50年来，不起眼的安全带在汽车上无处不在。这个安全装置挽救了无数生命。但是，每年仍有成千上万的司机死于车祸。事实上，美国交通部长诺曼·米内塔声称，高速公路交通死亡问题已经成为一种“全国性流行病”。
根据美国国家公路运输安全管理局(NHTSA，华盛顿特区)的数据，2004年美国有42,800人死于车祸，而2003年为42,643人。米内塔说，这些事故给社会带来了巨大的代价。他估计，高速公路交通事故每年造成2306亿美元的损失，相当于每人820美元。
尽管面临诸多挑战，汽车工程师们仍在努力寻找新方法，以经济有效地生产下一代“救星”。事实上，高科技汽车安全系统的市场，如防撞系统、车道偏离警告系统、智能气囊和胎压监测器，预计将在本十年的后五年出现爆炸性增长。
最近在底特律举行的SAE世界大会上，安全是一个热门话题。根据杜邦汽车公司(DuPont Automotive, Troy, MI)对与会者进行的一项年度研究，安全是目前汽车设计和工程界面临的第二大挑战。它在燃油经济性和替代动力系统方面排名领先，但在降低成本方面略微落后。
此外，汽车行业对安全的关注也在增长。事实上，提到安全问题的受访者数量从2004年的13%上升到2005年的15%。与此同时，成本削减率从2005年的33%下降到2005年的26%。接受调查的大多数工程师(64%)认为，“增强的安全系统”是当今消费者最重要的特征。安全性排在汽车性能(41%)、造型(34%)和节能环保汽车(34%)之前。
杜邦汽车安全全球总监迈克尔•桑德斯(Michael Sanders)表示:“我们看到，在防撞、检测乘员位置、主动部署内部系统以最大限度减少伤害等方面，安全系统的销量将以两位数增长。”“最近的碰撞安全排名推动了消费者对侧气囊和气幕系统、更强大的防入侵保护和夹胶侧玻璃的需求，特别是在小型车中，高效包装和减轻重量是至关重要的。”
J.D. Power and Associates(加州西湖村)最近进行的一项消费者调查证实了这一趋势。在环绕立体声和驾驶员识别系统等20个新兴汽车功能中，“最受欢迎的四个功能增强了车内人员的安全性，至少四分之三的受访消费者对此感兴趣，”该公司汽车新兴技术总监梅丽莎•索特(Melissa Sauter)表示。侧面碰撞安全气囊保护位居榜首，近90%的受访者表示有兴趣在下一辆车上配备这一功能。
美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)和公路安全保险协会(Arlington, VA)等机构发布的事故评级，以及随之而来的消费者意识的提高，正在增加对安全系统的需求。Frost & Sullivan Inc.(圣安东尼奥)的高级研究分析师阿尼斯•萨亚德指出:“竞争压力和汽车制造商想要让自己的汽车与众不同的愿望，也越来越成为安全系统市场的重要因素，而且这种情况将继续下去。”
“汽车制造商正在通过制造更多的系统标准设备来满足这种日益增强的意识，”Sayyad补充道。“中高端市场为汽车制造商提供了更大的空间，让他们可以根据安全系统来区分自己的汽车。”Sayyad预测北美安全系统市场将从2003年的28亿美元增长到2010年的41亿美元。
活跃的市场
汽车制造商和供应商目前正在开发各种适合大规模生产的先进安全系统。新的传感器技术、更高的传感速度、无线通信、机载计算能力、高速摄像机和其他技术的成本每天都在降低，这使得工程师们能够创建具有成本效益的应用程序。
因此，“一场汽车制造商之间的新战争即将爆发，”ABI Research(纽约州牡蛎湾)的高级汽车行业分析师罗伯特•拉格拉预测道。“这场战斗的主要焦点将集中在安全上，这是汽车生产线的关键区别。目前有许多处于不同发展阶段的尖端安全系统，它们将改变消费者对‘安全’车辆的认知。”
拉格拉表示，汽车制造商正在从不同的角度解决安全问题。但是，大多数公司都专注于“主动安全”技术。主动安全系统帮助司机避免事故。车辆的轮胎、刹车、操纵、加速、转向和能见度都有助于主动避免碰撞。与之形成鲜明对比的是，安全带等被动安全系统可以帮助司机和乘客保住性命，并降低事故中受伤的风险。许多专家认为，主动安全技术将使死亡人数减少50%，因为它们可以帮助司机避免事故和碰撞。
Frost & Sullivan公司的Sayyad表示:“被动安全系统在挽救生命方面的回报正在递减，人们越来越重视主动安全，将其作为减轻伤害和拯救生命的额外工具。”“但是，我们并没有从被动安全转向主动安全。主动安全系统大多安装在被动安全系统之上，比如标准的安全气囊和安全带。”
戴姆勒克莱斯勒研究中心(德国乌尔姆)主动安全与辅助系统实验室的态势评估、传感器功能和传感器技术评估负责人Jurgen Dickmann补充道:“车辆主动安全与被动安全之间曾经严格的区分已经变得越来越模糊。”
迪克曼认为，只要有可能，就应该通过使用旨在辅助驾驶员的主动安全系统来预防事故。当事故不可避免时，应尽早发现事故，以减少事故的影响。
迪克曼指出:“事故发生前的时间通常为采取行动提供了余地，因为它持续的时间比碰撞本身要长得多。”“就像设置滑雪板绑带在一定负荷下释放行李箱一样，未来车辆的安全系统将能够更紧密地适应每个乘客。
迪克曼说:“快速准确地评估情况的能力是实现无事故驾驶的关键。”“增强的传感器技术将在这方面发挥关键作用。”
监测车辆运行状况以发现需要干预的异常情况的传感器是最常用的安全设备。这些装置触发安全组件的反应，以抵消不规律。车辆通常有数十个与安全相关的传感器，监测从碰撞到侧翻、轮胎压力、变道警告、结冰和车轮锁死等各种情况。
Promess Inc.总裁拉里•斯托克兰(Larry Stockline)说:“一切都从传感器开始。“如果没有传感器，其他元素就没有意义。传感器必须设计用于冷热环境、湿度、酸(如盐)、年龄和[保险、诉讼和担保]。这是一个责任的地图集。通信软件、有线、无线、交换机和计算机都是解决方案的一部分。”
ATS自动化工装系统公司(Cambridge, ON)的汽车应用专家米奇·科尔曼(Mitch Coleman)补充道:“所有与安全相关的组件都必须在功能上具有高度可靠性。“这些设备通常在车辆每次启动时都会进行回测，以确保其运行功能。”
根据Coleman的说法，大规模生产用于汽车安全应用的传感器面临三个主要挑战:
- 按最高质量水平组装每个组件，以确保它们在紧急事件中按设计运行。
- 在组装系统中设计可追溯性，以便在发生与部件相关的召回时进行跟踪。
- 以无损的方式测试组件，以确保符合原始设计规范。
- 科尔曼指出:“消费者的假设和期望是，无论汽车已经运行了多少年，安全相关的设备都必须按需工作。”
随着主动安全应用的增长，每辆汽车的平均传感器数量将继续增加。汽车研究分析师(伦敦)预测，从现在到2010年，汽车传感器市场将以每年39%的速度增长。
科尔曼说:“未来3到5年，随着人们看到新的主动安全产品(如伤害预防和操作改进)的有利统计数据，销量将会增加。”“对这些功能的渴望可能会促使原始设备制造商将主动安全系统作为标准设备;这将显著增加它们的销量。”
定价压力
传统上，先进技术需要时间才能渗透到汽车行业的各个层面和领域。由于价格压力，汽车制造商通常会在产量较低的高端汽车上推出高科技安全系统。一旦一项功能成为标准，在所有车型上的制造和安装成本通常都会降低。但是，这种理念正在开始改变。
2004年，本田汽车公司(Honda Motor Co.，东京)和丰田汽车公司(Toyota Motor Corp.，日本爱知市)率先在整个北美轻型卡车系列中安装电子稳定控制系统和防抱死制动系统。与此同时，日产汽车(Nissan Motor Co.， Tokyo)是第一家在北美乘用车上引入车道偏离警告系统的OEM。
到2006年底，所有本田和讴歌汽车将配备标准的前、侧、侧帘安全气囊。此外，通用汽车还将在其所有卡车、运动型多用途车(suv)和小型货车上安装带有防侧翻传感器的稳定控制系统。
日本和欧洲汽车制造商通常将主动安全系统作为标准设备提供，而美国汽车制造商则将其作为增强功能或附加选项提供。科尔曼指出:“这是国内整车厂保持汽车底价较低的一种方式，以增强与外国整车厂的竞争力。”
Frost & Sullivan的Sayyad补充道:“北美和西欧消费者市场和基础设施的差异导致了安全系统安装率的差异。“北美市场与欧洲和日本市场之间存在时间差。”
造成这些差异的因素很多，比如消费者偏好、驾驶习惯、人口统计、监管框架和基础设施。然而，底特律在采用一些新的安全技术方面走在了前面，比如轮胎压力监测系统。
Sayyad指出:“汽车制造商试图将(开发和安装)安全系统的成本控制在汽车总价的一定预算比例内。”“对于供应商来说，关键的挑战是以合理的价格提供高度复杂和可靠的主动安全系统。汽车制造商和供应商面临的其他挑战包括系统可靠性、系统网络方面的技术挑战、汽车制造商不愿增加内容，以及消费者对基本价格中包含的标准设备安全性的期望越来越高。”
尽管存在这些压力，Sayyad表示，主动安全系统的制造成本并不一定比被动安全系统更高。例如，防抱死制动系统(ABS)已经出现了很多年，而且由于该技术已被广泛采用，因此价格相对低廉。Sayyad指出:“比大规模生产的难度等制造挑战更关键的是提高车辆系统采用率的挑战，这将带来产量的增加。”
然而，主动安全市场是非常多样化的，有众多的产品细分。每一个都给汽车工程师带来了独特的挑战和机遇。
稳定控制
电子稳定控制是一项经过验证的主动安全技术，可以帮助驾驶员保持安全的制动和转向。它大大降低了打滑和侧翻事故的危险。微电子系统在车辆即将失去控制时进行检测，并自动对特定车轮施加制动压力，使驾驶员能够保持转向控制并继续向预定方向行驶。
NHTSA最近对配备稳定控制系统的车辆进行的一项研究发现，汽车的单车辆碰撞风险降低了35%，suv降低了67%。汽车和suv的死亡人数分别减少了30%和63%。
根据CSM Worldwide (Farmington Hills, MI)的数据，目前北美生产的车辆中有18%配备了电子稳定控制系统。但预计到2010年，这一数字将增加190万部，达到28%。然而，这与欧洲相比就相形见绌了，在欧洲，2005年生产的汽车中有53%将配备这种技术。
CSM Worldwide北美零部件预测经理比尔•里纳(Bill Rinna)表示:“这种差异是政府规定从2005年开始将ABS作为所有车辆的标准的直接结果。”“在了解到ABS将成为标准后，整车厂开始想方设法将汽车与竞争对手区分开来。答案是车辆稳定控制(VSC)，这导致了稳定控制系统供应商之间的成本竞争。
Rinna补充道:“较低的成本使消费者受益，并使欧洲制造商能够调整较便宜的底盘设置，以提高悬挂、底盘和转向的效率。”“在北美，ABS不受政府的监管，VSC趋势始于2004年，当时oem开始要求供应商全面降低VSC系统的价格。这种成本的降低，最终使每个系统的成本降低了约100美元，以与欧洲相同的方式推动了竞争。”
戴姆勒克莱斯勒(DaimlerChrysler)、福特汽车(Ford Motor Co.， Dearborn, MI)和通用汽车(General Motors Corp.， Detroit)最近宣布，它们将把VSC作为在北美销售的所有suv的标配。里纳表示，这是一个“不太微妙的信息，表明这些公司正在认真对待汽车安全问题。VSC等技术的好处越明显，就会有越多的消费者提出要求。”
安全气囊技术
自1998年以来，美国所有乘用车都必须配备驾驶座和副驾驶座前气囊。目前，大多数豪华轿车和一些高端suv都采用了侧帘和后排乘客安全气囊。此外，NHTSA提出的联邦机动车安全标准214的升级要求在2006年至2009年期间逐步采用帘式安全气囊等侧面碰撞保护装置。
ATS自动化工装系统公司的Coleman指出:“对汽车安全产品组装设备的需求不断增加，尤其是在安全气囊生产线上。“乘客舱的安全气囊数量激增，一些车辆配备了多达12种不同的装置。未来的豪华车可能会有多达17个安全气囊，以保护前排和后排的乘客。”
随着越来越多的安全气囊被安装在汽车上，工程师们被迫将系统小型化。辛辛那提测试系统公司(俄亥俄州克利夫斯村)的营销总监加里·格雷布说:“今天使用的安全气囊比10年前小得多。”例如，推动空气进入气囊的推进剂模块的尺寸正在缩小。密封的圆柱形设备过去测量直径约为3英寸，但今天它们约为1英寸，特别是用于侧面碰撞应用。
虽然安全气囊的基础技术已经相当成熟，但工程师们仍在不断挑战极限。例如，西门子VDO汽车公司(雷根斯堡，德国)已经开发了根据乘客体重激活安全气囊的传感器。该系统目前用于梅赛德斯-奔驰s级轿车。
它使用四个嵌入在座椅上的传感器来测量每个点的重量负载，最接近150克。传感器中的金属弹簧最大可压缩0.2毫米，这取决于作用在座椅上的压力。这种压缩被记录下来，并以电信号的形式传递给气囊控制单元。
软件分析测量的重量，可以将居住者分为五类，从小孩到肥胖的成年人。如果发生事故，安全气囊的驱动时间和力度将根据这种分类自动匹配到每个乘员，以提供更多的保护，并在展开时降低受伤风险。
西门子工程师还开发了一种碰撞声音传感器，可以监测车辆底盘的振动。它能在事故发生前“听到”撞击声，并在短短几毫秒内评估事故的严重程度。安全气囊控制单元然后触发安全带张紧器和必要的安全气囊来保护车内人员。
克兰菲尔德冲击中心有限公司(英国克兰菲尔德)的一组研究人员开发了一种超声波手指扫描仪和处理器，可以对安全气囊和安全带进行微调。手指读数被用来估计一个人身体的骨骼强度，尤其是胸部，当安全气囊展开时，胸部可能会严重受伤。通过扫描车辆乘员的骨骼强度，该系统能够评估他们的伤害承受极限，并确定所需的最大保护。
换车道
在欧洲和美国，超过30%的交通事故是由变道或意外偏离车道引起的。然而，基于商业卡车运输业早期的努力，正在为乘用车开发降低这一风险的新技术。
法雷奥(巴黎)的工程师开发了一种名为LaneVue的产品。车道偏离预警系统使用与电子控制单元相连的红外光束，监测车辆前方的车道标记。如果汽车在没有启动指示灯的情况下越线了，司机就会被越线一侧座位的震动提醒。
该系统由Iteris公司(Anaheim, CA)开发，由一个微型摄像机组成，该摄像机使用专有软件算法来连续监控车辆前方的车道标记。在驾驶员没有使用转向灯而被检测到的意外偏离车道时，系统会通过可听到的声音、驾驶员座位上的隆隆声或方向盘的晃动提醒驾驶员采取纠正措施。接触转向信号关闭系统，它还具有取消开关。
LaneVue目前在欧洲的雪铁龙C4和C5轿车上可用。日产旗下的英菲尼迪(Infiniti)是第一家在美国市场的量产车上安装该系统的汽车制造商。车道偏离警告系统目前是2005年英菲尼迪FX SUV和2006年M35和M45轿车的一个选项。
其他供应商一直在开发使用雷达传感器而不是摄像头的车道偏离系统。例如，Hella KgaA Hueck & Co.(德国利普施塔特)的变道助手使用24千赫兹雷达传感器来监控从后面靠近的车辆。
驾驶员可以通过声学、触觉或光学信号得到紧急情况的警告。位于车辆两侧的两个雷达传感器可以识别车辆后面和旁边的其他道路使用者或物体。传感器的测量范围为50米，不受天气条件的影响。
如果相邻车道上有车辆，而司机打算改变车道，他就会收到光学信号(如后视镜中的红灯)、声学信号(如无线电扬声器中的警告声)或触觉信号(如方向盘的“晃动”)的警告。
该产品将于明年上市，此外还有一款配套产品，可以控制与前方车辆的距离。采用红外激光技术，自适应巡航控制系统能够在早期阶段识别道路交通中的危险。与基于摄像头的系统不同，它在能见度有限的情况下(如雾或雪)非常有效。
该系统扫描同一车道上向同一方向行驶的车辆。它决定了车辆之间的距离和它们的相对速度。通过相应地调整发动机性能和制动力，它确保与前车的距离与车辆当前速度保持恒定。
海拉声称，红外激光技术的性能、功能能力和可靠性可与昂贵得多的雷达技术相媲美。其系统使用的红外接近传感器基于光电测量技术:光传播一定距离所需的时间是根据光探测和测距(LIDAR)的原理确定的。一个短暂的光脉冲被传输，返回的散射信号在电子设备的帮助下被记录下来。
Robert Bosch GmbH (Gerlingen-Schillerhohe, Germany)的工程师开发了一种使用先进雷达技术的自适应巡航控制系统。它能探测到前面巡航的车辆，计算出它们的行驶速度，并通过主动制动和发动机控制保持车辆之间的安全距离。只要扫描范围内没有车辆，系统就会将汽车加速到预定的速度。
四个重叠的雷达瓣扫描车辆前方200米范围内的区域。通过发射特定的调制频率并结合相应的评估算法，系统能够计算出被扫描车辆的速度以及与它们的距离。新宝马3系是首批采用该技术的车型之一。
谨慎
大约85%的轮胎爆裂是由于逐渐的压力损失而没有及时发现。今年早些时候，NHTSA发布了一项命令，要求从2006年开始，所有在美国销售的乘用车都必须安装胎压监测系统。这些规定要求轮胎制造商安装一个系统，当一个或多个轮胎比建议的充气压力低25%或更多时，该系统可以检测到。
新规定将于2005年9月1日开始逐步实施。在2008年之前，所有重量在10,000磅或以下的新四轮车辆都必须配备监控系统。
根据NHTSA的说法，充气不足的轮胎会对燃油经济性产生不利影响，导致打滑，在潮湿的表面上失去控制和打滑。它们还可以增加停车距离和轮胎故障的可能性。
汽车安全专家估计，如果新车配备了胎压监测系统，每年将挽救120人的生命。此外，消费者应该看到改善的燃油经济性和延长的轮胎寿命。据估计，原始设备制造商每辆车的平均成本在48.44美元至69.89美元之间，具体取决于所使用的技术:直接测量或间接测量。
直接测量系统监测轮胎内空气的实际压力和温度值，然后将其发送到模块进行评估。传感器位于车轮内部。
间接测量系统利用ABS速度传感器来评估车轮的差动速度，并根据算法计算轮胎压力的变化。如果一个车轮相对于其他车轮的相对差速突然超过了计算的阈值，系统就会认为车轮内的气压下降了，并启动警报。
Beru AG (Ludwigsburg, Germany)提供了一种以锂电池供电的电子设备为特色的系统，可以在短时间内测量轮胎压力和温度。这些数值通过高频天线传输到中央电子控制设备，在那里进行评估。如果有0.2巴的偏差，直接测量系统会提醒驾驶员，以防止压力不足、失压或轮胎漏气。
SmarTire Systems Inc. (Richmond, BC)的工程师开发了一种无需电池的系统，可以独立监控所有轮胎，确保它们正确充气并以最佳状态运行。该公司总裁罗伯特·鲁德曼(Robert Rudman)表示:“每个轮胎内的被动传感器由位于每个轮拱内的天线提供能量。如果出现空气压力或温度问题，驾驶员会立即收到警报，以便采取适当的纠正措施。Rudman称，消除传感器中的电池“大大降低了它的重量、尺寸和成本”。
集成挑战
在各种主动安全技术完善之后，汽车工程师面临的更大挑战将是让所有系统相互作用。事实上，安全系统的电子含量和复杂性不断增加，正促使人们努力将各种系统集成起来。目标是交叉连接许多独立的控制单元。软件将允许各种组件相互通信。
主被动集成涉及使用为主动安全系统(如稳定控制和避撞系统)开发的传感器、电子设备和软件，用于准备被动安全系统进入警报阶段。
ABI Research的拉格拉说:“工程师们已经几乎耗尽了通过被动系统大幅提高车辆安全性的可能性。”“在未来10年里，人们将更加关注现有传感器技术之间的相互协作和交叉共享信息，这是主动安全系统的要求。此外，还将有更多的线控技术用于制动和转向应用。”
戴姆勒克莱斯勒的迪克曼补充说:“未来几年，为潜在事故情况提供早期预警的系统的开发仍将是道路安全面临的最大挑战之一。”“主要的挑战是将我们现有的系统连接起来，形成一个整体系统。”
然而，在此之前，“必须克服几个主要障碍，”LaGuerra警告说。例如，je说，一个必须解决的大问题是司机何时可以“控制”车辆，以及他们可以控制多少。他指出:“当你的安全系统从被动转向主动时，通知司机即将发生事故的方式非常重要。”“过多的信息最终会让人分心。
“软件开发和标准化部件也很重要，”LaGuerra说。硬件和软件缺乏标准化使得系统集成更加困难，导致电子保修问题不断增加，并导致制造成本上升。这使得汽车制造商很难在各种车型上添加更多的系统，比如主动安全系统。
一些竞争对手开始联合起来解决这个问题。例如，几家主要的安全气囊供应商最近成立了“安全连线+”联盟。参与者包括Autoliv公司(斯德哥尔摩，瑞典)、Robert Bosch、Continental Temic微电子有限公司(纽伦堡，德国)、Delphi公司(特洛伊，密歇根州)、Key安全系统公司(斯特林高地，密歇根州)和TRW汽车控股公司(利沃尼亚，密歇根州)。该小组计划结合他们的知识，为汽车制造商的利益定义一个网络安全系统的全球标准。
该联盟的目标是将两个独立的、相互竞争的汽车安全客车标准合并为一个单一的全球标准，以捕捉每个标准的最佳特性。通过零部件标准化，该联盟预计将有助于降低开发成本，并将规模经济的效益扩展到汽车制造商，从而更有效地集成先进的安全功能。免版税的标准应该会让原始设备制造商和供应商迅速接受。
奥托立夫、博世和大陆特米克还合作开发了PSI5外围传感器接口，这是一种通用汽车应用的开放标准。满足汽车厂商对接口标准化的需求。这一全球开放标准将用于未来几代乘员安全系统中的传感器。
ABI Research的LaGuerra总结道:“这些系统的引入和改进是一个更大计划的垫脚石，该计划将所有辅助系统集成到一个完全交互式的复杂安全系统中。”“最终目标是让制动、转向、悬挂和其他系统相互作用，共同工作，提供更安全的驾驶体验。”
安全意识
在最近的日内瓦车展上，一款可能代表未来安全事物形状的汽车引起了广泛关注。Rinspeed公司(瑞士祖米康)展示了一款概念车，将汽车安全提升到个人水平。它拥有大量的传感器和电子控制，可以收集和分析司机的生物特征数据。
三座Senso通过测量司机的生物特征数据来“感知”司机。然后，它通过运用嗅觉、声音、触觉和视觉等元素来保持个体的警觉。
位于驾驶舱内的生物测量手表(插入)测量驾驶员的脉搏。摄像头会记录驾驶员的驾驶行为，比如司机换车道的情况，以及他以什么速度接近前面的车辆。根据驾驶者所处的情况，四个小型液晶显示器会向驾驶者的视线内发出刺激、放松或中性的颜色模式(分别为橙色、蓝色和绿色)。光学刺激通过计算机上以数字形式存储的独特声音得到强化。
如果这还不够，特殊的气味会通过通风机流入车内。香草-柑橘对司机有镇静作用，而柑橘-葡萄柚则更刺激。如果中央计算机系统检测到任何疲劳症状，集成在座椅上的电动机就会通过振动使驾驶员清醒。
Rinspeed公司总裁弗兰克•林德克内希特(Frank Rinderknecht)表示:“如果驾驶人放松、完全清醒，发生事故的风险就会显著降低。”他的未来汽车使用了保时捷Boxster跑车的3.2升发动机，经过改装后可使用汽油和天然气。
