Utveckling av mätinstrument för registrering av säkerhetskritiska händelser i motorfordon

Transkript

1 Utveckling av mätinstrument för registrering av säkerhetskritiska händelser i motorfordon Omar Bagdadi András Várhelyi 2009 Lunds Tekniska Högskola Institutionen för Teknik 1 och samhälle Trafik & väg

2 2

3 CODEN:LUTVDG/(TVTT-7211)1-18/2009 Omar Bagdadi, András Várhelyi Utveckling av mätinstrument för registrering av säkerhetskritiska händelser i motorfordon Ämnesord: Trafikkonflikt, hastighetsprofil, acceleration, jerk Referat: Ett mätinstrument för registrering av trafikkonflikter i fordon via Jerk har tagits fram. Metoden bygger på sambandet mellan Jerk (en plötslig förändring i retardationen) och trafikkonflikt. Utrustningen består av en accelerometer, en liten videokamera, GPS samt datalogg för registrering av händelser (bildsekvens och kördata som föregick en säkerhetskritisk händelse). Resultaten från testkörningarna visar att instrumentet är kapabel till att mäta och registrera accelerationsprofiler i tillräcklig hög noggrannhet för att kunna skilja inbromsningsförlopp för planerade kraftiga inbromsningar från oplanerade nödbromsningar. Detta görs genom att analysera första derivatan av accelerationsprofilen, s.k. Jerks. Development of a measuring instrument for in-vehicle registering of safety critical events Keywords: Traffic conflict, acceleration profile, jerk. Abstract: An in-vehicle equipment to register traffic conflicts via Jerk has been developed. The method is based on the relationship between Jerk (a sudden change in the acceleration) and a traffic conflict. The equipment consists of a mini-pc with an integrated accelerometer and external GPS antenna, video camera and data log for registering safety critical events (images and driving data preceding the safety critical event). The results from the test drives show that the equipment is capable measure and register acceleration profiles to a high enough precision to be able to distinguish the braking course of a planned heavy braking from the course of an emergency braking. This is done by analysis of the first derivative of the acceleration profile, called Jerks. Citeringsanvisning: Omar Bagdadi, András Várhelyi. Utveckling av mätinstrument för registrering av säkerhetskritiska händelser i motorfordon. Lund, Institutionen för Teknik och samhälle, Trafik och väg, Internrapport

4 4

5 Sammanfattning Inom ramen för projektet, denna rapport redovisar, och som finansierats av Vägverkets Skyltfond, har Lunds Tekniska Högskola utvecklat ett nytt mätinstrument för registrering av trafikkonflikter i fordon genom att mäta Jerks under normal körning. Utrustningen skall kunna installeras i vanliga fordon och ska mäta Jerk i realtid. I händelse av att det uppmätta värdet av Jerk överstiger ett gränsvärde så kommer en loggfil med kördata i form av hastighet, acceleration och första derivatan av accelerationen lagras tillsammans med en videosekvens över trafiksituationen under de sekunder som föregick Jerk. Utrustningen består av en accelerometer, en liten videokamera, GPS samt datalogg för registrering av händelser (bildsekvens och kördata som föregick en säkerhetskritisk händelse). Resultaten från testkörningarna visar att instrumentet är kapabel till att mäta och registrera accelerationsprofiler i tillräcklig hög noggrannhet för att kunna skilja inbromsningsförlopp för planerade kraftiga inbromsningar från oplanerade kraftiga inbromsningar. Detta görs genom att analysera första derivatan av accelerationsprofilen, s.k. Jerks. 5

6 Summary Within the framework of the project, this report accounts for, financed by the Swedish Road Administration, the Department of Technology and society at Lund University has developed a vehicle based equipment to register traffic conflicts through measuring Jerks under normal car driving. The equipment will be installed in normal vehicles and register Jerk i real time. When a Jerk registered exceeds a threshold value it will be logged together with initial speed, video sequence with the traffic situation ahead of the vehicle during the seconds preceding the Jerk. The equipment consists of a mini-pc with an integrated accelerometer and external GPS antenna and video camera attached. The results from the test drives show that the equipment is capable measure and register acceleration profiles to a high enough precision to be able to distinguish the braking course of a planned heavy braking from the course of an emergency braking. This is done by analysis of the first derivative of the acceleration profile, called Jerks. 6

7 Innehållsförteckning 1. Inledning Metod Resultat Slutsatser

8 1. Inledning 1.1 Backgrund Konflikttekniken är en erkänd och effektiv metod för att kartlägga säkerhetsläget i trafiken och utvärdera olika åtgärders säkerhetseffekt. En av de starkaste trafiksäkerhetsindikatorerna är konflikter, också definierade som nästan-olyckor. Allvarliga konflikter är på samma sätt som olyckor är ett sammanbrott i interaktionen mellan trafikant fordon och trafikmiljö. En allvarlig konflikt har samma händelseutveckling som en olycka av samma typ, med skillnaden att i konflikter inte händer sammanstötningar och ingen skadas. Sambandet mellan olyckor och konflikter påvisades och validerades av Hydén (1987). Det finns mellan och konflikter för varje polisrapporterad personskadeolycka, beroende på allvarlighet och typ av konflikt. Händelseförlopp som föregår olyckor är svårt att beskriva och även om man genomför haveriundersökningar är det oftast omöjligt att få en beskrivning av händelseförloppet. Konflikttekniken som utvecklades vid Institutionen för Teknik och samhälle vid LTH visade sig vara ett bra verktyg att skatta olycksriskerna på enskilda platser. Emellertid är det svårt att registrera konflikter om registreringen inte avser platser utan sträckor. En metod som möjliggör sådan konfliktregistrering i vanliga bilar under vanlig bilkörning är att registrera konflikter via Jerk. Metoden baseras på sambandet mellan Jerk (en plötslig förändring i retardationen) och trafikkonflikter. Sådana Jerk kan registreras, tillsammans med en videosekvens under de sekunder som föregick Jerk, i en relativt enkel utrusning som kan installeras i vanliga fordon under vardaglig körning. Styrkan med denna metod är att bilarna kan rulla under en längre period och fler konflikter kan samlas in. Metoden har en stor potential i att hjälpa oss få insikt i vad som föregår olika olyckssituationer. Nygård (1999) har studerat möjligheterna att analysera trafiksäkerhet med hjälp av inbromsningsförlopp från hastighetsprofiler. Han fann att det fanns skillnader mellan inbromsningar i konfliktsituationer och andra tvära inbromsningar. Inbromsningar i konfliktsituationer både började och slutade mer abrupt än normala inbromsningar. Vidare fann han att derivatan av accelerationen (m/s3) vid normala inbromsningar hade ett maximum värde av -8,0 m/s3 medan inbromsningar i konfliktsituationer hade ett minimum värde på -9,9 m/s3. Hydén (1987) visade att inbromsning är den avvärjande manövern i 93 % av alla konfliktsituationer och i 88 % av alla olyckor i tätort. En finsk studie av olycksdata i tätort och på landväg visar att inbromsning är den avvärjande manövern i 73 % av alla fall där en avvärjande manöver äger rum (Hantula, 1994). Noda et. al. (1996) kom fram till liknande resultat när de studerade acceleration noise, dvs. accelerationen i förhållande till medelaccelerationen. De fann att högt acceleration noise var en bra indikator på olyckor, både för sträckor och för individuella förare. 8

9 1.2 Syfte Syfte med projektet har varit att utveckla ett mätinstrument för registrering av trafikkonflikter i fordon genom att identifiera Jerks under normal körning. Utrustningen skall kunna installeras i vanliga fordon och ska mäta Jerk i realtid. I händelse av att det uppmätta värdet av Jerk överstiger ett gränsvärde så kommer en loggfil med kördata i form av hastighet, acceleration och första derivatan av accelerationen lagras tillsammans med en videosekvens över trafiksituationen under de sekunder som föregick Jerk. En prototyp av utrustningen som består av en accelerometer, en liten videokamera, GPS samt datalogg för registrering av händelser (bildsekvens och kördata som föregick en säkerhetskritisk händelse) skulle sättas ihop och mjukvara för hantering av data skulle utvecklas. Utrustningen skulle funktionstestas i ett fordon och finjusteras. Ett antal konflikter av olika allvarlighetsgrad skulle simuleras och registreras för att kalibrera urvalströskeln för säkerhetskritiska händelser. 9

10 2. Metod Förlopp i den momentana accelerationen är i praktiken inte ideala linjära utan innehåller en hel del variationer. Dessa variationer, som beror på externa faktorer såsom bilens egenskaper och förarens beteende, bland annat, syns normalt inte i vanliga hastighetsmätningar utan kräver ett mätinstrument som kan mäta variationer med hög upplösning. Att förarens beteende påverkar hur dessa variationer ser ut är speciellt intressant när vi studerar retardationsförlopp, d.v.s. negativa accelerationer. Matematisk analys av dessa accelerationsförlopp där vi deriverar den uppmätta signalen med avseende på tid ger oss ett nytt sätt att studera hur en acceleration varierar under exempelvis en inbromsning. Den deriverade signalen anges i enheten meter per sekund i kubik, m/s 3, och kallas för jerk. För att kunna mäta accelerationer med tillräckligt hög upplösning behövs en accelerometer eftersom en vanlig GPS visserligen har en relativt hög noggrannhet för hastighetsmätningar men är begränsad då den normalt endast mäter 1gång per sekund, 1Hz. Accelerometern som används i detta projekt är kapabel till att mäta med en frekvens på 100Hz. Accelerometern mäter förändringar i tyngdaccelerationen både i longitudinell och i latitudinell riktning. Beroende på var i världen man befinner sig så skiljer sig tyngdaccelerationen något, då vi befinner oss i Sverige så har värdet på 9.82 används för att räkna om de uppmätta värdena till enheten meter per sekund i kvadrat, m/s 2. En förändring på 0.4G blir således 0.4*9.82=3.928 m/s 2. Att mäta snabba förändringar i accelerationen kräver en hög upplösning på mätningarna, men det innebär samtidigt att man ökar inverkan från yttre faktorer som kan försvåra analyserna. En avvägning mellan hög upplösning och oönskade variationer i mätdata gjordes initialt vilket resulterade i att ett lågpassfilter användes för att undertrycka signaler med högre frekvens än 50Hz. Gränsen sattes relativt högt för att inte riskera att relevanta signaler skulle förloras. I och med analysen av data kan gränsen med fördel sänkas till omkring 10Hz utan att förlora viktig information. Då detta system är en prototyp och ska användas i experimentellt syfte så krävdes att systemet är mer flexibelt och enkelt att modifiera än ett kommersiellt färdigt system. Detta, i sin tur betyder att storleken är något större än den slutgiltiga, kommersiellt användbara utrustningen, som måste vara mindre. Likaså är mjukvaran mer komplex än den skall vara i slutprodukten för att det ska vara lätt att testa och göra modifieringar under experimentets gång. Efter att utrustningen har kalibrerats så genomfördes ett antal simulerade konflikter med ingångshastigheter på 50km/h och 70km/h. För att identifiera det tröskelvärde som skall användas för att identifiera säkerhetskritiska händelser gjordes en rad kontrollerade körningar med olika nivåer på kraftiga inbromsningar 10

11 3. Resultat 3.1 Systemet Utrusningen som har utvecklats baseras på en liten fläktlös s.k. embedded-pc med Windows XP som operativsystem. Datorn har även ett litet extra styrkort inmonterat som hanterar signalerna från accelerometern som även den har integrerats i datorn. Figur1. Mini-pc med integrerad accelerometer, som utgör kärnan i mätinstrumentet. Accelerometern är kapabel till att mäta förändringar i rörelser både longitudinellt och latitudinellt, dvs. både för bilens acceleration och retardation samt för sidledsförflyttningar, t.ex. i samband med häftiga rattrörelser och kurvtagningar. Accelerometern mäter den gravitationskraft som den utsätts för relativt jordytan, dvs. om man befinner sig stillastående i en brant uppförsbacke så ger den ett utslag, detta utslag är felaktigt för den här applikationen och hanteras som en offset som kalibreras bort under färd. Detta görs via mjukvaran och bygger på att denna felaktiga offset har en mycket längre periodicitet om man tittar på signalfrekvensen. Figur 2. Accelerometer, ADXL202, som registrerar G krafter under färd i bilen. 11

12 För att även kunna registrera bilens hastighet vid händelserna så anslöts en GPS mottagare. GPS antennen placerades på instrumentpanelen för att den skulle få så bra mottagning som möjligt från satelliterna (se figur 3). Genom att använda en GPS antenn som är ansluten till minidatorn via en seriell kabel säkerställdes samtidigt strömförsörjningen till mottagaren. Mottagaren skickar signal till minidatorn 1 gång per sekund och ger utöver position även hastighet samt riktning. Genom GPS mottagaren synkroniseras tiden, datum och klockslag, för den registrerade händelsen. Figur 3. GPS mottagare placerades på instrumentpanelen. Även en videokamera för registrering av hastigheter respektive en videosekvens över trafiksituationen framför bilen via kabel för att säkerställa strömtillförsel anslöts. Videokameran som även kan filma i mörker med hjälp av infrarött ljus placerades innanför vindrutan, framför backspegeln, för att få en så bra överblick som möjligt (se figur 4). Figur 4. Videokameran placerades framförbackspegeln. 12

13 3.1.1 Applikation Applikationen som har tagits fram för detta ändamål är utvecklad i Delphi och använder två andra hjälpprogram för hantering av indata. Programmet Async pro används för hantering av seriedata från GPS mottagraren samt programmet Datastead videograbber software används för hantering videograbbern, applikation för att ta emot videosignaler, samt textoverlay som placerar vissa data ovanpå videofilen såsom datum/tid, hastighet och accelerationsvärden. Genom att använda minidatorns primärminne för tillfällig lagring av videofångsten så skapas en buffert på 10 sekunder vilket gör att när accelerometern registrerar en skillnad i tyngdaccelerationen som överstiger det satta tröskelvärdet sker en inspelning av den cachade videofilen samt 10 sekunder framåt från det att accelerometern gjort sitt utslag. Detta ger att det registrerade datat innehåller både kördata i form av position, riktning, hastighet, tidpunkt och acceleration samt en videoinspelning från kameran från 10 sekunder innan händelsen inträffar till 10 sekunder efter. 3.2 Kalibrering av tröskelvärdet för säkerhetskritisk händelse Efter att utrustningen har funktionstestats gjordes en rad simuleringar av konflikter blandat med normala men ändå kraftiga inbromsningar för att identifiera vilka skillnader som fanns i dessa förlopp. Testerna genomfördes genom att en rad kontrollerade inbromsningar gjordes av olika intensitet för att få lämpliga värden för kraftiga inbromsningar. Mätningarna gjordes med två olika ingångshastigheter, 50km/h respektive 70km/h där inbromsningen gjordes kraftigare och kraftigare tills att en panikartad bromspedalstryckning utfördes där bromspedalen trycktes i botten direkt med en kraftig stampning. Dessa värden låg sedan till grund för att bestämma tröskelvärde i utrustningen. Tröskelvärdet har till uppgift att selektera ut de inbromsningar som är så kraftiga att det föreligger misstanke om ett en konflikt har inträffat, och därmed minimera antalet oönskade registreringar. Gränsen för acceleration vid en misstänkt konfliktsituation sattes till -0.8G då detta upplevdes som icke komfortabel inbromsning. En planerad inbromsning har ofta en viss nivå av komfort som är mindre eller helt avsaknad vid en oplanerad inbromsning. Denna upplevda komfort fick vara det subjektiva mått på när en inbromsning ska anses planerad vid kalibreringen av instrumentet. Körningarna förlades på en avskild vägsträcka med flera korsningar. Under körningen så gavs en plötslig signal om att ett hinder har dykt upp, signalen gavs av en medpassagerare som slumpmässigt ropade STOPP alternativt Stanna under en körning. Med STOPP menades att ett hinder har dykt upp omedelbart framför bilen medan Stanna innebar att bilen så snabbt som möjligt skulle stanna vid väggrenen kontrollerat. Totalt gjordes 24 körningar, 12 st för respektive ingångshastighet. Här nedan i figur 5 och 6 visas två körningar där ingångshastigheten var 70 km/h. Samma mönster återfinns vid ingångshastigheter på 50 km/h 13

14 Resultaten stämmer överrens med resultat från tidigare forskning (van der Horst, 1990). En kraftig men planerad inbromsning skiljer sig inte nämnvärt från en oplanerad inbromsning i samband med en säkerhetskritisk händelse, om man bara ser till storleken på acceleration/retardation. I båda fallen ser man accelerationer på omkring -8 till -10 m/s 2, vilket betyder att man inte kan särskilja konflikt och icke konflikt enbart med hjälp av acceleration/retardation. m/s2 2 0 Acceleration 70km/h Acceleration konflikt Acceleration icke konflikt Figur 5. Jämförelse av accelerationsvärden för kontrollerad kraftig inbromsning och oplanerad inbromsning. Det intressanta är däremot skillnaden som finns mellan värdena i Jerks i de två fallen. Vid en närmare analys av accelerationerna där man studerar hur de varierar under en inbromsning, dvs. man tittar på första derivatan av accelerationen, Jerk, så ser man att det finns en tydlig skillnad mellan konfliktsituationer och icke konfliktsituationer. 14

15 Jerks 70km/h m/s Jerk konflikt Jerk icke konflikt Figur 6. Jämförelse av Jerk värden för kontrollerad kraftig inbromsning och oplanerad inbromsning. En oplanerad inbromsning, som därmed anses vara en säkerhetskritisk händelse har dels en kraftigare inledning av inbromsningsförloppet, vilket resulterar i en värde på Jerk på omkring -20 m/s 3, detta värde ska jämföras med -8 m/s 3 när det inte har inträffat en konflikt, och dels så avslutas inbromsningen mer abrupt vilket även syns i figur 6 ovan där dippen i accelerationskurvan är betydligt smalare. Att inbromsningen plötsligt avtar resulterar i en positiv Jerk på omkring 15 m/s 3 vid en konfliktsituation och skiljer sig från värdet på omkring 5 m/s 3 som uppstår när situationen inte representerar en konflikt utan en kraftig men planerad inbromsning. m/s Jerks icke konflikt 50/70km/h Jerk icke konflikt 70 Jerk icke konflikt Figur 7. Jämförelse av Jerk värden vid kontrollerad kraftig inbromsning för 50 och 70km/h ingångshastigheter. 15

16 Ingångshastigheten har betydelse för exempelvis broms och stoppsträckor, högre hastighet vid inbromsningens början ger normalt sett längre bromssträckor. Anledningen till detta är att det finns en gräns för hur mycket bromsverkan samt friktionskrafter som en bil kan generera. Det ger att retardationen inte kan vara hur kraftig som helst. Resultaten från inbromsningarna med ingångshastighet på 50 km/h stämmer överrens med detta, det finns ingen signifikant skillnad mellan resultaten från inbromsningarna i 70 km/h versus 50 km/h, se figur 7 och figur 8. Mätmetoden är således inte känslig för hastigheten som bilen färdades i precis innan den säkerhetskritiska händelsen inträffade. Jerks konflikt 50/70km/h m/s Jerk konflikt 70 Jerk konflikt Figur 8. Jämförelse av Jerk värden vid oplanerad inbromsning (konfliktsituation) för 50 och 70km/h ingångshastigheter. 16

17 4. Slutsatser Resultaten visar att storleken på acceleration/retardationen i en kraftig men planerad inbromsning inte skiljer sig nämnvärt från en densamma i en oplanerad inbromsning i samband med en säkerhetskritisk händelse. I båda fallen ligger accelerationen på omkring -8 till -10 m/s 2. Däremot kan skillnaden mellan en kraftig men planerad inbromsning och en oplanerad inbromsning tydligt visas med hjälp av första derivatan av accelerationen, d.v.s. Jerk. En oplanerad inbromsning, som anses vara en säkerhetskritisk händelse har dels en kraftigare inledning av inbromsningsförloppet, vilket resulterar i ett värde på Jerk på omkring -20m/s 3, detta värde ska jämföras med -8m/s 3 när det inte har inträffat en konflikt, och dels så avslutas inbromsningen mer abrupt vilket skapar en positiv Jerk vars topp ligger omkring 15m/s 3 vid en oplanerad inbromsning vilket ska jämföras med motsvarande topp på ca 5m/s 3 vid en planerad inbromsning. Intressant är även att dessa värden även stämmer för körningar där hastigheten varit 50 km/h just innan inbromsningsförloppet. Fortsatt forskning behövs för att validera mätmetoden (jerk versus trafikkonflikt) med hjälp av en instrumenterad bil som med oberoende dataloggutrustning registrerar kördata som kan jämföras med utrustningens data. Ett sådant validerat mätinstrumentet och mätmetod kan i ett senare skede användas: Inom grundforskning om förarbeteende, För att samla in ett stort antal konflikter under körning i vardagliga förhållanden och som bilförare kan bli inblandade i. För utvärdering av effekter på förarbeteende av olika typer av system för förarstöd. Vissa informationsteknologiska system i bilen har stor teoretisk säkerhetspotential men det är viktigt att kunna undersöka hur föraren i verklig trafik beter sig. Detta kan endast undersökas i verklig trafik med opåverkande observationer av förarbeteendet i sådana studier är mätinstrumenten som kan registrera säkerhetskritiska händelser i fordon under vanlig bilkörning skulle vara av stor nytta. Av t.ex. försäkringsbolag för att studera särskilt olycksutsatta regioner eller vägavsnitt. Utrustningen som testades är den första versionen prototyp. Nästa generations system måste göras mer kompakt och kvalitetstestas för att säkerställa att samtliga enheter mäter korrekt och inom vissa toleranser gränser. En kostnadsskattning för systemet vid produktion av enheter innehållande kamera, GPS, accelerometer, datorenhet, ger c:a 6000:- /st. Vid tillverkning av enstaka exemplar, 1-2 st blir den uppskattade kostnaden 10000:- /st 17

18 Referenser Hantula, L. (1994) Accident Data Collected by Road Accident Investigation Teams in Finland, The OECD Workshop on Accident data System, Jurmala. Hydén, C. (1987) The development of a method for traffic safety evaluation: The Swedish Traffic Conflicts Technique. Bulletin 70. Lund University, Lund, Sweden. Noda, K., Ogino H., Takahashi, M., Kurimot, O.Y. (1996) Predictor Model of Traffic Accident in Consideration of Acceleration Noise and Traffic Conditions, Intelligent Transportation; Realising the future: Third Annual World Congress on Intelligent Transport Systems, ITS America. Nygård, M. (1999) A method for analysing traffic safety with help of speed profiles. Masters thesis. Tampere University of Technology, Espoo. van der Horst, A. R. A. (1990). A time-based analysis of road user behaviour in normal and critical encounters. Delft, Delft University of Technology. Ph.D. 18

19 Utveckling av mätinstrument för registrering av säkerhetskritiska händelser i motorfordon Omar Bagdadi András Várhelyi 2009 Lunds Tekniska Högskola Institutionen för Teknik 1 och samhälle Trafik & väg

20 2

21 CODEN:LUTVDG/(TVTT-7211)1-18/2009 Omar Bagdadi, András Várhelyi Utveckling av mätinstrument för registrering av säkerhetskritiska händelser i motorfordon Ämnesord: Trafikkonflikt, hastighetsprofil, acceleration, jerk Referat: Ett mätinstrument för registrering av trafikkonflikter i fordon via Jerk har tagits fram. Metoden bygger på sambandet mellan Jerk (en plötslig förändring i retardationen) och trafikkonflikt. Utrustningen består av en accelerometer, en liten videokamera, GPS samt datalogg för registrering av händelser (bildsekvens och kördata som föregick en säkerhetskritisk händelse). Resultaten från testkörningarna visar att instrumentet är kapabel till att mäta och registrera accelerationsprofiler i tillräcklig hög noggrannhet för att kunna skilja inbromsningsförlopp för planerade kraftiga inbromsningar från oplanerade nödbromsningar. Detta görs genom att analysera första derivatan av accelerationsprofilen, s.k. Jerks. Development of a measuring instrument for in-vehicle registering of safety critical events Keywords: Traffic conflict, acceleration profile, jerk. Abstract: An in-vehicle equipment to register traffic conflicts via Jerk has been developed. The method is based on the relationship between Jerk (a sudden change in the acceleration) and a traffic conflict. The equipment consists of a mini-pc with an integrated accelerometer and external GPS antenna, video camera and data log for registering safety critical events (images and driving data preceding the safety critical event). The results from the test drives show that the equipment is capable measure and register acceleration profiles to a high enough precision to be able to distinguish the braking course of a planned heavy braking from the course of an emergency braking. This is done by analysis of the first derivative of the acceleration profile, called Jerks. Citeringsanvisning: Omar Bagdadi, András Várhelyi. Utveckling av mätinstrument för registrering av säkerhetskritiska händelser i motorfordon. Lund, Institutionen för Teknik och samhälle, Trafik och väg, Internrapport

22 4

23 Sammanfattning Inom ramen för projektet, denna rapport redovisar, och som finansierats av Vägverkets Skyltfond, har Lunds Tekniska Högskola utvecklat ett nytt mätinstrument för registrering av trafikkonflikter i fordon genom att mäta Jerks under normal körning. Utrustningen skall kunna installeras i vanliga fordon och ska mäta Jerk i realtid. I händelse av att det uppmätta värdet av Jerk överstiger ett gränsvärde så kommer en loggfil med kördata i form av hastighet, acceleration och första derivatan av accelerationen lagras tillsammans med en videosekvens över trafiksituationen under de sekunder som föregick Jerk. Utrustningen består av en accelerometer, en liten videokamera, GPS samt datalogg för registrering av händelser (bildsekvens och kördata som föregick en säkerhetskritisk händelse). Resultaten från testkörningarna visar att instrumentet är kapabel till att mäta och registrera accelerationsprofiler i tillräcklig hög noggrannhet för att kunna skilja inbromsningsförlopp för planerade kraftiga inbromsningar från oplanerade kraftiga inbromsningar. Detta görs genom att analysera första derivatan av accelerationsprofilen, s.k. Jerks. 5

24 Summary Within the framework of the project, this report accounts for, financed by the Swedish Road Administration, the Department of Technology and society at Lund University has developed a vehicle based equipment to register traffic conflicts through measuring Jerks under normal car driving. The equipment will be installed in normal vehicles and register Jerk i real time. When a Jerk registered exceeds a threshold value it will be logged together with initial speed, video sequence with the traffic situation ahead of the vehicle during the seconds preceding the Jerk. The equipment consists of a mini-pc with an integrated accelerometer and external GPS antenna and video camera attached. The results from the test drives show that the equipment is capable measure and register acceleration profiles to a high enough precision to be able to distinguish the braking course of a planned heavy braking from the course of an emergency braking. This is done by analysis of the first derivative of the acceleration profile, called Jerks. 6

25 Innehållsförteckning 1. Inledning Metod Resultat Slutsatser

26 1. Inledning 1.1 Backgrund Konflikttekniken är en erkänd och effektiv metod för att kartlägga säkerhetsläget i trafiken och utvärdera olika åtgärders säkerhetseffekt. En av de starkaste trafiksäkerhetsindikatorerna är konflikter, också definierade som nästan-olyckor. Allvarliga konflikter är på samma sätt som olyckor är ett sammanbrott i interaktionen mellan trafikant fordon och trafikmiljö. En allvarlig konflikt har samma händelseutveckling som en olycka av samma typ, med skillnaden att i konflikter inte händer sammanstötningar och ingen skadas. Sambandet mellan olyckor och konflikter påvisades och validerades av Hydén (1987). Det finns mellan och konflikter för varje polisrapporterad personskadeolycka, beroende på allvarlighet och typ av konflikt. Händelseförlopp som föregår olyckor är svårt att beskriva och även om man genomför haveriundersökningar är det oftast omöjligt att få en beskrivning av händelseförloppet. Konflikttekniken som utvecklades vid Institutionen för Teknik och samhälle vid LTH visade sig vara ett bra verktyg att skatta olycksriskerna på enskilda platser. Emellertid är det svårt att registrera konflikter om registreringen inte avser platser utan sträckor. En metod som möjliggör sådan konfliktregistrering i vanliga bilar under vanlig bilkörning är att registrera konflikter via Jerk. Metoden baseras på sambandet mellan Jerk (en plötslig förändring i retardationen) och trafikkonflikter. Sådana Jerk kan registreras, tillsammans med en videosekvens under de sekunder som föregick Jerk, i en relativt enkel utrusning som kan installeras i vanliga fordon under vardaglig körning. Styrkan med denna metod är att bilarna kan rulla under en längre period och fler konflikter kan samlas in. Metoden har en stor potential i att hjälpa oss få insikt i vad som föregår olika olyckssituationer. Nygård (1999) har studerat möjligheterna att analysera trafiksäkerhet med hjälp av inbromsningsförlopp från hastighetsprofiler. Han fann att det fanns skillnader mellan inbromsningar i konfliktsituationer och andra tvära inbromsningar. Inbromsningar i konfliktsituationer både började och slutade mer abrupt än normala inbromsningar. Vidare fann han att derivatan av accelerationen (m/s3) vid normala inbromsningar hade ett maximum värde av -8,0 m/s3 medan inbromsningar i konfliktsituationer hade ett minimum värde på -9,9 m/s3. Hydén (1987) visade att inbromsning är den avvärjande manövern i 93 % av alla konfliktsituationer och i 88 % av alla olyckor i tätort. En finsk studie av olycksdata i tätort och på landväg visar att inbromsning är den avvärjande manövern i 73 % av alla fall där en avvärjande manöver äger rum (Hantula, 1994). Noda et. al. (1996) kom fram till liknande resultat när de studerade acceleration noise, dvs. accelerationen i förhållande till medelaccelerationen. De fann att högt acceleration noise var en bra indikator på olyckor, både för sträckor och för individuella förare. 8

27 1.2 Syfte Syfte med projektet har varit att utveckla ett mätinstrument för registrering av trafikkonflikter i fordon genom att identifiera Jerks under normal körning. Utrustningen skall kunna installeras i vanliga fordon och ska mäta Jerk i realtid. I händelse av att det uppmätta värdet av Jerk överstiger ett gränsvärde så kommer en loggfil med kördata i form av hastighet, acceleration och första derivatan av accelerationen lagras tillsammans med en videosekvens över trafiksituationen under de sekunder som föregick Jerk. En prototyp av utrustningen som består av en accelerometer, en liten videokamera, GPS samt datalogg för registrering av händelser (bildsekvens och kördata som föregick en säkerhetskritisk händelse) skulle sättas ihop och mjukvara för hantering av data skulle utvecklas. Utrustningen skulle funktionstestas i ett fordon och finjusteras. Ett antal konflikter av olika allvarlighetsgrad skulle simuleras och registreras för att kalibrera urvalströskeln för säkerhetskritiska händelser. 9

28 2. Metod Förlopp i den momentana accelerationen är i praktiken inte ideala linjära utan innehåller en hel del variationer. Dessa variationer, som beror på externa faktorer såsom bilens egenskaper och förarens beteende, bland annat, syns normalt inte i vanliga hastighetsmätningar utan kräver ett mätinstrument som kan mäta variationer med hög upplösning. Att förarens beteende påverkar hur dessa variationer ser ut är speciellt intressant när vi studerar retardationsförlopp, d.v.s. negativa accelerationer. Matematisk analys av dessa accelerationsförlopp där vi deriverar den uppmätta signalen med avseende på tid ger oss ett nytt sätt att studera hur en acceleration varierar under exempelvis en inbromsning. Den deriverade signalen anges i enheten meter per sekund i kubik, m/s 3, och kallas för jerk. För att kunna mäta accelerationer med tillräckligt hög upplösning behövs en accelerometer eftersom en vanlig GPS visserligen har en relativt hög noggrannhet för hastighetsmätningar men är begränsad då den normalt endast mäter 1gång per sekund, 1Hz. Accelerometern som används i detta projekt är kapabel till att mäta med en frekvens på 100Hz. Accelerometern mäter förändringar i tyngdaccelerationen både i longitudinell och i latitudinell riktning. Beroende på var i världen man befinner sig så skiljer sig tyngdaccelerationen något, då vi befinner oss i Sverige så har värdet på 9.82 används för att räkna om de uppmätta värdena till enheten meter per sekund i kvadrat, m/s 2. En förändring på 0.4G blir således 0.4*9.82=3.928 m/s 2. Att mäta snabba förändringar i accelerationen kräver en hög upplösning på mätningarna, men det innebär samtidigt att man ökar inverkan från yttre faktorer som kan försvåra analyserna. En avvägning mellan hög upplösning och oönskade variationer i mätdata gjordes initialt vilket resulterade i att ett lågpassfilter användes för att undertrycka signaler med högre frekvens än 50Hz. Gränsen sattes relativt högt för att inte riskera att relevanta signaler skulle förloras. I och med analysen av data kan gränsen med fördel sänkas till omkring 10Hz utan att förlora viktig information. Då detta system är en prototyp och ska användas i experimentellt syfte så krävdes att systemet är mer flexibelt och enkelt att modifiera än ett kommersiellt färdigt system. Detta, i sin tur betyder att storleken är något större än den slutgiltiga, kommersiellt användbara utrustningen, som måste vara mindre. Likaså är mjukvaran mer komplex än den skall vara i slutprodukten för att det ska vara lätt att testa och göra modifieringar under experimentets gång. Efter att utrustningen har kalibrerats så genomfördes ett antal simulerade konflikter med ingångshastigheter på 50km/h och 70km/h. För att identifiera det tröskelvärde som skall användas för att identifiera säkerhetskritiska händelser gjordes en rad kontrollerade körningar med olika nivåer på kraftiga inbromsningar 10

29 3. Resultat 3.1 Systemet Utrusningen som har utvecklats baseras på en liten fläktlös s.k. embedded-pc med Windows XP som operativsystem. Datorn har även ett litet extra styrkort inmonterat som hanterar signalerna från accelerometern som även den har integrerats i datorn. Figur1. Mini-pc med integrerad accelerometer, som utgör kärnan i mätinstrumentet. Accelerometern är kapabel till att mäta förändringar i rörelser både longitudinellt och latitudinellt, dvs. både för bilens acceleration och retardation samt för sidledsförflyttningar, t.ex. i samband med häftiga rattrörelser och kurvtagningar. Accelerometern mäter den gravitationskraft som den utsätts för relativt jordytan, dvs. om man befinner sig stillastående i en brant uppförsbacke så ger den ett utslag, detta utslag är felaktigt för den här applikationen och hanteras som en offset som kalibreras bort under färd. Detta görs via mjukvaran och bygger på att denna felaktiga offset har en mycket längre periodicitet om man tittar på signalfrekvensen. Figur 2. Accelerometer, ADXL202, som registrerar G krafter under färd i bilen. 11

30 För att även kunna registrera bilens hastighet vid händelserna så anslöts en GPS mottagare. GPS antennen placerades på instrumentpanelen för att den skulle få så bra mottagning som möjligt från satelliterna (se figur 3). Genom att använda en GPS antenn som är ansluten till minidatorn via en seriell kabel säkerställdes samtidigt strömförsörjningen till mottagaren. Mottagaren skickar signal till minidatorn 1 gång per sekund och ger utöver position även hastighet samt riktning. Genom GPS mottagaren synkroniseras tiden, datum och klockslag, för den registrerade händelsen. Figur 3. GPS mottagare placerades på instrumentpanelen. Även en videokamera för registrering av hastigheter respektive en videosekvens över trafiksituationen framför bilen via kabel för att säkerställa strömtillförsel anslöts. Videokameran som även kan filma i mörker med hjälp av infrarött ljus placerades innanför vindrutan, framför backspegeln, för att få en så bra överblick som möjligt (se figur 4). Figur 4. Videokameran placerades framförbackspegeln. 12

31 3.1.1 Applikation Applikationen som har tagits fram för detta ändamål är utvecklad i Delphi och använder två andra hjälpprogram för hantering av indata. Programmet Async pro används för hantering av seriedata från GPS mottagraren samt programmet Datastead videograbber software används för hantering videograbbern, applikation för att ta emot videosignaler, samt textoverlay som placerar vissa data ovanpå videofilen såsom datum/tid, hastighet och accelerationsvärden. Genom att använda minidatorns primärminne för tillfällig lagring av videofångsten så skapas en buffert på 10 sekunder vilket gör att när accelerometern registrerar en skillnad i tyngdaccelerationen som överstiger det satta tröskelvärdet sker en inspelning av den cachade videofilen samt 10 sekunder framåt från det att accelerometern gjort sitt utslag. Detta ger att det registrerade datat innehåller både kördata i form av position, riktning, hastighet, tidpunkt och acceleration samt en videoinspelning från kameran från 10 sekunder innan händelsen inträffar till 10 sekunder efter. 3.2 Kalibrering av tröskelvärdet för säkerhetskritisk händelse Efter att utrustningen har funktionstestats gjordes en rad simuleringar av konflikter blandat med normala men ändå kraftiga inbromsningar för att identifiera vilka skillnader som fanns i dessa förlopp. Testerna genomfördes genom att en rad kontrollerade inbromsningar gjordes av olika intensitet för att få lämpliga värden för kraftiga inbromsningar. Mätningarna gjordes med två olika ingångshastigheter, 50km/h respektive 70km/h där inbromsningen gjordes kraftigare och kraftigare tills att en panikartad bromspedalstryckning utfördes där bromspedalen trycktes i botten direkt med en kraftig stampning. Dessa värden låg sedan till grund för att bestämma tröskelvärde i utrustningen. Tröskelvärdet har till uppgift att selektera ut de inbromsningar som är så kraftiga att det föreligger misstanke om ett en konflikt har inträffat, och därmed minimera antalet oönskade registreringar. Gränsen för acceleration vid en misstänkt konfliktsituation sattes till -0.8G då detta upplevdes som icke komfortabel inbromsning. En planerad inbromsning har ofta en viss nivå av komfort som är mindre eller helt avsaknad vid en oplanerad inbromsning. Denna upplevda komfort fick vara det subjektiva mått på när en inbromsning ska anses planerad vid kalibreringen av instrumentet. Körningarna förlades på en avskild vägsträcka med flera korsningar. Under körningen så gavs en plötslig signal om att ett hinder har dykt upp, signalen gavs av en medpassagerare som slumpmässigt ropade STOPP alternativt Stanna under en körning. Med STOPP menades att ett hinder har dykt upp omedelbart framför bilen medan Stanna innebar att bilen så snabbt som möjligt skulle stanna vid väggrenen kontrollerat. Totalt gjordes 24 körningar, 12 st för respektive ingångshastighet. Här nedan i figur 5 och 6 visas två körningar där ingångshastigheten var 70 km/h. Samma mönster återfinns vid ingångshastigheter på 50 km/h 13

32 Resultaten stämmer överrens med resultat från tidigare forskning (van der Horst, 1990). En kraftig men planerad inbromsning skiljer sig inte nämnvärt från en oplanerad inbromsning i samband med en säkerhetskritisk händelse, om man bara ser till storleken på acceleration/retardation. I båda fallen ser man accelerationer på omkring -8 till -10 m/s 2, vilket betyder att man inte kan särskilja konflikt och icke konflikt enbart med hjälp av acceleration/retardation. m/s2 2 0 Acceleration 70km/h Acceleration konflikt Acceleration icke konflikt Figur 5. Jämförelse av accelerationsvärden för kontrollerad kraftig inbromsning och oplanerad inbromsning. Det intressanta är däremot skillnaden som finns mellan värdena i Jerks i de två fallen. Vid en närmare analys av accelerationerna där man studerar hur de varierar under en inbromsning, dvs. man tittar på första derivatan av accelerationen, Jerk, så ser man att det finns en tydlig skillnad mellan konfliktsituationer och icke konfliktsituationer. 14

33 Jerks 70km/h m/s Jerk konflikt Jerk icke konflikt Figur 6. Jämförelse av Jerk värden för kontrollerad kraftig inbromsning och oplanerad inbromsning. En oplanerad inbromsning, som därmed anses vara en säkerhetskritisk händelse har dels en kraftigare inledning av inbromsningsförloppet, vilket resulterar i en värde på Jerk på omkring -20 m/s 3, detta värde ska jämföras med -8 m/s 3 när det inte har inträffat en konflikt, och dels så avslutas inbromsningen mer abrupt vilket även syns i figur 6 ovan där dippen i accelerationskurvan är betydligt smalare. Att inbromsningen plötsligt avtar resulterar i en positiv Jerk på omkring 15 m/s 3 vid en konfliktsituation och skiljer sig från värdet på omkring 5 m/s 3 som uppstår när situationen inte representerar en konflikt utan en kraftig men planerad inbromsning. m/s Jerks icke konflikt 50/70km/h Jerk icke konflikt 70 Jerk icke konflikt Figur 7. Jämförelse av Jerk värden vid kontrollerad kraftig inbromsning för 50 och 70km/h ingångshastigheter. 15

34 Ingångshastigheten har betydelse för exempelvis broms och stoppsträckor, högre hastighet vid inbromsningens början ger normalt sett längre bromssträckor. Anledningen till detta är att det finns en gräns för hur mycket bromsverkan samt friktionskrafter som en bil kan generera. Det ger att retardationen inte kan vara hur kraftig som helst. Resultaten från inbromsningarna med ingångshastighet på 50 km/h stämmer överrens med detta, det finns ingen signifikant skillnad mellan resultaten från inbromsningarna i 70 km/h versus 50 km/h, se figur 7 och figur 8. Mätmetoden är således inte känslig för hastigheten som bilen färdades i precis innan den säkerhetskritiska händelsen inträffade. Jerks konflikt 50/70km/h m/s Jerk konflikt 70 Jerk konflikt Figur 8. Jämförelse av Jerk värden vid oplanerad inbromsning (konfliktsituation) för 50 och 70km/h ingångshastigheter. 16

35 4. Slutsatser Resultaten visar att storleken på acceleration/retardationen i en kraftig men planerad inbromsning inte skiljer sig nämnvärt från en densamma i en oplanerad inbromsning i samband med en säkerhetskritisk händelse. I båda fallen ligger accelerationen på omkring -8 till -10 m/s 2. Däremot kan skillnaden mellan en kraftig men planerad inbromsning och en oplanerad inbromsning tydligt visas med hjälp av första derivatan av accelerationen, d.v.s. Jerk. En oplanerad inbromsning, som anses vara en säkerhetskritisk händelse har dels en kraftigare inledning av inbromsningsförloppet, vilket resulterar i ett värde på Jerk på omkring -20m/s 3, detta värde ska jämföras med -8m/s 3 när det inte har inträffat en konflikt, och dels så avslutas inbromsningen mer abrupt vilket skapar en positiv Jerk vars topp ligger omkring 15m/s 3 vid en oplanerad inbromsning vilket ska jämföras med motsvarande topp på ca 5m/s 3 vid en planerad inbromsning. Intressant är även att dessa värden även stämmer för körningar där hastigheten varit 50 km/h just innan inbromsningsförloppet. Fortsatt forskning behövs för att validera mätmetoden (jerk versus trafikkonflikt) med hjälp av en instrumenterad bil som med oberoende dataloggutrustning registrerar kördata som kan jämföras med utrustningens data. Ett sådant validerat mätinstrumentet och mätmetod kan i ett senare skede användas: Inom grundforskning om förarbeteende, För att samla in ett stort antal konflikter under körning i vardagliga förhållanden och som bilförare kan bli inblandade i. För utvärdering av effekter på förarbeteende av olika typer av system för förarstöd. Vissa informationsteknologiska system i bilen har stor teoretisk säkerhetspotential men det är viktigt att kunna undersöka hur föraren i verklig trafik beter sig. Detta kan endast undersökas i verklig trafik med opåverkande observationer av förarbeteendet i sådana studier är mätinstrumenten som kan registrera säkerhetskritiska händelser i fordon under vanlig bilkörning skulle vara av stor nytta. Av t.ex. försäkringsbolag för att studera särskilt olycksutsatta regioner eller vägavsnitt. Utrustningen som testades är den första versionen prototyp. Nästa generations system måste göras mer kompakt och kvalitetstestas för att säkerställa att samtliga enheter mäter korrekt och inom vissa toleransgränser. En kostnadsskattning för systemet vid produktion av enheter innehållande kamera, GPS, accelerometer, datorenhet, ger c:a 6000:- /st. Vid tillverkning av enstaka exemplar, 1-2 st blir den uppskattade kostnaden 10000:- /st. 17

36 Referenser Hantula, L. (1994) Accident Data Collected by Road Accident Investigation Teams in Finland, The OECD Workshop on Accident data System, Jurmala. Hydén, C. (1987) The development of a method for traffic safety evaluation: The Swedish Traffic Conflicts Technique. Bulletin 70. Lund University, Lund, Sweden. Noda, K., Ogino H., Takahashi, M., Kurimot, O.Y. (1996) Predictor Model of Traffic Accident in Consideration of Acceleration Noise and Traffic Conditions, Intelligent Transportation; Realising the future: Third Annual World Congress on Intelligent Transport Systems, ITS America. Nygård, M. (1999) A method for analysing traffic safety with help of speed profiles. Masters thesis. Tampere University of Technology, Espoo. van der Horst, A. R. A. (1990). A time-based analysis of road user behaviour in normal and critical encounters. Delft, Delft University of Technology. Ph.D. 18