不同駕駛員所需汽車防撞安全距離探析論文
1、 引言
駕駛員制動反應時間是指駕駛員意識到危險訊號到駕駛員將腳從加速踏板移動到制動踏板上的時間。在車輛遇到緊急情況需要制動時，不同駕駛員由於心理和生理等因素的影響，作出剎車的反應時間是不相同的。車輛正常速度行駛時，若駕駛員反應時間延遲零點幾秒，制動距離便會明顯增加，這對車距較近行駛的車輛特別危險，因此確定合適的駕駛員制動反應時間對汽車防撞安全距離至關重要。國內外的學者在駕駛員反應能力這一方面做了許多開拓性的工作[1 - 3].文獻[4]在不考慮性別年齡的影響，只考慮駕駛員的經驗和熟練程度的情況下，根據機率密度函式的反函式求出駕駛員的反應時間，但這樣求出的反應時間不具有很好的代表性。許多研究汽車防撞安全距離的文獻中，駕駛員制動反應時間引數多限定在一個固定區間內來研究，文獻[5]高速公路行車安全距離的分析與研究中駕駛員制動反應時間區間是 0. 3 - 1. 0s,文獻[7]中制動反應時間引數區間為1.2s - 2. 0s.採用固定駕駛員制動反應時間引數建立的汽車防撞安全距離模型主要問題在於計算出的安全距離過大，可以保證車輛安全行駛，但是過大的車間距導致交通流量減小。本文透過研究不同型別駕駛員制動反應時間的差異，提出了改進汽車防撞安全距離模型的新策略。
在汽車防撞系統中，研究的主要物件為行駛於車道後方的車輛，簡稱後車；行駛於車道前方的最接近後車的車輛為後車追尾的物件，簡稱前車[6].
2 、駕駛員型別
針對駕駛員的不同特性，按照駕駛員的性別分類，可分為男性和女性駕駛員；按照駕駛員的年齡分類，可分為青年、中年和老年駕駛員；按照駕駛員的駕駛風格分類可以分為衝動型、普通型以及謹慎型等，由於駕駛員的型別繁多，每種情況都進行研究會有重複，並且有些型別的駕駛員不易界定，文中就幾種典型的駕駛員型別進行研究，即男青年衝動型、女青年謹慎型、男中年普通型、男老年謹慎型四種類型。
2. 1 駕駛員反應時間資料
駕駛員反應時間資料透過進行相關實驗獲得，目前研究駕駛員反應時間的文獻中，可能由於試驗條件的不同、測試人員的隨機性以及試驗裝置的差別等，研究得出的駕駛員反應時間差別較大，但排除偶然因素之後，試驗資料能夠在趨勢上體現出駕駛員反應時間的差異性。
文中採用駕駛員模擬器進行駕駛員反應能力測試。在試驗中，選取 65 名駕駛員進行研究。首先透過調查問卷，讓駕駛員對自己的駕駛風格進行測評。16 名駕駛員測評為衝動型，其中男 13 名，女3 名；35 名自測為普通型，其中男23名，女 12 名；14 名自測為謹慎型，其中男10 名，女4 名，部分試驗資料如表 1 所示。
選出男青年衝動型、女青年謹慎型、男中年普通型、男老年謹慎型四種類型駕駛員的實驗資料，進行資料分析，繪製如圖 1 所示的駕駛員型別與駕駛員平均反應時間關係圖，其中黑粗短線代表該類駕駛員的平均反應時間，豎直細線代表該類駕駛員反應時間的範圍，上端點代表該類駕駛員中最長的反應時間，下端點代表該類駕駛員中最短的反應時間。
3 、防撞安全距離計算
3. 1 安全距離分析
以文中分析的四種類型駕駛員為研究物件，分別討論當前車靜止時、勻速行駛時及減速行駛時兩車防撞安全距離與後車速度的關係，並透過計算確定兩車之間的最小安全距離。
3. 1. 1 前方車輛靜止時兩車間的安全距離討論
由於消除制動器間隙和制動力增長過程所需時間非常短暫，文中暫未考慮這二者對車輛行駛距離的影響。當前方車輛突然停止時，後車駕駛員意識到危險，經過一段反應時間，做出制動行為，為了使後車不跟前車發生碰撞，設此時前車與後車之間的距離至少為 d,兩車的示意圖如圖2 所示，其中大車代表後車，小車代表前車。
在駕駛員反應時間內，後車行駛的距為
S1= vt （1）
後車開始制動直至速度減為零所需要的距離為
S2= v2/2a （2）
為了避免兩車碰撞，前車和後車之間的最小防撞安全距離 d 為
d = S1+ S2+ L = vt + v2/2a + L （3）
式中：v為後車初速度，單位km/h,a 為後車減速度，良好路面情況下一般取值為 6 ~ 8m/s2[8],t為駕駛員制動反應時間，單位 s,L 為車身長度，單位m.
以上述四種類型的駕駛員反應時間為研究物件，透過實驗資料得到不同型別駕駛員防撞安全距離 d 與後車車速的曲線，如圖 3所示。
當後車速度 v = 20km/h 時，四種類型的駕駛員的安全距離依次是 8. 1787m、8. 8442m、9. 3292m、9. 6677m.透過計算得出女青年謹慎型駕駛員比男青年衝動駕駛員防撞安全距離增加了 8. 14% ,男中年普通型比女青年謹慎型防撞安全距離增加了 5. 48% ,男老年謹慎型比男中年普通型防撞安全距離增加了 3. 62% .
3. 1. 2 前方車輛勻速時兩車間的安全距離討論
當前方車輛勻速行駛時，只要後車駕駛員在碰撞之前減速到前車速度即可避免發生碰撞，極限情況是當後車減速到與前車速度相等時，後車與前車的之間的距離為零，設前車與後車之間的最小安全距離 d.示意圖如圖 4.
為了避免與前車碰撞，前車與後車之間的安全距離 d至少為
d = S1+ S2- S3+ L
= （ v12- v22） /2a - （v22- v1v2） /a + （ v1- v2）t + L（4）
式中：v1為後車速度，v2為前車速度，a為後車減速度，一般為6 ~ 8m / s2,t為駕駛員反應時間，L 為車身長度。
以文中四種類型的駕駛員反應時間為研究物件，透過實驗資料得到不同型別駕駛員防撞安全距離與後車車速的曲線，如下圖 5所示。
由圖 5 可以發現當速度越小時不同型別駕駛員的防撞安全距離曲線幾乎重合，隨著速度的增加不同駕駛員反應時間對防撞安全距離的影響越來越明顯，說明駕駛員反應時間影響防撞安全距離的程度和後車速度有關。
3. 1. 3 前車勻減速時兩車間的安全距離討論
當後車駕駛員意識到前方車輛減速行駛時，如果後車駕駛員不採取制動措施，將有可能與前車發生碰撞，為了避免碰撞，後車駕駛員將採取制動行為，極限情況是當兩輛車距離恰好為零且兩車的速度相等，由於前車制動減速度小於後車制動減速度，因此在下一時刻，前車的速度將大於後車的.速度，從而可以避免碰撞，設兩車之間的安全距離為 d,示意圖如下圖 6 所示。
為了避免與前車碰撞，前車與後車之間的安全距離 d至少為
d = S1+ S2- S3+ L = v1t + （v21- v23） /2a1- （v22- v23） /2a2+ L（5）
式中：v1為後車速度，v2為前車速度，v3為兩車恰好碰撞時的速度，a1為後車減速度，a2為前車減速度。
以文中四種類型的駕駛員反應時間為研究物件，透過實驗資料得到不同反應時間下安全距離與後車車速的曲線，如圖 7 所示。
由圖 7 可以看到，不同型別駕駛員的防撞安全距離曲線幾乎平行，在駕駛員反應時間一定的情況下，防撞安全距離隨著速度的增大而增大，在特定速度下，防撞安全距離隨駕駛員的反應時間的增大而增大。
4、 搭建聯合模擬模型
考慮到實車實驗實驗結果誤差較大以及實車實驗具有一定的危險性，文中利用汽車模擬軟體以及搭建汽車防碰撞模型，進行模擬。首先對Carsim 車輛動力學模擬軟體中的車輛模型引數進行設定，然後利用 Carsim 軟體與 Matlab/Simu-link 建立聯合模擬模型，進行安全距離研究。
4. 1 前車靜止時防撞安全距離模擬
建立 carsim 與 simulink 聯合模擬模型，設定模擬時間為40s,設後車的速度為v1,前車速度為 v2.後車速度從零增加到 120km/h,前車速度為零，速度防真曲線如圖8 所示，模擬安全距離模擬曲線如圖 9 所示。
由圖 9 可以看到，男中年普通型駕駛員與男老年謹慎型駕駛員的曲線非常接近，男老年謹慎型駕駛員的曲線在最上面，即需要的防撞安全距離最大，而男青年衝動型駕駛員曲線在最下面，即所要的防撞安全距離相比其它三種駕駛員要小。
4. 2 前方車輛勻速時防撞安全距離模擬
建立 carsim 與 simulink 聯合模擬模型，設定模擬時間為40s,設後車的速度為v1,前車速度為 v2.後車速度從零增加到 120km/h,前車速度為40km/h,速度防真曲線如圖11 所示，模擬安全距離模擬曲線如圖 12 所示。
從圖 13 可以看出，在該模擬中，設定的後車速度最小為40km / h,前車以40km / h 勻速行駛，故當後車速度小於40km /h 時，前後車不會發生碰撞，故當後車速度小於40km / h 時防撞安全距離大於零即可，40km/h 以後的曲線為有效模擬曲線，在曲線中男老年謹慎型駕駛員的防撞安全距離最大，男青年衝動型駕駛員的防撞安全距離最小。
4. 3 前方車輛勻減速時防撞安全距離模擬
建立 carsim 與 simulink 聯合模擬模型，模擬曲線如圖13所示，在模擬曲線中，四條曲線從上到下依次表示的是男老年謹慎型、男中年普通型、女青年謹慎型、男青年衝動型駕駛員防撞安全距離曲線。
在圖 13 中當後車的速度為 40km/h 時，曲線出現了拐點，在拐點以前各曲線相差不大，在 40km/h 以後，可以看到男老年謹慎型駕駛員的安全距離曲線明顯高於其它駕駛員的曲線。
5、 結論
文中研究了四種類型駕駛員制動反應時間對汽車防撞安全距離的影響，研究表明不同駕駛員所需要的汽車防撞安全距離相差較大，而目前的汽車防撞安全距離模型中採用固定的駕駛員制動反應時間，並不能反映出駕駛員的實際駕駛安全需求。而採用不同制動反應時間建立的汽車防撞安全距離模型，不僅更符合駕駛員的實際駕駛情況，同時提高了汽車防撞安全距離模型的準確性，對改進汽車防撞預警等方面的研究提供了新思路。
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