人車碰撞事故中人地碰撞損傷防護(hù)綜述

鄒鐵方教授 趙云龍

(長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

0 引言

我國道路交通事故中行人死亡人數(shù)占事故總死亡人數(shù)的25%[1]，可見行人作為弱勢交通參與者，極易在事故中受到致命傷害。目前的交通系統(tǒng)越來越智能、自主[2]，就要求“聰明的車”能更科學(xué)、全面地保護(hù)行人。車輛智能化被視為提升行人安全的有效途徑之一，人們期待通過智能化車輛實(shí)現(xiàn)零事故愿景，但行人的行為具有隨機(jī)、不確定等屬性，導(dǎo)致人車沖突預(yù)測困難，不能完全避免人車碰撞事故。大量關(guān)于行人自動緊急制動系統(tǒng)(Automatic Emergency Braking， AEB)的研究支持該觀點(diǎn)，例如，ROSéN等[3]發(fā)現(xiàn)AEB能減少40%的行人死亡率和27%的行人受傷率，但不能完全避免碰撞；HAUS等[4]發(fā)現(xiàn)AEB可將目標(biāo)人群的死亡風(fēng)險(xiǎn)降低84%～87%、傷害風(fēng)險(xiǎn)降低83%～87%，但仍有31%～44%的事故不能避免；劉福聚等[5]發(fā)現(xiàn)AEB可以避免57.5%的重傷及死亡事故，但仍有41.6%的事故不能避免。

在智能車量產(chǎn)過程中，安全是最核心的因素，但已從追求“零事故”過渡到“比人安全”，對不同等級智能車的要求及安全期待逐步回歸理性。但相關(guān)研發(fā)并不需要降低安全要求，零損失、零傷亡、零事故仍應(yīng)該是學(xué)者們追求的目標(biāo)。根據(jù)目前車輛智能化水平，人車碰撞雖不能完全避免，但智能車必將降低碰撞車速，如文獻(xiàn)[6]所述，正常情況下車速將降至中低速(≤40km/h)。在車輛智能化道路上，如何進(jìn)一步提升中低速潛在碰撞事故的避免率并更好地保護(hù)未能避免的事故中的人體損傷均亟需關(guān)注，本研究將就此展開討論。

1 人車碰撞事故數(shù)據(jù)啟示

交通事故在揭示交通安全規(guī)律、改善汽車安全設(shè)計(jì)等方面均極具價(jià)值，但由于事故在調(diào)查前已丟失若干重要信息，嚴(yán)重影響事故調(diào)查的結(jié)果。事故再現(xiàn)就成為補(bǔ)足缺失信息的有效手段。事故再現(xiàn)是指根據(jù)事故現(xiàn)場采集的各類痕跡并參考證人證言重建整個事故發(fā)生過程的一種手段[7]。通過長期的研究積累，已有很多再現(xiàn)方法可用，如經(jīng)驗(yàn)公式[8-9]、仿真軟件[10-12]、實(shí)車測試、視頻圖像[13-14]及車載記錄工具[15]等。但事故現(xiàn)場痕跡受天氣及行人的影響導(dǎo)致痕跡不確定，不準(zhǔn)甚至測不到。為了將痕跡的不確定性反映到事故再現(xiàn)結(jié)果中以增強(qiáng)再現(xiàn)結(jié)果的客觀性，學(xué)者們提出了不確定度評定法[16]、蒙特卡洛法[17]、貝葉斯法[18]、隨機(jī)攝動法[19]、上下界法及響應(yīng)面法[20-21]等計(jì)算不確定性的分析方法，這些方法雖能保證再現(xiàn)結(jié)果的客觀性，但沒從本質(zhì)上提升結(jié)果精度。為使結(jié)果更可靠，事故再現(xiàn)人員通常會運(yùn)用多種模型再現(xiàn)同一事故，進(jìn)而獲得多個事故再現(xiàn)結(jié)果，那么如何融合這些結(jié)果成為一個棘手的問題。學(xué)者們通過引入證據(jù)理論[22]、有序加權(quán)平均算子(Ordered Weighted Averaging，OWA)、組合加權(quán)算術(shù)平均算子(Combined Weighted Arithmetic Averaging，CWAA)[23]及蒙特卡羅法與子區(qū)間技術(shù)[24]等提出了多種多模型事故再現(xiàn)結(jié)果融合方法，這些方法可高效融合多個不確定事故再現(xiàn)結(jié)果，進(jìn)一步提升所得結(jié)果的客觀性、可信度。高可信事故再現(xiàn)方法有效地保證了所得數(shù)據(jù)及后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)論的客觀性。

基于事故數(shù)據(jù)，劉期[25]發(fā)現(xiàn)，車速在<25km/h時(shí)頭部和大腿損傷主要來自于地面撞擊，而在車速≥25km/h時(shí)則主要來自于車輛撞擊；胸部損傷來源較為復(fù)雜，若從胸部最大碰撞力所導(dǎo)致的損傷這一層面進(jìn)行分析，人體胸部的損傷主要來源于地面撞擊；若從胸部最大加速度所導(dǎo)致的損傷這一層面進(jìn)行分析，人體胸部的損傷主要來源于車輛撞擊；臀部損傷在中低速(≤40km/h)時(shí)主要來源于地面撞擊，這些發(fā)現(xiàn)均表明人地碰撞損傷不宜忽略。在人車碰撞中，行人與車輛發(fā)生第一次碰撞產(chǎn)生人車碰撞損傷，與地面發(fā)生二次碰撞產(chǎn)生人地碰撞損傷。一般認(rèn)為，人車碰撞會導(dǎo)致大部分行人損傷，因而有觀點(diǎn)認(rèn)為人地碰撞損傷無需防護(hù)，但事實(shí)并非如此，較低的地面所致傷害極可能是人地碰撞模型不確定所致。已有研究大多基于Madymo軟件，但Madymo中人地碰撞模型并未得到充分驗(yàn)證[26-29]，SHANG等[30]通過再現(xiàn)尸體實(shí)驗(yàn)指出Madymo中人地碰撞模型并不可靠，這可能是導(dǎo)致一些研究中的人車碰撞損傷顯著大于人地碰撞損傷結(jié)論的原因[31]，正如另一些研究中獲得人地碰撞損傷達(dá)到人車碰撞損傷的20倍[32]。尸體實(shí)驗(yàn)[30]顯示在20～30km/h速度范圍內(nèi)地面所致人體頭部傷害風(fēng)險(xiǎn)比車輛所致的風(fēng)險(xiǎn)更高，4組數(shù)據(jù)完整的實(shí)驗(yàn)中車輛所致頭部損傷準(zhǔn)則(Head Injury Criterion， HIC)分別為152、192、202及249，但與之對應(yīng)的地面所致HIC則達(dá)到557、941、256及607。除此以外，大量研究均表明行人與地面碰撞損傷占比很大[33-37]。NEAL-STURGESS等[33]通過逐個案例分析發(fā)現(xiàn)人與地二次碰撞中對行人的傷害也很嚴(yán)重；GUILLAUME等[36]基于法國的100例事故分析指出當(dāng)碰撞車速低于30km/h時(shí)，依據(jù)簡明損傷定級法(Abbreviated Injury Scale，AIS)超過50%的AIS2+(指中度損傷以上)傷害是由地面撞擊造成；SHANG等[37]通過分析1 221起德國行人碰撞案例發(fā)現(xiàn)，在碰撞車速低于40km/h時(shí)如能避免地面相關(guān)損傷，可降低2/3總傷害成本。綜上，人車事故中地面所致人體損傷不能忽視，在中低速時(shí)更是如此。智能車輛仍沒有避免的事故極可能是中低車速下的碰撞，此類碰撞中人體受到來自車輛的致命傷害風(fēng)險(xiǎn)不高，防護(hù)難度相對高速碰撞而言更容易，故研究智能車中低速時(shí)的人體保護(hù)技術(shù)極為必要、極具價(jià)值。

基于事故數(shù)據(jù)，ZOU等[38]采用文獻(xiàn)[39]中的方法預(yù)估視頻中車輛與行人的速度，并用文獻(xiàn)[10]中的方法仿真事故，再現(xiàn)150例人車事故視頻，發(fā)現(xiàn)3種行人步態(tài)序列，即跑步序列(62例，41.3%)，行走序列(37例，24.7%)，應(yīng)急序列(51例，34%)。其中，跑步和行走2種步態(tài)序列之間的行人高度有顯著差異。不同行人步態(tài)序列中的頭部、頸部、軀干、骨盆、左上臂、左下臂、左股骨、左小腿、右上臂、右下臂、右股骨、右小腿12個身體部位在X-Z平面的角度不同，但四肢角度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有相似性。同一步態(tài)序列中，碰撞前的行人速度和碰撞瞬間的行人速度有顯著差異，表明行人在危險(xiǎn)時(shí)刻擁有極強(qiáng)的速度改變能力(即瞬間加速或減速)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在48例行人做出躲避動作的碰撞中，行人的減速度呈正態(tài)分布，范圍在[0.1， 8.2]m/s2之間，中值為4.2m/s2。 無獨(dú)有偶，清華大學(xué)LI Q等[40]基于虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺，使受試者(“行人”)在控制良好的近真實(shí)交通沖突場景中表現(xiàn)出自然回避行為，并使用動作捕捉系統(tǒng)和生理信號系統(tǒng)記錄行人躲避反應(yīng)的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，行人在躲避行為中的速度與正常步態(tài)中的速度有顯著差異(p<0.01)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)[41]，在虛擬交通場景中，70%的行人通過調(diào)整行走速度和方向成功避免了碰撞。其中，33%的行人通過向后減速成功避免事故，平均減速度為2.4m/s2；23%的行人通過向前加速成功避免碰撞，平均加速度值為7.4m/s2。這些研究均表明行人在潛在碰撞中具有很強(qiáng)的主動避撞能力。

2 人地碰撞損傷主動防護(hù)

事故數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)均顯示，行人具有很強(qiáng)的主動避撞能力，在設(shè)計(jì)AEB過程中充分利用這一點(diǎn)，可進(jìn)一步提升AEB系統(tǒng)的事故避免率。鄒鐵方[42]提出一種具有主動式被動安全功能的行人自動緊急制動系統(tǒng)(Autonomous Emergency Braking System-Pedestrian，AEB-P)，其包括感知系統(tǒng)、計(jì)算中心、人機(jī)交互系統(tǒng)、碰撞前制動系統(tǒng)及碰撞后制動控制系統(tǒng)。感知系統(tǒng)負(fù)責(zé)感知車外環(huán)境并實(shí)時(shí)監(jiān)控事故中人體的運(yùn)動響應(yīng)；計(jì)算中心負(fù)責(zé)根據(jù)感知信息做出決策進(jìn)而指導(dǎo)其他系統(tǒng)工作；人機(jī)交互系統(tǒng)由安裝于車頂?shù)穆暪饩緹艚M成并負(fù)責(zé)警示行人；碰撞前制動系統(tǒng)依據(jù)計(jì)算中心指令制動車輛以避免事故及降低碰撞車速；碰撞后制動控制系統(tǒng)依據(jù)計(jì)算中心指令控制車輛制動以降低人地碰撞損傷。當(dāng)監(jiān)測到人車碰撞不可避免時(shí)，人機(jī)交互系統(tǒng)通過車頂聲光警示燈警示行人、通過碰撞前制動系統(tǒng)完全制動車輛，以實(shí)現(xiàn)提升事故避免率并降低碰撞車速的目的。

ZOU等[43]建立了一種考慮行人減速度的車輛制動控制方法。該方法通過探測角度、探測距離、橫向觸發(fā)距離組成一個預(yù)警區(qū)域，將行人視為一個半徑為0.5m的圓柱體；當(dāng)行人進(jìn)入預(yù)警區(qū)域后完全制動車輛，如行人位于警示線之外、橫向觸發(fā)距離之內(nèi)則會被警示；警示線是由行人警示觸發(fā)距離確定的虛擬線，行人警示觸發(fā)距離由垂直車輛邊緣向外的長度定義。選取124例車輛直行撞擊與行車方向垂直行走行人的事故視頻通過再現(xiàn)獲得人車在碰撞前1s的相對位置，同時(shí)考慮遮擋等因素重新調(diào)整人車相對位置，構(gòu)成一個真實(shí)案例評價(jià)系統(tǒng)。通過蒙特卡洛優(yōu)化獲得車輛制動控制方法中7個輸入?yún)?shù)的最優(yōu)組合，分別是探測角度60°、最小探測距離25m、橫向觸發(fā)距離3.5m、行人警示觸發(fā)距離0m、滯后時(shí)間0s、行人減速度8m/s2及行人反應(yīng)時(shí)間0s。結(jié)果顯示， AEB-P應(yīng)用該最優(yōu)組合的避撞率(Rate of Collision Avoidance， RCA)高達(dá)84.68%?；谧顑?yōu)輸入?yún)?shù)組合，采用單因素分析法分別討論各參數(shù)對RCA的影響：當(dāng)行人減速度從0增加到4m/s2時(shí)，RCA增加約10%；當(dāng)滯后時(shí)間達(dá)到0.2s，行人減速度為0m/s2時(shí)，RCA下降到62.9%；當(dāng)行人警示觸發(fā)距離為0m時(shí)，RCA達(dá)到最大值；當(dāng)檢測角度大于60°、橫向觸發(fā)距離達(dá)3m或最小探測距離大于15m時(shí)，RCA不再顯著變化；隨著行人反應(yīng)時(shí)間的增加，RCA逐漸降低，當(dāng)行人反應(yīng)時(shí)間達(dá)0.6s時(shí)將消除行人緊急避撞所帶來的益處即RCA降到最低。

上述研究表明，在AEB系統(tǒng)中考慮行人避撞能力會帶來潛在好處，正常情況下可以提升事故避免率10%，但行人反應(yīng)時(shí)間會顯著影響這種潛在益處。參考相關(guān)研究[40]，取實(shí)驗(yàn)均值，行人與車輛中心線距離2.2m時(shí)需要1.6s才能通過向后撤退的方式避免碰撞，而當(dāng)行人距離車輛中心線距離1.2m時(shí)候需要1.8s才能通過向前奔跑而避免碰撞，說明行人反應(yīng)時(shí)間在此類AEB研發(fā)中需重點(diǎn)關(guān)注。ZOU等[43]的研究中假設(shè)行人進(jìn)入預(yù)警區(qū)內(nèi)才開始警示即車輛意識到事故不可避免時(shí)才警示行人，但在危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)之間還有很大的灰色區(qū)即潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，意味著潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)如何實(shí)現(xiàn)行人與車輛的有效交互，非常值得探索且極具價(jià)值，無論實(shí)驗(yàn)還是真實(shí)事故均表明行人可以通過自己的躲避行為有效提升事故避免率[41， 43]。

3 人地碰撞損傷主動式被動保護(hù)

現(xiàn)有AEB系統(tǒng)主要通過控制車輛制動和轉(zhuǎn)向避免碰撞，類似方法再結(jié)合警示行人的方案，但一直未達(dá)到100%的事故避免率，這表明依然亟需研究行人被動保護(hù)。AEB既然能控制碰撞前車輛的運(yùn)動，其自然可以控制碰撞后車輛的運(yùn)動，以讓移動的車輛影響人體落地姿態(tài)進(jìn)而減輕人地碰撞損傷。ZOU等[44]于2019年提出一種碰撞后的車輛制動策略，如圖1碰撞后車輛制動控制減速度(0.75gm/s2)曲線所示，當(dāng)汽車檢測到事故不可避免時(shí)，采用完全制動車輛以降低碰撞車速，在人車碰撞發(fā)生的t0時(shí)刻車輛的減速度已達(dá)最大；以頭與車碰撞時(shí)刻為t1，t1時(shí)刻車輛開始松開制動以追上拋出的人體進(jìn)而影響人體運(yùn)動學(xué)響應(yīng)；考慮制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)間0.2s后制動完全松開，然后車輛開始無制動向前運(yùn)動到t2，考慮制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)間0.2s后完全制動直至車輛靜止。

圖1 碰撞后車輛制動控制減速度曲線Fig.1 The deceleration curve of the vehicle braking control after the collision

研究顯示[44-46]，圖1所述控制制動方法可大幅減少行人頭部和盆骨與地面的碰撞損傷，在最優(yōu)車型使用控制制動方法(小轎車)人地碰撞加權(quán)傷害費(fèi)用總和(Weighted Injury Cost， WIC)最高降幅達(dá)97.4%，HIC最高降幅達(dá)88.7%。這表明通過控制制動降低人地碰撞損傷的策略可行[46]。同時(shí)為探究制動控制在降低人地碰撞損傷方面的潛在效益及其約束，鄒鐵方等[11]仿真再現(xiàn)了139例真實(shí)的人車碰撞事故并加以控制制動，結(jié)果顯示：在真實(shí)碰撞中事故車輛完全制動與否不會對人體損傷造成顯著影響；通過制動控制能夠顯著降低頭、臀與地面碰撞所致?lián)p傷，并能降低頭與車、頭與地碰撞位置的重合率，也不會加重車輛所致?lián)p傷； 91.6%的案例在現(xiàn)實(shí)中有足夠空間實(shí)施制動控制，但要求車輛在較短時(shí)間內(nèi)做出判斷并正確控制車輛。

但是，相關(guān)研究均未能給出車輛再次制動時(shí)間t2的可行方案。為此，鄒鐵方等[31]提出了3條車輛再次制動規(guī)則，即當(dāng)監(jiān)測到人體下肢、主要部位(頭、胸及臀)超出車體兩側(cè)；人體臀部超過車輛前擋風(fēng)玻璃下沿或人體雙腳高度超過頭部高度；人體頭、臀部高度低于發(fā)動機(jī)罩蓋前沿高度。通過480次仿真試驗(yàn)證明該方法能降低地面所致?lián)p傷但不會加重車輛所致?lián)p傷，且能將83.75%案例中車輛與人體主要部位首次觸地點(diǎn)位置之間的距離縮短至1m內(nèi)。這為安裝其他車載裝備以更好地保護(hù)行人提供可能。為此，鄒鐵方等[47]提出的通過在車輛前端安裝與車同寬、長1.5m、高30cm的氣囊并結(jié)合控制制動，在未優(yōu)化前提下成功將WIC、HIC分別降低91.9%和87.7%。

上述研究表明，通過AEB控制碰撞后的車輛運(yùn)動，具有降低人地碰撞損傷的巨大潛力，且為其他車載設(shè)備更好地保護(hù)行人提供了可能。但現(xiàn)有研究，在理論上未能全面揭示基于制動控制的人地碰撞損傷防護(hù)極限及人地碰撞損傷降低的原因；在實(shí)踐中，對車載監(jiān)測和計(jì)算設(shè)備要求過高，實(shí)踐潛力不足；未充分考慮錯綜復(fù)雜、快速變化的事故情況，即各類參數(shù)擾動下所述方法的魯棒性問題。這些均需在后續(xù)研究中深入探索。

4 引擎蓋形狀對人地碰撞損傷的影響

圖1給出的車輛制動控制策略，t1前完全制動車輛的目的在于降低車速以降低人體頭部與車體的撞擊速度進(jìn)而降低頭部損傷；人與車撞擊后人體被拋出，一般認(rèn)為此時(shí)人體與車體具有相同的運(yùn)動速度，此時(shí)松開車輛制動不會導(dǎo)致嚴(yán)重的人車再碰撞，現(xiàn)有的多數(shù)研究中并未觀察到這樣的現(xiàn)象，這也是人車碰撞損傷增加的主要原因；通過t1到t2時(shí)段的人車相互作用，最終改變?nèi)梭w落地姿態(tài)從而減輕人地碰撞損傷。在人車相互作用過程中，引擎蓋為關(guān)鍵部位，但并未見其形狀對人地碰撞損傷防護(hù)效果影響的成果。為此，本部分將就此展開討論。

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真試驗(yàn)中車型選取轎車和SUV 2種，每種車型均選用完全制動與控制制動2種制動控制策略，并結(jié)合成熟的虛擬仿真系統(tǒng)[29，31，44，47]設(shè)計(jì)試驗(yàn)。完全制動指人車碰撞全過程中車輛一直完全制動，最大制動減速度為0.75gm/s2?？刂浦苿觿t是依據(jù)圖1所示的制動控制策略控制車輛運(yùn)動。

參考文獻(xiàn)[48-49]的研究成果，試驗(yàn)中以8個車頭外形參數(shù)來定義車頭形狀(如圖2)，相關(guān)參數(shù)的具體數(shù)值均來自對大眾捷達(dá)(轎車)和大眾探岳(SUV)的實(shí)車測量(見表1)。基于此，在多剛體仿真平臺Madymo中建立轎車和SUV車型的多剛體模型，實(shí)際車頭外形與仿真建模的車頭外形對比，如圖3。其中，車頭各部件的接觸剛度與文獻(xiàn)[49]中的剛度一致。

圖2 車頭外形尺寸參數(shù)Fig.2 Dimensions of the front of the vehicle

表1 車頭形狀參數(shù)具體數(shù)值Tab.1 The specific parameter value of the headstock

圖3 轎車與SUV的仿真車頭外形與真實(shí)車頭外形對比Fig.3 The comparison between the simulation headstock shape and the real headstock shape of the car and SUV

將轎車、SUV原有已建立好的引擎蓋稱之為中平引擎蓋，之后將原有轎車、SUV模型的引擎蓋等分為左右2個部分，據(jù)此設(shè)計(jì)出2種新型引擎蓋形狀(左右部分同時(shí)向上傾斜0.1rad、左右部分同時(shí)向下傾斜0.1rad)，分別稱之為外形呈中凹、中凸的2種引擎蓋。3種引擎蓋的車頭除引擎蓋形狀變化外其余各參數(shù)均與表1一致，轎車3種引擎蓋示意圖，如圖4。

圖4 轎車的3種引擎蓋形狀Fig.4 The three hood shapes of a car

數(shù)據(jù)顯示碰撞車速低于41km/h的人車碰撞占比極高(80%左右)[29，36]，并參考已有研究[31，44，47]，本研究采用3種車速(21、31、41km/h)、4種行人模型(與已有研究相同，行人大小尺寸為5百分位女性、5百分位男性、50百分位男性、90百分位男性)、2種行人步態(tài)(50%行人步態(tài)、100%行人步態(tài))(如圖5)，共計(jì)24個仿真組成本研究的虛擬仿真系統(tǒng)。

圖5 50%及100%2種行人步態(tài)Fig.5 50% and 100% pedestrian gaits

所有的仿真均基于Madymo仿真平臺，與已有研究類似，仿真中人車碰撞的摩擦系數(shù)為0.3，人地碰撞的摩擦系數(shù)為0.6[29]；車輛垂直撞擊行人側(cè)面；汽車與行人的初始碰撞位置有3種：人體相對于車體中心線向人體后退方向偏離400mm[31]、人體位于車體中心線、人體相對于車體中心線向人體前進(jìn)方向偏離400mm(即模擬撞擊時(shí)刻行人位于車頭的左側(cè)、中部和右側(cè))，如圖6。行人速度取1.58m/s[29]。

圖6 行人與車輛初始位置Fig.6 The initial position of the pedestrian and vehicle

以虛擬仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對轎車、SUV每一種車型各設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)。第1組包含216個仿真，仿真中車輛完全制動；第2組亦包含216個仿真，每個仿真均采用圖1所示方法控制車輛制動。具體的設(shè)計(jì)為：3種引擎蓋形狀(中凹引擎蓋、中平引擎蓋、中凸引擎蓋)、2種車輛模型(轎車、SUV)、3種車速(21、31、41 km/h )×4種行人模型(5百分位女性、5百分位男性、50百分位男性、90百分位男性)×2種行人步態(tài)(50%行人步態(tài)、100%行人步態(tài))、2種車輛制動策略(完全制動、控制制動)、3種碰撞形態(tài)(行人位于車頭的左側(cè)、中部、右側(cè))，共計(jì)864次仿真。

4.2 評價(jià)指標(biāo)

(1)HIC。在人車碰撞事故中頭部損傷為行人死亡的重要原因，故選頭部損傷評價(jià)準(zhǔn)則HIC作為仿真中的行人損傷評價(jià)指標(biāo)，HIC定義為：

(1)

式中：

t—碰撞起始到結(jié)束時(shí)間內(nèi)的每個時(shí)間間隔，s；

a—頭部質(zhì)心合成加速度，m/s2；

t3—檢測的加速度脈沖開始時(shí)間，s；

t4—檢測的加速度脈沖結(jié)束，s。

在實(shí)際應(yīng)用中最大時(shí)間間隔t4-t3常取15ms或36ms，由于人車碰撞中的碰撞時(shí)間歷程較短，故常選擇HIC15作為頭部損傷評價(jià)指標(biāo)，其安全界限為700，HIC15越大，頭部損傷越嚴(yán)重。

(2)頭車相對碰撞速度和頭地垂直碰撞速度。頭車相對碰撞速度vr指碰撞時(shí)刻行人頭部相對于車輛的速度[48]，定義如下：

(2)

式中：

vx、vy、vz—碰撞時(shí)刻行人頭部沿x軸、y軸和z軸的速度分量，m/s；

vc—碰撞時(shí)刻車輛的速度，m/s。vr越大，一般頭部損傷越嚴(yán)重。

現(xiàn)有研究證明，完全制動與控制制動的頭地水平碰撞速度差異不顯著[45]，所以僅采用頭地垂直碰撞速度。頭地垂直碰撞速度vg指行人主要部位著地時(shí)行人頭部沿z軸(垂直軸)的速度分量，此速度越大，一般可認(rèn)為行人與地面碰撞損傷越嚴(yán)重。

4.3 分析方法

在Madymo仿真平臺中，人車碰撞仿真模型已得到充分驗(yàn)證，但人地碰撞仿真模型尚有不足[27，30]，為避免模型不確定的影響，在后續(xù)分析中主要采用對比分析法，即比對控制制動與完全制動2種策略下人體的損傷及運(yùn)動學(xué)響應(yīng)差異。

采用 Mann-Whitney U 檢驗(yàn)分析仿真結(jié)果，對仿真中不同引擎蓋形狀的人車碰撞損傷和人地碰撞損傷等指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水平α=0.05，將損傷數(shù)據(jù)導(dǎo)入 SPSS 軟件并根據(jù)試驗(yàn)變量合理分組運(yùn)算后得到p值，根據(jù)p值的大小判斷不同引擎蓋形狀的相關(guān)指標(biāo)是否具有顯著性差異。通常p< 0.01 時(shí)，有極顯著性差異；當(dāng) 0.01≤p< 0.05 時(shí)，有顯著性差異；當(dāng)p≥ 0.05 時(shí)，差異性不顯著。

4.4 結(jié)果

4.4.1 采用制動控制的人車與人地碰撞損傷變化情況

通過統(tǒng)計(jì)后計(jì)算得出車輛和地面所致行人HIC的均值，見表2。由表2可知，制動控制策略在轎車和SUV車型中都不會增加車輛所致頭部損傷的風(fēng)險(xiǎn)；轎車和SUV的控制制動組中，人地碰撞損傷均降低。其中轎車的人地碰撞損傷HIC均值從完全制動時(shí)的771.54降低到529.11，損傷值從超出安全閾值降低到閾值以內(nèi)。這表明本研究中的轎車采取控制制動策略后，在不加重人車損傷的前提下可有效減輕人體所受到的地面?zhèn)Α?/p>

表2 2種制動方式的車輛和地面所致HIC均值Tab.2 The mean HIC value caused by the vehicle and ground under two braking modes

4.4.2 不同引擎蓋形狀的車輛所致人體損傷

圖7分別給出轎車、SUV采用中平、中凹、中凸3種引擎蓋形狀的車輛所致HIC的均值?？梢钥闯?種引擎蓋形狀的轎車、SUV，采用控制制動的人車損傷均沒有增加。Mann-Whitney U 檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同引擎蓋形狀的轎車完全制動(或控制制動)的人車HIC差異不顯著，其中中凸引擎蓋的人車碰撞損傷最低，HIC均值為509.22；不同引擎蓋形狀的SUV完全制動(或控制制動)所致人車HIC差異不顯著，其中中凸引擎蓋的人車碰撞損傷最低，HIC均值為398.03。

(a)轎車

4.4.3 不同引擎蓋形狀的地面所致人體損傷

圖8分別給出中平、中凹、中凸3種引擎蓋形狀的轎車、SUV導(dǎo)致的人地碰撞HIC，圖8中“中平完全”指采用中平引擎蓋的轎車(或SUV)在車輛完全制動時(shí)的人地碰撞HIC。從圖8中可以看出控制制動的轎車、SUV 2種車型導(dǎo)致的人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)均降低。

轎車采用控制制動時(shí)，3種不同的引擎蓋中，中凸引擎蓋的人車損傷HIC均值、人地?fù)p傷HIC均值均最低。中平引擎蓋與中凸引擎蓋的人地碰撞損傷具有顯著性差異(p=0.013)；中平引擎蓋與中凹引擎蓋的人地碰撞損傷的差異不顯著(p=0.463)；中凹引擎蓋與中凸引擎蓋的人地碰撞損傷的差異也不顯著(p=0.071)。總之，轎車采用不同形狀的引擎蓋會影響人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)的大小，且中凸引擎蓋的人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)最小，即防護(hù)效果最好。

SUV采用控制制動時(shí)，3種不同的引擎蓋中，中凸引擎蓋的人車損傷HIC均值、人地?fù)p傷HIC均值均最低。中平引擎蓋與中凸引擎蓋的人地碰撞損傷具有極顯著性差異(p=0.001)；中平引擎蓋與中凹引擎蓋的人地碰撞損傷的差異不顯著(p=0.143)；中凹引擎蓋與中凸引擎蓋的人地碰撞損傷的差異顯著(p=0.022)。總之，SUV采用不同形狀的引擎蓋會對人地碰撞損傷造成顯著影響，且中凸引擎蓋的人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)最小，即防護(hù)效果最好。

(a)轎車

5 討論

通過864次仿真實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了圖1所示制動控制策略在特定車型(轎車、SUV)的3種引擎蓋形狀都能有效降低人地碰撞損傷的風(fēng)險(xiǎn)，且不會加重人車碰撞損傷的風(fēng)險(xiǎn)。特別是選用制動控制策略的轎車，人地碰撞損傷HIC值均能降低到閾值以內(nèi)，這都清晰表明圖1所示的制動控制策略具有實(shí)用價(jià)值。仿真結(jié)果顯示：采用制動控制策略，中凸引擎蓋的轎車和SUV導(dǎo)致的人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)降低較為明顯，降低的原因值得深入探討。此外，仿真中還發(fā)現(xiàn)采用控制制動策略后，3種引擎蓋下都存在人地碰撞損傷增加的案例(共66例，占15.3%)，需深入分析其原因以支持后續(xù)研究中改進(jìn)圖1所示的策略。

5.1 中凸引擎蓋人地碰撞損傷防護(hù)效果佳的原因

5.1.1 頭地垂直碰撞速度vg降低

將432例控制制動組中的轎車、SUV導(dǎo)致的人地?fù)p傷HIC劃分為5個區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)各區(qū)間內(nèi)的頭地垂直碰撞速度vg值，發(fā)現(xiàn)HIC均值隨vg的增大而增大(如圖9)，可見頭地垂直碰撞速度vg的值可用來表征人體落地?fù)p傷的嚴(yán)重程度。

圖9 人地?fù)p傷HIC與頭地垂直碰撞速度vg的關(guān)系Fig.9 The relationship between the HIC of the human-ground injury and the velocity(vg)of the vertical head-ground contact

對比采用制動控制策略的轎車、SUV 3種引擎蓋導(dǎo)致的頭車相對碰撞速度vr與頭地垂直碰撞速度vg并檢驗(yàn)其差異性。如圖10所示，發(fā)現(xiàn)不同引擎蓋形狀的控制制動所致vr之間差異不顯著；圖11中，中凸引擎蓋的頭地垂直碰撞速度vg相比其他2種引擎蓋較低，且中凸引擎蓋的vg與中平引擎蓋的vg存在極顯著性差異(p=0.0< 0.01)，中凸引擎蓋的vg與中凹引擎蓋的vg同樣存在極顯著性差異(p=0.0< 0.01)。圖9-11的分析表明：控制制動策略，轎車以及SUV 2種車型，中凸引擎蓋的人地碰撞損傷防護(hù)效果較好的主要原因是頭地垂直碰撞速度vg的降低。

圖10 3種引擎蓋的頭車相對碰撞速度vrFig.10 The relative speed of the head-vehicle collision in case of three kinds of hoods

圖11 3種引擎蓋的頭地垂直碰撞速度vgFig.11 The speed of the vertical head-ground contact in case of three kinds of hoods

5.1.2 行人落地機(jī)制的變化

CROCETTA等[26]學(xué)者提出一套行人被車輛碰撞后的6種落地機(jī)制(如圖12)，同時(shí)他們指出落地機(jī)制M1、M4的行人頭地接觸速度、旋轉(zhuǎn)角度顯著高于M2、M3、M5.1和M5.2，這意味著M1、M4可能會比M2、M3、M5.1和M5.2造成更大的人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)。ZOU等[45]通過仿真分析在此基礎(chǔ)上又增加了一種全新的落地機(jī)制M6(如圖13)，認(rèn)為此種落地機(jī)制對行人相對較好。故本研究將基于此7種落地機(jī)制來探究不同引擎蓋形狀導(dǎo)致行人落地機(jī)制的差異。

圖12 文獻(xiàn)[26]中提出的6種行人落地機(jī)制Fig.12 The six kinds of pedestrian landing mechanisms proposed in the literature [26]

圖13 文獻(xiàn)[45]中提出的1種行人落地機(jī)制M6Fig.13 A kind of pedestrian landing mechanism M6 proposed in the literature [45]

為驗(yàn)證本研究中落地機(jī)制的差異是否與人地碰撞損傷有關(guān)，在深入分析仿真視頻后，統(tǒng)計(jì)432例控制制動組中的轎車、SUV不同落地機(jī)制的人地碰撞損傷HIC均值，如圖14。由圖14可知，不同落地機(jī)制的人地碰撞損傷有差異，且總體上M1、M4是造成平均人地碰撞HIC值較高的2種落地機(jī)制。由此，可進(jìn)一步探討采取控制制動策略后，不同形狀引擎蓋導(dǎo)致行人落地機(jī)制的差異性。圖15給出采用控制制動策略時(shí)不同形狀的引擎蓋導(dǎo)致行人落地機(jī)制的分布，其中“Uncl”為不能明確分類到任何一種落地機(jī)制的案例?？梢钥闯?，中平、中凹引擎蓋的行人落地機(jī)制為M1、M4的比例(分別為29.9%、29.2%)要比中凸引擎蓋的比例(13.9%)高。因此，總體來看這2種引擎蓋在制動控制時(shí)的人地碰撞損傷防護(hù)效果較差。中凸引擎蓋導(dǎo)致的平均人地碰撞HIC值較低的幾種落地機(jī)制(M2、M3、M5.1、M5.2和M6)的占比為84%，中平、中凹引擎蓋分別為67.3%，68%。因此，轎車、SUV中凸引擎蓋導(dǎo)致人地碰撞損傷較低的另一原因是制動控制后人體的落地機(jī)制由較差的機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閷θ梭w更友好的機(jī)制，而其他2種引擎蓋導(dǎo)致人體落地機(jī)制向友好機(jī)制的轉(zhuǎn)變較少，所以人地碰撞損傷的防護(hù)效果也相對較差。

圖14 行人不同落地機(jī)制導(dǎo)致的人地碰撞HICFig.14 The pedestrian-ground contact HIC caused by different landing mechanisms of pedestrians

圖15 3種形狀引擎蓋導(dǎo)致的行人落地機(jī)制分布Fig.15 The distribution of pedestrian landing mechanisms caused by three kinds of hood shapes

采用控制制動策略時(shí)，轎車中平、中凹、中凸引擎蓋的一組典型仿真為例來展開分析，仿真中除引擎蓋形狀外其他變量設(shè)置相同：車速31km/h、5百分位男性、100%行人步態(tài)，行人位于車頭左側(cè)。圖16分別給出制動控制時(shí)中平、中凹、中凸3種引擎蓋的行人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)，0.165s為行人頭部和車輛首次碰撞時(shí)刻，可見此時(shí)3種引擎蓋的行人瞬時(shí)位置差別不大；0.63s時(shí)中平、中凹引擎蓋的行人比中凸引擎蓋的行人更接近車輛引擎蓋前端邊緣；0.95s時(shí)行人已被車輛拋出，行人脫離了引擎蓋，此時(shí)能明顯看出3種引擎蓋導(dǎo)致行人姿態(tài)的差異，中平、中凹引擎蓋的行人瞬時(shí)位置差別不明顯，但中凸引擎蓋的行人頭部、胸部、臀部基本處于一個平面內(nèi)，與其余2種引擎蓋的行人運(yùn)動學(xué)差別較大；到1.045s時(shí)3種引擎蓋的行人都已經(jīng)落地，其中中平及中凹引擎蓋的行人背部和頭部基本同時(shí)著地，頭部會受到來自地面的較大沖擊，繼而頭部也會產(chǎn)生比較大的垂直落地速度，落地姿態(tài)都為文獻(xiàn)[26]中的M1，落地后的人地碰撞HIC分別為494.7、346.6；此時(shí)中凸引擎蓋的行人，頭部、背部、臀部等人體主要部位與地面平行，這些部位基本同時(shí)落地，且行人旋轉(zhuǎn)角度較小，此時(shí)行人頭部受到來自地面的沖擊也會較小，落地姿態(tài)為文獻(xiàn)[45]中的M6，落地后的人地HIC僅為56.97，此種落地姿態(tài)對行人來說相對友好?？梢娨嫔w形狀的改變會導(dǎo)致行人落地姿態(tài)的改變進(jìn)而導(dǎo)致差異化的人地碰撞損傷。

圖16 中平、中凹、中凸引擎蓋導(dǎo)致的一組典型仿真中行人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)對比Fig.16 The comparison of pedestrian kinematic responses caused by medium-flat， medium-concave and medium-convex hoods in a set of typical simulations

5.2 非受益案例原因分析

轎車仿真的216例控制制動案例中，有23例(10.6%)人地碰撞損傷加重，包括中平引擎蓋11例(47.8%)，中凹引擎蓋10例(43.5%)，中凸引擎蓋2例(8.7%)；SUV仿真的216例控制制動案例中，有43例(19.9%)的人地碰撞損傷加重，包括中平引擎蓋18例(41.9%)，中凹引擎蓋15例(34.9%)，中凸引擎蓋10例(23.2%)。在總計(jì)432例控制制動案例中，控制制動失效案例66例(15.3%)，其中轎車、SUV2種車型中凸引擎蓋的非受益案例為12例；中平、中凹引擎蓋的控制制動失效案例為54例，占總失效案例數(shù)的81.8%。3種引擎蓋控制制動66例非受益案例的原因分析如下：

(1)人車第二次接觸時(shí)，引擎蓋或保險(xiǎn)杠等與人體頭部或胸部接觸，如圖17(a)，44例，占66.7%。在這類案例中，車輛將行人撞起后人體墜地時(shí)頭部或胸部會接觸到引擎蓋或保險(xiǎn)杠，再次接觸則可能會對行人墜地姿態(tài)產(chǎn)生不利影響，甚至個別案例中會改變?nèi)梭w落地時(shí)的姿態(tài)，造成行人頭部與地面間產(chǎn)生更多沖擊，導(dǎo)致人地碰撞時(shí)的傷害加重。

圖17 制動控制下中平、中凹引擎蓋典型人地?fù)p傷增加案例Fig.17 The additional cases of the pedestrian-ground injury caused by medium flat and medium concave hoods under the braking control

(2)行人從車輛某一側(cè)落地，如圖17(b)，9例，占13.6%。此種類型中，行人從側(cè)面落地時(shí)如與引擎蓋邊緣或車頭側(cè)面接觸，則會受到一個側(cè)向的加速度影響，這會導(dǎo)致行人以較快的速度撞擊地面進(jìn)而使人地?fù)p傷有所加重；即使行人在側(cè)面下落時(shí)未接觸車體，車輛在不轉(zhuǎn)彎的情況下也會因無法適時(shí)進(jìn)行控制進(jìn)而無法對即將掉落到車體兩邊的行人進(jìn)行比較好的防護(hù)。

(3)人與車第一次接觸后即被車輛以一個比較高的瞬時(shí)速度拋出，如圖17(c)，6例，占9.1%。此種情形下，由于人體主要部位一接觸車體，就被車體以較高的速度拋出，行人很可能不會與引擎蓋再次接觸，即車輛此時(shí)無法達(dá)到控制策略中的再次完全制動車輛，不能對行人繼續(xù)實(shí)施制動控制。

(4)車輛制動控制中，人體下肢與車輛前端再次接觸，如圖17(d)，4例，占6.1%。這種情況由于車輛還未停止，因此行人可能還會受到車輛帶來的一部分沖擊，會使人體已受到的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變?yōu)槿梭w頭部與地面之間的垂直撞擊速度，從而加重了人地碰撞損傷。

(5)控制制動顯著改變了人體不同部位的落地順序，如圖17(e)，2例，占3%。圖17(e)中黑色為控制制動時(shí)的行人墜地姿態(tài)，灰色為完全制動時(shí)的行人墜地姿態(tài)。圖17(e)中可以看出，該仿真案例中完全制動的情況行人是右側(cè)膝蓋首先觸地，而在同一時(shí)刻，控制制動中的行人卻是頭部首先觸地，進(jìn)而導(dǎo)致行人頭部損傷增加。這說明在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，控制制動還很難起到100%降低人地碰撞損傷的效果。

(6)人車在較長一段時(shí)間內(nèi)沒有分離。行人被車輛撞至引擎蓋后被引擎蓋托起，車輛載著行人在較長時(shí)間內(nèi)一起向前運(yùn)動，導(dǎo)致車輛與行人在較長時(shí)間內(nèi)沒有分離,如圖17(f)，1例，占1.5%，進(jìn)而人體獲得的動能比完全制動時(shí)更多，所以人地碰撞損傷從完全制動時(shí)的184.5增加到了控制制動中的400。

6 結(jié)論

通過分析事故數(shù)據(jù)、回顧已有研究并開展仿真實(shí)驗(yàn)，獲得以下結(jié)論：

(1)人車碰撞事故在可預(yù)期未來很難完全避免，但事故中車速會降低至中低速區(qū)間內(nèi)。而在此速度區(qū)間，人體受車輛致命傷的概率不高，但地面會給行人帶來嚴(yán)重的二次傷害，因此，亟需考慮智能車的人地碰撞損傷防護(hù)能力。

(2)事故與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均顯示，面臨碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)行人有極強(qiáng)的避撞能力，行人最高減速度可達(dá)8m/s2，進(jìn)一步仿真與實(shí)驗(yàn)均表明在行人自動緊急制動系統(tǒng)中考慮行人的這種能力可以顯著提升事故避免率，但相關(guān)研究尚處于探索階段，仍有人機(jī)如何交互、何時(shí)交互以及行人如何反應(yīng)等諸多問題需深度探索。

(3)仿真和真實(shí)案例均顯示，通過合理控制車輛制動可以顯著降低人地碰撞損傷，絕大多數(shù)案例中均有足夠空間讓車輛實(shí)施制動控制，除此之外控制車輛制動還能拉近人體首次觸地位置與車頭間距離為其他車載設(shè)備保護(hù)行人提供可能，但要求車輛在較短時(shí)間內(nèi)做出正確決策，這應(yīng)是后續(xù)研究中需重點(diǎn)關(guān)注的核心問題。

(4)通過864次仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)：制動控制策略在特定車型(轎車、SUV)的3種形狀引擎蓋都能有效降低人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)，且不會加重車輛所致?lián)p傷；制動控制案例中人地碰撞損傷數(shù)值均能控制在人體損傷耐受極限閾值內(nèi)；中凸引擎蓋無論是防護(hù)人車碰撞損傷還是人地碰撞損傷，效果均最佳。

(5)通過分析864次仿真中人體的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)中凸引擎蓋效果更佳的主要原因是其能更好地降低人地垂直碰撞速度以及導(dǎo)致更多相對安全的人體落地機(jī)制。非受益案例分析表明，人車碰撞中人體差異化運(yùn)動學(xué)響應(yīng)會影響人體損傷防護(hù)效果，可在后續(xù)研究中適時(shí)開展碰撞后人體運(yùn)動學(xué)響應(yīng)預(yù)測研究。