基于ECE R131的商用車AEB系統性能試驗研究

張恒嘉　王驍　張明君　郭潤清　郭魁元　崔曉川

摘要：該文介紹車輛自動緊急制動（AEB）系統的技術原理與控制方案，詳細分析歐盟頒布的ECE R131法規對商用車AEB性能的測試方法和要求，在此基礎上開發商用車AEB性能測試系統和搭建測試場景，并依據ECE R131完成對商用車AEB性能的道路驗證測試。測試結果表明：試驗車輛完全符合ECE R131對AEB系統性能的要求，且基于77GHz毫米波雷達的商用車AEB系統更易于識別動態目標，AEB系統內部的信號傳輸具有0.2～0.4s的延時，為國內商用車AEB系統的開發和標準的制定提供幫助。

關鍵詞：商用車；AEB系統；ECE R131；測試系統；驗證

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0140-07

0引言

車輛的追尾碰撞是道路交通中發生最頻繁的事故之一，誘因是駕駛員注意力的分散或是對交通狀況的誤判。AEB系統可自動探測前方車輛、行人目標，評估碰撞風險，必要時發出警報或自主施加制動，在挽救生命及財產損失上有著突出效能。歐洲Euro-NCAP對實際道路下的AEB功能有效性進行了研究，分析顯示配備AEB功能的車輛與未配備該功能的車輛相比，追尾事故減少了38%：如果所有汽車都配備AEB系統，那么交通意外率將會減少27%，每年約可以挽救8 000人的生命。在汽車安全要求日益嚴格的背景下，裝備AEB已成為趨勢。

商用車作為許多重大交通事故的源頭，其AEB技術的研究成為近年來各國關注的重點。聯合國歐洲經濟委員會于2008年5月在整個歐洲范圍內開展FOT（field operation test）主動安全項目研究，積累了大量實際路況及各速度、各場景下的AEB安全性能數據，于2012年首先制訂并公布了針對商用車的AEB法規ECE R131，對AEB的功能、試驗方法等做了詳細規定；歐盟同年在ECE R131的基礎上，采用更嚴格的指標約束形成（EU）No 347/2012指令并分階段對各成員國強制執行。日本在2014年根據本國的交通事故發生頻率、交通限速狀況制定了針對客車和貨車的AEB法規TRIAS 12-J113。美國機動車工程師學會在2015年發布了適用于總重超過4535kg的商用車AEB測試方法，版本號為J3029_2015。在我國GB 7258——2017《機動車運行安全技術條件》中已明確規定大于11m的客車需安裝AEB系統并符合國家相關標準，而我國有關商用車AEB系統的標準也正在制定中，這些都體現了我國對商用車AEB技術及其應用的重視。

ECE R131作為世界上首個測試評價商用車AEB性能的標準，在世界范圍內得到廣泛認可和應用。本文首先介紹基于毫米波雷達的商用車AEB系統的技術原理和系統控制方案，然后詳細介紹ECER131對商用車AEB系統性能的測試方法和要求，研究開發進行商用車AEB性能測試的具體方案，最后進行道路驗證試驗，以期為國內商用車AEB系統開發和測評標準的制定提供幫助。

1AEB技術原理與控制方案

1.1AEB技術原理

AEB系統通過傳感器對車輛前方障礙物及駕駛員指令進行監測，測定車輛與前方障礙物的相對距離、相對速度，估算車輛與前方障礙物的碰撞時間（time tocollision，TTC），評價車輛實際工況與駕駛員意圖的誤差，根據評價結果分階段向駕駛員發出制動提醒并對車輛進行不同程度的自主制動。常用的傳感器多為雷達，其對目標參數的測量分為定位參數和特征參數：定位參數與尺寸、位置有關，包括速度、加速度和三維空間坐標：特征參數用于推導目標的尺寸、形狀、姿態和電磁參數等信息用于識別目標。目前在商用車上使用最為普遍的是毫米波雷達，其具有抗干擾能力強、可測距離遠等優點。大多數車載毫米波雷達均采用調頻連續波方式，其測量原理如圖1所示。當發射的連續調頻信號遇到前方目標時會產生與發射信號相比有一定延時的回波，再通過雷達混頻器對回波進行混頻處理，從而得到車輛與目標的相對距離和相對速度等信息。毫米波雷達的測速和測距公式為

1.2AEB控制方案

以前方障礙物為靜態目標為例，圖2列出了典型的AEB系統控制方案：t0時刻AEB系統通過車前的傳感器檢測到前方靜態目標；車輛行進到t1時刻，若駕駛員未采取較強的制動以避免碰撞，AEB系統將向其發出聲光報警信號，并將車輛制動系統調整到預制動狀態；t2時刻，若駕駛員仍未采取緊急制動或避讓措施時，系統將通過限制發動機扭矩實現瞬間緊急制動（一般不會持續，僅用于向駕駛員提供一種觸覺報警信號）；t3時刻，若駕駛員仍未做出制動反應，系統判定已無法通過駕駛員人為操作避免碰撞時，將自主地利用車輛的基礎制動系統進行緊急制動，以避免碰撞或降低碰撞時刻的車速。

2eCE R131對AEB性能的試驗方法及評價指標

2.1試驗方法

ECE R131規定的車輛適用范圍為M2、N2、M3、N3，其他商用車如O類車等并不作考量。規定了靜態目標的AEB預警與激活（靜態試驗）、移動目標的AEB預警與激活（動態試驗）、AEB功能的誤觸發及AEB系統模擬失效共4項試驗。對試驗場地也做了統一規定，要求在長度超過800m的混凝土或瀝青道路上進行，路面狀況應平坦、干燥、具有良好附著力，試驗時環境溫度應在0-45℃之間，風速不影響試驗正常開展，水平能見度良好。

2.1.1靜態試驗方法

如圖3（a）所示，靜態試驗開始前，目標車輛應靜置于和試驗車輛所在的同一車道內。為保證試驗車輛能在正常范圍內識別障礙物，ECE R131規定兩者的中心線距離<0.5m；為了給予試驗車輛探測目標車輛的時間，規定試驗開始前兩者應保持>120m的縱向距離。正式試驗時，駕駛員駕駛試驗車輛以（80±2）km/h車速勻速直線駛向靜止的目標車輛，為排除駕駛員人為因素干擾，ECE R131規定測試期間除輕微的方向修正外，不能對車輛做任何調整。AEB系統應能檢測到前方障礙物并在適當階段采取制動，減輕碰撞。當試驗車輛與目標車輛發生接觸或試驗車輛車速為0則可認為試驗結束。

2.1.2動態試驗方法

和靜態試驗類似，如圖3（b）所示，動態試驗開始前也要求目標車輛和試驗車輛位于同一車道內，中心線距離<0.5m且兩者縱向距離>120m，測試期間除輕微的方向修正外，駕駛員不能對車輛做任何調整。試驗時，試驗車輛和目標車輛分別以（80±2）km/h和（12±2）km/h（對表1中2#類車型為（67±2）km/h）車速勻速直線行駛，AEB系統應能檢測到前方移動目標并在一定階段采取制動，避免碰撞。當試驗車輛與目標車輛發生接觸、試驗車輛車速為0或試驗車輛車速小于目標車輛則可認為試驗結束。

2.1.3AEB功能誤觸發試驗方法

為了測試AEB系統在日常使用中是否會出現誤報警，ECE R131規定了AEB誤觸發試驗方法，圖3（c）為該測試方法下的場景布置：將兩輛M1類目標車輛平行置于試驗場地內，兩車橫向間距為4.5m，尾部對齊，車頭朝向與試驗車輛相同。試驗開始前試驗車輛保持（50±2）km/h車速勻速直線行駛至少60m，試驗時以該車速從兩目標車輛正中軌道通過。

2.1.4AEB系統模擬失效檢驗方法

ECE R131規定當車輛正常啟動時，應能啟動一個連續的黃色光信號來提醒駕駛員AEB系統已經啟動并可正常工作。模擬AEB系統或其某一組件中出現線路或電力等故障而導致AEB功能失效（但不應斷開AEB系統與儀表的信號傳輸）時，車輛應立即在儀表盤上向駕駛員提供該黃色光報警信號，要求當車輛車速超過15km/h后的10s時間內儀表盤上必須產生持續報警信號，且只要模擬失效仍存在則當車輛重新點火時應立即重新激活該報警信號。對于某些帶有關閉AEB功能按鈕的車型，當駕駛員主動關閉AEB功能時，應提供與AEB功能失效報警形式不相同的報警信號，使駕駛員能夠區分。

2.2AEB性能評價指標

由于商用車在制動技術上的差異性，ECE R131將M和N類車輛按制動系統類型和最大總質量（GVM）進行分類評價，但采用的測試方法是相同的，差別也僅限于技術指標限值的不同。表1列出了各類車輛的AEB靜態和動態試驗評價指標。定義T1、T2、T3、T4分別為第1次報警時刻、第2次報警時刻、達到緊急制動時刻（a=0.4g）和試驗結束時刻，TTC3為T3時刻的TTC時間，△T1、△T2分別為第1次和第2次報警時刻相對于緊急制動時刻的時差，△v1為緊急制動開始（即T3）時刻試驗車輛車速降低值，△v2為試驗結束（即T4）時刻在AEB作用下試驗車輛的速度降低值，其中動態試驗要求不得發生碰撞。△T1、△T2、△v1、△v2分別由式（2）～式（5）求得：

對于靜態試驗和動態試驗，如果按觸發AEB功能的危險工況發生的時間順序，可以定義試驗車輛減速度（a=0.4g）時刻之前為報警階段，a=0.4g時刻之后為緊急制動階段（見圖4、圖5）。ECE R131對AEB系統有效性的評價描述如下：在報警階段，當AEB檢測到危險并產生報警時，ECE R131認為應優先提供駕駛員自主制動避險（而不是AEB系統干預制動）的機會，因此ECE R131規定AEB系統的第1次報警時刻不得晚于緊急制動激活前1.4s，第2次報警時刻不得晚于激活緊急制動前0.8s：為了鼓勵AEB系統更友好地進入到緊急制動階段，不至于在報警階段降速過大而產生頓挫感，規定報警階段的速度降低值不得超過15km/h或30%△v2（取兩者中較大值）；在緊急制動階段，為了給駕駛員足夠的時間發現危險并采取制動，規定AEB系統必須在TTC≤3s后才能觸發緊急制動：為檢驗AEB系統提供的自主緊急制動起到的實際效果，ECE R131還規定在試驗結束（TIC=0或目標車輛車速大于試驗車輛車速）時，靜態試驗中的1#、2#類車輛（見表1）的速度降低值分別不應低于20km/h和10km/h，動態試驗中對1#、2#類車輛的要求為試驗車輛和目標車輛不得發生碰撞。

對于誤觸發試驗，ECE R131認為AEB系統的報警信號不應過早或過于頻繁，以免干擾駕駛員正常行駛，因此應減少誤觸發幾率，其規定以單次誤觸發試驗中AEB系統不會發生誤報警為評價指標，試驗車輛若能正常通過圖3（c）所示測試場景而不產生額外的AEB報警信號即認為符合要求。對于模擬失效檢驗，要求符合2.1.4所述報警信號要求。

3商用車AEB性能測試系統及測試場景

3.1商用車AEB性能測試系統

由于誤觸發和模擬失效檢驗屬于功能性驗證試驗，不需要使用額外儀器采集數據，因此不做敘述，僅介紹用于靜態試驗和動態試驗的測試系統。根據ECE R13 1要求，為了完成對商用車AEB靜態和動態試驗的測試與評價，需要測量試驗車輛和目標車輛的車速、相對距離、TTC以及試驗車輛的減速度等數據。建立的商用車AEB性能測試系統主要由具有二次差分功能的高精度GPS測試系統、多通道數據采集系統和臺車系統組成。

具有二次差分功能的高精度GPS測試系統主要由兩個移動站和一個基準站組成。基準站固定在地面上，兩個移動站分別安裝在試驗車輛和目標車輛上。在靜態試驗中，由于目標物靜止因此僅在試驗車輛上安裝移動站即可。一般要求，基準站和移動站放置在同一開闊、無遮擋區域，且一旦基準站放置完畢后不允許移動。基準站由電臺、GNSS接收機和控制器組成，主要用于產生差分GPS數據，并通過電臺向移動站傳送，記錄GPS原始定位信息，通過電臺接收移動站測試數據，并通過計算機監控軟件實時顯示等。移動站由組合慣導系統、GNSS接收機、GPS接收天線、電臺等組成，主要用于接收GPS導航定位系統發送的實時位置、速度和姿態數據并進行解析和組包以及接收基準站發送的差分數，記錄后通過電臺傳回基準站，實現前后車輛之間相對數據的測量。通過基準站和移動站的配合使用，可以控制位置精度在2cm以內，速度精度達到1km/h，從而精確測量試驗車輛和目標車輛的車速、減速度以及兩車的相對距離、TTC。

多通道數據采集系統安裝在試驗車輛上，用于采集試驗車輛的數據和由目標車輛移動站經基準站經電臺發送來的數據。

3.2商用車AEB性能測試場景

搭建的靜態試驗場景如圖6（a）所示，將軟性目標車和試驗車輛置于同一測試車道內，試驗車輛位于軟性目標車后部適當距離，加速至（80±2）km/h車速后保持勻速行駛，當車速穩定后開始數據記錄，以試驗車輛撞上軟性目標車或成功剎停為試驗結束標準。需要說明的是，試驗開始前應通過GPS基準站將軟性目標車所處位置設置為零點位置并做好標記，測試中試驗車輛的各項數據將以該標記點為基準點測得。

搭建的動態試驗場景如圖6（b）所示，采用一段較長的導軌，兩端分別連接軟性目標車和拖車，通過拖車拖動軟性目標車移動而使得兩者具有相同的速度、減速度。在AEB性能測試中，為保證試驗安全性，不能以真實車輛作為目標車進行試驗，而是采用軟性目標車來代替目標車輛。該類軟性目標車具有與實際M1類車輛相同的視覺、雷達和反射量屬性，且能承受最大50km/h的后部撞擊而不損壞。試驗開始后，前車以（12±2）km/h車速保持勻速行駛，試驗車輛以（80±2）km/h車速追趕前車，以試驗車輛撞上軟性目標車或成功剎停為試驗結束標準。

4商用車AEB性能驗證試驗

4.1試驗車輛

采用某款國產長途客車作為試驗車輛，依據ECE R13 1要求進行AEB系統性能測試。該試驗車輛配備了某款基于77gHz毫米波雷達的主動安全系統。該系統的工作車速范圍在15-125km/h，最多同時偵測6個目標，能夠在全天候場景下快速感知0-200m范圍內周邊環境物體距離、速度、方位角等信息。試驗車輛參數見表2，可見其屬于M3類車輛且采用氣壓制動，在進行AEB測試時應按照表1所示的1#類車型，參照ECE R131的要求進行試驗。

4.2試驗結果分析

根據第2小節所述AEB性能測試系統和測試場景，進行基于ECE R131的AEB靜態和動態測試道路試驗，得到關鍵的試驗結果如表3所示，完整的試驗數據記錄見圖7～圖8。

結合表3和圖7～圖8對試驗結果進行分析，圖7～圖8中時間軸零點位置代表T1時刻。靜態試驗中，報警階段維持1.45s后轉入緊急制動階段，T3時刻前后車距離23.83m，TTC為1.22s，AEB系統控制車輛進入緊急制動，試驗車輛減速度從0.4g迅速增大到0.7g左右，碰撞時刻在試驗車輛車速已降至24km/h。動態試驗中，目標車輛以12km/h車速勻速行駛，試驗車輛以80km/h車速追趕目標車輛，報警階段維持1.49s，T3時刻前后車距離27.2m，TTC為1.69s，試驗車輛減速度迅速增大到0.6g左右并維持了近2s，在這期間試驗車輛車速迅速降低并接近目標車輛，在第5.39s時試驗車輛車速小于目標車輛車速，成功避免碰撞。以上過程及結果符合表1中的評價指標，由此認為試驗車輛AEB性能滿足ECE R13 1規定的靜態和動態試驗要求。

對表3中數據進一步分析發現，雖然靜態和動態試驗的△T1和△T2接近，但動態試驗中的TTC3時間大于靜態試驗TTC3時間約1s。TTC3時間表示AEB系統達到緊急制動狀態時刻的TTC時間，可從側面反映AEB系統識別物體的靈敏性，因此從表3結果可初步判斷采用毫米雷達波的AEB系統更易于識別動態目標。為進一步驗證此結論，選用5輛與本次試驗車輛尺寸相仿的客車車型進行AEB靜態和動態試驗，5個車型均采用毫米雷達波做為AEB傳感器，結果如表4所示。可見各車型在動態試驗中的TTC3時間均高于靜態試驗，平均高于TTC3靜 1.16s。

實際測試時還發現，車輛內部儀表信號和制動指令的數據傳輸具有較大延遲，對測試結果影響很大。圖9給出了某次AEB動態試驗車輛的減速度-時間曲線。試驗數據顯示T1VEH比T1CAN延遲0.37s，T3VEH比T3CAN延遲0.22s，說明在AEB系統檢測到碰撞報警后0.37s才能通過聲光信號傳遞給駕駛員，而AEB系統在做出緊急制動判斷0.22s后車輛制動機構才能收到指令并執行緊急制動。結合表3的AEB驗證試驗中報警間隔時間△T1和△T2的測試結果僅略高于表1所示的標準要求0.02-0.09s。可以看出，如果信號延遲繼續增加則試驗車型將不符合表1的限值要求，未來在車型實際道路駕駛時也極有可能因CAN總線負載過高延遲加大，造成AEB系統制動不及時而產生危險。車輛制造商應采取措施減少車輛CAN總線信號傳輸延時，這對于提高AEB系統的功能有效性將有很大幫助。

5結束語

本文介紹了全球商用車AEB系統的相關標準，以及基于毫米波雷達的AEB系統的技術原理、控制方案，并詳細分析了ECE R131法規對商用車AEB系統性能的測試評價方法。開發了一套用于測試評價商用車AEB性能的測試系統，并完成道路試驗驗證，為國內商用車AEB系統的開發和標準制定提供幫助。

通過分析道路驗證試驗結果發現，相比于靜態目標，搭載毫米雷達波的AEB系統更易于識別動態目標；AEB系統信號傳輸具有延時性，延時時間在0.2～0.4s，較大的延時時間不利于AEB系統的有效運行。