緊急制動:汽車在行駛過程中遇到緊急情況時在最短距離内将車停住-中文百科頻道

避撞策略

概述

如果自動緊急制動系統發出警告，駕駛員沒有及時對警告信号做出正确反應，碰撞危險變得十分緊急時，系統通過自動制動來回避碰撞或減輕碰撞程度。

AEB系統具有很大的安全潛力。Euro-NCAP的研究表明，AEB可以避免27%的交通事故，同時能大幅降低碰撞事故中人員受傷害的程度。因此，AEB受到了各國政府和評價機構的高度重視，Euro-NCAP從2014年開始把AEB場地測試結果納入整車安全性評價體系，ECE也發布了AEB法規。在法規和标準的推動下，AEB已經成為當前主動安全技術的研究熱點。

國外對AEB的研究較多。基于日本交通事故統計數據開發了一種帶三級制動的避撞策略。中基于專業駕駛員的緊急制動特征對AEB的介入策略進行了研究。中對AEB系統的技術要求、成本和安全收益做了詳細分析。已有一些較為成熟的AEB産品進入市場，比如VOLVO的城市安全系統(city-safety)等。但是由于不同國家和地區的交通環境不同，駕駛員的駕駛習慣有很大差異，因此國外已有的研究成果并不能直接應用于我國。而國内針對AEB的研究還非常少，沒有成熟的研究成果。

據此，本文中着眼于建立兼容我國特殊交通工況的AEB系統的避撞策略。首先利用可視化行車記錄儀對真實的交通工況進行采集，并對采集到的工況進行篩選和分類得到典型的危險工況，接着對典型危險工況下駕駛員的緊急制動行為進行分析，然後按照駕駛員的緊急制動行為分析結果建立危險估計模型和避撞策略，最後通過PreScan建模仿真對所提出的AEB避撞策略進行了驗證。

1真實交通工況的采集

獲取我國真實的交通工況和駕駛員行為是開發适合我國的AEB系統避撞策略的前提。出租車具有運營時間長，運行道路覆蓋範圍廣等特點，因此特别适用于快速獲取真實的交通工況。從2008年開始，課題組通過在數輛出租車和警車上安裝可視化車輛行駛記錄儀(video drive record，VDR)對上海市嘉定區的真實交通場景進行采集。VDR内置一個攝像頭記錄車輛前方視野的道路交通影像，其他一些信息如車輛速度和縱向與側向加速度等也同時記錄。本文中所用的VDR在縱向或側向加速度絕對值大于0.4g時觸發，隻記錄觸發前15s和觸發後5s的數據。

2駕駛員緊急制動行為特征提取

通過VDR采集獲得了總計約4000例觸發工況，對這些數據進行人工篩選，去掉沒有碰撞危險的工況，最終得到8例事故和1200例危險工況。然後通過主觀評價對這1200例危險工況的危險程度進行分級，從中挑選出共計430例危險程度較高的工況，并将它們按照NHTSA提出的37類預碰撞場景進行分類，最典型的6類危險工況共有303例，占所有危險工況總數的70%。本文中采用這303例危險工況來分析駕駛員行為。在這303例危險工況中，所有駕駛員都采取制動來避免碰撞。提取駕駛員在緊急制動過程中車輛的平均減速度絕對值并進行高斯拟合，緊急制動過程中車輛的平均減速度絕對值的均值μ=2.77m/s，标準差σ=1.01m/s。因此，可以認為95%的駕駛員在緊急制動時平均制動減速度絕對值小于4.43m/s(μ+1.64σ)，可見駕駛員通常難以完全利用車輛的制動潛能。另外，分析駕駛員在緊急制動開始時刻的TTC(time-to-collision)值，這裡駕駛員緊急制動開始時刻定義為車輛制動響應開始時刻，并未考慮制動器帶來的延遲。實際上由于制動器響應延遲的影響，駕駛員開始緊急制動的時刻應比本文中得出的時刻更早，但為分析方便，将制動器延遲時間歸入駕駛員反應時間的範疇，不作為一個單獨的因素進行分析。TTC是指同一路徑上同向行駛的兩車保持當前速度直到碰撞發生所需要的時間為數據提取方便準确，在計算駕駛員緊急制動開始時的TTC值時，隻選用前車減速工況。同時，由于用于工況采集的車輛行駛範圍主要集中在城市，所有危險工況基本都分布在車速40km/h以下，因此，隻選用40km/h以下的數據進行分析。駕駛員的制動行為與TTC的倒數(TTC)密切相關，因此，本文中選用TTC代替TTC，最終得到駕駛員緊急制動開始時TTC與本車速度之間的關系，同時對數據進行線性拟合，并求出90%的預測區間。其中50百分位線是通過線性拟合得到，可認為約有50%的駕駛員在TTC達到該線時已經采取了緊急制動操作。可以看出，駕駛員緊急制動開始時的TTC值并不是一個定值，而是與自車速度成一定關系，這點中得出的結論一緻。5百分位線和95百分位線包圍區域為駕駛員緊急制動開始時刻TTC值的90%預測區間，95百分位線表示當TTC達到該曲線所表示的值時，估計約有95%的駕駛員已經采取了制動。而5百分位線表示隻有約5%的駕駛員在TTC達到該曲線所表示的值時采取了緊急制動操作。

3AEB避撞策略研究

3.1AEB介入策略

把駕駛員所處的交通環境按照危險程度(0表示沒有碰撞危險，1表示碰撞無法回避)劃分為－5個區域。在區域時，AEB系統沒有檢測到碰撞發生的危險，系統無任何動作。在區域時，AEB系統監測到有碰撞危險，但危險程度較低，系統采用基于圖像的提示性預警提醒駕駛員危險的存在。在區域時，危險等級上升到較高水平，此時系統向駕駛員發出碰撞預警提醒駕駛員碰撞将要發生，采用聲音和圖像雙重警告。在區域時，碰撞的危險很高，系統在發出碰撞預警的同時采用部分制動。在區域時，碰撞的危險極高，碰撞即将發生甚至無法避免，AEB系統采用完全制動。傳統的AEB系統隻在危險等級較高時發出預警，即隻有碰撞預警，通常是簡單的燈光閃爍或者蜂鳴聲，這些信息是二元的，包含的危險信息較少，并且留給駕駛員的時間很短，根據這些信息駕駛員通常很難在較短的時間内做出正确的判斷和反應。中的研究表明，在檢測到有碰撞危險存在但危險程度不高時，也應該給予駕駛員提示性的警告，告訴駕駛員危險類型和危險方位等更具體的信息。因此，本文中采用提示性預警加碰撞預警兩級預警策略。本文中假設道路摩擦因數為0.8，即車輛完全制動時能達到的最大制動減速度為－0.8g。部分制動時以38%的制動力制動，部分制動時的制動減速度約為－0.3g。

3.2危險估計模型的建立

本文中主要利用TTC－1來判斷危險等級并進行危險區域的劃分。當TTC－1值高于95百分位線時，危險等級極高，進入危險區域。考慮到當車速較高時，駕駛員通過轉向操作回避碰撞的趨勢增在危險區域，AEB系統采用碰撞預警，本文中采用聲音和圖像的聯合預警。在采用聲音和圖像聯合預警時，駕駛員反應時間的均值為0.90s。出于保守起見，本文中設置在區域前1.0s的區域為危險程度較高區域，即區域。在區域，系統采用基于圖像的提示性預警。的研究結論，采用圖像預警時，駕駛員的反應時間均值為1.13s。同理，出于保守起見，設置5百分位線前1.2s的區域為危險程度較低區域，即區域。同時，所有駕駛員緊急制動開始時刻的TTC值均大于0.2s，因此設置區域的下界為TTC=0.2s。

但是，基于TTC的危險判别方法隻适用于相對速度較大的情況。對于近距離穩定跟車工況，即兩車距離較小但相對速度很小甚至為0時，如果前車突然制動，後車将會有發生追尾碰撞的危險。這種危險屬于潛在的，基于TTC的算法無法識别這種危險。為考慮這種近距離穩定跟車工況，最常見的做法是引入THW(time-headway)即兩車相對距離除以後車速度。但是THW并不是一個與碰撞危險直接相關的量，駕駛員在選取跟車工況下的THW值時，受到多方面因素的影響，比如地域、前車類型等因此采用THW并不能準确估計危險程度。

4仿真驗證

國際上已經有機構推出了AEB測試方法，如ADAC、AEBGroup、ASSESS等。其中ADAC的測試方法是Euro-NCAP的推薦方法，本文中也采用ADAC的有效性測試方法通過仿真分析來驗證AEB避撞算法的有效性。AEB的有效性測試方法主要分為前車勻低速行駛、前車勻減速、前車勻減速至停止和前車靜止4種工況。

采用PreScan軟件建立了這幾種測試場景，選用PreScan自帶的雷達模型來探測車輛前方的障礙物，探測距離為150m，采樣頻率100Hz。仿真時實時輸出車速、警告信号和制動壓力等信息。

篇幅所限，本文中僅詳述測試B1高速工況的仿真結果。該測試中本車以恒定速度靠近慢速行駛的前車，測試開始時本車速度為100km/h，前車速度為60km/h，兩車相距200m。在測試開始時，兩車相對距離為200m，由于本文中所用雷達的探測距離為150m，無法探測到目标，此時相對距離設置為150m，TTC值設為15s。4.7s時，雷達探測到目标物，由于本車速度大于前車，相對距離和TTC值都逐漸減小，但此時仍然沒有檢測到危險，處于安全區域。14.17s時，進入危險區域，AEB系統向駕駛員發出提示性預警，但由于車輛并未制動，兩車仍然以恒定的相對速度靠近，相對距離和TTC值繼續減小。16.82s時，進入危險區域，系統向駕駛員發出碰撞預警。17.83s時，進入危險區域，AEB系統開始以38%的制動壓力(67MPa)部分制動，相對速度減小，但相對距離和TTC值仍繼續減小。18.62s時，進入危險區域，系統開始全制動(150MPa)，TTC繼續減小，在18.83s時達到最小值0.8s。相對速度在19.62s時減小為0，此時相對距離達到最小值2.68m，成功避免碰撞。由于全制動後，碰撞危險逐漸減小，危險區域又逐漸由變為。從仿真結果可以看出，研究的AEB避撞策略在ADAC的B1、B2、B3測試工況中可以完全避免碰撞，在測試工況B4中，可以避免本車速度為20、30和40km/h3種工況的碰撞，在本車速度為70km/h時，無法避免碰撞，但可以将碰撞速度減少39.4km/h。

5結論

基于典型危險工況，提取駕駛員在典型危險工況下的緊急制動行為特征，得到了駕駛員在緊急制動過程中車輛的平均制動減速度和緊急制動開始時刻的TTC值，并根據這兩個參數建立了基于TTC和期望減速度areq的危險估計模型。然後按照危險估計模型将行駛工況進行危險區域劃分，并建立AEB的避撞策略，該策略按照危險等級的升高以“無動作-基于圖像的提示性預警-基于圖像和聲音的碰撞預警-部分制動-全制動”順序介入。最後通過PreScan仿真建模，按照德國ADAC提出的AEB有效性測試方法對所開發的AEB避撞策略進行驗證。仿真結果表明，所提出的AEB避撞策略避撞效果較好，可以在很大程度上避免碰撞，在碰撞無法避免時，也可以有效降低碰撞的嚴重程度。本文中建立的避撞策略所有阈值都是根據上海地區真實交通工況下駕駛員的行為特征設定，對于開發兼容我國特殊的交通工況的AEB避撞策略具有指導意義。

但是，本文中隻是通過仿真驗證了AEB系統的避撞性能，并沒有對提示性預警和碰撞預警的效果和用戶接受度進行驗證。後續的研究将采用主觀評價實驗驗證所開發的預警策略的介入時刻和人機交互界面。同時，還計劃采用駕駛模拟器或實車實驗對本文所研究的AEB算法進行驗證。

原因分析

概述

列車在正線運營過程中，車輛系統和信号系統都有安全保護的節點電路串聯在列車的緊急制動環線上，一旦緊急制動環線失電，列車就會失去牽引力，并施加緊急制動，直到列車停穩。深圳地鐵1号線運營開通以來，列車在正線一直存在列車出站剛動車時發生緊急制動的現象，回庫檢查信号ATP系統有故障代碼140帶識别碼3（以下簡稱“緊制140-3”）和故障代碼為140（以下簡稱“緊制140”）兩種。此類故障的發生給正線列車運營服務帶來了嚴重的影響。同時，其最終結果都反應在車輛緊急制動環線失電上，車輛與信号的接口界限比較模糊，造成兩個系統的責任劃分不明确。

1車輛緊急制動電路原理與故障信息

當車輛緊急制動回路的繼電器02K01（43/44）、02K10（73/74）、02K09（33/34）、02A01-S11（自動折返時04K03（33/44））、04A06（ATP的K6，K7繼電器）、02K88（21/22）、02V05的接點或連接線斷開時，車輛産生緊急制動。車輛緊急制動回路的繼電器02K01、02K10、02K09、02A0-S11（自動折返時04K03）或觸點電路故障産生的緊急制動，車輛故障信息的環境變量中的常用制動（20312線）,快速制動（20314線）及緊急制動（20313線）均為“1”。記錄的是故障發生之前384ms至故障發生之後256ms的環境變量。車輛緊急制動回路的繼電器04A06（ATP的K6，K7繼電器）、02K88、02V05或觸點電路故障産生的緊急制動，車輛故障信息的環境變量中的常用制動（20313線）、快速制動（20314線）為“0”，緊急制動（20312線）為“1”。記錄的是故障發生之前384ms至故障發生之後256ms的環境變量。因此，若代碼140-3緊急制動發生後，車輛故障數

據記錄中緊急制動、快速制動、常用制動同時為“1”，可以判斷為車輛設備造成的緊急制動。若車輛故障數據記錄中隻有緊急制動為“1”，而快速制動和常用制動為“0”，則車輛設備和信号設備都有可能是造成緊急制動的原因。

2代碼故障統計分析

通過對2007年至2009年代碼140/140-3故障的統計和分析，筆者發現：

1）代碼140/140-3故障與列車、具體的時間段沒有特定關系。

2）代碼140/140-3故障集中發生在列車低速運行時，多發生于出站時，除羅湖站外各站沒有集中分布。

3）代碼140-3故障發生時，車輛故障信息的環境變量中隻有緊急制動，沒有常用制動和快速制動，故障原因不在車輛系統。

4）代碼140/140-3故障（或低速時不明原因的緊急制動）除URM（無ATP保護的人工駕駛）模式外，其它模式均有發生，以ATO模式最多。故障由信号系統觸發的可能性最大。

5）緊制140-3必須重啟ATP，運行2個軌道信号後能收到速度碼；緊急140無需重啟ATP，運行2個軌道信号後可以收到速度碼。

6）根據代碼140/140-3緊急制動故障的以上特征和相關記錄，可知此類故障在以下情況容易發生：列車二次對标（低速）；折返站列車剛啟動；出庫列車剛啟動。

3代碼緊急制動信号定義

根據以上統計分析和試車線的模拟情況，并與信号供貨商核實後，對代碼140/140-3緊急制動信号進行了以下定義：

1）緊制140-3定義：ATP監測車輛緊急制動回路線20312線的電壓信号，信号系統内部分兩路電路進行判斷，當緊急制動回讀的兩路信号不一緻或在一個采集周期内監測到緊急制動電路電壓跳變，車載ATP計算機将認為車輛制動故障，并記錄代碼“3”；當列車啟動時，車載ATP觸發代碼“140”的緊急制動，通常稱為“140帶3”緊制。

2）緊制140定義：ATP監測車輛緊急制動回路線20312線的電壓信号，當兩路電壓信号同時沒有緊急制動回讀信号時，ATP記錄緊急制動故障信息，同時，ATP通過04A06（ATP的K6，K7繼電器）斷開車輛緊急回路。

4緊急制動的電路改進

為了理清代碼140-3緊急制動故障車輛部門與信号部門的接口責任，對車輛緊急制動原理圖中的線路進行了改進。02K88和其下方的二極管在電路中移到K6X2/6上面，在電路中把車輛和信号的觸點完全分開，把監控點X113-325和X113-318移到K6、K7觸點的上方位置，如果是因車輛原因發生的緊急制動，即K6X2/6上面的電路出現斷開，列車發生緊急制動後，信号監控到此斷開後，信号也會跟随觸發緊急制動；如果是因信号原因觸發的緊急制動，即K6和K7觸點出現斷開，此時列車發生緊急制動，但信号沒有監控到這個斷開，這樣的緊急制動是不需要信号緩解的，信号HMI上也不會有緊急制動圖标顯示。