錢宇彬 張進(jìn)杰 常飛, 李威

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600；2.司法鑒定科學(xué)研究院，上海 200063）

主題詞：AEB系統(tǒng) 事故避免率 汽車-電動(dòng)兩輪車碰撞事故

1 前言

電動(dòng)兩輪車騎車人作為弱勢(shì)道路使用者，在汽車安全領(lǐng)域被視為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China-New Car Assessment Programme，C-NCAP）等車輛安全評(píng)價(jià)規(guī)則都已將汽車主動(dòng)安全納入評(píng)分體系，車輛對(duì)弱勢(shì)道路使用者的保護(hù)方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也在逐步完善。

自動(dòng)緊急制動(dòng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）系統(tǒng)是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assis?tance Systems，ADAS）的重要組成部分，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了大量的研究。日本學(xué)者根據(jù)其國(guó)內(nèi)交通數(shù)據(jù)，為主動(dòng)避撞系統(tǒng)定義評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)有避撞功能的AEB 系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。國(guó)內(nèi)對(duì)AEB 系統(tǒng)的研究起步較晚。江麗君等人對(duì)行車記錄儀視頻進(jìn)行歸納分析，建立了符合我國(guó)實(shí)際交通情況的AEB 測(cè)試場(chǎng)景；劉穎等以人車事故樣本為基礎(chǔ)，用聚類分析的方法，歸納出5 類AEB 系統(tǒng)行人危險(xiǎn)測(cè)試場(chǎng)景。C-NCAP 自2018 年起將AEB 系統(tǒng)納入評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，但僅限于車對(duì)車以及車對(duì)行人的AEB 系統(tǒng)，直到2020 年才將汽車對(duì)兩輪車的AEB系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)納入體系。

綜上，目前針對(duì)涉及電動(dòng)兩輪車的AEB 測(cè)試場(chǎng)景和控制策略的研究較少，本文依據(jù)國(guó)家車輛事故深度調(diào)查體系（National Automobile Accident In-Depth Investi?gation System，NAIS）松江站點(diǎn)真實(shí)交通事故數(shù)據(jù)，分析汽車與電動(dòng)兩輪車碰撞事故特征，結(jié)合汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（Event Data Recorder，EDR）中的數(shù)據(jù)和視頻信息，應(yīng)用PC-Crash 進(jìn)行事故重建，建立碰撞測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，并確定AEB系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)前方電動(dòng)兩輪車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立安全距離模型，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)AEB 系統(tǒng)控制策略。

2 汽車-電動(dòng)兩輪車事故特征分析

本文所選取的86 起事故數(shù)據(jù)均來(lái)自NAIS 松江站點(diǎn)近6年的事故數(shù)據(jù)，案例信息主要包括事故現(xiàn)場(chǎng)車輛信息、道路信息以及騎車人傷亡信息等。

2.1 相對(duì)碰撞位置特征

通過(guò)對(duì)所篩選的86 起事故案例進(jìn)行特征分析，在兩車的碰撞事故中，按汽車車身碰撞區(qū)域劃分，電動(dòng)兩輪車與汽車前部碰撞的案例有51起（占比59.3%），與汽車右側(cè)碰撞的案例有21起（占比24.4%），與汽車左側(cè)碰撞的案例有14起（占比16.3%）。

2.2 碰撞時(shí)速度分布特征

研究表明，在涉及電動(dòng)兩輪車的交通事故中，騎車人頭部的損傷程度與碰撞時(shí)汽車的速度密切相關(guān)；據(jù)分析，當(dāng)碰撞車速達(dá)到50 km/h時(shí)，騎車人的頭部損傷簡(jiǎn)明定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（Abbreviated Injury Scale，AIS）將達(dá)到3。分析所選取的事故案例樣本信息，得到兩車碰撞時(shí)的速度分布特征，如圖1和圖2所示。

圖1 汽車車速分布

圖2 電動(dòng)兩輪車車速分布

由圖1 和圖2 可得：在所篩選的事故案例中，碰撞事故發(fā)生時(shí)，汽車的速度主要集中在30～45 km/h，電動(dòng)兩輪車的速度主要集中在15～25 km/h，這也與松江地區(qū)的道路工況基本吻合。值得關(guān)注的是，個(gè)別案例中電動(dòng)兩輪車的速度接近40 km/h，存在極大的安全隱患。

3 仿真工況及參數(shù)設(shè)置

以前方電動(dòng)兩輪車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為基礎(chǔ)，并參考2020年版C-NCAP 中關(guān)于AEB 系統(tǒng)性能測(cè)試場(chǎng)景的要求，本文將AEB 系統(tǒng)-電動(dòng)兩輪車的測(cè)試場(chǎng)景分為4 種，即接近前方靜止車輛、勻速車輛、制動(dòng)車輛和橫穿車輛。具體仿真工況如表1所示，其中“本車”和“目標(biāo)車”分別指汽車和電動(dòng)兩輪車。

表1 仿真工況

3.1 場(chǎng)景設(shè)置

在PreScan 軟件中，運(yùn)用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）模塊中的場(chǎng)景搭建功能對(duì)汽車與電動(dòng)兩輪車典型事故場(chǎng)景進(jìn)行搭建。首先根據(jù)本地區(qū)交通路況，建立一條符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化道路，道路長(zhǎng)度為400 m，雙向兩車道。此外，路面附著系數(shù)設(shè)置為0.8，天氣和光照條件默認(rèn)為良好。

仿真車型選擇較為常見(jiàn)的奧迪，將CarSim 中建好的車輛動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入PreScan，選擇軟件自帶的兩輪車模型，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)際情況進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

3.2 傳感器設(shè)置

通過(guò)對(duì)碰撞事故發(fā)生前死亡、重傷以及輕傷事故案例中電動(dòng)兩輪車被探測(cè)到的概率確定最佳的探測(cè)距離和探測(cè)角度，傳感器參數(shù)設(shè)置如圖3 所示，選取120°為最佳探測(cè)角，45 m為最佳探測(cè)距離，且選取毫米波雷達(dá)作為車輛傳感器（也有車輛中的傳感器是毫米波雷達(dá)和攝像頭的組合），基本符合實(shí)際車輛中AEB系統(tǒng)的需求。

圖3 傳感器參數(shù)設(shè)置

目前，AEB系統(tǒng)危險(xiǎn)狀態(tài)的判定方法主要包括時(shí)間判斷方法和距離判斷方法。本文選用的是距離判斷方法，設(shè)定危險(xiǎn)系數(shù)為：

式中，為本車與目標(biāo)車的相對(duì)距離；為全力制動(dòng)安全距離；為部分制動(dòng)安全距離。

當(dāng)>1時(shí)，即>時(shí)，車輛處于安全狀態(tài)；當(dāng)0<<1時(shí)，即>>時(shí)，本車與目標(biāo)車有碰撞的可能性，若駕駛員未采取制動(dòng)措施，則AEB 系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)部分制動(dòng)功能；當(dāng)<0 時(shí)，即>時(shí)，本車狀態(tài)很危險(xiǎn)，需要緊急全力制動(dòng)快速介入，才能降低或避免碰撞事故的發(fā)生。

本文根據(jù)目標(biāo)車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立全力制動(dòng)和部分制動(dòng)安全距離模型，采用分級(jí)制動(dòng)策略，當(dāng)0<<1 時(shí)，控制策略輸出-4 m/s的部分制動(dòng)加速度，當(dāng)<0 時(shí)，輸出-8 m/s的全力制動(dòng)加速度，最后利用模糊PID 控制策略對(duì)AEB 系統(tǒng)進(jìn)行分層控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛期望加速度的精準(zhǔn)跟隨。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 接近前方靜止車輛

工況1：本車從原點(diǎn)出發(fā)，仿真時(shí)長(zhǎng)為15 s，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況1仿真結(jié)果

由圖4可知：在第4.4 s時(shí)，本車AEB系統(tǒng)檢測(cè)到有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，向車輛輸入-4 m/s的部分制動(dòng)加速度，此時(shí)本車速度下降；在第5.5 s時(shí)，隨著兩車實(shí)時(shí)距離減小，碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動(dòng)加速度；繼續(xù)行駛0.6 s后，車輛停止，兩車最終相對(duì)距離為3.01 m。

工況2：本車從原點(diǎn)出發(fā)，仿真時(shí)長(zhǎng)為15 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況2仿真結(jié)果

由圖5 可知：在第3.5 s 時(shí)，本車的AEB 系統(tǒng)檢測(cè)到有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，向車輛輸入-4 m/s的部分制動(dòng)加速度，此時(shí)本車速度減??；在第5.31 s 時(shí)，碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動(dòng)加速度；繼續(xù)行駛1.18 s后，車輛停止，兩車最終相對(duì)距離為2.55 m。

4.2 接近前方勻速車輛

工況3：本車從原點(diǎn)出發(fā)，仿真時(shí)長(zhǎng)為15 s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況3仿真結(jié)果

由圖6 可知：在第7.6 s 時(shí)，本車的AEB 系統(tǒng)檢測(cè)到有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，向車輛輸入-4 m/s的部分制動(dòng)加速度，此時(shí)本車速度減小，碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升；在第9.91 s 時(shí)，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動(dòng)加速度；行駛至第10.6 s時(shí)，本車最終停止，此時(shí)兩車間距離為2.17 m。

4.3 接近前方制動(dòng)車輛

工況4：本車從原點(diǎn)出發(fā)，仿真時(shí)長(zhǎng)為15 s，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 工況4仿真結(jié)果

由圖7可知：在第2.49 s時(shí)，AEB系統(tǒng)檢測(cè)到有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，向車輛輸入-4 m/s的部分制動(dòng)加速度；在第2.78 s時(shí)，碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升，電動(dòng)兩輪車停止運(yùn)動(dòng)而自車?yán)^續(xù)減速行駛；在第3.5 s 時(shí)，碰撞危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)一步提升，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動(dòng)加速度，車輛快速制動(dòng)；繼續(xù)行駛1.58 s后，本車停止運(yùn)動(dòng)，兩車速度均為零，最終相距1.45 m。

4.4 接近前方橫穿車輛

工況5：本車從原點(diǎn)出發(fā)，仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：在第3.29 s時(shí)，AEB系統(tǒng)檢測(cè)到前方有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，向車輛輸入-4 m/s的部分制動(dòng)加速度；隨著本車?yán)^續(xù)向前行駛，兩車的縱向距離縮短，碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升，在第4.82 s 時(shí)，AEB 系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動(dòng)加速度；繼續(xù)行駛0.8 s 后，本車停止運(yùn)動(dòng)，兩車最終的縱向相對(duì)距離為1.8 m。

圖8 工況5仿真結(jié)果

4.5 仿真結(jié)果分析

綜合前文的仿真方法，對(duì)碰撞測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)中86 起事故案例進(jìn)行仿真，實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比如表2所示。其中：為汽車初始速度；為電動(dòng)兩輪車初始速度；為事故的實(shí)際碰撞速度；為AEB系統(tǒng)介入后的碰撞速度仿真結(jié)果；為兩車停止時(shí)的最終距離仿真結(jié)果。

表2 實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)各種工況的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示，由表3可知，在車輛配備AEB系統(tǒng)條件下，85%以上的碰撞事故可以避免。

表3 典型工況下AEB系統(tǒng)事故避免率仿真結(jié)果 %

此外，當(dāng)車輛速度過(guò)大時(shí)，碰撞事故無(wú)法避免，但碰撞時(shí)的車輛速度會(huì)降低。通過(guò)將仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，配備AEB 系統(tǒng)后，汽車的平均碰撞速度由29.3 km/h 下降到13.2 km/h，速度降低了51.5%，提高了對(duì)騎車人的安全保護(hù)水平。有、無(wú)AEB 系統(tǒng)條件下汽車碰撞速度累積分布如圖9 所示，由圖9 可以看出，在配備AEB 系統(tǒng)的條件下，超過(guò)80%的事故中汽車的碰撞速度不會(huì)超過(guò)21 km/h，驗(yàn)證了AEB 系統(tǒng)的有效性。

圖9 汽車碰撞速度累積分布

5 結(jié)束語(yǔ)

本文參照C-NCAP 中AEB 系統(tǒng)兩輪車測(cè)試場(chǎng)景，確定仿真工況，分別對(duì)5 種工況案例進(jìn)行仿真，得出以下結(jié)論：

a.在車輛配備AEB系統(tǒng)的條件下，事故避免率達(dá)到了85%以上。

b.在碰撞無(wú)法避免的事故中，汽車的平均碰撞速度由29.3 km/h下降到13.2 km/h，降低了51.5%。

本文在確定電動(dòng)兩輪車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，只分析了兩車同向行駛以及電動(dòng)兩輪車橫穿車輛行駛路徑這2 種類型的工況，其他復(fù)雜的工況如轉(zhuǎn)彎、倒車等，還需要進(jìn)一步研究。