追尾避讓中的AEB系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法研究

馮弟瑤陳君毅王宏雁徐瀟何宇桐

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海聯(lián)合道路交通安全科學(xué)研究中心，上海 201804）

追尾避讓中的AEB系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法研究

馮弟瑤1陳君毅1王宏雁1徐瀟1何宇桐2

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海聯(lián)合道路交通安全科學(xué)研究中心，上海 201804）

為確定自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值，提出了一種依據(jù)真實(shí)追尾事故進(jìn)行虛擬計(jì)算仿真的優(yōu)化方法。利用PC-Crash對(duì)84起真實(shí)追尾事故進(jìn)行了事故重建，并根據(jù)AEB系統(tǒng)雷達(dá)的不同參數(shù)值進(jìn)行虛擬計(jì)算得到虛擬事故重建結(jié)果，通過(guò)對(duì)比事故避免率確定AEB系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值。結(jié)果表明：基于該84起真實(shí)追尾事故，AEB系統(tǒng)中雷達(dá)探測(cè)角和探測(cè)距離的最終優(yōu)化結(jié)果分別為40°和150 m。

主題詞:AEB 雷達(dá) 關(guān)鍵參數(shù) 追尾事故 仿真 優(yōu)化

1 前言

追尾碰撞事故發(fā)生頻次高[1]，且往往導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。研究表明，在危險(xiǎn)工況下，駕駛員如果有0.5 s的預(yù)處理時(shí)間，就可以減少30%的追尾碰撞事故[2]。自動(dòng)緊急制動(dòng)（Automatic Emergency Braking，AEB）系統(tǒng)可以在碰撞發(fā)生前發(fā)出警報(bào)并實(shí)施制動(dòng)干預(yù)，最大限度地避免事故的發(fā)生或減輕事故傷害[3]。

外國(guó)學(xué)者運(yùn)用交通事故具體案例和深度數(shù)據(jù)對(duì)AEB系統(tǒng)的性能和效用進(jìn)行研究，旨在通過(guò)仿真測(cè)試開發(fā)出適用于自身道路環(huán)境及交通狀況的AEB系統(tǒng)。美國(guó)學(xué)者[4～5]基于美國(guó)國(guó)家機(jī)動(dòng)車事故抽樣采集系統(tǒng)（National Automotive Sampling System，NASS）和車輛碰撞數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Crashworthiness Data System，CDS）數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)獨(dú)立事故案例研究建立典型事故工況，提出了一種分析追尾碰撞事故中AEB系統(tǒng)性能和效用的方法；澳大利亞學(xué)者[6]對(duì)事故進(jìn)行深度研究，基于事故的重建和仿真對(duì)AEB系統(tǒng)的潛在效用進(jìn)行評(píng)價(jià)；德國(guó)學(xué)者[7～9]基于德國(guó)交通事故深度研究（German In-Depth Accident Study，GIDAS）數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)事故仿真評(píng)估汽車主動(dòng)安全技術(shù)的潛在效用。而國(guó)內(nèi)關(guān)于AEB系統(tǒng)的研究主要集中在仿真測(cè)試和控制策略方面。江麗君等人[10]將利用行車記錄儀采集到的國(guó)內(nèi)真實(shí)危險(xiǎn)工況與事故工況數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析得到追尾避讓AEB的測(cè)試工況；董小飛等人[11]基于國(guó)內(nèi)真實(shí)危險(xiǎn)工況數(shù)據(jù)，得到危險(xiǎn)工況下駕駛員的反應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)減速度以及碰撞時(shí)間（Time To Collision，TTC）、車間時(shí)間（Time Headway，THW）、TTC-1（TTC的倒數(shù)）等參數(shù)的特征。但是，國(guó)內(nèi)還沒有適用于中國(guó)道路交通環(huán)境及狀況的AEB系統(tǒng)研究。

本文基于中國(guó)道路交通環(huán)境中的追尾事故具體案例，建立AEB系統(tǒng)的算法和模型，并結(jié)合PC-Crash事故重建數(shù)據(jù)，在每一起事故案例中考察AEB系統(tǒng)的性能和效用，并以雷達(dá)參數(shù)為例對(duì)AEB系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，確定AEB系統(tǒng)適用于中國(guó)道路交通環(huán)境的最優(yōu)參數(shù)組合，為面向中國(guó)市場(chǎng)的AEB系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

本文涉及的84起追尾碰撞事故案例來(lái)源于上海聯(lián)合道路交通安全科學(xué)研究中心（Shanghai United Road Traffic Safety Scientific Research Center,SHUFO）于2005～2014年在上海市嘉定區(qū)所采集的重特大交通事故數(shù)據(jù)（見表1）。對(duì)這些案例的碰撞重疊率、目標(biāo)車輛及對(duì)象車輛的車速等特征進(jìn)行分析，并歸納追尾碰撞事故的典型碰撞工況，為后續(xù)AEB系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和效用的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

表1 追尾事故案例典型工況

碰撞重疊率是追尾碰撞事故的重要特征因素，指目標(biāo)車輛車頭碰撞接觸區(qū)域占車頭全寬的比例。84起追尾事故碰撞重疊率分布情況如圖1所示（統(tǒng)計(jì)計(jì)算中精確到1%），小重疊率（0～20%）事故發(fā)生的頻次占據(jù)了相當(dāng)一部分比例。

碰撞車速是影響碰撞嚴(yán)重程度的直接因素，一般來(lái)說(shuō)，碰撞車速越大、目標(biāo)車輛與對(duì)象車輛之間的速度差（Δv）越大，碰撞的程度就越劇烈。Δv分布如圖2所示（統(tǒng)計(jì)計(jì)算中取整數(shù)處理），Δv在0～30 km/h和31～60 km/h兩個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)居多。

圖1 追尾事故碰撞重疊率分布

圖2 Δv分布

通過(guò)對(duì)目標(biāo)車輛和對(duì)象車輛碰撞發(fā)生前的行駛工況展開分析，提取并建立追尾碰撞事故的典型工況如表1所列。

3 仿真研究方案

3.1 事故重建

PC-Crash是運(yùn)用動(dòng)量和沖量進(jìn)行事故再現(xiàn)重建的應(yīng)用軟件，本文選擇該軟件開展仿真研究。首先，運(yùn)用PC-Crash軟件對(duì)84起樣本事故案例進(jìn)行深度事故重建（見圖3），獲得車輛在碰撞前、碰撞瞬間及碰撞后的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，再現(xiàn)事故發(fā)生過(guò)程；其次，將每個(gè)案例經(jīng)由AEB系統(tǒng)參數(shù)的修改再次進(jìn)行仿真，得到虛擬的事故結(jié)果（見圖4）。通過(guò)比較雷達(dá)各參數(shù)對(duì)于避免追尾事故效用的優(yōu)劣，確定AEB系統(tǒng)雷達(dá)參數(shù)的最優(yōu)值。對(duì)AEB系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究的過(guò)程中，以系統(tǒng)作用下的事故避免率作為AEB系統(tǒng)的評(píng)價(jià)條件，以AEB系統(tǒng)的碰撞避免性能作為衡量標(biāo)準(zhǔn)得出關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值。事故避免率定義為：

圖3 PC-Crash事故重建結(jié)果

圖4 AEB系統(tǒng)參數(shù)修改后PC-Crash仿真結(jié)果

采用多級(jí)制動(dòng)有助于AEB系統(tǒng)在危險(xiǎn)工況中更加舒適、平順地介入，制動(dòng)效果更強(qiáng)、速度減小率更大，碰撞避免過(guò)程中的表現(xiàn)相比于單級(jí)制動(dòng)也更加優(yōu)秀[12]。因此，本文的AEB系統(tǒng)采用兩級(jí)制動(dòng)的策略，參考一般路面的最大附著系數(shù)、PreScan手冊(cè)中典型車-車AEB系統(tǒng)部分制動(dòng)級(jí)減速度，以及市場(chǎng)上典型AEB系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，并考慮到最大限度減小TTC對(duì)雷達(dá)參數(shù)仿真研究的影響，設(shè)定AEB兩級(jí)制動(dòng)部分參數(shù)如表2所示（兩級(jí)制動(dòng)所對(duì)應(yīng)的TTC分別記為TTC1和TTC2）。實(shí)際仿真時(shí)，車輛實(shí)現(xiàn)的減速度情況受每個(gè)樣本中實(shí)際道路附著條件的制約。

表2 兩級(jí)制動(dòng)部分參數(shù)設(shè)定

3.2 雷達(dá)參數(shù)取值范圍

雷達(dá)探測(cè)的過(guò)程中，探測(cè)角和探測(cè)距離越大，對(duì)探測(cè)質(zhì)量和探測(cè)效率的影響越大，產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)和干擾的可能性也越高。同時(shí)，探測(cè)角和探測(cè)距離的設(shè)定也需要在實(shí)際雷達(dá)探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)。本文以市場(chǎng)上存在的雷達(dá)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，以在探測(cè)技術(shù)可以支撐的范圍內(nèi)最大程度地發(fā)揮AEB系統(tǒng)的碰撞避免性能為原則，對(duì)雷達(dá)探測(cè)角和探測(cè)距離兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，確定雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值。

表3所示為典型雷達(dá)的關(guān)鍵參數(shù)，由此可了解已有產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)范圍。設(shè)定探測(cè)角的取值分別為10°、20°、30°、40°、50°和90°（其中90°的探測(cè)角在實(shí)際的雷達(dá)產(chǎn)品中一般只能在60 m以下的探測(cè)距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離不具備足夠的探測(cè)能力，仿真得到的結(jié)果也只能用作比對(duì)和參考）；設(shè)定探測(cè)距離的取值分別為40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、150 m、180 m、210 m和250 m。

表3 典型雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)匯總

3.3 仿真方案設(shè)計(jì)

對(duì)于探測(cè)角和探測(cè)距離采取控制變量、單獨(dú)研究的方法，分別討論兩者對(duì)于碰撞避免性的影響。仿真流程如圖5所示，在仿真過(guò)程中得到的探測(cè)角和探測(cè)距離的優(yōu)化取值分別記作RTA（Radar Test Angle）和RTD（Radar Test Distance），RTD初始值RTD（0）=100 m（市場(chǎng)上雷達(dá)產(chǎn)品探測(cè)距離可選范圍的中間值）。

圖5 仿真流程

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)圖5所示的流程進(jìn)行多輪迭代仿真，得到雷達(dá)參數(shù)的最優(yōu)值組合為RTD=150 m，RTA=40°，仿真結(jié)束。

4.1 探測(cè)角

設(shè)定RTD=150 m，對(duì)雷達(dá)探測(cè)角進(jìn)行仿真研究。

4.1.1 仿真結(jié)果分析

不同探測(cè)角下各典型工況的事故避免率如圖6所示。隨著探測(cè)角的增大，對(duì)于事故的整體碰撞避免率從88.1%逐漸增加到92.9%（RTA=90°），當(dāng)探測(cè)角度達(dá)到40°時(shí)，事故避免率基本不再隨探測(cè)角度增加而增加；探測(cè)角度的增加對(duì)典型工況1～工況3的事故避免率基本沒有影響；工況4中探測(cè)角度從40°增加到90°，事故避免率有一定增加。

圖6 不同探測(cè)角條件下各典型工況事故避免率

不同探測(cè)角下各碰撞重疊率事故的事故避免率如圖7所示。探測(cè)角的增加對(duì)于碰撞重疊率在50%以上的事故沒有影響，對(duì)于碰撞重疊率在0～20%和21%～50%區(qū)間內(nèi)事故的避免均產(chǎn)生了一定的正面影響，探測(cè)角達(dá)到40°時(shí)，事故避免率均基本不再增加。

圖7 不同探測(cè)角條件下各碰撞重疊率事故的事故避免率

4.1.2 探測(cè)角最優(yōu)值選取

當(dāng)探測(cè)距離設(shè)定為理想值150 m，探測(cè)角度從10°增加到90°，事故整體避免率增益為4.8個(gè)百分點(diǎn)（由88.1%增長(zhǎng)至92.9%），而探測(cè)角度從10°增加到40°，事故整體避免率的增益為3.6個(gè)百分點(diǎn)（由88.1%增長(zhǎng)至91.7%），覆蓋了全部增益的75%，并且當(dāng)探測(cè)角度從40°增加到90°時(shí)，絕大部分典型工況和碰撞重疊率下事故避免率不再增大，并考慮到90°的雷達(dá)探測(cè)角度在探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，故AEB系統(tǒng)中雷達(dá)探測(cè)角的最優(yōu)值設(shè)定為40°。

4.2 探測(cè)距離

設(shè)定RTA=40°，對(duì)探測(cè)距離進(jìn)行仿真研究。

4.2.1 仿真結(jié)果分析

不同探測(cè)距離下各典型工況事故避免率如圖8所示。當(dāng)探測(cè)角度為40°時(shí)，150 m的探測(cè)距離下能夠最大程度的發(fā)揮AEB系統(tǒng)的碰撞避免性能。當(dāng)探測(cè)距離達(dá)到150 m以后，探測(cè)距離的增大對(duì)于整體碰撞避免率以及各典型工況事故避免率不再產(chǎn)生增益。

不同探測(cè)距離各Δv事故避免率如圖9所示。當(dāng)探測(cè)距離達(dá)到150 m時(shí)，各Δv下事故避免率隨探測(cè)距離增加基本不再變化。

圖8 不同探測(cè)距離各典型工況事故避免率

圖9 不同探測(cè)距離各Δv事故避免率

4.2.2 探測(cè)距離最優(yōu)值選取

當(dāng)探測(cè)角度達(dá)到最優(yōu)值40°時(shí)，150 m的探測(cè)距離仍然能夠在不同條件下最大程度地發(fā)揮出AEB系統(tǒng)的碰撞避免性能，與得到探測(cè)角度最優(yōu)值40°設(shè)定的探測(cè)距離初始值一致。因此，AEB系統(tǒng)中雷達(dá)探測(cè)距離的最優(yōu)值設(shè)定為150 m。

至此，雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值已經(jīng)全部產(chǎn)生。在這樣的參數(shù)設(shè)定下，能夠在各種典型工況中、不同碰撞重疊率條件下、不同Δv及碰撞車速條件下最大程度地發(fā)揮出AEB系統(tǒng)的碰撞避免性能，是雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)研究得出的最優(yōu)參數(shù)組合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)SHUFO采集到的84起追尾事故進(jìn)行了特征分析，并運(yùn)用PC-Crash對(duì)每起事故進(jìn)行了事故重建。在此基礎(chǔ)上，以雷達(dá)參數(shù)為例進(jìn)行不同參數(shù)下AEB系統(tǒng)的介入，并重新獲得每起事故的虛擬重建結(jié)果。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)下AEB系統(tǒng)介入后事故避免率的分析，得到了AEB系統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)角和探測(cè)距離的優(yōu)化組合為40°和150 m，在該參數(shù)組合條件下，事故整體避免率達(dá)到92.3%。

本文在研究過(guò)程中存在樣本容量較小、未考慮天氣因素對(duì)傳感器模型的影響以及未加入駕駛員模型等不足，在進(jìn)一步研究中，將考慮擴(kuò)大追尾事故采集范圍、豐富樣本容量，同時(shí)加入駕駛員模型和AEB系統(tǒng)預(yù)警功能對(duì)于駕駛員警示作用，從而得到更精準(zhǔn)的研究結(jié)果。

1 徐瀟，陳君毅，代超.基于深度事故研究的側(cè)面碰撞事故特征分析.2014第十七屆中國(guó)汽車安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì)，保定，2014.

2 劉明哲.高速公路追尾碰撞預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)的研究：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

3 Active Test Consortium.Dissemination of Performance Testing Methods for Active Safety Functions in Road Vehicles.2011.

4 Kusano K D,Gabler H C.Potential Occupant Injury Reduction in Pre-Crash System Equipped Vehicles in the Striking Vehicle of Rear-end Crashes.54th AAAM Annual Conference Annals of Advances in Automotive Medicine，Las Vegas，2010.

5 Kusano K D,Gabler H C.Safety Benefits of Forward Collision Warning,Brake Assist and Autonomous Braking Systems in Rear-End Collisions.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2012，13（4）：1546～1555.

6 Anderson R,Doecke S,Mackenzie J,et al.Potential Benefits of Autonomous Emergency Braking Based on In-Depth Crash Reconstruction and Simulation.International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV)，Seoul，2013.

7 Erbsmehl C.Simulation of real crashes as a method for estimating the potential benefits of advanced safety technologies.International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV)，Stuttgart，2009.

8 Lindman M,Tivesten E.Method for estimating the benefit of autonomous braking systems using traffic accident data.SAE World Congress，Detroit，2006.

9 Georgi A,Zimmermann M,Lich T,et.al.New Approach of Accident Benefit Analysis for Rear End Collision Avoidance and Mitigation Systems.International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，Stuttgart，2009.

10 江麗君.自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)評(píng)方法研究：[學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué)，2014.

11 董小飛.典型危險(xiǎn)工況事故回避策略研究：[學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué)，2013.

12 代超.行人避撞安全系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)及效用評(píng)價(jià)研究：[學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué)，2015.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年9月21日。

Method to Optimize the Key Parameters of the AEB System for Rear-end Collision Avoidance

Feng Diyao1,Chen Junyi1,Wang Hongyan1,Xu Xiao1,He Yutong2
（1.Tongji University,Shanghai 201804;2.Shanghai United Road Traffic Safety Scientific Research Center(SHUFO), Shanghai 201804）

In this research,a simulation method based on true rear-end collision accidents was proposed to find out the optimal value of the AEB system’s key parameters.Firstly,84 true rear-end collision accidents with PC-Crash were rebuilt and then AEB data with different parameters was imported into PC-Crash to rebuild all the accidents again,virtual accident results were derived.By comparing accidents avoidance rate,we captured the optimal values of AEB system’s key parameters.The results showed that,based on the 84 true rear-end collision accidents,the optimal values of AEB system radar’s detection angle and detection distance are 40°and 150 m.

AEB,Radar,Key parameters,Rear-end collision,Simulation,Optimization

U461.91

A

1000-3703（2016）11-0008-05