中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人開發(fā)路徑研究

劉志新，武永強(qiáng)，馬偉杰

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

一、前言

隨著我國(guó)汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，道路交通安全形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻。當(dāng)前，我國(guó)道路交通事故萬(wàn)車死亡率仍是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的2～4倍，交通安全已成為威脅經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重公共安全問題。汽車安全技術(shù)作為影響道路交通安全的重要因素，已成為政府、社會(huì)和汽車業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)話題。

乘員保護(hù)是汽車安全技術(shù)的最終目的，它與交通事故分析、汽車安全設(shè)計(jì)優(yōu)化、車輛安全性能試驗(yàn)驗(yàn)證等方面息息相關(guān)。而碰撞測(cè)試假人是直接用于評(píng)估碰撞沖擊環(huán)境對(duì)人體的傷害程度，進(jìn)而評(píng)價(jià)車輛安全性能優(yōu)劣的測(cè)量?jī)x器。因此，碰撞試驗(yàn)假人是支撐汽車安全的核心技術(shù)。

一方面，我國(guó)初期的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)主要為直接引用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，在短時(shí)間內(nèi)解決了我國(guó)汽車安全技術(shù)約束有無(wú)的問題，因此，在一定時(shí)期內(nèi)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有效改善了我國(guó)公共交通安全問題。但近幾年，安全技術(shù)的提高對(duì)減少交通安全貢獻(xiàn)度卻沒有原來(lái)顯著。主要原因之一是汽車安全標(biāo)準(zhǔn)中采用的碰撞測(cè)試假人是基于歐美人體特征開發(fā)，從而導(dǎo)致現(xiàn)有的汽車安全設(shè)計(jì)不能最優(yōu)保護(hù)中國(guó)駕乘人員的問題[1～3]。另一方面，碰撞測(cè)試假人及其相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)獨(dú)家壟斷，核心技術(shù)受制于人。如果美國(guó)對(duì)此進(jìn)行技術(shù)封鎖，我國(guó)將面臨無(wú)“人”可用的尷尬局面。尤其是我國(guó)目前擁有世界最大的汽車市場(chǎng)，這種技術(shù)放大效應(yīng)變得格外顯著。

本文深入剖析目前影響我國(guó)汽車安全進(jìn)步的核心問題，并在此基礎(chǔ)上開展了中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人開發(fā)必要性、可行性的分析研究工作。初步提出了中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人的開發(fā)路徑，從而進(jìn)一步完善我國(guó)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)體系。開發(fā)符合中國(guó)人體體征的汽車碰撞試驗(yàn)假人及制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，不僅有利于擺脫核心技術(shù)“受制于人”的局面，而且能通過中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的核心力量，并輔以中國(guó)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，把握我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)權(quán)。

二、汽車安全標(biāo)準(zhǔn)問題剖析

碰撞測(cè)試假人是安全標(biāo)準(zhǔn)的“砝碼”，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中所采用的假人是依據(jù)歐美人體開發(fā)的，歐美的“砝碼”衡量出的汽車安全能否對(duì)我國(guó)駕乘人員提供最佳的保護(hù)效能值得商榷。

（一）現(xiàn)有汽車安全設(shè)計(jì)不能最優(yōu)保護(hù)中國(guó)乘員安全

碰撞測(cè)試假人作為衡量汽車安全性的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到汽車的安全設(shè)計(jì)，其具有“技術(shù)砝碼”效應(yīng)，然而在汽車碰撞安全領(lǐng)域，我國(guó)所用的碰撞測(cè)試假人沿用國(guó)外，其是按照美國(guó)第50百分位成年男子的主要尺寸制作的。而目前我國(guó)所有汽車安全設(shè)計(jì)均以這種假人為保護(hù)對(duì)象。然而，中美人體無(wú)論是在外在體征（如身高、體重、肌肉密度、質(zhì)量分布），還是內(nèi)在特性（動(dòng)態(tài)響應(yīng)、生物力學(xué)）上都有較大的差異。如與美國(guó)中等尺寸男性相比，中國(guó)相應(yīng)的男性假人矮了3.48%，體重輕了13.55%；中國(guó)人體與歐美人體各部位的比例差異也較大，中國(guó)中等尺寸男性上臂比美國(guó)中等尺寸男性上臂短了4.14%，坐姿膝蓋高度矮了12%；在生物力學(xué)特性方面差異也十分顯著，它直接影響人體耐受限度以及測(cè)試假人的評(píng)價(jià)指標(biāo)與限值。以胸部為例，中國(guó)人肋骨骨密質(zhì)厚度明顯小于美國(guó)人，這說(shuō)明：中國(guó)人的胸部在同樣的碰撞中比美國(guó)人更容易受到傷害。這種差異說(shuō)明了以“歐美人體”為保護(hù)對(duì)象的汽車安全設(shè)計(jì)不能真正保護(hù)“中國(guó)人體”；換言之，即由于“技術(shù)砝碼”的不準(zhǔn)確性，使得“美國(guó)砝碼”無(wú)法真實(shí)衡量中國(guó)的汽車安全。

（二）國(guó)外技術(shù)壟斷，核心技術(shù)受制于人

作為汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)“砝碼”的假人由美國(guó)獨(dú)家壟斷。相關(guān)汽車碰撞試驗(yàn)假人研究的滯后導(dǎo)致所有假人及其易損件主要依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)，而且自主品牌的開發(fā)成本和周期受制于人。為了打破壟斷，占據(jù)主動(dòng)，當(dāng)務(wù)之急就是要加快開發(fā)符合中國(guó)體征的碰撞假人及其安全標(biāo)準(zhǔn)體系，其理應(yīng)成為我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略舉措。

我國(guó)目前擁有世界最大的汽車市場(chǎng)，汽車保有量達(dá)2億輛，注冊(cè)駕駛員4億人。如此龐大的汽車保有量，所有的汽車安全設(shè)計(jì)均以保護(hù)“歐美人”而非“中國(guó)人”為設(shè)計(jì)目標(biāo)，使得以國(guó)外碰撞試驗(yàn)假人為車輛安全設(shè)計(jì)基準(zhǔn)暴露出的問題隨汽車保有量的增加而更加突出。

三、開發(fā)符合中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人及其標(biāo)準(zhǔn)的必要性和可行性

（一）中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人開發(fā)必要性分析

中國(guó)人體體征與歐美人體體征無(wú)論是從外在特征，還是內(nèi)在特性上都與相應(yīng)的中國(guó)人體有較大差異，二者對(duì)汽車安全設(shè)計(jì)的影響較大，直接影響到汽車的約束系統(tǒng)和安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。主要差異分為以下三個(gè)方面。

1. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異性

混III 50百分位假人是根據(jù)歐美50百分位人體尺寸設(shè)計(jì)的，其身高為1.76 m，體重為78 kg，與中國(guó)人體的體型（身高為1.69 m，體重為69 kg）差異較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)有所不同。計(jì)算機(jī)仿真分析表明，在汽車碰撞試驗(yàn)中，中國(guó)人體的假人損傷響應(yīng)和混III假人的損傷響應(yīng)存在明顯差異，因此，直接采用混III 假人進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)會(huì)導(dǎo)致開發(fā)出來(lái)的乘員約束系統(tǒng)不能對(duì)中國(guó)人體實(shí)現(xiàn)最佳保護(hù)。在軌道交通及航空航天領(lǐng)域，采用歐美人體假人進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)同樣難以開發(fā)出適用于中國(guó)人體的最佳防護(hù)措施。

2. 力學(xué)性能差異性

歐美人體與中國(guó)人體的差異不僅僅會(huì)影響到兩者在受力時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。研究表明，身材不同，骨骼結(jié)構(gòu)也存在明顯差異，致使兩者的力學(xué)特性存在差異，影響人體損傷機(jī)理及耐受限度。形態(tài)統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究表明，人體的一些特征參數(shù)，包括身高、體重以及年齡等對(duì)人體骨骼的尺寸和形狀有著重要的影響，例如隨著身材的變化，肋骨的橫截面積、胸腔的寬度和厚度、盆骨的高度和寬度以及上下肢骨骼的橫截面積和長(zhǎng)度都有顯著的變化，而相應(yīng)的仿真研究以及尸體試驗(yàn)的結(jié)果表明，這些幾何形態(tài)上的差異影響著事故中人體的損傷部位以及損傷的嚴(yán)重程度。同時(shí)，中西方人群在骨骼的材料參數(shù)上也有較大的差異，研究表明，東方女性相比于西方女性而言，盆骨的骨密度較高而脊椎的骨密度較低，因此，人體對(duì)于外力的耐受程度也會(huì)隨著相應(yīng)材料參數(shù)的變化而改變。

3. 軀干生物逼真度有限

雖然現(xiàn)有假人的胸部生物特性是基于人體胸部正面撞擊響應(yīng)數(shù)據(jù)而開發(fā)的，但其胸部仿生結(jié)構(gòu)的生物逼真度仍有其局限性。如假人胸部肋骨的仿生結(jié)構(gòu)與人體肋骨的結(jié)構(gòu)存在較大差異，只能在較大面積的鈍性撞擊時(shí)反映人體的響應(yīng)，而在小面積撞擊及側(cè)向或斜向撞擊時(shí)，不能準(zhǔn)確反映人體的受力特性。另外，假人的脊椎是用整塊剛性結(jié)構(gòu)與橡膠腰椎來(lái)模擬的，只能反映人體在大范圍彎曲時(shí)的特性；同時(shí)，研究表明人體在坐姿條件下其腰椎是向前彎曲的，而現(xiàn)有假人的腰椎則是向后彎曲，這會(huì)導(dǎo)致假人與真人產(chǎn)生不一致的上半身動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

為更加有效降低我國(guó)駕乘人員在交通事故中的傷亡率，充分保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，推動(dòng)我國(guó)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高我國(guó)汽車工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，研究開發(fā)、制定和推廣符合中國(guó)人體體征的碰撞試驗(yàn)假人及其標(biāo)準(zhǔn)就顯得尤為迫切。

（二）中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人開發(fā)可行性分析

假人最早應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，經(jīng)過十多年的發(fā)展，逐漸的應(yīng)用于汽車、航空、體育和醫(yī)用領(lǐng)域。由企業(yè)主導(dǎo)轉(zhuǎn)為政府主導(dǎo)，同時(shí)，假人在不斷的發(fā)展，更強(qiáng)調(diào)地區(qū)的適用性，如美國(guó)人現(xiàn)在肥胖化、老齡化比較嚴(yán)重，其逐步開始研發(fā)肥胖假人和老年假人。國(guó)內(nèi)在2000年開始研制假人，更多的是模仿和探索，只是造出一個(gè)樣子，而沒有考慮中國(guó)人的外在體征和內(nèi)在體征。

盡管國(guó)內(nèi)在碰撞假人開發(fā)方面有一定的基礎(chǔ)，也進(jìn)行過初步的探索，但是并沒有取得相應(yīng)的成功，根源在于我國(guó)缺乏相關(guān)的頂層設(shè)計(jì)，沒有明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，缺乏總體規(guī)劃，從而造成了各自為戰(zhàn)、研究不深入及重復(fù)研究的不利局面，假人的推廣應(yīng)用問題也未能得到根本性的解決。從關(guān)鍵技術(shù)研究到研發(fā)設(shè)計(jì)，從生產(chǎn)制造到性能驗(yàn)證，再到標(biāo)準(zhǔn)的制定等資源分布在不同的機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行充分的協(xié)調(diào)與合作才能完成中國(guó)體征碰撞假人的開發(fā)。其根源在于缺乏政府主導(dǎo)，協(xié)調(diào)行業(yè)的一個(gè)組織。

由中國(guó)汽車技術(shù)研究中心聯(lián)合國(guó)內(nèi)整車企業(yè)、大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)共同發(fā)起成立工作組。工作組的成立有助于充分發(fā)揮全行業(yè)資源，發(fā)揮不同研究領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)研發(fā)和制定符合中國(guó)體征的碰撞測(cè)試假人及其標(biāo)準(zhǔn)體系具有十分重要的意義，同時(shí)也有助于提升中國(guó)在汽車安全領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和標(biāo)準(zhǔn)話語(yǔ)權(quán)。

四、開發(fā)符合中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人的技術(shù)路徑

中國(guó)假人的開發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程，具有技術(shù)復(fù)雜性及多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，單純模仿國(guó)外已有假人不能從根本上解決問題。本項(xiàng)目將充分依托中國(guó)體征碰撞假人工作組的優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)格遵循智能技術(shù)高度集成、制造產(chǎn)業(yè)高端發(fā)展的產(chǎn)品發(fā)展新模式，在未來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)適用性、市場(chǎng)不可替代性的高質(zhì)量、智能化的中國(guó)假人系列總體開發(fā)目標(biāo)。

中國(guó)體征碰撞假人初步開發(fā)技術(shù)方案包括以下六個(gè)方面。

（一）開發(fā)思路

第一，要有中國(guó)特色，符合中國(guó)人體體征，滿足中國(guó)人體外部尺寸特征及內(nèi)在生物力學(xué)響應(yīng)特征；第二，要有技術(shù)的超越，在繼承中創(chuàng)新，考慮與國(guó)外假人及其標(biāo)準(zhǔn)的銜接性，解決現(xiàn)有假人存在的技術(shù)問題；第三，要另辟蹊徑，結(jié)合中國(guó)實(shí)際道路交通事故現(xiàn)狀，滿足新型測(cè)試工況要求。

（二）開發(fā)原則

第一，政府主導(dǎo)、開放合作：充分發(fā)揮政府主導(dǎo)作用，加強(qiáng)開放合作，調(diào)動(dòng)各方積極性，多元參與，遵循市場(chǎng)規(guī)律，確保各項(xiàng)任務(wù)落到實(shí)處，實(shí)現(xiàn)多方共贏；第二，目標(biāo)清晰，注重實(shí)效：依據(jù)國(guó)情設(shè)定切實(shí)可行目標(biāo)，大力推進(jìn)技術(shù)、應(yīng)用、管理以及體制的創(chuàng)新發(fā)展，不斷提高工作組運(yùn)行效率和技術(shù)合作水平，促進(jìn)假人開發(fā)項(xiàng)目協(xié)調(diào)發(fā)展；第三，總體規(guī)劃，分步實(shí)施：結(jié)合中國(guó)假人的目標(biāo)與任務(wù)，構(gòu)建短期和長(zhǎng)期研究任務(wù)，制定總體發(fā)展規(guī)劃框架，遵循技術(shù)向行業(yè)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，集中力量實(shí)施重點(diǎn)突破；第四，創(chuàng)新優(yōu)化，協(xié)同發(fā)展：推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用、商業(yè)模式、行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和制度創(chuàng)新，充分發(fā)揮工作組指導(dǎo)與協(xié)調(diào)作用，推動(dòng)中國(guó)假人開發(fā)工作又好又快發(fā)展。

（三）總體目標(biāo)

規(guī)劃分為長(zhǎng)期規(guī)劃和短期規(guī)劃。長(zhǎng)期規(guī)劃大約需要10年，短期規(guī)劃則為3年。前期分三個(gè)階段來(lái)完成，第一個(gè)階段是完成關(guān)鍵技術(shù)與方法研究：包括交通事故與損傷研究；中國(guó)人體體型參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析；完善優(yōu)化各領(lǐng)域資源；初步掌握假人開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)；形成假人開發(fā)整體流程。目標(biāo)是在繼承中創(chuàng)新：一是要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有假人坐姿的優(yōu)化；二是建立符合中國(guó)交通事故特征的假人模型。第二個(gè)階段是完善假人開發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)研究：包括中國(guó)人體生物力學(xué)研究；材料生物等效技術(shù)；傳感信息融合技術(shù)；仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；仿真模型開發(fā)技術(shù)；開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)外兼修：一是實(shí)現(xiàn)對(duì)坐姿假人的開發(fā)；二是完善符合中國(guó)交通事故特征的假人模型；三是適用主被動(dòng)安全相結(jié)合的測(cè)試假人。第三個(gè)階段是完成示范推廣與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用：包括開展假人測(cè)試評(píng)價(jià)方法研究；示范推廣應(yīng)用；制定標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于假人系列化：一是要實(shí)現(xiàn)中國(guó)碰撞假人系列化的發(fā)展；二是實(shí)現(xiàn)汽車安全測(cè)試法規(guī)與評(píng)價(jià)規(guī)程應(yīng)用。

（四）開發(fā)體系

開發(fā)體系，即保障與運(yùn)維管理體系，由技術(shù)層、平臺(tái)層、政策層和保障層四個(gè)層級(jí)來(lái)統(tǒng)籌。技術(shù)層從假人開發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)研究、示范應(yīng)用三個(gè)領(lǐng)域開展；平臺(tái)層包括關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)研究、應(yīng)用推廣三個(gè)平臺(tái)及大數(shù)據(jù)和測(cè)試評(píng)價(jià)兩個(gè)中心；政策層由國(guó)家創(chuàng)新型發(fā)展戰(zhàn)略、工業(yè)和信息化部委托、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)委托三個(gè)層面支撐；保障層分為政策保障、技術(shù)保障、組織保障、監(jiān)督保障。

（五）重點(diǎn)任務(wù)

重點(diǎn)任務(wù)的選取依據(jù)：一是服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)問題；二是為跨行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供亟需解決的前瞻性、基礎(chǔ)性支持服務(wù)；三是為不同企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)提供跨領(lǐng)域的共性交叉基礎(chǔ)模塊、中間組建和通用平臺(tái)；四是整合優(yōu)勢(shì)資源，分工合作。

假人開發(fā)的首批重點(diǎn)任務(wù)包括中國(guó)道路交通事故研究、中國(guó)人體損傷生物力學(xué)、仿生結(jié)構(gòu)與先進(jìn)制造、傳感與信號(hào)融合技術(shù)、新型替代材料技術(shù)五大共性關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)研究平臺(tái)、應(yīng)用推廣平臺(tái)三大平臺(tái)，以及大數(shù)據(jù)（事故數(shù)據(jù)、傷害數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)）和測(cè)試評(píng)價(jià)（標(biāo)定測(cè)試、生物仿真度評(píng)價(jià)、試驗(yàn)評(píng)價(jià)）兩大中心。

五、結(jié)語(yǔ)

開發(fā)“中國(guó)假人”及其標(biāo)準(zhǔn)需求迫切，是保障我國(guó)駕乘人員生命安全、解決核心技術(shù)受制于人的重要舉措。碰撞假人開發(fā)是個(gè)系統(tǒng)工程，開發(fā)具有技術(shù)復(fù)雜性和多學(xué)科交叉性的特點(diǎn)，亟需集行業(yè)之力整合資源，聯(lián)合攻關(guān)，開展大量的技術(shù)研究。研究?jī)?nèi)容隸屬交通領(lǐng)域公共服務(wù)平臺(tái)，政府應(yīng)加大重視與支持力度。符合中國(guó)體征碰撞測(cè)試假人的開發(fā)路徑，應(yīng)由國(guó)家層面推動(dòng)，其標(biāo)準(zhǔn)體系也應(yīng)成為我國(guó)由汽車大國(guó)成為汽車強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略舉措。