基于投影的开门防撞预警（DOW）方式设计研究

姜乾喆 高瞩

关键词：车辆交互 开门碰撞 开门防撞预警 投影 警示图案

引言

由于我国汽车蓬勃发展且非机动车保有量大，路况复杂，非机动车与汽车发生碰撞事故的数量高居不下。根据世卫组织报告表明：此类事故中，由于乘用车驾驶员未经观测后方道路状况而开门，导致的伤残人数占总伤残人数的11.6%[1] 。但这种肇事类型并未单独列出，导致这一事故的实际数量将远高于此。并且，根据资料表明[2] ：夜间交通事故率是白天的三倍，照明不良时的事故率又是照明良好时的三倍，其结果通常比较严重，有时也是致命的，是一个不可忽视的交通事故类型。

一、DOW发展现状

DOW英语全称为“Door Open Warnings”，意为“开门警示”，主要针对的是“Dooring Accident”这种“开门碰撞”的事故类型的警示。DOW是通过一定的技术手段，来警示车内司乘及周围道路的使用者“该车将要发生开门动作”的一种警示信号，以期达到避免发生开门碰撞事故的目的。

（一）理论研究现状

在国外，Anne Silla 等人的一项研究[4] 提出智能交通系统对于弱势道路使用者关注度不够（Vulnerable Road User，VRU）。P.Vijaya等人的一项研究[5] 提出了一种基于Arduino的车门辅助安全锁定系统，该系统使用超声波传感器检测到来的非机动车进而将车门锁死，周围车辆通过后解除锁定。Jevin等人的研究[6] 提出了在乘用车上安装一级蓝牙（范围>100m），并结合接收信号强度指示器以接收和定位在非机动车上提前放置的蓝牙信标。该系统提高了定位检测VRU的准确性，并且具有较低的成本。

在国内，ZhiYu Zhung等人提出了一个嵌入式基于芯片的车门防撞系统[7] ，该系统集成了数码相机和现场可编程门阵列（FPGA）芯片，与汽车左侧后视镜集成，检测到物体后推导出移动速度并向车内司乘发出警报，该系统的进步空间在于检测距离的拓展上;Miankun Zhu 等人提出了一个基于鱼眼摄像机和深度卷积生成对抗网络的新型车辆开门安全系统[8] ，该系统在测试中具有87.2%的准确率，证明了其可行性。张立等人提出了一种车辆驻车开门事故预警系统[9] ，该系统采用多普勒雷达进行检测、摄像机进行信息获取，并且对车门在必要时进行锁定。

（二）应用现状

目前，部分乘用车已经应用该技术，主要以提醒司乘为主。奥迪在部分车型上安装了侧向辅助雷达传感器，当司乘试图开门时且后方有物体快速接近时，会在打开车门时亮起车内红色氛围灯以及转向灯以提醒司乘。奔腾T99车型也在车上配备了开门警示系统，当有物体接近侧方和后方2.5m的宽度范围时，车内的警示灯和扬声器会提供双重警示以提醒司乘。

（三）现状分析

经过分析可发现，目前DOW的相关研究主要集中在通过何种方法来有效提醒车内司乘，或通过何种方法来阻止司乘在检测到后方有VRU驶来的时候打开车门。但在2019年5月，多个相关单位印发了绿色出行行动计划，提到要“不断优化自行车等绿色交通的权分配”。但权力与责任同时存在于被众多交通工具共享的道路系统中。因此，DOW不应只从车内警示司乘，将责任与决定全部交于车内司乘，车外乘客也应当得知前车将要开门的信息。而目前并无针对车外VRU的DOW警示方式研究。在车内警示司乘的同时，也可以在车外警示VRU，对于构建良好的道路交互环境具有良好的意义。

因此，本文将着重对警示车外VRU的DOW方式进行研究。

二、DOW方式分析

（一）DOW系统组成

一个DOW系统由两个模块组成，分别是：检测与分析模块和警示执行模块，如图1所示。

检测与分析模块负责收集车外的道路使用者所提供的道路信息，如距离本车的距离、速度等参数，并且进行数据分析与转化，进而将“是否要执行警示”的决策提供给警示执行模块。

警示执行模块负责执行警示决策，通过各种警示方式来提醒或阻止司乘的开门动作，以达到开门警示的目的。

（二）检测与分析模块

检测与分析的方式根据其技术的不同，可以分为：基于机器视觉技术的检测方式和基于传感器测距技术的检测方式。

1.基于视觉技术。基于视觉技术的检测方式主要采用摄像头进行信息采集，并传递到车载ECU进行处理分析，进而将ECU决策信号传递到警示执行模块。该类检测方式判断与检测的质量通常在很大程度上依靠其训练数据集的质量。若要估算物体的速度，则需要高频捕获多个图像样本。虽然该类物体检测可以通过机器学习实现不错的效果，但是其效果更多取决于实际的使用工况，在昏暗的灯光下以及恶劣的天气下无法达到预期的效果。

2.基于传感器。基于传感器测距的检测方式根据其传感器不同，可以分为：超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达。该类检测方式均是以不同的方式向外界发出信号，信号到达外界物体后返回，将发出与返回的信号做一定的处理后，获取一些目標的参数并输出结论。

不同检测技术的对比见表1。

（三）警示执行模块

警示执行模块为是与用户直接交互的模块，为其提供决策信息或直接对车门开合做出决策。根据其交互方式的不同，可以分为：强制介入开门决策、声信号警示和光信号警示。

1.强制介入开门决策：该方式通常由“强制开门把手空转”或“闭合电磁锁”的方式达到。当检测模块检测到物体，中心信号处理模块预判将会发生危险后，将强制关门的信号传递给执行模块，此时，就算司乘未经观察周围情况而开门，把手拉动后也无法顺利打开车门。该方法较为稳妥，但考虑到司乘被强制关到车内，很可能导致车内司乘在拥堵路段无法下车等的情况发生，通常需要附加一个强制开门装置，但这无疑会削弱该系统的有效使用率。

2.声、光信号警示：声信号警示和光信号警示为一种通过声音或光源传递警示信号的方式。发出预警决策被执行模块接收后，声信号警示模块通常由蜂鸣器、喇叭等原件执行，发出警示声音，提醒司乘不要下车;光信号警示模块在低端车型中为简单的LED信号灯，在高端车型中已集成进氛围灯或按钮灯。此类提示方法利用人的听觉和视觉进行警示，较为直观有用，通常结合其他方式一起使用。

（四）DOW信息链优化

目前的DOW警示执行方式只警示车内司乘，为单方向的信息链传输，并未构建双向良好交互的信息链。良好的道路交互环境应由双方相互知晓，并且共同做出努力以改变现有的问题。

因此，良好的DOW警示执行方式应基于现有的道路信息基础，警示车内司乘谨慎开门的同时，也警示车外VRU前方可能发生开门危险这一信息。据此，优化后的系统如图2所示。可以发现，目前DOW领域尚未涉及从车内司乘到车外VRU的信息传输及警示执行方式设计的相关研究。

三、基于投影的DOW警示执行方式设计

本节提出一种基于投影的DOW警示执行方式及其全局的系统设计，以期望在现有警示执行方式的基础上，补充一种对车外VRU的警示执行方式，通过投影技术增强道路共享者之间的信息交互体验，打造全新的交互模式。并且主要在夜间使用，更有效、集中地降低事故高发时段的开门碰撞事故率。

（一）DOW系统设计思路

道路上 80%的交通信息是通过驾驶员的眼睛来接收并传递给大脑，而后产生交通行为，如红绿灯、转向灯。因此，视觉是交通参与者获得道路信息的重要渠道。在夜间，视觉对光的识别会更强，光提醒具有更好的效果，因此，使用投影设备进行DOW的警示执行模块设计。

该基于投影的DOW方式系统设计思路如图3所示。通过车内设置的陀螺仪和压力传感器来获取车辆的启停及司乘信息，作为是否有开门意图的判断基础;当判断车内有司乘，且车辆静止的时候，认定可能会有开门意图。此时，车外移动物体检测模块开始工作，持续检测后方移动的物体，为中心信息处理模块获取做出决策需要的信息，进而判断是否可能发生危险;若可能有危险，中心信息处理模块发出指令，警示执行模块开始执行;此时，车外DOW投影开始工作，在地面投影出一个警示性图案，警告后方驶来的VRU，此处可能有危险发生;与此同时，在车内设置其他的警示执行模块，如氛围灯提醒或蜂鸣器提醒或多种复合提醒，将该信息提供于车内司乘，影响并帮助其做出正确的开门决策。直到车辆停止且车内无人时，系统关闭，完成警示。

在此DOW警示执行方式中，LED光源提供大功率的红光，并通过上方的反射面将光束反射到图案挡板上。图案挡板对反射光束进行处理，使部分光束通过挡板而形成预先设计的图案，进而通过透镜对光束重新分配，得到预期的地面投影效果。

传统的投影系统中，中间的挡板通过单个挡板对反射来的光束进行遮挡来得到想要投影图案。但考虑到该警示图案将投射于公共空间内，必须同时关注图案设计的警示性和美观性。因此，将传统的光学挡板重新设计，将其分为挡板夹以及可复合图案挡板。挡板夹为挡板提供支撑，可复合图案挡板通过多个不同透光率的挡板组合，处理出具有更多层次信息的DOW警示图案。设计的理论模型如图5-6所示，不同的灰度代表不同的透光率。

四、基于投影的DOW警示图案设计

DOW警示图案为该警示执行方式的终端载体，通过DOW警示图案设计可以有效向车外VRU提供警示信息，这就要求该图案设计要简洁、明确，且尺寸、位置合理。

（一）尺寸设计

DOW警示图案能否起到足够的警示效果，其尺寸是要确定的首要参数。

为描述方便，将与非机动车前进后退的方向规定为纵向，与其垂直的方向规定为横向;将非机动车视角看到的DOW图案尺寸，称为视觉尺寸，将实际投影在地上的DOW图案尺寸，称为实际尺寸。

1.视觉尺寸设计：为与可停车道路及非机动车车速相匹配，选择国标中非机动车道与设计时速小于40km/h的相关警示牌标准梳理后发现，若满足所有方面的停车警示，尺寸應设置为60× 60cm的正方形视觉尺寸。但考虑到纵向视觉尺寸会随着距离发生较大的变化，若采用60cm的纵向视觉尺寸，会给纵向的实际投影尺寸以及投影设备带来较大的压力。因此，为了与汽车尺寸相匹配，减少空间占用，将纵向视觉尺寸设计为45cm，设计DOW警示图案的视觉尺寸为60× 45cm的矩形。

2.实际尺寸换算：根据GB/T 10000-1988中对中国成年人身体参数的相关规定，以及图案远近与视觉压缩的规律，取坐姿眼高第五百分位值695mm。取非机动车鞍座高为800mm，结合以上参数，可得到综合驾驶坐姿眼高HE为1495mm，且根据人机工程学，人在坐姿下最舒适的视角为水平线向下15°，据此，构建骑车人身高与到图案视距L的三角关系，如图7所示。

根据三角关系可求得L_视距≈558cm。根据图案视觉尺寸为60×45cm，综合驾驶眼高为1495mm，在Rhino6.0软件中绘制该尺寸关系，首先从平面求得DOW警示图案的纵向长度，进而转到三维视角延申相关直线求得与地平面的交点，连接相关点后可得到DOW警示图案的投影实际尺寸，如图8所示。

最终对数据取整后得出，若需要让非机动车驾驶员在558cm以外有最佳的警示效果，呈现出60× 45cm的视觉尺寸，则需要的实际投影尺寸为一个：上底60cm，下底85.22cm，高246.2cm的梯形，如图9所示。

（二）位置设计

1. 安全距离计算：根据皮尔斯三元关系理论，一个符号是由符号表现体、符号对象和符号解释构成[11] ，这对应着人从识读到理解的三个阶段。因此，若将该投影于地面的DOW图案视为一个符号，后方VRU看到后，将会经历识读阶段、反应阶段和操作阶段，分别需要驶过的距离为、

2.纵向位置设计：根据前文可得，安全距离LS应大于8.9m。此时由视距距离和图案纵向长度构成的总长为：558+246=804cm。该长度和LS具有86cm的差值。因此，DOW警示图案的纵向位置为：DOW警示图案的较长底边与车门打开到最大角度时通过车门最外点的横线之间的距离应大于86cm，如图10所示。

3.横向位置设计：横向位置应使得非机动车避开DOW警示图案驶过时，不与车门发生碰撞。因此，DOW警示图案的横向位置应为：通过DOW警示图案长底边外端点作纵向的线，其位置应与车门打开到最大位置时的外端点在一条纵向的线上，如图11所示。

（三）DOW警示图案内容设计

DOW警示图案具有明确的含义和良好的警示效果，其图案内容是重点。本节梳理了DOW警示图案的内容设计方法，分为确定语义因子、形态因子的抽象与重构以及因子组合三个步骤进行。

1.确定语义因子：设计因子可以分为显性设计因子和隐性内涵因子[15] ，语义因子是一种隐性的设计因子。在DOW警示图案设计的第一步，设计者要明确图案表达的含义，得出语义因子，作为设计的出发点。

根据提醒方法的不同，将语义因子分为：警告、禁止、引导转向三种，释义与实例如表2所示。设计者可从其中选取单个或多个语义因子作为设计的出发点。

2.形态因子的抽象与重构：形态因子是一种显性因子，是从图解思维的角度直接用图形的形态来表达设计者试图与其受众沟通的信息。应用到DOW警示图案里的形态因子，应具有较高的可读性、直观性以及易识别性。

在前文确定语义因子后，需要根据不同的地域文化及交通标识等因素，确定对应的对象元素，并抽象成形态因子。之后，可以使用一定的设计手法进行因子重构，得到具有设计感以及美感的全新形态因子。

3.因子组合：根据要表达语义的不同，可以将DOW图案的构成分为主形态因子和辅助形态因子。而主形态因子可进一步分为：单个主形态因子和多个主形态因子，单个主形态因子表意较为直接明确，多个主形态因子表意较丰富，若有多个主形态因子的产出，可运用置换构成、解构重组、几何抽象、平面因子立体化以及图形转译的设计方法进行设计[16] 。

在主形态因子的基础上，附加辅助因子与其组合，可提升DOW图案的表现力、冲击力、构成感和设计感。辅助形态因子作为DOW图案中的填充与强化物，可以选择形态因子进一步抽象简化的变体，也可以选择语义因子下的其他形态变体。

五、DOW设计实践

（一）语义因子确定

首先，确定图案的语义因子及形态因子，选择“引导转向”作为DOW警示图案设计的语义因子以及设计的出发点。

（二）形态因子的抽象与重构

在古时，弓箭射出的箭矢具有明确的方向，因此，“箭头”成为目前最常见的具有“引导转向”功能的标志及图案，如图12-13所示，故选择箭头符号作为“引导转向”的形态因子，将其进行进一步简化，并填充具有警示功能的红色，背景填充黑色，如图14所示。

接下来，将形态因子做如下重构：首先，将其重复以填充整个DOW警示图案，进一步強调“引导转向”的语义，如图15所示;其次，将中间的两组箭头宽度降低，调整水平间距，提升节奏感，如图16所示;接下来，在第一个箭头上方部分向后延申，对其余箭头进行调整，增强形式感，如图17所示。

（三）因子组合

对上述形态因子做进一步变形，当作辅助因子，并降低红色饱和度，代表低透光度的区域，置于左侧，填充画面并强调图形边界。至此，DOW警示图案设计已经完成，如图18所示，将其还原为实际投影于地面的图案，如图19所示。

（四）模拟与测试

将图19放置于模拟的场景模型，用Lumion从后方模拟非机动车视角进行仿真，如图20所示。进而采用投影设备对DOW警示图案实际投影效果如图21所示。经过模拟发现，该警示方式效果明显，意图表达清晰，具有较好的效果，可以有效作为DOW警示系统的补充。

结语

随着技术的发展，DOW方式设计在考虑警示车内司乘的同时，应当对车外的道路使用者也提供相应的警示与提示，而投影技术的发展对DOW在夜间警示VRU提供了全新的方式设计思路，使得构建良好的道路DOW交互成为可能，具备很好的应用前景，对降低开门碰撞事故率具有重要意义。开展更多基于投影的DOW方式设计与硬件研发及集成，并且对DOW警示图案设计进行更多更深入的研究，是DOW领域继续发展的重要方向。

2113500783220