基于EU 2021/1958的機動車智能速度輔助系統(tǒng)性能試驗研究

顏為光 張文 張越 袁定立

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，武漢 430056）

1 前言

目前，汽車行業(yè)仍面臨嚴(yán)重的道路交通安全問題[1-2]，超速駕駛是引起交通事故的主要原因之一[3]。智能速度輔助（Intelligent Speed Assistance，ISA）系統(tǒng)可在車輛超過限速時提示駕駛員減速并在必要時主動減速，旨在避免超速造成事故或減輕事故后果[4-6]，成為研究人員關(guān)注的焦點[7-9]。

歐盟委員會于2021 年正式發(fā)布EU 2021/1958。根據(jù)EU 2019/2144，M 類和N 類機動車自2022 年7月6 日起需要為新車型配備ISA 系統(tǒng)，2022 年7 月7日起，所有新車配備ISA 系統(tǒng)，系統(tǒng)具體技術(shù)要求和測試要求參照該標(biāo)準(zhǔn)附錄Ⅱ即EU 2021/1958 執(zhí)行。美國與日本目前尚無ISA系統(tǒng)相關(guān)法規(guī)。2020年以來，我國交通運輸部牽頭在“兩客一危一重貨”重點車輛上安裝智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對駕駛?cè)笋{駛行為及車輛運行軌跡（車速、地理位置等）進行實時監(jiān)控，以便識別、預(yù)警提示交通違法行為，但這種管控未對即時車速與車速限制要求符合情況進行監(jiān)控，國內(nèi)目前尚無ISA 系統(tǒng)強制法規(guī)要求?？傮w而言，目前國內(nèi)對機動車ISA 系統(tǒng)性能、標(biāo)準(zhǔn)及測試方法研究較少。

EU 2021/1958 作為世界上首個測評機動車ISA系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)，得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。本文首先介紹ISA 系統(tǒng)的工作原理及EU 2021/1958規(guī)定的典型測試場景，并研究開發(fā)機動車ISA性能測試系統(tǒng)和測試場景，最后進行道路驗證測試，以期為國內(nèi)機動車ISA系統(tǒng)的開發(fā)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

2 ISA系統(tǒng)原理

ISA 系統(tǒng)主要由控制器、攝像頭、縱向控制執(zhí)行器及人機交互界面組成[10]，其中人機交互界面主要包括ISA 系統(tǒng)開關(guān)、ISA 系統(tǒng)預(yù)警提示和ISA 系統(tǒng)狀態(tài)提示信息。

ISA 系統(tǒng)基于車輛安裝的傳感設(shè)備實時感知車輛的行駛狀態(tài)（車輛行駛方向、車速及距離等數(shù)據(jù)），基于車速標(biāo)志識別攝像頭和/或車載GPS 接收機、導(dǎo)航儀等網(wǎng)聯(lián)設(shè)備，確定車輛行駛位置的道路限速。ISA 系統(tǒng)控制器接收限速信息后，結(jié)合駕駛員的操作意圖和操作信息，對數(shù)據(jù)進行融合分析處理。在車輛處于超速行駛的危險狀況下，首先通過顯示單元向駕駛員提供預(yù)警信息，并在必要時利用車輛的電子節(jié)氣門、空氣泵等裝置對節(jié)氣門及制動踏板等縱向控制執(zhí)行器進行控制，從而保證車輛安全、平穩(wěn)行駛[8]。

3 EU 2021/1958 典型ISA 系統(tǒng)測試工況及評價指標(biāo)

根據(jù)EU 2021/1958 的要求，機動車ISA 系統(tǒng)應(yīng)包括車速限制信息功能（Speed Limit Information Function，SLIF）和車速限制警告功能（Speed Limit Warning Function，SLWF）或車速控制功能（Speed Control Function，SCF），標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各工況要求如表1 所示，SLIF-顯式限速標(biāo)志感知測試、SLWF（視覺+聲學(xué)/觸覺）限速警告測試及SCF（加速、響應(yīng)及超控工況）測試工況是其中的典型工況。

表1 ISA系統(tǒng)典型場景測試通過條件

3.1 SLIF-顯式限速標(biāo)志感知測試

如圖1 所示，試驗車輛保持在車道中心以穩(wěn)定大于限速標(biāo)志牌規(guī)定速度駛向顯式限速標(biāo)志。

圖1 SLIF-限速標(biāo)志感知測試場景示意

3.2 SLWF（視覺+聲學(xué)/觸覺）限速警告測試

試驗車輛在車道中心以某穩(wěn)定速度駛向限速標(biāo)志，限速標(biāo)志的限速值應(yīng)至少比車輛初始速度高38%。平穩(wěn)加速以啟動SLWF 系統(tǒng)，使其分別以比測試限速高1%～8%、11%～18%、21%～28%及31%～38%的速度通過限速標(biāo)志，繼續(xù)行駛直到觀察到視覺警告、級聯(lián)聲學(xué)或觸覺警告。對于聲學(xué)警告，繼續(xù)行駛至少5.0 s，然后在3 s 內(nèi)減速到8 s 前的測試限制速度以下；對于觸覺警告，繼續(xù)行駛至少12.0 s，然后在3 s內(nèi)減速到15 s前的測試限制速度以下。

3.3 SCF-加速測試

試驗車輛在初始速度范圍內(nèi)在SCF激活狀態(tài)下駕駛，駕駛員不應(yīng)施加主動超控動作，直到啟動SCF干預(yù)。測試分為3個場景：城市限速，初始速度≤20 km/h，測試限速為50 km/h；城際限速，初始速度≤50 km/h，測試限速為80 km/h；高速公路限速，初始速度≤100 km/h，測試限速為130 km/h。

3.4 SCF-響應(yīng)測試

在城市工況下進行限速為50 km/h 的測試，試驗車輛初始速度為70～79 km/h，初始速度限值80 km/h；SCF 激活狀態(tài)下，車輛應(yīng)在初始儀表車速范圍內(nèi)恒速行駛，感知速度限值應(yīng)設(shè)置為初始速度限值以使SCF功能不觸發(fā)。然后設(shè)置感知速度限值為試驗限速值，車輛繼續(xù)在初始儀表車速范圍內(nèi)恒速行駛以觸發(fā)SCF。

3.5 SCF-超控測試

在城市工況下進行限速為50 km/h 的測試，試驗車輛初始速度≤35 km/h，超控結(jié)束時速度應(yīng)≥65 km/h。試驗車輛應(yīng)在SCF 激活狀態(tài)下恒速行駛，感知限速應(yīng)為試驗限速值。對車輛進行加速時不應(yīng)進行主動超控，直到啟動SCF 干預(yù)。干預(yù)啟動后采用主動超控動作將車輛加速到最終速度范圍，然后將車輛減速至儀表車速低于試驗限速，并再次在不主動超控狀態(tài)下加速，直至啟動SCF干預(yù)。

4 ISA測試系統(tǒng)及測試場景構(gòu)建

4.1 ISA測試系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)EU 2021/1958，ISA 系統(tǒng)性能試驗需測量試驗車輛速度、車輛參考點與限速標(biāo)志縱向相對距離及系統(tǒng)報警時刻，具有較高精度要求。為保證測試的精度、可靠性和可重復(fù)性，采用專業(yè)的測試設(shè)備進行測試。

如圖2所示，選用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對車輛的速度進行測量，為提高定位精度、保證試驗準(zhǔn)確性，建立測試基站，選用實時動態(tài)（Real Time Kinematic，RTK）測量系統(tǒng)對被測車輛參考點與限速標(biāo)志縱向相對距離進行分析采集，RTK 測量系統(tǒng)鎖定后實時動態(tài)位置精度可達到2 cm。采用如圖3a所示的羅技高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭實時拍攝組合儀表視覺報警顯示區(qū)域以采集報警視覺信號，采用如圖3b所示的AVAD3系統(tǒng)對聲音報警信號進行實時采集和捕捉，二者組成預(yù)警信號采集系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取報警時刻。

圖2 測試基站與RTK測量系統(tǒng)

圖3 預(yù)警信號采集系統(tǒng)及德威創(chuàng)數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)

ISA 系統(tǒng)整車道路試驗軟、硬件及監(jiān)控方案如圖4所示，主要子系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、通信基站系統(tǒng)（主要包括測試基站與RTK 測量系統(tǒng)）及預(yù)警信號（包括聲學(xué)與視覺信號）采集系統(tǒng)。測試時利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與RTK 測量配套軟件完成其配置設(shè)置，并采用如圖3c所示的德威創(chuàng)數(shù)據(jù)采集器通過CAN 總線通信協(xié)議獲取試驗車輛車速、相對限速標(biāo)志位置及系統(tǒng)報警信號等信息，從而可以通過軟件實時獲取車輛運動狀態(tài)與測試過程數(shù)據(jù)等試驗動態(tài)信息。

圖4 ISA系統(tǒng)整車道路試驗軟硬件及監(jiān)控方案

4.2 ISA系統(tǒng)測試場景構(gòu)建

將限速標(biāo)志固定于試驗道路側(cè)方，構(gòu)建ISA系統(tǒng)典型測試場景，如圖5 所示。測試前需通過RTK 測量系統(tǒng)設(shè)置試驗車輛ISA 系統(tǒng)參考點與限速標(biāo)志縱向相對距離為零的位置。測試時通過RTK 測量系統(tǒng)實時監(jiān)測試驗車輛與車道中心線相對距離以保證車輛與限速標(biāo)志間的橫向距離穩(wěn)定，然后即可按照標(biāo)準(zhǔn)中對各測試工況的要求駕駛試驗車輛經(jīng)過限速標(biāo)志完成ISA 系統(tǒng)性能測試。

圖5 ISA系統(tǒng)典型測試場景

5 ISA系統(tǒng)性能驗證試驗

5.1 試驗車輛

采用某款M3類乘用車作為試驗車輛，按照EU 2021/1958 的要求進行ISA 系統(tǒng)性能測試，車輛參數(shù)如表2所示。

表2 試驗車輛參數(shù)

5.2 測試結(jié)果分析

根據(jù)表2 所示試驗車輛ISA 系統(tǒng)類別及報警形式，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求使用所構(gòu)建的測試系統(tǒng)和測試場景，對車輛進行SLIF-顯式限速標(biāo)志感知測試與SLWF（視覺+聲學(xué)/觸覺）限速警告測試。

為驗證所設(shè)計試驗方案的可行性，在汽車試驗場的干燥水泥路面上開展試驗。本文選取試驗車輛最前端作為ISA 系統(tǒng)的參考點。如圖6 所示，通過實時數(shù)據(jù)平臺，可準(zhǔn)確采集試驗車輛速度、試驗車輛參考點與限速標(biāo)志縱向相對距離及報警時刻，從而實時監(jiān)控車輛運動狀態(tài)和測試過程數(shù)據(jù)。

圖6 SLIF-顯式限速標(biāo)志感知測試實時監(jiān)控

根據(jù)圖6 所示SLIF-顯式限速標(biāo)志感知測試曲線，對比車輛參考點與限速標(biāo)志牌位置相對距離為0的時刻t1與視頻中顯示識別出限速標(biāo)志牌的時刻t2可知，在車輛參考點經(jīng)過限速標(biāo)志牌前0.10 s，車輛即可識別出限速標(biāo)志，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)SLWF（試驗車輛速度比測試限速高1%～8%）限速警告測試實時數(shù)據(jù)獲得測試曲線如圖7 所示。由圖7可知，試驗車輛以53 km/h的速度均勻接近并駛過限速標(biāo)志，在車輛參考點經(jīng)過限速標(biāo)志0.15 s和2.65 s 后分別提供視覺和聲學(xué)報警，聲學(xué)報警持續(xù)3.10 s，視覺報警持續(xù)至聲學(xué)報警結(jié)束后7.18 s，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。不同試驗車速工況下警告測試結(jié)果統(tǒng)計如表3所示，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 ISA系統(tǒng)限速警告測試（車速比限速高1%～8%）曲線

表3 SLWF系統(tǒng)限速警告測試結(jié)果

對該警告測試結(jié)果進一步分析發(fā)現(xiàn)，如表4 所示，4 種試驗車速下測試車輛限速標(biāo)志識別時延有較大差異，其中限速標(biāo)志識別位置與限速標(biāo)志的距離為正或限速標(biāo)志識別時延為負(fù)，代表車輛參考點經(jīng)過限速標(biāo)志前已識別。隨著車速提高，限速標(biāo)志識別時延逐漸增大，如圖8所示。為分析其原因，對比不同車速下限速標(biāo)志識別位置，發(fā)現(xiàn)隨著車速提高，限速標(biāo)志識別位置越來越靠后，導(dǎo)致識別時延逐漸增大，如圖9 所示。這可能是由于車速越高，ISA 系統(tǒng)感知與識別限速標(biāo)志的難度越大，說明ISA系統(tǒng)開發(fā)時應(yīng)關(guān)注車速較高時系統(tǒng)準(zhǔn)確感知識別限速標(biāo)志的靈敏度問題。

圖8 限速標(biāo)志識別時延隨車速變化關(guān)系

圖9 限速標(biāo)志識別位置與限速標(biāo)志的距離隨車速變化關(guān)系

表4 不同車速下SLWF 系統(tǒng)限速警告測試限速標(biāo)志識別結(jié)果

6 結(jié)束語

針對目前國內(nèi)對機動車智能速度輔助（ISA）系統(tǒng)性能、標(biāo)準(zhǔn)及測試方法研究較少的現(xiàn)狀，本文介紹了ISA 系統(tǒng)的工作原理，并詳細(xì)研究了EU 2021/1958法規(guī)對機動車ISA系統(tǒng)性能的典型測試場景及評價指標(biāo)，開發(fā)了一套用于機動車ISA 系統(tǒng)性能測試評價的測試系統(tǒng)，并完成了道路驗證測試，可為國內(nèi)機動車ISA 系統(tǒng)的開發(fā)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

通過分析某乘用車道路試驗驗證結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車速越高時，車輛識別限速標(biāo)志牌的位置和時間越晚，故開發(fā)ISA 系統(tǒng)時應(yīng)關(guān)注車速較高時系統(tǒng)感知識別限速標(biāo)志的靈敏度問題。