前车碰撞预警FCW及前车检测的相关技术

　　前几天，群里大家都在转发讨论特斯拉准确预测到一起碰撞事故的视频，这个视频的大致意思是：在车内乘客还未意识到车祸发生之前，特斯拉就已经发出声音提醒，预警几秒后前面两车就撞上了。

  视频链接：https://v.qq.com/x/page/b0364ffpy1p.html?start=40

　　普通驾驶人和乘客看到视频会惊叹它预测结果的准确，并不关心技术上如何实现：鸡蛋好吃就行了，何必非要见到下蛋的鸡？可行业人士可能就想问了：视频里的特斯拉为什么会预警？

　　其实仔细看视频就会发现，红色轿车在变道前有一个减速，所以普遍分析认为特斯拉发出的预警可能只是“前车碰撞预警（ForwardCollisionWarning）”。不过，现在也有一些车辆有一种叫做PFCW预测性前方碰撞预警的功能，它能够检测到前方两辆车的状态，特斯拉的预警到底出于什么机制从视频中比较难判断。

　　在这里，我们主要是想从几个基本概念着手，让大家了解下那些关于前车检测和预警的相关技术。

　　先一起来想象一下这个驾驶场景：

　　你开车走在一条车流较大的高速上，车速限制为100KM/H。

　　虽然路上车多，但似乎旁边每辆车都跑到了100左右。

　　你很清楚你可能没有跟前方的轿车保持安全车距，

　　但你的SUV刹车是新的，

　　你也相信如果前车减速，它会留出足够的时间和距离让你和其他人减速。

　　但是你没想到的是，

　　你前方的轿车突然急刹车了，

　　因为它旁边的货车突然变道插在前面，

　　于是它急刹了，

　　而你刹车稍微迟疑了0.5秒，

　　于是你的SUV就追尾了前面的轿车和更前面的货车。

　　其实，追尾事故在路上随处可见。而前车碰撞预警(ForwardCollisionWarning)技术的主要目的就是在有潜在碰撞危险时进行提醒，防止或减少追尾事故。

　　什么是前车碰撞预警？

　　前车碰撞预警(ForwardCollisionWarning)是一项主动安全技术，在检测到本车跟前车有潜在碰撞危险时，进行提醒，防止或减轻追尾事故带来的伤害。一般预警的方式有声音、视觉或者触觉等。

　　有一些前车碰撞预警系统也提供不同程度的制动功能。如果系统检测到预警后驾驶员并未采取措施，系统会执行不同程度的制动以阻止或减轻碰撞。

　　前面提到的“预测性前车碰撞预警PFCW”也属于前车碰撞预警的范畴。PFCW的特点是能够检测到前面两辆车，能够很好地预防前车急刹带来的追尾。

　　前车碰撞预警在什么场景下有用？

　　一般来说，以下几种场景容易导致追尾事故：

　　十字路口，绿灯，你前面车辆都突然减速，因为前方有障碍物，而你的车速很快。

　　行车时未注意保持安全车距，你的车距离前车过近。

　　你前方的车辆突然减速转弯，而且未打转向灯。

　　你前方的车辆突然减速给行人让路，但你并没有注意到它的刹车。

　　前车碰撞预警如何工作？

　　前车碰撞预警主要利用雷达、图像等传感器来进行监测。一般对本车行驶轨迹内的最近障碍车辆进行预警，并且不受在非本车行驶轨迹内的前方更近障碍物等的影响；在正确识别有效目标的基础上，结合本车当前行驶状况与有效目标运动情况进行决策分析；最终以适时适当的方式提醒驾驶员采取规避措施。

　　FCW系统的如上功能可以通过三大模块加以实现：信息感知、决策算法、预警信息发布。

　　FCW系统三大模块功能示意图

　　另外，我们整理了一下前车碰撞预警技术的发展历程，如下：

　　在1990年，Burgett等根据当前行驶状态将碰撞情形分成三个区域，并给出相应的边界条件和预警标准。

　　Kiefer等通过分析认为因素，研究防碰撞所需的报警时刻，开发出启程防碰撞预警系统。

　　Brunson等重新修正了由Burgett等人在NHTSA提出的模型，该策略用当前车辆状态和驾驶员反应时间估计值来预测期望距离，当期望距离小于距离阈值时，发出警告。

　　Zhang等对Brunson和NHTSA算法作出新的解释，不再计算期望距离。通过车间距计算反应时间和制动操作最迟时间，该方法能更好的提现人的车辆安全行驶状态判断行为。

　　Gibson和Lee利用人对碰撞发生时间的预测和判断，而不是基于距离和撞上前车的时间，制定出汽车防碰撞预警策略。

　　Minderhoug和Bovy:基于前述的人的危险认知行为，提出了碰撞发生时间（TimetoCollision,TTC）的概念。

　　所以，目前美国国家高速交通安全管理局NHTSA对FCW的测试主要是基于“TTC碰撞时间”（两车车距/相对车速）：

　　FCWsystemperformancewasquantifiedbyspecifyingtheaveragetime-to-collision(TTC)betweenthesubjectvehicle(SV)andprincipleothervehicle(POV)atthetimeoftheSV’sFCWalert.

　　前车碰撞预警真的有效吗？

　　前车碰撞预警功能的效果其实很难评估，一方面是由于FCW是一项相对较新的安全技术，另一方面不同的系统工作方式不同，所以关于某个FCW系统避免或减轻了多少碰撞事故的信息有限。

　　评估一项新技术可能的有效性的方法之一，就是计算跟这项技术有关的碰撞事故。

　　根据美国的IIHS机构预测，FCW功能能够减少76%未刹车角碰撞（anglecrashwithoutbraking）事故,69%未刹车追尾碰撞（front-to-rearcrashwithoutbraking）以及23%未刹车单人驾驶碰撞事故（single-drivercrashwithoutbraking），也就是在美国每年可以减少2,012,000起碰撞事故，其中182,000起造成非致命伤害，6,310出现致命伤害。

　　IIHS研究也表明，前车碰撞预警能够减少追尾碰撞造成的财产损失索赔和伤害索赔；相对于一般FCW,带自动制动功能的FCW能减少14%财产损失索赔（IIHS2012）。

　　FCW功能有什么局限性？

　　FCW功能的具体表现跟它本身的技术实现有很大关系，所以差别很大。除了检测方式（图像、雷达、激光等）、预警方式（声音、视觉、触觉等），其他不同之处还包括：

　　检测能力：针对前方车辆的检测，最好能跟实现对不同车型的检测；

　　运行车速：目前很多系统设置FCW在车速低于40Km/h时是不运行的；也有一些相反的，只在车速低于30Km/h时运行，适用于车流大的城市道路；

　　恶劣天气：基于视觉的FCW受天气影响较大，比如暴雨、大雾、强光等可能会造成误报；

　　道路状况：非正常道路可能会影响FCW的运行，比如在急弯或爬陡坡时

　　另外，人的因素也会有影响。驾驶者的反应时间、疲劳/酒精或注意力不集中等都会影响FCW的效果。

　　最后再谈谈前车检测相关的另一种预警技术“车距检测预警HeadwayMonitoringWarning”以及它与FCW的区别。

　　“车距检测预警”技术同样是检测本车与前车的车距(HEADWAY)，在车距过近的情况下向驾驶员发出警报。因为车距Headway一般会换算成时间显示出来，所以容易与FCW的碰撞时间混淆，但是HMW的车距时间和FCW的碰撞时间（TTC）计算方式是不同的：

　　Headway车距时间=两车车距/本车的车速

　　FCW的碰撞时间（TTC）=两车车距/两车的相对车速

　　比如，当前后两车的距离为20米，前车的车速为60Km/h，后车的车速为80Km/h,那么HMW显示的时间就是1.2秒，而FCW显示的TTC碰撞时间就是3.6秒。如果前后车的车速都为60Km/h，那么HMW显示的时间同样是1.2秒，而FCW不会报警，因为两车虽然距离很近，但是速度相同，并不会追尾。所以，在前后车都处于运动状态时，FCW的TTC碰撞时间一般要长于Headway车距时间。

　　在实际场景中，HMW主要在车距近的情况下报警，可以帮助驾驶员养成开车保持车距的规范驾驶习惯，我们将其定义为“危险不紧急”型功能；而FCW主要针对前后两车距离较近且存在较大速度差的紧急情况，比如前车急刹，属于“危险且紧急”型功能。