基于TRIZ方法在汽車油門防誤踩裝置研究中的應(yīng)用

馮志勇 李長(zhǎng)峻

摘要：駕駛員在駕駛汽車時(shí)，常見因誤踩油門造成發(fā)生事故的嚴(yán)重后果。通過應(yīng)用TRIZ理論來尋找解決方案，在解決問題當(dāng)中采用了TRIZ創(chuàng)新方法的功能分析、資源分析、因果鏈分析、發(fā)明原理、技術(shù)矛盾和矛盾矩陣等工具，從中對(duì)問題進(jìn)行剖析，找到解決問題的方案。通過試驗(yàn)結(jié)果表明：防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確判別汽車是否處于油門誤踩狀態(tài)，并能在誤踩狀態(tài)下執(zhí)行減速制動(dòng)操作，有效防止誤踩油門導(dǎo)致的交通事故發(fā)生，極大地提高了汽車的主動(dòng)安全性。

關(guān)鍵詞：TRIZ創(chuàng)新方法;油門誤踩;減速制動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0198-03

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)汽車保有量在快速增長(zhǎng)。據(jù)商務(wù)部統(tǒng)計(jì)，目前，全國(guó)汽車保有量大約在2.6億輛左右，因此也造成了交通事故在逐年增加，其中單純因誤踩油門造成的事故就占總事故比例的12.6%[1]。為防止駕駛員誤將油門踏板當(dāng)作剎車踏板踩踏而引發(fā)交通事故，開發(fā)一套完善的主動(dòng)安全裝置已是當(dāng)前急迫要解決的問題。

TRIZ理論（發(fā)明問題解決理論）是根里奇·阿奇舒勒在總結(jié)了二十多萬份專利成果的基礎(chǔ)上，提煉出的一套發(fā)明問題解決理論體系[5]。其主要包括40個(gè)發(fā)明原理、矛盾矩陣表、功能分析、物-場(chǎng)模型、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和發(fā)明問題解決算法（ARIZ）、最終理想解、科學(xué)效應(yīng)庫(kù)等，是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律，研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的方法論，進(jìn)而解決項(xiàng)目中的難題。通常解決問題的方案都是以試錯(cuò)的方案居多，一般的問題這種試錯(cuò)法效果可能會(huì)比較明顯，在一些比較復(fù)雜的問題上往往要花費(fèi)更長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)間，需要消耗更多的資源。

本文針對(duì)駕駛員在駕駛汽車時(shí)，因誤踩油門造成車輛發(fā)生交通事故的嚴(yán)重后果。為了避免或減少此類問題的發(fā)生，本文利用TRIZ創(chuàng)新方法理論來尋找解決方案。通過TRIZ創(chuàng)新方法理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析、功能分析、資源分析、技術(shù)矛盾等工具獲得TRIZ解題的方案模型，最終得出解決方案。

1? 發(fā)明問題初始形勢(shì)分析

當(dāng)前的控制系統(tǒng)如圖1所示。

當(dāng)駕駛員踩下油門踏板的時(shí)侯，油門踏板電位計(jì)傳感器把當(dāng)前的油門踏板所處的位置轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元根據(jù)油門踏板電位計(jì)所提供的信號(hào)，結(jié)合其它傳感器信號(hào)對(duì)節(jié)氣門開度步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的控制。但是當(dāng)駕駛員出現(xiàn)誤操作的時(shí)候，控制系統(tǒng)依然會(huì)執(zhí)行錯(cuò)誤的指令，事故就會(huì)再所難免的發(fā)生了。

1.1 系統(tǒng)功能分析

在TRIZ理論中，基于組件的功能分析是將系統(tǒng)拆分成各個(gè)組件，分析各組件之間的相互關(guān)系及組件在系統(tǒng)中的作用（見圖2），將其作用分為正常功能、有害功能、不足功能。進(jìn)一步理清各組件的關(guān)系及其在系統(tǒng)中的作用，為后續(xù)的因果分析和資源分析提供支持。

1.2 資源分析

資源所涉及到的范圍非常之廣，大體上可以分為：自然資源、金融資源、人力資源。在TRIZ的研究成果上，Boris Zlotin及Alla Zusman將資源總結(jié)為兩類：發(fā)明資源（inventive resources）及進(jìn)化資源（evolutionary resources）。發(fā)明資源分為：直接應(yīng)用資源、導(dǎo)出資源、差動(dòng)資源。本案例采用了直接應(yīng)用資源中的：物質(zhì)資源、能量場(chǎng)資源、信息資源、空間資源、時(shí)間資源、功能資源，從直接應(yīng)用資源中分析得出下列的資源信息，為本案解決方案提供可參考的信息。

物質(zhì)資源：駕駛員、電子油門踏板、G79、G185、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、電子節(jié)氣門、電子節(jié)氣開步電機(jī)、G187、G188;

能量場(chǎng)資源：電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng);

信息資源：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速;

時(shí)間資源：踩油門踏板時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)間、駕駛員反映時(shí)間;

空間資源：駕駛室;

功能資源：踩壓油門踏板。

1.3 因果鏈分析

因果鏈分析[4]是全面識(shí)別工程系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析工具。本課題針對(duì)的問題是因?yàn)轳{駛員在操作時(shí)出現(xiàn)誤踩油門而引起的事故，這個(gè)缺點(diǎn)引起的原因是由于系統(tǒng)無法識(shí)別駕駛員的操作意圖，特對(duì)油門踏板、電子節(jié)氣門、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元這三個(gè)組件進(jìn)行分析，從中找出問題的根本原因，為后面工作推進(jìn)提供方向和思路。

1.3.1 初始缺點(diǎn)分析

初始問題一般是由項(xiàng)目目標(biāo)來決定的，一般說來是項(xiàng)目目標(biāo)的反面。本文里初始問題是駕駛員誤踩油門引起交通事故。

1.3.2 中間缺點(diǎn)分析

中間缺點(diǎn)是指處于初始缺點(diǎn)和末端缺點(diǎn)之間的缺點(diǎn)，它是上一層級(jí)缺點(diǎn)的原因，又是下一層缺點(diǎn)造成的結(jié)果。造成交通事故原因如圖3所示。

1.3.3 末端缺點(diǎn)分析

深入的分析問題，直到本問題無關(guān)才停止進(jìn)一步探究。所以本問題末端缺點(diǎn)是沒有錯(cuò)誤識(shí)別裝置。

1.3.4 關(guān)鍵缺點(diǎn)分析

經(jīng)過因果鏈分析法，得出初始缺點(diǎn)、中間缺點(diǎn)和末端缺點(diǎn)很多，但是不是每一個(gè)缺點(diǎn)都要去處理，經(jīng)過精心去選擇需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵缺點(diǎn)，而造成交通事故發(fā)生的關(guān)鍵缺點(diǎn)問題就是油門踏板沒有安裝有錯(cuò)誤識(shí)別裝置。通過因果鏈分析法，建立起來的因果鏈分析圖4，找出現(xiàn)存問題：

①駕駛員水平低;

②沒有安裝智能識(shí)別裝置。

可解決方案：

①加強(qiáng)駕駛技能培訓(xùn)，規(guī)范操作流程;

②加裝油門踏板信號(hào)處理器（存在技術(shù)矛盾）。

通過上述問題的分析，可以選擇從加裝智能識(shí)別裝置出發(fā)，通過智能識(shí)別裝置來識(shí)別駕駛員在操作的過程中是否存在誤踩的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.4 技術(shù)矛盾

因?yàn)殡娮佑烷T控制系統(tǒng)沒有自主安全控制裝置，當(dāng)駕駛員在誤操作的時(shí)候汽車易出現(xiàn)交通事故。如果給汽車的控制系統(tǒng)增加安全裝置，那么汽車發(fā)生事故的問題就會(huì)避免或減少，但是會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造成本。（表1）

通過40個(gè)發(fā)明原理查找矛盾矩陣表可得到：13：表示反向作用，35：表示物理/化學(xué)狀態(tài)變化，1：表示分割。

1.5 物理矛盾

汽車在行駛的過程中，踩油門踏板需要反應(yīng)要快，是因?yàn)樘崴俚男枰?但是當(dāng)駕駛員出現(xiàn)誤操作的時(shí)候，因安全的需要，踩油門踏板時(shí)反應(yīng)要慢一些。

物理矛盾的分離原理有：①空間分離;②時(shí)間分離;③基于條件的分離;④整體與部分的分離。根據(jù)所描述的問題，采用基于條件的分離原理來解決物理矛盾。根據(jù)發(fā)明原理可得分離原理為條件分離：1、7、25、27、5、22、23、33、6、8、14、35、13。

從條件分離中選?。?-分割。駕駛員出現(xiàn)操作的時(shí)候，限制發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出的功率。

2? 方案的建立

通過TRIZ創(chuàng)新方法的功能分析、資源分析、因果鏈分析、發(fā)明原理、技術(shù)矛盾和矛盾矩陣等工具，從中對(duì)問題進(jìn)行剖析，初步建立以下可選方案：

方案1：在油門踏板底下加一個(gè)限位器，可以防止油門被踩到底。

使用這種方法，操作比較簡(jiǎn)單，但是在使用過程中比較麻煩，并且駕駛員容易忘記復(fù)位。

方案2：定期對(duì)駕駛員進(jìn)行安全培訓(xùn)，提高駕駛員的綜合素質(zhì)。

這種方案是可行的，但是，我國(guó)現(xiàn)擁有駕駛證的人員已達(dá)3.8億人，如此龐大的培訓(xùn)哪個(gè)部門可以承擔(dān)得起這個(gè)責(zé)任和任務(wù)？顯然行不通。

方案3：實(shí)現(xiàn)人工智能控制，無人駕駛汽車。

該方案正在成為汽車發(fā)展的大方向，人工智能的普及以及無人駕駛汽車的應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)交通的有序進(jìn)行。但是現(xiàn)階段要解決傳統(tǒng)汽車的問題，對(duì)現(xiàn)有汽車進(jìn)行人工智能的升級(jí)改造，費(fèi)用巨大，普遍用戶是無法接受的。

方案4：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元進(jìn)行升級(jí)，改寫內(nèi)部控制程序，加入安全防護(hù)程序。

這個(gè)方法可行，但是需要專業(yè)人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電腦板進(jìn)行程序的編寫或增加控制芯片。工作量和成本也是巨大的，據(jù)調(diào)查，市場(chǎng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元進(jìn)行升級(jí)少則一千，多則幾千或過萬的費(fèi)用。

方案5：利用油門踏板的G87、G185的信號(hào)控制。

通過采集油門踏板的G87、G185的信號(hào)以及信號(hào)發(fā)生的曲率變化速度來判斷油門踏板的位置變化。設(shè)定極限值，當(dāng)車輛速度為零時(shí)，油門踏板被瞬間踩到底，保護(hù)控制程序被激活，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷G87、G185的信號(hào)輸送，維持怠速的電信號(hào)傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元接收不到G87、G185的加速信號(hào)，就不會(huì)對(duì)節(jié)氣門步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，發(fā)動(dòng)機(jī)維持在怠速狀態(tài)，從而起到保護(hù)的作用。

3? 方案設(shè)計(jì)選擇

從以上的方案當(dāng)中進(jìn)行了比較，經(jīng)過綜合分析，第5方案在本案當(dāng)中是最佳的選擇，可以滿足各條件下的須要。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真的分析和考量，參閱了大量的資料和專利開發(fā)，結(jié)合可實(shí)現(xiàn)的可行性方案，得出基本的設(shè)計(jì)方案圖4油門防誤踩控制系統(tǒng)[3]。

控制原理：原車油門位置傳感器采集電壓信號(hào)后分別送至信號(hào)分配器和單片機(jī)，怠速信號(hào)生成電路向信號(hào)分配器提供常通的怠速信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)判定為“正常”狀態(tài)時(shí)，STM32單片機(jī)控制信號(hào)分配器選擇油門位置傳感器信號(hào)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU;發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作;當(dāng)系統(tǒng)判定“誤踩”狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制信號(hào)分配器選擇怠速分配器提供的怠速信號(hào)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，發(fā)動(dòng)機(jī)則按怠速供給燃油，同時(shí)激活制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)控制。

4? 誤踩制動(dòng)試驗(yàn)

選取2013款大眾POLO車型分別在瀝青路面上進(jìn)行試驗(yàn)。選取不同駕齡和性別的駕駛員共20名，每人分別以30km/h、45km/h、60km/h的速度行駛至標(biāo)記處，踩制動(dòng)踏板急剎車至車停止，測(cè)量制動(dòng)距離，每人測(cè)試3組;同樣的駕駛員20名，每人分別以30km/h、45km/h、60km/h的速度行駛至標(biāo)記處，以急剎車的方式踩油門踏板，判斷其是否能制動(dòng)，并測(cè)量制動(dòng)距離同樣每人測(cè)試3組，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：在時(shí)速分別為30km/h、45km/h、60km/h的情況下以急剎車的方式踩油門踏板的試驗(yàn)中，系統(tǒng)全部執(zhí)行了制動(dòng)操作，且制動(dòng)距離與正確急剎車的制動(dòng)距離偏差率均小于10%，制動(dòng)過程中汽車平穩(wěn)，表明防油門誤踩制動(dòng)系統(tǒng)完全滿足工作要求。

5? 結(jié)論

綜上所述，汽車油門防誤踩智能控制系統(tǒng)能夠有效的對(duì)駕駛?cè)藛T在駕駛過程中的誤操作進(jìn)行避免，這樣可以有效的提升駕駛?cè)藛T的駕駛安全性，對(duì)于道路交通安全保障也有積極的意義[2]。同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，汽車油門防誤踩控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，在TRIZ創(chuàng)新方法理論的指導(dǎo)下，解決現(xiàn)實(shí)問題是可行的，并且效果非常好，該創(chuàng)意發(fā)明已形成了可行性的產(chǎn)品，并且在參加第七屆中國(guó)TRIZ杯大學(xué)生創(chuàng)新方法大賽榮獲了全國(guó)二等獎(jiǎng)佳績(jī)。

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