前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)報警策略分析

鄭望曉，劉建平，鄭陽，周祥祥

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511400）

引言

隨著汽車的普及，有汽車帶來的交通事故日漸增多，人們對汽車安全性的要求不斷提高；同時對汽車安全方面的研究由被動安全發(fā)展到主動安全，其中汽車前向碰撞預(yù)警（Forward Collision Warring，F(xiàn)CW）系統(tǒng)得到較快的發(fā)展，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)可以在追尾工況發(fā)生前的合適時機給駕駛員發(fā)送報警信號，提醒駕駛員提前采取措施，通過轉(zhuǎn)向或制動等方式來避免交通事故的發(fā)生。

美國弗吉亞州技術(shù)局和NHTSA聯(lián)合發(fā)布的研究表明，95%的交通事故是由人的操作不當(dāng)引起，如果駕駛員在發(fā)生事故前3秒注意力集中并作出正確操作，就可避免80%的交通事故的發(fā)生[1]。由此可見，有效合理的給予駕駛員碰撞警告，將明顯降低碰撞事故的發(fā)生幾率。

1 FCW系統(tǒng)工作原理分析

汽車前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)由環(huán)境感知傳感器、決策控制器和執(zhí)行器三部分組成。感知傳感器的功能是準(zhǔn)確、快速的測量車輛運行狀況及交通環(huán)境信息?？刂破饕罁?jù)傳感器提供的信息和預(yù)先設(shè)定的參數(shù)、算法，進行車輛當(dāng)前安全狀態(tài)的判斷，并依據(jù)控制算法計算結(jié)果向執(zhí)行器發(fā)出控制命令。執(zhí)行器接收控制器的控制指令，按照期望的方式實現(xiàn)對車輛的控制操作。如下圖1所示：

圖1 前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作原理

預(yù)警策略的合理性和預(yù)警方式的有效性，決定前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的性能好壞以及是否實用。如何設(shè)定合理的預(yù)警策略，取決于三個方面：FCW系統(tǒng)對目標(biāo)的有效識別和跟蹤，合理的報警時機，報警方式即人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）的可接受度。

2 前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)感知傳感器選擇

傳感器是汽車感知周圍的環(huán)境的硬件基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)目標(biāo)運行狀態(tài)的判斷與識別，并將探測到的信息數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。目前主流的目標(biāo)探測傳感器有攝像頭、毫米波雷達、激光雷達作為三大重要傳感器；各傳感器在不同方面均存在一定的優(yōu)劣勢，對比分析如表1。

表1 傳感器性能對比

前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的傳感器在探測區(qū)域內(nèi)應(yīng)具有足夠高的刷新率和測量精度探測到所有目標(biāo)，包括小汽車、摩托車、自行車、行人、樹木和電線桿等物體，同時應(yīng)具備測量目標(biāo)的速度和距離的功能，而且在真實的城市道路應(yīng)用中會經(jīng)常遇到多目標(biāo)的情況，因此需要對系統(tǒng)提出更多的要求：①在大范圍內(nèi)具有良好識別力；②傳感器儲存小，且易裝配；③能適應(yīng)不同的氣候環(huán)境以及抗污染能力；④批量生產(chǎn)成本較低。結(jié)合三大傳感器的性能優(yōu)劣勢分析，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的感知傳感器考慮選擇攝像頭或者毫米波雷達。

3 前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)報警時機分析

3.1 報警邏輯和形式

安全時間邏輯算法是通過比較兩車間的碰撞時間與安全時間閾值，來確定車輛的安全狀態(tài)，算法中常用的兩個特性參數(shù)為跟車時距（THW）和避撞時間（TTC），這兩個特征參數(shù)都是基于車輛的相對運動狀態(tài)定義的。避撞算法決定了預(yù)警的時機和邏輯，其核心問題是確定合適的介入時刻。

THW定義為[2]：

其中：D為本車、目標(biāo)車之間的行駛方向距離；Vf為本車的速度；THW參數(shù)的量綱為s。

碰撞時間TTC（time to collision）是最常用的評價交通安全的微觀指標(biāo)，是指某一時刻本車與目標(biāo)車之間發(fā)生碰撞之前的剩余時間[3]，其計算式為：

式中：D為本車、目標(biāo)車之間的行駛方向距離；Vf為本車的速度；V1為目標(biāo)車的速度；ΔV為本車與目標(biāo)車的速度差（ΔV＝Vf-V1）。

除了在極端緊急時應(yīng)該向駕駛員發(fā)出警告之外，在有危險存在但情況并不緊急時，也應(yīng)該給予駕駛員提示性的警告[4]。

安全距離報警的目的是提示駕駛員跟車車距過小，基于跟車時距THW模型算法設(shè)計報警閾值。安全距離報警會在情況不緊急的時候提醒駕駛員，但是如果這時前車突然減速，該狀況的危險程度會迅速升級。該報警具有提示信息的屬性，如果當(dāng)前狀況不改變，則不會發(fā)生事故。當(dāng)駕駛行為處于潛在危險狀態(tài)同時車間時距低于給定閾值時，將觸發(fā)安全距離報警。

緊急情況下（駕駛員必須改變他的駕駛行為去避免碰撞或者減輕事故傷害），系統(tǒng)會采用兩種報警方式來提醒駕駛員，這兩種報警的主要區(qū)別在于參數(shù)（報警的時間早晚）和報警方式不同。

前向碰撞報警有兩個階段，當(dāng)出現(xiàn)危險情況時，預(yù)報警功能首先被觸發(fā)（情況危險程度達到等級1）；如果情況持續(xù)惡化，將會進行緊急報警（情況危險程度達到等級2）。在出現(xiàn)突發(fā)性的危險情況時（例如，前方車輛突然切入或強力制動），兩種報警可能同時被觸發(fā)，這種情況下駕駛員只有很短的時間作出反應(yīng)。

在理想情況下，F(xiàn)CW應(yīng)盡可能早的報警，這樣駕駛員才可以經(jīng)過一定的反應(yīng)時間后做出反應(yīng)，進而通過緊急制動逐步降低危險。然而，這種簡單的算法將導(dǎo)致非常高頻率的誤觸發(fā)，其產(chǎn)生的原因被稱為“報警難題”（Warning Dilemma）[5]：一方面向駕駛員發(fā)出警告的時間應(yīng)該足夠早，這樣駕駛員才有充足的反應(yīng)時間來采取相應(yīng)的措施回避危險；另一方面過早的警告會干擾駕駛員的正常駕駛，降低駕駛舒適性，導(dǎo)致用戶接受度降低。

圖2 典型的高相對速度接近目標(biāo)場景

如圖2場景所示，當(dāng)報警觸發(fā)時，注意力集中的駕駛員應(yīng)已經(jīng)開始進行制動減速，如果這時駕駛員仍未作出減速動作，那么報警就是必要的并可以足夠的早，這樣可以保證注意力不集中的駕駛員能夠?qū)缶鞒龇磻?yīng)避免事故的發(fā)生，誤觸發(fā)的風(fēng)險較低。

圖3 典型的低相對速度靠近目標(biāo)場景

在圖3的低相對速度靠近目標(biāo)場景中，當(dāng)理想報警點到達時，注意力集中的駕駛員還不會開始制動，如果這時觸發(fā)報警，駕駛員將受到干擾，這就是一種誤觸發(fā)；但如果不進行報警，注意力不集中的駕駛員則無法得到最佳的輔助。

為了減少由于“報警難題”產(chǎn)生的誤觸發(fā)，不同場景下將應(yīng)用不同的駕駛員模式和應(yīng)對策略。該決策的影響因素有：絕對和相對速度，目標(biāo)的分類（移動或靜止），駕駛員狀態(tài)估算（注意力集中/不集中）等。依據(jù)車輛不同的行駛速度設(shè)定不同的安全防撞時間，通過與車輛發(fā)生碰撞需要的時間比較進行危險預(yù)警，可分為安全距離報警、預(yù)報警、緊急報警三種形式。

3.2 報警時機

駕駛過程是一個駕駛員-車輛-道路-環(huán)境系統(tǒng)相互作用的過程，駕駛員的駕齡、性格、身體素質(zhì)，汽車自身的性能、保養(yǎng)，當(dāng)前路況、氣候等等，都會直接或者間接地作用于駕駛員，其駕駛行為更將直接影響駕駛安全。

駕駛員從接受感官刺激（報警提示）到做出踩制動踏板的動作所需時間，時間雖短，但在高速行車安全中影響重大。該反應(yīng)時間主要指制動反應(yīng)時間，它包括大腦反應(yīng)時間、腳移到制動踏板所需時間等。受動作復(fù)雜度、駕駛熟練度、對反應(yīng)的準(zhǔn)備程度等的影響。

針對駕駛員反應(yīng)時間，ISO對反應(yīng)時間和制動減速度曾做過調(diào)查統(tǒng)計[6]，321人調(diào)查結(jié)果，在看到需進行制動操作的提示后，平均反應(yīng)時間為0.66s，98%的人反應(yīng)時間低于1.5s。

在FCW系統(tǒng)報警時機設(shè)定需充分考慮駕駛員的反應(yīng)時間，以及駕駛員介入制動后，車輛的制動減速度。從而設(shè)定合理的報警時間，在報警發(fā)出之后，駕駛員能有足夠的時間去反應(yīng)，并介入車輛，避免碰撞事故的發(fā)生。

3.3 最低報警車速

受城市道路交通特點所限，車輛會時常剎車制動、起步，處于怠速狀態(tài)等，行駛車速較低，發(fā)生事故的可能性比較小[7]。若預(yù)警頻繁，反而會影響駕駛員對于當(dāng)前行車狀態(tài)的判斷，因此當(dāng)自車速度低于某一限定閾值時應(yīng)抑制預(yù)警，該閾值應(yīng)根據(jù)不同的報警形式設(shè)定不同的最低觸發(fā)車速。

預(yù)報警應(yīng)該盡可能早的觸發(fā)，以便駕駛員可以通過制動或者轉(zhuǎn)向來防止即將的事故，該功能觸發(fā)的最低速度值不能小于25km/h。

緊急報警須達到誤觸發(fā)最少，同時效果最大化的目的。該功能將盡可能晚的觸發(fā)以避免誤報警。盡管如此，在報警觸發(fā)時，駕駛員依然有時間進行制動或轉(zhuǎn)向，避免事故的發(fā)生（情景的危險程度等級更高）。因此大多數(shù)駕駛員都會接受該報警，該報警也會幫助駕駛員避免碰撞，增加行車安全性。由于報警難題的存在，該功能觸發(fā)的最低速度值不能小于30km/h。

3.4 不同駕駛風(fēng)格報警需求分析

駕駛員作為道路交通系統(tǒng)的核心，處理各種信息，決策車輛行駛狀態(tài)。不同駕駛員駕駛操作行為不同，對駕駛安全的影響也不同。

為滿足不同駕駛風(fēng)格駕駛員對前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的使用需求，在系統(tǒng)設(shè)計時考慮設(shè)定不同報警閾值時機以提供駕駛員根據(jù)自身的需求進行選擇。在用戶進行系統(tǒng)設(shè)置的交互界面提供不同報警時機的選項（如：早、中、晚），如此能更好的提升用戶接受度。

4 報警方式HMI分析

在人-車-路-環(huán)境一體化的駕駛過程中，駕駛員的主動操控作用貫穿駕駛行為的始終，其駕駛能力是實現(xiàn)行車安全的保證和前提，行車過程駕駛操控信息流程如圖所示。

圖4 駕駛操控信息流程圖

為了幫助駕駛員安全行駛，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)通過清晰的HMI向駕駛員傳遞及時、準(zhǔn)確、簡明的信息，輔助駕駛員識別交通環(huán)境中存在的危險，且不會加重駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷。HMI對前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的有效性和用戶接受度有重要的影響，HMI的設(shè)計是前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵一環(huán)。

人們在感知客觀事物的實踐活動中視、、聽、觸三種感受器起著重要作用。反應(yīng)能力有三種表現(xiàn)：反應(yīng)動作的快速性、判斷的正確性和動作的及時性。

前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)中，可以應(yīng)用視覺、聽覺、觸覺三種不同模式的預(yù)警信號，這三種模式的警告信號有效性和用戶接受度存在差別。J.J.Scott和Robert Gray通過駕駛模擬器實驗對比了在防追尾預(yù)警系統(tǒng)中，視覺、聽覺、觸覺三種不同的預(yù)警信號與沒有預(yù)警時的差異。結(jié)果表明三種預(yù)警信號都能縮短駕駛員反應(yīng)時間，其中使用觸覺信號時駕駛員反應(yīng)時間最短，其次是聽覺，再其次是視覺[8]。視覺作為最廣泛使用的感受器。注意力傾向性占主要位置。視覺感受器還具有觸覺、聽覺所不能達到的特殊功能。它能和思維活動密切聯(lián)系能發(fā)現(xiàn)對方的意圖和準(zhǔn)備活動的過程，具有反應(yīng)判斷正確性、及時性和提前準(zhǔn)備的效果。

根據(jù)人類對不同報警方式的反應(yīng)時間，以及接收程度，結(jié)合不同報警功能的特性；因此對于不同報警功能應(yīng)選擇相應(yīng)合理的報警方式，確保報警的有效性和用戶的可接受度。

安全距離報警方式：由于安全距離報警所提供信息的特性，采用了視覺這種盡量避免分散駕駛員注意的方式。在安全距離報警的過程中，始終顯示該報警。

預(yù)報警方式：因為預(yù)報警的觸發(fā)點較早，誤觸發(fā)不可能完全避免。因此預(yù)報警推薦使用較為柔和的視覺和聲音的報警方式。

緊急報警方式：因為緊急報警比預(yù)報警觸發(fā)時間晚，誤觸發(fā)率也小。因為它觸發(fā)時間晚，需要駕駛員更快的作出反應(yīng)，所以該報警推薦使用更強烈的觸覺報警，如通過短促制動提醒駕駛員。

5 總結(jié)

本文分析了前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的報警策略，以及提出設(shè)計要求，在報警形式方面，根據(jù)報警時機不同，提出安全距離報警、預(yù)報警、緊急報警三種形式。綜合考慮系統(tǒng)的安全保障特性和主觀感受特性，以及滿足不同駕駛風(fēng)格的報警策略。合理的設(shè)計報警策略，可以提高交通效率、車輛的舒適性及可靠性，并且能夠更好的將駕駛員對不同報警方式的主觀感受考慮在內(nèi)，使前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)能夠更好提升駕駛員可接受度。