預(yù)碰撞下的乘員保護(hù)與主被動(dòng)安全融合技術(shù)的發(fā)展

唐洪斌

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春130013）

主題詞：主被動(dòng)安全融合 預(yù)碰撞 乘員保護(hù)

1 前言

隨著車輛中主動(dòng)安全技術(shù)的應(yīng)用，道路交通安全得到了一定的改善，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)乘員安全全方位碰撞保護(hù)，近年來(lái)又提出了主被動(dòng)安全融合技術(shù)的概念。本文主要介紹主被動(dòng)安全技術(shù)融合概念的提出，以及國(guó)內(nèi)外在預(yù)碰撞下乘員保護(hù)的研究方向和進(jìn)展?fàn)顟B(tài)。通過(guò)歸類整理可確定未來(lái)主被動(dòng)安全技術(shù)初步融合的技術(shù)路線，為深度融合技術(shù)的發(fā)展打下技術(shù)基礎(chǔ)。

2 主被動(dòng)安全技術(shù)融合的提出

車輛碰撞安全技術(shù)包括被動(dòng)安全技術(shù)和主動(dòng)安全技術(shù)。被動(dòng)安全技術(shù)主要是在發(fā)生碰撞事故中或后對(duì)乘員進(jìn)行的保護(hù)，包括安全氣囊、安全帶、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、安全座椅等系統(tǒng)；主動(dòng)安全技術(shù)主要是在碰撞發(fā)生前，對(duì)可能發(fā)生的碰撞提前進(jìn)行感知，對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒或采取措施，避免碰撞事故的發(fā)生，包括ABS、ESC、AEB、FCW、LDW等系統(tǒng)。

在實(shí)際交通中，有些碰撞事故是不可避免的，為了更好地對(duì)乘員進(jìn)行保護(hù)，逐漸產(chǎn)生了被動(dòng)安全與主動(dòng)安全相互融合的需求。 隨著被動(dòng)安全和主動(dòng)安全裝備的裝配率逐年上升（圖1），對(duì)乘員的致死率將產(chǎn)生積極的影響（圖2）[1]。2019 年清華大學(xué)首次對(duì)中國(guó)AEB 使用有效性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并創(chuàng)新性地分析了氣候、光照、速度、激活率等關(guān)鍵因素的影響。結(jié)果表明，AEB 系統(tǒng)能顯著提高我國(guó)道路交通安全水平。與無(wú)AEB 的預(yù)計(jì)傷亡人數(shù)相比，考慮到該系統(tǒng)的局限性，包括天氣、光照和速度條件，以及激活率，中國(guó)2030 年潛在死亡和傷害的實(shí)際減少百分比分別為3.12%和2.72%，這意味著2030 年中國(guó)可避免1 483 人死亡和3 895 人受傷[2]。同時(shí)C-NCAP、Euro NCAP 針對(duì)AEB 評(píng)價(jià)的增加，也加速了AEB 裝置在車輛上的應(yīng)用。而主動(dòng)安全中AEB 功能是避免碰撞的重要措施之一，同時(shí)也是與被動(dòng)安全技術(shù)融合度最大的技術(shù)手段。針對(duì)正面碰撞在AEB 作用下，由于人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與常規(guī)碰撞時(shí)不同，需在安全氣囊形態(tài)、安全帶類型、安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻和主動(dòng)安全座椅等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化，提升乘員的保護(hù)效果，避免發(fā)生二次傷害。

圖1 安全裝備在車輛上的裝配率預(yù)測(cè)[1]

圖2 安全裝備對(duì)致死率影響的預(yù)測(cè)[1]

2006 年TAKATA 公司提出傳統(tǒng)被動(dòng)安全技術(shù)將向預(yù)碰撞時(shí)刻前延，形成預(yù)定位、自適應(yīng)約束系統(tǒng)等裝置，使其與輔助制動(dòng)裝置共同參與完成碰撞前乘員的位置控制，并延續(xù)保護(hù)功能到碰撞發(fā)生過(guò)程當(dāng)中（圖3）[3]。2008 年Autoliv 提出了主被動(dòng)安全電子集成技術(shù)。2009 年奔馳公司在其2003 年提出的預(yù)碰撞系統(tǒng)PRE-SAFE?基礎(chǔ)上，在ESF 2009 車型上體現(xiàn)了主被動(dòng)安全的融合概念（圖4）[4]。2015 年TASS 公司提出了集成安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與工具鏈（圖5）[5]。2016 年DAIMLER AG 公司在預(yù)碰撞系統(tǒng)PRE-SAFE?基礎(chǔ)上提出了側(cè)面碰撞主被動(dòng)安全集成保護(hù)策略（圖6）[6]。

圖3 TAKATA主被動(dòng)安全作用時(shí)序[3]

圖4 奔馳公司主被動(dòng)安全融合方式[4]

圖5 TASS公司集成安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與工具鏈[5]

圖6 DAIMLER AG公司在預(yù)碰撞系統(tǒng)PRE-SAFE?基礎(chǔ)上的側(cè)面保護(hù)策略[6]

3 基于預(yù)碰撞作用下被動(dòng)安全系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 預(yù)碰撞作用下安全氣囊的改變

由于預(yù)碰撞作用下，乘員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的不同，以及出于對(duì)不同類型乘員的保護(hù)，需要對(duì)安全氣囊進(jìn)行優(yōu)化或改變。

Autoliv 公司提出了一種雙側(cè)雙級(jí)肩部安全氣囊，與具有限力裝置的安全帶系統(tǒng)整合為一體，固定在座椅靠背2 側(cè)（圖7）。針對(duì)此方案分別對(duì)Hybrid Ⅲ5%、Hybrid Ⅲ95%和THOR 50%假人，座椅靠背角度為23°和45°狀態(tài)進(jìn)行了正面剛性墻56 km/h 碰撞和NHTSA正面偏置90 km/h 碰撞。結(jié)果表明除了在正面偏置碰撞中HIC和Nij有增加，其它傷害值均有下降[7]。

圖7 Autoliv公司雙側(cè)雙級(jí)肩部安全氣囊[7 ]

Hyundai 公司對(duì)64 km/h 沒有AEB 作用和40 km/h有AEB 作用下的5%假人，采用原安全氣囊和新開發(fā)的安全氣囊進(jìn)行了對(duì)比分析。新開發(fā)的安全氣囊采用3 個(gè)面來(lái)限制駕駛員側(cè)安全氣囊初級(jí)階段（約0.015 s）X 方向展開長(zhǎng)度（圖8）。在仿真分析中，AEB起作用的情況下，采用原安全氣囊，HIC 和Nij 值分別上升了54%和26%；AEB 起作用的情況下，采用TYPE A 型安全氣囊，HIC 和Nij 值分別降低了16%和10%。在臺(tái)車試驗(yàn)驗(yàn)證中，在AEB作用下，采用TYPE A 型安全氣囊，頸部FZ降低了30%，頸部力矩下降了45%[8]。

圖8 Hyundai公司駕駛員側(cè)安全氣囊[8]

Hyundai 公司開發(fā)了可重復(fù)使用的氣囊和座椅裝置，充氣裝置采用緊湊型混合式和冷氣體。氣囊墊有肋骨氣墊、座椅靠背氣墊、座墊氣墊和組合氣墊（圖9）。通過(guò)提前識(shí)別側(cè)面碰撞，在碰撞發(fā)生前觸發(fā)裝置，使乘客向內(nèi)和上偏轉(zhuǎn)，達(dá)到改變乘員的位置，增大生存空間，降低車輛侵入造成乘員傷害的目的[9]。

3.2 預(yù)碰撞作用下安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻的變化

Honda 公司通過(guò)使用ADAS 集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞時(shí)刻的提前檢測(cè)。針對(duì)不同的碰撞模式，安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻TTF均可以實(shí)現(xiàn)不同程度的提前。如50 km/h 碰撞模式下，TTF 可以比傳統(tǒng)TTF 提前約0.007 s 到0.016 s。針對(duì)重疊度為80%的碰撞，頭部加速度明顯下降，HIC 值下降了27%[10]。同時(shí)通過(guò)增加初始約束或增加裝置吸收碰撞能量會(huì)減少乘員的傷害（圖10）。

圖9 Hyundai公司采用可重復(fù)使用的氣囊和座椅裝置，在碰撞發(fā)生前改變乘員的位置[9]

圖10 Honda公司對(duì)ADAS下TTF時(shí)刻調(diào)整的影響分析[10]

3.3 預(yù)碰撞作用下電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶的影響分析

Autoliv 公司在56 km/h 的剛性壁碰撞中，驗(yàn)證了通過(guò)在碰撞前AEB 起作用（1 g，1 s）時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶來(lái)減少安全帶松弛量，可以減少胸部壓縮量和受傷風(fēng)險(xiǎn)；并通過(guò)碰撞中觸發(fā)煙火式預(yù)緊安全帶，可以進(jìn)一步減少胸部壓縮量。針對(duì)100 mm 的松弛量，當(dāng)同時(shí)具有煙火式預(yù)緊安全帶和電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶時(shí)，具有電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶可以比沒有的降低胸部壓縮量6 mm，預(yù)緊力分別為300 N和600 N時(shí)，對(duì)應(yīng)條件下分別可降低胸部壓縮量2 mm和5 mm。當(dāng)無(wú)煙火式預(yù)緊安全帶，只有電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶時(shí)，預(yù)緊力分別為300 N 和600 N 時(shí)，對(duì)應(yīng)條件下分別可降低胸部壓縮量5 mm和7 mm[11]。

湖南大學(xué)研究了在只有AEB 作用下4 種離位假人（OOP01上身直立，后背離開座椅靠背；OOP02坐直的基礎(chǔ)上整個(gè)身體向前移動(dòng)56 mm；OOP03 和OOP04為乘員上身分別向左或向右傾斜約15°）與電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶之間的關(guān)系。隨可逆預(yù)緊觸發(fā)時(shí)刻的增加，乘員傷害值和傷害概率增加，0.2 s 以后增加的速度更快；隨預(yù)緊力的增大，乘員傷害值和傷害概率降低，150 N 以后降低的速度減慢。在只有AEB 的作用下無(wú)電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶時(shí)，會(huì)增加乘員的離位，尤其是初始坐姿為離位狀態(tài)時(shí)更加嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致局部傷害增加，尤其是胸部傷害。在AEB 和電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶的聯(lián)合作用下，各種坐姿下由AEB 導(dǎo)致的離位得到改善，對(duì)于OOP02和OOP03坐姿還能起到糾正初始離位的作用，各部位傷害值和傷害風(fēng)險(xiǎn)也明顯降低，初始離位坐姿越嚴(yán)重的，傷害風(fēng)險(xiǎn)降低越明顯[12]。

重慶大學(xué)研究了5 種離位假人（SP01 正常坐姿；SP02 頭部前傾；SP03 頭部后仰；SP04 身體向左傾斜；SP05 身體向右傾斜）與電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶之間的關(guān)系。SP01～SP04 坐姿下，AEB 與電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶共同作用糾正了乘員離位，降低了乘員總體碰撞傷害風(fēng)險(xiǎn)。但是在SP05 坐姿下，AEB 與電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶共同作用對(duì)乘員的傷害減低效果十分有限[13]。

3.4 預(yù)碰撞作用下被動(dòng)安全系統(tǒng)其它參數(shù)的影響分析

Hyundai 公司與TASS 公司聯(lián)合通過(guò)AEB 制動(dòng)策略、電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶（啟動(dòng)時(shí)間、安全帶織帶張力、無(wú)安全帶狀態(tài)）、安全氣囊形狀和控制、座椅向后的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向盤前向的運(yùn)動(dòng)等多參數(shù)的分析，確定了在高速碰撞不可避免的情況下，主動(dòng)安全系統(tǒng)與被動(dòng)安全系統(tǒng)之間的協(xié)同控制分析方法。在主動(dòng)安全仿真中，建立了碰撞前車輛模型與實(shí)際車輛較好的相關(guān)性。在被動(dòng)安全性仿真中，根據(jù)不同的制動(dòng)策略生成車輛的運(yùn)動(dòng)，再現(xiàn)Hybrid Ⅲ假人和AHM（主動(dòng)人體模型）的運(yùn)動(dòng)和傷害，以及與氣囊展開的關(guān)系。利用電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶和AEB 制動(dòng)類型（階梯式和斜坡式）的參數(shù)變化，對(duì)乘員傷害進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，由于電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶的約束作用，AEB 制動(dòng)策略對(duì)頭部的運(yùn)動(dòng)影響不大；然而AEB 制動(dòng)類型對(duì)HIC15 有較大的影響。在完全制動(dòng)之前，雖然越早觸發(fā)電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶產(chǎn)生的頭部前向運(yùn)動(dòng)越小，但是對(duì)頭和頸部的傷害值影響較小。針對(duì)兩種拉伸力的安全帶，在傷害值上無(wú)明顯的區(qū)別。安全帶和安全氣囊的早期約束對(duì)胸部位移和頭部最大加速度有積極影響；但安全帶和安全氣囊的不同設(shè)計(jì)因素可以改變這一點(diǎn)，當(dāng)排氣孔尺寸和乘客安全氣囊尺寸增大時(shí)，傷害風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增大。若駕駛員的手與轉(zhuǎn)向盤未相連時(shí)，頭部前向移動(dòng)大約40～56 mm，當(dāng)手與轉(zhuǎn)向盤相連時(shí)，駕駛員頭部移動(dòng)的更大，這是因?yàn)轭^部被手向前拉。在40 km/h的無(wú)安全帶模式下，由于碰撞前的運(yùn)動(dòng)和離位狀態(tài)，頭部和擋風(fēng)玻璃、胸部和儀表板防撞墊之間會(huì)出現(xiàn)擊穿的情況。安全氣囊TTF 在降低受傷風(fēng)險(xiǎn)方面發(fā)揮著重要作用。乘客座椅向后運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向盤向前運(yùn)動(dòng)并不能改善系安全帶乘員的整體傷害值[14]。

4 基于預(yù)碰撞作用下的主被動(dòng)安全的預(yù)測(cè)技術(shù)

單一參數(shù)的變化會(huì)對(duì)最終乘員的傷害值有一定的影響趨勢(shì)，多參數(shù)和多系統(tǒng)綜合作用才是乘員傷害的最終結(jié)果。目前已有相關(guān)學(xué)者開展了研究工作，下面簡(jiǎn)單介紹幾種基于預(yù)碰撞作用下的主被動(dòng)安全的預(yù)測(cè)技術(shù)的基本情況。

HYUNDAI MOBIS 公司應(yīng)用MiLS 的概念，通過(guò)集成MATLAB/Simulink（控制器模型）、CarSim（車輛和執(zhí)行器模型）、PreScan（駕駛環(huán)境和傳感器模型），并利用基于Euro NCAP AEB 驗(yàn)證場(chǎng)景的實(shí)際車輛測(cè)試數(shù)據(jù)、MiLS 結(jié)果，建立了AEB 邏輯的仿真環(huán)境。通過(guò)電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶與乘員分析模型的協(xié)同仿真進(jìn)行AEB制動(dòng)策略及其作用下乘客行為的預(yù)測(cè)[15]。

清華大學(xué)采用基于支持向量機(jī)的方法，選擇Yaris 約束模型作為基礎(chǔ)模型，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)與仿真的傷害曲線進(jìn)行驗(yàn)證，使用兩種折衷方法比較有和沒有AEB 的車輛中乘員的響應(yīng)，以確定AEB 造成的附加傷害[16]。以制動(dòng)加速度和制動(dòng)時(shí)間為輸入，以5 個(gè)分割區(qū)域?yàn)檩敵?，?duì)支持向量機(jī)模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證。對(duì)5 個(gè)分割區(qū)域的Ride-down 效率和傷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算和比較，選出Ride-down 效率高、整體傷害風(fēng)險(xiǎn)低的最佳區(qū)域。在支持向量機(jī)模型和最佳區(qū)域的基礎(chǔ)上，對(duì)AEB 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到在最佳區(qū)域和參數(shù)邊界上的最大delta-V，以確定最優(yōu)解（圖11）。

圖11 清華大學(xué)采用基于支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)方法[16]

Volvo 公司對(duì)Volvo 汽車交通事故數(shù)據(jù)庫(kù)VCTAD（Volvo Cars traffic accident database）中的碰撞進(jìn)行了分類，并選取LT/OD（Left Turn/Oncoming Direction）碰撞模式。在每個(gè)案例的碰撞前階段進(jìn)行詳細(xì)的碰撞案例分析，并從所有案例中生成數(shù)據(jù)集。在這個(gè)數(shù)據(jù)集中，每一個(gè)案例碰撞前15 s 或接近碰撞時(shí)都以THd（Time History data）格式進(jìn)行數(shù)字描述，每個(gè)時(shí)間步都描述了車輛的軌跡、道路環(huán)境、參與者及其特征，總共包含940 個(gè)案例用于模擬[17]。在基礎(chǔ)模型設(shè)置中，主車碰撞速度范圍為4～30 km/h，對(duì)手車碰撞速度范圍為4～131 km/h。通過(guò)AEB 系統(tǒng)的策略控制，第一種情況為可以完全避免碰撞，第二種情況為AEB 系統(tǒng)不起作用，第三種情況為AEB 系統(tǒng)起作用但還是發(fā)生了碰撞。針對(duì)第三種情況利用描述方法VPARCC（Volvo PARametric Crash Configuration）和SOCKIMO（Simplified Occupant Kinematics Model）對(duì)產(chǎn)生碰撞的案例進(jìn)行詳細(xì)分析，并規(guī)劃為典型情況。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)模型SOCKIMO（Simplified OCcupant KInematics MOdel）過(guò)濾掉頭部偏移量大于150 mm 的情況。在主車內(nèi)使用SAFER HBM 假人模型進(jìn)行模擬，對(duì)具有PCVK(Pre-Crash Vehicle Kinematics)和碰撞波形的狀態(tài)進(jìn)行組合分析，以此確定AEB 作用下主車內(nèi)乘員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)傷害值可以進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化分析（圖12）。

圖12 Volvo公司綜合虛擬工具鏈的主被動(dòng)安全集成策略[17]

德累斯頓理工大學(xué)交通事故研究所（VUFO）開發(fā)了一種數(shù)值模擬方法，可以預(yù)測(cè)主被動(dòng)安全融合系統(tǒng)在早期激活的時(shí)刻；也可用于評(píng)估轉(zhuǎn)向與制動(dòng)等避碰策略，以及高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的參數(shù)化。VUFO 應(yīng)用IPG 公司的Carmaker，在MATLAB/ Simulink 的仿真環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了8 種事故類型在特定時(shí)刻的車輛行為參數(shù)的變化。為了節(jié)省計(jì)算的時(shí)間，使用了3 種方法的組合(規(guī)定的避讓動(dòng)作順序：全制動(dòng)優(yōu)先--避讓第二--加速最后、對(duì)分法和固定步長(zhǎng)法)對(duì)1 019 個(gè)事故進(jìn)行了模擬分析，計(jì)算精度達(dá)到0.010。計(jì)算出的碰撞不可避免的預(yù)測(cè)時(shí)刻PONR（POINT OF NO RETURN（圖13）分布在0.6～0.9 s 范圍內(nèi)，可以起到較好的保護(hù)效果；當(dāng)?shù)陀?.3 s 時(shí)代表低速事故，對(duì)乘員的影響較?。桓哂?.6 s 很少發(fā)生[18]。在大多數(shù)情況下，被動(dòng)安全措施在碰撞即將發(fā)生前0.3～1.1 s 啟動(dòng)，以達(dá)到早期激活安全系統(tǒng)，使車輛在較長(zhǎng)距離內(nèi)對(duì)速度進(jìn)行逐級(jí)減速，避免人體承受峰值負(fù)荷，減少胸部和頭部的傷害。

圖13 ACEA（歐洲汽車工業(yè)協(xié)會(huì)）安全模型的事故時(shí)序[18]

5 結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)通過(guò)避免碰撞或減輕碰撞，在很大程度上有助于減少乘員的傷害，然而并不能完全消除碰撞事故的發(fā)生。在預(yù)碰撞系統(tǒng)起作用后，安全氣囊展開之前車輛俯仰加劇、乘員前向運(yùn)動(dòng)增大，將導(dǎo)致乘員頭頸部傷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步升高。為降低風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)專業(yè)人員已開展了研究工作，分析工況主要集中在剛性墻碰撞或偏置碰撞，碰撞速度為AEB（1 g，1 s）起作用下的30～40 km/h 或56 km/h；優(yōu)化參數(shù)主要集中在安全氣囊、安全帶、座椅、轉(zhuǎn)向盤、AEB 的控制類型和AEB的控制策略。研究結(jié)果表明，在AEB起作用的情況下，通過(guò)采用電動(dòng)預(yù)張緊式安全帶、感知最終碰撞事故發(fā)生促使安全氣囊點(diǎn)火時(shí)間提前、采用新的安全氣囊型式均可以有效地降低乘員的頭部和胸部傷害值；AEB 制動(dòng)策略影響較小，但制動(dòng)類型對(duì)HIC15影響較大；座椅向后運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向盤前向的運(yùn)動(dòng)影響較小。根據(jù)目前的研究成果，后續(xù)還需深入開展主被動(dòng)安全預(yù)測(cè)技術(shù)研究，精準(zhǔn)感知不可避免碰撞事故的發(fā)生，為被動(dòng)安全提早產(chǎn)生作用提供前提條件；開展多參數(shù)和多系統(tǒng)綜合作用的影響分析，確定最優(yōu)保護(hù)策略；增加彎道、車輛切入等工況不可避免事故的研究，進(jìn)一步降低乘員可能傷害的風(fēng)險(xiǎn)。