實(shí)體測試假人在游樂設(shè)施檢測中的應(yīng)用前景

陳衛(wèi)衛(wèi) 田 博

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

實(shí)體測試假人在游樂設(shè)施檢測中的應(yīng)用前景

陳衛(wèi)衛(wèi) 田 博

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

針對(duì)傳統(tǒng)游樂設(shè)施測試方法無法獲取乘坐過程中的乘客受力、加速度和擠壓變形等問題，開展了實(shí)體測試假人在游樂設(shè)施檢測中的應(yīng)用前景預(yù)研工作。本文充分調(diào)研了實(shí)體測試假人發(fā)展歷程，分析了游樂設(shè)施測試假人應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了傳統(tǒng)游樂設(shè)施測試假人存在的問題，進(jìn)行了實(shí)體測試假人在游樂設(shè)施測試中的應(yīng)用探索。最后，對(duì)游樂設(shè)施測試假人開發(fā)提出了幾點(diǎn)建議。

假人 游樂設(shè)施 生物力學(xué)

近年來，我國游樂產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，游樂設(shè)施數(shù)量逐年遞增。同時(shí)，大量具有新奇結(jié)構(gòu)及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)型式的游樂設(shè)施逐漸進(jìn)入市場，傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測方法已無法完全滿足該類新產(chǎn)品安全性與可靠性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的要求，新技術(shù)和新產(chǎn)品亟待開發(fā)以作為傳統(tǒng)方法的有益補(bǔ)充。實(shí)體測試假人作為一種全尺寸仿造真人制造的測試裝置，它能反映真實(shí)人體尺寸比例、重量分布和關(guān)節(jié)自由度，并在人體重要部位安裝傳感器記錄實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)響應(yīng)。目前，實(shí)體測試假人已被廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)，研究人員通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測人體的生物力學(xué)響應(yīng)與各部位損傷程度從而進(jìn)行新車評(píng)價(jià)[1-3]。實(shí)體測試假人雖然在航空、航天和汽車行業(yè)中已有成熟應(yīng)用，但是在游樂設(shè)施行業(yè)中還處于起步階段。本文從實(shí)體測試假人發(fā)展歷程、游樂設(shè)施測試假人發(fā)展歷程、實(shí)體測試假人開發(fā)需求及在游樂設(shè)施檢測中的應(yīng)用前景等方面展開論述。

1 實(shí)體測試假人發(fā)展歷程

1.1 發(fā)展早期

1949年，Sierra工程公司受美國空軍委托開發(fā)了世界上第一個(gè)實(shí)體測試假人——Sierra Sam，如圖1所示，這是一款第95百分位成年男性假人（身高和體重超過95%的成年男性），它被用于代替飛行員進(jìn)行彈射座椅測試。雖然Sierra Sam僅能測試頭部加速度響應(yīng)，但是毋庸置疑其具有開創(chuàng)性的里程碑意義。1952年，Alderson實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一款第95百分位成年男性假人——Mark 1，其結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)和SierraSam比與真人更為近似，被用于美國和歐洲空軍測試。1956年，Alderson實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一款模塊化假人——Models F，其具有更多的關(guān)節(jié)自由度，能夠適應(yīng)不同的測試要求。1960年，Alderson實(shí)驗(yàn)室與Grumman飛機(jī)公司合作開發(fā)了名為Gard Dummy的系列假人，其中包含從第3百分位到第98百分位的8種尺寸，該系列假人配置了大量傳感器以獲得座椅彈射時(shí)更多的重要參數(shù)。1966年，Alderson實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了VIP (Very Important People)系列假人，其中包含第5百分位成年女性假人、第50百分位成年男性假人和第95百分位成年男性假人各1名，VIP系列假人被首次用于標(biāo)準(zhǔn)的汽車實(shí)驗(yàn)。1967年，Sierra工程公司開發(fā)了一款滿足H．E．W． (Health and Education Welfare)人體測量數(shù)據(jù)的第50百分位成年男性假人——Sierra Stan，其專門設(shè)計(jì)用于汽車測試[2-8]。

圖1 世界第一個(gè)實(shí)體測試假人和彈射座椅測試系統(tǒng)

1.2 Hybrid假人

1971年，通用汽車公司認(rèn)為Alderson實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的VIP系列和Sierra工程公司開發(fā)的Sierra Stan假人均不能同時(shí)滿足汽車測試所要求的可靠性與耐用性兩個(gè)指標(biāo)，工程師們決定將兩種假人的優(yōu)秀品質(zhì)進(jìn)行混合。于是Hybrid I代誕生了，它是一款第50百分位成年男性假人。1972年，改進(jìn)了肩膀、脊柱和膝蓋響應(yīng)的Hybrid II代面世，并成為第1個(gè)滿足美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS (American Federal Motor Vehicle Safety Standard)的汽車安全帶測試假人[2，3]。

1976年，通用汽車公司開發(fā)了Hybrid III代第1個(gè)第50百分位成年男性假人，見圖2，這也是迄今為止應(yīng)用范圍最為廣泛的測試假人。該假人如果能夠站立，其身高將有168c m，體重77kg。在美國高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)IIHS (Insurance Institute for Highway Safety)規(guī)定的汽車偏置正面碰撞測試(65km/h)中，將其放置于駕駛員位置。通用汽車公司還陸續(xù)開發(fā)了Hybrid III代家族的其他4個(gè)假人，分別為：第95百分位成年男性假人，身高188cm，體重100kg；第5百分位成年女性假人，身高152c m，體重50kg；6歲兒童假人，體重21kg；3歲兒童假人，體重15kg。兩個(gè)Hybrid III兒童假人是最近新加入的，因?yàn)閮和谑鹿手械膫?shù)據(jù)很少，類似數(shù)據(jù)難以獲得，所以兒童假人開發(fā)中有很多近似和估計(jì)[2-4]。

圖2 Hybrid III 第50百分位成年男性假人和Hybrid III假人家族

1.3 SID (Side Impact Dummies)假人

Hybrid III代家族假人被設(shè)計(jì)用來進(jìn)行汽車正面碰撞測試，在其他種類的碰撞中將不太有效。SID假人家族主要用于測試在汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)對(duì)肋骨、脊柱和內(nèi)臟器官的影響，以及對(duì)肋骨與脊柱的加速度和胸腔的壓縮量進(jìn)行評(píng)估，SID假人依據(jù)美國政府測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。1979年~1982年，SID假人由美國密歇根大學(xué)高速公路安全研究中心受美國高速公路安全管理局NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration)委托開發(fā)完成。1983年~1985年，歐洲提高車輛安全委員會(huì)EEVC (European Enhanced Vehicle-safety Committee)聯(lián)合數(shù)個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了EUROSID假人的原型，通過前期驗(yàn)證，經(jīng)過進(jìn)一步修改于1989年完成了目前廣為人知的EUROSID-1型假人。同時(shí)，BIOSID假人的主要部件由通用汽車公司進(jìn)行開發(fā)，并最終由美國汽車工程師協(xié)會(huì)SAE (Society of Automotive Engineers)側(cè)面碰撞假人研究組完成開發(fā)[2-3]。2001年，WorldSID第一個(gè)原型假人由ISO TC22/SC12組織所轄的WorldSID任務(wù)組試制成功，并經(jīng)過長達(dá)十年的發(fā)展完善，目前已成長為所有中等尺寸成人男性假人中生物仿真度最好的一款[2，3]。

圖3 SID汽車側(cè)面碰撞測試假人家族

此外，還有用于汽車后方碰撞的測試假人BioRID II和RID2等，這里不一一展開贅述。

2 游樂設(shè)施測試假人應(yīng)用現(xiàn)狀

游樂設(shè)施具有機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜化、運(yùn)動(dòng)型式多樣化和乘客約束系統(tǒng)差異化等主要特征，給檢驗(yàn)檢測工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。在國內(nèi)外游樂設(shè)施測試行業(yè)，實(shí)體測試假人技術(shù)發(fā)展非常滯后。

2.1 傳統(tǒng)游樂設(shè)施測試假人

目前，國內(nèi)外游樂設(shè)施生產(chǎn)廠家和使用單位一般采用沙袋、柔性橡膠水人和硬質(zhì)人形水箱等作為載荷測試，如圖4所示[9，10]，對(duì)于人體響應(yīng)的研究幾近空白。圖中假人嚴(yán)格來說只能定義為配重或載荷，不能充分驗(yàn)證游樂設(shè)施乘客約束系統(tǒng)性能和人-車交互作用。使用圖4（a）沙袋進(jìn)行測試，將其牢牢固定在座椅上，無法體現(xiàn)安全壓杠或者安全帶的束縛作用，下雨或漏沙容易造成載荷變化、污染座艙甚至破壞潤滑表面。使用圖4（b）柔性橡膠水人進(jìn)行測試，如果未將其牢牢固定在座椅上，存在運(yùn)行中易被甩出、易破損、漏水造成載荷變化和浪費(fèi)水資源等弊端。使用圖4（c）硬質(zhì)人形水箱進(jìn)行測試，如果未將其牢牢固定在座椅上，存在安全壓杠或者安全帶約束困難、運(yùn)行中易被甩出和浪費(fèi)水資源等弊端。圖4（d）所示人形充水實(shí)體測試假人包含大臂、肘部、髖部和膝部關(guān)節(jié)等自由度，如果其尺寸比例嚴(yán)格按照真實(shí)人體設(shè)計(jì)制造，應(yīng)用該假人進(jìn)行測試能夠在一定程度上反映安全壓杠或者安全帶約束狀態(tài)，但是仍然存在無法獲取人體響應(yīng)和浪費(fèi)水資源等弊端。圖4（e）所示人形充水實(shí)體測試假人沒有手臂，應(yīng)用于不考慮手臂活動(dòng)的測試場合，缺點(diǎn)與圖4（d）類似。圖4（f）所示人形玻璃鋼假人，只能應(yīng)用于游樂設(shè)施運(yùn)行區(qū)域安全包絡(luò)線及乘客約束系統(tǒng)測試，其具有重量輕、不能模擬載荷試驗(yàn)和一次性使用、易于損壞等特點(diǎn)。圖4中部分圖片來源于美國Roto West Inc公司官網(wǎng)以及Google圖片搜索。

圖4 游樂設(shè)施測試假人

2.2 汽車碰撞假人在游樂設(shè)施測試中的應(yīng)用

圖5 美國GMH Engineering公司采用汽車碰撞假人進(jìn)行過山車測試

美國GMH Engineering公司在游樂設(shè)施檢測中創(chuàng)新性的應(yīng)用了內(nèi)置多處傳感器的實(shí)體測試假人(Hybrid III 50th假人)[11]，主要應(yīng)用于過山車測試，如圖5所示。應(yīng)用汽車碰撞假人進(jìn)行游樂設(shè)施測試具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：假人尺寸比例和重量分布與真人具有高度相似性，假人骨骼、肌肉和皮膚材料與真人具有生物力學(xué)一致性，多自由度和多傳感器布置方案能夠真實(shí)反映乘客乘坐過程中的力學(xué)響應(yīng)時(shí)間歷程，實(shí)現(xiàn)對(duì)游樂設(shè)施舒適性與安全性的預(yù)測功能。缺點(diǎn)同樣存在，如：價(jià)格昂貴，針對(duì)汽車碰撞設(shè)計(jì)，傳感器布置方案、量程與精度不適應(yīng)游樂設(shè)施運(yùn)行工況等。但是，GMH Engineering公司進(jìn)行類似嘗試，積累經(jīng)驗(yàn)，可以為開發(fā)游樂設(shè)施實(shí)體測試假人提供參考。圖5中圖片來源于美國GMH Engineering公司官網(wǎng)。

3 實(shí)體測試假人開發(fā)需求

實(shí)體測試假人是真人的1∶1復(fù)制品，需要安裝足夠多的傳感器以獲得盡可能多的人體響應(yīng)數(shù)據(jù)。要開發(fā)一款能夠反映并預(yù)測真人響應(yīng)的測試假人，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，以獲取人體尺寸、重量分布、材料屬性和關(guān)節(jié)自由度等信息。

3.1 生物力學(xué)測試

20世紀(jì)30年代晚期，人體承受極端身體傷害后人體響應(yīng)的可靠數(shù)據(jù)還沒有收集，也沒有相應(yīng)的測試工具，底特律韋恩州立大學(xué)最早開始進(jìn)行人體高速碰撞后響應(yīng)數(shù)據(jù)的收集。最早的測試對(duì)象是死尸，利用死尸來獲取人體承受沖擊載荷時(shí)破碎力和撕裂力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。測試方法也很落后，比如：用鋼球從高處拋下撞擊骷髏，把尸體從廢棄的電梯井中扔下，在尸體上安裝加速度測試儀承受汽車撞擊等。用尸體來做實(shí)驗(yàn)有一些局限性，如：實(shí)驗(yàn)對(duì)象一般為自然死亡的老年白人；尸體承受沖擊后將產(chǎn)生傷害，無法進(jìn)行第二次重復(fù)實(shí)驗(yàn)；沒有相同的兩具尸體可以用來實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)量有限、種類有限，無法獲得足夠數(shù)據(jù)。

一些研究者用他們自己的身體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。Colonel John坐在火箭滑撬上加速到1010km/h并在1s內(nèi)停下。Lawrence Patrick，目前是韋恩州立大學(xué)的退休教授，曾經(jīng)進(jìn)行過大約400次火箭滑撬實(shí)驗(yàn)來測試快速減速對(duì)人體的影響，他和他的學(xué)生們?yōu)槿梭w生物力學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。但是志愿者數(shù)量有限、類型有限，仍然無法獲得全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

20世紀(jì)50年代中期，已經(jīng)積累大量的尸體測試數(shù)據(jù)。還需研究事故中的生還可能，尸體實(shí)驗(yàn)已不能滿足研究要求。有學(xué)者提出用動(dòng)物代替人類來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的想法，在艙內(nèi)碰撞研究中最常用的動(dòng)物是豬，主要是因?yàn)樗麄兊膬?nèi)部結(jié)構(gòu)類似于人類，而且豬也可以被很好的放置在駕駛員座椅上。

尸體測試和動(dòng)物測試逐漸受到宗教人士和動(dòng)物保護(hù)主義人士的抵制，但是也已為假人設(shè)計(jì)制造積累了大量數(shù)據(jù)，汽車制造商逐漸開發(fā)出能夠很好模擬人體響應(yīng)的實(shí)體測試假人。

3.2 假人主要參數(shù)

實(shí)體測試假人的主要用途是建立一個(gè)能夠模仿人體的測試環(huán)境，如果人體參數(shù)有誤，將造成測試結(jié)果的不準(zhǔn)確和不可信。目前國內(nèi)多采用Hybrid III 50th假人進(jìn)行測試，但是Hybrid III 50th假人是參照美國人體測量參數(shù)所設(shè)計(jì)的，由于中美人種的差異，中美人體尺寸及體重參數(shù)相差較大，見表1。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8408—2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》中第4．2．2．1節(jié)“活載荷”中規(guī)定“乘坐成人1~2人時(shí)按750N/人計(jì)算，2人以上按700N/人計(jì)算。兒童（身高不超過1．2m或10歲以下）按400N/人計(jì)算。”，近似換算為成人70~75kg/人，兒童40kg/人，與表中數(shù)據(jù)有較大不同。因此，開發(fā)基于中國人體測量數(shù)據(jù)的實(shí)體測試假人工作至關(guān)重要。表1中數(shù)據(jù)主要來源于Humanetics公司網(wǎng)站和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10000—1988《中國成年人人體尺寸》。

表1 中美人體尺寸及體重參數(shù)對(duì)比

3.3 主要測試傳感器選擇及布置方案

根據(jù)不同測試工況選擇主要測試傳感器及確定布置方案。Hybrid III 50th假人傳感器布置方案[12]如圖6所示，包括頭部三軸加速度傳感器、頸部力/力矩傳感器、腹部位移傳感器、膝蓋位移傳感器、小腿上部力/力矩傳感器以及小腿下部力/力矩傳感器等，基本滿足汽車正面碰撞測試要求。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8408—2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》中第4．7節(jié)“加速度允許值”中規(guī)定“計(jì)算或測量加速度的參考點(diǎn)一般應(yīng)在坐席上方600mm處?！?，測試人體坐標(biāo)系下的三軸加速度數(shù)據(jù)，圖6中傳感器布置方案不能滿足要求，需改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖6 Hybrid III 50th假人傳感器布置方案

4 結(jié)論

通過調(diào)研大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)與研究報(bào)告，結(jié)合本部門豐富的游樂設(shè)施檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)游樂設(shè)施測試假人開發(fā)提出以下注意事項(xiàng)：

1）游樂設(shè)施測試假人研究基礎(chǔ)薄弱，起點(diǎn)很低。根據(jù)GB 8408要求，Hybrid III第50百分位男性假人比較符合游樂設(shè)施測試工作，可以從對(duì)現(xiàn)有Hybrid III 50th假人改造著手，快速形成檢測能力。

2）深入研究游樂設(shè)施運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，掌握游樂設(shè)施運(yùn)行規(guī)律，簡化Hybrid III 50th假人模型，去除不必要的關(guān)節(jié)自由度，減少傳感器數(shù)目并優(yōu)化傳感器布置，進(jìn)一步增加具有游樂設(shè)施檢測特色的新型傳感器。

3）基于中國人體測量數(shù)據(jù)，修正Hybrid III 50th假人模型，使之適應(yīng)中國需求。

4）開發(fā)系列假人，用于乘客約束系統(tǒng)驗(yàn)證、游樂設(shè)施型式試驗(yàn)等不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

[1] Nahum A M，Melvin J W．Accidental injury：biomechanics and prevention[M]．Springer-Verlag，2015．

[2] Crash test dummy-Wikipedia[EB/OL]．https：// en．wikipedia．org/wiki/Crash_test_dummy， 2016-05-15．

[3] Crash test dummy[EB/OL]．http：//www．cs．mcgill．ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/c/Crash_test_dummy．htm， 2016-05-15．

[4] 假人|汽車碰撞試驗(yàn)用假人的生產(chǎn)銷售-Jasti Co．，Ltd[EB/OL]．http：//www．jasti．co．jp/cn/product/dummy．html #hybrid-III50th， 2016-05-15．

[5] History of Crash Test Dummies | Humanetics ATD[EB/OL]．http：//www．humaneticsatd．com/about-us/dummy -history， 2016-05-15．

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[10] Thorpe Park： The Swarm ride test run sees dummies return with limbs snapped off | Daily Mail Online[EB/OL]．http：//www．dailymail．co．uk/news/article-2091480/ Thorpe-Park-The-Swarm-ride-test-run-sees-dummiesreturn-limbs-snapped-off．html， 2016-05-17．

[11] GMH Engineering Service[EB/OL]． http：//www．gmheng．com/service_coaster．php， 2016-05-17．

[12] First Technology．European Frontal Regulation Instrumentation[R]．2008．

Application Prospect of Test Dummy in the Amusement Rides’ Inspection

Chen Weiwei Tian Bo
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

As the traditional test methods of amusement ride cannot get the reaction force, acceleration and extrusion deformation of passengers, the pre-research on application prospect of test dummies in amusement rides' inspection was carried out in this paper. The development process and application status of test dummy were studied, and we pointed out the problems which were existed in the traditional test dummy and forecasted the application of test dummy in amusement rides’ inspection. Finally, several suggestions of amusement rides’ test dummy development were summarized.

Dummy Amusement ride Biomechanical

X924

B

1673-257X(2017)01-0006-06

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．01．001

本文由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“游樂園和景區(qū)載人設(shè)備全生命周期檢測監(jiān)測與完整性評(píng)價(jià)技術(shù)研究”（2016YFF0203100），課題2“典型游樂設(shè)施虛擬仿真、質(zhì)量預(yù)測和虛擬體驗(yàn)技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)”（2016YFF0203102）和中國特檢院博士科研基金“高大游樂設(shè)施的振動(dòng)測試與數(shù)值模擬研究”（BSJJ-2015-09）資助]

陳衛(wèi)衛(wèi)(1982～)，男，博士，工程師，從事游樂設(shè)施檢驗(yàn)檢測新技術(shù)開發(fā)研究工作。

2016-11-11）