汽车安全与道路交通安全的关系
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(学校，地址)
摘  要：面对中国道路交通事故伤亡率高的现状，企业、学校、研究机构都加大了对汽车安全技术研究开发的投入，加快了安全技术研发能力的提升和产品化进程。自主品牌汽车 C-NCAP五星高分的获得标志着中国被动安全技术的飞跃性发展。进一步开展对行人保护、后排乘员保护、防后碰鞭打保护以及骑自行车人保护等被动安全研究的同时，主动安全系统、预碰撞系统、智能化汽车网络系统的研究开发已经成为关注的热点，更高层次的乘员、车和环境等相关主被动安全技术的统合协调，将推动零碰撞零伤亡汽车安全理念的实现[1]。从汽车安全新技术方面分析和阐述了车辆及行人在提高道路交通安全方面的重要作用，并提出了相应的建议和设想。
关键词：汽车安全；主动安全系统；被动安全系统；NCAP；道路交通
1、引言
随着社会及科学技术的发展,交通设施和交通工具日益发达,极大促进了经济贸易、科学技术、生产和生活各项活动,为人们提供了出行方便性。但是,也正是由于这些交通工具引发了大量的交通事故,导致了大量的人员伤亡。根据世界卫生组织2005年的统计数据,全世界因车辆意外死亡的人数约为120万,受伤人数则多达5000万。据统计,2005年我国发生的交通事故数为45万起,死亡人数达9. 9万,受伤人数达47万,由此造成的损失逾125亿美元,占GDP 1. 5%。车辆是整个事故中的起因,是关键因素之一[2]。汽车事故增多，所引起的人员伤亡和财产损失严重，已成为一个不容忽视的社会问题。针对这一问题而设置的安全防护装置是现代汽车结构的重要组成部分。为此，对于驾驶人辅助系统等主动、被动安全技术的研发，减少驾驶员的误判机率预防交通事故的发生具有深远的现实意义。
2、汽车主动安全技术的发展现状
20世纪80年代前，汽车安全性的研发重点在安全带、安全座椅等被动安全设备上。后来人们意识到事故前对车辆运动状态进行实时监测，并在必要时进行干涉或预警更具有现实意义。开始从提高车辆制动性能的角度来提高其主动安全性，其中制动防抱死装置（ABS）有效抑制制动抱死导致的跑偏与侧滑事故，保证了汽车的制动安全性。ABS在20世纪90年
代广泛普及，随后迎来了电子制动系统（EBS）、制动辅助系统（BAS）及驱动防滑系统（ASR）等相关主动安全系统，多种安全系统集成化趋势初现。
  随着电子技术、通信技术和传感技术的广泛应用，汽车安全技术迎来日新月异的发展局面。1986年，奔驰汽车公司发起，联合欧洲的14家汽车制造厂、70多家零部件企业和120个大学制定普罗米修斯（Prometheus）计划，在驾驶员、车辆、驾驶和交通环境及运输系统间建立必要的联系[3],从而实现车辆智能化。ASV计划是日本运输省在1991年为了防止重大交通事故的发生，成立由汽车产业界和学界组成的先进安全车推进检讨会，开始了先进安全车ASV（AdvancedSafetyVehicle）的研究计划，为智能交通系统ITS（IntelligentTraf-ficSystem）的汽车做准备[4].
2.1、主动安全技术
主动安全技术，又称预防安全技术，是指在轻松和舒适的驾驶条件下帮助驾驶员避免事故的技术。主动安全技术主要包括底盘主动安全技术、安全预警技术和综合安全技术等，整个主动安全技术的发展伴随着信息技术及电子技术的发展。底盘主动安全技术主要以底盘控制技术为核心，最终采用底盘部件执行安全相关控制。其应用最早始于制动防抱死系统
（anti-locked braking system, ABS），特别是1995年随着电子稳定性控制系统（electronic stability control, ESC）投入市场，底盘主动安全技术进入到快速发展的阶段，后续诸如自适应巡航控制系统(adaptive cruise control,ACC)及碰撞缓解制动系统（collision mitigation brake system,CMBS）等主动安全系统先后研发成功，底盘主动安全技术已经由单纯制动控制技术向集成转向控制发展。安全预警技术通过对危险情况识别并对驾驶员进行预警提示。随着视觉技术应用的发展，以视觉传感器为代表安全预警系统被广泛应用，其中车道偏离预警系统(lane departure warning, LDW）及盲点监测预警系统等已经大量应用于豪华汽车上。随着汽车电子技术及传感器技术的发展，特别是通信技术在汽车上的应用，使汽车主动安全技术正朝着多功能、集成化方向发展，而与被动安全技术3G通讯网络的结合后，集主被动于一体的综合安全技术成为未来汽车安全技术的发展方向[5]。
2.2、底盘主动控制技术
汽车主动安全控制通常是通过底盘主动安全控制实现其执行功能。其中电子制动控制是底盘主动控制技术应用最广泛的技术之一。电子稳定性控制系统（ESC）在底盘主动安全控
制技术中具有里程碑地位。如图2所示，电子稳定性控制系统通过传感器探测的数据比较驾驶员操作意图和汽车实际运行状态，并通过差速制动方式对车辆施加补偿横摆力矩，控制车辆的转向特性变化，提高侧向稳定性，进而减少交通事故数量。美国高速公路交通安全署 (National Highway Transportation Safety Administration, NHTSA)在分析美国7个州1997年到 2004年的交通事故数据发现：电子稳定性控制系统可以减少34%乘用车单车事故以及59% 的运动型多功能车(sports utility vehicle, SUV)单车事故[6]。在美国，2012年以后生产销售的乘用车要求必须装配电子稳定性控制系统。诸如电子稳定性控制系统（electronic stability control，ESC）、电动助力转向技术（electrical power steering, EPS）及侧倾 稳定性控制系统（roll stability control, RSC）等底盘主动控制系统已经提高了车辆的安全性能，但是各个系统彼此孤立，并没有实现安全性能的最大化。而底盘一体化控制系统，通过融合制动、转向及悬架主动控制技术，通过各个系统的层级控制实现车辆安全控制的最优化[7]。
图2 电子稳定性控制系统结构
2.3、安全预警技术
    安全预警技术通过超声波、视觉及雷达等传感器探测道路环境信息，通过分析各类信息对驾驶员进行提醒及预警，进而减少事故的发生[8]。目前，在车内应用了大量的视觉传感器，通过内部视觉传感器可以探知驾驶员是否瞌睡，进而进行瞌睡预警提醒；通过外部超声波雷达和视觉传感器可以辅助驾驶员完成泊车操作；而毫米波雷达及视觉传感器可以探测车辆前方行人和车辆，对车辆的碰撞可能性进行预警。伴随视觉技术的发展，以单目视
觉传感器为基础的安全预警系统将更广泛的应用于车辆上，而与其它传感器进行数据融合将进一步提高安全预警技术的鲁棒性和安全性。
2.4、综合安全技术
随着主动安全技术及被动安全技术的发展，汽车安全技术逐渐形成为以“碰撞事故”为核心，通过事故前主动安全技术避免、事故中被动安全技术有效缓解及事故后远程救援三个阶段的综合安全技术来实现最小事故伤亡的目标。根据碰撞的风险，各个阶段通过不同系统完成安全控制，通过综合各类安全控制系统功能，并融合各个系统优点，使交通事故伤亡最小化。为推动主动安全技术应用，国外一些政府或开发部门设立了多个合作组织及多项合作项目，例如欧洲的FOT（Field Operational Test）项目、PReVENT项目、德国的INVENT项目、美国的ACAS项目等。各大零部件供应商和主机厂通过参加各种组织和项目，完善了产品的技术要求和试验标准，推动了主动安全技术的产业化。以沃尔沃汽车 City Safety城市安全系统为例，该系统包括了自适应巡航（ACC）、车道偏离预警（LDW）、电子稳定性控制（ESC）及碰撞缓解制动（CMBS）等功能，该系统能够避免低速下车辆追尾风险，减少约60%由于追尾事故导致的的颈部软组织损伤事故。为满足市
场需要，各零部件供应商也先后开发出集主被动安全技术于一体的安全产品，如博世公司的CAPS系统、大陆公司的Conti-Guard系统、TRW公司的认知型主动安全系统等。汽车主动安全技术产品已经呈现出功能集成化、系统化和综合化的发展趋势。国内主动安全技术的开发方面也取得了一定成果，清华大学开发的THMR-V智能车辆装备了电荷耦合器件摄像机（charge coupled device camera, CCD)及导航系统，实现智能驾驶功能[9] 。吉利汽车提出了GTMS安全开发理念，以交通事故零伤亡为开发目标，结合电子稳定性控制系统、自适应巡航系统、前/后碰撞预警系统及G-Netlink系统于一体实现碰撞前、碰撞中和碰撞后对乘员的安全保护。
3、NCAP对汽车安全技术的影响
不同NCAP对车身结构提出了不同要求。USNCAP不仅要求车辆在碰撞过程中不能超过一定的减速度，而且要求击溃长度不少于一定值。而EuroNCAP要求影响乘员安全性的零件如前围板、制动踏板、方向管柱等对乘员的侵入量不能超出一定值。因此前舱的刚度不能太大或太小，否则无法满足各个NCAP的要求[10]。为最大程度上保护车内乘员和行人的安全，汽车整车设计成前后部刚度较小、乘客舱刚度很大。而且将发动机舱设计成三段式，
分别为低速行人保护区、相容吸能区和自身保护区。这样在低速时既能使行人的伤害减低到最小，同时又能在高速碰撞时通过前后舱结构的压溃来吸收碰撞中的大部分能量，有效保护乘客，见图3。汽车交通事故发生在前面的概率约为40%，因此前舱设计是汽车结构设计的重点，前舱设计实际上是能量传递路线的设计。从图3可见，通常将前端碰撞的能量传递路线设计成3条，一条是沿着水箱横梁传递给翼子板加强板，然后经A柱传递给驾驶舱上体；第二条路线由前纵梁传给翼子板加强板，经前围板传给驾驶舱上体，由前地板纵梁传给车身下体；第三条路线由前悬架延伸梁(在前端和纵梁采用一定的支架连接)，经副车架传给车身纵梁，从而传给车身下体。3条路线能避免能量的过度集中，有效提高整车的安全整体承受能力。为保证上述3段强度和3条能量传递路线，通常采用不同性能的材料进行组合以满足不同区域的要求，对于车身结构的加强件如纵梁、B柱加强板、门槛梁加强板、A柱下段加强板、车门防撞杆以及座椅支架等均采用高强度钢或超强度钢(TRIP)。这2种材料在汽车上的应用越来越多，所占的比重越来越大[11]。以菲亚特产品为例，80年代超强度钢使用比例为0，高强度钢使用比例为6%，90年代高强度钢使用比例增加至10%。自NCAP规范使用后，高强度钢增加至22%，超强度钢增加至4%。到2005年底，高强度钢占到50%，超强度钢占到17%。低碳钢的比例也由80年代的94%降低至33%[12]。这组数据从一定程
度上反映了汽车工业上各种不同材料钢材在汽车上的应用趋势。纵梁总成在很大程度上决定了汽车纵向碰撞的安全性能，因此也成为研究重点。通常将纵梁前部设计成梯形结构钢梁、孔式结构、褶皱式造型、波纹管状结构来诱导纵梁的变形节奏和能量传递路径；通过优化纵梁的不同材料组合，既能降低纵梁重量20%，降低成本几十美金，而且能有效提高纵梁的碰撞、刚度和模态性能。此外，通过优化纵梁的截面形状(包括加强筋布置)、厚度、尺寸和结构形式等使结构的变形阻力保持在适当水平，并重视局部弱化使整车刚度分配符合设计原则及能量吸收曲线图。为满足侧撞的要求，侧围通常设计成能将侧碰力有效传递到车身具有保护作用的梁、门立柱、地板、顶盖及其它部件，使撞击力被这些部件吸收，从而极大限度地把可能造成的伤害降低到最小程度。因此需要采用高强度钢增加车门的刚度；增大A、B、C立柱的截面形状，以及局部加强侧围与门加强件接触部位、立柱与门槛和车顶纵梁连接部位的强度；增加地板横梁，将座椅支架和门槛梁连接一体增加侧向防撞能力[13]。
图3 前舱安全 3段和能量传递图
3.1、安全约束系统的改进
    安全约束系统的配备和性能的提升是增加NCAP星级的有效途径。目前通常采用预紧式安全带代替传统安全带系统。预紧式安全带的特点是当汽车发生碰撞事故的一瞬间，在乘员尚未向前移动时它会首先拉紧织带，立即将乘员紧紧绑在座椅上，然后锁止织带防止乘员身体前倾，有效保护乘员的安全[14]。福特公司最近发明一种膨胀式的安全带，能像安全气囊一样在碰撞时配合安全带的收紧充气，有效保证乘员的内脏不受到严重挤压。同时，
能自动给乘员佩带身上的安全带，以提高安全带的佩带率。安全气囊作为安全带的辅助安全设施在交通事故中也大大提高了乘员的安全性。通常一辆NCAP星级较高的车辆会配备驾驶员和副驾驶气囊、侧碰撞气囊及车窗侧气帘等多个气囊，在不同的碰撞中保护乘员不同方位的安全。目前，两段式安全气囊正在逐步替代普通安全气囊，因为它能根据汽车碰撞的加速度和安全带的状态，分2种不同的速度和强度展开，避免造成对乘客的不必要伤害[15]。智能安全气囊作为发展方向，采用先进的传感器技术和信息处理系统，在事故发生的短暂时间内提供可靠的碰撞环境信息；通过优化气囊的充气速率、折叠方式和最佳点火时间，碰撞时转向柱、座椅及头枕、安全带等各自满足相关标准的最佳结构和力变形特性以及各部件碰撞特性的协调与互补问题,根据检测到的乘员身高、体重、坐姿等信息，自动将乘员保护系统调节到最佳保护状态,使乘员保护系统逐步智能化[16]。对保护追尾碰撞的座椅头枕，目前多采用手动调节的方式，很多人一般不会太重视，但是头枕的位置如果调整不正确有可能造成对头颈的伤害。因此目前的新产品均能通过嵌装在头枕中的新型传感器，检测头枕与头部之间的距离，算出头枕应该移动的距离,自动将座椅调整至最佳状态，有效保护乘员头颈的安全[17]。
汽车主动安全性3.2、假人和传感器的改进
    假人作为代替真人参与各种NCAP试验的研究对象，在汽车安全性的研究方面具有很重要的地位。假人的生物保真程度将大大影响试验的精确性。因此需要按照不同年龄的生理特征研制不同规格的假人。假人模型大部分是由金属与塑料制作的,其胸腔是钢制的,肩胛骨是铝制的，盆骨是塑料的。假人的皮肤摸上去不仅要有弹性，还要跟真人一样有一定的承受力。一个假人由近400个部件、约60个传感器组成[18]。通用汽车的Hybrid III，衍生出了从新生婴儿到55岁成年人的各个不同年龄段、不同性别的模拟假人，已经可以实现95%的人体模拟保真度。今后的发展趋势是如何尽可能地使假人特性接近真人，以及假人身体内传感器的合理部位和个数及传感器本身的灵敏度和数据处理系统能力的提高[19]。