高級(jí)車(chē)輛事故自動(dòng)呼救系統(tǒng)閾值對(duì)駕駛員傷情預(yù)測(cè)的影響＊

陸穎 殷越洲 葉恒毅

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

主題詞：高級(jí)車(chē)輛事故自動(dòng)呼救系統(tǒng) 速度變化量 傷情預(yù)測(cè)模型 臺(tái)車(chē)碰撞 門(mén)檻閾值

1 前言

高級(jí)車(chē)輛事故自動(dòng)呼救（Advanced Automatic Crash Notification，AACN）系統(tǒng)在車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，能夠檢測(cè)碰撞事故的發(fā)生，提供事故現(xiàn)場(chǎng)的精準(zhǔn)位置并預(yù)測(cè)車(chē)內(nèi)駕駛員的傷害程度[1]。

對(duì)于AACN 系統(tǒng)而言，一個(gè)可靠、準(zhǔn)確的駕駛員傷情預(yù)測(cè)模型是決定其工作性能的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員主要通過(guò)仿真建模來(lái)預(yù)測(cè)駕駛員各部位的傷情[2-3]，但是該方法無(wú)法預(yù)測(cè)駕駛員整體傷情?；诖?，國(guó)外研究人員提出采用Logistic 回歸模型對(duì)駕駛員傷情進(jìn)行預(yù)測(cè)[4-5]，該方法已被廣泛用一些豪華車(chē)型的AACN 系統(tǒng)中[6]。另一方面，與傳統(tǒng)的車(chē)輛事故自動(dòng)呼救（Automatic Crash Notification，ACN）系統(tǒng)相同，AACN系統(tǒng)也要解決碰撞事故判斷的效率和準(zhǔn)確性問(wèn)題[6]。對(duì)于以車(chē)身加速度信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)的AACN 系統(tǒng)，其一般包括2 個(gè)觸發(fā)閾值：一是“門(mén)檻閾值”，用來(lái)判斷碰撞事故是否發(fā)生，即區(qū)分交通事故與車(chē)輛緊急制動(dòng)、特殊工況行駛等情況；二是“觸發(fā)閾值”，用來(lái)決定AACN系統(tǒng)是否需要對(duì)外發(fā)出求救信號(hào)，即區(qū)分輕微碰撞事故與嚴(yán)重事故。

目前，對(duì)AACN 系統(tǒng)門(mén)檻閾值的設(shè)定不統(tǒng)一[7-9]，且缺少門(mén)檻閾值對(duì)駕駛員傷情影響的相關(guān)研究[10]。因此，本文通過(guò)建立正面碰撞下的駕駛員佩戴安全帶的回歸預(yù)測(cè)模型，將不同門(mén)檻閾值下的速度變化量代入其中，分析門(mén)檻閾值對(duì)預(yù)測(cè)駕駛員傷情的影響，最后提出可在不同門(mén)檻閾值下補(bǔ)償駕駛員傷情等級(jí)預(yù)測(cè)概率的算法。

2 正面碰撞條件下駕駛員傷情等級(jí)與速度變化量的關(guān)系

2.1 駕駛員傷情等級(jí)影響因素分析

駕駛員受傷主要由駕駛員與車(chē)內(nèi)構(gòu)件發(fā)生的“二次碰撞”導(dǎo)致，其嚴(yán)重程度不僅與碰撞車(chē)輛的速度變化量有關(guān)，還受到性別、年齡、車(chē)內(nèi)安全系統(tǒng)情況的影響，直接建立物理模型非常困難，本文主要借助數(shù)據(jù)分析的方法，建立碰撞車(chē)輛的速度變化量與駕駛員傷情之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文統(tǒng)計(jì)了美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局的事故數(shù)據(jù)庫(kù)中2006～2015 年共計(jì)150 例駕駛員佩戴安全帶的正面碰撞事故案例，案例信息包括駕駛員傷情等級(jí)是否到達(dá)最大簡(jiǎn)明損傷定級(jí)（Maximum Abbreviated Injury Scale，MAIS）3+、速度變化量、駕駛員年齡、性別、駕駛員側(cè)安全氣囊是否打開(kāi)。

在統(tǒng)計(jì)的碰撞事故案例報(bào)告中，駕駛員傷情依據(jù)簡(jiǎn)明損傷定級(jí)（Abbreviated Injury Scale，AIS）進(jìn)行評(píng)定。AIS根據(jù)傷員每處損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)分，是世界公認(rèn)的損傷評(píng)分方法，也是其他評(píng)分方法的基礎(chǔ)。AIS依據(jù)每處損傷的嚴(yán)重程度將傷情由輕到重分為1～6級(jí)，嚴(yán)重程度不能說(shuō)明的損傷評(píng)定為9級(jí)。一般認(rèn)為，當(dāng)傷情達(dá)到MAIS 3+時(shí)，傷員有受到嚴(yán)重傷害的危險(xiǎn)。在碰撞事故案例樣本統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+時(shí)，記錄為1，否則記錄為2。

碰撞速度變化量定義為車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)與碰撞分離時(shí)速度的差值，本文統(tǒng)計(jì)的范圍為8～120 km/h。統(tǒng)計(jì)的事故樣本，駕駛員年齡范圍為16～90歲。

將駕駛員傷情等級(jí)是否達(dá)到MAIS 3+作為因變量，速度變化量、駕駛員年齡、性別、駕駛員側(cè)安全氣囊是否打開(kāi)作為自變量，基于二分類(lèi)Logistic回歸模型，取顯著性水平為0.05，若自變量的顯著性水平小于0.05，則自變量與因變量的相關(guān)性較為顯著，反之不相關(guān)。各自變量的顯著性水平如表1所示。

表1 各自變量的顯著性水平

由表1可知，速度變化量與駕駛員側(cè)安全氣囊是否打開(kāi)對(duì)駕駛員傷情等級(jí)影響較大。ECE R94規(guī)定[11]，安全氣囊點(diǎn)火存在一定的“傳感灰度區(qū)間”，即正面碰撞時(shí)的車(chē)速處于該區(qū)間時(shí)，安全氣囊可以點(diǎn)火或不點(diǎn)火?！盎叶葏^(qū)”的存在以及安全氣囊的制造質(zhì)量等問(wèn)題，使得將駕駛員側(cè)安全氣囊是否打開(kāi)作為獨(dú)立因素進(jìn)行考慮并不合適。由于傳統(tǒng)安全氣囊點(diǎn)火控制器的算法主要以汽車(chē)碰撞時(shí)的加速度信號(hào)及其線(xiàn)性變化量作為基本參數(shù)，導(dǎo)致駕駛員側(cè)安全氣囊是否打開(kāi)仍可歸因于速度變化量[12]，因此本文只考慮速度變化量與駕駛員傷情等級(jí)的關(guān)系。

2.2 速度變化量與駕駛員傷情等級(jí)的Logistic回歸模型

本文以速度變化量為自變量，駕駛員傷情等級(jí)為因變量，駕駛員傷情等級(jí)只有MAIS 3+（MAIS 3～6）和小于MAIS 3，所以本文采用二分類(lèi)Logistic 回歸模型。設(shè)P(y=1)為駕駛員傷情等級(jí)達(dá)到MAIS 3+發(fā)生的概率，x1為速度變化量。則二者的Logistic回歸方程為：

式中，b0為常量系數(shù)；b1為x1的系數(shù)。

根據(jù)SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可得正面碰撞下的速度變化量Δv與駕駛員傷情等級(jí)概率P(Δv)的關(guān)系為：

對(duì)式（2）進(jìn)行χ2檢驗(yàn)。系數(shù)b0所對(duì)應(yīng)的χ2值為44.989，P＜0.001，系數(shù)b1所對(duì)應(yīng)的χ2值為34.007，P＜0.001，二者對(duì)應(yīng)的P均遠(yuǎn)小于0.05，因此認(rèn)為所求回歸方程合理，回歸方程曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 正面碰撞下駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+的概率曲線(xiàn)

從圖1中可以看出，碰撞速度變化量越大，駕駛員達(dá)到MAIS 3+的概率也越大。碰撞速度變化量約為55 km/h和120 km/h時(shí)，駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+的概率分別為50%和接近100%。

3 AACN門(mén)檻閾值與速度變化量的關(guān)系

3.1 門(mén)檻閾值對(duì)速度變化量的影響

AACN 系統(tǒng)計(jì)算得到的碰撞速度變化量的精確度將會(huì)影響駕駛員傷情概率的預(yù)測(cè)。由于AACN 系統(tǒng)檢測(cè)到碰撞產(chǎn)生的加速度達(dá)到門(mén)檻閾值時(shí)開(kāi)始對(duì)碰撞加速度進(jìn)行積分，即得到速度變化量，因此，開(kāi)始時(shí)刻t1實(shí)際由門(mén)檻閾值決定。碰撞加速度a(t)的計(jì)算公式為：

式中，tn為結(jié)束時(shí)刻；t為當(dāng)前時(shí)刻。

3.2 碰撞加速度數(shù)據(jù)的獲取及處理

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同碰撞速度下門(mén)檻閾值對(duì)速度變化量的影響，本文進(jìn)行臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)為DAPGQJ-MNPZ，該臺(tái)車(chē)規(guī)定的最大負(fù)載質(zhì)量為1 000 kg。試驗(yàn)中臺(tái)車(chē)和座椅總質(zhì)量為400 kg，車(chē)速范圍為8～80 km/h，車(chē)速調(diào)控精度為±1%，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換精度為16 bit。臺(tái)車(chē)試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 臺(tái)車(chē)試驗(yàn)

試驗(yàn)臺(tái)車(chē)分別以20 km/h、25 km/h、55 km/h 的速度正面撞擊剛性壁障，通過(guò)加速度傳感器采集臺(tái)車(chē)x方向的加速度信號(hào)。為了消除臺(tái)車(chē)振動(dòng)對(duì)所采集的加速度數(shù)據(jù)的影響，本文利用MATLAB 編程對(duì)碰撞加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到3 個(gè)速度下的加速度曲線(xiàn)，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，碰撞初始速度越大，碰撞加速度峰值也越大。20 km/h、25 km/h、55 km/h 的碰撞加速度峰值分別為16g、17.4g、60.3g。

圖3 不同碰撞速度下的加速度曲線(xiàn)

如圖4 所示，對(duì)加速度進(jìn)行積分，將t1～tn等分成(n-1)份，時(shí)間間隔均為Δt=1 ms。

圖4 加速度積分

然后采用牛頓－科特斯復(fù)化梯形求積公式對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分：

因選擇的時(shí)間間隔較小，速度變化量可近似為：

3.3 不同門(mén)檻閾值下的速度變化量

根據(jù)現(xiàn)有研究對(duì)門(mén)檻閾值設(shè)定的不同，本文選取不同的門(mén)檻閾值，式（5）得到相應(yīng)的速度變化量，如圖5所示。

圖5 不同初始速度和門(mén)檻閾值下的速度變化量曲線(xiàn)

由于試驗(yàn)采用固定壁障且臺(tái)車(chē)沒(méi)有回彈，因此實(shí)際速度變化量即為臺(tái)車(chē)碰撞速度。從圖5中可以看出，通過(guò)將不同門(mén)檻閾值積分得到的速度變化量與實(shí)際碰撞速度變化量進(jìn)行對(duì)比可知，門(mén)檻閾值對(duì)速度變化量存在影響。隨著門(mén)檻閾值的增大，積分速度變化量與實(shí)際碰撞速度有較大的偏差。例如在20 km/h、25 km/h、55 km/h 時(shí)，實(shí)際碰撞速度變化量與門(mén)檻閾值為10g下的積分速度變化量的差值約7 km/h，這給AACN系統(tǒng)根據(jù)速度變化量判斷駕駛員傷情帶來(lái)了影響。因此，有必要對(duì)門(mén)檻閾值與駕駛員傷情等級(jí)達(dá)到MAIS 3+的概率進(jìn)行研究。

4 門(mén)檻閾值對(duì)駕駛員傷情等級(jí)預(yù)測(cè)的影響

根據(jù)上述門(mén)檻閾值對(duì)速度變化量的影響，將不同門(mén)檻閾值下的速度變化量代入式（3），探求門(mén)檻閾值對(duì)駕駛員傷情等級(jí)預(yù)測(cè)的影響。在良好路面上，門(mén)檻閾值設(shè)為2g[7]已經(jīng)可以滿(mǎn)足要求；但是在特殊的路面（如100 mm 高度的臺(tái)階）時(shí)，門(mén)檻閾值定為6g[8]及以上才能更好地提高AACN系統(tǒng)的抗干擾性。

本文首先選取門(mén)檻閾值為g～9g的速度變化量，對(duì)比不同門(mén)檻閾值下的速度變化量與實(shí)際速度變化量的差值，然后將不同門(mén)檻閾值下的速度變化量代入式（2），計(jì)算得到駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+的相應(yīng)概率，如圖6所示。

圖6 不同門(mén)檻閾值下的駕駛員傷情概率曲線(xiàn)

從圖6中可以看出，無(wú)門(mén)檻閾值時(shí)的駕駛員傷情概率較門(mén)檻閾值為6g、9g時(shí)的大。由此可見(jiàn)，門(mén)檻閾值對(duì)駕駛員傷情預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，且影響隨速度變化量的增大而增大。

5 考慮傷情等級(jí)補(bǔ)償?shù)腁ACN系統(tǒng)觸發(fā)算法

由圖6 可以看出，實(shí)際速度變化量不超過(guò)55 km/h時(shí)，即使考慮門(mén)檻閾值的影響，駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+的概率依然很低，無(wú)需采取特殊救援措施。而實(shí)際速度變化量在55 km/h 以上時(shí)，駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+的概率受到門(mén)檻閾值的影響較大，如不考慮概率的補(bǔ)償，AACN 系統(tǒng)發(fā)出的傷情等級(jí)概率很有可能偏小，從而失去救援的最佳時(shí)機(jī)。因此，本文提出的AACN 系統(tǒng)觸發(fā)算法以55 km/h作為是否進(jìn)行概率補(bǔ)償?shù)拈撝?，即?dāng)速度變化量不超過(guò)55 km/h時(shí)，AACN系統(tǒng)不進(jìn)行復(fù)雜的概率補(bǔ)償運(yùn)算以提高系統(tǒng)效率，當(dāng)速度變化量大于55 km/h，AACN 系統(tǒng)進(jìn)行傷情等級(jí)的概率補(bǔ)償運(yùn)算，以提高傷情預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

為此，本文計(jì)算了實(shí)際速度變化量為55 km/h時(shí)，不同門(mén)檻閾值下駕駛員傷情等級(jí)達(dá)到MAIS 3+的概率，如表2 所示。由表2 可知，在實(shí)際速度變化量為55 km/h時(shí)，門(mén)檻閾值越大，AACN系統(tǒng)所需補(bǔ)償?shù)母怕试酱蟆?/p>

表2 不同門(mén)檻閾值在速度變化量為55 km/h時(shí)需補(bǔ)償概率

考慮門(mén)檻閾值的設(shè)定對(duì)AACN 系統(tǒng)傷情預(yù)測(cè)的影響，本文提出一種考慮傷情補(bǔ)償?shù)腁ACN 系統(tǒng)觸發(fā)算法，如圖7 所示。首先，AACN 系統(tǒng)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，若采集的加速度大于門(mén)檻閾值，則開(kāi)始計(jì)算8 ms窗寬[13]下的ΔV和Δv，其中ΔV為窗寬范圍內(nèi)的速度變化量。移動(dòng)窗積分算法先確定窗寬為8 ms，對(duì)窗寬內(nèi)的加速度進(jìn)行積分，然后使窗移動(dòng)以便獲取每一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的速度變化量[14]：

式中，t為當(dāng)前時(shí)刻。

圖7 考慮傷情補(bǔ)償?shù)腁ACN系統(tǒng)觸發(fā)算法流程

若8 ms 窗寬下的速度變化量小于2.8 km/h[13]，則表示發(fā)生輕微碰撞，不需要呼救；反之對(duì)碰撞速度變化量進(jìn)行判斷，若碰撞速度變化量不超過(guò)55 km/h，則AACN系統(tǒng)觸發(fā)并提供傷情概率，反之AACN系統(tǒng)觸發(fā)且提供補(bǔ)償概率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算不同門(mén)檻閾值下的速度變化量，分析門(mén)檻閾值對(duì)駕駛員傷情預(yù)測(cè)的影響。結(jié)果表明，門(mén)檻閾值越高，對(duì)速度變化量的影響也越明顯，對(duì)駕駛員傷情預(yù)測(cè)的誤差越大。由于臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)的碰撞加速度數(shù)據(jù)與實(shí)際的車(chē)輛碰撞加速度數(shù)據(jù)可能存在偏差，而且本文只考慮了正面碰撞下駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+的概率與不同門(mén)檻閾值的關(guān)系，目前只能提供補(bǔ)償區(qū)間，要使補(bǔ)償量更加精準(zhǔn)，還需進(jìn)行大量試驗(yàn)，同時(shí)需對(duì)其他碰撞方向的駕駛員傷情達(dá)到MAIS 3+的概率與門(mén)檻閾值的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究。