面向預(yù)期功能安全的NOP巡航車速控制性能優(yōu)化方法

孫 川,馮 斌,許述財(cái),2,董 浩,穆文浩,秦征驍,李 慢

(1.清華大學(xué) 蘇州汽車研究院, 江蘇 蘇州 215134;2.清華大學(xué) 車輛與運(yùn)載學(xué)院, 北京 100084;3.公安部交通管理科學(xué)研究所, 江蘇 無錫 214151;4.道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫 214151)

0 引言

預(yù)期功能安全[1](safety of the intended functionality,SOTIF)的定義是沒有因預(yù)期功能不足或可合理預(yù)見的人為誤用導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)。ISO 21448標(biāo)準(zhǔn)提供了實(shí)現(xiàn)SOTIF所需的適用設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和驗(yàn)證措施的研究指南,還包含一些風(fēng)險(xiǎn)評估和觸發(fā)條件的確定方法,但是目前針對“功能改進(jìn)來降低SOTIF風(fēng)險(xiǎn)”的策略的研究較少。

巡航車速控制功能[2]作為領(lǐng)航輔助(navigate on pilot,NOP)系統(tǒng)的重要組成部分,因其在融合高精地圖或具有車道級信息的導(dǎo)航地圖進(jìn)行變道時檢測前方危險(xiǎn),提醒駕駛員或自動減速制動,受到了高度關(guān)注。傳統(tǒng)的巡航車速控制功能主要是通過車載傳感器感知周圍的環(huán)境,如毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器來感知車輛間或障礙物的相對距離在特殊光照條件、角度及視野盲區(qū)情況下車載傳感器受到性能局限的影響等預(yù)期功能安全不足的風(fēng)險(xiǎn),可能引起車輛NOP領(lǐng)航車速控制功能功能失效,導(dǎo)致車輛非預(yù)期車速失控行為。

傳統(tǒng)的巡航車速控制功能主要是通過車載傳感器感知周圍的環(huán)境,而融合了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[3](vehicle to everything,V2X)的NOP巡航車速控制功能,則是通過傳感器感知人-車-路的方式,對交通狀態(tài)進(jìn)行全方位收集,并實(shí)現(xiàn)人-車-路之間的信息互通及協(xié)調(diào)配合,檢測車輛間或障礙物的相對距離,通過安全距離模型決策過程來實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警以及減速制動操作。最后達(dá)到降低NOP系統(tǒng)由控制策略缺陷導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)。安全距離模型是巡航車速控制功能研究的重點(diǎn),Liu等[4]基于分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了讓駕駛員能夠接受的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng),在分析實(shí)際駕駛員駕駛行為的駕駛測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了一種新的安全距離模型。Zhang等[5]考慮了交通流的動態(tài)特性,提出了一種新的最優(yōu)速度函數(shù),采用安全距離模型代替預(yù)先設(shè)定的常數(shù)來動態(tài)實(shí)時調(diào)整后車的跟車距離。劉莊等[6]引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對車輛實(shí)時駕駛工況進(jìn)行識別與預(yù)測,結(jié)合工況識別結(jié)果,提出一種基于駕駛工況識別的安全距離模型.陳濤等[7]研究了每類駕駛?cè)酥?jǐn)慎型、適中型和激進(jìn)型駕駛特征參數(shù)進(jìn)行分析,基于固定車間時距建立了考慮駕駛?cè)孙L(fēng)格的安全距離模型。汪長春等[8]引入了一種單目視覺原理計(jì)算車距的方法,對剎車距離分析的安全距離模型,然后憑借預(yù)警模型對自車行駛過程進(jìn)行安全性分析,得出碰撞預(yù)警信息。李清清等[9]研究了前車運(yùn)動狀態(tài)以及后車不同初始狀態(tài)下的安全距離模型,得出后車不同初始狀態(tài)下預(yù)警安全距離的差異及變化規(guī)律。

上述有關(guān)安全距離模型的研究都是在同向行駛工況下展開分析,然而對于交叉口路段,道路交通環(huán)境不僅復(fù)雜還有較大的視野盲區(qū),其車載傳感器的功能受到限制,僅憑靠車載傳感器,難以進(jìn)行可靠的巡航車速控制。采用V2X方案能有效解決以上問題,但同時也將引入新的預(yù)期功能安全問題。因此,本文中提出了基于車路協(xié)同系統(tǒng)一種針對交叉口路段的智能車NOP巡航車速控制功能的安全控制策略。首先,采用系統(tǒng)理論過程分析方法(systems-theoretic process analysis,STPA)對V2X-NOP系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估[10],得到可能引起危害的觸發(fā)條件并提出相應(yīng)的安全目標(biāo)。其次,通過實(shí)車測試獲取車-車通信在不同工況下的通信時延值。使用該值對車輛的速度、位移和坐標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行反饋修正,解決通信時延對系統(tǒng)決策造成的影響。然后,通過判斷兩車的坐標(biāo)系投影是否存在重疊,來檢測兩車是否存在碰撞危險(xiǎn)。在交叉口路段兩車存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)時控制本車以最大的制動減速度進(jìn)行緊急減速制動的策略研究。最后在搭建的Carsim/Prescan/Simulink聯(lián)合仿真平臺上驗(yàn)證了該安全策略的有效性。

1 面向SOTIF的巡航控制車速功能設(shè)計(jì)

對于汽車NOP系統(tǒng),由于運(yùn)行場景和內(nèi)部邏輯的復(fù)雜化以及預(yù)期功能安全風(fēng)險(xiǎn)分析的整體性,因而其巡航控制車速功能將難以利用系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效信息。而典型架構(gòu)的巡航車速控制功能的感知認(rèn)知、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行模塊解耦度高,且根據(jù)各獨(dú)立模塊的不同特點(diǎn)適合采取不同的分析方式。

1.1 巡航車速控制功能SOTIF設(shè)計(jì)流程

STPA將預(yù)期功能安全定義為一個控制問題,把危害歸結(jié)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行缺少安全限制的原因,通過控制系統(tǒng)的行為來限制系統(tǒng)安全。利用STPA對其進(jìn)行安全分析,得出NOP巡航車速控制功能的不安全控制行為和不安全控制行為原因?；赟TPA方法,結(jié)合NOP巡航車速控制功能的特性,本文提出一種面向NOP巡航車速控制功能的SOTIF設(shè)計(jì)流程,如圖1所示。

圖1 SOTIF設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)并非在所有情況下都能正常工作,它的正常運(yùn)行存在一個邊界,這個邊界稱為運(yùn)行場景。為明確NOP系統(tǒng)能夠發(fā)揮其預(yù)期功能工作安全邊界,需定義NOP系統(tǒng)的運(yùn)行場景。在定義的運(yùn)行場景內(nèi)NOP系統(tǒng)的SOTIF分析均應(yīng)在運(yùn)行場景內(nèi)進(jìn)行。

1.2 基于STPA的SOTIF安全分析

根據(jù)上述預(yù)期功能安全設(shè)計(jì)流程,采用STPA方法對NOP巡航車速控制功能架構(gòu)進(jìn)行安全分析。根據(jù)功能定義,NOP巡航車速控制功能STPA架構(gòu),如圖2所示。系統(tǒng)包括5個層級控制結(jié)構(gòu),分別為:感知層、決策層、控制層、執(zhí)行層和環(huán)境層。環(huán)境層的信息可經(jīng)由車載傳感器、車路協(xié)同感知設(shè)備以及駕駛員的行為反應(yīng),傳遞到感知層,經(jīng)過處理可作為決策層的輸入;決策層融合環(huán)境信息與車輛狀態(tài)信息,決策出期望的減速度以及緊急制動時刻等車速控制信息;控制層接收決策層信息,將其轉(zhuǎn)化為制動缸壓力信號供執(zhí)行層輸出;執(zhí)行層是車輛的物理實(shí)體包含預(yù)警系統(tǒng)、車速控制系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 NOP巡航車速控制功能STPA架構(gòu)

1.2.1確定潛在觸發(fā)事件

根據(jù)兩車之間的最小安全距離和兩車之間的當(dāng)前車距確定巡航車速緊急制動的時機(jī),當(dāng)兩車車距等于確定的最小安全距離時,巡航車速控制功能進(jìn)行制動減速。車速控制動力學(xué)模塊是根據(jù)車輛的最大制動減速度以及所使用的車輛的車身結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得到車輛的主缸制動壓力,實(shí)現(xiàn)對車輛的車速控制。通過交叉口兩車的位置、車速及加速度判斷兩車是否存在碰撞危險(xiǎn),若存在碰撞危險(xiǎn)則進(jìn)行車速調(diào)整。通信時延模塊是計(jì)算車載通信設(shè)備在進(jìn)行車-車通信時存在的通信延遲時間。

NOP巡航車速控制功能模型框架示意圖,如圖3所示。巡航車速控制功能通過感知層或者通過V2X等方式實(shí)時獲取車輛行駛環(huán)境與監(jiān)測駕駛員的行為信息,并通過控制層對車輛與障礙物間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估,以便對駕駛員預(yù)警或巡航車速控制功能減速制動,以防車輛碰撞。

對本文的巡航車速控制功能而言,它主要的決策結(jié)果是對車速進(jìn)行緊急制動時刻的車間距S1。

1.2.2巡航車速控制功能風(fēng)險(xiǎn)評估

對于NOP巡航車速控制功能而言,其主要功能是讓車輛在危險(xiǎn)場景下減速制動保持安全車距。危害可根據(jù)危害程度進(jìn)行層級劃分[11],如表1所示,從LV1到LV5損失的嚴(yán)重程度依次增加,LV5為最嚴(yán)重的損失。

圖3 NOP巡航車速控制功能模型框架

表1 巡航車速控制功能危害評估

系統(tǒng)在特定場景下可能導(dǎo)致的危害事件發(fā)生的具體不安全控制行為即觸發(fā)事件。為避免巡航車速控制功能因SOTIF不足而造成的危害,首先要對巡航車速控制功能層級的危害事件進(jìn)行識別分析,危害事件是指系統(tǒng)在特定場景下,系統(tǒng)發(fā)生非預(yù)期功能安全的表現(xiàn),造成不同損失的層級。表2所示為巡航車速控制功能在運(yùn)行場景下的危害事件。HV2和HV3雖然會引起駕乘人員不舒適,但未導(dǎo)致人員生命財(cái)產(chǎn)損失,對于可能引發(fā)碰撞事故的HV1和HV4類危害,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能避免。

通過考察安全關(guān)鍵控制行為的錯誤模式,識別不安全控制行為[12]。在STPA通用分類方法的基礎(chǔ)上提出了4種故障模式,用F表示它們的集合,見表2。

表2 巡航車速控制功能的危害事件評估

1.2.3分析不安全控制行為原因

考察控制結(jié)構(gòu)中決策層的信息流,可知其最終輸出結(jié)果取決于3個方面:決策系統(tǒng)自身、感知層輸入的環(huán)境信息和感知層輸入的定位導(dǎo)航信息。因此,不安全控制行為的原因(表3)可被歸納為以下3個類別,用T表示。

1)T1決策系統(tǒng)獲取交通環(huán)境信息發(fā)生故障:決策層未接收到感知層正確的環(huán)境信息;或信息正確,但信號傳輸故障。

2)T2決策系統(tǒng)獲取自車車輛狀態(tài)信息發(fā)生故障:感知層提供的車輛狀態(tài)信息有誤;或者車輛狀態(tài)信息無誤,但信號傳輸故障。

3)T3決策系統(tǒng)存在安全問題,主要分為:T3.1狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件存在缺陷;T3.2轉(zhuǎn)移條件過于敏感引起狀態(tài)震蕩,多狀態(tài)之間頻繁切換;T3.3決策系統(tǒng)信號輸出正確,但信號傳輸存在干擾、時延等問題,導(dǎo)致輸出信號與預(yù)期結(jié)果存在誤差。

表3 不安全控制行為原因

1.3 提出安全目標(biāo)

根據(jù)分析獲得的觸發(fā)條件及其原因構(gòu)建潛在危險(xiǎn)事件[13],如表4所示。表中展示了潛在危害、危害分類、觸發(fā)條件以及觸發(fā)原因之間的追溯關(guān)系,根據(jù)定義即可構(gòu)建得到系統(tǒng)的危險(xiǎn)事件。危險(xiǎn)事件被定義為因?yàn)橛|發(fā)原因R,造成系統(tǒng)危害分類HV,與環(huán)境中潛在危害Q,可以使用如(Ri,HVj,Qk)的有序元組進(jìn)行形式化描述。對該自動駕駛決策系統(tǒng)可推導(dǎo)出以下系統(tǒng)危害等級,提出對應(yīng)的安全目標(biāo)C。

通過對NOP巡航車速控制功能進(jìn)行SOTIF設(shè)計(jì),基于STPA方法對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,得到NOP巡航車速控制功能可能在信號傳輸通道上存在干擾、數(shù)據(jù)丟包、通信時延等安全風(fēng)險(xiǎn)問題。本文主要考慮通信時延對NOP巡航車速控制功能的影響提出安全目標(biāo),并對NOP巡航車速控制功能安全策略優(yōu)化。

2 融合通信時延的車車安全距離模型

在車-車通信的過程中,車載通信設(shè)備之間的信息傳輸存在通信時延。NOP巡航車速控制功能中緊急減速制動時機(jī)受到通信時延的影響[14]。為了彌補(bǔ)該通信時延造成的誤差,首先要確定最小安全車距[15]。本研究將通信時延引入到安全車距的計(jì)算模型之中,基于實(shí)際數(shù)據(jù)分析時延規(guī)律,構(gòu)建考慮通信時延的車輛巡航車速控制距離模型。

2.1 通信時延實(shí)車測試

通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)的方式對通信設(shè)備時延進(jìn)行研究,獲取通信時延的規(guī)律特征,以此來建立安全車距模型。

在兩輛車的駕駛室內(nèi)安裝有車載單元(on board unit,OBU),由星云互聯(lián)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。為避免測試中車載TX2時間同步不精確的問題,采用如下測試方法。測試過程中后車通過車載的TX2將ROS包里的模擬數(shù)據(jù)以及發(fā)送數(shù)據(jù)時的時間戳發(fā)送至前車,前車接收到數(shù)據(jù)后再將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至后車,同時后車記錄接收到數(shù)據(jù)的時間,將發(fā)送時的時間戳與接收到同一數(shù)據(jù)包的時間戳相減然后乘以1/2即得到該車載單元在目前環(huán)境下的通信時延,其中數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為 20 Hz。測試示意圖如圖4。

1) 測試場景

實(shí)驗(yàn)選取了2個場景進(jìn)行實(shí)車測試,見表5和表6。在實(shí)車行駛工況測試中,除經(jīng)過交叉口道路、車輛轉(zhuǎn)彎和等候紅綠燈等行駛工況外,測試過程中兩車基本保持在同一車道內(nèi),行駛過程中偶爾有車輛穿插于兩車之間。

表5 清華大學(xué)蘇州汽車科創(chuàng)園場地

表6 蘇州高鐵新城相城大道部分路段

2) 測試數(shù)據(jù)

表7為清華大學(xué)蘇州汽車科創(chuàng)園試驗(yàn)場地內(nèi)兩車靜止時測得的時延數(shù)據(jù)結(jié)果。表8統(tǒng)計(jì)了兩車速為20、40、60和80 km/h時測得的車載通信設(shè)備的通信時延數(shù)據(jù)。

表7 兩車靜止時延測試數(shù)據(jù)

表8 兩車運(yùn)行工況時延測試數(shù)據(jù)

2.2 車距檢測過程中車輛運(yùn)行距離建模

1) 環(huán)境車位移

將上述計(jì)算得到的不同工況下的通信時延數(shù)據(jù)的平均值作為巡航車速控制功能的時延補(bǔ)償值,本車通過車載通信設(shè)備獲取到環(huán)境車的狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)包的時刻t′與環(huán)境車通過車載通信設(shè)備發(fā)出該數(shù)據(jù)包的時刻之間間隔為tdel,此時環(huán)境車的狀態(tài)已經(jīng)是tdel之后的狀態(tài),若此時采用環(huán)境車在t′時刻的車輛運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行巡航車速控制的決策判斷,則會導(dǎo)致讀取到的環(huán)境車的坐標(biāo)和速度不準(zhǔn)確。為了得到更精確的環(huán)境車坐標(biāo)和位移,用通信時延tdel對環(huán)境車的坐標(biāo)和位移進(jìn)行補(bǔ)償,由于tdel值較小,為簡化計(jì)算,忽略tdel時間段內(nèi)環(huán)境車的加速度變化。即:

(1)

式中:vf為通信時延補(bǔ)償后的環(huán)境車車速;vf0為讀取到的環(huán)境車車速;af0為讀取到的環(huán)境車加速度;xf為保持安全車距決策所需的環(huán)境車的位移;Xf為補(bǔ)償后的環(huán)境車坐標(biāo);Xf0為讀取到的環(huán)境車的坐標(biāo);t為制動過程所用的時間。

2) 本車位移

在車輛車速控制的過程中,其中制動減速度是在一段時間內(nèi)調(diào)整至期望效果的。將巡航車速控制的制動過程分如下幾個過程:駕駛員反應(yīng)時間τ1、消除制動器間隙時間τ2、制動力增長階段τ3、穩(wěn)態(tài)制動階段τ4。

在駕駛員反應(yīng)時間τ1和消除制動器間隙時間τ2內(nèi),本車駛過位移為:

D1=v1(τ1+τ2)

(2)

本文中所研究的系統(tǒng)為NOP巡航車速控制功能,在巡航車速進(jìn)入緊急減速制動階段,車輛的減速制動完全由巡航車速控制功能接管,不考慮駕駛員的反應(yīng)時間,故:

D1=v1τ2

(3)

當(dāng)剎車系統(tǒng)介入時,在極短時間τ3內(nèi),本車減速度呈線性趨勢變化。在τ3內(nèi),本車行駛位移為:

(4)

(5)

(6)

車輛在巡航車速控制緊急制動過程中采用的最大制動減速度[17],取amax=-6 m/s2。

當(dāng)制動減速度在τ3時間段內(nèi)增加到最大制動減速度后,本車的制動減速度保持近似不變,則車輛維持勻減速運(yùn)動,該段時間本車的位移為:

(7)

(8)

式中:D3為勻減速階段位移;v3為車輛制動減速度達(dá)到最大值時的車速。

在車速控制制動過程中,本車總位移xp包括本車減速前駛過的位移D1、制動減速度增加階段駛過的位移D2、勻減速階段駛過的位移[18]。D3,即:

xp=D1+D2+D3

(9)

3 緊急狀態(tài)下巡航車速控制能力優(yōu)化

針對交叉口路段的NOP巡航車速控制車車交互極限場景進(jìn)行緊急減速制動研究,確定本車與環(huán)境交互車輛是否存在碰撞危險(xiǎn),如果發(fā)現(xiàn)碰撞危險(xiǎn),則確定巡航車速制動系統(tǒng)進(jìn)行緊急減速制動的時刻。車輛在道路中行駛的過程中,由于行人、車輛、道路形狀以及環(huán)境等的變化,車輛的運(yùn)行工況需要不斷適應(yīng)交通狀況等的變化。道路沖突產(chǎn)生原因主要包括:道路環(huán)境對駕駛員的影響[19]、駕駛員自身因素[20]、車輛因素、道路設(shè)計(jì)問題[21]、氣候環(huán)境因素[22]。

3.1 車輛模型

為了在交叉口建立安全區(qū)域,避免定位等誤差對巡航車速控制策略造成影響,根據(jù)車輛的輪廓建立車輛的安全輪廓模型。

圖5中點(diǎn)A為車輛的GPS定位點(diǎn),Lf為A點(diǎn)至車輛安全區(qū)域前邊界的距離,Le為A點(diǎn)至車輛安全區(qū)域后邊界的距離,Wl為A點(diǎn)至車輛安全區(qū)域左邊界的距離,Wr為A點(diǎn)至車輛安全區(qū)域右邊界的距離,φ為車輛的航向角,由GPS坐標(biāo)求得,由φ確定車輛在坐標(biāo)系中的位置。然后根據(jù)點(diǎn)A的位置以及點(diǎn)A到車輛安全邊界的距離確定車輛安全邊界在坐標(biāo)系中的位置,其4個頂點(diǎn)的位置如下:

(10)

(11)

其中:點(diǎn)A的坐標(biāo)為(XA,YA)。

3.2 兩車車距保持模型

車距保持策略是建立在兩輛車之上的,將其中一輛車作為本車,另一輛車作為環(huán)境交互車輛,將本車的GPS點(diǎn)作為坐標(biāo)系的原點(diǎn),將本車的航向角作為車輛在坐標(biāo)系中的朝向。根據(jù)環(huán)境車的GPS坐標(biāo)在本車的GPS坐標(biāo)的方位以及兩GPS坐標(biāo)之間的距離確定環(huán)境交互車輛在坐標(biāo)系中的位置,最后根據(jù)環(huán)境交互車輛的航向角即可確定在坐標(biāo)系中的整體位置。

圖6中綠色和黃色的粗實(shí)線為兩輛車在X軸和Y軸投影的長度,防止兩輛車碰撞的先決條件是兩輛車在X軸和Y軸的投影均不重疊。

圖6 兩車安全投影示意圖

圖6中車輛在X軸和Y軸的投影重疊用數(shù)學(xué)公式表示如下:

(12)

(13)

式中:X={XB1,XC1,XD1,XE1,XB2,XC2,XD2,XE2},Y={YB1,YC1,YD1,YE1,YB2,YC2,YD2,YE2}。

(14)

式中:X1={XB1,XC1,XD1,XE1},Y1={YB1,YC1,YD1,YE1},X2={XB2,XC2,XD2,XE2},Y2={YB2,YC2,YD2,YE2}。

將上述公式代入式(12)得:

(15)

結(jié)合圖6,通過對自變量為t的因變量SX和SY對應(yīng)的函數(shù)的分析,當(dāng)滿足下面條件時,所分析的兩輛車在交叉路口處是安全的。

SX>0 orSY>0

(16)

車距檢測示意圖見圖7。

在道路交叉口處,車輛的運(yùn)動主要包含以下幾種情況:直行、右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn),本文主要考慮兩車在交叉口直行的縱向控制情況。當(dāng)兩車在交叉口直行時,通過車輛的運(yùn)動參數(shù)來表示車輛在坐標(biāo)中的位置,對于本車有:

(17)

式中:(XA(t),YA(t))為t時刻后車輛在坐標(biāo)軸中的位置;(XA0,YA0)為當(dāng)前時刻讀取到的車輛在坐標(biāo)軸中的位置。

對于其他運(yùn)動方向垂直于本車運(yùn)動方向的車輛有:

(18)

加入通信時延后有:

(19)

(20)

兩車存在碰撞危險(xiǎn)的條件為SX<0并且SY<0。當(dāng)兩車在交叉路口存在沖突時,兩車的沖突位置對于本車的運(yùn)行方向來說是靜止的,即相當(dāng)于位于本車前方的是一個靜止的物體,當(dāng)本車與沖突區(qū)域的距離為本車能夠剎死的最小制動距離Ds,即最小的安全距離時,本車NOP巡航車速控制功能需要緊急減速制動以避免與另一輛車發(fā)生碰撞。

3.3 NOP巡航車速控制決策功能優(yōu)化

使用Carsim/Prescan/Simulink聯(lián)合仿真平臺,利用上文的不安全控制行為分析法,對NOP巡航車速控制決策功能就行優(yōu)化,如圖8所示,在仿真測試系統(tǒng)中利用決策系統(tǒng)對本車的巡航車速進(jìn)行控制,當(dāng)產(chǎn)生仿真事故時,對該測試結(jié)果進(jìn)行觸發(fā)條件分析,得到不安全行為的觸發(fā)原因進(jìn)行分析得出安全目標(biāo),然后針對安全目標(biāo)對決策系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以此來提高NOP巡航車速控制功能的性能。

圖8 NOP車速控制決策優(yōu)化

4 巡航車速控制功能驗(yàn)證

4.1 交叉口下車車安全距離模型驗(yàn)證

1) 交叉口兩車通行測試場景

參照ISO 21448為基準(zhǔn),對NOP巡航車速控制功能完成規(guī)范設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)評估。按照SAE J2980中適用于自動駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行域的要求,主要參考UNECE R131與GB/T 39901設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的性能規(guī)范與預(yù)期功能進(jìn)行直線路段和交叉口不同工況的仿真測試。

仿真中的車輛模型采用Prescan中的Audi A8L車型,設(shè)置的車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)如表9所示。

表9 車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)

參照GB/T 39901—2021行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對汽車巡航車速控制功能的測試方案[24]中緊急減速制動階段的測試標(biāo)準(zhǔn)和測試工況,在天氣晴朗,路面附著狀況良好的條件下進(jìn)行交叉口路段的不同工況的仿真測試。為了測試前文兩車安全車距保持模型的有效性,設(shè)計(jì)2種不同的工況,分別使安全車距保持模型中的SX和SY在某一時間均小于0,SX和SY不同時小于0,通過Prescan中的仿真動畫觀察兩車的沖突情況是否符合預(yù)期。同時,在交叉口處若兩車存在碰撞危險(xiǎn),通過NOP車速控制功能控制車輛減速制動,檢測所設(shè)計(jì)的巡航車速控制功能的制動效果。設(shè)計(jì)的場景如圖9所示。

2) 仿真結(jié)果

圖10 (a)為安全車距保持模型求得的兩車的SX和SY隨時間變化數(shù)據(jù)圖,該工況為自車巡航車速為35 km/h,距離交叉口45 m。路口交互車輛車速為30 km/h,距離交叉口40 m。從圖10 (a)中可以看到,在3.8 s左右時,通過交叉口處的安全車距保持模型極限狀態(tài)下,求得的兩車在該工況下的SX和SY均小于0。圖10 (b)為Prescan中的車輛運(yùn)動仿真界面,從該圖中可以看出,兩車已經(jīng)發(fā)生碰撞。

圖11 (a)中SX和SY沒有同時小于0。圖11(b)中的Prescan仿真動畫顯示,在路口交互車到達(dá)路口時,本車馬上要離開路口,兩車沒有發(fā)生碰撞。通過兩組對比實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)該車距保持模型的有效性。

圖12為所設(shè)計(jì)的NOP巡航車速控制功能在交叉口處的制動效果,橫軸為本車與環(huán)境交互車輛輪廓邊緣之間的距離,當(dāng)本車運(yùn)行至4.1 s左右時,兩車間距離達(dá)到了車輛在該車速下的最小安全距離。此時本車開始緊急制動,當(dāng)本車剎死時,兩車間距離為1.549 m,避免了碰撞的發(fā)生。

4.2 NOP巡航車速控制功能優(yōu)化對比

1) 交叉口V2X-NOP測試場景

實(shí)驗(yàn)被測設(shè)備是國內(nèi)某公司的I-VICS OBU V2X終端設(shè)備,該設(shè)備是一款車聯(lián)網(wǎng)多模式即插即用平臺車載設(shè)備,能夠兼容DSRC/LTE-V、4G通信方式無線通信技術(shù),支持車車信息實(shí)時交互,同時具有前向碰撞預(yù)警等功能。V2X終端設(shè)備車載組合天線增益8 dbi,數(shù)據(jù)頻率10 Hz,通信距離大于600 m,內(nèi)部含有GPS/北斗定位模塊,定位精度小于1 m;車速、位置等信息通過定位模塊獲取,滿足《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng) 車用通信系統(tǒng)》對于車車協(xié)同式FCW應(yīng)用的要求。

試驗(yàn)測試中V2X終端設(shè)備通信方式采用DSRC,實(shí)驗(yàn)時通過兩輛試驗(yàn)用車搭載OBU,實(shí)現(xiàn)車-車通信的功能。具體實(shí)驗(yàn)場景見圖13。

圖13 實(shí)驗(yàn)場景

2) 實(shí)車結(jié)果對比

圖14為本文中提出的考慮通信時延的V2X-NOP巡航車速控制系功能實(shí)車測試的速度、加速度結(jié)果,并與單靠車載感知的巡航車速控制功能算法進(jìn)行對比分析V2X-NOP巡航輔助車速控制功能啟動的時機(jī)更早,可見信號交叉口位置,V2X-NOP巡航車速控制功能能夠更早的感知到環(huán)境車的碰撞風(fēng)險(xiǎn),提前實(shí)時制動,有更高的可靠性。

圖14 實(shí)車結(jié)果

5 結(jié)論

為解決配備NOP的車輛在視野盲區(qū)下因傳感器性能局限導(dǎo)致NOP巡航車速控制能力下降的問題,提出一種基于車路協(xié)同場景下的安全控制策略。利用基于系統(tǒng)理論過程分析STPA方法對NOP巡航車速控制功能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,得到可能引起危害的觸發(fā)條件并提出相應(yīng)的安全目標(biāo)。采用實(shí)車測試采集了車載通信設(shè)備在不同工況下傳輸自車信息的通信時延值,將處理后的通信時延值反饋到安全距離模型,構(gòu)建了基于車路協(xié)同的巡航車速控制功能中的安全距離模型。通過檢測兩車的輪廓在一個坐標(biāo)系上的投影是否存在重疊,檢測兩車是否存在安全車距極限狀態(tài)下的碰撞危險(xiǎn),建立了兩車在道路交叉口處的避撞策略。搭建Carsim/Prescan/Simulink聯(lián)合仿真平臺對安全控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明:所提出的考慮通信時延的V2X-NOP巡航車速控制功能,對比單靠車載感知的巡航車速控制功能算法,V2X-NOP巡航車速控制功能緊急減速制動時機(jī)提前啟動,速度響應(yīng)提前1.56 s,加速度響應(yīng)提前2.26 s,NOP巡航車速控制能力的可靠性得到了加強(qiáng)。

基于STPA方法進(jìn)行安全分析的全面性不足,目前只以系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境作為輸入,未對NOP系統(tǒng)的功能安全接受準(zhǔn)則進(jìn)行量化。后續(xù)將研究以下方面:

1) 考慮將車輛狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境兩者納入安全等級評定中,匹配二者安全等級自動化識別危害事件。

2) 針對本文識別的潛在危害事件生成的危害事件測試場景以及測試驗(yàn)證危害事件的有效性,根據(jù)SOTIF中國提案中的量化思想,定量識別各部件或系統(tǒng)的危害狀態(tài)。