摘要：根據中國智能交通產業聯盟（C-ITS）發布的《合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》[1]，深入研究了車與車協同駕駛主動安全相關的緊急制動預警（EBW）的應用場景[2]，結合北京汽車車廠自身特點及人因工程特征提出了把剎車信號分為剎車預警信號、常規剎車信號和緊急剎車信號三種，并給出了通過采集制動踏板行程距離獲取包含剎車加速度的剎車信號。通過專用短程通信（DSRC）技術，分等級剎車預警信號的提示，可以縮短人車系統在剎車過程中司機對緊急剎車的反應時間，不但能達安全剎車，有效防止追尾，而且還能通過剎車信號確定合理的最大制動力，減輕對車輛本身的耗損，同時也能達到節能降耗的目的。同時，提出了包含制踏板行程標準化距離的剎車板制造標準，并對 C-ITS 的《合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》及《專用短程通信消息集字典》SAE J2735[3]中的數據集定義進行了擴展建議，就車廠企業標準進行了說明。本文基于專用短程通信（DSRC）技術，采用理論分析和試驗驗證結合的研究方法，對車車協同、人車協同駕駛相關的安全問題進行研究。

1.前言

針對防止行駛車輛常見的追尾事故的駕駛主動安全設計上，主要采用緊急剎車輔助（EBA）方案。以 EBA 為代表的剎車系統，都是以立刻激發最大剎車壓力，以達到最高的剎車效果，達到理想的制動效果，以制止交通事故的發生為目的而開發出來的。在一些非常緊急的事件中，該系統利用傳感器感應駕駛者對制動踏板踩踏的力度與速度大小，然后通過電腦判斷駕駛者此次剎車意圖。如果屬于非常緊急的制動，EBA 會指示制動系統產生更高的油壓使 ABS 發揮作用，從而使制動力快速產生，減少制動距離。而對于正常情況剎車，EBA 則會通過判斷不予啟動 ABS。

通常情況下，EBA 的響應速度都會遠遠快于駕駛者，這對縮短剎車距離，增強安全性非常有利。當駕駛人在緊急情況下迅速踩制動踏板而踩制動踏板的力矩不足時，EBA系統便會在短時間內把制動力增至最大。其速度要比大多數駕駛人移動腳的速度快得多，在制動踏板剛踩下部分行程時就可以有效停車，提前達到制動的最大力矩，縮短緊急制動情況下的制動距離。由于更早地施加了最大的制動力，EBA 系統可提前制動，顯著縮短制動距離，并有效防止在停停走走的交通路況中發生追尾事故。

EBA 系統主要是從駕駛員剎車執行的角度出發，以立刻激發最大剎車壓力，以制止交通事故的發生為目的而開發出來的。EBA 方案是從改進制動踏板的制動效率為出發點，以如何盡可能有效縮短制動距離為問題解決的突破口，而沒有考慮到防止車輛尾是人與車協作、車與車協作的系統問題。改進制動踏板的制動機制是一個方面，而從人因工程的層面來看，人的因素考慮是防止追尾的另外一個突破口。

從人機系統角度分析，剎車過程應包括駕駛員反應時間和制動系統反應時間。駕駛員反應時間是前車尾燈亮燈開始到自車剎車的腳踏板動作開始之間的時間。制動系統反應時間是剎車的腳踏板動作開始到到達自車平均最大減速度之間的時間。根據汽車駕駛行業統計數據，駕駛員反應時間一般為 0.8S 到 2.0S，而制動系統反應時間一般為 0.7S。從以上經驗數據分析來看，整體制動效果影響因子中，駕駛員反應時間能占到制動效果的 51%到 74%，從而駕駛員反應時間也是有效防止車輛追尾的重要因素，而這一因素通常被忽略。另一個方面，提高有效剎車次數和降低駕駛員的緊張感和疲勞感，也是設計制動系統中必須考慮的因素。通過利用專用短距離通信技術（DSRC），研究車車、車人協作，以提高駕駛員應急反應時間，減少無效的剎車預警信息，提高剎車的有效性，以達到合理地保持車距和確定合理的最大制動力的目的，同時提高駕駛員駕駛的舒適感。

2.場景分析

數據更新頻率、系統延遲參照 J2945[4]及 NHTSA VSC-A[5]性能指標說明。圖 1 分析了包含人因工程的緊急剎車過程，根據汽車制動動力學可以推導出最小安全距離模型如下[6]：

Vs、Vf分別為 HV 及 RV 車速，T 為駕駛員反應時間, 前車尾燈亮燈開始到自車剎車腳踏板動作開始的時間； t1為制動協調時間，剎車的腳踏板動作開始到到達自車開始減速的時間；t2為減速度增長時間，從開始制動到達平均最大減速度的時間；d 為停止后車輛間距，車輛停止以后，自車和前車之間的距離。為了有效防止行車追尾事故的發生，達到合理地保持車距的目的，需要解決在剎車過程中，縮短駕駛員反應時間 T，確定合理的最大制動力。

圖 1 包含人因的制動過程

如圖2主車（HV）和遠車(RV)位置關系，需分析接收到的遠車(RV)剎車制動消息,通過行駛方向、速度、加速度、位置篩選出存在潛在危險的遠車制動信息，并做剎車事件提提醒。

圖 2 車輛位置關系與威脅車輛篩查

3.設計方案

3.1 系統構成

系統分為通信底層和 V2X 應用層兩大部分。通信底層用于實現 V2X 通信相關底層軟件接口與驅動的封裝。V2X 應用層是基于通信底層的開發接口進行相關通信數據處理和 V2X 應用功能的實現部分。通信底層包括兩大部分，通信接口層和 Linux Kernel 及驅動。基于 Linux 操作系統，增加 V2X 設備通信相關的硬件芯片驅動模塊，實現了基于 Linux 操作系統級別上的軟件開發的基礎接口模塊層，這部分是通信基礎核心部分。通信接口層封裝了三部分接口，V2X 通信接口、GPS 通信接口、CAN 總線數據接口。V2X 通信接口采用包括數據接入層、網絡層、數據封裝層，通過這三層實現數據封裝，網絡傳輸、數據接入到應用訪問接口的處理過程。這三層統一封裝為 V2X 通信接口，使得開發人員直接調用接口就可以實現 V2X 數據通信。CAN 總線數據接口從總線上讀取車輛相關數據，如車輛轉向、緊急制動、燈光等數據，將這些數據上傳到 V2X 應用層供其使用。

V2X 應用層包括任務管理、應用層、信息安全三部分。任務管理來實現總體軟件資源的調配管理和信息節制，信息安全主要負責數據信息的加密解密和傳遞過程中的安全加密和保護，應用層包括協議解析、業務調度和 V2X 業務功能、實現通知模塊、V2X HMI 交互界面。協議解析分為 CAN 解析、通信協議解析。CAN 解析從 CAN 總線接口讀數據轉換成 V2X 業務需要的數據，如轉向值、緊急制動、燈光值等，通信協議解析用于解析其他 X 設備（車、人、基礎設施）發來數據，同時提供逆向操作過程，即向 X設備（車、人、基礎設施）發出數據，該模塊實現協議數據的解析、數據加密/解密、數據壓縮/解壓縮。

3.2 處理流程

根據圖 3 系統處理模塊框圖，系統處理過程描述如下。

1)分析接收到的遠車(RV)剎車制動消息，通過 RV 車輛的行駛方向、速度、加速度、位置信息，在 TC 模塊篩選出位于 Ahead in-lane，Ahead left 及 Ahead Right 區域的遠車(RV)。

2)進一步篩選處于一定距離范圍內的遠車（RV）作為潛在威脅車輛。

3)TA 模塊計算每一個潛在威脅車輛碰撞時間（TTC：time-to-collision）或防撞距離（collision avoidance range），篩選出與主車（HV）存在碰撞危險的威脅車輛，進行不同危險等級預警。

4)若有多個威脅車輛，則篩選出最緊急的威脅車輛。

5）系統通過 HMI 對主車（HV）駕駛員進行相應的碰撞預警。

圖 3 系統處理模塊

4.交互數據設計

車輛在行駛中正常制動情況下，車輛減速度為 0.3G~0.4G，相對應的制動系統油壓大約為 3.5~4Mpa。在制動系統踏板行程的分析與設計中，制動踏板的行程可以分為制動觸發、常規制動及緊急制動三中情況，即制動系統壓力分別在 1MPa、3~4MPa和 10~12MPa 狀態下所對應的三種制動踏板的行程。為此，如表 3 的說明，定義了剎車預警信號、常規剎車信號和緊急剎車信號三種剎車信號。剎車預警信號反映制動觸發前的司機準備狀態，相應的制動剎車板的行程為 10mm~40mm；常規剎車信號反映制 動 觸 發 后 到 最 大 0.6G 減 速 度 的 常 規 制 動 狀 態 ， 其 制 動 剎 車 板 的 行 程 為40mm~85mm；緊急剎車信號反映 0.6G 減速度以上的緊急制動狀態，其制動剎車板的行程為 85mm 以上。在定義三種剎車信號的基礎上，可以把前車的包含剎車預警的剎車狀態通知給后面車輛。

4.1 數據集定義

數據幀是應用層數據包收發的基本單位。不同類別的消息用以下統一的結構打成數據幀進行發送和接收。一個數據幀由一個消息類型 ID 和消息體組

成。

消息體打包了各類具體的消息內容。目前，J2735 標準[3]定義了 4 個最基本的消息體。車輛基本安全消息是使用最廣泛的一個應用層消息，用來在車輛之間交換安全狀態數據。該消息一般會周期性地進行廣播，將自身的狀態信息告知周圍車輛，支持一系列協同安全應用。廣播頻率一般為 10Hz。

其中，DE_BrakeSystemStatus 定義車輛的剎車系統狀態,包括了 7 種不同類型的狀態。

brakePadel：剎車踏板踩下情況。

wheelBrakes：車輛車輪制動情況。

traction：牽引力控制系統作用情況。

abs：制動防抱死系統作用情況。

scs：車身穩定控制系統作用情況。

brakeBoost：剎車助力系統作用情況。

auxBrakes：輔助制動系統（一般指手剎）情況。

4.2 剎車狀態數據擴展

C-ITS 的《合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》[1]中定義的剎車踏板狀態 DT_BrakePedalStatus，只是反映剎車板是否被踩下的兩種狀態。在試驗的基礎上把剎車板是否被踩下擴展為制動觸發信號、常規制動信號和緊急緊急信號三種。三種信號在最小工況下（荷載：空載；車速：50km/h）的定義如表 3說明。

表 3 剎車信號定義

5.模擬實驗

通過駕駛模擬平臺，在停停走走的路況條件下，對駕駛員反應速度和有效剎車次數這兩個關鍵指標進行驗證。試驗場景為前后兩車，車速 60km/h，分別觀察后車和前車車距 20m 和 10m 兩種條件下，前車常規剎車和緊急剎車的駕駛行為對后車駕駛員的影響。試驗設計行駛 30 公里路程，隨機產生 10 次常規剎車信號和 10 次緊急剎車信號和相應的 20 次剎車預警信號。并設定 DSRC 系統的車輛基本安全消息幀發送頻率為 10Hz。在沒有剎車預警信號的條件下，試驗數據如表 4 所示。

表 4 無行為預判的反應時間和緊急剎車有效性

在有剎車預警信號傳達的條件下，試驗數據如表 5 所示。

表 5 行為預判下的反應時間和緊急剎車有效性

以上試驗數據表明，剎車預警方法可以把駕駛員反應時間從 1.9 秒縮減到 0.秒，而其中需要花銷 0.1 秒的 DSRC 通信時延成本。同時，剎車預警方法在近距離跟馳駕駛場景下能明顯提升緊急剎車的有效性。

6.結 論

通過 DSRC 短程通信技術，進行剎車預警信號超視距后車傳達，可以明顯縮短人機剎車系統在剎車過程中駕駛員對緊急剎車的反應時間和提高剎車有效率。而且在視障的場景下，不但能達到安全剎車，有效防止追尾，而且通過常規剎車信號的分級，還可以合理確定最大制動力，減輕對車輛本身的耗損，同時能達到節能降耗的目的。值得說明的是，車與車間通信不限于 DSRC 技術，未來的 LTE-V 或 5G 移動蜂窩網絡技術有著更低的信息時延。對于由于前車駕駛員不良的駕駛習慣而產生的錯誤預警信息的過濾，還有等待于以后研究。