徐向陽,胡文浩,張友,王書翰,*,何霞,曹毅
(1. 北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191; 2. 西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院,成都 610039)
自動駕駛是實(shí)現(xiàn)交通“零傷亡、零事故”的必由之路,先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driving assistance system, ADAS)作為自動駕駛功能的重要組成部分已經(jīng)大量投放市場,其中,自動緊急制動(autonomous emergency braking,AEB)系統(tǒng)在緊急工況下,作為對車輛制動的主動干預(yù)手段備受關(guān)注。Fildes 等[1]對典型低速場景下的AEB 功能進(jìn)行分析,認(rèn)為在95%的置信度下AEB 系統(tǒng)能夠避免38%的追尾事故。2017 年,美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)和美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會聯(lián)合發(fā)布報(bào)告稱,按照各汽車企業(yè)承諾的AEB 裝車率,到2025 年美國將避免2.8 萬起事故和1.2 萬人員受傷[2]。然而,在面對復(fù)雜、多樣的交通沖突場景時(shí),其場景識別的準(zhǔn)確度及決策算法的合理性面臨著較大挑戰(zhàn),嚴(yán)重制約著AEB 系統(tǒng)的實(shí)際效用,甚至?xí)硪欢ǖ陌踩[患,已有車輛因AEB 系統(tǒng)對復(fù)雜道路交通場景的誤識別與不合理決策問題構(gòu)成的缺陷實(shí)施了召回。
目前,各國車輛測試評價(jià)體系中逐漸增加了對AEB 功能的測試評價(jià)[3-5],初期主要針對車輛與車輛沖突的典型場景,在發(fā)展過程中逐漸加入了車輛與行人沖突的典型場景?,F(xiàn)階段,車輛與二輪車沖突的典型場景也在分階段引入AEB 功能的測試評價(jià)中。但是,基于特定場地及場景的實(shí)車測試評價(jià)方法具有較強(qiáng)的局限性,無法全面有效評測AEB 系統(tǒng)安全性,需要進(jìn)一步基于實(shí)際數(shù)據(jù)挖掘典型場景,擴(kuò)大測試場景的覆蓋度。
二輪車和行人在交通參與方中屬于弱勢道路使用者(vulnerable road user, VRU),然而相較于行人,二輪車使用者具有移動速度快、行駛路線不確定性強(qiáng)等特征,因此,二輪車參與的事故更易導(dǎo)致人員傷亡。據(jù)世界衛(wèi)生組織2018 年統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示,全球自行車使用者和機(jī)動二、三輪車使用者占道路交通死亡比例高達(dá)31%,占VRU 死亡比例達(dá)57%[6]。中國二輪車保有量巨大,據(jù)統(tǒng)計(jì),2017 年中國道路交通事故死亡人數(shù)為63 772 人,其中機(jī)動二輪車和自行車使用者死亡人數(shù)為29 459 人,占道路交通死亡比例高達(dá)46.2%,占VRU 死亡比例達(dá)63%[7]。因此,在AEB 測試中,也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注二輪車參與的沖突場景。
本文研究了現(xiàn)有基于不同數(shù)據(jù)源、采用不同分析方法得到的典型汽車與二輪車沖突場景,分析提取法規(guī)和NCAP 測試尚未涉及到的典型場景,并研究典型AEB 系統(tǒng)在相關(guān)場景下面臨的挑戰(zhàn)及優(yōu)化方向。
科研人員基于自然駕駛數(shù)據(jù)和事故深度調(diào)查數(shù)據(jù)等,采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、聚類分析等方法開展了典型汽車與二輪車沖突場景挖掘研究。
Liers[8]基于德國事故深度研究(GIDAS)數(shù)據(jù)分析了機(jī)動二輪車(powered two-wheelers, PTW)參與的事故特征,并綜合事故發(fā)生的具體責(zé)任情況,得出10 類最為頻發(fā)的事故類型。李霖等[9]基于上海道路采集的自然駕駛數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)中涉及二輪車的典型危險(xiǎn)工況,采用聚類分析方法獲得7 組典型危險(xiǎn)場景特征,但相關(guān)場景特征元素不包括車輛相對運(yùn)動方向,每一類均可以衍生多種場景組合。徐向陽等[10]基于國家車輛事故深度調(diào)查體系(NAIS)事故數(shù)據(jù),采用聚類分析方法挖掘出8 類機(jī)動車路口事故場景。胡林等[11]依托419 例汽車與二輪車碰撞事故案例,采用聚類分析方法提取了11 類典型邏輯場景。Nitsche 等[12]針對1 056 例發(fā)生在路口的交通事故案例,采用k-medoids 聚類分析方法挖掘出15 類典型丁字路口危險(xiǎn)場景和6 類十字路口邏輯場景。Sui 等[13]基于中國交通事故深入研究項(xiàng)目(CIDAS)事故深度調(diào)查數(shù)據(jù),采用聚類分析方法分析了汽車與二輪車碰撞事故,得出4 類典型二輪車與汽車沖突場景。Cao 等[14]基于中國NAIS 事故深度調(diào)查數(shù)據(jù),采用聚類分析方法分析了汽車與二輪車碰撞事故,得出4 類典型汽車與二輪車沖突場景,由于數(shù)據(jù)源的不同,與Sui 等[13]的研究成果在場景特征方面存在一定差異。Hu 等[15]基于全球事故協(xié)調(diào)計(jì)劃(IGLAD)數(shù)據(jù),分析了以中國、歐洲、美國和印度為主要類別國家的事故特征,共得出7 類典型汽車與二輪車沖突場景。
綜上,提取汽車與二輪車運(yùn)動和路段特征,共得出汽車與二輪車預(yù)碰撞場景12 類,其中,汽車與二輪車相向運(yùn)動的場景為3 類,垂向運(yùn)動的場景4 類,同向運(yùn)動的場景5 類,如表1 所示。
表1 汽車與二輪車預(yù)碰撞場景Table 1 Pre-crash scenario between vehicle and two-wheeler
續(xù)表
AEB 系統(tǒng)對目標(biāo)物的識別與決策過程僅限于碰撞發(fā)生前,即預(yù)碰撞階段,由于場景S13 與S31、S21 與S23、S34 與S35 在預(yù)碰撞階段車輛與二輪車相對位置基本相同,將相關(guān)場景進(jìn)行合并??紤]到場景S24、S32、S33 和S34 中,二輪車未出現(xiàn)在車輛前部,與AEB 關(guān)注的前向沖突場景不符,本文在后續(xù)分析中不予考慮。同時(shí),文獻(xiàn)[3-4]已將S21、S22 和S31 場景引入測試規(guī)程,不予進(jìn)一步考慮。本文將重點(diǎn)關(guān)注交通參與雙方路權(quán)沖突可能性較大的場景S11 和S12,分析相關(guān)場景下AEB 系統(tǒng)優(yōu)化可能面臨的挑戰(zhàn),相關(guān)場景均涉及參與方轉(zhuǎn)彎,與文獻(xiàn)[5]中規(guī)劃的參與方轉(zhuǎn)彎特征一致。
以車輛前部傳感器為原點(diǎn)建立運(yùn)動坐標(biāo)系,車輛正前方為y軸,垂直行駛方向?yàn)閤軸。典型AEB識別區(qū)域及觸發(fā)模型如圖1 所示。當(dāng)二輪車的運(yùn)動軌跡進(jìn)入觸發(fā)區(qū)域內(nèi)時(shí),會觸發(fā)AEB 系統(tǒng)采取全力制動。觸發(fā)區(qū)域②由3 個(gè)數(shù)據(jù)決定:一是制動觸發(fā)寬度w;二是制動觸發(fā)時(shí)間(time to collision,TTC),與觸發(fā)距離S和相對運(yùn)動速度 Δv相關(guān);三是視場角(field of view, FoV)。設(shè)定典型車輛AEB 系統(tǒng)傳感器及觸發(fā)參數(shù)條件如表2所示。
表2 典型AEB 參數(shù)條件Table 2 Typical AEB parameter conditions
圖1 典型AEB 觸發(fā)模型Fig. 1 Typical AEB trigger model
在運(yùn)動坐標(biāo)系中,標(biāo)記不同場景下二輪車的運(yùn)動軌跡,隨著時(shí)間的推移,根據(jù)二輪車與車輛相對運(yùn)動狀態(tài)的不同,二輪車呈現(xiàn)不同的運(yùn)動軌跡,不斷接近乘用車。Cao 等[14]對場景S21 和S22 的分析中提出,二輪車相對乘用車的運(yùn)動軌跡可擬合為直線y=ax,并在此基礎(chǔ)上提出了AEB 各關(guān)鍵參數(shù)之間的相互制約關(guān)系。
場景S11 中,在十字路口,車輛直行與對向左轉(zhuǎn)二輪車發(fā)生碰撞。由于二輪車存在直行和轉(zhuǎn)彎2 種運(yùn)動狀態(tài),重點(diǎn)考慮二輪車進(jìn)入彎道之后的軌跡特征。設(shè)定二輪車轉(zhuǎn)彎時(shí)刻的車輛位置為原點(diǎn),車輛運(yùn)動方向?yàn)閥軸,垂直運(yùn)動方向?yàn)閤軸,建立坐標(biāo)系,車輛與二輪車運(yùn)動軌跡特征如圖2 所示。圖中:d為初始時(shí)刻二輪車相對于車輛的橫向距離;S為初始時(shí)刻二輪車相對于車輛的縱向距離;r為二輪車轉(zhuǎn)彎半徑;α為二輪車轉(zhuǎn)彎角度。
圖2 場景S11 參與方運(yùn)動軌跡特征Fig. 2 Trajectory characteristics of participants in S11
根據(jù)中國道路交通法規(guī)的相關(guān)要求,中國城市道路一般最高限速為70 k m/h,其中在轉(zhuǎn)彎工況下,車輛受橫向離心力作用,最高速度為30 k m/h。因此,在場景S11 和S12 中,乘用車轉(zhuǎn)彎工況下,速度設(shè)置為30 k m/h ,直行工況下,速度設(shè)置為30 k m/h、50 k m/h 和70 k m/h;二輪車轉(zhuǎn)彎工況下,速度設(shè)置為20 k m/h 和30 k m/h ,直行工況下,速度設(shè)置為20 k m/h、30 k m/h 和50 k m/h。
按照上述速度分布,選取典型速度組合,將場景S11 中車輛和二輪車速度 (vv,vt)分 別設(shè)置為(30,20)km/h 、(30,30)km/h 、 (50,30)km/h和 (70,20)km/h,在Pre-scan 中建模,如圖3 所示,導(dǎo)出二輪車相對汽車的位置信息,并繪制相對運(yùn)動軌跡,如圖4所示。
圖3 場景S11 Pre-scan 模型Fig. 3 Pre-scan model of scenario S11
二輪車沿圖4 所示軌跡靠近車輛,若車輛AEB系統(tǒng)觸發(fā)寬度w大于二輪車相對車輛的橫向距離d,AEB 避撞策略僅需考慮車輛和二輪車相對運(yùn)動速度 Δv即 可。若w<d時(shí),AEB 避撞策略則需要分析二輪車靠近車輛的角度 β與 FoV之間的關(guān)系,如圖4 可知, β與vv和vt相關(guān),且在二輪車靠近車輛的過程中逐漸增大。
圖4 場景S11 參與方相對運(yùn)動軌跡Fig. 4 Relative trajectories of participants in scenario S11
為進(jìn)一步量化分析AEB 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及改進(jìn)方向,對場景S11 中二輪車相對于車輛的運(yùn)動軌跡進(jìn)行建模分析。
二輪車在圖2 所示固定坐標(biāo)系的軌跡表達(dá)如下:
由于車輛為直線運(yùn)動,運(yùn)動坐標(biāo)系的移動僅是平移,在運(yùn)動坐標(biāo)系下,二輪車的軌跡 (x,y)與固定坐標(biāo)系的軌跡(x0,y0)關(guān)系為
式中: (dx,dy)為動態(tài)坐標(biāo)系相對固定坐標(biāo)系的移動坐標(biāo)。 dx=0, dy=vvt,可得二輪車在運(yùn)動坐標(biāo)系下的軌跡表達(dá)式為
令t=t0時(shí),車輛與二輪車發(fā)生碰撞,如圖2 所示,可得如下方程組:
令二輪車轉(zhuǎn)彎半徑r=8 m,二輪車與汽車橫向距離d=4 m ,代入方程組(4)可得S=6.93+8.38vv/vt。進(jìn)一步代入表達(dá)式(3),可得
消元分析可知,相對運(yùn)動軌跡僅與vv/vt相關(guān),令ηvt=vv/vt, 繪制不同 ηvt下二輪車相對于車輛的行駛軌跡,如圖5 所示。
圖5 不同η vt下場景S11 參與方相對運(yùn)動軌跡Fig. 5 Relative participants trajectories of different ηvtin scenario S11
進(jìn)一步分析二輪車相對車輛的運(yùn)動軌跡。若要二輪車進(jìn)入車輛AEB 觸發(fā)域,則運(yùn)動軌跡與x=-1.5 m的交點(diǎn)A應(yīng)位于觸發(fā)域邊界上,即y>w.cot(FoV/2)。令f(t1)=-1.5, 可 得g(t1)=1.12+1.88 ηvt。令g(t1)>w.cot(FoV/2)(F oV=60°) ,可得ηvt>0.788 8, 即當(dāng)ηvt>0.788 8時(shí),二輪車能夠進(jìn)入車輛AEB 觸發(fā)域。
若增加 F oV , 可增加車輛的探測范圍,令FoV=90°,可得 ηvt>0.203 3, 即當(dāng)vv/vt>0.203 3時(shí),二輪車能夠進(jìn)入車輛AEB 觸發(fā)域,車輛與二輪車速度比值范圍得到大幅度提升。
與此同時(shí),若要車輛AEB 具有最佳的AEB 觸發(fā)效果,則需g(t1)≥TTC.Δv,即ηvt>(Δv-1.12)/1.88 >0.788 8, 其中 Δv為二輪車相對于車輛的縱向運(yùn)動速度。若 Δv較高時(shí),需要進(jìn)一步提高vv/vt值,方可使車輛AEB 達(dá)到最佳觸發(fā)效果。
可見,在現(xiàn)有AEB 配置條件下,場景S11 中AEB能否觸發(fā)與二輪車速度和車輛速度的比值直接相關(guān), ηvt越大,車輛傳感器越容易探測到二輪車。而通過增加AEB 系統(tǒng) F oV,可大幅增大車輛的速度范圍,有效增加車輛對類似場景的應(yīng)對能力。與此同時(shí),若要AEB 達(dá)到最佳觸發(fā)效果,需要綜合考慮車輛和二輪車的縱向相對速度,隨著縱向相對速度增大,需要 ηvt值越大。
場景S12 中,在十字路口,車輛左轉(zhuǎn)與對向直行二輪車發(fā)生碰撞。僅考慮車輛進(jìn)入彎道之后的軌跡特征,設(shè)定車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的車輛位置為原點(diǎn),車輛運(yùn)動方向?yàn)閥軸,垂直運(yùn)動方向?yàn)閤軸,建立坐標(biāo)系,車輛與二輪車運(yùn)動軌跡如圖6 所示。
圖6 場景S12 參與方運(yùn)動特征Fig. 6 Trajectory characteristics of participants in S12
將場景S12 中二輪車和車輛速度 (vv,vt)分別設(shè)置 為 (30,20)km/h、 (30,30)km/h和 (30,50)km/h,在Pre-scan 中建模如圖7 所示,導(dǎo)出二輪車相對汽車的位置信息,并繪制相對運(yùn)動軌跡,如圖8 所示。
圖7 場景S12 Pre-scan 模型Fig. 7 Pre-scan model of scenario S12
二輪車沿圖8 所示軌跡靠近車輛,在設(shè)置典型速度下,當(dāng)F oV= 60°時(shí),能夠滿足車輛對二輪車的探測要求??梢?,在場景S12 下,車輛轉(zhuǎn)彎并沒有對FoV提出更為嚴(yán)苛的探測要求。然而,二輪車運(yùn)動軌跡有超出AEB 觸發(fā)寬度w的情況,可能會降低AEB 制動效果。
圖8 場景S12 參與方相對運(yùn)動軌跡Fig. 8 Relative trajectories of participants in scenario S12
對二輪車相對車輛的運(yùn)動軌跡建立數(shù)學(xué)模型,二輪車在圖6 所示固定坐標(biāo)系下的運(yùn)動軌跡表達(dá)為
運(yùn)動坐標(biāo)系隨著車輛移動,運(yùn)動軌跡既有平移,也有轉(zhuǎn)動,則在運(yùn)動坐標(biāo)系下二輪車的軌跡(x,y)與固定坐標(biāo)系的軌跡(x0,y0)關(guān)系為
式中: α 和 (dx,dy)分別為動態(tài)坐標(biāo)系隨車輛相對固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角和移動坐標(biāo)。 α =-vvt/r,dx=-(rrcos α),dy=rsin(-α),代入表達(dá)式(7)可得
令t=t0時(shí),車輛與二輪車在運(yùn)動坐標(biāo)系原點(diǎn)處發(fā)生碰撞,如圖6 所示,可得如下方程組:
令二輪車轉(zhuǎn)彎半徑r=8 m,二輪車與汽車橫向距離d=4 m ,代入方程組(9),計(jì)算可得S=6.93+8.38vt/vv,進(jìn)一步代入表達(dá)式(8)可得
對表達(dá)式(10)進(jìn)行化簡分析可知,二輪車相對于車輛的軌跡方程h(x,y)僅 與vt/vv相 關(guān),令vt/vv=ρtv,進(jìn)一步化簡消元可得
繪制不同 ρtv下二輪車相對于車輛的行駛軌跡,如圖9 所示。
由于車輛觸發(fā)寬度w=1.5 m, 令x=f(t1)=1.5 m,則g(t1)為 二輪車軌跡與x=1.5 m的交點(diǎn)。如圖9 所示,若g(t1)不存在或?yàn)閱沃?,則二輪車軌跡從左側(cè)或者前側(cè)進(jìn)入觸發(fā)域后,始終保持在觸發(fā)域內(nèi),AEB具有較好的制動效果;若g(t1)為雙值,則表明二輪車軌跡有從圖示右側(cè)進(jìn)入觸發(fā)域的情況。針對方程(11),令x=1.5 m ,繪制y與 ρtv的關(guān)系曲線,如圖10所示。
從 圖10 中 曲 線 趨 勢 可 知, ρtv=1.1時(shí),y為 單值,即二輪車在運(yùn)動坐標(biāo)系下的軌跡與x=1.5 m相切。隨著 ρtv增大,y呈直線上升,兩者關(guān)系曲線近似為y=9.64ρtv-2.46 。 由此可知,當(dāng) 0 <ρtv≤1.1時(shí),二輪車軌跡從觸發(fā)域左側(cè)或者前側(cè)進(jìn)入觸發(fā)域,并始終保持在觸發(fā)域內(nèi),AEB 具有較好的制動效果。若ρtv>1.1, 二輪車運(yùn)動軌跡與x=±1.5 m有3 個(gè)交點(diǎn),分別為A、B和C,如圖9 所示。若要車輛AEB具有較好的制動效果,則需交點(diǎn)A位于觸發(fā)域邊界上,即y<TTC.Δv, 進(jìn)一步計(jì)算可知,當(dāng)1.1 <ρtv<(Δv+2.46)/9.64時(shí),車輛AEB 具有較好的觸發(fā)效果,但由于二輪車進(jìn)入AEB 觸發(fā)域后再次離開觸發(fā)域,存在誤判的可能性。
圖9 不同 ρtv下場景S12 參與方相對運(yùn)動軌跡Fig. 9 Relative participants trajectories of different ρtvin scenario S12
圖10 場景S12 下 y 與 ρtv的關(guān)系Fig. 10 Relationship between y and ρtv in scenario S12
由于觸發(fā)寬度w是制約場景S12 中AEB 觸發(fā)效果的關(guān)鍵參數(shù),將觸發(fā)寬度w從 1 .5 m 擴(kuò) 大至 2 m,若要二輪車運(yùn)動軌跡從左側(cè)或者前側(cè)進(jìn)入觸發(fā)域后,始終保持在觸發(fā)域內(nèi), ρtv取 值范圍從 (0,1.1] 增加至 (0,1.36],改善幅度不大,且w增加會增加AEB的誤動作,因此不建議通過調(diào)整觸發(fā)寬度來改善AEB觸發(fā)域。
本文通過對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行分析,提取典型車輛與二輪車預(yù)碰撞場景,通過建立Pre-scan 模型和數(shù)學(xué)模型的方式對典型AEB 系統(tǒng)在相關(guān)場景下的效用及改進(jìn)方向進(jìn)行定性和定量分析,得出如下結(jié)論:
1) 分析國內(nèi)外基于不同數(shù)據(jù)、采用不同方法研究的車輛與二輪車事故場景,共得到汽車與二輪車預(yù)碰撞功能場景12 類,其中汽車與二輪車相向運(yùn)動的場景為3 類,垂向運(yùn)動的場景4 類,同向運(yùn)動的場景5 類。
2) 面向車輛典型AEB 系統(tǒng)測試需求,排除國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)已經(jīng)納入測試規(guī)程的場景,共提取2 類典型場景,2 類場景均涉及參與方轉(zhuǎn)彎,與Euro NCAP 2025 路線圖中規(guī)劃的參與方轉(zhuǎn)彎特征一致。同時(shí),從目標(biāo)物跟蹤和預(yù)測的角度分析,對車輛感知與決策算法可能有一定的挑戰(zhàn)。
3) 通過建立數(shù)學(xué)模型的方式對場景S11 和S12 進(jìn)行分析可知,在車輛運(yùn)動坐標(biāo)系下,二輪車的運(yùn)動軌跡僅與車輛和二輪車速度比值相關(guān)。不同場景下,二輪車運(yùn)動軌跡特征差異性較大,在相同場景下,根據(jù)速度比值的不同,運(yùn)動軌跡存在一定差異。
4) 針對場景S11,在設(shè)定AEB 觸發(fā)模型和場景部分元素取值下,僅當(dāng) ηvt>0.788 8時(shí),二輪車能夠進(jìn)入車輛AEB 觸發(fā)域。若將視場角FoV 從60°增大到90°,可有效改善AEB 觸發(fā)效果,二輪車進(jìn)入觸發(fā)域時(shí)對 ηvt范圍的要求從 (0.788 8,+∞)增加至(0.203 3,+∞)。與此同時(shí),若要車輛AEB 具有最佳的觸發(fā)效果,則需 ηvt>(Δv-1.12)/1.88 >0.788 8,隨著相對運(yùn)動速度 Δv增 大, ηvt需要進(jìn)一步提高。
5) 針對場景S12,在設(shè)定AEB 觸發(fā)模型和場景部分元素取值下,當(dāng) 0 <ρtv≤1.1時(shí),車輛AEB 具有較好的觸發(fā)效果。同時(shí),當(dāng)1.1 <ρtv<(Δv+2.46)/9.64時(shí),仍能保持較好的觸發(fā)效果,由于二輪車進(jìn)入AEB 觸發(fā)域后離開觸發(fā)域,存在一定誤判的可能性。將觸發(fā)寬度w從 1.5 m擴(kuò) 大至 2 m,若要二輪車運(yùn)動軌跡從左側(cè)或者前側(cè)進(jìn)入觸發(fā)域后,始終保持在觸發(fā)域內(nèi), ρtv取 值范圍從 (0,1.1] 增加至( 0,1.36],增加觸發(fā)寬度w對AEB 觸發(fā)效果的改善幅度不大,且會增加AEB 誤觸發(fā)的可能。
本文采用數(shù)據(jù)建模的方法對典型場景S11 和S12 下AEB 的觸發(fā)情況進(jìn)行分析,為場景的定性分析和定量分析提供參考,同時(shí)為AEB 系統(tǒng)的優(yōu)化方向提供技術(shù)支撐。
致謝感謝國家市場監(jiān)督管理總局缺陷產(chǎn)品管理中心對本文研究工作的支持。