張東霞　徐巖　鐘玉靈

摘 要：利用影響輪胎工作條件的風險因素，設計了一套基于輪胎工作的汽車高速行駛安全預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分析影響輪胎工作條件風險因素對行駛安全的影響力大小，建立了總體風險等級評估模型，對汽車在高速行駛過程所遇到的安全風險進行分析評估，為駕駛員提供預警，減少交通事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：輪胎 風險 汽車 行駛安全 預警

1前言

隨著汽車智能化、電動化的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)迎來新的發(fā)展契機，全球汽車保有量持續(xù)增加，人們對車輛的行駛安全越來越重視。輪胎作為汽車行駛過程中直接與地面接觸的唯一部件，具有承載、驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向等功能，對汽車高速行駛的安全極其重要，因此如何提高輪胎的行駛安全性能對于汽車安全行駛具有重要的意義。

據(jù)此，國內(nèi)外有很多學生、研發(fā)人員對如何提高汽車輪胎的行駛安全性做了大量研究。例如周福強等人對輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點進行分析研究，得出輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點與胎壓變化的相關(guān)特征，建立了間接式胎壓監(jiān)測算法，可根據(jù)單一車輛輪速信號進行欠壓預報。山東大學的張彩明、劉坤鵬等人將工業(yè)石龜件設備與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的工業(yè)型控制系統(tǒng)應用于輪胎生產(chǎn)流程中的質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)，以提高輪胎的生產(chǎn)質(zhì)量。東南大學的馬濤等人根據(jù)雨天情況下瀝表路表水膜形成機理及水膜厚度影響因素，在已有水膜厚度預測模型的基礎(chǔ)上考慮到車輛的制動穩(wěn)定性需求，分析了水流在輪胎與粗糙路表之間的流體潤滑作用以及輪胎、流體、路間的相互作用。山東理工大學的趙強利用輪胎沉量表片輪胎承載狀狀的角度出發(fā)，設計了一款智能輪胎下沉量實時監(jiān)測系統(tǒng)，保證車輛行駛安全性。各大品牌汽車企業(yè)也對輪胎工作狀況也進行了檢測，但各車型上裝配的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)對輪胎工作條件的監(jiān)測和報警監(jiān)測輪胎壓力和溫度兩個工作參數(shù)。這些已有的研究和配置并不能反應輪胎工作條件的所有風險源，不能對汽車高速行駛過程輪胎工作條件的眾多風險源進行全面的安全識別、評估、預警，無法確定輪胎工作條件的主要致險因素和總體風險總級，不能全面地給駕駛員提供預警和車輛控制提醒。因此，本文對汽車高速行駛過程中影響輪胎工作條件的主要致險因素和總體風險等級進行分析研究，設計研發(fā)一套基于輪胎工作條件的汽車高速行駛安全預警系統(tǒng)，實時向駕駛員提供預警，以降低或消除汽車在高速行駛時因輪胎工作條件惡化所引起的交通事故風險，保證汽車的高速行駛安全。

2 輪胎工作條件的風險因素分析

輪胎在滾動過程中會發(fā)生機械破壞、疲勞破壞和過熱破壞三種形式，造成胎面脫層、簾線斷裂 引發(fā)爆胎等惡性交通事故。其中，過熱破壞是造成輪胎非正常損壞的主要因素。輪胎生熱主要來源于：輪胎在行駛過程中膠料內(nèi)部變形產(chǎn)生的熱量和輪胎與路面直接接觸引起的摩擦生熱。輪胎過熱破壞的主要影響因素包括：輪胎負荷、輪胎溫度、輪胎氣壓、車輛行駛速度、車輛連續(xù)行駛時間、路面溫度及輪胎結(jié)構(gòu)等工作條件。

眾多學者也通過實驗、彷真研究證明了這些風險因素對輪胎工作條件的惡化的影響關(guān)系。例如有研究有實驗數(shù)據(jù)分析得出輪胎與路面的附著系數(shù)是影響汽車行駛安全的重要因素，路面狀況也直接影響車輛行駛安全。胎壓、載荷以及溫度等因素的改變會導致輪胎偏側(cè)和縱滑剛度的改變，從而導致輪胎力學特性的改變，影響汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。汽車在行駛過程中，隨著車速的增加，輪胎與輪罩周圍產(chǎn)生的空氣漩渦呈非線性變化趨勢，影響車輪跟與地面的附著系數(shù)。

因此，綜合分析影響輪胎工作條件的危險因素，設計一套基于輪胎工作條件的安全預警系統(tǒng)，減少或消除汽車在高速行駛過程的安全風險，具有一定的實用價值。

3 基于輪胎工作條件的汽車高速行駛安全預警系統(tǒng)

為解決車輛高速行駛過程中的重大安全隱患，本系統(tǒng)對輪胎工作條件進行安全管理。首先是安全識別，識別輪胎工作條件的風險源并確定其特性。其次，進行安全評估，判斷輪胎工作條件總體風險等級，最后根據(jù)總體風險等級向駕駛員提供預警。

3.1 安全風險識別

本系統(tǒng)設計根據(jù)輪胎工作條件進行汽車高速行駛安全管理，因此，本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對會影響輪胎工作的風險因素進行采集并識別。通過對輪胎工作條件的全面分析，對影響汽車高速安全行駛的風險因素主要分為三類：第一類為道路行駛條件風險源，所含因素包括路面溫度和路面平整度；第二類為輪胎技術(shù)條件風險源，所含風險因素包含輪胎出廠時間、輪胎行駛里程、輪胎耐溫等級、輪胎負荷、輪胎氣壓、輪胎溫度；第三類為車輛控制指標風險源，所含風險因素包括車輛行駛速度、行駛加速度和持續(xù)行駛時間。

加速度傳感器加速信號所蘊含的信息豐富，可實現(xiàn)輪胎六分力、振動噪音、輪胎水滑、輪胎-道路附著情況等多種參數(shù)的監(jiān)測。因此根據(jù)各風險因素的特點，本系統(tǒng)通過紅外線溫度傳感器、加速度傳感器來分別測量路面溫度和路面平整度，通過慣性測量單元來獲取輪胎負荷大小，通過輪胎壓力溫度傳感器來獲取輪胎氣壓和輪胎溫度。所設計的預警系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡相通，通過實時讀取OBD數(shù)據(jù)模塊數(shù)據(jù)取獲取車輛速度、車輛加速度及車輛連續(xù)行駛時間?？紤]汽車在使用過程中有更換輪胎的需求，本系統(tǒng)也設置了可變參數(shù)輸入模塊，在該模塊中可輸入輪胎出廠時間、輪胎行駛里程、輪胎耐溫等級，當汽車在更換輪胎時，可根據(jù)新更換的輪胎數(shù)據(jù)進行重新設定，以確保系統(tǒng)控制的可靠性。

3.2 風險等級評估

實現(xiàn)能根據(jù)輪胎工作條件對駕駛員進行預警的功能，系統(tǒng)設計的關(guān)健在于能對實時獲取到的風險源因素進行合理完整的分析評估，準確分析出當前汽車行駛過程中因輪胎工作條件造成的風險等級。

在風險等級評估模塊中，本系統(tǒng)根據(jù)美國國土安全部提出的韌性理論進行設計。美國國安部指出，韌性是能夠使系統(tǒng)對逆向事件所產(chǎn)生的負面影響進行抵御、吸收和恢復的能力，這種能力貫空于事前、事中和事后全過程。韌性理論常用于保障或降低人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應用帶來的未知、變化和不確定的風險。因此本系統(tǒng)根據(jù)黃浪【1】等人構(gòu)建的系統(tǒng)安全韌性框架進行設計，該安全韌性框架如圖1【2】所示：在 0 ＜ t ＜ t1 時段，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；t1 時刻系統(tǒng)遭受風 險沖擊或擾動，超過系統(tǒng)裕度而使系統(tǒng)處于破壞期 （t1 ＜ t ＜ t3）；t3 時刻采取措施使系統(tǒng)進入恢復期 （t3 ＜ t ＜ t4）；通過系統(tǒng)自我恢復和適應能力，系統(tǒng)可恢復到安全狀態(tài)（C），也可恢復到事前安全 狀態(tài)（B），還可通過自學習恢復到更好狀態(tài)（A）。

為更好地進行風險等級評估，系統(tǒng)中根據(jù)所有風險源因素的特點及韌性理論，預先在系統(tǒng)中建立存儲了對輪胎工作條件有影響的風險源數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中根據(jù)各風險因素的影響力大小進行了權(quán)重分配。其中，道路行駛條件占15%，輪胎技術(shù)條件占比55%，車輛駕駛控制指標占比30%。風險源數(shù)據(jù)庫各風險因素所占權(quán)重比例如表1所示。為準確地分析汽車行駛過程實時的風險等級，本系統(tǒng)建立了總體風險等級評估模型，為方便模型進行分析評估計算，在數(shù)據(jù)庫中對所有風險源因素進行了標號。

本系統(tǒng)的總體風險等級評估模型如公式1所示。

其中，R為總風險值，RAi為各風險源因素的風險值，ki代表風險源因素的權(quán)重。

系統(tǒng)將實時采集獲取到的風險源因素數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進行對比分析，找到對應的數(shù)據(jù)應用于總體風險等級評估模型中，計算出車輛在高速行駛時的實時總體風險等級，并判斷該風險等級所處的級別。

系統(tǒng)將總體風險分成四級：重大風險、較大風險、一般風險、較小風險。

當R≥65或RA6=100或RA7=100或 RA8=100，則定性為重大風險等級；

當55≤R<65，則定性為較大風險等級；

當45≤R<55，則定性為一般風險等級；

當35≤R<45，則定性為較小風險源。

3.3 風險預警

系統(tǒng)對總體風險等級進行評估測定后，需向駕駛員提供預警，以及時采取合適的策略減輕或消除交通事故的發(fā)生。系統(tǒng)通過不同顏色的警示燈和蜂鳴聲對駕駛員進行安全預警提示：系統(tǒng)判斷車輛當前總體風險等級為重大風險等級時，預警燈為紅色；當判定為較大風險等級時，預警燈為黃色；當判定為一般風險等級時，預警燈為綠色。具體應對策略如下：

紅色預警采取危急行駛決策，立即靠邊停車，處理輪胎故障；

黃色預警采取緊急行駛決策，低速靠邊行駛至安全地點停車，處理輪胎故障；

藍色預警采取防御行駛決策，低速靠邊行駛至安全地點停車，觀察輪胎故障；

綠色預警采取正常行駛決策，正常行駛，控制車輛行駛速度、加速度及連續(xù)行駛時間。

4 討論

本文根據(jù)對影響輪胎工作條件的風險因素進行發(fā)析，通過建立總體風險評估模型，設計了一套基于輪胎工作條件的汽車高速行駛安全預警系統(tǒng)方案。此系統(tǒng)方案根據(jù)對影響輪胎工作的風險因素進行分析評估，通過總體風險等級評估模型對當前車輛高速行駛過程中遇到的行駛風險進行等級評估，以更準確地判斷汽車在高速行駛過程中所遇到的行駛安全風險大小，減少在高速行駛過程中的交通事故。本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于更為全面地考慮了會影響輪胎工作的風險因素，通過建立評估模型更全面、客觀、準確地判斷了在高速行駛過程中因輪胎工作條件惡劣而引發(fā)的的行駛風險等級，可靠實時地將當前汽車所面臨的行駛安全問題，反饋給駕駛員，及時采取安全控制策施。

本論文的不足之處在于目前僅進行了理論研究預警策略，尚未對系統(tǒng)所需要的紅外線溫度傳感器、縱向加速度傳感器、慣性測量單元、輪壓溫度傳感器進行型號選擇及成本控制分析，因此本項目團隊將對系統(tǒng)進行彷真模擬及開發(fā)。

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