基于投影的開門防撞預警（DOW）方式設計研究

姜乾喆 高矚

關鍵詞：車輛交互 開門碰撞 開門防撞預警 投影 警示圖案

引言

由于我國汽車蓬勃發展且非機動車保有量大，路況復雜，非機動車與汽車發生碰撞事故的數量高居不下。根據世衛組織報告表明：此類事故中，由于乘用車駕駛員未經觀測后方道路狀況而開門，導致的傷殘人數占總傷殘人數的11.6%[1] 。但這種肇事類型并未單獨列出，導致這一事故的實際數量將遠高于此。并且，根據資料表明[2] ：夜間交通事故率是白天的三倍，照明不良時的事故率又是照明良好時的三倍，其結果通常比較嚴重，有時也是致命的，是一個不可忽視的交通事故類型。

一、DOW發展現狀

DOW英語全稱為“Door Open Warnings”，意為“開門警示”，主要針對的是“Dooring Accident”這種“開門碰撞”的事故類型的警示。DOW是通過一定的技術手段，來警示車內司乘及周圍道路的使用者“該車將要發生開門動作”的一種警示信號，以期達到避免發生開門碰撞事故的目的。

（一）理論研究現狀

在國外，Anne Silla 等人的一項研究[4] 提出智能交通系統對于弱勢道路使用者關注度不夠（Vulnerable Road User，VRU）。P.Vijaya等人的一項研究[5] 提出了一種基于Arduino的車門輔助安全鎖定系統，該系統使用超聲波傳感器檢測到來的非機動車進而將車門鎖死，周圍車輛通過后解除鎖定。Jevin等人的研究[6] 提出了在乘用車上安裝一級藍牙（范圍>100m），并結合接收信號強度指示器以接收和定位在非機動車上提前放置的藍牙信標。該系統提高了定位檢測VRU的準確性，并且具有較低的成本。

在國內，ZhiYu Zhung等人提出了一個嵌入式基于芯片的車門防撞系統[7] ，該系統集成了數碼相機和現場可編程門陣列（FPGA）芯片，與汽車左側后視鏡集成，檢測到物體后推導出移動速度并向車內司乘發出警報，該系統的進步空間在于檢測距離的拓展上;Miankun Zhu 等人提出了一個基于魚眼攝像機和深度卷積生成對抗網絡的新型車輛開門安全系統[8] ，該系統在測試中具有87.2%的準確率，證明了其可行性。張立等人提出了一種車輛駐車開門事故預警系統[9] ，該系統采用多普勒雷達進行檢測、攝像機進行信息獲取，并且對車門在必要時進行鎖定。

（二）應用現狀

目前，部分乘用車已經應用該技術，主要以提醒司乘為主。奧迪在部分車型上安裝了側向輔助雷達傳感器，當司乘試圖開門時且后方有物體快速接近時，會在打開車門時亮起車內紅色氛圍燈以及轉向燈以提醒司乘。奔騰T99車型也在車上配備了開門警示系統，當有物體接近側方和后方2.5m的寬度范圍時，車內的警示燈和揚聲器會提供雙重警示以提醒司乘。

（三）現狀分析

經過分析可發現，目前DOW的相關研究主要集中在通過何種方法來有效提醒車內司乘，或通過何種方法來阻止司乘在檢測到后方有VRU駛來的時候打開車門。但在2019年5月，多個相關單位印發了綠色出行行動計劃，提到要“不斷優化自行車等綠色交通的權分配”。但權力與責任同時存在于被眾多交通工具共享的道路系統中。因此，DOW不應只從車內警示司乘，將責任與決定全部交于車內司乘，車外乘客也應當得知前車將要開門的信息。而目前并無針對車外VRU的DOW警示方式研究。在車內警示司乘的同時，也可以在車外警示VRU，對于構建良好的道路交互環境具有良好的意義。

因此，本文將著重對警示車外VRU的DOW方式進行研究。

二、DOW方式分析

（一）DOW系統組成

一個DOW系統由兩個模塊組成，分別是：檢測與分析模塊和警示執行模塊，如圖1所示。

檢測與分析模塊負責收集車外的道路使用者所提供的道路信息，如距離本車的距離、速度等參數，并且進行數據分析與轉化，進而將“是否要執行警示”的決策提供給警示執行模塊。

警示執行模塊負責執行警示決策，通過各種警示方式來提醒或阻止司乘的開門動作，以達到開門警示的目的。

（二）檢測與分析模塊

檢測與分析的方式根據其技術的不同，可以分為：基于機器視覺技術的檢測方式和基于傳感器測距技術的檢測方式。

1.基于視覺技術。基于視覺技術的檢測方式主要采用攝像頭進行信息采集，并傳遞到車載ECU進行處理分析，進而將ECU決策信號傳遞到警示執行模塊。該類檢測方式判斷與檢測的質量通常在很大程度上依靠其訓練數據集的質量。若要估算物體的速度，則需要高頻捕獲多個圖像樣本。雖然該類物體檢測可以通過機器學習實現不錯的效果，但是其效果更多取決于實際的使用工況，在昏暗的燈光下以及惡劣的天氣下無法達到預期的效果。

2.基于傳感器。基于傳感器測距的檢測方式根據其傳感器不同，可以分為：超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達。該類檢測方式均是以不同的方式向外界發出信號，信號到達外界物體后返回，將發出與返回的信號做一定的處理后，獲取一些目標的參數并輸出結論。

不同檢測技術的對比見表1。

（三）警示執行模塊

警示執行模塊為是與用戶直接交互的模塊，為其提供決策信息或直接對車門開合做出決策。根據其交互方式的不同，可以分為：強制介入開門決策、聲信號警示和光信號警示。

1.強制介入開門決策：該方式通常由“強制開門把手空轉”或“閉合電磁鎖”的方式達到。當檢測模塊檢測到物體，中心信號處理模塊預判將會發生危險后，將強制關門的信號傳遞給執行模塊，此時，就算司乘未經觀察周圍情況而開門，把手拉動后也無法順利打開車門。該方法較為穩妥，但考慮到司乘被強制關到車內，很可能導致車內司乘在擁堵路段無法下車等的情況發生，通常需要附加一個強制開門裝置，但這無疑會削弱該系統的有效使用率。

2.聲、光信號警示：聲信號警示和光信號警示為一種通過聲音或光源傳遞警示信號的方式。發出預警決策被執行模塊接收后，聲信號警示模塊通常由蜂鳴器、喇叭等原件執行，發出警示聲音，提醒司乘不要下車;光信號警示模塊在低端車型中為簡單的LED信號燈，在高端車型中已集成進氛圍燈或按鈕燈。此類提示方法利用人的聽覺和視覺進行警示，較為直觀有用，通常結合其他方式一起使用。

（四）DOW信息鏈優化

目前的DOW警示執行方式只警示車內司乘，為單方向的信息鏈傳輸，并未構建雙向良好交互的信息鏈。良好的道路交互環境應由雙方相互知曉，并且共同做出努力以改變現有的問題。

因此，良好的DOW警示執行方式應基于現有的道路信息基礎，警示車內司乘謹慎開門的同時，也警示車外VRU前方可能發生開門危險這一信息。據此，優化后的系統如圖2所示。可以發現，目前DOW領域尚未涉及從車內司乘到車外VRU的信息傳輸及警示執行方式設計的相關研究。

三、基于投影的DOW警示執行方式設計

本節提出一種基于投影的DOW警示執行方式及其全局的系統設計，以期望在現有警示執行方式的基礎上，補充一種對車外VRU的警示執行方式，通過投影技術增強道路共享者之間的信息交互體驗，打造全新的交互模式。并且主要在夜間使用，更有效、集中地降低事故高發時段的開門碰撞事故率。

（一）DOW系統設計思路

道路上 80%的交通信息是通過駕駛員的眼睛來接收并傳遞給大腦，而后產生交通行為，如紅綠燈、轉向燈。因此，視覺是交通參與者獲得道路信息的重要渠道。在夜間，視覺對光的識別會更強，光提醒具有更好的效果，因此，使用投影設備進行DOW的警示執行模塊設計。

該基于投影的DOW方式系統設計思路如圖3所示。通過車內設置的陀螺儀和壓力傳感器來獲取車輛的啟停及司乘信息，作為是否有開門意圖的判斷基礎;當判斷車內有司乘，且車輛靜止的時候，認定可能會有開門意圖。此時，車外移動物體檢測模塊開始工作，持續檢測后方移動的物體，為中心信息處理模塊獲取做出決策需要的信息，進而判斷是否可能發生危險;若可能有危險，中心信息處理模塊發出指令，警示執行模塊開始執行;此時，車外DOW投影開始工作，在地面投影出一個警示性圖案，警告后方駛來的VRU，此處可能有危險發生;與此同時，在車內設置其他的警示執行模塊，如氛圍燈提醒或蜂鳴器提醒或多種復合提醒，將該信息提供于車內司乘，影響并幫助其做出正確的開門決策。直到車輛停止且車內無人時，系統關閉，完成警示。

在此DOW警示執行方式中，LED光源提供大功率的紅光，并通過上方的反射面將光束反射到圖案擋板上。圖案擋板對反射光束進行處理，使部分光束通過擋板而形成預先設計的圖案，進而通過透鏡對光束重新分配，得到預期的地面投影效果。

傳統的投影系統中，中間的擋板通過單個擋板對反射來的光束進行遮擋來得到想要投影圖案。但考慮到該警示圖案將投射于公共空間內，必須同時關注圖案設計的警示性和美觀性。因此，將傳統的光學擋板重新設計，將其分為擋板夾以及可復合圖案擋板。擋板夾為擋板提供支撐，可復合圖案擋板通過多個不同透光率的擋板組合，處理出具有更多層次信息的DOW警示圖案。設計的理論模型如圖5-6所示，不同的灰度代表不同的透光率。

四、基于投影的DOW警示圖案設計

DOW警示圖案為該警示執行方式的終端載體，通過DOW警示圖案設計可以有效向車外VRU提供警示信息，這就要求該圖案設計要簡潔、明確，且尺寸、位置合理。

（一）尺寸設計

DOW警示圖案能否起到足夠的警示效果，其尺寸是要確定的首要參數。

為描述方便，將與非機動車前進后退的方向規定為縱向，與其垂直的方向規定為橫向;將非機動車視角看到的DOW圖案尺寸，稱為視覺尺寸，將實際投影在地上的DOW圖案尺寸，稱為實際尺寸。

1.視覺尺寸設計：為與可停車道路及非機動車車速相匹配，選擇國標中非機動車道與設計時速小于40km/h的相關警示牌標準梳理后發現，若滿足所有方面的停車警示，尺寸應設置為60× 60cm的正方形視覺尺寸。但考慮到縱向視覺尺寸會隨著距離發生較大的變化，若采用60cm的縱向視覺尺寸，會給縱向的實際投影尺寸以及投影設備帶來較大的壓力。因此，為了與汽車尺寸相匹配，減少空間占用，將縱向視覺尺寸設計為45cm，設計DOW警示圖案的視覺尺寸為60× 45cm的矩形。

2.實際尺寸換算：根據GB/T 10000-1988中對中國成年人身體參數的相關規定，以及圖案遠近與視覺壓縮的規律，取坐姿眼高第五百分位值695mm。取非機動車鞍座高為800mm，結合以上參數，可得到綜合駕駛坐姿眼高HE為1495mm，且根據人機工程學，人在坐姿下最舒適的視角為水平線向下15°，據此，構建騎車人身高與到圖案視距L的三角關系，如圖7所示。

根據三角關系可求得L_視距≈558cm。根據圖案視覺尺寸為60×45cm，綜合駕駛眼高為1495mm，在Rhino6.0軟件中繪制該尺寸關系，首先從平面求得DOW警示圖案的縱向長度，進而轉到三維視角延申相關直線求得與地平面的交點，連接相關點后可得到DOW警示圖案的投影實際尺寸，如圖8所示。

最終對數據取整后得出，若需要讓非機動車駕駛員在558cm以外有最佳的警示效果，呈現出60× 45cm的視覺尺寸，則需要的實際投影尺寸為一個：上底60cm，下底85.22cm，高246.2cm的梯形，如圖9所示。

（二）位置設計

1. 安全距離計算：根據皮爾斯三元關系理論，一個符號是由符號表現體、符號對象和符號解釋構成[11] ，這對應著人從識讀到理解的三個階段。因此，若將該投影于地面的DOW圖案視為一個符號，后方VRU看到后，將會經歷識讀階段、反應階段和操作階段，分別需要駛過的距離為、

2.縱向位置設計：根據前文可得，安全距離LS應大于8.9m。此時由視距距離和圖案縱向長度構成的總長為：558+246=804cm。該長度和LS具有86cm的差值。因此，DOW警示圖案的縱向位置為：DOW警示圖案的較長底邊與車門打開到最大角度時通過車門最外點的橫線之間的距離應大于86cm，如圖10所示。

3.橫向位置設計：橫向位置應使得非機動車避開DOW警示圖案駛過時，不與車門發生碰撞。因此，DOW警示圖案的橫向位置應為：通過DOW警示圖案長底邊外端點作縱向的線，其位置應與車門打開到最大位置時的外端點在一條縱向的線上，如圖11所示。

（三）DOW警示圖案內容設計

DOW警示圖案具有明確的含義和良好的警示效果，其圖案內容是重點。本節梳理了DOW警示圖案的內容設計方法，分為確定語義因子、形態因子的抽象與重構以及因子組合三個步驟進行。

1.確定語義因子：設計因子可以分為顯性設計因子和隱性內涵因子[15] ，語義因子是一種隱性的設計因子。在DOW警示圖案設計的第一步，設計者要明確圖案表達的含義，得出語義因子，作為設計的出發點。

根據提醒方法的不同，將語義因子分為：警告、禁止、引導轉向三種，釋義與實例如表2所示。設計者可從其中選取單個或多個語義因子作為設計的出發點。

2.形態因子的抽象與重構：形態因子是一種顯性因子，是從圖解思維的角度直接用圖形的形態來表達設計者試圖與其受眾溝通的信息。應用到DOW警示圖案里的形態因子，應具有較高的可讀性、直觀性以及易識別性。

在前文確定語義因子后，需要根據不同的地域文化及交通標識等因素，確定對應的對象元素，并抽象成形態因子。之后，可以使用一定的設計手法進行因子重構，得到具有設計感以及美感的全新形態因子。

3.因子組合：根據要表達語義的不同，可以將DOW圖案的構成分為主形態因子和輔助形態因子。而主形態因子可進一步分為：單個主形態因子和多個主形態因子，單個主形態因子表意較為直接明確，多個主形態因子表意較豐富，若有多個主形態因子的產出，可運用置換構成、解構重組、幾何抽象、平面因子立體化以及圖形轉譯的設計方法進行設計[16] 。

在主形態因子的基礎上，附加輔助因子與其組合，可提升DOW圖案的表現力、沖擊力、構成感和設計感。輔助形態因子作為DOW圖案中的填充與強化物，可以選擇形態因子進一步抽象簡化的變體，也可以選擇語義因子下的其他形態變體。

五、DOW設計實踐

（一）語義因子確定

首先，確定圖案的語義因子及形態因子，選擇“引導轉向”作為DOW警示圖案設計的語義因子以及設計的出發點。

（二）形態因子的抽象與重構

在古時，弓箭射出的箭矢具有明確的方向，因此，“箭頭”成為目前最常見的具有“引導轉向”功能的標志及圖案，如圖12-13所示，故選擇箭頭符號作為“引導轉向”的形態因子，將其進行進一步簡化，并填充具有警示功能的紅色，背景填充黑色，如圖14所示。

接下來，將形態因子做如下重構：首先，將其重復以填充整個DOW警示圖案，進一步強調“引導轉向”的語義，如圖15所示;其次，將中間的兩組箭頭寬度降低，調整水平間距，提升節奏感，如圖16所示;接下來，在第一個箭頭上方部分向后延申，對其余箭頭進行調整，增強形式感，如圖17所示。

（三）因子組合

對上述形態因子做進一步變形，當作輔助因子，并降低紅色飽和度，代表低透光度的區域，置于左側，填充畫面并強調圖形邊界。至此，DOW警示圖案設計已經完成，如圖18所示，將其還原為實際投影于地面的圖案，如圖19所示。

（四）模擬與測試

將圖19放置于模擬的場景模型，用Lumion從后方模擬非機動車視角進行仿真，如圖20所示。進而采用投影設備對DOW警示圖案實際投影效果如圖21所示。經過模擬發現，該警示方式效果明顯，意圖表達清晰，具有較好的效果，可以有效作為DOW警示系統的補充。

結語

隨著技術的發展，DOW方式設計在考慮警示車內司乘的同時，應當對車外的道路使用者也提供相應的警示與提示，而投影技術的發展對DOW在夜間警示VRU提供了全新的方式設計思路，使得構建良好的道路DOW交互成為可能，具備很好的應用前景，對降低開門碰撞事故率具有重要意義。開展更多基于投影的DOW方式設計與硬件研發及集成，并且對DOW警示圖案設計進行更多更深入的研究，是DOW領域繼續發展的重要方向。

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