汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)測評方法研究

張志國，劉東春，王 凱，張長江

(1.中汽研汽車檢驗中心(廣州)有限公司,廣東 廣州 511300；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189)

0 引言

近年來，汽車安全預(yù)碰撞技術(shù)成為汽車安全領(lǐng)域的研究熱點，其融合了汽車主動安全和被動安全雙方的技術(shù)優(yōu)勢，在乘員保護方面的效果更佳。預(yù)碰撞系統(tǒng)是運用主動安全技術(shù)的雷達、攝像頭等傳感器對行車環(huán)境進行監(jiān)控，并將監(jiān)控信息實時傳遞給控制器。當(dāng)傳感器探知到碰撞危險信息時，控制器將通過決策算法對即將發(fā)生碰撞的可能性、碰撞時刻和碰撞強度做出預(yù)判，在預(yù)判的基礎(chǔ)上，于碰撞發(fā)生前快速啟用被動安全執(zhí)行系統(tǒng)，使得約束系統(tǒng)以最優(yōu)的方式保護乘員和行人，以此來減少或減輕人員的傷亡。

預(yù)碰撞系統(tǒng)給汽車安全帶來了新生機，也非常適合汽車當(dāng)前的發(fā)展階段，因此許多車企紛紛布局安全預(yù)碰撞系統(tǒng)，但是各廠家的預(yù)碰撞系統(tǒng)性能指標不盡相同，國內(nèi)外也沒有統(tǒng)一的測試標準與方法，測評體系亟待解決。本文從調(diào)研主流汽車廠商的預(yù)碰撞系統(tǒng)現(xiàn)狀出發(fā)，考察國內(nèi)外汽車主機廠和檢測機構(gòu)對預(yù)碰撞系統(tǒng)的測評方法，然后結(jié)合作者多年來在汽車測試方面的經(jīng)驗，針對預(yù)碰撞系統(tǒng)的測評方案提出一些建議，希望能為我國建立測評預(yù)碰撞系統(tǒng)的測試規(guī)范與標準提供一定參考。

1 汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)概述

1.1 汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)組成

汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)主要包含3個模塊：環(huán)境感知模塊、預(yù)警預(yù)判控制器和執(zhí)行裝置[1]。環(huán)境感知模塊主要是采用毫米波雷達、攝像頭等傳感器設(shè)備監(jiān)控行車環(huán)境的狀況。毫米波雷達可以比較準確地探知到障礙物與自身車輛的距離，攝像頭可以對障礙物的形狀有較好的識別和判斷，因此這兩種傳感器相結(jié)合的方式成為預(yù)碰撞系統(tǒng)環(huán)境感知能力的主流配置。

預(yù)警預(yù)判控制器是預(yù)碰撞系統(tǒng)的核心模塊，其決策的精準性是衡量預(yù)碰撞系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術(shù)指標。因為很多執(zhí)行裝置是不可逆的，一旦觸發(fā)，將會造成不必要的人身傷害和經(jīng)濟損失。比如氣囊，如果控制器預(yù)判錯誤，氣囊將會在車輛未發(fā)生碰撞時迅速彈出，導(dǎo)致乘員受到意外驚嚇甚至死亡。因此，預(yù)警預(yù)判控制器的算法非常重要，要求其容錯率非常低。

預(yù)碰撞系統(tǒng)的執(zhí)行裝置有很多種類型，比如緊急自動剎車(AEB)、可逆預(yù)緊式安全帶(ACR)、主動座椅、自適應(yīng)約束氣囊、主動引擎發(fā)動機罩和車外氣囊等。在當(dāng)前預(yù)碰撞系統(tǒng)執(zhí)行裝置的具體配置中，AEB和可逆預(yù)緊式安全帶技術(shù)相結(jié)合較為成熟，是應(yīng)用最多的。

1.2 汽車預(yù)碰撞技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

奔馳公司于2003年左右推出Pre-Safe預(yù)碰撞系統(tǒng)，其主要應(yīng)用于高端車型。該預(yù)碰撞系統(tǒng)采用雷達和攝像頭相結(jié)合的方式進行環(huán)境感知，當(dāng)預(yù)判危險發(fā)生后，可以實現(xiàn)緊急制動剎車和可逆式安全帶預(yù)收緊、主動座椅姿態(tài)調(diào)整以及天窗自動關(guān)閉等功能[2]。Pre-Safe系統(tǒng)在車輛后保險杠中增加了雷達傳感器，當(dāng)后方車輛靠近時，預(yù)碰撞系統(tǒng)會發(fā)出警告，避免后車追尾碰撞。同時，該Pre-Safe系統(tǒng)增加了車輛在緊急制動時固定車輛的功能，可以在急剎時減少車輛的前傾反沖，進而降低乘員頸部傷害風(fēng)險。

豐田公司也于2003年推出了Pre-Collision系統(tǒng)，采用毫米波雷達感知車輛和障礙物，使用單目攝像頭傳感器檢測行人，此外在轉(zhuǎn)向柱上安裝了攝像頭用來監(jiān)控駕駛員的精神狀況[3]。該系統(tǒng)早期的執(zhí)行裝置主要是預(yù)緊式安全帶和座椅，后又陸續(xù)增加了輔助緊急制動和主動控制懸架等裝置。

沃爾沃公司推出了City Safety城市安全系統(tǒng)[4]，第一代產(chǎn)品于2009年開始在商業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)在已是第三代產(chǎn)品。該系統(tǒng)采用毫米波雷達和單目攝像頭相結(jié)合的方式探測車輛、行人、騎行者以及麋鹿等大型動物，預(yù)判危險并提前警示，進而采取相應(yīng)措施，幫助避免碰撞或者減少碰撞程度。

博世公司于2000年左右采用毫米波雷達研制出預(yù)碰撞系統(tǒng)，在后續(xù)發(fā)展過程中又提出了集成式碰撞檢測、個性化乘員安全與調(diào)整、被動安全預(yù)觸發(fā)、事故引導(dǎo)與校準等多個階段目標，并進行持續(xù)性研究改進汽車整體式安全[5]。

2019年，德國ZF(采埃孚)公司宣布研發(fā)出世界上第一款預(yù)碰撞外置側(cè)面安全氣囊，并在封閉場地進行了撞擊演示，如圖1所示。整個外置側(cè)面安全氣囊的容量相當(dāng)于駕駛座安全氣囊容量的5倍～8倍，事故發(fā)生前其從側(cè)面向上展開，在車門側(cè)面區(qū)域形成防撞緩沖區(qū)，以減輕事故傷亡。此外，該系統(tǒng)還可以在碰撞事故發(fā)生之前向乘員發(fā)出警告，并觸發(fā)主動安全帶控制卷收器，將乘員固定在安全位置，緩解受傷狀況。

圖1 采埃孚推出的預(yù)碰撞外置側(cè)面安全氣囊系統(tǒng)

此外在學(xué)術(shù)界，國內(nèi)外許多科研人員對汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)的研發(fā)和測試也進行了大量的研究工作。國外Mark M等研究了可逆預(yù)緊式安全帶和AEB的聯(lián)合作用，分析對乘員離位姿態(tài)的改善情況[6]。Daisuke I等使用臺車模擬碰撞試驗，研究可逆預(yù)緊式主動安全帶和傳統(tǒng)安全帶對乘員傷害的影響[7]。Meijer R等運用MADYMO模型庫里面的主動假人模型，在預(yù)碰撞工況下展開對乘員傷害的研究[8]。Bálint A等提出了一種基于試驗對預(yù)碰撞系統(tǒng)進行評估的方法，在追尾碰撞工況下通過減少的傷亡數(shù)量和事故降低的程度來驗證該評估方法的有效性[9]。在國內(nèi)學(xué)術(shù)界，清華大學(xué)張金換教授團隊研制出預(yù)警預(yù)判控制系統(tǒng)[10]，周青教授團隊對自適應(yīng)約束系統(tǒng)展開相關(guān)研究[11]。湖南大學(xué)曹立波教授團隊對預(yù)碰撞可逆式安全帶和自適應(yīng)約束系統(tǒng)等方面也進行了大量的研究工作[12]。吉林大學(xué)陳鑫教授團隊對形狀記憶合金預(yù)碰撞智能防護方面進行了研究[13]。此外，重慶理工大學(xué)[14]等其他高校也對預(yù)碰撞進行了相關(guān)研究。

2 汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)測評方法

目前，汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)的測評方法在行業(yè)內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的標準和測試規(guī)范，尚處于研究階段。本文梳理出國內(nèi)外權(quán)威測試機構(gòu)和主流汽車制造商對于預(yù)碰撞系統(tǒng)的測試思路和研究方法，為本領(lǐng)域從業(yè)人員提供借鑒。

2.1 歐盟ASSESS項目測評方法

ASSESS(Assessment of Integrated Vehicle Safety Systems for Improved Vehicle Safety)項目是由多家歐洲汽車制造商、汽車零部件供應(yīng)商聯(lián)合發(fā)起的，其目的是制訂出一套針對汽車整體安全系統(tǒng)性能測試規(guī)程[15]。該項目將預(yù)碰撞技術(shù)納入到汽車整體安全系統(tǒng)內(nèi)，并研究制訂出可執(zhí)行的標準規(guī)程和相關(guān)工具對商用的預(yù)碰撞系統(tǒng)進行測評。

為了比較全面客觀地測評汽車集成安全系統(tǒng)性能，ASSESS項目組劃分4個方面進行標準規(guī)程的制定和研究，分別是駕駛員行為評價、預(yù)碰撞系統(tǒng)感知性能評價、碰撞性能評價和社會經(jīng)濟評價。

駕駛員行為研究是通過采用模擬駕駛仿真器和實際場地測試兩種方式進行，考核指標采用剎車反應(yīng)時間BRT(Brake Reaction Time)和碰撞時間TTC(Time to Collision)兩個關(guān)鍵指標作為人機交互的評價指標。試驗用的模擬駕駛仿真器和仿真試驗路線如圖2所示，試驗采用的虛擬行駛路線是鄉(xiāng)村環(huán)城高速公路。

圖2 豐田模擬駕駛仿真器和仿真試驗路線

預(yù)碰撞系統(tǒng)感知性能測試是在3D真車全尺寸的軟車體上面進行的，測試場景如圖3所示。軟車體的內(nèi)側(cè)使用了雷達反射材料，通過雷達傳感器因此可以獲得逼真高清的圖像。ASSESS項目組成員荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)院TNO(Netherlands Organisation for Applied Scientific Research)對雷達傳感器的能見度規(guī)格進行了詳細定義，并對目標車輛和參考車輛的雷達傳感器進行了測量對比。

圖3 預(yù)碰撞系統(tǒng)感知性能測試場景

碰撞性能研究是考慮預(yù)碰撞系統(tǒng)介入之后對乘員的傷害分析。在研究過程中，分別運用CAE仿真、滑臺試驗和實車試驗3種技術(shù)手段進行驗證。在ASSESS評價項目中，預(yù)碰撞系統(tǒng)執(zhí)行裝置主要是將自動緊急剎車和可逆預(yù)張緊安全帶納入考察范圍內(nèi)。

2.2 美國高速公路安全管理局NHSTA的AARS項目測評方法

美國高速公路安全管理局NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)尚未有針對預(yù)碰撞系統(tǒng)完整的測試方法，AARS(Advanced Adaptive Restraints Systems)項目是對安全自適應(yīng)約束系統(tǒng)進行評價研究，自適應(yīng)約束系統(tǒng)也是汽車預(yù)碰撞系統(tǒng)的一部分，因此本文也將這個項目的研究方法進行梳理。

AARS項目的主要研究內(nèi)容是車輛在緊急自動剎車之后，自適應(yīng)約束系統(tǒng)能否根據(jù)不同的乘員身材、坐姿、碰撞類型條件而產(chǎn)生自適應(yīng)變化的功能，并確認是否能夠減少對乘員的傷害。項目研究分為3個階段：①通過CAE仿真構(gòu)建自適應(yīng)約束系統(tǒng)的模型并驗證其有效性；②開發(fā)自適應(yīng)約束系統(tǒng)和感知系統(tǒng)實物；③采用滑臺模擬碰撞來驗證自適應(yīng)約束系統(tǒng)的有效性。AARS研究的自適應(yīng)約束系統(tǒng)主要是氣囊的自適應(yīng)變化，根據(jù)乘員身材、坐姿、碰撞類型等條件改變氣囊形狀和排氣速度等參數(shù)。

為評估自適應(yīng)約束系統(tǒng)的有效性，項目組分別使用HIII 5 F、THOR 50M、HIII 95M假人在正常與離位兩種狀態(tài)下開展試驗研究。假人整體評價指標包含頭部傷害指標HIC15、腦部傷害指標BrIC、頸部傷害指標Nij、胸部壓縮量ChD、大腿軸向力Femur五部分。其中，假人傷害評價指標腦部損傷BrIC為新增加項[16]。

為直觀整體評價乘員傷害，基于損傷定級標準AIS3+的傷害風(fēng)險概率p將乘員各傷害指標轉(zhuǎn)為損傷風(fēng)險概率，最后歸一化處理為整體乘員損傷風(fēng)險概率指標OIM，以此OIM值作為最終評價指標。OIM的計算公式為：

2.3 戴姆勒奔馳公司對預(yù)碰撞系統(tǒng)測評方法

戴姆勒奔馳公司在2003年開始進行預(yù)碰撞系統(tǒng)的研究，并開發(fā)出Pre-Safe系統(tǒng)。為測評預(yù)碰撞Pre-Safe系統(tǒng)的性能，戴姆勒奔馳公司也進行了大量的試驗研究。其研究目標主要是考察緊急自動剎車和可逆預(yù)緊安全帶聯(lián)合作用下發(fā)生碰撞后對乘員的影響，并開發(fā)出對預(yù)碰撞系統(tǒng)性能的測試方法[17]。

研究的具體思路是：首先考慮緊急自動剎車對乘員前傾位移量的影響，如圖4所示；其次對比志愿者和HIII 50M假人在相同剎車狀況下身體部位前傾位移量的區(qū)別，并研究出一種泡沫材料板放置在假人腹部位置來緩解與志愿者前傾位移量的差別；然后通過場景試驗明確Pre-Safe系統(tǒng)剎車降速性能；最后通過實車矩陣試驗對比研究pre-safe系統(tǒng)在碰撞中對車輛和HIII 50M假人傷害指標的影響。

圖4 急剎狀況下志愿者和HIII 50M假人前傾位移變化

3 對于我國汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)測評方法建議

歐美權(quán)威汽車測評機構(gòu)和主流汽車制造商在評估汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)中還均處于研究改善階段，并未形成完整的測試體系，因此我國在該領(lǐng)域還將大有可為，通過未來的努力，完全有機會引領(lǐng)該行業(yè)的發(fā)展。結(jié)合作者多年的測試經(jīng)驗，對我國建立汽車安全預(yù)碰撞系統(tǒng)測評體系提出以下幾點建議：

(1) 我國不同省份道路差異較大，整體道路工況比較復(fù)雜，在行車過程中人車交互頻繁，交通事故類型多樣，因此，我國應(yīng)進一步完善中國交通事故深入研究數(shù)據(jù)庫CIDAS，并詳細記錄交通事故前、碰撞過程和事故后3個階段的人、車、路、環(huán)境等方面信息。并依據(jù)CIDAS數(shù)據(jù)庫開發(fā)出真實的碰撞測試場景，為研究開發(fā)適合我國國情的預(yù)碰撞系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

(2) 目前現(xiàn)行的碰撞測試假人HIII 50M和THOR 50M都還存在剛度大的問題，不能很好地反映人體在緊急自動剎車狀況下的運動姿態(tài)，也不能體現(xiàn)人體肌肉變化等應(yīng)激反應(yīng)。更加先進符合人體生物力學(xué)性能和運動姿態(tài)的碰撞測試假人亟待解決，假人傷害指標也需要進一步的研究與改進。因此，應(yīng)加快開發(fā)具有中國特征的碰撞測試假人，以便更好地促進我國預(yù)碰撞技術(shù)的發(fā)展。

(3) 在開展安全預(yù)碰撞系統(tǒng)測評體系中，應(yīng)從部件級和集成系統(tǒng)級兩個層面來進行評價，如此不僅僅考察集成系統(tǒng)的性能，還要關(guān)注部件級的性能，也提高預(yù)碰撞系統(tǒng)部件的安全性。部件級測評是指分別單獨測評預(yù)碰撞系統(tǒng)的環(huán)境感知能力、碰撞預(yù)警預(yù)判能力和執(zhí)行裝置響應(yīng)能力；集成系統(tǒng)級測評是在所有預(yù)碰撞系統(tǒng)單元參與作用下，最終對碰撞避免或碰撞減輕程度的效果評價。