汽車電子的發(fā)展趨勢(shì)——汽車安全集成 - 全文

　　在過(guò)去的20年中，廠商們?cè)谄嚢踩I(lǐng)域激烈而良性的競(jìng)爭(zhēng)，使得汽車的安全性能獲得大幅地提高。汽車安全評(píng)級(jí)如何達(dá)到或超越國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為汽車廠商的一個(gè)營(yíng)銷工具。創(chuàng)新和先進(jìn)的技術(shù)成為了安全系統(tǒng)的核心。根據(jù)歷年的交通安全數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)被動(dòng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)先后被開(kāi)發(fā)和完善，對(duì)交通傷亡事故的減少起到了積極而有效的作用。

　　圖 ACC

　　盡管目前汽車安全已獲得大大提升，它仍然是個(gè)尚待進(jìn)一步完善的重要挑戰(zhàn)。2007年的交通數(shù)據(jù)顯示，全美有4.1萬(wàn)起死亡事故和超過(guò)240萬(wàn)起受傷事故都是機(jī)動(dòng)車碰撞所致。安全帶、結(jié)構(gòu)性擠壓帶和安全氣囊等被動(dòng)安全系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)的硬性要求和必要的組成部分。開(kāi)發(fā)這些系統(tǒng)的目的是為了緩沖乘客在碰撞或突然剎車時(shí)所承受的撞擊力（即接觸壓力、擠壓力和加速度）。而工程學(xué)中專門研究這類技術(shù)的分支學(xué)科一般被稱為“耐碰撞性能研究”。

　　用于保護(hù)乘客的耐碰撞性安全措施主要圍繞以下幾個(gè)主題：車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念（如汽車正面碰撞吸能裝置、車身鋼板硬度等）、先進(jìn)材料開(kāi)發(fā)（如高強(qiáng)度/重量比材料、復(fù)合材料、增強(qiáng)型耐壓材料等），以及由材料、結(jié)構(gòu)和其他先進(jìn)元件（如安全帶、安全氣囊、折疊式轉(zhuǎn)向柱、側(cè)面撞擊保護(hù)等）所構(gòu)成的特定安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　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(shù)撞車事故都是由駕駛員的失誤和違規(guī)操作造成的。導(dǎo)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(duì)汽車的控制能力等。據(jù)美國(guó)交通部公路交通安全管理局（NHTSA）估計(jì)，美國(guó)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(guó)最常見(jiàn)的刑事犯罪之一，每年有三分之一的美國(guó)人被牽涉到此類指控中，而平均每小時(shí)就有167人因此被捕。在美國(guó)，每39分鐘都會(huì)有一人因酒駕而死亡（肇事司機(jī)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(guò)1.6萬(wàn)人因此而命喪輪下。

　　先進(jìn)的車輛控制技術(shù)、駕駛員輔助系統(tǒng)、碰撞預(yù)警系統(tǒng)和防碰撞系統(tǒng)都旨在減少駕駛員失誤和違規(guī)、提高汽車安全的有效主動(dòng)措施。隨著計(jì)算性能的不斷提高，以及嵌入式系統(tǒng)、傳感器、自動(dòng)控制和通信技術(shù)的出現(xiàn)，被稱為“主動(dòng)”安全系統(tǒng)的汽車安全系統(tǒng)在過(guò)去10年里應(yīng)運(yùn)而生并不斷完善。許多“主動(dòng)安全”的概念最早于20世紀(jì)70年代初便在汽車和研發(fā)行業(yè)中誕生。到了90年代，隨著更廉價(jià)、更小型，以及更便攜的電子設(shè)備、傳感器和中央處理器的出現(xiàn)，這些概念獲得了重生。與作為響應(yīng)性防碰撞措施的被動(dòng)安全系統(tǒng)不同，主動(dòng)系統(tǒng)一般采取感測(cè)（利用攝像頭、雷達(dá)等）和驅(qū)動(dòng)（即控制功能）來(lái)主動(dòng)降低潛在的碰撞可能或風(fēng)險(xiǎn)。這些系統(tǒng)旨在通過(guò)感測(cè)汽車、駕駛員以及周圍環(huán)境來(lái)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的駕駛事故，并主動(dòng)規(guī)避以防止危險(xiǎn)事件的發(fā)生，或預(yù)先啟動(dòng)安全系統(tǒng)以在碰撞的危急關(guān)頭減少乘客所受的傷害?；谥鲃?dòng)概念，汽車設(shè)備制造商提供了各種不同的防碰撞和預(yù)警策略，為行車提供額外的安全性和舒適性。

　　市場(chǎng)上許多新型車輛都配備了主動(dòng)安全系統(tǒng)，如ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)——從2012年起，美國(guó)所有車輛必須裝配這個(gè)系統(tǒng)）、ACC或ICC（自適應(yīng)巡航控制或智能巡航控制）。ESP會(huì)檢測(cè)汽車的牽引力、車體轉(zhuǎn)向角度和滑移條件，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)力的分布、干預(yù)從動(dòng)輪的加速度（即選擇性制動(dòng)或車輪驅(qū)動(dòng)），使車輛保持穩(wěn)定，不偏離車道。ACC與常規(guī)巡航控制的工作原理很相似，但它能夠自動(dòng)保持與前方車輛或障礙物的距離；多數(shù)ACC系統(tǒng)都會(huì)利用95%以上的制動(dòng)力來(lái)停車，并通過(guò)啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)讓駕駛員作出最后停車指令。ACC可能通過(guò)雷達(dá)、近距或其他類型的傳感器來(lái)檢測(cè)遠(yuǎn)距和近距的障礙物，并執(zhí)行高級(jí)傳感器處理算法去便區(qū)分彎曲路段邊上的固定護(hù)欄與前方道路的車輛或故障物。

　　圖 ESP

　　主動(dòng)安全系統(tǒng)可以根據(jù)其與駕駛員的交互程度或?qū)︸{駛控制的干預(yù)來(lái)分類。例如，有些主動(dòng)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)（如ESC電子穩(wěn)定系統(tǒng)），而另一些則是向駕駛員提供信息或發(fā)出警告，充當(dāng)著駕駛輔助系統(tǒng)的角色。詳細(xì)地說(shuō)，自動(dòng)控制功能，即與車輛動(dòng)力學(xué)相關(guān)的控制功能，駕駛員可能感覺(jué)不到它們的存在——就像自動(dòng)變速汽車自動(dòng)為駕駛員執(zhí)行了手動(dòng)擋汽車的換擋任務(wù)一樣。ESC是一種不需要駕駛員干預(yù)的自動(dòng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。而信息提供功能，就是純粹的信息系統(tǒng)，它只向駕駛員提供有用的信息，從而提高駕駛員的態(tài)勢(shì)感知能力，比如天氣助手、結(jié)冰路面狀況等信息。處于二者之間的是各種干預(yù)程度不同的安全和舒適系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能警示駕駛員，提供糾正建議，或者進(jìn)行部分（譬如觸覺(jué)）控制（即如輔助制動(dòng)）。例如，多家廠商最近推出的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)就能夠在汽車偏離車道時(shí)警告駕駛員。一般而言，安裝在后視鏡后方的攝像頭會(huì)掃描前方道路上的車道標(biāo)志，并由一個(gè)視覺(jué)信息處理單元判定汽車是否越線，且僅在駕駛員未通過(guò)轉(zhuǎn)向燈表現(xiàn)出換道意向時(shí)啟動(dòng)采用蜂鳴聲或可視的警告系統(tǒng)。許多駕駛員輔助系統(tǒng)均為駕駛員提供信息和警告信號(hào)的方式，且可自由選擇是否啟用。

　　如以上各例所示，安全系統(tǒng)可以處于信息、警告、半自動(dòng)控制，或全自動(dòng)控制四個(gè)層面。每個(gè)層面在駕駛員和汽車之間的交互和干預(yù)類型是不同的：（見(jiàn)下表）

　　主動(dòng)系統(tǒng)還有其他分類方法。其中一種，以汽車碰撞前后的時(shí)間區(qū)間對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行分類。在這種方法中，針對(duì)不同的時(shí)段設(shè)計(jì)不同的安全系統(tǒng)或模式。比如碰撞或事故發(fā)生前的時(shí)刻，系統(tǒng)根據(jù)可預(yù)防性碰撞、可能發(fā)生的碰撞，以及迫近碰撞這三種不同情境區(qū)分，針對(duì)不同的情境啟動(dòng)相應(yīng)的主動(dòng)安全系統(tǒng)。

　　作為汽車安全策略的一部分，各種被動(dòng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)被自動(dòng)集成起來(lái)，以增強(qiáng)安全性。例如，配備預(yù)緊裝置的安全帶，可以在汽車防碰撞雷達(dá)檢測(cè)到迫近碰撞情況時(shí)提前啟動(dòng)，把車內(nèi)人員更牢固地系在座椅上，從而降低傷害風(fēng)險(xiǎn)。但這只是安全集成策略眾多模式中一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。

　　圖 車與基礎(chǔ)設(shè)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(tài)監(jiān)控和態(tài)勢(shì)感知功能。安全算法基于傳感器所收集的數(shù)據(jù)，用各種確定性和隨機(jī)的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)、評(píng)估、估算、感知和判斷。這些算法可以提供最優(yōu)化、最安全的糾正措施，類似于熟練駕駛員在緊急狀況下會(huì)做出的判斷。這些判斷可充當(dāng)智能副駕駛的角色，最后轉(zhuǎn)換成具體的車輛控制操作（如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等）?；?dòng)/干預(yù)/驅(qū)動(dòng)的實(shí)際功能是安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhí)行層次可能不盡相同。

　　車輛間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信正推動(dòng)著新一波的汽車安全技術(shù)革命。一些設(shè)備制造商已示范了其車輛通信技術(shù)。該技術(shù)可以向駕駛員發(fā)出路口碰撞警告，減少駕駛員因視覺(jué)盲點(diǎn)而導(dǎo)致的事故。目前，相關(guān)機(jī)構(gòu)正在評(píng)估DSRC（專用短程通信技術(shù)）和其他通信協(xié)議對(duì)于不同安全應(yīng)用的適用性。美國(guó)交通部在其智能駕駛計(jì)劃（IntelliDrive）的指導(dǎo)下，正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作試驗(yàn)和協(xié)作研究，以推動(dòng)未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)制定。許多其他集成安全系統(tǒng)也將不斷涌現(xiàn)：車道偏離控制、偏道警告和控制、輔助制動(dòng)、盲點(diǎn)警告、路口碰撞警告、智能速度順應(yīng)系統(tǒng)、駕駛員困倦檢測(cè)和警告、違例駕駛員輔助等。這些技術(shù)有些已經(jīng)上市，有些還處于開(kāi)發(fā)之中。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，先進(jìn)的集成安全系統(tǒng)已經(jīng)在原型車和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下被證實(shí)有降低危險(xiǎn)的作用，并將給用戶帶來(lái)實(shí)際利益。由于目前還沒(méi)有一個(gè)適用的統(tǒng)一性能標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了主動(dòng)安全技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及。新車碰撞測(cè)試（NCAP）的典型試驗(yàn)（美國(guó)交通部公路交通安全管理局NHTSA的新車評(píng)估計(jì)劃），雖然可以為汽車提供碰撞標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)，但目前仍需要對(duì)這些新型的主動(dòng)安全技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。需要指出的是，為主動(dòng)安全系統(tǒng)制定合適的標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)檎w系統(tǒng)存在差異，制造商之間又缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而由于駕駛員交互系統(tǒng)本身也非常復(fù)雜，從而使得解決駕駛員的適應(yīng)問(wèn)題難上加難。我們還需要更多的研究和評(píng)估，才能針對(duì)這些技術(shù)制定創(chuàng)新、有效的標(biāo)準(zhǔn)。