前向碰撞預警系統報警策略分析

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展到主動安全，其中汽車前向碰撞預警（Forward Collision Warring，FCW）系統得到較快的發展，前向碰撞預警系統可以在追尾工況發生前的合適時機給駕駛員發送報警信號，提醒駕駛員提前采取措施，通過轉向或制動等方式來避免交通事故的發生。

美國弗吉亞州技術局和NHTSA聯合發布的研究表明，95%的交通事故是由人的操作不當引起，如果駕駛員在發生事故前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生幾率。

1 FCW系統工作原理分析

汽車前向碰撞預警系統由環境感知傳感器、決策控制器和執行器三部分組成。感知傳感器的功能是準確、快速的測量車輛運行狀況及交通環境信息。控制器依據傳感器提供的信息和預先設定的參數、算法，進行車輛當前安全狀態的判斷，并依據控制算法計算結果向執行器發出控制命令。執行器接收控制器的控制指令，按照期望的方式實現對車輛的控制操作。如下圖1所示：

圖1 前向碰撞預警系統工作原理

預警策略的合理性和預警方式的有效性，決定前向碰撞預警系統的性能好壞以及是否實用。如何設定合理的預警策略，取決于三個方面：FCW系統對目標的有效識別和跟蹤，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 前向碰撞預警系統感知傳感器選擇

傳感器是汽車感知周圍的環境的硬件基礎，負責目標運行狀態的判斷與識別，并將探測到的信息數據傳送給數據處理系統。目前主流的目標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劣勢，對比分析如表1。

表1 傳感器性能對比

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

3 前向碰撞預警系統報警時機分析

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，算法中常用的兩個特性參數為跟車時距（THW）和避撞時間（TTC），這兩個特征參數都是基于車輛的相對運動狀態定義的。避撞算法決定了預警的時機和邏輯，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、目標車之間的行駛方向距離；Vf為本車的速度；THW參數的量綱為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，是指某一時刻本車與目標車之間發生碰撞之前的剩余時間[3]，其計算式為：

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

除了在極端緊急時應該向駕駛員發出警告之外，在有危險存在但情況并不緊急時，也應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，如果當前狀況不改變，則不會發生事故。當駕駛行為處于潛在危險狀態同時車間時距低于給定閾值時，將觸發安全距離報警。

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），系統會采用兩種報警方式來提醒駕駛員，這兩種報警的主要區別在于參數（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，當出現危險情況時，預報警功能首先被觸發（情況危險程度達到等級1）；如果情況持續惡化，將會進行緊急報警（情況危險程度達到等級2）。在出現突發性的危險情況時（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，這種情況下駕駛員只有很短的時間作出反應。

在理想情況下，FCW應盡可能早的報警，這樣駕駛員才可以經過一定的反應時間后做出反應，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致非常高頻率的誤觸發，其產生的原因被稱為“報警難題”（Warning Dilemma）[5]：一方面向駕駛員發出警告的時間應該足夠早，這樣駕駛員才有充足的反應時間來采取相應的措施回避危險；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，導致用戶接受度降低。

圖2 典型的高相對速度接近目標場景

如圖2場景所示，當報警觸發時，注意力集中的駕駛員應已經開始進行制動減速，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對報警作出反應避免事故的發生，誤觸發的風險較低。

圖3 典型的低相對速度靠近目標場景

在圖3的低相對速度靠近目標場景中，當理想報警點到達時，注意力集中的駕駛員還不會開始制動，如果這時觸發報警，駕駛員將受到干擾，這就是一種誤觸發；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”產生的誤觸發，不同場景下將應用不同的駕駛員模式和應對策略。該決策的影響因素有：絕對和相對速度，目標的分類（移動或靜止），駕駛員狀態估算（注意力集中/不集中）等。依據車輛不同的行駛速度設定不同的安全防撞時間，通過與車輛發生碰撞需要的時間比較進行危險預警，可分為安全距離報警、預報警、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-環境系統相互作用的過程，駕駛員的駕齡、性格、身體素質，汽車自身的性能、保養，當前路況、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。該反應時間主要指制動反應時間，它包括大腦反應時間、腳移到制動踏板所需時間等。受動作復雜度、駕駛熟練度、對反應的準備程度等的影響。

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

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

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，處于怠速狀態等，行駛車速較低，發生事故的可能性比較小[7]。若預警頻繁，反而會影響駕駛員對于當前行車狀態的判斷，因此當自車速度低于某一限定閾值時應抑制預警，該閾值應根據不同的報警形式設定不同的最低觸發車速。

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

緊急報警須達到誤觸發最少，同時效果最大化的目的。該功能將盡可能晚的觸發以避免誤報警。盡管如此，在報警觸發時，駕駛員依然有時間進行制動或轉向，避免事故的發生（情景的危險程度等級更高）。因此大多數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，該功能觸發的最低速度值不能小于30km/h。

3.4 不同駕駛風格報警需求分析

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

為滿足不同駕駛風格駕駛員對前向碰撞預警系統的使用需求，在系統設計時考慮設定不同報警閾值時機以提供駕駛員根據自身的需求進行選擇。在用戶進行系統設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，前向碰撞預警系統應通過清晰的HMI向駕駛員傳遞及時、準確、簡明的信息，輔助駕駛員識別交通環境中存在的危險，且不會加重駕駛員的認知負荷。HMI對前向碰撞預警系統的有效性和用戶接受度有重要的影響，HMI的設計是前向碰撞預警系統開發的關鍵一環。

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。反應能力有三種表現：反應動作的快速性、判斷的正確性和動作的及時性。

前向碰撞預警系統中，可以應用視覺、聽覺、觸覺三種不同模式的預警信號，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警系統中，視覺、聽覺、觸覺三種不同的預警信號與沒有預警時的差異。結果表明三種預警信號都能縮短駕駛員反應時間，其中使用觸覺信號時駕駛員反應時間最短，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系能發現對方的意圖和準備活動的過程，具有反應判斷正確性、及時性和提前準備的效果。

根據人類對不同報警方式的反應時間，以及接收程度，結合不同報警功能的特性；因此對于不同報警功能應選擇相應合理的報警方式，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。

預報警方式：因為預報警的觸發點較早，誤觸發不可能完全避免。因此預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：因為緊急報警比預報警觸發時間晚，誤觸發率也小。因為它觸發時間晚，需要駕駛員更快的作出反應，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

本文分析了前向碰撞預警系統的報警策略，以及提出設計要求，在報警形式方面，根據報警時機不同，提出安全距離報警、預報警、緊急報警三種形式。綜合考慮系統的安全保障特性和主觀感受特性，以及滿足不同駕駛風格的報警策略。合理的設計報警策略，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，使前向碰撞預警系統能夠更好提升駕駛員可接受度。