汽車安全預碰撞系統測評方法研究

張志國，劉東春，王 凱，張長江

(1.中汽研汽車檢驗中心(廣州)有限公司,廣東 廣州 511300；2.東南大學，江蘇 南京 211189)

0 引言

近年來，汽車安全預碰撞技術成為汽車安全領域的研究熱點，其融合了汽車主動安全和被動安全雙方的技術優勢，在乘員保護方面的效果更佳。預碰撞系統是運用主動安全技術的雷達、攝像頭等傳感器對行車環境進行監控，并將監控信息實時傳遞給控制器。當傳感器探知到碰撞危險信息時，控制器將通過決策算法對即將發生碰撞的可能性、碰撞時刻和碰撞強度做出預判，在預判的基礎上，于碰撞發生前快速啟用被動安全執行系統，使得約束系統以最優的方式保護乘員和行人，以此來減少或減輕人員的傷亡。

預碰撞系統給汽車安全帶來了新生機，也非常適合汽車當前的發展階段，因此許多車企紛紛布局安全預碰撞系統，但是各廠家的預碰撞系統性能指標不盡相同，國內外也沒有統一的測試標準與方法，測評體系亟待解決。本文從調研主流汽車廠商的預碰撞系統現狀出發，考察國內外汽車主機廠和檢測機構對預碰撞系統的測評方法，然后結合作者多年來在汽車測試方面的經驗，針對預碰撞系統的測評方案提出一些建議，希望能為我國建立測評預碰撞系統的測試規范與標準提供一定參考。

1 汽車安全預碰撞系統概述

1.1 汽車安全預碰撞系統組成

汽車安全預碰撞系統主要包含3個模塊：環境感知模塊、預警預判控制器和執行裝置[1]。環境感知模塊主要是采用毫米波雷達、攝像頭等傳感器設備監控行車環境的狀況。毫米波雷達可以比較準確地探知到障礙物與自身車輛的距離，攝像頭可以對障礙物的形狀有較好的識別和判斷，因此這兩種傳感器相結合的方式成為預碰撞系統環境感知能力的主流配置。

預警預判控制器是預碰撞系統的核心模塊，其決策的精準性是衡量預碰撞系統優劣的重要技術指標。因為很多執行裝置是不可逆的，一旦觸發，將會造成不必要的人身傷害和經濟損失。比如氣囊，如果控制器預判錯誤，氣囊將會在車輛未發生碰撞時迅速彈出，導致乘員受到意外驚嚇甚至死亡。因此，預警預判控制器的算法非常重要，要求其容錯率非常低。

預碰撞系統的執行裝置有很多種類型，比如緊急自動剎車(AEB)、可逆預緊式安全帶(ACR)、主動座椅、自適應約束氣囊、主動引擎發動機罩和車外氣囊等。在當前預碰撞系統執行裝置的具體配置中，AEB和可逆預緊式安全帶技術相結合較為成熟，是應用最多的。

1.2 汽車預碰撞技術發展現狀

奔馳公司于2003年左右推出Pre-Safe預碰撞系統，其主要應用于高端車型。該預碰撞系統采用雷達和攝像頭相結合的方式進行環境感知，當預判危險發生后，可以實現緊急制動剎車和可逆式安全帶預收緊、主動座椅姿態調整以及天窗自動關閉等功能[2]。Pre-Safe系統在車輛后保險杠中增加了雷達傳感器，當后方車輛靠近時，預碰撞系統會發出警告，避免后車追尾碰撞。同時，該Pre-Safe系統增加了車輛在緊急制動時固定車輛的功能，可以在急剎時減少車輛的前傾反沖，進而降低乘員頸部傷害風險。

豐田公司也于2003年推出了Pre-Collision系統，采用毫米波雷達感知車輛和障礙物，使用單目攝像頭傳感器檢測行人，此外在轉向柱上安裝了攝像頭用來監控駕駛員的精神狀況[3]。該系統早期的執行裝置主要是預緊式安全帶和座椅，后又陸續增加了輔助緊急制動和主動控制懸架等裝置。

沃爾沃公司推出了City Safety城市安全系統[4]，第一代產品于2009年開始在商業應用，現在已是第三代產品。該系統采用毫米波雷達和單目攝像頭相結合的方式探測車輛、行人、騎行者以及麋鹿等大型動物，預判危險并提前警示，進而采取相應措施，幫助避免碰撞或者減少碰撞程度。

博世公司于2000年左右采用毫米波雷達研制出預碰撞系統，在后續發展過程中又提出了集成式碰撞檢測、個性化乘員安全與調整、被動安全預觸發、事故引導與校準等多個階段目標，并進行持續性研究改進汽車整體式安全[5]。

2019年，德國ZF(采埃孚)公司宣布研發出世界上第一款預碰撞外置側面安全氣囊，并在封閉場地進行了撞擊演示，如圖1所示。整個外置側面安全氣囊的容量相當于駕駛座安全氣囊容量的5倍～8倍，事故發生前其從側面向上展開，在車門側面區域形成防撞緩沖區，以減輕事故傷亡。此外，該系統還可以在碰撞事故發生之前向乘員發出警告，并觸發主動安全帶控制卷收器，將乘員固定在安全位置，緩解受傷狀況。

圖1 采埃孚推出的預碰撞外置側面安全氣囊系統

此外在學術界，國內外許多科研人員對汽車安全預碰撞系統的研發和測試也進行了大量的研究工作。國外Mark M等研究了可逆預緊式安全帶和AEB的聯合作用，分析對乘員離位姿態的改善情況[6]。Daisuke I等使用臺車模擬碰撞試驗，研究可逆預緊式主動安全帶和傳統安全帶對乘員傷害的影響[7]。Meijer R等運用MADYMO模型庫里面的主動假人模型，在預碰撞工況下展開對乘員傷害的研究[8]。Bálint A等提出了一種基于試驗對預碰撞系統進行評估的方法，在追尾碰撞工況下通過減少的傷亡數量和事故降低的程度來驗證該評估方法的有效性[9]。在國內學術界，清華大學張金換教授團隊研制出預警預判控制系統[10]，周青教授團隊對自適應約束系統展開相關研究[11]。湖南大學曹立波教授團隊對預碰撞可逆式安全帶和自適應約束系統等方面也進行了大量的研究工作[12]。吉林大學陳鑫教授團隊對形狀記憶合金預碰撞智能防護方面進行了研究[13]。此外，重慶理工大學[14]等其他高校也對預碰撞進行了相關研究。

2 汽車安全預碰撞系統測評方法

目前，汽車安全預碰撞系統的測評方法在行業內還沒有形成統一的標準和測試規范，尚處于研究階段。本文梳理出國內外權威測試機構和主流汽車制造商對于預碰撞系統的測試思路和研究方法，為本領域從業人員提供借鑒。

2.1 歐盟ASSESS項目測評方法

ASSESS(Assessment of Integrated Vehicle Safety Systems for Improved Vehicle Safety)項目是由多家歐洲汽車制造商、汽車零部件供應商聯合發起的，其目的是制訂出一套針對汽車整體安全系統性能測試規程[15]。該項目將預碰撞技術納入到汽車整體安全系統內，并研究制訂出可執行的標準規程和相關工具對商用的預碰撞系統進行測評。

為了比較全面客觀地測評汽車集成安全系統性能，ASSESS項目組劃分4個方面進行標準規程的制定和研究，分別是駕駛員行為評價、預碰撞系統感知性能評價、碰撞性能評價和社會經濟評價。

駕駛員行為研究是通過采用模擬駕駛仿真器和實際場地測試兩種方式進行，考核指標采用剎車反應時間BRT(Brake Reaction Time)和碰撞時間TTC(Time to Collision)兩個關鍵指標作為人機交互的評價指標。試驗用的模擬駕駛仿真器和仿真試驗路線如圖2所示，試驗采用的虛擬行駛路線是鄉村環城高速公路。

圖2 豐田模擬駕駛仿真器和仿真試驗路線

預碰撞系統感知性能測試是在3D真車全尺寸的軟車體上面進行的，測試場景如圖3所示。軟車體的內側使用了雷達反射材料，通過雷達傳感器因此可以獲得逼真高清的圖像。ASSESS項目組成員荷蘭國家應用科學院TNO(Netherlands Organisation for Applied Scientific Research)對雷達傳感器的能見度規格進行了詳細定義，并對目標車輛和參考車輛的雷達傳感器進行了測量對比。

圖3 預碰撞系統感知性能測試場景

碰撞性能研究是考慮預碰撞系統介入之后對乘員的傷害分析。在研究過程中，分別運用CAE仿真、滑臺試驗和實車試驗3種技術手段進行驗證。在ASSESS評價項目中，預碰撞系統執行裝置主要是將自動緊急剎車和可逆預張緊安全帶納入考察范圍內。

2.2 美國高速公路安全管理局NHSTA的AARS項目測評方法

美國高速公路安全管理局NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)尚未有針對預碰撞系統完整的測試方法，AARS(Advanced Adaptive Restraints Systems)項目是對安全自適應約束系統進行評價研究，自適應約束系統也是汽車預碰撞系統的一部分，因此本文也將這個項目的研究方法進行梳理。

AARS項目的主要研究內容是車輛在緊急自動剎車之后，自適應約束系統能否根據不同的乘員身材、坐姿、碰撞類型條件而產生自適應變化的功能，并確認是否能夠減少對乘員的傷害。項目研究分為3個階段：①通過CAE仿真構建自適應約束系統的模型并驗證其有效性；②開發自適應約束系統和感知系統實物；③采用滑臺模擬碰撞來驗證自適應約束系統的有效性。AARS研究的自適應約束系統主要是氣囊的自適應變化，根據乘員身材、坐姿、碰撞類型等條件改變氣囊形狀和排氣速度等參數。

為評估自適應約束系統的有效性，項目組分別使用HIII 5 F、THOR 50M、HIII 95M假人在正常與離位兩種狀態下開展試驗研究。假人整體評價指標包含頭部傷害指標HIC15、腦部傷害指標BrIC、頸部傷害指標Nij、胸部壓縮量ChD、大腿軸向力Femur五部分。其中，假人傷害評價指標腦部損傷BrIC為新增加項[16]。

為直觀整體評價乘員傷害，基于損傷定級標準AIS3+的傷害風險概率p將乘員各傷害指標轉為損傷風險概率，最后歸一化處理為整體乘員損傷風險概率指標OIM，以此OIM值作為最終評價指標。OIM的計算公式為：

2.3 戴姆勒奔馳公司對預碰撞系統測評方法

戴姆勒奔馳公司在2003年開始進行預碰撞系統的研究，并開發出Pre-Safe系統。為測評預碰撞Pre-Safe系統的性能，戴姆勒奔馳公司也進行了大量的試驗研究。其研究目標主要是考察緊急自動剎車和可逆預緊安全帶聯合作用下發生碰撞后對乘員的影響，并開發出對預碰撞系統性能的測試方法[17]。

研究的具體思路是：首先考慮緊急自動剎車對乘員前傾位移量的影響，如圖4所示；其次對比志愿者和HIII 50M假人在相同剎車狀況下身體部位前傾位移量的區別，并研究出一種泡沫材料板放置在假人腹部位置來緩解與志愿者前傾位移量的差別；然后通過場景試驗明確Pre-Safe系統剎車降速性能；最后通過實車矩陣試驗對比研究pre-safe系統在碰撞中對車輛和HIII 50M假人傷害指標的影響。

圖4 急剎狀況下志愿者和HIII 50M假人前傾位移變化

3 對于我國汽車安全預碰撞系統測評方法建議

歐美權威汽車測評機構和主流汽車制造商在評估汽車安全預碰撞系統中還均處于研究改善階段，并未形成完整的測試體系，因此我國在該領域還將大有可為，通過未來的努力，完全有機會引領該行業的發展。結合作者多年的測試經驗，對我國建立汽車安全預碰撞系統測評體系提出以下幾點建議：

(1) 我國不同省份道路差異較大，整體道路工況比較復雜，在行車過程中人車交互頻繁，交通事故類型多樣，因此，我國應進一步完善中國交通事故深入研究數據庫CIDAS，并詳細記錄交通事故前、碰撞過程和事故后3個階段的人、車、路、環境等方面信息。并依據CIDAS數據庫開發出真實的碰撞測試場景，為研究開發適合我國國情的預碰撞系統奠定基礎。

(2) 目前現行的碰撞測試假人HIII 50M和THOR 50M都還存在剛度大的問題，不能很好地反映人體在緊急自動剎車狀況下的運動姿態，也不能體現人體肌肉變化等應激反應。更加先進符合人體生物力學性能和運動姿態的碰撞測試假人亟待解決，假人傷害指標也需要進一步的研究與改進。因此，應加快開發具有中國特征的碰撞測試假人，以便更好地促進我國預碰撞技術的發展。

(3) 在開展安全預碰撞系統測評體系中，應從部件級和集成系統級兩個層面來進行評價，如此不僅僅考察集成系統的性能，還要關注部件級的性能，也提高預碰撞系統部件的安全性。部件級測評是指分別單獨測評預碰撞系統的環境感知能力、碰撞預警預判能力和執行裝置響應能力；集成系統級測評是在所有預碰撞系統單元參與作用下，最終對碰撞避免或碰撞減輕程度的效果評價。