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基于弱监督时机感知学习的汽车正面安全气囊点火决策模型

陈晨,  卢玮涛,  李宾,  黄冬子,  熊钊,  钱闯,  陈岩硕

陈晨, 卢玮涛, 李宾, 黄冬子, 熊钊, 钱闯, 陈岩硕. 基于弱监督时机感知学习的汽车正面安全气囊点火决策模型[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 24-36. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.003
引用本文: 陈晨, 卢玮涛, 李宾, 黄冬子, 熊钊, 钱闯, 陈岩硕. 基于弱监督时机感知学习的汽车正面安全气囊点火决策模型[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 24-36. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.003
CHEN Chen, LU Weitao, LI Bin, HUANG Dongzi, XIONG Zhao, QIAN Chuang, CHEN Yanshuo. A Frontal Automotive Airbag Ignition Decision Model Based on Weakly Supervised Timing-Aware Learning[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 24-36. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.003
Citation: CHEN Chen, LU Weitao, LI Bin, HUANG Dongzi, XIONG Zhao, QIAN Chuang, CHEN Yanshuo. A Frontal Automotive Airbag Ignition Decision Model Based on Weakly Supervised Timing-Aware Learning[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 24-36. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.003

基于弱监督时机感知学习的汽车正面安全气囊点火决策模型

doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.003
基金项目: 

国家自然科学基金青年科学基金项目 42301506

广西科技重大专项项目 桂科AA23062066

详细信息
    作者简介:

    陈晨(2000—),硕士研究生. 研究方向: 自动驾驶感知与定位. E-mail: patio4837@whut.edu.cn

    通讯作者:

    卢玮涛(1997—),学士,工程师. 研究方向: 电子信息工程、汽车碰撞等. E-mail: weitao.lu@sgmw.com.cn

  • 中图分类号: U461.91

A Frontal Automotive Airbag Ignition Decision Model Based on Weakly Supervised Timing-Aware Learning

  • 摘要: 针对汽车正面安全气囊点火决策在实车碰撞数据获取成本高、正类样本规模有限、逐时刻精确标注困难,以及触发可靠性与点火时机精度难以兼顾等问题,研究了基于弱监督时机感知学习的汽车正面安全气囊点火决策方法,构建相应的点火决策模型。依据实车碰撞试验中假人头部运动轨迹和气囊展开特性确定各正面工况的最佳点火时刻矩阵,并对多通道车身纵向加速度信号进行零相位滤波、时间原点归一、通道对齐和标准化处理;采用“幅值阈值+多通道一致性+最短持续时间”规则生成逐点弱标签,通过15 ms滑动窗口和5 ms步长构造窗口级样本,并以目标点火时刻为中心引入高斯型时机感知权重,使模型在完成碰撞工况识别的同时重点学习毫秒级关键触发区域;以2层Bi-LSTM提取多通道碰撞信号的双向时序特征,结合类别逆频加权、负类窗口下采样,以及不破坏相对时序语义的幅值缩放与噪声扰动,缓解小样本与类别不平衡问题。推理阶段将模型输出的概率序列与工况阈值、连续窗口数和延时参数协同,形成可标定、可解释、可追溯的点火决策策略。基于独立测试集,从正负类触发率、宏平均点火时机绝对误差(SMAE)、5 ms与10 ms容差命中率(R5和R10),以及提前、滞后占比等方面进行综合评价。结果表明,本文模型在6类正面碰撞工况中的触发率为100%,在误触发、低速和侧向等负类工况中的误触发率为0%;SMAE为0.625 ms,R5与R10均为98.81%,其中,23、30、32、35、50 km/h工况的平均绝对误差均为0 ms,56 km/h工况为3.75 ms。消融实验表明,关闭时机感知权重、取消数据增强或采用过度时间扰动均会显著增大点火时机误差,Bi-LSTM主干在当前小样本弱监督条件下的时机对齐性能优于双向GRU与Temporal CNN。最佳点火时刻矩阵、弱标签生成、时机感知加权和显式策略协同能够有效统一“是否触发”与“何时触发”这2个目标,在保持负类严格抑制的同时实现毫秒级点火时机对齐。

     

  • 图  1  Bi-LSTM网络结构图

    Figure  1.  Bi-LSTM network structure diagram

    图  2  不同模块化因子模型性能对比分析

    Figure  2.  Comparative analysis of different modular factor model performance

    表  1  最佳点火时刻矩阵

    Table  1.   Optimal ignition timing matrix

    试验工况 触发时刻/ms
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 不触发
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 不触发
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 28
    30 km/h正面柱撞试验 40
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 25
    35 km/h正面钻入碰撞试验 35
    50 km/h正面100%重叠刚性壁障碰撞试验 10
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 25
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    表  2  所提方案参数及其数值

    Table  2.   Proposed scheme with parameters and their values

    参数 数值
    Bi-LSTM层数 2
    Bi-LSTM单向隐藏维度 48
    Bi-LSTM层间Dropout 0.3
    全局表征维度 96(48×2)
    分类头隐藏维度 32
    分类头隐藏层激活函数 ReLU
    分类头Dropout 0.3
    优化器 Adam
    Batch Size 8
    Learning Rate 1×10-3
    Weight Decay 1×10-5
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    表  3  数据统计表

    Table  3.   Data statistics table

    工况 点火属性 总样本 增强样本 训练集 测试集 目标时刻/ms
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 不触发 39 4 31 8
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 不触发 78 8 62 16
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 触发 59 4 47 12 28
    25 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 不触发 59 4 47 12
    30 km/h正面柱撞试验 触发 59 4 47 12 40
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 触发 59 4 47 12 25
    35 km/h正面钻入碰撞试验 触发 59 4 47 12 35
    50 km/h正面100%重刚性壁障碰撞试验 触发 59 4 47 12 10
    50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 不触发 118 8 94 24
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 触发 118 8 94 24 25
    misfire 不触发 40 0 32 8
    合计 747 52 595 152
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    表  4  测试集总体指标表

    Table  4.   Performance metrics on the test set

    指标 数值 说明
    RTP/% 100 23、30、32、35、50、56 km/h等6类正面工况共84条样本全部被策略判定为触发
    RFP/% 0 误触发、低速和侧向等不应触发样本均保持不触发
    SMAE/ms 0.625 每个正面工况分别计算平均绝对误差后再求平均, 除56 km/h外均为0 ms, 宏平均为0.625 ms
    R5/% 98.81 正面样本中绝对误差不超过5 ms的比例(83/84)
    R10/% 98.81 正面样本中绝对误差不超过10 ms的比例(83/84)
    提前占比/% 11.90 误差小于0 ms的样本占正面样本总数的10/84
    滞后占比/% 16.67 误差大于0 ms的样本占正面样本总数的14/84
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    表  5  模块设计及其命名标识

    Table  5.   Module design and its naming convention

    模块化因子 命名标识
    标签与时机权重因子 B
    数据增强因子 A
    模型结构因子 M
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    表  6  基线测试结果

    Table  6.   Baseline test results

    工况 样本数 触发率/% MAE/ms R5/% R10/% 提前率/% 滞后率/%
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 8 0.0
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 16 0.0
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    25 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 12 0.0
    30 km/h正面柱撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    35 km/h正面钻入碰撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    50 km/h正面100%重刚性壁障碰撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 24 0.0
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 24 100.0 3.75 95.8 95.8 41.7 58.3
    misfire 8 0.0
    总体(正样本) 84 100.0 1.1 98.8 98.8 11.9 16.7
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    表  7  B0组测试结果

    Table  7.   Group B0 test results

    工况 样本数 触发率/% MAE/ms R5/% R10/% 提前率/% 滞后率/%
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 8 0.0
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 16 0.0
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 12 100.0 105.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    25 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 12 0.0
    30 km/h正面柱撞试验 12 100.0 10.0 0.0 100.0 0.0 100.0
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 12 100.0 105.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    35 km/h正面钻入碰撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    50 km/h正面100%重刚性壁障碰撞试验 12 100.0 140.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 24 0.0
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 24 100.0 4.1 37.5 100.0 100.0 0.0
    misfire 8 12.5
    总体(正样本) 84 100.0 52.6 25.0 57.1 28.6 57.1
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    表  8  B组性能对比

    Table  8.   Group B performance comparison

    模型 RTP/% RFP/% SMAE/ms R5/% R10/% 提前占比/% 滞后占比/%
    B0 100.0 1.47 60.7 25.0 57.1 28.6 57.1
    B1(Baseline) 100.0 0.0 0.625 98.81 98.81 11.90 16.67
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    表  9  A0组测试结果

    Table  9.   Group A0 test results

    工况 样本数 触发率/% MAE/ms R5/% R10/% 提前率/% 滞后率/%
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 8 0.0
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 16 0.0
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 12 100.0 110.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    25 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 12 0.0
    30 km/h正面柱撞试验 12 100.0 10.0 0.0 100.0 0.0 100.0
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 12 100.0 5.0 100.0 100.0 0.0 100.0
    35 km/h正面钻入碰撞试验 12 100.0 20.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    50 km/h正面100%重刚性壁障碰撞试验 12 100.0 135.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 24 0.0
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 24 100.0 17.9 0.0 37.5 37.5 62.5
    misfire 8 12.5
    总体(正样本) 84 100 45.1 14.3 39.3 10.7 89.3
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    表  10  A2组测试结果

    Table  10.   Group A2 test results

    工况 样本数 触发率/% MAE/ms R5/% R10/% 提前率/% 滞后率/%
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 8 0.0
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 16 0.0
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 12 100.0 95.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    25 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 12 0.0
    30 km/h正面柱撞试验 12 100.0 5.0 100.0 100.0 100.0 0.0
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    35 km/h正面钻入碰撞试验 12 100.0 5.0 100.0 100.0 100.0 0.0
    50 km/h正面100%重刚性壁障碰撞试验 12 100.0 90.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 24 0.0
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 24 100.0 6.4 41.7 100.0 37.5 62.5
    misfire 8 0.0
    总体(正样本) 84 100 29.7 54.8 71.4 39.3 46.4
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    表  11  A组性能对比

    Table  11.   Group A performance comparison

    模型 RTP/% RFP/% SMAE/ms R5/% R10/% 提前占比/% 滞后占比/%
    A0 100.0 1.47 49.65 14.3 39.3 10.70 89.3
    A1(Baseline) 100.0 0.0 0.625 98.81 98.81 11.90 16.67
    A2 100.0 0.0 33.57 54.8 71.4 39.3 46.4
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    表  12  M0组测试结果

    Table  12.   Group M0 test results

    工况 样本数 触发率/% MAE/ms R5/% R10/% 提前率/% 滞后率/%
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 8 0.0
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 16 0.0
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 12 100.0 20.0 0.0 0.0 100.0 0.0
    25 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 12 0.0
    30 km/h正面柱撞试验 12 100.0 95.0 0.0 0.0 100.0 0.0
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 12 100.0 5.0 100.0 100.0 100.0 0.0
    35 km/h正面钻入碰撞试验 12 100.0 55.0 0.0 0.0 100.0 0.0
    50 km/h正面100%重刚性壁障碰撞试验 12 100.0 10.0 0.0 100.0 100.0 0.0
    50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 24 0.0
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 24 100.0 1.2 91.7 100.0 37.5 8.3
    misfire 8 0.0
    总体(正样本) 84 100 26.8 40.5 57.1 67.9 16.7
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    表  13  M2组测试结果

    Table  13.   Group M2 test results

    工况 样本数 触发率/% MAE/ms R5/% R10/% 提前率/% 滞后率/%
    13 km/h正面刚性墙碰撞试验 8 0.0
    15 km/h RCAR正面刚性碰撞试验 16 0.0
    23 km/h正面刚性墙碰撞试验 12 100.0 120.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    25 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 12 0.0
    30 km/h正面柱撞试验 12 100.0 75.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    32 km/h 30°正面角度碰撞试验 12 100.0 0.0 100.0 100.0 0.0 0.0
    35 km/h正面钻入碰撞试验 12 100.0 35.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    50 km/h正面100%重刚性壁障碰撞试验 12 100.0 140.0 0.0 0.0 0.0 100.0
    50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞试验 24 0.0
    56 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞试验 24 100.0 24.2 54.2 58.3 0.0 100.0
    misfire 8 0.0
    总体(正样本) 84 100 59.8 29.8 31.0 0.0 85.7
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    表  14  M组性能对比

    Table  14.   Group M performance comparison

    模型 RTP/% RFP/% SMAE/ms R5/% R10/% 提前占比/% 滞后占比/%
    M0 100.0 0.0 31.03 40.5 57.1 67.9 16.7
    M1(Baseline) 100.0 0.0 0.625 98.81 98.81 11.90 16.67
    M2 100.0 0.0 65.70 29.8 31.0 0.0 85.7
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  • 收稿日期:  2026-02-23
  • 网络出版日期:  2026-11-06

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