文/馮欽

【機動車專欄】

基于典型危險工況的危險評估方法研究

文/馮欽

通過對6種典型的危險工況進行數據分析，了解駕駛員對于危險工況的反應時間，以及緊急制動起始點，并利用這些典型危險工況數據，建立了一種新的基于TTC1-h的危險評估模型，用于碰撞回避系統(tǒng)的控制策略開發(fā)。

典型危險工況 主動安全 控制策略

伴隨著汽車保有量的增加，汽車發(fā)生碰撞事故的次數越來越頻繁，嚴峻的交通安全問題使得人們對汽車安全性的要求越來越高。盡管很多被動安全措施可以減少事故發(fā)生后的人員傷亡，減輕事故的傷害程度，但并不能降低道路交通事故發(fā)生率，被動安全已經不能很好地滿足現(xiàn)代交通安全的需求，主動安全技術將成為下一代汽車安全技術的主角。

一、危險評估

汽車安全技術的研究重心逐漸由被動安全技術向主動安全技術轉移。由于自動緊急制動系統(tǒng)（）具有很大的潛力來減少交通事故，因此得到了越來越多的重視，已經成為主動安全研究的一個重要方向。利用現(xiàn)代傳感器技術（相機、雷達等傳感器），實時對車輛的周圍環(huán)境和車輛行駛狀態(tài)進行探測，并估計當前環(huán)境的危險程度，當檢測到有潛在碰撞危險時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出警告以提醒駕駛員采取措施回避危險，并在駕駛員沒有及時對警告信號做出正確的反應且碰撞危險變得十分緊急時，系統(tǒng)提供制動力，通過自動制動等主動介入方式來避免事故發(fā)生或減輕碰撞事故的嚴重程度。一個好的緊急制動系統(tǒng)，就要考慮兩方面的平衡：制動效能和用戶接受度。也就是說，的核心問題就是需要確定合適的介入時刻。一般來說，以碰撞時間（）為例，

越大時采取制動，制動效能會越好，越不容易發(fā)生事故。但是，此時的用戶滿意度就非常差了，用戶希望的是越符合他們的駕駛習慣越好，需要的是小一點采取制動措施。如何使這兩者達到平衡，既保證制動效能，又滿足用戶的接受度，這就要求我們對真實的道路工況進行數據分析處理。本文從真實道路數據出發(fā)，選取6種典型的危險工況用于駕駛員駕駛行為的分析。然后，根據駕駛員行為數據建立基于-1-h的危險評估算法。

二、真實道路交通事故與危險工況數據采集

由于出租車具有運行時間長，運行道路覆蓋廣的特點，更有利于得到本研究關心的數據，故在出租車上裝上車輛行駛記錄儀（VDR）進行危險工況數據采集。VDR固定在車輛前擋風玻璃后視鏡處，內含加速度傳感器及圖像處理元件。儀器攝像頭正對駕駛員視野前方，VDR觸發(fā)值設定為橫向或縱向加速度大于等于3.92 m/s2，當車輛運行過程中達到觸發(fā)條件后，VDR會自動記錄觸發(fā)點前15 s和后5 s的車輛前方視頻、車輛速度和加速度信息。

在對307例危險工況進行數據分析過程中，本文是根據車輛的速度曲線提取危險工況的關鍵加速度段，研究駕駛員在危險工況下的制動行為特征。圖1將危險工況的關鍵加速度段形象地表示出來，同時又點出了關鍵加速度段的6個重要點，尤其是危險出現(xiàn)點、緊急制動起始點、緊急制動終止點，這3個點在下文的關于駕駛員駕駛行為特性的分析中起到很重要的作用。

圖1 危險工況關鍵加速度示意圖

三、數據分析

VDR采集到了約4 000例觸發(fā)工況，在進行數據篩選后，總共得到8例事故和1 200例危險工況。將這1 200例危險工況進行主觀評價，通過主觀評價對危險工況分別按危險度等級進行標記，并將危險度較高的案例作為研究目標。主要分為4級：0級（危險預兆）、1級（輕微危險）、2級（一般危險）、3級（緊急危險）。本文將篩選出危險度為2級和3級的危險工況作為研究目標，共得到430例危險工況。

得到這430例危險工況后，參照美國高速公路安全管理局（NHTSA）標準提出的37類預碰撞場景分類方法對這些危險工況進行分類，將危險工況分類標記。根據采集的工況數據統(tǒng)計，得到危險工況排名前6位的工況共有307例，無（或有）預先車輛行為的自行車（摩托車）沖突、前車減速、車輛同向變道、無預先車輛行為的行人沖突、前車偏離車道，占所有危險工況總數的71.4%。本文采用這307例危險工況來分析駕駛員行為。

在采集的危險工況中，所有的工況均采用了制動措施來避免事故的發(fā)生。當然，也有很小比例的工況在采取制動措施的時候，同時采用了轉向措施。本文只關注駕駛員的制動行為。

本文利用采集的危險工況數據來確定駕駛員反應時間，危險出現(xiàn)點為t1，緊急制動起始點為t2，駕駛員的制動反應時間τ＝2－1。經統(tǒng)計，得到的駕駛員制動反應時間主要集中在1.0 s左右，故本文設定駕駛員反應時間為1.0 s。描述的是假設當前時刻該車與目標車相對速度不變的情況下，該車與目標車碰撞發(fā)生時的時間，即：TTC等于相對距離除以相對速度。

為了數據提取方便準確，在計算駕駛員急制動開始時的值時，本文只選用前車減速工況（數量第二多的危險類型），具有較強的代表性。除去難以進行視頻圖像處理的數據，最終得到的有效數據為75例。在這75例工況中，駕駛員緊急制動開始時的值與該車速度的關系如圖2所示，所有的車輛在緊急制動開始時的值均小于5 s，絕大部分分布在0.8 s～2 s之間。

圖2 緊急制動起始點的TTC-Vh關系圖

四、建立危險評估算法

根據之前的相關研究，駕駛員的制動行為與的倒數TTC（-1）密切相關，本文中選用TTC-1來表征危險。TTC-1描述的是前車大小增加率的時間變化，或車間距離R對數的時間變化，表征了視角增加的梯度（如圖3所示）。

圖3 TTC-1的說明

本文采取的危險工況，主要是城市道路工況，行車速度不高。從采集的工況數據中可以得知，危險工況中本車的速度主要在50 km/h以內，速度在50 km/h以上的數據量非常少，考慮到數據處理的可靠性，本文只選用速度在50 km/h以下的數據。對該部分數據進行線性擬合，并且求出90%的預測區(qū)間，最終結果如圖4所示。其中50百分位線為線性擬合得出，50百分位函數表達式為公式（2）：

50百分位線表示約有50%的駕駛員在達到該線的值時已經采取了制動措施。從圖4中可以看出，駕駛員緊急制動開始時的TTC-1值并不是一個定值，而是與自車速度成一定關系。

圖4 駕駛員緊急制動起始點的-及擬合曲線

5百分位線和95百分位線包圍區(qū)域為駕駛員急制動開始時刻的TTC-1的90%預測區(qū)間，95百分位線可表示為當TTC-1達到該曲線所表示的值時，約有95%的駕駛員已經采取了制動。95百分位線函數表達式為公式（3）：

5百分位線可表示為只有約5%的駕駛員在TTC-1達到該曲線所表示的值時采取了緊急制動。5百分位函數表達式為公式（4）：

根據圖5中結果可以按照與速度的關系劃分危險等級，共劃分了4個區(qū)域：危險等級最高、危險等級較高、危險等級一般、安全?？紤]到值很大（TTC-1很?。r，車輛處于安全運行狀態(tài)。本文中采集的危險工況數據小于5 s，對于TTC大于等于5 s的數據，說明車輛正常運行。因此TTC將等于5 s（TTC-1等于0.2）設定為臨界值。

圖5 危險區(qū)域劃分

當TTC-1值高于95百分位線時，認為危險等級最高（圖5中區(qū)域IV）；當TTC-1值高于50百分位線、低于95百分位線時，認為危險等級較高（圖5中區(qū)域III）；在TTC小于5 s，即TTC-1大于0.2時，當TTC-1值高于5百分位線時，即當TTC-1大于最大值（TTC-1）時，危險等級一般（圖5中區(qū)域II）；當TTC-1小于最大值（TTC-1）時，當前交通環(huán)境安全。

將危險等級區(qū)域劃分之后，就要考慮建立危險評估算法。本文建立的危險評估算法采取兩級報警、兩級制動的方式。危險評估模型建立范圍：Vh小于等于50 km/h，危險評估模型主要考慮4個臨界值：全制動臨界值、輕制動臨界值、視覺+聲音報警臨界值、視覺報警臨界值（見圖6）。

圖6 危險評估模型4個臨界值

全制動臨界值：采用的是TTC-1-Vh（Vh小于等于50 km/h）中的95百分位線，此時采用100%的制動力。此種情況下采取制動措施，至少可避免95%的危險工況。

全制動TTC-1臨界值表達式為公式（5）：

制動區(qū)域為危險等級最高的區(qū)域，根據圖5所劃分的區(qū)域來分，區(qū)域IV為全制動區(qū)域。

輕制動臨界值：采用的是TTC-1-Vh（小于等于50 km/h）中的50百分位線，此時采用40%的制動力。此種情況下采取制動措施，至少可避免50%的危險工況。

輕制動TTC-1臨界值表達式為公式（6）：

輕制動區(qū)域為危險等級較高的區(qū)域，根據圖5所劃分的區(qū)域來分，區(qū)域III為全制動區(qū)域。

視覺+聲音報警臨界值：采用的是TTC-1-Vh（Vh小于等于50 km/h）中的50百分位線+（駕駛員反應時間），=1.0 s，此時為公式（7）：

一般來說，駕駛員對聲音報警比較敏感，對于視覺報警反應的時間要長一些，視覺+聲音報警作為第二次報警，針對的是大部分駕駛員，加入聲音報警，表明車輛危險程度增加，提醒駕駛員立即采取避撞措施。

視覺報警臨界值：采用的是－h(huán)（小于等于50 km/h）中5百分位+（駕駛員反應時間），RT=1.0 s，此時間可參照公式4，但是報警時間的TTC最大值為5 s，即TTC-1的最小值為0.2。此時

視覺報警作為第一次報警，僅采取了視覺報警，此時車輛開始進入危險狀態(tài)，給駕駛員一個稍弱的警告，提醒駕駛員采取避撞措施。

視覺+聲音報警區(qū)域與視覺報警區(qū)域均位于危險等級一般的區(qū)域，根據圖5所劃分的區(qū)域來分，均位于區(qū)域II。

將全制動、輕制動、視覺+聲音報警、視覺報警合在一起，組成本文所需要的危險評估模型（如圖7所示）。

圖7TTC-1-h危險評估模型

五、結語

本文研究的危險評估算法基于真實道路交通典型危險工況，采用兩級報警、兩級制動來達到及時躲避障礙物、降低車輛危險程度的效果，采用漸進式預警（兩級報警，由顏色預警到聲音報警），可以讓駕駛員有所準備，不會感到警報過于突然，同時采取漸進式制動（兩級制動），在不同的危險階段采用不同的制動力，制動力由小到大，這樣能夠及時地在車輛處于危險狀態(tài)時進行有效控制，從而幫助司機避免城市交通常見的低速行駛時的追尾事故，大大減少維修車輛的時間與成本，降低人員傷亡率。通過試驗仿真驗證，得到本危險評估算法在50km/h以內時可以有效避免危險事故的發(fā)生。

Through data analysis of six typical kinds of hazardous working conditions,driver's reaction time towards dangerous working conditions as well as emergency braking starting point were obtained.The data of near-crash traffic situations are utilized to establish a new risk assessment1－based model,which is applicable to the control algorithm development for the collision avoidance systems.

Typical near-crash traffic situation,active safety,control algorithm

（作者單位：國家機動車產品質量監(jiān)督檢驗中心（上海））