IEEE會員：汽車安全集成勢不可擋

——IEEE會員、IEEE智能交通系統(ITS)協會會員
       喬治華盛頓大學工程與應用科學學院教授

過去20年中，得益于廠商在汽車安全領域激烈而良性的競爭，汽車的安全性能已獲得大幅提高。汽車安全評級以及評級如何達到或超越國家或國際標準已經成為汽車廠商的一個營銷工具。創新和先進的技術成為了一系列安全系統的核心。根據歷史交通安全數據顯示，近年來被動和主動安全系統先后被開發和完善，對交通傷亡事故的減少起到了積極的作用。
                 
                 圖 ACC

盡管目前汽車安全已獲得大大提升，它仍然是個尚待進一步完善的重要挑戰。2007年的交通數據顯示，全美有4.1萬起死亡事故和超過240萬起受傷事故都是機動車碰撞所致。安全帶、結構性擠壓帶和安全氣囊等被動安全系統已經成為汽車設計的硬性要求和必要的組成部分。開發這些系統的目的是為了緩沖乘客在碰撞或突然剎車時所承受的撞擊力（即接觸壓力、擠壓力和加速度）。而工程學中專門研究這類技術的分支學科一般被稱為“耐碰撞性能研究”。

用于保護乘客的耐碰撞性安全措施主要圍繞以下幾個主題：車體結構設計理念（如汽車正面碰撞吸能裝置、車身鋼板硬度等）、先進材料開發（如高強度/重量比材料、復合材料、增強型耐壓材料等），以及由材料、結構和其他先進元件（如安全帶、安全氣囊、折疊式轉向柱、側面撞擊保護等）所構成的特定安全系統設計。

雖然耐碰撞性措施有助于提高汽車的安全性，但研究表明，多數撞車事故都是由駕駛員的失誤和違規操作造成的。導致這些情況的原因多種多樣，比如酒駕、注意力不集中、疲勞駕駛、缺乏對汽車的控制能力等。據美國交通部公路交通安全管理局（NHTSA）估計，美國每年近42%的交通死亡事故是由酒后或藥物作用下駕駛造成。這是美國最常見的刑事犯罪之一，每年有三分之一的美國人被牽涉到此類指控中，而平均每小時就有167人因此被捕。在美國，每39分鐘都會有一人因酒駕而死亡（肇事司機血液中的酒精濃度平均為 0.08），平均每天則有37人、每年超過1.6萬人因此而命喪輪下。

先進的車輛控制技術、駕駛員輔助系統、碰撞預警系統和防碰撞系統都旨在減少駕駛員失誤和違規、提高汽車安全的有效主動措施。隨著計算性能的不斷提高，以及嵌入式系統、傳感器、自動控制和通信技術的出現，被稱為“主動”安全系統的汽車安全系統在過去10年里應運而生并不斷完善。許多“主動安全”的概念最早于20世紀70年代初便在汽車和研發行業中誕生。到了90年代，隨著更廉價、更小型，以及更便攜的電子設備、傳感器和中央處理器的出現，這些概念獲得了重生。與作為響應性防碰撞措施的被動安全系統不同，主動系統一般采取感測（利用攝像頭、雷達等）和驅動（即控制功能）來主動降低潛在的碰撞可能或風險。這些系統旨在通過感測汽車、駕駛員以及周圍環境來預測可能出現的駕駛事故，并主動規避以防止危險事件的發生，或預先啟動安全系統以在碰撞的危急關頭減少乘客所受的傷害。基于主動概念，汽車設備制造商提供了各種不同的防碰撞和預警策略，為行車提供額外的安全性和舒適性。

市場上許多新型車輛都配備了主動安全系統，如ESP（車身電子穩定系統——從2012年起，美國所有車輛必須裝配這個系統）、ACC或ICC（自適應巡航控制或智能巡航控制）。ESP會檢測汽車的牽引力、車體轉向角度和滑移條件，通過自動調節制動力的分布、干預從動輪的加速度（即選擇性制動或車輪驅動），使車輛保持穩定，不偏離車道。ACC與常規巡航控制的工作原理很相似，但它能夠自動保持與前方車輛或障礙物的距離；多數ACC系統都會利用95%以上的制動力來停車，并通過啟動預警系統讓駕駛員作出最后停車指令。ACC可能通過雷達、近距或其他類型的傳感器來檢測遠距和近距的障礙物，并執行高級傳感器處理算法去便區分彎曲路段邊上的固定護欄與前方道路的車輛或故障物。
                        
                         圖 ESP

主動安全系統可以根據其與駕駛員的交互程度或對駕駛控制的干預來分類。例如，有些主動系統會自動啟動（如ESC電子穩定系統），而另一些則是向駕駛員提供信息或發出警告，充當著駕駛輔助系統的角色。詳細地說，自動控制功能，即與車輛動力學相關的控制功能，駕駛員可能感覺不到它們的存在——就像自動變速汽車自動為駕駛員執行了手動擋汽車的換擋任務一樣。ESC是一種不需要駕駛員干預的自動穩定控制系統。而信息提供功能，就是純粹的信息系統，它只向駕駛員提供有用的信息，從而提高駕駛員的態勢感知能力，比如天氣助手、結冰路面狀況等信息。處于二者之間的是各種干預程度不同的安全和舒適系統。這些系統可能警示駕駛員，提供糾正建議，或者進行部分（譬如觸覺）控制（即如輔助制動）。例如，多家廠商最近推出的車道偏離預警系統就能夠在汽車偏離車道時警告駕駛員。一般而言，安裝在后視鏡后方的攝像頭會掃描前方道路上的車道標志，并由一個視覺信息處理單元判定汽車是否越線，且僅在駕駛員未通過轉向燈表現出換道意向時啟動采用蜂鳴聲或可視的警告系統。許多駕駛員輔助系統均為駕駛員提供信息和警告信號的方式，且可自由選擇是否啟用。

如以上各例所示，安全系統可以處于信息、警告、半自動控制，或全自動控制四個層面。每個層面在駕駛員和汽車之間的交互和干預類型是不同的：

作為汽車安全策略的一部分，各種被動和主動安全系統被自動集成起來，以增強安全性。例如，配備預緊裝置的安全帶，可以在汽車防碰撞雷達檢測到迫近碰撞情況時提前啟動，把車內人員更牢固地系在座椅上，從而降低傷害風險。但這只是安全集成策略眾多模式中一個簡單的例子。

圖 車與基礎設施的通信模型

從整體去看集成安全，傳感器可以提供額外的狀態監控和態勢感知功能。安全算法基于傳感器所收集的數據，用各種確定性和隨機的方法進行評價、評估、估算、感知和判斷。這些算法可以提供最優化、最安全的糾正措施，類似于熟練駕駛員在緊急狀況下會做出的判斷。這些判斷可充當智能副駕駛的角色，最后轉換成具體的車輛控制操作（如制動、轉向等）。互動/干預/驅動的實際功能是安全系統設計的一部分。如上表所示（從信息層和警告層到完全控制層），其執行層次可能不盡相同。

車輛間以及車輛與基礎設施之間的數據通信正推動著新一波的汽車安全技術革命。一些設備制造商已示范了其車輛通信技術。該技術可以向駕駛員發出路口碰撞警告，減少駕駛員因視覺盲點而導致的事故。目前，相關機構正在評估DSRC（專用短程通信技術）和其他通信協議對于不同安全應用的適用性。美國交通部在其智能駕駛計劃（IntelliDrive）的指導下，正在進行現場操作試驗和協作研究，以推動未來的標準制定。許多其他集成安全系統也將不斷涌現：車道偏離控制、偏道警告和控制、輔助制動、盲點警告、路口碰撞警告、智能速度順應系統、駕駛員困倦檢測和警告、違例駕駛員輔助等。這些技術有些已經上市，有些還處于開發之中。

毫無疑問，先進的集成安全系統已在原型車和實驗室環境下被證實其降低危險的效力，并將給用戶帶來實際利益。由于目前還沒有一個適用的統一性能標準，阻礙了主動安全技術的進一步發展和普及。新車碰撞測試（NCAP）的典型試驗（美國交通部公路交通安全管理局NHTSA的新車評估計劃），雖然可以為汽車提供碰撞標準評級，但目前仍需要對這些新型的主動安全技術進行評估。需要指出的是，為主動安全系統制定合適的標準是個非常復雜的問題，因為整體系統存在差異，制造商之間又缺乏統一的標準。而由于駕駛員交互系統本身也非常復雜，從而使得解決駕駛員的適應問題難上加難。我們還需要更多的研究和評估，才能針對這些技術制定創新、有效的標準。

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