羅 石，李靈恩，丁 華，吳承航，過(guò)永強(qiáng)

（江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

傳統(tǒng)的變道控制策略一般基于最小安全距離模型進(jìn)行變道可行性判斷，大多數(shù)研究將車(chē)輛看作勻速或勻加速行駛，所以傳統(tǒng)的安全距離模型僅能夠保證目標(biāo)車(chē)輛單一狀態(tài)下本車(chē)變道的安全性。但在實(shí)際道路上，車(chē)輛的駕駛行為具有很強(qiáng)的變動(dòng)性，特別是車(chē)輛的加速度能在短時(shí)間內(nèi)明顯改變車(chē)輛的行駛狀態(tài)，而車(chē)型、速度、路面狀況都是影響車(chē)輛加速度因素。一旦周?chē){駛環(huán)境出現(xiàn)變化，智能汽車(chē)將變得被動(dòng)而不得不放棄變道，甚至陷入危險(xiǎn)中，這樣不但會(huì)導(dǎo)致交通效率下降，還會(huì)給乘坐者帶來(lái)生理和心理的不適感，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致交通事故發(fā)生。而預(yù)期功能安全旨在解決智能汽車(chē)控制系統(tǒng)組件在并未發(fā)生故障的情況下由外部環(huán)境、系統(tǒng)性能局限或人為誤用所導(dǎo)致的安全問(wèn)題［1］。針對(duì)變道決策規(guī)劃系統(tǒng)的預(yù)期功能安全，必須要在變道前充分考慮和判斷各目標(biāo)車(chē)輛在本車(chē)變道過(guò)程中可能出現(xiàn)的加減速行駛，使本車(chē)在變道過(guò)程中始終處于主動(dòng)地位，為本車(chē)變道過(guò)程中躲避風(fēng)險(xiǎn)提供可能，確保變道過(guò)程中的安全。

目前，有關(guān)預(yù)期功能安全的研究尚處于起步階段，關(guān)于變道的預(yù)期功能安全研究更是寥若晨星。John［2］提出了預(yù)期功能安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架，豐富和擴(kuò)展了預(yù)期功能安全概念的內(nèi)涵。呂穎［3］基于SCSTSV的概念建立智能駕駛安全性預(yù)警區(qū)、識(shí)別區(qū)和防護(hù)區(qū)，提出定量度量預(yù)期功能安全的“安全熵”理論，構(gòu)建安全性試驗(yàn)場(chǎng)景和試驗(yàn)用例。Mahajan等［4］運(yùn)用STPA對(duì)車(chē)道保持系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析，提出了系統(tǒng)改進(jìn)的安全要求。薛松［5］提出了一種基于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景的預(yù)期功能安全危害分析評(píng)估方法，包括危險(xiǎn)場(chǎng)景的構(gòu)建方法、基于HAZOP（危險(xiǎn)性和可操作性）的危害分析方法以及基于貝葉斯危害圖的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。傳統(tǒng)變道方面的研究也在一定程度上涉及到預(yù)期功能安全的范疇，但對(duì)預(yù)期功能安全考慮不足，特別是涉及的車(chē)輛加減速所帶來(lái)的預(yù)期功能安全問(wèn)題。李嘉嘉［6］利用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行變道決策，目標(biāo)車(chē)輛為已知加速度的勻加速行駛，對(duì)預(yù)期功能安全來(lái)說(shuō)屬于理想狀況，決策算法只考慮變道和返回2種情況，在復(fù)雜交通狀況下可能導(dǎo)致行駛效率不佳。王譽(yù)錢(qián)［7］通過(guò)簡(jiǎn)化駕駛場(chǎng)景，僅在前方有1輛車(chē)的場(chǎng)景下，運(yùn)用5次多項(xiàng)式，通過(guò)約束條件確定變道距離和變道時(shí)間，得出變道軌跡。Wang等［8］和Huang等［9］基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行目標(biāo)車(chē)輛駕駛行為預(yù)測(cè)和變道決策，但深度學(xué)習(xí)的決策算法需要更多針對(duì)性場(chǎng)景的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，優(yōu)化過(guò)程漫長(zhǎng)，同時(shí)深度學(xué)習(xí)存在的不可解釋性問(wèn)題和不確定性問(wèn)題也是預(yù)期功能安全的一大難題。

總而言之，現(xiàn)有較少專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)變道的預(yù)期功能安全的研究。故而，在傳統(tǒng)的變道決策基礎(chǔ)上考慮了預(yù)期功能安全，結(jié)合 STPA 和ISO21448［10］設(shè)計(jì)了變道控制系統(tǒng)的預(yù)期功能安全分析流程，得出系統(tǒng)的安全目標(biāo)。針對(duì)安全目標(biāo)進(jìn)行算法改進(jìn)，首先通過(guò)高斯過(guò)程回歸預(yù)測(cè)周?chē)?chē)輛未來(lái)不同置信度下的加速度，結(jié)合當(dāng)前車(chē)速、車(chē)距確定目標(biāo)車(chē)輛不同加速度下的危險(xiǎn)系數(shù)，不同加速度對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)系數(shù)作為評(píng)判對(duì)象，置信度歸一化后作為評(píng)判因素權(quán)向量，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)確定危險(xiǎn)系數(shù)最高的加速度作為變道可行性判斷的依據(jù)，在傳統(tǒng)5次多項(xiàng)式變道軌跡的基礎(chǔ)上通過(guò)車(chē)速和路面狀況確定理想變道時(shí)間，由理想換道時(shí)間和安全變道終點(diǎn)確定出符合安全約束的最優(yōu)變道軌跡，在變道過(guò)程中通過(guò)安全系數(shù)動(dòng)態(tài)控制車(chē)輛行駛狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行變道軌跡重規(guī)劃，在特殊情況下進(jìn)行返回原車(chē)道的軌跡規(guī)劃，保證變道過(guò)程的安全性。最后，通過(guò)聯(lián)合仿真建立標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景和安全性未知場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)系統(tǒng)安全接受準(zhǔn)則進(jìn)行量化。對(duì)比功能改進(jìn)前后的風(fēng)險(xiǎn)水平，驗(yàn)證改進(jìn)后的風(fēng)險(xiǎn)水平符合SOTIF安全接受準(zhǔn)則。

1 變道決策系統(tǒng)安全分析

1.1 融合STPA的安全分析方法

Leveson［11］于2011年提出基于系統(tǒng)理論過(guò)程分析方法，將安全視為控制問(wèn)題，目標(biāo)是識(shí)別出那些可能導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生的不充分的控制，通過(guò)安全約束使風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的程度［12］，與預(yù)期功能安全的目標(biāo)一致。筆者從場(chǎng)景入手，結(jié)合STPA和ISO21448提出一種自動(dòng)駕駛汽車(chē)變道控制系統(tǒng)的預(yù)期功能安全分析方法，流程如圖1所示。首先通過(guò)STPA方法，對(duì)變道控制系統(tǒng)進(jìn)行功能和系統(tǒng)規(guī)范定義，確定系統(tǒng)運(yùn)行邊界，針對(duì)提出的危險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和觸發(fā)事件識(shí)別，然后進(jìn)行功能改進(jìn)，最后通過(guò)驗(yàn)證已知場(chǎng)景和未知場(chǎng)景確保殘余風(fēng)險(xiǎn)可接受，符合預(yù)期功能安全的接受準(zhǔn)則。

圖1 變道控制系統(tǒng)的SOTIF分析流程框圖

1.2 變道決策系統(tǒng)的安全分析

1.2.1 場(chǎng)景假設(shè)及功能定義

設(shè)定智能駕駛汽車(chē)所在場(chǎng)景為三車(chē)道直線道路，本車(chē)處于中間車(chē)道，目標(biāo)車(chē)道為左側(cè)車(chē)道，目標(biāo)車(chē)輛包括本車(chē)道前車(chē)、本車(chē)道后車(chē)、目標(biāo)車(chē)道前車(chē)及目標(biāo)車(chē)道后車(chē)，由于本車(chē)道后車(chē)一般不影響本車(chē)變道決策，因此駕駛場(chǎng)景為包括本車(chē)在內(nèi)的四車(chē)輛模型。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前方車(chē)輛行駛狀況，在不滿足本車(chē)期望行駛速度或與前方車(chē)輛距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)觸發(fā)變道，在車(chē)距符合安全變道的條件下規(guī)劃出既滿足舒適性和安全性要求，同時(shí)變道效率又高的變道軌跡，通過(guò)下層執(zhí)行器完成路徑跟蹤。為方便分析，全文均使用車(chē)輛坐標(biāo)系即車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤坐標(biāo)，橫向運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥坐標(biāo)。

1.2.2 識(shí)別潛在危害事件

對(duì)于自動(dòng)變道系統(tǒng)而言，主要功能是保障車(chē)輛安全變道，提高交通效率或減輕車(chē)輛碰撞。為避免自動(dòng)變道系統(tǒng)可能出現(xiàn)的SOTIF問(wèn)題，首先要對(duì)自動(dòng)變道系統(tǒng)層級(jí)的危害事件進(jìn)行識(shí)別，從預(yù)期功能安全的角度得到自動(dòng)變道系統(tǒng)可能發(fā)生的危害事件，如表1所示。

表1 潛在危害事件與描述

1.2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估

針對(duì)變道決策規(guī)劃系統(tǒng)，分析風(fēng)險(xiǎn)因素，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。參考功能安全［13］使用C（可控性）、S（嚴(yán)重度）進(jìn)行危險(xiǎn)判斷，其定義分別如表2、表3所示，綜合可控性等級(jí)和嚴(yán)重性等級(jí)將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為H0、H1、H2、H3、H4五個(gè)等級(jí)，其中H0表示最不危險(xiǎn)，H4表示最危險(xiǎn)，對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)狀況進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)綜合評(píng)估。

表2 可控性等級(jí)

表3 嚴(yán)重性等級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要依據(jù)是不同類(lèi)型的車(chē)輛導(dǎo)致的危害的嚴(yán)重度和可控性是有差別的，在相同速度下，對(duì)于可控性而言，由于載貨汽車(chē)相比小轎車(chē)的加速度較小，因此，可控性較高；嚴(yán)重度則正好相反，載貨汽車(chē)造成的交通事故一般會(huì)比小轎車(chē)嚴(yán)重，因此，載貨汽車(chē)嚴(yán)重度較高。通過(guò)此規(guī)則得出上述場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，如表4所示。

1.2.4 功能不足和觸發(fā)事件識(shí)別

表5列出自動(dòng)變道系統(tǒng)HV3和HV4類(lèi)觸發(fā)事件的危害分析。主要考慮車(chē)輛行駛過(guò)程中目標(biāo)車(chē)道車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)行為的不確定性以及路面狀況給本車(chē)變道可能帶來(lái)的危害后果。此類(lèi)場(chǎng)景與觸發(fā)事件是汽車(chē)變道過(guò)程中需特別考慮的，系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)不足和控制性能局限，系統(tǒng)危害行為常常會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。為解決此類(lèi)安全問(wèn)題，通過(guò)分析得出安全目標(biāo)，如表5所示。

2 功能改進(jìn)

針對(duì)上述場(chǎng)景，在傳統(tǒng)變道輔助控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出新的改進(jìn)的變道決策控制方法，主要變道控制流程如圖2所示。規(guī)定智能汽車(chē)在觸發(fā)變道之前在道路中央行駛，且與前車(chē)距離始終大于最小制動(dòng)安全距離［14］，即保證在緊急制動(dòng)情況下兩車(chē)不發(fā)生碰撞。當(dāng)車(chē)距小于預(yù)期安全距離時(shí)，產(chǎn)生變道意圖。

圖2 變道控制流程框圖

2.1 變道可行性判斷

由于不同車(chē)型所帶來(lái)的變道危險(xiǎn)度不同，區(qū)分車(chē)型得到的預(yù)期安全距離更符合實(shí)際情況。變道意圖產(chǎn)生后，通過(guò)攝像頭采集周?chē)?chē)輛外形數(shù)據(jù)，計(jì)算寬高比得出車(chē)輛類(lèi)型，主要區(qū)分為乘用車(chē)和載貨汽車(chē)。查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［15］，普通轎車(chē)寬度為1 600～1 800 mm，高度為1 400～1 600 mm；載貨汽車(chē)寬度為1.6～2.6 mm，高度為2.4～3.9 mm，因此按照高寬比進(jìn)行區(qū)分，高寬比大于1的判斷為載貨汽車(chē)，否則為小轎車(chē)。

2.1.1 車(chē)輛加速度預(yù)測(cè)

通過(guò)分析數(shù)據(jù)庫(kù)［16］得出車(chē)輛行駛過(guò)程中的加速度分布規(guī)律，基本符合正態(tài)分布，因此，使用高斯過(guò)程回歸預(yù)測(cè)目標(biāo)車(chē)輛的加速度。該方法不僅能得到加速度的估計(jì)值，還能得到置信區(qū)間。相較于非概率機(jī)器學(xué)習(xí)方法提供了更多信息，對(duì)于預(yù)期功能安全的研究非常適用。通過(guò)回歸預(yù)測(cè)輸出未來(lái)目標(biāo)車(chē)輛的加速度作為下文的數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)于回歸預(yù)測(cè)在此不再贅述。

2.1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊決策的輸入為回歸預(yù)測(cè)得到的目標(biāo)車(chē)輛加速度預(yù)測(cè)值（該值取不同置信度下加速度的最大值），隸屬度函數(shù)通過(guò)基于碰撞的安全模型確定。

對(duì)于目標(biāo)車(chē)道后車(chē)，只有后車(chē)加速對(duì)于本車(chē)變道才是危險(xiǎn)的，因此安全距離為

式中：v1為本車(chē)開(kāi)始變道時(shí)的車(chē)速，v2為目標(biāo)車(chē)車(chē)速，a2為目標(biāo)車(chē)加速度，S為兩車(chē)安全距離，s為實(shí)際距離，取安全停車(chē)距離d＝3 m，持續(xù)時(shí)間設(shè)為t＝5 s，即計(jì)算未來(lái)5 s內(nèi)是否發(fā)生碰撞。

一般情況下，目標(biāo)車(chē)道車(chē)速高于本車(chē)道車(chē)速，因此規(guī)定目標(biāo)車(chē)道前車(chē)車(chē)速高于本車(chē)，只有前車(chē)減速對(duì)于本車(chē)變道才是危險(xiǎn)的。前方目標(biāo)車(chē)輛減速行駛，需要判斷5 s前車(chē)車(chē)速與本車(chē)車(chē)速的大小關(guān)系，所以對(duì)于目標(biāo)車(chē)道前車(chē)，安全距離為

對(duì)于本車(chē)道前車(chē)，安全距離公式與目標(biāo)車(chē)道前車(chē)安全距離公式相同，但由于只在變道前半段可能與其發(fā)生碰撞，因此設(shè)置t＝3 s。

將目標(biāo)車(chē)輛加速度作為模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)判對(duì)象U＝（a1，a2，…，ai）；將加速度危險(xiǎn)等級(jí)論域劃分為5個(gè)模糊子集V＝（危險(xiǎn)，比較危險(xiǎn)，臨界，比較安全，安全）；令H＝s／S，將H作為不同加速度下危險(xiǎn)度的評(píng)判指標(biāo)；建立模糊關(guān)系矩陣R，將置信度歸一化后作為評(píng)判因素權(quán)向量A＝（a1，a2，…，ai），令B＝AOR，對(duì)計(jì)算結(jié)果B進(jìn)行分析，B中最大元素Bi所對(duì)應(yīng)的加速度ai即為目標(biāo)車(chē)輛最危險(xiǎn)行駛加速度。將此加速度作為變道可行性判斷的輸入值。

2.1.3 預(yù)期安全變道模型

針對(duì)預(yù)期功能安全，不但要保證當(dāng)前時(shí)刻變道安全，還要保證在變道過(guò)程中即使周?chē)?chē)輛出現(xiàn)例如突然加減速等預(yù)測(cè)之外的危險(xiǎn)狀況時(shí)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)依然有調(diào)整的空間來(lái)保證車(chē)輛安全。因此提出預(yù)期安全變道距離，如圖3所示，dsafe為車(chē)輛主動(dòng)避障結(jié)束后應(yīng)與前方車(chē)輛保持的相對(duì)距離，Dac為預(yù)期安全距離即考慮預(yù)期功能安全時(shí)車(chē)輛行駛的距離，Lobj為目標(biāo)車(chē)在此期間所行駛的距離，Lm為自車(chē)的行駛距離，車(chē)輛間安全距離L可表示為

圖3 變道場(chǎng)景示意圖

1）本車(chē)與本車(chē)道前車(chē)的預(yù)期安全距離模型

對(duì)于本車(chē)道前車(chē)，預(yù)期功能安全問(wèn)題出現(xiàn)在前車(chē)減速行駛的情況下，所以變道車(chē)輛與本車(chē)道前車(chē)的預(yù)期安全變道模型為

式中：vobj為前車(chē)速度；aobj為前車(chē)制動(dòng)減速度，大小為上文模糊綜合評(píng)價(jià)得出的加速度值；vm為本車(chē)行駛速度；t為最佳理想變道時(shí)間，將會(huì)在下文說(shuō)明其計(jì)算方法。由于變道過(guò)程中本車(chē)在離開(kāi)本車(chē)道后就不會(huì)與前車(chē)發(fā)生危險(xiǎn)，所以假定變道過(guò)程中在本車(chē)道時(shí)間為變道時(shí)間的一半。本車(chē)在變道過(guò)程中處于主動(dòng)狀態(tài)，實(shí)際加速度可以不為0，因此dsafe可設(shè)為零。

2）本車(chē)與目標(biāo)車(chē)道前車(chē)的預(yù)期安全距離模型

與1）中同理可得，變道車(chē)輛與目標(biāo)車(chē)道前車(chē)的變道可行性判斷條件為

3）本車(chē)與目標(biāo)車(chē)道后車(chē)的預(yù)期安全距離模型

對(duì)于目標(biāo)車(chē)道后車(chē)，只有當(dāng)后車(chē)出現(xiàn)突然加速的情況時(shí)才會(huì)導(dǎo)致預(yù)期功能安全問(wèn)題，此時(shí)變道車(chē)輛與目標(biāo)車(chē)道后車(chē)的變道可行性判斷條件為

2.2 變道軌跡及約束

5次多項(xiàng)式［17］是目前使用最多且比較成熟的方法，只需輸入變道距離和變道時(shí)間即可確定一個(gè)變道軌跡簇，還可以改變變道速度等約束條件，同時(shí)也符合駕駛員的實(shí)際駕駛習(xí)慣，此處對(duì)該方法不再贅述。

2.2.1 變道終點(diǎn)約束

變道過(guò)程中為保證安全，要與目標(biāo)車(chē)輛保持一定的距離，通過(guò)計(jì)算目標(biāo)車(chē)輛在本車(chē)變道結(jié)束的估計(jì)位置可得到本車(chē)變道終點(diǎn)的安全范圍。

式中：T為變道時(shí)間，s為兩車(chē)當(dāng)前時(shí)刻的距離，a為最高置信區(qū)間的加速度，后文將統(tǒng)一叫作最大概率加速度，Dsafe為變道結(jié)束時(shí)的本車(chē)速度下車(chē)輛間應(yīng)保持的最小安全距離。同時(shí)，還要防止在變道前期與本車(chē)道前車(chē)發(fā)生碰撞，要保證與本車(chē)道前車(chē)的安全距離，為方便計(jì)算，假設(shè)在本車(chē)道時(shí)間為變道總時(shí)間的一半，可得：

由上述3個(gè)判斷條件可初步得到一系列不同變道目標(biāo)點(diǎn)的變道軌跡簇。

2.2.2 最小變道時(shí)間約束

在車(chē)輛進(jìn)行變道過(guò)程中，車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性是非常重要的，而主要影響車(chē)輛穩(wěn)定性的因素是側(cè)向加速度，特別是在車(chē)輛高速行駛時(shí)，側(cè)向加速度的影響更為明顯，過(guò)大的側(cè)向加速度甚至?xí)?dǎo)致車(chē)輛失穩(wěn)，嚴(yán)重影響車(chē)輛行駛的安全性。因此，變道軌跡規(guī)劃時(shí)，通過(guò)結(jié)合車(chē)速和路面狀況，得出側(cè)向加速度約束。在此引用不同工況下最大側(cè)向加速度變化表［18］。通過(guò)最大側(cè)向加速度可得到不同速度下車(chē)輛變道過(guò)程中的最小變道時(shí)間，如圖4所示，通過(guò)對(duì)最小變道時(shí)間tmin的約束可保證變道車(chē)輛側(cè)向穩(wěn)定性。

圖4 最小變道時(shí)間與速度關(guān)系曲線

通過(guò)最小變道時(shí)間與本車(chē)當(dāng)前速度的乘積得到縱向最小位移smin與上文計(jì)算的Smin進(jìn)行比較，最終得出變道終點(diǎn)范圍X：

2.2.3 理想變道時(shí)間

變道時(shí)的舒適性是特別需要考慮的因素，雖然5次多項(xiàng)式可以保證加速度的變化率是連續(xù)的，但橫向加速度的大小也至關(guān)重要。橫向加速度過(guò)大會(huì)給乘客帶來(lái)不適感，橫向加速度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致變道時(shí)間增長(zhǎng)，增加變道過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)也會(huì)使變道效率降低，影響道路交通。通過(guò)理想變道時(shí)間作為下文最優(yōu)變道時(shí)間的衡量標(biāo)準(zhǔn)，所謂理想變道時(shí)間是指在周?chē)鷽](méi)有其他車(chē)輛時(shí)本車(chē)自由變道，通過(guò)考慮舒適性和變道效率綜合得出的最佳變道時(shí)間。即：

式中：取a＝6 m／s，tmax＝10 s，w1、w2分別取10和2，此時(shí)最佳變道時(shí)間td＝6.42 s，作為后文的最佳軌跡篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.4 最優(yōu)軌跡篩選

通過(guò)上文已知變道終點(diǎn)約束和變道時(shí)間約束，代入5次多項(xiàng)式，可得到一系列的變道軌跡簇，通過(guò)變道評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選出最優(yōu)軌跡作為變道軌跡的輸出結(jié)果。對(duì)于變道時(shí)間而言，越接近理想變道時(shí)間，越符合舒適性和變道效率要求；對(duì)于安全性而言，任意時(shí)刻與周?chē)?chē)輛距離越遠(yuǎn)越安全。定義變道評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為

式中：i為軌跡簇中每條軌跡的編號(hào)；mindi為第i條軌跡與目標(biāo)車(chē)輛實(shí)時(shí)車(chē)間距離的最小值；ti為第i條軌跡的變道時(shí)間；td為理想變道時(shí)間；w3、w4為評(píng)價(jià)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；J（ti）為每一條規(guī)劃軌跡的評(píng)價(jià)值，最大的即為當(dāng)前車(chē)輛變道的最優(yōu)軌跡。

2.3 緊急情況控制策略

通過(guò)上文計(jì)算可知變道過(guò)程中當(dāng)車(chē)間距離小于預(yù)期安全距離時(shí)，并不意味著車(chē)輛一定會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，還要與最小安全距離作比較，但車(chē)間距小于預(yù)期安全距離時(shí)說(shuō)明按照初始軌跡變道會(huì)導(dǎo)致變道風(fēng)險(xiǎn)提高。因此，提出安全系數(shù)δ作為衡量本車(chē)當(dāng)前變道狀態(tài)下的安全程度：

圖5為本車(chē)與目標(biāo)車(chē)道前車(chē)安全系數(shù)示意圖，安全系數(shù)代表本車(chē)當(dāng)前變道時(shí)的安全狀態(tài)。主要分為3種情況如下描述：

圖5 基于安全系數(shù)的變道策略示意圖

當(dāng)δ≥1時(shí)，車(chē)輛變道處于絕對(duì)安全距離，車(chē)輛正常變道；

當(dāng)0＜δ＜1時(shí)，車(chē)輛加速行為大于預(yù)期，以當(dāng)前狀態(tài)為初始點(diǎn)，提高安全代價(jià)函數(shù)權(quán)重，同時(shí)縮短變道時(shí)間，重新規(guī)劃變道軌跡，加快變道過(guò)程；

當(dāng)δ≤0時(shí)，車(chē)間距離小于最小安全距離，此時(shí)不能保證行車(chē)安全，必須采取安全措施。對(duì)于目標(biāo)車(chē)道前車(chē)，若后車(chē)距離大于預(yù)期安全距離，減速增大與前車(chē)間距；對(duì)于目標(biāo)車(chē)道后車(chē)，若前車(chē)距離大于預(yù)期安全距離，加速增大與后車(chē)間距；否則將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)為原車(chē)道，規(guī)劃返回路線，放棄變道。

3 改進(jìn)控制策略的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與SOTIF接收準(zhǔn)則驗(yàn)證

3.1 變道控制系統(tǒng)功能改進(jìn)驗(yàn)證與確認(rèn)準(zhǔn)則制定

根據(jù)圖1所示的分析流程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能改進(jìn)后，要對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。驗(yàn)證場(chǎng)景分為標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)證場(chǎng)景和安全性未知場(chǎng)景，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景驗(yàn)證階段須驗(yàn)證系統(tǒng)行為是否符合預(yù)期，安全性未知場(chǎng)景驗(yàn)證階段需要對(duì)系統(tǒng)行為是否存在不合理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行驗(yàn)證［19］。根據(jù)SOTIF中國(guó)提案中的“量化思想”［20］，對(duì)驗(yàn)證與確認(rèn)準(zhǔn)則進(jìn)行量化定義，主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表6所示。根據(jù)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》［21］，表6中車(chē)輛制動(dòng)減速度am取5.9 m／s2，vt為目標(biāo)車(chē)輛車(chē)速，vm為本車(chē)車(chē)速，本車(chē)制動(dòng)結(jié)束兩車(chē)距離取為2 m。

表6 系統(tǒng)危害風(fēng)險(xiǎn)接受度評(píng)估

通過(guò)表6對(duì)每個(gè)場(chǎng)景變道過(guò)程中各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，通過(guò)加權(quán)代價(jià)函數(shù)得到系統(tǒng)在該場(chǎng)景下的整體風(fēng)險(xiǎn)，代價(jià)函數(shù)為

3.2 聯(lián)合仿真場(chǎng)景設(shè)置與參數(shù)設(shè)定

通過(guò)PreScan、CarSim、Matlab／Simulink聯(lián)合仿真進(jìn)行算法驗(yàn)證。其中下層的軌跡跟蹤采用目前較為成熟的算法，橫向控制采用LQR算法，縱向控制采用雙PID算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該控制器可以很好地跟蹤規(guī)劃的軌跡。

圖6為PreScan中建立的駕駛場(chǎng)景，將車(chē)道寬為3.7 m的三車(chē)道作為車(chē)輛行駛道路，其中中間車(chē)輛為本車(chē)，配備毫米波雷達(dá)，綠色扇形為雷達(dá)的檢測(cè)范圍，設(shè)為80 m，超出檢測(cè)范圍后傳感器輸出為80 m。圖中藍(lán)色車(chē)輛和紅色車(chē)輛分別為本車(chē)道前車(chē)和目標(biāo)車(chē)道前車(chē)，黑色車(chē)輛為目標(biāo)車(chē)道后車(chē)。本車(chē)道前車(chē)勻速行駛，不同場(chǎng)景下目標(biāo)車(chē)道車(chē)輛的行駛狀態(tài)如表7所示，其中每種場(chǎng)景下的目標(biāo)車(chē)輛都分為乘用車(chē)和載貨汽車(chē)。

表7 驗(yàn)證場(chǎng)景說(shuō)明

圖6 仿真場(chǎng)景與車(chē)輛初始狀態(tài)

針對(duì)交通場(chǎng)景TS5，進(jìn)行整個(gè)換道算法驗(yàn)證的詳細(xì)分析與說(shuō)明。圖7為仿真設(shè)置的目標(biāo)車(chē)道后車(chē)速度曲線。

圖7 目標(biāo)車(chē)道后車(chē)速度曲線

在此情景下，由于目標(biāo)車(chē)道前車(chē)距離較遠(yuǎn)，本車(chē)在變道過(guò)程中可分為4個(gè)過(guò)程：

1）本車(chē)與本車(chē)道前車(chē)距離小于預(yù)期安全變道距離時(shí)觸發(fā)變道，進(jìn)行變道可行性判斷；

2）滿足變道條件情況下，計(jì)算得出最佳的變道時(shí)間和變道終點(diǎn)坐標(biāo)，即可得出變道軌跡；

3）變道過(guò)程中隨著目標(biāo)車(chē)道前（后）車(chē)的靠近，車(chē)距逐漸減小至小于等于預(yù)期安全變道距離，此時(shí)暫停變道，減速（加速）直行以調(diào)整車(chē)距；

4）到達(dá)安全位置之后進(jìn)行路徑重規(guī)劃，最終完成變道。

圖8為變道的觸發(fā)過(guò)程曲線。由于前車(chē)車(chē)速低于本車(chē)車(chē)速，計(jì)算得到當(dāng)前車(chē)速下的預(yù)期安全變道距離為37.4 m，隨著兩車(chē)距離的不斷縮小，在7 s時(shí)實(shí)際車(chē)距等于預(yù)期安全距離，本車(chē)觸發(fā)變道，進(jìn)行變道可行性判斷。

圖8 本車(chē)道前車(chē)為乘用車(chē)時(shí)的變道觸發(fā)過(guò)程曲線

圖9為相同條件下前車(chē)為卡車(chē)時(shí)的觸發(fā)過(guò)程曲線。正如前文所述當(dāng)前方車(chē)輛為卡車(chē)時(shí)得出的預(yù)期安全距離要小于前方車(chē)輛為乘用車(chē)時(shí)的預(yù)期安全距離。

圖9 本車(chē)道前車(chē)為載貨車(chē)時(shí)的變道觸發(fā)過(guò)程曲線

通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)預(yù)測(cè)加速度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得出最終結(jié)果B＝（0.175 4，0.229 6，0.133 6，0.107 6，0.228 8），評(píng)價(jià)對(duì)象為U＝（0，0.5，0.9，1.3，1.8），可知，對(duì)本車(chē)變道過(guò)程目標(biāo)車(chē)到后車(chē)加速度最危險(xiǎn)加速度為0.5 m／s2，而傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法通常選擇最大置信度進(jìn)行計(jì)算。用此加速度計(jì)算得出預(yù)期安全變道距離。圖10為同種工況下預(yù)期安全距離與傳統(tǒng)安全距離曲線。不難看出，在此種工況下提出的預(yù)期安全距離只比傳統(tǒng)安全距離多了3 m左右，并不會(huì)明顯降低交通效率但能大大提高變道過(guò)程中的安全性和本車(chē)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力。

圖10 預(yù)期安全距離與傳統(tǒng)安全距離曲線

在本車(chē)變道過(guò)程中，傳感器實(shí)時(shí)更新周?chē)?chē)輛行駛狀態(tài)，在本車(chē)變道過(guò)程中設(shè)置目標(biāo)車(chē)道后車(chē)會(huì)加速靠近本車(chē)，如圖11所示，隨著目標(biāo)車(chē)道后車(chē)車(chē)速增加，本車(chē)與目標(biāo)車(chē)道后車(chē)的預(yù)期安全距離不斷增大，同時(shí)車(chē)距減小，在10.4 s時(shí)，安全系數(shù)小于零，此時(shí)不再符合安全變道條件，本車(chē)停止變道，此時(shí)目標(biāo)車(chē)道前車(chē)距離較遠(yuǎn)，本車(chē)加速直行調(diào)整與后車(chē)間距，在16.3 s時(shí)，安全系數(shù)大于零，此時(shí)重新規(guī)劃變道軌跡，并減小變道時(shí)間以盡快完成變道。如圖11的后半部分所示，為保證安全，此時(shí)得到的變道時(shí)間為2 s，至此本次變道結(jié)束。

圖11 目標(biāo)車(chē)道后車(chē)為乘用車(chē)時(shí)的避險(xiǎn)過(guò)程曲線

圖12為目標(biāo)車(chē)道后車(chē)為載貨車(chē)時(shí)的避險(xiǎn)過(guò)程曲線。圖13為全局路徑下本車(chē)最優(yōu)軌跡篩選示意圖，其中本車(chē)初始位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)。在6.4 s時(shí)，目標(biāo)車(chē)道前車(chē)的縱向坐標(biāo)為335 m，目標(biāo)車(chē)道后車(chē)的縱向坐標(biāo)為109 m，為保證變道終點(diǎn)與前后車(chē)輛保持安全距離，可以得到本車(chē)變道終點(diǎn)的縱向坐標(biāo)范圍為［176，297］，可得到若干變道軌跡簇，通過(guò)最優(yōu)軌跡篩選得到此時(shí)的最佳變道時(shí)間，為7.62 s，即為圖中紅色加粗軌跡。如果行駛過(guò)程中目標(biāo)車(chē)道前車(chē)沒(méi)有足夠安全車(chē)距則規(guī)劃緊急返回軌跡，如圖13中藍(lán)色點(diǎn)劃線所示。

圖12 目標(biāo)車(chē)道后車(chē)為載貨車(chē)時(shí)的避險(xiǎn)過(guò)程曲線

圖13 最優(yōu)軌跡篩選示意圖

圖14與圖13中軌跡的側(cè)向加速度曲線對(duì)應(yīng)。可以看出，即使在緊急返回原車(chē)道過(guò)程中，車(chē)輛的側(cè)向加速度依然在最大側(cè)向加速度范圍之內(nèi)，可以保證車(chē)輛側(cè)向穩(wěn)定性。

圖14 不同變道軌跡的側(cè)向加速度曲線

圖15為全局狀態(tài)下本車(chē)與周?chē)?chē)輛的行駛軌跡。由于使用預(yù)期安全距離作為換道的距離判斷，因此，本車(chē)在7.4 s時(shí)距離本車(chē)道前車(chē)42.3 m時(shí)開(kāi)始進(jìn)行變道操作，而傳統(tǒng)變道方法的安全距離相對(duì)較小，所以在換道過(guò)程中與本車(chē)道前車(chē)距離較近。在10.6 s時(shí)，由于目標(biāo)車(chē)道后車(chē)的加速靠近，本車(chē)與目標(biāo)車(chē)輛后車(chē)的距離已經(jīng)不再滿足預(yù)期安全距離，此時(shí)δ≤0，由于目標(biāo)車(chē)道前面沒(méi)有車(chē)輛，所以本車(chē)加速前進(jìn)，當(dāng)與后車(chē)車(chē)距大于安全距離時(shí)繼續(xù)變道，確保變道過(guò)程的安全性，而此種情景下傳統(tǒng)變道策略只能選擇放棄變道，但由于傳統(tǒng)安全距離較小，即本車(chē)與本車(chē)道前車(chē)距離較小，就會(huì)有與前車(chē)發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，這取決于變道過(guò)程中前車(chē)的行駛狀態(tài)。即使本車(chē)與本車(chē)道前車(chē)的距離可以使得車(chē)輛返回，但這種變道失敗的行為會(huì)導(dǎo)致交通效率降低，同時(shí)給乘客帶來(lái)不適感，但改進(jìn)后的變道策略可以避免這樣的問(wèn)題。圖16為變道過(guò)程中目標(biāo)車(chē)道前后車(chē)均靠近本車(chē)軌跡示意圖。

圖15 目標(biāo)車(chē)道前車(chē)始終處于安全狀態(tài)時(shí)變道軌跡示意圖

圖16 變道過(guò)程中目標(biāo)車(chē)道前后車(chē)均靠近本車(chē)軌跡示意圖

如圖16所示，在7.6 s時(shí)本車(chē)與前車(chē)距離42.3 m，本車(chē)觸發(fā)換道，傳統(tǒng)方法將會(huì)繼續(xù)減小車(chē)間距才會(huì)觸發(fā)換道，換道過(guò)程中，在11.2 s時(shí)目標(biāo)車(chē)道前后車(chē)均靠近本車(chē)，前后車(chē)距均不滿足安全距離要求。由于δ≤0，變道操作已無(wú)法安全進(jìn)行，此時(shí)本車(chē)規(guī)劃緊急返回路徑，由于變道前與本車(chē)道前車(chē)距離大于傳統(tǒng)距離，因此本車(chē)有空間安全返回，而傳統(tǒng)方法此時(shí)距離本車(chē)道前車(chē)距離過(guò)近，無(wú)法返回原車(chē)道，可能導(dǎo)致碰撞的危險(xiǎn)發(fā)生。通過(guò)圖15、圖16可以明顯看出，改進(jìn)后算法在安全性上進(jìn)一步提高，能更好地應(yīng)對(duì)變道過(guò)程中的危險(xiǎn)事件。

3.3 功能改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)接受分析

按照表7設(shè)定場(chǎng)景，對(duì)各場(chǎng)景下控制系統(tǒng)的性能評(píng)估如表8所示。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景下，功能改進(jìn)前后車(chē)輛均可成功變道，但功能改進(jìn)后變道過(guò)程中與周?chē)?chē)輛的車(chē)距在一定程度上增大，提高了本車(chē)變道的安全性。在安全性未知場(chǎng)景中，功能改進(jìn)前在TS4中，車(chē)輛在換道過(guò)程中由于目標(biāo)車(chē)道前車(chē)突然減速導(dǎo)致車(chē)間距不滿足最小安全距離，因此本車(chē)不得不放棄變道返回原車(chē)道，而當(dāng)出現(xiàn)TS5、TS6由于目標(biāo)車(chē)道后車(chē)的加入，導(dǎo)致本車(chē)在無(wú)法變道時(shí)沒(méi)有足夠的距離返回原車(chē)道，有可能與本車(chē)道前車(chē)發(fā)生碰撞，如圖15、圖16所示，但改進(jìn)后的控制策略充分考慮了這些預(yù)期的安全問(wèn)題，所以在變道過(guò)程中有足夠的距離確保本車(chē)變道的安全性，同時(shí)使系統(tǒng)的總體風(fēng)險(xiǎn)水平均處于較低狀態(tài)。系統(tǒng)的預(yù)期功能安全水平顯著提高，系統(tǒng)功能改進(jìn)可以被接受。

表8 不同測(cè)試場(chǎng)景下功能改進(jìn)前后系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平

4 結(jié)論

現(xiàn)有變道控制策略存在SOTIF問(wèn)題，根據(jù)SOTIF評(píng)估準(zhǔn)則，結(jié)合STPA分析方法，對(duì)變道過(guò)程中可能出現(xiàn)的危害行為進(jìn)行了識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，同時(shí)針對(duì)觸發(fā)場(chǎng)景，確定了安全目標(biāo)。為達(dá)到安全目標(biāo)，提出預(yù)期安全距離作為判斷當(dāng)前變道風(fēng)險(xiǎn)的條件，預(yù)期安全距離綜合多種條件可以保證目標(biāo)車(chē)輛在預(yù)期的駕駛情境下，本車(chē)變道的高效性和安全性，同時(shí)配合變道過(guò)程中的控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)整本車(chē)與目標(biāo)車(chē)輛間的行駛車(chē)距，使本車(chē)可以安全變道或在緊急狀況下安全返回，提高了變道控制系統(tǒng)的SOTIF性能。通過(guò)搭建聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，基于SOTIF中國(guó)提案的量化思想，對(duì)功能改進(jìn)前后的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比。結(jié)果表明，提出的變道決策方法可以解決預(yù)期功能安全問(wèn)題，使車(chē)輛在變道過(guò)程中始終處于主動(dòng)地位，避免在出現(xiàn)預(yù)期功能安全問(wèn)題時(shí)傳統(tǒng)決策方法可能出現(xiàn)的變道效率低甚至出現(xiàn)安全事故，改善車(chē)輛變道決策規(guī)劃系統(tǒng)的預(yù)期功能安全問(wèn)題。

對(duì)于自動(dòng)變道系統(tǒng)的預(yù)期功能安全，包括傳感器、決策系統(tǒng)、執(zhí)行器等。只針對(duì)決策規(guī)劃系統(tǒng)的SOTIF進(jìn)行分析研究，對(duì)于其他部分暫未進(jìn)行，其次文章只在聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行了算法的仿真驗(yàn)證，有很大的局限性。在后續(xù)的研究中，將會(huì)從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

1）仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)將考慮加入硬件在環(huán)仿真，更加真實(shí)地模擬實(shí)際控制系統(tǒng)，提高算法的可靠性和實(shí)用性。

2）針對(duì)自動(dòng)變道系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器層面的SOTIF不足展開(kāi)研究，使整個(gè)自動(dòng)變道系統(tǒng)的預(yù)期功能安全得到全面性的提升。