張東霞　徐巖　鐘玉靈

摘 要：利用影響輪胎工作條件的風(fēng)險(xiǎn)因素，設(shè)計(jì)了一套基于輪胎工作的汽車高速行駛安全預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)分析影響輪胎工作條件風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)行駛安全的影響力大小，建立了總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型，對(duì)汽車在高速行駛過(guò)程所遇到的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)估，為駕駛員提供預(yù)警，減少交通事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：輪胎 風(fēng)險(xiǎn) 汽車 行駛安全 預(yù)警

1前言

隨著汽車智能化、電動(dòng)化的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，全球汽車保有量持續(xù)增加，人們對(duì)車輛的行駛安全越來(lái)越重視。輪胎作為汽車行駛過(guò)程中直接與地面接觸的唯一部件，具有承載、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等功能，對(duì)汽車高速行駛的安全極其重要，因此如何提高輪胎的行駛安全性能對(duì)于汽車安全行駛具有重要的意義。

據(jù)此，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)生、研發(fā)人員對(duì)如何提高汽車輪胎的行駛安全性做了大量研究。例如周福強(qiáng)等人對(duì)輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)進(jìn)行分析研究，得出輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)與胎壓變化的相關(guān)特征，建立了間接式胎壓監(jiān)測(cè)算法，可根據(jù)單一車輛輪速信號(hào)進(jìn)行欠壓預(yù)報(bào)。山東大學(xué)的張彩明、劉坤鵬等人將工業(yè)石龜件設(shè)備與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的工業(yè)型控制系統(tǒng)應(yīng)用于輪胎生產(chǎn)流程中的質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)，以提高輪胎的生產(chǎn)質(zhì)量。東南大學(xué)的馬濤等人根據(jù)雨天情況下瀝表路表水膜形成機(jī)理及水膜厚度影響因素，在已有水膜厚度預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上考慮到車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性需求，分析了水流在輪胎與粗糙路表之間的流體潤(rùn)滑作用以及輪胎、流體、路間的相互作用。山東理工大學(xué)的趙強(qiáng)利用輪胎沉量表片輪胎承載狀狀的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款智能輪胎下沉量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證車輛行駛安全性。各大品牌汽車企業(yè)也對(duì)輪胎工作狀況也進(jìn)行了檢測(cè)，但各車型上裝配的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)輪胎工作條件的監(jiān)測(cè)和報(bào)警監(jiān)測(cè)輪胎壓力和溫度兩個(gè)工作參數(shù)。這些已有的研究和配置并不能反應(yīng)輪胎工作條件的所有風(fēng)險(xiǎn)源，不能對(duì)汽車高速行駛過(guò)程輪胎工作條件的眾多風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行全面的安全識(shí)別、評(píng)估、預(yù)警，無(wú)法確定輪胎工作條件的主要致險(xiǎn)因素和總體風(fēng)險(xiǎn)總級(jí)，不能全面地給駕駛員提供預(yù)警和車輛控制提醒。因此，本文對(duì)汽車高速行駛過(guò)程中影響輪胎工作條件的主要致險(xiǎn)因素和總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)研發(fā)一套基于輪胎工作條件的汽車高速行駛安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)向駕駛員提供預(yù)警，以降低或消除汽車在高速行駛時(shí)因輪胎工作條件惡化所引起的交通事故風(fēng)險(xiǎn)，保證汽車的高速行駛安全。

2 輪胎工作條件的風(fēng)險(xiǎn)因素分析

輪胎在滾動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生機(jī)械破壞、疲勞破壞和過(guò)熱破壞三種形式，造成胎面脫層、簾線斷裂 引發(fā)爆胎等惡性交通事故。其中，過(guò)熱破壞是造成輪胎非正常損壞的主要因素。輪胎生熱主要來(lái)源于：輪胎在行駛過(guò)程中膠料內(nèi)部變形產(chǎn)生的熱量和輪胎與路面直接接觸引起的摩擦生熱。輪胎過(guò)熱破壞的主要影響因素包括：輪胎負(fù)荷、輪胎溫度、輪胎氣壓、車輛行駛速度、車輛連續(xù)行駛時(shí)間、路面溫度及輪胎結(jié)構(gòu)等工作條件。

眾多學(xué)者也通過(guò)實(shí)驗(yàn)、彷真研究證明了這些風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)輪胎工作條件的惡化的影響關(guān)系。例如有研究有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出輪胎與路面的附著系數(shù)是影響汽車行駛安全的重要因素，路面狀況也直接影響車輛行駛安全。胎壓、載荷以及溫度等因素的改變會(huì)導(dǎo)致輪胎偏側(cè)和縱滑剛度的改變，從而導(dǎo)致輪胎力學(xué)特性的改變，影響汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。汽車在行駛過(guò)程中，隨著車速的增加，輪胎與輪罩周圍產(chǎn)生的空氣漩渦呈非線性變化趨勢(shì)，影響車輪跟與地面的附著系數(shù)。

因此，綜合分析影響輪胎工作條件的危險(xiǎn)因素，設(shè)計(jì)一套基于輪胎工作條件的安全預(yù)警系統(tǒng)，減少或消除汽車在高速行駛過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 基于輪胎工作條件的汽車高速行駛安全預(yù)警系統(tǒng)

為解決車輛高速行駛過(guò)程中的重大安全隱患，本系統(tǒng)對(duì)輪胎工作條件進(jìn)行安全管理。首先是安全識(shí)別，識(shí)別輪胎工作條件的風(fēng)險(xiǎn)源并確定其特性。其次，進(jìn)行安全評(píng)估，判斷輪胎工作條件總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，最后根據(jù)總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)向駕駛員提供預(yù)警。

3.1 安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)輪胎工作條件進(jìn)行汽車高速行駛安全管理，因此，本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對(duì)會(huì)影響輪胎工作的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行采集并識(shí)別。通過(guò)對(duì)輪胎工作條件的全面分析，對(duì)影響汽車高速安全行駛的風(fēng)險(xiǎn)因素主要分為三類：第一類為道路行駛條件風(fēng)險(xiǎn)源，所含因素包括路面溫度和路面平整度；第二類為輪胎技術(shù)條件風(fēng)險(xiǎn)源，所含風(fēng)險(xiǎn)因素包含輪胎出廠時(shí)間、輪胎行駛里程、輪胎耐溫等級(jí)、輪胎負(fù)荷、輪胎氣壓、輪胎溫度；第三類為車輛控制指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)源，所含風(fēng)險(xiǎn)因素包括車輛行駛速度、行駛加速度和持續(xù)行駛時(shí)間。

加速度傳感器加速信號(hào)所蘊(yùn)含的信息豐富，可實(shí)現(xiàn)輪胎六分力、振動(dòng)噪音、輪胎水滑、輪胎-道路附著情況等多種參數(shù)的監(jiān)測(cè)。因此根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)因素的特點(diǎn)，本系統(tǒng)通過(guò)紅外線溫度傳感器、加速度傳感器來(lái)分別測(cè)量路面溫度和路面平整度，通過(guò)慣性測(cè)量單元來(lái)獲取輪胎負(fù)荷大小，通過(guò)輪胎壓力溫度傳感器來(lái)獲取輪胎氣壓和輪胎溫度。所設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡(luò)相通，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取OBD數(shù)據(jù)模塊數(shù)據(jù)取獲取車輛速度、車輛加速度及車輛連續(xù)行駛時(shí)間。考慮汽車在使用過(guò)程中有更換輪胎的需求，本系統(tǒng)也設(shè)置了可變參數(shù)輸入模塊，在該模塊中可輸入輪胎出廠時(shí)間、輪胎行駛里程、輪胎耐溫等級(jí)，當(dāng)汽車在更換輪胎時(shí)，可根據(jù)新更換的輪胎數(shù)據(jù)進(jìn)行重新設(shè)定，以確保系統(tǒng)控制的可靠性。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

實(shí)現(xiàn)能根據(jù)輪胎工作條件對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警的功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)健在于能對(duì)實(shí)時(shí)獲取到的風(fēng)險(xiǎn)源因素進(jìn)行合理完整的分析評(píng)估，準(zhǔn)確分析出當(dāng)前汽車行駛過(guò)程中因輪胎工作條件造成的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模塊中，本系統(tǒng)根據(jù)美國(guó)國(guó)土安全部提出的韌性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。美國(guó)國(guó)安部指出，韌性是能夠使系統(tǒng)對(duì)逆向事件所產(chǎn)生的負(fù)面影響進(jìn)行抵御、吸收和恢復(fù)的能力，這種能力貫空于事前、事中和事后全過(guò)程。韌性理論常用于保障或降低人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的未知、變化和不確定的風(fēng)險(xiǎn)。因此本系統(tǒng)根據(jù)黃浪【1】等人構(gòu)建的系統(tǒng)安全韌性框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，該安全韌性框架如圖1【2】所示：在 0 ＜ t ＜ t1 時(shí)段，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；t1 時(shí)刻系統(tǒng)遭受風(fēng) 險(xiǎn)沖擊或擾動(dòng)，超過(guò)系統(tǒng)裕度而使系統(tǒng)處于破壞期 （t1 ＜ t ＜ t3）；t3 時(shí)刻采取措施使系統(tǒng)進(jìn)入恢復(fù)期 （t3 ＜ t ＜ t4）；通過(guò)系統(tǒng)自我恢復(fù)和適應(yīng)能力，系統(tǒng)可恢復(fù)到安全狀態(tài)（C），也可恢復(fù)到事前安全 狀態(tài)（B），還可通過(guò)自學(xué)習(xí)恢復(fù)到更好狀態(tài)（A）。

為更好地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，系統(tǒng)中根據(jù)所有風(fēng)險(xiǎn)源因素的特點(diǎn)及韌性理論，預(yù)先在系統(tǒng)中建立存儲(chǔ)了對(duì)輪胎工作條件有影響的風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)因素的影響力大小進(jìn)行了權(quán)重分配。其中，道路行駛條件占15%，輪胎技術(shù)條件占比55%，車輛駕駛控制指標(biāo)占比30%。風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫(kù)各風(fēng)險(xiǎn)因素所占權(quán)重比例如表1所示。為準(zhǔn)確地分析汽車行駛過(guò)程實(shí)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，本系統(tǒng)建立了總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型，為方便模型進(jìn)行分析評(píng)估計(jì)算，在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)所有風(fēng)險(xiǎn)源因素進(jìn)行了標(biāo)號(hào)。

本系統(tǒng)的總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型如公式1所示。

其中，R為總風(fēng)險(xiǎn)值，RAi為各風(fēng)險(xiǎn)源因素的風(fēng)險(xiǎn)值，ki代表風(fēng)險(xiǎn)源因素的權(quán)重。

系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集獲取到的風(fēng)險(xiǎn)源因素?cái)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析，找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用于總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型中，計(jì)算出車輛在高速行駛時(shí)的實(shí)時(shí)總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并判斷該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所處的級(jí)別。

系統(tǒng)將總體風(fēng)險(xiǎn)分成四級(jí)：重大風(fēng)險(xiǎn)、較大風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、較小風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)R≥65或RA6=100或RA7=100或 RA8=100，則定性為重大風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；

當(dāng)55≤R<65，則定性為較大風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；

當(dāng)45≤R<55，則定性為一般風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；

當(dāng)35≤R<45，則定性為較小風(fēng)險(xiǎn)源。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

系統(tǒng)對(duì)總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估測(cè)定后，需向駕駛員提供預(yù)警，以及時(shí)采取合適的策略減輕或消除交通事故的發(fā)生。系統(tǒng)通過(guò)不同顏色的警示燈和蜂鳴聲對(duì)駕駛員進(jìn)行安全預(yù)警提示：系統(tǒng)判斷車輛當(dāng)前總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重大風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，預(yù)警燈為紅色；當(dāng)判定為較大風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，預(yù)警燈為黃色；當(dāng)判定為一般風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，預(yù)警燈為綠色。具體應(yīng)對(duì)策略如下：

紅色預(yù)警采取危急行駛決策，立即靠邊停車，處理輪胎故障；

黃色預(yù)警采取緊急行駛決策，低速靠邊行駛至安全地點(diǎn)停車，處理輪胎故障；

藍(lán)色預(yù)警采取防御行駛決策，低速靠邊行駛至安全地點(diǎn)停車，觀察輪胎故障；

綠色預(yù)警采取正常行駛決策，正常行駛，控制車輛行駛速度、加速度及連續(xù)行駛時(shí)間。

4 討論

本文根據(jù)對(duì)影響輪胎工作條件的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行發(fā)析，通過(guò)建立總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，設(shè)計(jì)了一套基于輪胎工作條件的汽車高速行駛安全預(yù)警系統(tǒng)方案。此系統(tǒng)方案根據(jù)對(duì)影響輪胎工作的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析評(píng)估，通過(guò)總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型對(duì)當(dāng)前車輛高速行駛過(guò)程中遇到的行駛風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)評(píng)估，以更準(zhǔn)確地判斷汽車在高速行駛過(guò)程中所遇到的行駛安全風(fēng)險(xiǎn)大小，減少在高速行駛過(guò)程中的交通事故。本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于更為全面地考慮了會(huì)影響輪胎工作的風(fēng)險(xiǎn)因素，通過(guò)建立評(píng)估模型更全面、客觀、準(zhǔn)確地判斷了在高速行駛過(guò)程中因輪胎工作條件惡劣而引發(fā)的的行駛風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可靠實(shí)時(shí)地將當(dāng)前汽車所面臨的行駛安全問(wèn)題，反饋給駕駛員，及時(shí)采取安全控制策施。

本論文的不足之處在于目前僅進(jìn)行了理論研究預(yù)警策略，尚未對(duì)系統(tǒng)所需要的紅外線溫度傳感器、縱向加速度傳感器、慣性測(cè)量單元、輪壓溫度傳感器進(jìn)行型號(hào)選擇及成本控制分析，因此本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行彷真模擬及開發(fā)。

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