兩者間的車身縱軸線間距不超過1.6 m。

圖5 CCRs試驗示意圖

2) 評價指標(biāo)：若系統(tǒng)在碰撞時間TTC≥2.7 s時發(fā)出碰撞警告，則本次試驗通過并結(jié)束。

3) 合格判定條件：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。

4) 測試結(jié)果及分析：從圖6可以看出，基于單目攝像頭的FCWS的TTC響應(yīng)波動較大(標(biāo)準(zhǔn)差：0.48)，穩(wěn)定性較差；相對于機器視覺系統(tǒng)而言，基于毫米波雷達的FCWS的TTC數(shù)據(jù)分布均位于標(biāo)準(zhǔn)要求限值之上，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對較好(標(biāo)準(zhǔn)差：0.15)；而基于毫米波雷達與攝像頭信息融合的FCWS響應(yīng)最為穩(wěn)定且重復(fù)性最好(標(biāo)準(zhǔn)差：0.02)，其TTC值均接近于標(biāo)準(zhǔn)要求的2.7 s閾值，預(yù)警時間合適，不會因系統(tǒng)過早報警而干擾駕駛員正常駕駛，影響行車安全。

圖6 CCRs工況下不同F(xiàn)CWS傳感器方案的TTC響應(yīng)數(shù)據(jù)

除此之外，試驗過程中雖有不合格的情況發(fā)生(TTC< 2.7 s)，但仍然滿足目前的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求。同時，標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定上限閾值，這極有可能使ADAS供應(yīng)商為滿足要求，在設(shè)計FCWS時將TTC提前(即提前報警，只要TTC≥2.7 s即可)，極大干擾駕駛員正常駕駛。

2.1.2 CCRm測試評價

1) 試驗方法：試驗場景如圖7所示。注意：目標(biāo)假車與測試車輛兩者間的車身縱軸線間距不超過1.6 m。

圖7 CCRm試驗示意圖

2) 評價指標(biāo)：若系統(tǒng)在碰撞時間TTC≥2.1 s時發(fā)出碰撞警告，則本次試驗通過并結(jié)束。

3) 合格判定條件：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。

4) 測試結(jié)果及分析：從圖8可以看出，基于單目攝像頭的FCWS的TTC響應(yīng)波動依然較大，響應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.32，其可靠性與重復(fù)性有待進一步優(yōu)化、提升。以毫米波雷達為傳感方案的FCWS性能較為穩(wěn)定，試驗重復(fù)性較好；基于攝像頭+毫米波雷達信息融合的FCWS性能最為穩(wěn)定，表現(xiàn)最佳且TTC響應(yīng)最接近于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限閾值(2.1 s)，保證預(yù)警時間安全裕度的同時又可確保不干擾駕駛員的正常駕駛。

圖8 CCRm工況下不同F(xiàn)CWS傳感器方案的TTC響應(yīng)數(shù)據(jù)

2.1.3 CCRb測試評價

1) 試驗方法：試驗場景如圖9所示。注意：目標(biāo)假車與測試車輛兩者間的車身縱軸線間距不超過1.6 m。

圖9 CCRb試驗示意圖

2) 評價指標(biāo)：若系統(tǒng)在碰撞時間TTC≥2.4 s時發(fā)出碰撞警告，則本次試驗通過并結(jié)束。

3) 合格判定條件：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。

4) 測試結(jié)果及分析：由圖10的TTC響應(yīng)折線圖可知，以攝像頭+毫米波雷達為傳感方案的FCWS表現(xiàn)依然優(yōu)異。由于攝像頭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等信息，故其深受“測距精度”瓶頸的影響而對TTC控制較為困難。同時，攝像頭環(huán)境適應(yīng)性較差，即魯棒性差，易受視野、夜晚暗光、雨雪天氣等因素影響而導(dǎo)致“漏檢”，預(yù)警功能失效[1]。

圖10 CCRb工況下不同F(xiàn)CWS傳感器方案的TTC響應(yīng)數(shù)據(jù)

2.2 存在問題及建議

1) FCWS的關(guān)鍵在于“測距”，尤其是基于視覺的FCWS產(chǎn)品需不斷優(yōu)化測距算法以提升系統(tǒng)預(yù)警可靠性與穩(wěn)定性，確保安全裕度。為解決系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性及環(huán)境魯棒性問題，采用攝像頭+毫米波雷達信息融合技術(shù)是目前主流的解決方案[11-12]。

2) JT/T 883—2014標(biāo)準(zhǔn)中對碰撞時間TTC只有下限值要求、無上限閾值，這將導(dǎo)致ADAS供應(yīng)商“單純地”為法規(guī)要求的TTC要求而將其提前，干擾正常駕駛，產(chǎn)生負(fù)面影響。基于此，建議修訂標(biāo)準(zhǔn)中的TTC要求，規(guī)定上限閾值(可設(shè)置上限閾值為4 s)，合理規(guī)定TTC安全裕度，確保預(yù)警系統(tǒng)的有效性與功能安全性。

3) 在JT/T 883—2014標(biāo)準(zhǔn)中，只規(guī)定FCWS針對車輛或具有車輛屬性的柔性替代物(如EVT目標(biāo)假車)的檢測，未涉及行人檢測。為進一步深入驗證系統(tǒng)功能的完整性、有效性，建議增加行人識別測試，如行人橫穿和縱向行走兩種測試工況。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)JT/T 883—2014標(biāo)準(zhǔn)，選取最具代表性的基于攝像頭和毫米波雷達融合方案、單獨攝像頭方案的某營運客車的LDWS和FCWS兩種輔助駕駛功能進行了性能測試與評價研究，同時指出了目前商用車輛在LDWS和FCWS測試與評價方面存在的問題并提出相關(guān)建議。