王宏雁,周圣立,吳 丹
(1.同濟大學(xué) 中德學(xué)院,上海 200092;2.同濟大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 201804)
隨著道路交通事故的不斷增加,汽車的安全性越來越受到關(guān)注.汽車安全系統(tǒng)有主動和被動之分.盡管被動安全性可以有效地減輕事故災(zāi)害,它只是在發(fā)生事故時起保護作用.而主動安全系統(tǒng)則事先防范,以避免人員及車輛的損傷[1].近年來,因汽車主動安全性能使事故防患于未然,越來越受到汽車廠商和消費者的重視,諸如:ABS和ESP等產(chǎn)品的安裝率不斷提高[2].越來越多的先進技術(shù)也被應(yīng)用到汽車主動安全系統(tǒng)中.
目前,中國在主動安全系統(tǒng)的應(yīng)用以國外引進為主(尤其是歐洲).在汽車主動安全系統(tǒng)引進的同時,缺乏與國情結(jié)合的研究.Euro NCAP advanced獎項通過獎勵先進的技術(shù),促進重要安全設(shè)備的標準制定,指引著未來汽車安全的方向.因此Euro NCAP推薦系統(tǒng)在中國的應(yīng)用分析非常有必要.
迄今為止,共有來自9個汽車生產(chǎn)商的11項主動安全系統(tǒng)獲得Euro NCAP advanced獎項.這些推薦系統(tǒng)有偏道警告系統(tǒng)、側(cè)向輔助系統(tǒng)和預(yù)碰撞系統(tǒng).
偏道警告系統(tǒng)通過對車道的實時追蹤檢測實現(xiàn).當發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)藢贌o意識(未打轉(zhuǎn)向燈)偏離原車道時,能發(fā)出警報,提醒駕駛?cè)俗⒁?;也能在發(fā)生危險狀況時,為駕駛?cè)颂峁└嗟姆磻?yīng)時間,減少因車道偏離引發(fā)的碰撞事故,這對提醒駕駛?cè)碎L時間單調(diào)駕駛引發(fā)的注意力不集中等情況有明顯的作用.此外,使用偏道警告系統(tǒng)還能對糾正駕駛?cè)瞬淮蜣D(zhuǎn)向燈即變道的不良駕駛行為起到一定的作用[3].
圖1 偏道警告系統(tǒng)示意Fig.1 Lane departure warning system
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):利用能檢測車輛運行時的橫向位置的系統(tǒng)將防止大約53%的單車偏離車道事故[4].因此,絕大部分的車道偏離警告系統(tǒng)都將車輛在車道內(nèi)的橫向位置作為計算警告發(fā)生與否的一個基礎(chǔ).該系統(tǒng)可分為兩類:一類基于道路基礎(chǔ)(使用道路埋設(shè)的標記),另一類為利用車輛傳感器進行車道位置識別,如:AURORA系統(tǒng)、AutoVue系統(tǒng)、AWS系統(tǒng)和DSS系統(tǒng)等.偏道警告系統(tǒng)蠶蛹的警告標準也可分為4種:①基于車輛在車道中的當前位置(CCP);②基于將來偏離量的不同(FOS);③基于車輛將橫越車道邊界的時間(TLC);④基于知識的道路場景感知(KBIRS),其中TLC標準使用最為廣泛[4].
側(cè)向輔助系統(tǒng)主要針對安全變更車道設(shè)計通過雷達傳感器檢測汽車兩側(cè)和后方區(qū)域?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)在車速大于30km/h時被激活.當一輛汽車出現(xiàn)在盲點區(qū)域或者從后方快速靠近時,外后視鏡上的警示燈就會閃爍.即使駕駛?cè)嗽谶@個時候撥動轉(zhuǎn)向燈開關(guān),警示燈也會閃動.從而提示駕駛?cè)丝赡艹霈F(xiàn)的汽車碰撞.當時速低于一定值時側(cè)向輔助系統(tǒng)可以通過駕駛?cè)藗?cè)車門上的按鈕激活;當超過這個速度時,該系統(tǒng)會自動啟動.
圖2 側(cè)向輔助系統(tǒng)示意Fig.2 Side assist system
側(cè)向輔助系統(tǒng)的使用位于后保險杠內(nèi)的兩個后向雷達.兩部雷達會連續(xù)掃描車輛正后方和側(cè)后方約70m遠的區(qū)域內(nèi)的路況.對于不同的駕駛狀態(tài)系統(tǒng)也會有不同的警示信息.根據(jù)后車的速度及距離調(diào)整警示閃爍級別,并僅在駕駛?cè)藛愚D(zhuǎn)向燈時介入,以避免過多警示對駕駛?cè)苏q{駛造成干擾.
在如今主動安全系統(tǒng)與被動安全系統(tǒng)深度融合的發(fā)展趨勢下,除了通過點亮警示燈警示駕駛?cè)?,一系列被動安全系統(tǒng)也將發(fā)揮其作用,如:關(guān)閉車窗與天窗、收緊安全帶、調(diào)直座椅靠背及向前調(diào)節(jié)頭枕貼近乘客頭部等一系列對追尾的防護以減輕追尾事故給乘員造成的損傷.
預(yù)碰撞系統(tǒng)的傳感器是裝在車頭的一個毫米波雷達,能自動探測前方各種障礙物,測算出發(fā)生碰撞的可能性.若該系統(tǒng)判斷碰撞的可能性很大時,警報器將發(fā)出鳴叫警示,提示駕駛?cè)艘?guī)避.制動輔助系統(tǒng)會立刻進入準備狀態(tài),必要時輔助駕駛?cè)酥苿?,給車輛更大的制動力;當該系統(tǒng)判斷出碰撞即將發(fā)生時,則會預(yù)先收緊正/副駕駛座安全帶,制動系統(tǒng)也會同時制動,自動降低車速[5].
與傳統(tǒng)的汽車被動安全系統(tǒng)相比,應(yīng)用了碰撞預(yù)判的顯著優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面[6]:①由于能在事故發(fā)生之前提前發(fā)現(xiàn)碰撞的潛在可能性,因此可逆式的被動安全保護裝置(比如:電機驅(qū)動的預(yù)緊式安全帶、能自動調(diào)整最佳保護姿態(tài)的主動式座椅等)可被廣泛地應(yīng)用;②由雷達提前獲取的碰撞信息能對傳統(tǒng)的被動安全保護裝置的控制方法帶來了更多的正面影響,不僅對事故前環(huán)境的判斷更加準確,也能使這些裝置(比如:安全氣囊的點爆算法可得到很大程度上的優(yōu)化)觸發(fā)選擇更佳的時機.
圖3 預(yù)碰撞系統(tǒng)示意Fig.3 Pre-collision system
目前,預(yù)碰撞系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)主要集中在[6]:雷達系統(tǒng)的研究與開發(fā),全新被動安全裝置的應(yīng)用與優(yōu)化以及碰撞預(yù)判技術(shù)系統(tǒng)集成這3個方面.
2.1.1 基于事故特點分析
汽車主動安全技術(shù)與交通事故有著緊密的聯(lián)系,交通事故是交通安全問題最好的體現(xiàn)形式.因此通過研究交通事故找出中國亟待解決的交通問題與主動安全系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)可以很好地剖析主動安全系統(tǒng)應(yīng)用的必要性.
首先對交通事故原因[7-10]進行分類,如圖4所示.
與偏道警告系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)的事故原因有駕駛狀態(tài)問題和違反標志標線問題.駕駛狀態(tài)包括疲勞駕駛和酒后駕駛.不良駕駛狀態(tài)導(dǎo)致駕駛?cè)藢ν饨绲姆磻?yīng)能力及控制能力下降,發(fā)生事故的幾率極大.而不良駕駛狀態(tài)的第一階段體現(xiàn)就在于偏離車道,因此偏道警告系統(tǒng)可以警告駕駛?cè)苏幵诓涣捡{駛狀態(tài)或應(yīng)提高注意力.同樣,對于駕駛?cè)诉`反標志標線隨意變道的駕駛行為,偏道警告系統(tǒng)也有警示作用.
圖4 交通事故原因細分Fig.4 Category of traffic accident cause
與側(cè)向輔助系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)的事故原因有視野問題和違反標志標線問題.其較為常見的情況是變更車道時未發(fā)現(xiàn)后方車輛,未讓正在該車道上行駛的車輛先行或是違法超車等,側(cè)向輔助系統(tǒng)能有效輔助駕駛?cè)藗?cè)后方視野,以避免因駕駛?cè)宋从^察到側(cè)后方來車而導(dǎo)致的不讓行等危險操作.
預(yù)碰撞系統(tǒng)與各種事故原因均有關(guān)聯(lián),是預(yù)防車輛與前方物體碰撞的有效屏障.近年來,預(yù)碰撞系統(tǒng)從單純幫助駕駛?cè)吮苊夂蜏p輕與其他汽車相撞,又發(fā)展了增進無保護道路使用者安全的技術(shù),其行人探測功能使該系統(tǒng)成為了行人事故的針對性解決方案.
對2007~2010年間中國事故數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可知,4年平均事故為262571起,事故平均死亡人數(shù)為72029人,平均單位事故死亡率27.43%[7-10].由各種原因引起的事故為:視野46244起、違反標志標線24835起、超速18816起、操作不當8625起、駕駛狀態(tài)6448起、行人問題2512起.各種原因引起事故所占總事故的比例如圖5所示.而各種原因引起的單位事故死亡率為:駕駛狀態(tài)45.43%、行人問題40.37%、超速38.32%、操 作 不 當 26.90%、違 反 標 志 標 線25.60%、視野20.13%.各種原因引起的單位事故死亡率所占總單位事故死亡率的比例如圖6所示.
圖5 事故起數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)Fig.5 Accident statistics
圖6 單位事故死亡率統(tǒng)計數(shù)據(jù)Fig.6 Mortality rate of accident statistics
從圖5中可以看到,視野和違反標志標線在2007~2010年的4年中,是事故發(fā)生起數(shù)最主要的兩個原因,分別占到43%和23%,是引發(fā)事故的主要原因.側(cè)向輔助系統(tǒng)可以有效解決視野問題中的側(cè)后方視野問題,輔助駕駛?cè)伺袛鄠?cè)后方盲區(qū)中的車輛情況,提供警告.側(cè)向輔助系統(tǒng)除了對側(cè)后方視野問題有幫助外,還能對駕駛?cè)诉`反標志標線違法變道、違法掉頭等行為予以提醒和警告.可見側(cè)向輔助系統(tǒng)的應(yīng)用很有必要性.
從2007~2010年單位事故死亡率統(tǒng)計可以看到,雖然駕駛狀態(tài)(疲勞駕駛和酒駕)和行人問題不是造成最多事故起數(shù)的原因,但卻是造成人員死亡的主要原因,其單位事故死亡率分別達到了45.43%和40.37%[7-10],即由于這兩項原因?qū)е碌氖鹿屎苡锌赡苁菒盒运劳鍪鹿?而駕駛狀態(tài)不良的最初表現(xiàn)形式就是車道的偏離,無法集中精神保持在車道中央形式,這也正是偏道警告系統(tǒng)設(shè)計的初衷,通過偏道現(xiàn)象提醒駕駛?cè)俗⒁庾陨眈{駛狀態(tài),避免惡性事故的發(fā)生.行人問題導(dǎo)致的死亡率也非常高,這是非常容易理解的.行人作為交通參與者中的無保護方,一旦發(fā)生事故其嚴重程度非常高,也很容易發(fā)生死亡事故.其解決方案是預(yù)碰撞系統(tǒng)對行人的探測,通過車輛的制動降低與行人碰撞時的車速減輕行人傷害甚至避免事故.因此偏道警告系統(tǒng)和預(yù)碰撞系統(tǒng)應(yīng)用的必要性也得以體現(xiàn).
2.1.2 基于典型城市的中國交通環(huán)境特點分析
通過對中國宏觀事故數(shù)據(jù)的研究,得出了Euro NCAP推薦系統(tǒng)在中國應(yīng)用的必要性.通過對中國城市的微觀調(diào)查,可以得到中國微觀的交通特點,進而對必要性分析進行驗證的補充,同時能借助微觀視角進行主動安全系統(tǒng)的適應(yīng)性分析.
中國幅員遼闊,選取典型城市的原則有:事故量多,事故影響因素差異大,并且要覆蓋中國一線、二線和三線城市.
通過對中國主要城市事故起數(shù)篩選,得到的初選城市為:一線(北京、上海、廣州和天津等)、二線(重慶(強)、武漢(強)、寧波(強)、長春(中)、昆明(中)、青島(強)和濟南(強)等)和三線(銀川和常州等).通過對駕駛?cè)撕蛯囕v行駛影響差異進行篩選,得到可選城市見表1.
表1 按影響因素差異進行的城市篩選Table 1 City selection based on influencing factors
考慮事故數(shù)量、地形和氣候條件差異性,并覆蓋一線、二線和三線城市,最終選取上海、寧波、武漢、重慶、天津、濟南、青島和銀川等8個城市作為調(diào)查對象.
在典型城市中選取典型道路,選取參考因素為:車流量,交通復(fù)雜程度,道路類型及道路線形最終確定了8個城市中的88條道路(129個測點),典型道路覆蓋到了各城市的城區(qū)郊區(qū),路口路段,一、二、三、四級道路,高速路及彎道坡道.
偏道警告系統(tǒng):在對8個城市的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),混合交通情況非常普遍.銀川、重慶和青島的一、二級道路缺乏中央物理隔離和機非隔離的情況較多.銀川屬于三線城市,發(fā)展程度有限;重慶和青島有較多的坡路,加上地理條件原因?qū)е碌缆穼挾仁芟蓿焕谠O(shè)置隔離設(shè)施.而所調(diào)研的城市中,三、四級道路大都沒有設(shè)置任何隔離設(shè)施.在三、四級道路上還存在許多路邊停車的情況.
在缺乏機動車道物理隔離及機非隔離的道路上,機動車和非機動車等在同一道路上混合行駛,存在著非常多的安全隱患:①沒有機動車道物理隔離的道路容易引發(fā)借用對向車道超車的情況,還容易引發(fā)由于駕駛?cè)似诨蛘叽中鸟{駛等引起的壓中心線行駛的情況,也易引發(fā)對向車輛碰撞的事故;②沒有機非隔離的道路,時常容易引發(fā)車輛與盲區(qū)中的非機動車刮擦碰撞的事故;③路邊障礙物會極大地影響駕駛?cè)撕托腥说囊曇?,穿越機動車道的行人將很難被駕駛?cè)瞬煊X而導(dǎo)致事故.
偏道警告系統(tǒng)能夠在缺乏機動車道物理隔離的情況下實時提醒駕駛?cè)吮3周嚨?,避免惡性的對向車輛碰撞事故.
側(cè)向輔助系統(tǒng):在對8個城市的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),隨意變道超車現(xiàn)象在各城市中都很常見,尤其在較為寬敞、車流量大的主干道.由于車輛組成復(fù)雜,車輛間有明顯的速度差,使駕駛?cè)祟l繁采取變道行為,極大地增加了側(cè)向刮擦、碰撞發(fā)生的可能性.在上海等高架道路發(fā)達的城市,一些道路規(guī)劃設(shè)計問題使得車輛很難融入高速車流,或是在出岔道時的車輛頻繁變道行為,均體現(xiàn)了側(cè)向輔助系統(tǒng)應(yīng)用的必要性.
另外,中國的一些城市公交系統(tǒng)非常發(fā)達.以上海為例,公共汽車線路數(shù)量1000多條,營運車輛1.8×104多輛,是世界上線路最多的城市之一.而上海大多數(shù)道路沒有設(shè)立專門的公交車道,公交車的頻繁靠站勢必對該車道上行駛的其他車輛造成困擾.當受到公交車阻擋時,后方機動車變換到其他車道的情況也屢見不鮮,這些情況下側(cè)向輔助系統(tǒng)能夠幫助駕駛?cè)肆私饷^(qū)的車輛情況其作用得到充分的體現(xiàn).
預(yù)碰撞系統(tǒng):在對8個城市的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),行人違法穿越機動車道的行為在調(diào)研城市中都很常見,重慶和武漢的情況更為嚴重,行人的交通安全意識薄弱,加上駕駛員沒有禮讓行人的習(xí)慣,針對行人碰撞事故的主動安全系統(tǒng)十分必要.
公共汽車頻繁靠站除了導(dǎo)致后方車輛變道在沒有機非隔離的三、四級道路中會直接搶占非機動車道,導(dǎo)致非機動車行駛在機動車道的情況也非常常見.
另外,在城市的三、四級道路上,路邊停車現(xiàn)象也非常普遍,尤其在調(diào)研城市銀川,由于城區(qū)停車泊位的嚴重缺失,交通部門采取了在慢車道上劃出停車泊位的措施,非機動車只得與機動車搶道爭行.行人穿越時,路邊車輛也影響了行人觀察車輛及車輛發(fā)現(xiàn)行人的視野,存在著很大的安全隱患.在這樣的交通環(huán)境特點下,預(yù)碰撞系統(tǒng)具有很強的應(yīng)用價值.
預(yù)碰撞系統(tǒng)除了是對行人、非機動車事故的解決方案,也是預(yù)防車輛與前方物體碰撞的有效屏障,能夠避免或是減輕各種交通沖突及危險如:道路施工引起的交通沖突(武漢交通特點)和混合交通引起的交通沖突等.且對于中國某些城市的特殊天氣特點(如:重慶的大霧天氣、濟南的“團霧”天氣及銀川等北方城市的揚沙霧霾天氣等)導(dǎo)致的事故也有幫助.
2.2.1 偏道警告系統(tǒng)
從事故數(shù)據(jù)宏觀統(tǒng)計和典型城市調(diào)查結(jié)果來看,偏道警告非常有應(yīng)用的必要,可以提醒駕駛?cè)吮3至己玫鸟{駛狀態(tài),也可以警示駕駛?cè)俗⒁獗3周嚨?,尤其在銀川、重慶和青島等道路隔離設(shè)施狀況不佳導(dǎo)致交通沖突比較嚴重的城市,尤其有應(yīng)用的緊迫性.
但該系統(tǒng)有對基礎(chǔ)設(shè)施的要求,即需要清晰的標線才能探測,可能造成在一些路段失去探測警告功能,因此在道路基礎(chǔ)設(shè)施較好的城市有更好的應(yīng)用效果.在多彎道的城市(如:重慶和青島等)中,彎道處壓線的情況會比較多,因此導(dǎo)致的過多警告提示可能不易被接受,推測在多彎道城市的應(yīng)用前景較差一些.對于眾多習(xí)慣隨意變道的中國駕駛?cè)耍瑯哟嬖谶^多警告的問題,需要有一個適應(yīng)過程.
從2002年開始,偏道警告系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了有10個年頭,目前日產(chǎn)、本田、雷克薩斯、豐田、英菲尼迪、標致雪鐵龍、奧迪、寶馬和奔馳均在高端車型上提供了偏道警告系統(tǒng)的選配[11].結(jié)合中國的實際情況,該系統(tǒng)在中國的普及仍有待時日.
2.2.2 側(cè)向輔助系統(tǒng)
從事故特點來看,側(cè)向輔助系統(tǒng)對側(cè)后方視野的輔助作用非常適合在中國應(yīng)用.中國駕駛?cè)唆斆ё兊赖那闆r相比國外的更加嚴重,它是能夠幫助駕駛?cè)税踩⒕€的系統(tǒng),在中國的作用很大.
由于中國擁堵道路多,側(cè)向輔助系統(tǒng)的使用受限于車流量,在較高速的通暢路段下,它能夠較好地工作,但擁堵路段的警報可能會引起駕駛?cè)朔锤?因此,如何設(shè)定適合于中國國情的工作車速及探測范圍值得研究和探討.
目前,側(cè)向輔助系統(tǒng)已經(jīng)被多個廠商進行研究,并奧迪等品牌從高端車型可以選配,正在走向全系可以選配.在不久的將來,隨著成本的不斷下降,其普及程度會有明顯的上升,其在中國會有很好的前景.
2.2.3 預(yù)碰撞系統(tǒng)
基于事故數(shù)據(jù)宏觀統(tǒng)計和典型城市調(diào)查結(jié)果,中國非常需要預(yù)碰撞系統(tǒng)的應(yīng)用,尤其是行人事故的高死亡率,更體現(xiàn)了其應(yīng)用的價值.在業(yè)界預(yù)碰撞系統(tǒng)也已得到廣泛認可,在對武漢理工大學(xué)喬教授,同濟大學(xué)朱教授,法國國家運輸與安全研究所Cesari所長的訪談中,都對中國應(yīng)用預(yù)碰撞系統(tǒng)表示出極高的期待.
但是,預(yù)碰撞系統(tǒng)對識別率的要求非常高,還沒有達到理想水平,目前的技術(shù)水平自動控制車輛制動很容易,但如何確保在準確的時機制動仍然在優(yōu)化中.加之其高昂的價格,阻礙了其在中國的推廣步伐.城市版的預(yù)碰撞系統(tǒng)可以幫助駕駛?cè)吮苊庖恍┬腥朔菣C動車事故,但該系統(tǒng)需要對中國國情進行探測范圍的改進,探測范圍內(nèi)過小,不適用于車速較高時;探測范圍太大,在交通擁堵的情況下不適用,需要通過一系列適應(yīng)性改進來避免因交通情況復(fù)雜導(dǎo)致警報聲太過頻繁使駕駛?cè)岁P(guān)閉系統(tǒng)的情況.另外,預(yù)碰撞系統(tǒng)雖然能幫助駕駛?cè)吮苊馕kU,但也可能起到鼓勵駕駛?cè)说氖韬鲂旭偟姆醋饔?
目前,福特、本田、奔馳和沃爾沃等廠商已經(jīng)在預(yù)碰撞系統(tǒng)方面有較多的技術(shù)積累,有些已經(jīng)用于高端車型的選配.但其成本將是阻礙在中國應(yīng)用的最主要的障礙,在中國的推廣有待時日.
對中國事故情況進行了宏觀統(tǒng)計,建立了交通事故與Euro NCAP推薦的主動安全系統(tǒng)的關(guān)聯(lián),分析了系統(tǒng)應(yīng)用的必要性.
通過確定選取原則,篩選出了中國典型城市和典型道路,并通過中國典型城市微觀調(diào)查,驗證分析了偏道警告系統(tǒng)、側(cè)向輔助系統(tǒng)和預(yù)碰撞系統(tǒng)在中國的應(yīng)用前景.
本研究作為初步探索,主動安全系統(tǒng)在中國的適應(yīng)性調(diào)整可以作為下一步研究方向.并且隨著汽車電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)通信技術(shù)的進一步發(fā)展以及人們對汽車安全性要求的提高主動安全系統(tǒng)將會更加成熟,其成本進一步降低長遠來說,崛起的中國市場將使安全系統(tǒng)的供應(yīng)得到最佳的市場,將在中國走向成熟[12].
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