紧急制动系统

ABS紧急制动系统避撞策略

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自动紧急制动系统(autonomous emergency bra-king system，AEB)是重要的主动安全技术，该系统在检测到车辆前方出现碰撞危险时，通过声音和图像等方式向驾驶员发出警告，提醒驾驶员采取措施回避碰撞。如果驾驶员没有及时对警告信号做出正确反应，碰撞危险变得十分紧急时，系统通过自动制动来回避碰撞或减轻碰撞程度。

AEB 系统具有很大的安全潜力。Euro-NCAP 的研究表明，AEB 可以避免27% 的交通事故，同时能大幅降低碰撞事故中人员受伤害的程度。因此， AEB 受到了各国政府和评价机构的高度重视，Euro-NCAP 从2014 年开始把AEB 场地测试结果纳入整车安全性评价体系，ECE 也发布了AEB 法规。在法规和标准的推动下，AEB 已经成为当前主动安全技术的研究热点。

国外对AEB 的研究较多。基于日本交通事故统计数据开发了一种带三级制动的避撞策略。中基于专业驾驶员的紧急制动特征对AEB 的介入策略进行了研究。中对AEB 系统的技术要求、成本和安全收益做了详细分析。已有一些较为成熟的AEB 产品进入市场，比如VOLVO 的城市安全系统(city-safety)等。但是由于不同国家和地区的交通环境不同，驾驶员的驾驶习惯有很大差异，因此国外已有的研究成果并不能直接应用于我国。而国内针对AEB 的研究还非常少，没有成熟的研究成果。

据此，本文中着眼于建立兼容我国特殊交通工况的AEB 系统的避撞策略。首先利用可视化行车记录仪对真实的交通工况进行采集，并对采集到的工况进行筛选和分类得到典型的危险工况，接着对典型危险工况下驾驶员的紧急制动行为进行分析，然后按照驾驶员的紧急制动行为分析结果建立危险估计模型和避撞策略，最后通过PreScan 建模仿真对所提出的AEB 避撞策略进行了验证。

1真实交通工况的采集

获取我国真实的交通工况和驾驶员行为是开发适合我国的AEB 系统避撞策略的前提。出租车具有运营时间长，运行道路覆盖范围广等特点，因此特别适用于快速获取真实的交通工况。从2008 年开始，课题组通过在数辆出租车和警车上安装可视化车辆行驶记录仪(video drive record，VDR)对上海市嘉定区的真实交通场景进行采集。VDR内置一个摄像头记录车辆前方视野的道路交通影像，其他一些信息如车辆速度和纵向与侧向加速度等也同时记录。本文中所用的VDR在纵向或侧向加速度绝对值大于0. 4g 时触发，只记录触发前15s 和触发后5s 的数据。

2驾驶员紧急制动行为特征提取

通过VDR采集获得了总计约4 000 例触发工况，对这些数据进行人工筛选，去掉没有碰撞危险的工况，最终得到8 例事故和1 200 例危险工况。然后通过主观评价对这1 200 例危险工况的危险程度进行分级，从中挑选出共计430 例危险程度较高的工况，并将它们按照NHTSA 提出的37 类预碰撞场景进行分类，最典型的6 类危险工况共有303 例，占所有危险工况总数的70% 。本文中采用这303 例危险工况来分析驾驶员行为。在这303 例危险工况中，所有驾驶员都采取制动来避免碰撞。提取驾驶员在紧急制动过程中车辆的平均减速度绝对值并进行高斯拟合，紧急制动过程中车辆的平均减速度绝对值的均值μ = 2. 77m / s，标准差σ = 1. 01m / s。因此，可以认为95% 的驾驶员在紧急制动时平均制动减速度绝对值小于4. 43m / s(μ+ 1. 64σ)，可见驾驶员通常难以完全利用车辆的制动潜能。另外，分析驾驶员在紧急制动开始时刻的TTC(TIME-to-collision)值，这里驾驶员紧急制动开始时刻定义为车辆制动响应开始时刻，并未考虑制动器带来的延迟。实际上由于制动器响应延迟的影响，驾驶员开始紧急制动的时刻应比本文中得出的时刻更早，但为分析方便，将制动器延迟时间归入驾驶员反应时间的范畴，不作为一个单独的因素进行分析。TTC 是指同一路径上同向行驶的两车保持当前速度直到碰撞发生所需要的时间为数据提取方便准确，在计算驾驶员紧急制动开始时的TTC 值时，只选用前车减速工况。同时，由于用于工况采集的车辆行驶范围主要集中在城市，所有危险工况基本都分布在车速40km / h 以下，因此，只选用40km / h 以下的数据进行分析。驾驶员的制动行为与TTC 的倒数(TTC )密切相关，因此，本文中选用TTC 代替TTC，最终得到驾驶员紧急制动开始时TTC 与本车速度之间的关系，同时对数据进行线性拟合，并求出90% 的预测区间。其中50 百分位线是通过线性拟合得到，可认为约有50% 的驾驶员在TTC 达到该线时已经采取了紧急制动操作。可以看出，驾驶员紧急制动开始时的TTC 值并不是一个定值，而是与自车速度成一定关系，这点中得出的结论一致。5 百分位线和95 百分位线包围区域为驾驶员紧急制动开始时刻TTC 值的90% 预测区间，95 百分位线表示当TTC 达到该曲线所表示的值时，估计约有95% 的驾驶员已经采取了制动。而5 百分位线表示只有约5% 的驾驶员在TTC 达到该曲线所表示的值时采取了紧急制动操作。

3AEB避撞策略研究

3.1 AEB 介入策略

把驾驶员所处的交通环境按照危险程度(0 表示没有碰撞危险，1 表示碰撞无法回避)划分为－5 个区域。在区域 时，AEB 系统没有检测到碰撞发生的危险，系统无任何动作。在区域 时，AEB 系统监测到有碰撞危险，但危险程度较低，系统采用基于图像的提示性预警提醒驾驶员危险的存在。在区域 时，危险等级上升到较高水平，此时系统向驾驶员发出碰撞预警提醒驾驶员碰撞将要发生，采用声音和图像双重警告。在区域时，碰撞的危险很高，系统在发出碰撞预警的同时采用部分制动。在区域 时，碰撞的危险极高，碰撞即将发生甚至无法避免，AEB 系统采用完全制动。传统的AEB 系统只在危险等级较高时发出预警，即只有碰撞预警，通常是简单的灯光闪烁或者蜂鸣声，这些信息是二元的，包含的危险信息较少，并且留给驾驶员的时间很短，根据这些信息驾驶员通常很难在较短的时间内做出正确的判断和反应 。中的研究表明，在检测到有碰撞危险存在但危险程度不高时，也应该给予驾驶员提示性的警告，告诉驾驶员危险类型和危险方位等更具体的信息。因此，本文中采用提示性预警加碰撞预警两级预警策略。本文中假设道路摩擦因数为 0. 8，即车辆完全制动时能达到的最大制动减速度为 － 0. 8g。部分制动时以 38% 的制动力制动，部分制动时的制动减速度约为 － 0. 3g。

3. 2 危险估计模型的建立

本文中主要利用 TTC － 1 来判断危险等级并进行危险区域的划分。当 TTC － 1 值高于 95 百分位线时，危险等级极高，进入危险区域 。考虑到当车速较高时，驾驶员通过转向操作回避碰撞的趋势增在危险区域 ，AEB 系统采用碰撞预警，本文中采用声音和图像的联合预警。在采用声音和图像联合预警时，驾驶员反应时间的均值为0. 90s。出于保守起见，本文中设置在 区域前1. 0s 的区域为危险程度较高区域，即区域 。在区域 ，系统采用基于图像的提示性预警。的研究结论，采用图像预警时，驾驶员的反应时间均值为1. 13s。同理，出于保守起见，设置5 百分位线前1. 2s 的区域为危险程度较低区域，即区域。同时，所有驾驶员紧急制动开始时刻的TTC 值均大于0. 2s ，因此设置区域 的下界为 TTC= 0. 2s。

但是，基于TTC 的危险判别方法只适用于相对速度较大的情况。对于近距离稳定跟车工况，即两车距离较小但相对速度很小甚至为0 时，如果前车突然制动，后车将会有发生追尾碰撞的危险。这种危险属于潜在的，基于TTC 的算法无法识别这种危险。为考虑这种近距离稳定跟车工况，最常见的做法是引入THW(time-headway)即两车相对距离除以后车速度。但是THW 并不是一个与碰撞危险直接相关的量，驾驶员在选取跟车工况下的THW 值时，受到多方面因素的影响，比如地域、前车类型等 因此采用THW 并不能准确估计危险程度。

4仿真验证

国际上已经有机构推出了AEB 测试方法，如ADAC、AEB Group、ASSESS 等。其中ADAC的测试方法是Euro-NCAP 的推荐方法，本文中也采用ADAC 的有效性测试方法通过仿真分析来验证AEB避撞算法的有效性。AEB 的有效性测试方法主要分为前车匀低速行驶、前车匀减速、前车匀减速至停止和前车静止4 种工况。

采用PreScan 软件建立了这几种测试场景，选用PreScan 自带的雷达模型来探测车辆前方的障碍物，探测距离为150m，采样频率100Hz。仿真时实时输出车速、警告信号和制动压力等信息 。

篇幅所限，本文中仅详述测试B1 高速工况的仿真结果。该测试中本车以恒定速度靠近慢速行驶的前车，测试开始时本车速度为100km / h，前车速度为60km / h，两车相距200m。在测试开始时，两车相对距离为200m，由于本文中所用雷达的探测距离为150m，无法探测到目标，此时相对距离设置为150m，TTC 值设为15s。4. 7s 时，雷达探测到目标物，由于本车速度大于前车，相对距离和TTC 值都逐渐减小，但此时仍然没有检测到危险，处于安全区域。14. 17s 时，进入危险区域 ，AEB 系统向驾驶员发出提示性预警，但由于车辆并未制动，两车仍然以恒定的相对速度靠近，相对距离和TTC 值继续减小。16. 82s 时，进入危险区域 ，系统向驾驶员发出碰撞预警。17. 83s 时，进入危险区域 ，AEB 系统开始以38% 的制动压力(67MPa)部分制动，相对速度减小，但相对距离和TTC 值仍继续减小。18. 62s 时，进入危险区域 ，系统开始全制动(150MPa)，TTC 继续减小，在18. 83s 时达到最小值0. 8s。相对速度在19. 62s 时减小为0，此时相对距离达到最小值2. 68m，成功避免碰撞。由于全制动后，碰撞危险逐渐减小，危险区域又逐渐由 变为 。从仿真结果可以看出，研究的AEB 避撞策略在ADAC 的B1、B2、B3 测试工况中可以完全避免碰撞，在测试工况B4 中，可以避免本车速度为20、30 和40km / h 3 种工况的碰撞，在本车速度为70km / h 时，无法避免碰撞，但可以将碰撞速度减少39. 4km / h。

5 结论

基于典型危险工况，提取驾驶员在典型危险工况下的紧急制动行为特征，得到了驾驶员在紧急制动过程中车辆的平均制动减速度和紧急制动开始时刻的TTC 值，并根据这两个参数建立了基于TTC 和期望减速度areq的危险估计模型。然后按照危险估计模型将行驶工况进行危险区域划分，并建立 AEB 的避撞策略，该策略按照危险等级的升高以“无动作-基于图像的提示性预警-基于图像和声音的碰撞预警-部分制动-全制动”顺序介入。最后通过PreScan 仿真建模，按照德国ADAC 提出的AEB有效性测试方法对所开发的AEB 避撞策略进行验证。仿真结果表明，所提出的AEB 避撞策略避撞效果较好，可以在很大程度上避免碰撞，在碰撞无法避免时，也可以有效降低碰撞的严重程度。本文中建立的避撞策略所有阈值都是根据上海地区真实交通工况下驾驶员的行为特征设定，对于开发兼容我国特殊的交通工况的AEB 避撞策略具有指导意义。

但是，本文中只是通过仿真验证了AEB 系统的避撞性能，并没有对提示性预警和碰撞预警的效果和用户接受度进行验证。后续的研究将采用主观评价实验验证所开发的预警策略的介入时刻和人机交互界面。同时，还计划采用驾驶模拟器或实车实验对本文所研究的AEB 算法进行验证。

车辆紧急制动原因分析

列车在正线运营过程中，车辆系统和信号系统都有安全保护的节点电路串联在列车的紧急制动环线上，一旦紧急制动环线失电，列车就会失去牵引力，并施加紧急制动，直到列车停稳。深圳地铁1 号线运营开通以来，列车在正线一直存在列车出站刚动车时发生紧急制动的现象，回库检查信号ATP 系统有故障代码140 带识别码3（以下简称“紧制140-3”）和故障代码为140（以下简称“紧制140”）两种。此类故障的发生给正线列车运营服务带来了严重的影响。同时，其最终结果都反应在车辆紧急制动环线失电上，车辆与信号的接口界限比较模糊，造成两个系统的责任划分不明确。

1车辆紧急制动电路原理与故障信息

当车辆紧急制动回路的继电器02K01 （43/44）、02K10 （73/74）、02K09 （33/34）、02A01-S11 （自 动 折 返 时04K03 （33/44））、04A06 （ATP 的K6，K7 继电器）、02K88（21/22）、02V05 的接点或连接线断开时，车辆产生紧急制动。车 辆 紧 急 制 动 回 路 的 继 电 器02K01、02K10、02K09、02A0-S11（自动折返时04K03）或触点电路故障产生的紧急制动，车辆故障信息的环境变量中的常用制动（20312 线）,快速制动（20314 线）及紧急制动（20313 线）均为“1”。 记录的是故障发生之前384 ms 至故障发生之后256 ms 的环境变量。车辆紧急制动回路的继电器04A06 （ATP 的K6，K7 继电器）、02K88、02V05 或触点电路故障产生的紧急制动，车辆故障信息的环境变量中的常用制动（20313 线）、快速制动（20314 线）为“0”，紧急制动（20312 线）为“1”。记录的是故障发生之前384 ms 至故障发生之后256 ms 的环境变量。因此，若代码140-3 紧急制动发生后，车辆故障数

据记录中紧急制动、快速制动、常用制动同时为“1”，可以判断为车辆设备造成的紧急制动。若车辆故障数据记录中只有紧急制动为“1”，而快速制动和常用制动为“0”，则车辆设备和信号设备都有可能是造成紧急制动的原因。

2代码故障统计分析

通过对2007 年至2009 年代码140/140-3 故障的统计和分析，笔者发现：

1）代码140/140-3 故障与列车、具体的时间段没有特定关系。

2）代码140/140-3 故障集中发生在列车低速运行时，多发生于出站时，除罗湖站外各站没有集中分布。

3）代码140-3 故障发生时，车辆故障信息的环境变量中只有紧急制动，没有常用制动和快速制动，故障原因不在车辆系统。

4）代码140/140-3 故障（或低速时不明原因的紧急制动）除URM（无ATP 保护的人工驾驶）模式外，其它模式均有发生，以ATO 模式最多。故障由信号系统触发的可能性最大。

5）紧制140-3 必须重启ATP，运行2 个轨道信号后能收到速度码；紧急140 无需重启ATP，运行2 个轨道信号后可以收到速度码。

6）根据代码140/140-3 紧急制动故障的以上特征和相关记录，可知此类故障在以下情况容易发生：列车二次对标（低速）；折返站列车刚启动；出库列车刚启动。

3代码紧急制动信号定义

根据以上统计分析和试车线的模拟情况，并与信号供货商核实后，对代码140/140-3 紧急制动信号进行了以下定义：

1）紧制140-3 定义：ATP 监测车辆紧急制动回路线20312 线的电压信号，信号系统内部分两路电路进行判断，当紧急制动回读的两路信号不一致或在一个采集周期内监测到紧急制动电路电压跳变，车载ATP计算机将认为车辆制动故障，并记录代码“3”；当列车启动时，车载ATP 触发代码“140”的紧急制动，通常称为“140 带3”紧制。

2）紧制140 定义：ATP 监测车辆紧急制动回路线20312 线的电压信号，当两路电压信号同时没有紧急制动回读信号时，ATP 记录紧急制动故障信息，同时，ATP 通过04A06（ATP 的K6，K7 继电器）断开车辆紧急回路。

4紧急制动的电路改进

为了理清代码140-3 紧急制动故障车辆部门与信号部门的接口责任，对车辆紧急制动原理图中的线路进行了改进。02K88 和其下方的二极管在电路中移到 K6X2/6 上面，在电路中把车辆和信号的触点完全分开，把监控点X113-325 和 X113-318 移到 K6、K7 触点的上方位置，如果是因车辆原因发生的紧急制动， 即 K6X2/6 上面的电路出现断开，列车发生紧急制动后，信号监控到此断开后，信号也会跟随触发紧急制动；如果是因信号原因触发的紧急制动，即 K6 和 K7 触点出现断开，此时列车发生紧急制动，但信号没有监控到这个断开，这样的紧急制动是不需要信号缓解的，信号 HMI 上也不会有紧急制动图标显示。

5 结束语

故障处理指南中明确了司机的处理方法， 节约了乘务人员处理此故障的时间，保证了列车的正点运行。同时通过对紧急制动环路的电路改进， 明确了车辆系统和信号系统责任和各自负责的范围， 减少了双方之间的接口。 代码 140-3 紧急制动为信号系统故障，代码 140紧急制动为车辆紧急回路问题。