狄恩倉

(中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，鄭州450044)

汽車一體化安全技術(shù)研究

狄恩倉

(中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，鄭州450044)

汽車一體化安全技術(shù)在汽車主動安全技術(shù)與被動安全技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了基于ITS (智能交通系統(tǒng))技術(shù)的智能化駕駛輔助系統(tǒng)和預(yù)碰撞安全技術(shù)。該技術(shù)能夠使主、被動安全高效發(fā)揮作用，目前已經(jīng)成為汽車安全領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，也是今后汽車安全技術(shù)的發(fā)展趨勢。

一體化安全;駕駛輔助系統(tǒng);預(yù)碰撞安全;主動安全;被動安全

2012年中國汽車產(chǎn)銷分別為1927萬輛和1930萬輛，雙雙超過1900萬輛，再次蟬聯(lián)全球第一。汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，我國的汽車的保有量逐年快速增加，目前已經(jīng)突破1.2億輛。但是隨之而來的是汽車所帶來的社會問題，尤其是不斷增加的交通事故，成為整個社會和家庭難以承受之痛。為了減少交通事故的發(fā)生，減輕交通事故帶給人們的傷害，汽車安全技術(shù)的研究越來越受到國家和汽車制造企業(yè)的重視。

1.汽車一體化安全技術(shù)

傳統(tǒng)汽車安全技術(shù)分為主動安全技術(shù)和被動安全技術(shù)。主動安全技術(shù)是指汽車主動避免交通危險發(fā)生的能力，其代表技術(shù)有ABS汽車防抱死系統(tǒng)、EBD制動力分配系統(tǒng)和ESP車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)等;被動安全技術(shù)是當(dāng)事故發(fā)生時車輛保護(hù)車內(nèi)乘員的能力，代表技術(shù)有可潰縮轉(zhuǎn)向柱、安全氣囊系統(tǒng)等。但是，主、被動安全技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們對于汽車安全的需求，隨著電子技術(shù)和智能化技術(shù)在汽車安全領(lǐng)域上的不斷應(yīng)用，汽車安全技術(shù)研究步入了新的階段，即汽車一體化安全技術(shù)。汽車一體化安全技術(shù)融合了主動安全技術(shù)與被動安全技術(shù)，增加了以ITS(智能交通系統(tǒng))技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化駕駛輔助系統(tǒng)以及預(yù)碰撞安全技術(shù)。［1］例如博世公司的“整合式主被動安全系統(tǒng)”(CAPS)即是基于主動安全(穩(wěn)定車輛、制動功能、車輛動態(tài))、駕駛員輔助(基于雷達(dá)和視頻的系統(tǒng))、被動安全(探測和傳感、乘員和行人保護(hù))以及車輛通訊(導(dǎo)航系統(tǒng)、可視化、車輛與外界通訊)四大系統(tǒng)于一身的一體化安全技術(shù)。一體化安全概念中，在碰撞事故發(fā)生前、中、后三個時間點(diǎn)上，汽車安全性體現(xiàn)出的作用是不同的。［2］如圖1所示，與我們傳統(tǒng)的劃分方式不同，主動安全與被動安全沒有劃分嚴(yán)格的界限，這也就是說主動安全和被動安全存在著交集，這個交集正是汽車預(yù)碰撞技術(shù)研究的對象。汽車預(yù)碰撞研究的就是在事故發(fā)生的瞬間過程，汽車預(yù)警系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和駕駛員輔助系統(tǒng)等系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮作用，從而使事故損失達(dá)到最小。汽車一體化安全技術(shù)能夠充分利用智能化技術(shù)，完全發(fā)揮主動安全技術(shù)和被動安全技術(shù)的效能，從而使車輛的安全性滿足人們的要求，也就是盡可能降低事故的發(fā)生率，達(dá)到盡可能減少事故造成人員傷亡和財(cái)物損失。

2.汽車一體化安全系統(tǒng)的構(gòu)成

汽車一體化安全系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)，如圖2所示，分別是傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。

傳感器系統(tǒng)利用雷達(dá)、超聲波、激光和攝像頭等探測裝置和C2C/C2I(車與車/車與交通設(shè)施)通信裝置，對車輛行駛環(huán)境和駕駛員狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測?？刂葡到y(tǒng)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，用內(nèi)置的控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，通過信息對比判斷是否有潛在的危險因素或者是否已處于危險狀態(tài)。執(zhí)行系統(tǒng)是執(zhí)行控制系統(tǒng)根據(jù)車輛狀態(tài)做出的動作指令，對車輛進(jìn)行輔助駕駛、動力學(xué)控制和碰撞保護(hù)等3個方面的干預(yù)。輔助駕駛系統(tǒng)能夠輔助駕駛員對車輛進(jìn)行控制，減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，更好的達(dá)到安全駕駛的目的，常見的輔助駕駛裝置有動態(tài)車燈輔助系統(tǒng)、自動巡航系統(tǒng)等。車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)屬于主動安全技術(shù)，它在汽車處于危險狀況的時候，主動起作用對危險進(jìn)行避讓，例如:ABS(車輛制動防抱死系統(tǒng))以及ESP(車身電子穩(wěn)定系統(tǒng))等。需要注意的是，雖然車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)能夠有效地減少車輛發(fā)生事故的概率，但是它們都是有一定的承受極限的，超出了他們的承受極限，危險還是會發(fā)生，所以駕駛員本身的安全駕駛意識是最重要的。碰撞保護(hù)系統(tǒng)在車輛發(fā)生碰撞時或者碰撞之前，通過被動措施或者主動措施減輕碰撞所造成的人員傷害。［4］

圖1 汽車一體化安全技術(shù)功能圖

圖2 一體化安全系統(tǒng)構(gòu)架

3.智能化駕駛輔助系統(tǒng)

智能化駕駛輔助系統(tǒng)是指在駕駛員遇到緊急情況時，通過對汽車有針對性的技術(shù)干預(yù)，為駕駛員掌控車輛提供主動支持。它包括視頻性質(zhì)的輔助系統(tǒng)(動態(tài)車燈輔助系統(tǒng)(DLA)、車速限制識別系統(tǒng)、車道偏離報(bào)警系統(tǒng)和紅外線攝像技術(shù)支持的夜視系統(tǒng)等)、雷達(dá)支持的功能(車距自動補(bǔ)償－自動速度儀、安全預(yù)警系統(tǒng)和視覺死角監(jiān)控系統(tǒng))以及駕駛員注意力輔助系統(tǒng)。下面介紹幾種駕駛員輔助系統(tǒng)。

3.1 動態(tài)車燈輔助系統(tǒng)(DLA)

動態(tài)車燈輔助系統(tǒng)(DLA)是車燈輔助系統(tǒng)的后續(xù)研發(fā)產(chǎn)品，能夠在其系統(tǒng)極限內(nèi)將其他交通參與者發(fā)生眩目的情況降至最低，甚至是完全消除這種情況。該系統(tǒng)能夠識別出其他的交通參與者以及他們與本車的距離，并有針對性地遮住大燈照射范圍。如果無法避免其他的交通參與者發(fā)生眩目情況，燈光分布會被自動調(diào)為近光燈模式。按照這種方式，通常的近光燈的照射距離也可以從65m提高到300m，從而彌補(bǔ)了近光燈與遠(yuǎn)光燈之間的空白。尤其是在交通繁忙的夜間公路上，這一系統(tǒng)將會給人們提供更好的道路照明。

圖3 DLA系統(tǒng)在同向行車道前方有近距離車輛的照明情況

3.2 車道偏離報(bào)警和車速限制識別系統(tǒng)

車道偏離報(bào)警和車速限制識別系統(tǒng)這兩種系統(tǒng)，目前配備的車輛尚不算太多，只在一些高級車輛上有應(yīng)用。在車速限制識別系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)攝像數(shù)據(jù)提供的路邊限速標(biāo)志圖像，檢測樹立在路邊的所有圓形標(biāo)牌，對不是圓形的標(biāo)牌圖像進(jìn)行過濾，然后對過濾后的圖像數(shù)據(jù)與保存的限速標(biāo)志圖像進(jìn)行對比，只留下帶有車速限制的交通標(biāo)志，接著輔助系統(tǒng)馬上把車速限制的圖像顯示出來以提醒駕駛員。顯示的時間長短根據(jù)限速標(biāo)志的有效區(qū)間而定。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電子地圖上，對各個居民點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)檢測到進(jìn)入某一居民點(diǎn)后，即使沒有明顯的限速標(biāo)志，系統(tǒng)也會自動地顯示出允許的車速，如50 km/h。

車道偏離報(bào)警系統(tǒng)對行駛時使車輛保持車道提供支持，它借助一個攝像頭用來識別行駛車道的標(biāo)志線。車載計(jì)算機(jī)即時監(jiān)控車輛的位置，并判斷車輛是否會偏離車道。如果計(jì)算機(jī)監(jiān)控到車輛接近識別到的標(biāo)記線并有脫離行駛車道的可能，那么系統(tǒng)會通過方向盤的振動提請駕駛員注意安全。如果車道偏離報(bào)警系統(tǒng)能正常識別到本車道兩側(cè)的標(biāo)記線，那么系統(tǒng)默認(rèn)安全處于待命狀態(tài)，并通過組合儀表盤中的綠色指示燈顯示。系統(tǒng)處于待命狀態(tài)時，如果駕駛員在躍過道路標(biāo)記線前打了轉(zhuǎn)向燈，那么系統(tǒng)就不會發(fā)出警告。因?yàn)檐嚨榔x報(bào)警系統(tǒng)接受駕駛員有目的的換道。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條件是汽車行駛在高速公路和條件良好的鄉(xiāng)間公路上，因此它在車速高于約65 km/h后才開始工作。

3.3 安全預(yù)警技術(shù)

如圖4所示，安全預(yù)警技術(shù)通過超聲波、視覺及雷達(dá)等傳感器探測道路環(huán)境信息，通過分析各類信息對駕駛員進(jìn)行提醒及預(yù)警，進(jìn)而減少事故的發(fā)生。［3］該技術(shù)所采取的措施是通過視覺傳感器采集駕駛員的狀態(tài)，比如采集駕駛員眼睛眨動的次數(shù)和瞳孔的發(fā)散度等，通過對比駕駛員正常駕駛狀態(tài)數(shù)據(jù)判定駕駛員是否處于瞌睡狀態(tài)，進(jìn)而決定是否進(jìn)行瞌睡預(yù)警提醒;也有的汽車廠商是通過傳感器檢測駕駛員操縱方向盤的頻率變化，從而判定駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)的。智能泊車輔助系統(tǒng)用車身外部超聲波雷達(dá)和視覺傳感器，自動調(diào)整轉(zhuǎn)向，使車身自動泊車。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，以單目視覺傳感器為基礎(chǔ)的安全預(yù)警系統(tǒng)將越來越多的的應(yīng)用于車輛上，而與其它傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合將進(jìn)一步提高安全預(yù)警技術(shù)的魯棒性和安全性。

圖4 安全預(yù)警技術(shù)

3.4 駕駛員注意力輔助系統(tǒng)

駕駛員注意力輔助系統(tǒng)的作用是探測駕駛員從清醒到昏昏欲睡，也就是從能集中注意力到完全喪失注意力這樣一個漸變的過程，并在駕駛員變得疲勞之時進(jìn)行提醒。研究表明，在駕駛員連續(xù)駕駛4個小時后，駕駛員操縱汽車的反應(yīng)時間就比平時要多50%。而較長的反應(yīng)時間所帶來的事故隱患就會翻倍。如果連續(xù)駕駛6個小時候后，事故隱患就會比平時增加8倍以上。這種情況在夜間或是長途駕駛的環(huán)境中會更加嚴(yán)重。目前，疲勞駕駛是除了爆胎事故之外的頭號殺手，有許多司機(jī)在高速公路上疲勞駕駛而導(dǎo)致了車禍的發(fā)生。注意力輔助系統(tǒng)預(yù)先生成一個駕駛員正常駕駛時的形象，將該形象數(shù)據(jù)相應(yīng)地與駕駛過程中的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，這對駕駛行為的觀察可起到極為有效的作用。過度疲勞的駕駛員難以保持當(dāng)前行駛路線，因此會出現(xiàn)一些在正常駕駛過程中不會出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向錯誤。注意力警示輔助系統(tǒng)能夠記錄汽車在道路上的行駛情況，并向注意力分散甚至是處于疲勞駕駛狀態(tài)的駕駛員發(fā)出警示，從而避免或減少疲勞駕駛所引發(fā)的事故。

對于其他非疲勞駕駛所產(chǎn)生的注意力分散情況，這套系統(tǒng)也會及時地發(fā)出警報(bào)。比如系統(tǒng)監(jiān)測出駕駛員把太多的注意力集中在查看導(dǎo)航系統(tǒng)、欣賞音樂或者沉浸在與孩子的談話中，就會在駕駛員失去對車輛的控制之前及時發(fā)出警告。

4.預(yù)碰撞安全技術(shù)

作為汽車一體化安全的主要組成部分，預(yù)碰撞安全技術(shù)在減輕碰撞強(qiáng)度和乘員傷害程度方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。［5］隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，預(yù)碰撞安全技術(shù)近幾年發(fā)展迅猛，成為汽車安全領(lǐng)域的新興事物。預(yù)碰撞安全系統(tǒng)原理是系統(tǒng)能夠感知到車輛發(fā)生碰撞的前一刻，并及時的通過執(zhí)行系統(tǒng)對車輛狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，為駕駛員提供最大程度的保護(hù)。預(yù)碰撞安全技術(shù)和主動安全技術(shù)看起來比較相似，其實(shí)則不盡相同，預(yù)碰撞安全系統(tǒng)被激活的前提是碰撞不可避免，而主動安全技術(shù)是主動避免碰撞的發(fā)生。另外，預(yù)碰撞安全系統(tǒng)不是一個獨(dú)立的裝置，而是眾多主動和被動安全系統(tǒng)的集合，必要情況下ESP、座椅角度調(diào)整和安全帶預(yù)緊都會被整合進(jìn)來。［5］

奔馳汽車公司是最早進(jìn)行安全研究的汽車公司之一，因此在預(yù)碰撞安全系統(tǒng)方面也頗有建樹。目前著名的pre－safe預(yù)安全防護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)普及到C級、E級和S級上。pro－safe預(yù)防性安全系統(tǒng)最早應(yīng)用在2003款奔馳S級上，它通過ESP監(jiān)測車輛轉(zhuǎn)向角度、橫向加速度和剎車力度等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)檢測到駕駛員在采取規(guī)避危險動作時，pro－safe就能預(yù)先收緊安全帶，并自動調(diào)節(jié)座椅角度保護(hù)駕駛員。微波探測器檢測到即將發(fā)生碰撞時，剎車輔助系統(tǒng)可以自動施加最大0.4G的減速度，同時車窗自動關(guān)閉。［7］

沃爾沃汽車一向以安全著稱，對預(yù)碰撞安全系統(tǒng)的研究成果也很顯著。沃爾沃汽車的預(yù)碰撞安全系統(tǒng)稱為CWAB，翻譯成中文為“碰撞警告和自動制動系統(tǒng)”。這套系統(tǒng)最早運(yùn)用在2006年的沃爾沃S80轎車上，當(dāng)時這套系統(tǒng)被稱作“Collision Warning with Brake Support”，并不帶自動制動的功能。它的工作原理是系統(tǒng)不間斷的監(jiān)控車輛的行駛狀態(tài)和周邊環(huán)境，當(dāng)感知到即將發(fā)生碰撞而駕駛員沒有做出制動反應(yīng)時，系統(tǒng)會對駕駛員進(jìn)行提醒，但系統(tǒng)本身不會對車輛進(jìn)行制動，它只是促動剎車摩擦片接近制動盤，盡可能的減少制動系統(tǒng)發(fā)揮作用所需時間。2007年沃爾沃汽車公司對這套系統(tǒng)進(jìn)行了升級，成為現(xiàn)在所說的“Collision Warning with Brake Assist”按理說應(yīng)縮寫成“CWBA”，但沃爾沃官方縮寫為“CWAB”。新的系統(tǒng)增加了自動剎車的功能，這項(xiàng)功能能夠在系統(tǒng)監(jiān)測到碰撞即將發(fā)生，而駕駛員對碰撞提醒毫無反應(yīng)時，自動采取制動措施，這樣就可以使碰撞速度盡量減小，從而最大可能的對駕駛員和車輛起到保護(hù)作用。

5.結(jié)論

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車在人們生活中扮演著越來越重要的角色，汽車安全也越來越受到人們的重視。汽車一體化安全技術(shù)在汽車主動安全技術(shù)與被動安全技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了基于ITS(智能交通系統(tǒng))技術(shù)的智能化駕駛輔助系統(tǒng)和預(yù)碰撞安全技術(shù)，它能夠有效的降低交通事故的發(fā)生率，保護(hù)交通參與者的生命和財(cái)產(chǎn)安全，汽車一體化安全技術(shù)研究必將越來越受到國家和汽車制造企業(yè)的重視。

［1］鐘志華，張維剛，曹立波.汽車碰撞安全技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］韓鐳.中國汽車安全技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.技術(shù)與應(yīng)用，2011(10):16－17.

［3］王群山，苗強(qiáng)，等.汽車一體化安全與行人保護(hù)研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2):36－40.

［4］Martijn Tideman Simulation tools for integrated safety design［R］.MOSCOW:TASS，2009.

［5］李克強(qiáng).汽車智能安全電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2011(3):4－18.

［6］馮振輝.豪華轎車有多安全［J］.輕型汽車技術(shù)，2006 (4):34－35.

(責(zé)任編輯 趙冰)

Research on Automotive Integrated Safety Technology

DI En－cang
(College of Engineering Technology，Zhongzhou University，Zhengzhou 450044，China)

The automotive integrated safety technology combines active safety technologies with passive safety.It increases the intelligent driver assistance systems based on ITS(intelligent transportation system)and pre－crash safety technology.The automotive integrated safety technology can give full play to the best utility of active and passive safety.And have become new hot spots of research in the field of automobile security and development trend in future.

automotive integrated safety;driver assistance systems;pre－crash safety;active safety;passive safety

U461.91

A

1008－3715(2014)01－0125－04

2013－09－14

河南省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(8220134102);河南省鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(083STRF40345－5)

狄恩倉(1981—)，男，河南封丘人，碩士，中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)槠嚢踩?、汽車檢測技術(shù)。