IEEE會員：汽車安全集成勢不可擋

——IEEE會員、IEEE智能交通系統(tǒng)(ITS)協(xié)會會員
       喬治華盛頓大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授

過去20年中，得益于廠商在汽車安全領(lǐng)域激烈而良性的競爭，汽車的安全性能已獲得大幅提高。汽車安全評級以及評級如何達(dá)到或超越國家或國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為汽車廠商的一個營銷工具。創(chuàng)新和先進(jìn)的技術(shù)成為了一系列安全系統(tǒng)的核心。根據(jù)歷史交通安全數(shù)據(jù)顯示，近年來被動和主動安全系統(tǒng)先后被開發(fā)和完善，對交通傷亡事故的減少起到了積極的作用。
                 
                 圖 ACC

盡管目前汽車安全已獲得大大提升，它仍然是個尚待進(jìn)一步完善的重要挑戰(zhàn)。2007年的交通數(shù)據(jù)顯示，全美有4.1萬起死亡事故和超過240萬起受傷事故都是機動車碰撞所致。安全帶、結(jié)構(gòu)性擠壓帶和安全氣囊等被動安全系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車設(shè)計的硬性要求和必要的組成部分。開發(fā)這些系統(tǒng)的目的是為了緩沖乘客在碰撞或突然剎車時所承受的撞擊力（即接觸壓力、擠壓力和加速度）。而工程學(xué)中專門研究這類技術(shù)的分支學(xué)科一般被稱為“耐碰撞性能研究”。

用于保護(hù)乘客的耐碰撞性安全措施主要圍繞以下幾個主題：車體結(jié)構(gòu)設(shè)計理念（如汽車正面碰撞吸能裝置、車身鋼板硬度等）、先進(jìn)材料開發(fā)（如高強度/重量比材料、復(fù)合材料、增強型耐壓材料等），以及由材料、結(jié)構(gòu)和其他先進(jìn)元件（如安全帶、安全氣囊、折疊式轉(zhuǎn)向柱、側(cè)面撞擊保護(hù)等）所構(gòu)成的特定安全系統(tǒng)設(shè)計。

雖然耐碰撞性措施有助于提高汽車的安全性，但研究表明，多數(shù)撞車事故都是由駕駛員的失誤和違規(guī)操作造成的。導(dǎo)致這些情況的原因多種多樣，比如酒駕、注意力不集中、疲勞駕駛、缺乏對汽車的控制能力等。據(jù)美國交通部公路交通安全管理局（NHTSA）估計，美國每年近42%的交通死亡事故是由酒后或藥物作用下駕駛造成。這是美國最常見的刑事犯罪之一，每年有三分之一的美國人被牽涉到此類指控中，而平均每小時就有167人因此被捕。在美國，每39分鐘都會有一人因酒駕而死亡（肇事司機血液中的酒精濃度平均為 0.08），平均每天則有37人、每年超過1.6萬人因此而命喪輪下。

先進(jìn)的車輛控制技術(shù)、駕駛員輔助系統(tǒng)、碰撞預(yù)警系統(tǒng)和防碰撞系統(tǒng)都旨在減少駕駛員失誤和違規(guī)、提高汽車安全的有效主動措施。隨著計算性能的不斷提高，以及嵌入式系統(tǒng)、傳感器、自動控制和通信技術(shù)的出現(xiàn)，被稱為“主動”安全系統(tǒng)的汽車安全系統(tǒng)在過去10年里應(yīng)運而生并不斷完善。許多“主動安全”的概念最早于20世紀(jì)70年代初便在汽車和研發(fā)行業(yè)中誕生。到了90年代，隨著更廉價、更小型，以及更便攜的電子設(shè)備、傳感器和中央處理器的出現(xiàn)，這些概念獲得了重生。與作為響應(yīng)性防碰撞措施的被動安全系統(tǒng)不同，主動系統(tǒng)一般采取感測（利用攝像頭、雷達(dá)等）和驅(qū)動（即控制功能）來主動降低潛在的碰撞可能或風(fēng)險。這些系統(tǒng)旨在通過感測汽車、駕駛員以及周圍環(huán)境來預(yù)測可能出現(xiàn)的駕駛事故，并主動規(guī)避以防止危險事件的發(fā)生，或預(yù)先啟動安全系統(tǒng)以在碰撞的危急關(guān)頭減少乘客所受的傷害。基于主動概念，汽車設(shè)備制造商提供了各種不同的防碰撞和預(yù)警策略，為行車提供額外的安全性和舒適性。

市場上許多新型車輛都配備了主動安全系統(tǒng)，如ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)——從2012年起，美國所有車輛必須裝配這個系統(tǒng)）、ACC或ICC（自適應(yīng)巡航控制或智能巡航控制）。ESP會檢測汽車的牽引力、車體轉(zhuǎn)向角度和滑移條件，通過自動調(diào)節(jié)制動力的分布、干預(yù)從動輪的加速度（即選擇性制動或車輪驅(qū)動），使車輛保持穩(wěn)定，不偏離車道。ACC與常規(guī)巡航控制的工作原理很相似，但它能夠自動保持與前方車輛或障礙物的距離；多數(shù)ACC系統(tǒng)都會利用95%以上的制動力來停車，并通過啟動預(yù)警系統(tǒng)讓駕駛員作出最后停車指令。ACC可能通過雷達(dá)、近距或其他類型的傳感器來檢測遠(yuǎn)距和近距的障礙物，并執(zhí)行高級傳感器處理算法去便區(qū)分彎曲路段邊上的固定護(hù)欄與前方道路的車輛或故障物。
                        
                         圖 ESP

主動安全系統(tǒng)可以根據(jù)其與駕駛員的交互程度或?qū)︸{駛控制的干預(yù)來分類。例如，有些主動系統(tǒng)會自動啟動（如ESC電子穩(wěn)定系統(tǒng)），而另一些則是向駕駛員提供信息或發(fā)出警告，充當(dāng)著駕駛輔助系統(tǒng)的角色。詳細(xì)地說，自動控制功能，即與車輛動力學(xué)相關(guān)的控制功能，駕駛員可能感覺不到它們的存在——就像自動變速汽車自動為駕駛員執(zhí)行了手動擋汽車的換擋任務(wù)一樣。ESC是一種不需要駕駛員干預(yù)的自動穩(wěn)定控制系統(tǒng)。而信息提供功能，就是純粹的信息系統(tǒng)，它只向駕駛員提供有用的信息，從而提高駕駛員的態(tài)勢感知能力，比如天氣助手、結(jié)冰路面狀況等信息。處于二者之間的是各種干預(yù)程度不同的安全和舒適系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能警示駕駛員，提供糾正建議，或者進(jìn)行部分（譬如觸覺）控制（即如輔助制動）。例如，多家廠商最近推出的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)就能夠在汽車偏離車道時警告駕駛員。一般而言，安裝在后視鏡后方的攝像頭會掃描前方道路上的車道標(biāo)志，并由一個視覺信息處理單元判定汽車是否越線，且僅在駕駛員未通過轉(zhuǎn)向燈表現(xiàn)出換道意向時啟動采用蜂鳴聲或可視的警告系統(tǒng)。許多駕駛員輔助系統(tǒng)均為駕駛員提供信息和警告信號的方式，且可自由選擇是否啟用。

如以上各例所示，安全系統(tǒng)可以處于信息、警告、半自動控制，或全自動控制四個層面。每個層面在駕駛員和汽車之間的交互和干預(yù)類型是不同的：

作為汽車安全策略的一部分，各種被動和主動安全系統(tǒng)被自動集成起來，以增強安全性。例如，配備預(yù)緊裝置的安全帶，可以在汽車防碰撞雷達(dá)檢測到迫近碰撞情況時提前啟動，把車內(nèi)人員更牢固地系在座椅上，從而降低傷害風(fēng)險。但這只是安全集成策略眾多模式中一個簡單的例子。

圖 車與基礎(chǔ)設(shè)施的通信模型

從整體去看集成安全，傳感器可以提供額外的狀態(tài)監(jiān)控和態(tài)勢感知功能。安全算法基于傳感器所收集的數(shù)據(jù)，用各種確定性和隨機的方法進(jìn)行評價、評估、估算、感知和判斷。這些算法可以提供最優(yōu)化、最安全的糾正措施，類似于熟練駕駛員在緊急狀況下會做出的判斷。這些判斷可充當(dāng)智能副駕駛的角色，最后轉(zhuǎn)換成具體的車輛控制操作（如制動、轉(zhuǎn)向等）?；?干預(yù)/驅(qū)動的實際功能是安全系統(tǒng)設(shè)計的一部分。如上表所示（從信息層和警告層到完全控制層），其執(zhí)行層次可能不盡相同。

車輛間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信正推動著新一波的汽車安全技術(shù)革命。一些設(shè)備制造商已示范了其車輛通信技術(shù)。該技術(shù)可以向駕駛員發(fā)出路口碰撞警告，減少駕駛員因視覺盲點而導(dǎo)致的事故。目前，相關(guān)機構(gòu)正在評估DSRC（專用短程通信技術(shù)）和其他通信協(xié)議對于不同安全應(yīng)用的適用性。美國交通部在其智能駕駛計劃（IntelliDrive）的指導(dǎo)下，正在進(jìn)行現(xiàn)場操作試驗和協(xié)作研究，以推動未來的標(biāo)準(zhǔn)制定。許多其他集成安全系統(tǒng)也將不斷涌現(xiàn)：車道偏離控制、偏道警告和控制、輔助制動、盲點警告、路口碰撞警告、智能速度順應(yīng)系統(tǒng)、駕駛員困倦檢測和警告、違例駕駛員輔助等。這些技術(shù)有些已經(jīng)上市，有些還處于開發(fā)之中。

毫無疑問，先進(jìn)的集成安全系統(tǒng)已在原型車和實驗室環(huán)境下被證實其降低危險的效力，并將給用戶帶來實際利益。由于目前還沒有一個適用的統(tǒng)一性能標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了主動安全技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及。新車碰撞測試（NCAP）的典型試驗（美國交通部公路交通安全管理局NHTSA的新車評估計劃），雖然可以為汽車提供碰撞標(biāo)準(zhǔn)評級，但目前仍需要對這些新型的主動安全技術(shù)進(jìn)行評估。需要指出的是，為主動安全系統(tǒng)制定合適的標(biāo)準(zhǔn)是個非常復(fù)雜的問題，因為整體系統(tǒng)存在差異，制造商之間又缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而由于駕駛員交互系統(tǒng)本身也非常復(fù)雜，從而使得解決駕駛員的適應(yīng)問題難上加難。我們還需要更多的研究和評估，才能針對這些技術(shù)制定創(chuàng)新、有效的標(biāo)準(zhǔn)。

- 完 -

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