前向碰撞预警系统报警策略分析

郑望晓，刘建平，郑阳，周祥祥

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511400）

引言

随着汽车的普及，有汽车带来的交通事故日渐增多，人们对汽车安全性的要求不断提高；同时对汽车安全方面的研究由被动安全发展到主动安全，其中汽车前向碰撞预警（Forward Collision Warring，FCW）系统得到较快的发展，前向碰撞预警系统可以在追尾工况发生前的合适时机给驾驶员发送报警信号，提醒驾驶员提前采取措施，通过转向或制动等方式来避免交通事故的发生。

美国弗吉亚州技术局和NHTSA联合发布的研究表明，95%的交通事故是由人的操作不当引起，如果驾驶员在发生事故前3秒注意力集中并作出正确操作，就可避免80%的交通事故的发生[1]。由此可见，有效合理的给予驾驶员碰撞警告，将明显降低碰撞事故的发生几率。

1 FCW系统工作原理分析

汽车前向碰撞预警系统由环境感知传感器、决策控制器和执行器三部分组成。感知传感器的功能是准确、快速的测量车辆运行状况及交通环境信息。控制器依据传感器提供的信息和预先设定的参数、算法，进行车辆当前安全状态的判断，并依据控制算法计算结果向执行器发出控制命令。执行器接收控制器的控制指令，按照期望的方式实现对车辆的控制操作。如下图1所示：

图1 前向碰撞预警系统工作原理

预警策略的合理性和预警方式的有效性，决定前向碰撞预警系统的性能好坏以及是否实用。如何设定合理的预警策略，取决于三个方面：FCW系统对目标的有效识别和跟踪，合理的报警时机，报警方式即人机交互界面（Human Machine Interface，HMI）的可接受度。

2 前向碰撞预警系统感知传感器选择

传感器是汽车感知周围的环境的硬件基础，负责目标运行状态的判断与识别，并将探测到的信息数据传送给数据处理系统。目前主流的目标探测传感器有摄像头、毫米波雷达、激光雷达作为三大重要传感器；各传感器在不同方面均存在一定的优劣势，对比分析如表1。

表1 传感器性能对比

前向碰撞预警系统的传感器在探测区域内应具有足够高的刷新率和测量精度探测到所有目标，包括小汽车、摩托车、自行车、行人、树木和电线杆等物体，同时应具备测量目标的速度和距离的功能，而且在真实的城市道路应用中会经常遇到多目标的情况，因此需要对系统提出更多的要求：①在大范围内具有良好识别力；②传感器储存小，且易装配；③能适应不同的气候环境以及抗污染能力；④批量生产成本较低。结合三大传感器的性能优劣势分析，前向碰撞预警系统的感知传感器考虑选择摄像头或者毫米波雷达。

3 前向碰撞预警系统报警时机分析

3.1 报警逻辑和形式

安全时间逻辑算法是通过比较两车间的碰撞时间与安全时间阈值，来确定车辆的安全状态，算法中常用的两个特性参数为跟车时距（THW）和避撞时间（TTC），这两个特征参数都是基于车辆的相对运动状态定义的。避撞算法决定了预警的时机和逻辑，其核心问题是确定合适的介入时刻。

THW定义为[2]：

其中：D为本车、目标车之间的行驶方向距离；Vf为本车的速度；THW参数的量纲为s。

碰撞时间TTC（time to collision）是最常用的评价交通安全的微观指标，是指某一时刻本车与目标车之间发生碰撞之前的剩余时间[3]，其计算式为：

式中：D为本车、目标车之间的行驶方向距离；Vf为本车的速度；V1为目标车的速度；ΔV为本车与目标车的速度差（ΔV＝Vf-V1）。

除了在极端紧急时应该向驾驶员发出警告之外，在有危险存在但情况并不紧急时，也应该给予驾驶员提示性的警告[4]。

安全距离报警的目的是提示驾驶员跟车车距过小，基于跟车时距THW模型算法设计报警阈值。安全距离报警会在情况不紧急的时候提醒驾驶员，但是如果这时前车突然减速，该状况的危险程度会迅速升级。该报警具有提示信息的属性，如果当前状况不改变，则不会发生事故。当驾驶行为处于潜在危险状态同时车间时距低于给定阈值时，将触发安全距离报警。

紧急情况下（驾驶员必须改变他的驾驶行为去避免碰撞或者减轻事故伤害），系统会采用两种报警方式来提醒驾驶员，这两种报警的主要区别在于参数（报警的时间早晚）和报警方式不同。

前向碰撞报警有两个阶段，当出现危险情况时，预报警功能首先被触发（情况危险程度达到等级1）；如果情况持续恶化，将会进行紧急报警（情况危险程度达到等级2）。在出现突发性的危险情况时（例如，前方车辆突然切入或强力制动），两种报警可能同时被触发，这种情况下驾驶员只有很短的时间作出反应。

在理想情况下，FCW应尽可能早的报警，这样驾驶员才可以经过一定的反应时间后做出反应，进而通过紧急制动逐步降低危险。然而，这种简单的算法将导致非常高频率的误触发，其产生的原因被称为“报警难题”（Warning Dilemma）[5]：一方面向驾驶员发出警告的时间应该足够早，这样驾驶员才有充足的反应时间来采取相应的措施回避危险；另一方面过早的警告会干扰驾驶员的正常驾驶，降低驾驶舒适性，导致用户接受度降低。

图2 典型的高相对速度接近目标场景

如图2场景所示，当报警触发时，注意力集中的驾驶员应已经开始进行制动减速，如果这时驾驶员仍未作出减速动作，那么报警就是必要的并可以足够的早，这样可以保证注意力不集中的驾驶员能够对报警作出反应避免事故的发生，误触发的风险较低。

图3 典型的低相对速度靠近目标场景

在图3的低相对速度靠近目标场景中，当理想报警点到达时，注意力集中的驾驶员还不会开始制动，如果这时触发报警，驾驶员将受到干扰，这就是一种误触发；但如果不进行报警，注意力不集中的驾驶员则无法得到最佳的辅助。

为了减少由于“报警难题”产生的误触发，不同场景下将应用不同的驾驶员模式和应对策略。该决策的影响因素有：绝对和相对速度，目标的分类（移动或静止），驾驶员状态估算（注意力集中/不集中）等。依据车辆不同的行驶速度设定不同的安全防撞时间，通过与车辆发生碰撞需要的时间比较进行危险预警，可分为安全距离报警、预报警、紧急报警三种形式。

3.2 报警时机

驾驶过程是一个驾驶员-车辆-道路-环境系统相互作用的过程，驾驶员的驾龄、性格、身体素质，汽车自身的性能、保养，当前路况、气候等等，都会直接或者间接地作用于驾驶员，其驾驶行为更将直接影响驾驶安全。

驾驶员从接受感官刺激（报警提示）到做出踩制动踏板的动作所需时间，时间虽短，但在高速行车安全中影响重大。该反应时间主要指制动反应时间，它包括大脑反应时间、脚移到制动踏板所需时间等。受动作复杂度、驾驶熟练度、对反应的准备程度等的影响。

针对驾驶员反应时间，ISO对反应时间和制动减速度曾做过调查统计[6]，321人调查结果，在看到需进行制动操作的提示后，平均反应时间为0.66s，98%的人反应时间低于1.5s。

在FCW系统报警时机设定需充分考虑驾驶员的反应时间，以及驾驶员介入制动后，车辆的制动减速度。从而设定合理的报警时间，在报警发出之后，驾驶员能有足够的时间去反应，并介入车辆，避免碰撞事故的发生。

3.3 最低报警车速

受城市道路交通特点所限，车辆会时常刹车制动、起步，处于怠速状态等，行驶车速较低，发生事故的可能性比较小[7]。若预警频繁，反而会影响驾驶员对于当前行车状态的判断，因此当自车速度低于某一限定阈值时应抑制预警，该阈值应根据不同的报警形式设定不同的最低触发车速。

预报警应该尽可能早的触发，以便驾驶员可以通过制动或者转向来防止即将的事故，该功能触发的最低速度值不能小于25km/h。

紧急报警须达到误触发最少，同时效果最大化的目的。该功能将尽可能晚的触发以避免误报警。尽管如此，在报警触发时，驾驶员依然有时间进行制动或转向，避免事故的发生（情景的危险程度等级更高）。因此大多数驾驶员都会接受该报警，该报警也会帮助驾驶员避免碰撞，增加行车安全性。由于报警难题的存在，该功能触发的最低速度值不能小于30km/h。

3.4 不同驾驶风格报警需求分析

驾驶员作为道路交通系统的核心，处理各种信息，决策车辆行驶状态。不同驾驶员驾驶操作行为不同，对驾驶安全的影响也不同。

为满足不同驾驶风格驾驶员对前向碰撞预警系统的使用需求，在系统设计时考虑设定不同报警阈值时机以提供驾驶员根据自身的需求进行选择。在用户进行系统设置的交互界面提供不同报警时机的选项（如：早、中、晚），如此能更好的提升用户接受度。

4 报警方式HMI分析

在人-车-路-环境一体化的驾驶过程中，驾驶员的主动操控作用贯穿驾驶行为的始终，其驾驶能力是实现行车安全的保证和前提，行车过程驾驶操控信息流程如图所示。

图4 驾驶操控信息流程图

为了帮助驾驶员安全行驶，前向碰撞预警系统应通过清晰的HMI向驾驶员传递及时、准确、简明的信息，辅助驾驶员识别交通环境中存在的危险，且不会加重驾驶员的认知负荷。HMI对前向碰撞预警系统的有效性和用户接受度有重要的影响，HMI的设计是前向碰撞预警系统开发的关键一环。

人们在感知客观事物的实践活动中视、、听、触三种感受器起着重要作用。反应能力有三种表现：反应动作的快速性、判断的正确性和动作的及时性。

前向碰撞预警系统中，可以应用视觉、听觉、触觉三种不同模式的预警信号，这三种模式的警告信号有效性和用户接受度存在差别。J.J.Scott和Robert Gray通过驾驶模拟器实验对比了在防追尾预警系统中，视觉、听觉、触觉三种不同的预警信号与没有预警时的差异。结果表明三种预警信号都能缩短驾驶员反应时间，其中使用触觉信号时驾驶员反应时间最短，其次是听觉，再其次是视觉[8]。视觉作为最广泛使用的感受器。注意力倾向性占主要位置。视觉感受器还具有触觉、听觉所不能达到的特殊功能。它能和思维活动密切联系能发现对方的意图和准备活动的过程，具有反应判断正确性、及时性和提前准备的效果。

根据人类对不同报警方式的反应时间，以及接收程度，结合不同报警功能的特性；因此对于不同报警功能应选择相应合理的报警方式，确保报警的有效性和用户的可接受度。

安全距离报警方式：由于安全距离报警所提供信息的特性，采用了视觉这种尽量避免分散驾驶员注意的方式。在安全距离报警的过程中，始终显示该报警。

预报警方式：因为预报警的触发点较早，误触发不可能完全避免。因此预报警推荐使用较为柔和的视觉和声音的报警方式。

紧急报警方式：因为紧急报警比预报警触发时间晚，误触发率也小。因为它触发时间晚，需要驾驶员更快的作出反应，所以该报警推荐使用更强烈的触觉报警，如通过短促制动提醒驾驶员。

5 总结

本文分析了前向碰撞预警系统的报警策略，以及提出设计要求，在报警形式方面，根据报警时机不同，提出安全距离报警、预报警、紧急报警三种形式。综合考虑系统的安全保障特性和主观感受特性，以及满足不同驾驶风格的报警策略。合理的设计报警策略，可以提高交通效率、车辆的舒适性及可靠性，并且能够更好的将驾驶员对不同报警方式的主观感受考虑在内，使前向碰撞预警系统能够更好提升驾驶员可接受度。