基于TRIZ方法在汽车油门防误踩装置研究中的应用

冯志勇 李长峻

摘要：驾驶员在驾驶汽车时，常见因误踩油门造成发生事故的严重后果。通过应用TRIZ理论来寻找解决方案，在解决问题当中采用了TRIZ创新方法的功能分析、资源分析、因果链分析、发明原理、技术矛盾和矛盾矩阵等工具，从中对问题进行剖析，找到解决问题的方案。通过试验结果表明：防油门误踩制动控制系统能准确判别汽车是否处于油门误踩状态，并能在误踩状态下执行减速制动操作，有效防止误踩油门导致的交通事故发生，极大地提高了汽车的主动安全性。

关键词：TRIZ创新方法;油门误踩;减速制动

中图分类号：TP1                                         文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0198-03

0  引言

随着经济的发展，我国汽车保有量在快速增长。据商务部统计，目前，全国汽车保有量大约在2.6亿辆左右，因此也造成了交通事故在逐年增加，其中单纯因误踩油门造成的事故就占总事故比例的12.6%[1]。为防止驾驶员误将油门踏板当作刹车踏板踩踏而引发交通事故，开发一套完善的主动安全装置已是当前急迫要解决的问题。

TRIZ理论（发明问题解决理论）是根里奇·阿奇舒勒在总结了二十多万份专利成果的基础上，提炼出的一套发明问题解决理论体系[5]。其主要包括40个发明原理、矛盾矩阵表、功能分析、物-场模型、76个标准解和发明问题解决算法（ARIZ）、最终理想解、科学效应库等，是基于技术的发展演化规律，研究整个设计与开发过程的方法论，进而解决项目中的难题。通常解决问题的方案都是以试错的方案居多，一般的问题这种试错法效果可能会比较明显，在一些比较复杂的问题上往往要花费更长的开发时间，需要消耗更多的资源。

本文针对驾驶员在驾驶汽车时，因误踩油门造成车辆发生交通事故的严重后果。为了避免或减少此类问题的发生，本文利用TRIZ创新方法理论来寻找解决方案。通过TRIZ创新方法理论对系统进行因果链分析、功能分析、资源分析、技术矛盾等工具获得TRIZ解题的方案模型，最终得出解决方案。

1  发明问题初始形势分析

当前的控制系统如图1所示。

当驾驶员踩下油门踏板的时侯，油门踏板电位计传感器把当前的油门踏板所处的位置转变成电信号传输给发动机控制单元，发动机控制单元根据油门踏板电位计所提供的信号，结合其它传感器信号对节气门开度步进电机进行控制，从而实现对发动机功率和扭矩的控制。但是当驾驶员出现误操作的时候，控制系统依然会执行错误的指令，事故就会再所难免的发生了。

1.1 系统功能分析

在TRIZ理论中，基于组件的功能分析是将系统拆分成各个组件，分析各组件之间的相互关系及组件在系统中的作用（见图2），将其作用分为正常功能、有害功能、不足功能。进一步理清各组件的关系及其在系统中的作用，为后续的因果分析和资源分析提供支持。

1.2 资源分析

资源所涉及到的范围非常之广，大体上可以分为：自然资源、金融资源、人力资源。在TRIZ的研究成果上，Boris Zlotin及Alla Zusman将资源总结为两类：发明资源（inventive resources）及进化资源（evolutionary resources）。发明资源分为：直接应用资源、导出资源、差动资源。本案例采用了直接应用资源中的：物质资源、能量场资源、信息资源、空间资源、时间资源、功能资源，从直接应用资源中分析得出下列的资源信息，为本案解决方案提供可参考的信息。

物质资源：驾驶员、电子油门踏板、G79、G185、发动机控制单元、电子节气门、电子节气开步电机、G187、G188;

能量场资源：电场、磁场、热场;

信息资源：发动机转速、车速;

时间资源：踩油门踏板时间、发动机转速升高时间、驾驶员反映时间;

空间资源：驾驶室;

功能资源：踩压油门踏板。

1.3 因果鏈分析

因果链分析[4]是全面识别工程系统缺点的分析工具。本课题针对的问题是因为驾驶员在操作时出现误踩油门而引起的事故，这个缺点引起的原因是由于系统无法识别驾驶员的操作意图，特对油门踏板、电子节气门、发动机控制单元这三个组件进行分析，从中找出问题的根本原因，为后面工作推进提供方向和思路。

1.3.1 初始缺点分析

初始问题一般是由项目目标来决定的，一般说来是项目目标的反面。本文里初始问题是驾驶员误踩油门引起交通事故。

1.3.2 中间缺点分析

中间缺点是指处于初始缺点和末端缺点之间的缺点，它是上一层级缺点的原因，又是下一层缺点造成的结果。造成交通事故原因如图3所示。

1.3.3 末端缺点分析

深入的分析问题，直到本问题无关才停止进一步探究。所以本问题末端缺点是没有错误识别装置。

1.3.4 关键缺点分析

经过因果链分析法，得出初始缺点、中间缺点和末端缺点很多，但是不是每一个缺点都要去处理，经过精心去选择需要进一步解决的关键缺点，而造成交通事故发生的关键缺点问题就是油门踏板没有安装有错误识别装置。通过因果链分析法，建立起来的因果链分析图4，找出现存问题：

①驾驶员水平低;

②没有安装智能识别装置。

可解决方案：

①加强驾驶技能培训，规范操作流程;

②加装油门踏板信号处理器（存在技术矛盾）。

通过上述问题的分析，可以选择从加装智能识别装置出发，通过智能识别装置来识别驾驶员在操作的过程中是否存在误踩的问题进行设计。

1.4 技术矛盾

因为电子油门控制系统没有自主安全控制装置，当驾驶员在误操作的时候汽车易出现交通事故。如果给汽车的控制系统增加安全装置，那么汽车发生事故的问题就会避免或减少，但是会增加系统的复杂性和制造成本。（表1）

通过40个发明原理查找矛盾矩阵表可得到：13：表示反向作用，35：表示物理/化学状态变化，1：表示分割。

1.5 物理矛盾

汽车在行驶的过程中，踩油门踏板需要反应要快，是因为提速的需要;但是当驾驶员出现误操作的时候，因安全的需要，踩油门踏板时反应要慢一些。

物理矛盾的分离原理有：①空间分离;②时间分离;③基于条件的分离;④整体与部分的分离。根据所描述的问题，采用基于条件的分离原理来解决物理矛盾。根据发明原理可得分离原理为条件分离：1、7、25、27、5、22、23、33、6、8、14、35、13。

从条件分离中选取：1-分割。驾驶员出现操作的时候，限制发动机对外输出的功率。

2  方案的建立

通过TRIZ创新方法的功能分析、资源分析、因果链分析、发明原理、技术矛盾和矛盾矩阵等工具，从中对问题进行剖析，初步建立以下可选方案：

方案1：在油门踏板底下加一个限位器，可以防止油门被踩到底。

使用这种方法，操作比较简单，但是在使用过程中比较麻烦，并且驾驶员容易忘记复位。

方案2：定期对驾驶员进行安全培训，提高驾驶员的综合素质。

这种方案是可行的，但是，我国现拥有驾驶证的人员已达3.8亿人，如此庞大的培训哪个部门可以承担得起这个责任和任务？显然行不通。

方案3：实现人工智能控制，无人驾驶汽车。

该方案正在成为汽车发展的大方向，人工智能的普及以及无人驾驶汽车的应用，将实现交通的有序进行。但是现阶段要解决传统汽车的问题，对现有汽车进行人工智能的升级改造，费用巨大，普遍用户是无法接受的。

方案4：对发动机控制单元进行升级，改写内部控制程序，加入安全防护程序。

這个方法可行，但是需要专业人员对发动机电脑板进行程序的编写或增加控制芯片。工作量和成本也是巨大的，据调查，市场对发动机控制单元进行升级少则一千，多则几千或过万的费用。

方案5：利用油门踏板的G87、G185的信号控制。

通过采集油门踏板的G87、G185的信号以及信号发生的曲率变化速度来判断油门踏板的位置变化。设定极限值，当车辆速度为零时，油门踏板被瞬间踩到底，保护控制程序被激活，系统会自动切断G87、G185的信号输送，维持怠速的电信号传递，发动机控制单元接收不到G87、G185的加速信号，就不会对节气门步进电机进行控制，发动机维持在怠速状态，从而起到保护的作用。

3  方案设计选择

从以上的方案当中进行了比较，经过综合分析，第5方案在本案当中是最佳的选择，可以满足各条件下的须要。通过对系统进行认真的分析和考量，参阅了大量的资料和专利开发，结合可实现的可行性方案，得出基本的设计方案图4油门防误踩控制系统[3]。

控制原理：原车油门位置传感器采集电压信号后分别送至信号分配器和单片机，怠速信号生成电路向信号分配器提供常通的怠速信号。当系统判定为“正常”状态时，STM32单片机控制信号分配器选择油门位置传感器信号发送至发动机ECU;发动机正常工作;当系统判定“误踩”状态时，单片机控制信号分配器选择怠速分配器提供的怠速信号发送至发动机ECU，发动机则按怠速供给燃油，同时激活制动执行机构，对车辆进行制动控制。

4  误踩制动试验

选取2013款大众POLO车型分别在沥青路面上进行试验。选取不同驾龄和性别的驾驶员共20名，每人分别以30km/h、45km/h、60km/h的速度行驶至标记处，踩制动踏板急刹车至车停止，测量制动距离，每人测试3组;同样的驾驶员20名，每人分别以30km/h、45km/h、60km/h的速度行驶至标记处，以急刹车的方式踩油门踏板，判断其是否能制动，并测量制动距离同样每人测试3组，试验数据统计如表2所示。

试验数据显示：在时速分别为30km/h、45km/h、60km/h的情况下以急刹车的方式踩油门踏板的试验中，系统全部执行了制动操作，且制动距离与正确急刹车的制动距离偏差率均小于10%，制动过程中汽车平稳，表明防油门误踩制动系统完全满足工作要求。

5  结论

综上所述，汽车油门防误踩智能控制系统能够有效的对驾驶人员在驾驶过程中的误操作进行避免，这样可以有效的提升驾驶人员的驾驶安全性，对于道路交通安全保障也有积极的意义[2]。同时实验表明，汽车油门防误踩控制系统的开发设计及应用，在TRIZ创新方法理论的指导下，解决现实问题是可行的，并且效果非常好，该创意发明已形成了可行性的产品，并且在参加第七届中国TRIZ杯大学生创新方法大赛荣获了全国二等奖佳绩。

参考文献：

[1]张钦，金圭.汽车误踩油门纠错装置的设计[J].汽车电器，2008（8）：4-6.

[2]顾友民.汽车油门防误踩智能控制系统方案设计应用探究[J].中国科技纵横，2019（09）.

[3]黎仕增.防汽车油门误踩制动控制系统设计[J].汽车技术，2018（9）.

[4]孙永伟.伊克万科（Ikovenko，S.）编著.TRIZ：打开创新之门的金钥匙[M].北京：科学出版社，2015，11.

[5]檀润华编著.TRIZ及应用：技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010，11.