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 李長峻

摘要：駕駛員在駕駛汽車時，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安全性。

關(guān)鍵詞：TRIZ創(chuàng)新方法;油門誤踩;減速制動

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

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國汽車保有量在快速增長。據(jù)商務(wù)部統(tǒng)計，目前，全國汽車保有量大約在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個發(fā)明原理、矛盾矩陣表、功能分析、物-場模型、76個標(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)庫等，是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律，研究整個設(shè)計與開發(fā)過程的方法論，進(jìn)而解決項目中的難題。通常解決問題的方案都是以試錯的方案居多，一般的問題這種試錯法效果可能會比較明顯，在一些比較復(fù)雜的問題上往往要花費(fèi)更長的開發(fā)時間，需要消耗更多的資源。

本文針對駕駛員在駕駛汽車時，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侯，油門踏板電位計傳感器把當(dāng)前的油門踏板所處的位置轉(zhuǎn)變成電信號傳輸給發(fā)動機(jī)控制單元，發(fā)動機(jī)控制單元根據(jù)油門踏板電位計所提供的信號，結(jié)合其它傳感器信號對節(jié)氣門開度步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)功率和扭矩的控制。但是當(dāng)駕駛員出現(xiàn)誤操作的時候，控制系統(tǒng)依然會執(zhí)行錯誤的指令，事故就會再所難免的發(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、能量場資源、信息資源、空間資源、時間資源、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;

能量場資源：電場、磁場、熱場;

信息資源：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速;

時間資源：踩油門踏板時間、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高時間、駕駛員反映時間;

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]是全面識別工程系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析工具。本課題針對的問題是因?yàn)轳{駛員在操作時出現(xiàn)誤踩油門而引起的事故，這個缺點(diǎn)引起的原因是由于系統(tǒng)無法識別駕駛員的操作意圖，特對油門踏板、電子節(jié)氣門、發(fā)動機(jī)控制單元這三個組件進(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目目標(biāo)來決定的，一般說來是項目目標(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)是沒有錯誤識別裝置。

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誤識別裝置。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別裝置出發(fā)，通過智能識別裝置來識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。

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)生事故的問題就會避免或減少，但是會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造成本。（表1）

通過40個發(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)誤操作的時候，因安全的需要，踩油門踏板時反應(yīng)要慢一些。

物理矛盾的分離原理有：①空間分離;②時間分離;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)操作的時候，限制發(fā)動機(jī)對外輸出的功率。

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限位器，可以防止油門被踩到底。

使用這種方法，操作比較簡單，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)哪個部門可以承擔(dān)得起這個責(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，對現(xiàn)有汽車進(jìn)行人工智能的升級改造，費(fèi)用巨大，普遍用戶是無法接受的。

方案4：對發(fā)動機(jī)控制單元進(jìn)行升級，改寫內(nèi)部控制程序，加入安全防護(hù)程序。

這個方法可行，但是需要專業(yè)人員對發(fā)動機(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，市場對發(fā)動機(jī)控制單元進(jìn)行升級少則一千，多則幾千或過萬的費(fèi)用。

方案5：利用油門踏板的G87、G185的信號控制。

通過采集油門踏板的G87、G185的信號以及信號發(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，油門踏板被瞬間踩到底，保護(hù)控制程序被激活，系統(tǒng)會自動切斷G87、G185的信號輸送，維持怠速的電信號傳遞，發(fā)動機(jī)控制單元接收不到G87、G185的加速信號，就不會對節(jié)氣門步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，發(fā)動機(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后分別送至信號分配器和單片機(jī)，怠速信號生成電路向信號分配器提供常通的怠速信號。當(dāng)系統(tǒng)判定為“正?！睜顟B(tài)時，STM32單片機(jī)控制信號分配器選擇油門位置傳感器信號發(fā)送至發(fā)動機(jī)ECU;發(fā)動機(jī)正常工作;當(dāng)系統(tǒng)判定“誤踩”狀態(tài)時，單片機(jī)控制信號分配器選擇怠速分配器提供的怠速信號發(fā)送至發(fā)動機(jī)ECU，發(fā)動機(jī)則按怠速供給燃油，同時激活制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對車輛進(jìn)行制動控制。

4? 誤踩制動試驗(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，踩制動踏板急剎車至車停止，測量制動距離，每人測試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，并測量制動距離同樣每人測試3組，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：在時速分別為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)行了制動操作，且制動距離與正確急剎車的制動距離偏差率均小于10%，制動過程中汽車平穩(wěn)，表明防油門誤踩制動系統(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，對于道路交通安全保障也有積極的意義[2]。同時實(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TRIZ杯大學(xué)生創(chuàng)新方法大賽榮獲了全國二等獎佳績。

參考文獻(xiàn)：

[1]張欽，金圭.汽車誤踩油門糾錯裝置的設(shè)計[J].汽車電器，2008（8）：4-6.

[2]顧友民.汽車油門防誤踩智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計應(yīng)用探究[J].中國科技縱橫，2019（09）.

[3]黎仕增.防汽車油門誤踩制動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車技術(shù)，2018（9）.

[4]孫永偉.伊克萬科（Ikovenko，S.）編著.TRIZ：打開創(chuàng)新之門的金鑰匙[M].北京：科學(xué)出版社，2015，11.

[5]檀潤華編著.TRIZ及應(yīng)用：技術(shù)創(chuàng)新過程與方法[M].北京：高等教育出版社，2010，11.