基于事故重建的行人與騎車人頭部損傷的差異性

徐洪震，王 方，胡 林，王 振，李 凡

（1. 廈門(mén)理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門(mén)，361024，中國(guó)；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410114，中國(guó)；3. 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙，410082，中國(guó)）

據(jù)世衛(wèi)組織 (World Health Organization, WHO)2018年報(bào)道[1]: 全球每年約有135萬(wàn)人死于道路交通事故，一半以上是易受傷害道路使用者（vulnerable road user, VRU），行人死亡率23%，兩輪車騎車人死亡率更是高達(dá)30%。中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示[2]: 2015—2019年，摩托車、電動(dòng)車、自行車的事故數(shù)量和傷亡人數(shù)均有上升，見(jiàn)圖1。因此，對(duì)兩輪車事故開(kāi)展深入研究，對(duì)改善交通安全具有重要意義。

行人作為最易受傷的弱勢(shì)道路使用者[1]，受到廣泛關(guān)注。為了提高車輛的行人防護(hù)性能，已有學(xué)者做了努力[3-4]，并通過(guò)深入的事故數(shù)據(jù)調(diào)查、尸體實(shí)驗(yàn)、假人實(shí)驗(yàn)以及仿真分析等方法研究了交通事故中行人的頭部損傷來(lái)源、生物力學(xué)響應(yīng)及損傷機(jī)理[5-7]。2003年歐洲新車評(píng)估程序（European New Car Assessment Program，Euro-NCAP）發(fā)布行人保護(hù)測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程，其中針對(duì)最易導(dǎo)致行人嚴(yán)重傷害和死亡的頭部，規(guī)程中采用簡(jiǎn)化的頭部沖擊器撞擊車輛前部特定區(qū)域，以評(píng)估車輛對(duì)行人頭部損傷防護(hù)性能。

研究人員關(guān)注兩輪車騎車人的損傷防護(hù)，考慮建立相應(yīng)的測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程以評(píng)估車輛對(duì)其是否友好[8]。人們嘗試?yán)砬逍腥伺c兩輪車騎車人頭部在與車輛發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞邊界條件和損傷響應(yīng)上的差異，以評(píng)估沖擊器實(shí)驗(yàn)方式是否適用于騎兩輪車人的頭部保護(hù)。

Maki等[9]通過(guò)對(duì)日本交通事故研究與數(shù)據(jù)分析研究所(Institute for Traffic Accident Research and Data Analysis, ITARDA)提供的VRU事故數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，并開(kāi)展數(shù)學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)騎車人的頭部碰撞位置和碰撞角度與行人相比有很大差異性。

彭勇等[10]從“德國(guó)深入交通事故研究(German indepth accident study, GIDAS)” 數(shù)據(jù)庫(kù)中選取22例行人和18例自行車事故，進(jìn)行事故重建，其研究表明：自行車事故中車輛碰撞速度低于行人事故中的車輛碰撞速度，且騎車人頭部AIS2+和AIS3+損傷風(fēng)險(xiǎn)也都低于行人。其中： AIS（abbreviated injury scale）為簡(jiǎn)明損傷評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從無(wú)損傷到死亡，分為6級(jí)[11]，是全球通用的用于對(duì)損傷嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)級(jí)的方法。

聶進(jìn)等[12]統(tǒng)計(jì)分析了長(zhǎng)沙深入交通事故調(diào)查數(shù) 據(jù) 庫(kù)（in-depth investigation of vehicle accident in Changsha, IVAC）中的338例事故，選取12例行人事故和12例自行車事故進(jìn)行事故重建，其研究結(jié)果表明行人與汽車的頭部相對(duì)碰撞速度大于騎車人頭部相對(duì)碰撞速度。

現(xiàn)有文獻(xiàn)研究尚存在局限之處。多數(shù)研究均只用多剛體動(dòng)力學(xué)來(lái)闡述行人和騎車人頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)差異，很少關(guān)注腦組織損傷響應(yīng)，而實(shí)際上在VRU頭部損傷中，腦組織變形所致傷害已被證明是創(chuàng)傷性腦損傷的關(guān)鍵誘因[13]。另外，文獻(xiàn)中多采用多剛體動(dòng)力學(xué)獲得事故邊界條件，并將其加載至簡(jiǎn)易的頭部有限元模型，與車輛前部結(jié)構(gòu)碰撞，獲得腦損傷響應(yīng)數(shù)據(jù)[14-15]。該方法的主要局限在于其忽略了身體軀干對(duì)頭部響應(yīng)的影響，并導(dǎo)致低估事故中人體的顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn)[16-19]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于一系列真實(shí)的VRU與汽車碰撞事故，利用多剛體方法進(jìn)行事故重建，以獲取事故中碰撞邊界條件，并采用研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中所構(gòu)建的有限元-多剛體耦合人體模型對(duì)事故中的人體頭部/顱腦損傷進(jìn)行數(shù)值再現(xiàn)[20]，該模型可考慮身體軀干對(duì)頭部/顱腦損傷的影響，且相對(duì)于有限元人體模型，在模型的縮放、姿態(tài)調(diào)整和仿真計(jì)算方面具有顯著的時(shí)間效率優(yōu)勢(shì)?；谝陨戏抡娼Y(jié)果，從頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)和顱腦損傷響應(yīng)兩方面對(duì)兩輪車騎車人和行人事故進(jìn)行更加全面和深入的對(duì)比研究。

1 方法與材料

1.1 事故信息

有關(guān)車輛、行人、兩輪車騎車人和道路環(huán)境的詳細(xì)信息部分來(lái)源于長(zhǎng)沙深入交通事故調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)(IVAC)，共計(jì)選取14例兩輪車事故和17例行人事故。事故選擇依據(jù)如下原則：1） 所選事故能明確碰撞位置，能進(jìn)行事故重建；2） 行人和兩輪車騎車人都有頭部損傷；3） 兩輪車騎車人不戴頭盔。

1.2 事故重建

已廣泛應(yīng)用于人體損傷生物力學(xué)研究中的事故重建的流程如圖2所示[21]。

通常需要根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)草圖、事故中人員損傷相關(guān)信息、車輛相關(guān)信息、目擊者信息等，利用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件（如Madymo軟件，mathematical dynamic model)進(jìn)行事故重建。在重建過(guò)程中，通過(guò)將仿真結(jié)果與事故中車輛和VRU運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)、碰撞位置和最終落地位置等進(jìn)行比較，評(píng)估重建結(jié)果的有效性。本文所有事故的重建過(guò)程均在本團(tuán)隊(duì)的前期研究中完成[22]。

1.3 數(shù)值模型

1.3.1 多剛體人體模型

行人與騎車人模型采用Madymo軟件包中自帶的TNO人體模型，TNO為荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織（The Netherlands Organization For Applied Scientific Research），TNO行人模型已經(jīng)過(guò)尸體實(shí)驗(yàn)[23]、物理假人實(shí)驗(yàn)[24]和基于真實(shí)事故的仿真研究[25-27]進(jìn)行驗(yàn)證，且在行人事故重建和行人損傷研究中得到廣泛應(yīng)用。本文以TNO 的50th百分位成年男性模型和5th百分位成年女性模型作為基礎(chǔ)模型，如圖3所示。

在事故重建過(guò)程中，基于事故中的詳細(xì)人體參數(shù)（包括身高體重等），采用Madymo軟件中的人體縮放程序Gebod（generator of body data）對(duì)TNO標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行縮放，得到每個(gè)事故中VRU的個(gè)性化多體模型。

1.3.2 有限元-多剛體耦合人體模型

本文采用研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中所構(gòu)建的有限元-多剛體耦合人體模型來(lái)獲取事故中的顱腦損傷響應(yīng)參數(shù)，該模型可考慮身體軀干對(duì)頭部/顱腦損傷的影響，且已在前期研究中采用文獻(xiàn)中的尸體實(shí)驗(yàn)和真實(shí)的行人碰撞事故進(jìn)行了有效性驗(yàn)證[20,28]，該模型的構(gòu)成通過(guò)采用成熟的有限元頭頸模型結(jié)合多體軀干/下肢模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

1.3.3 車輛模型

事故中的兩輪車模型均采用Madymo軟件，用橢球形多剛體建立，建模所需的質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[29]確定，其他主要參數(shù)如外廓尺寸、軸距、質(zhì)量則參照事故中兩輪車的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

采用與上述類似的方法，事故中的汽車模型亦是根據(jù)實(shí)際車輛的具體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸在Madymo中用橢球模擬建立，汽車前部結(jié)構(gòu)的剛度特性參數(shù)均參考文獻(xiàn)[3,30]或Euro-NCAP中類似車型的試驗(yàn)結(jié)果[31]進(jìn)行定義。本文構(gòu)建的典型兩輪車模型和乘用車模型如圖5所示。

1.4 頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和顱腦損傷參數(shù)

在完成前期事故建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)重建和顱腦損傷再現(xiàn)后，本文分別從頭部一次碰撞（即與車輛前部結(jié)構(gòu)的碰撞，如擋風(fēng)玻璃、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等）邊界條件、運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和顱腦損傷響應(yīng)等方面，對(duì)行人和兩輪車騎車人的碰撞響應(yīng)進(jìn)行差異性分析研究。在頭部一次碰撞邊界條件中，本文主要關(guān)注車輛碰撞速度、與現(xiàn)行行人保護(hù)規(guī)程相關(guān)的頭部與車輛相對(duì)碰撞速度和碰撞角度；選取了常用的頭部損傷準(zhǔn)則(head injury criterion, HIC)和頭部旋轉(zhuǎn)損傷準(zhǔn)則(rotational injury criterion, RIC)來(lái)表征頭部整體損傷響應(yīng)。

顱腦損傷分為2類：局灶性腦損傷和彌漫性腦損傷[32]。彌漫性腦損傷容易導(dǎo)致嚴(yán)重的損傷風(fēng)險(xiǎn)，其中最常見(jiàn)為彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury, DAI)， DAI與腦組織變形有直接關(guān)系。本文選取累計(jì)應(yīng)變損傷測(cè)量準(zhǔn)則(cumulative strain damage measure, CSDM)[33-34]和最大主應(yīng)變[32-33](maximum principal strain, MPS)來(lái)進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié) 果

2.1 邊界條件對(duì)比

2.1.1 碰撞車速

行人與騎車人碰撞事故中，碰撞時(shí)的車輛運(yùn)行速度（或車輛碰撞速度）各區(qū)間的案例數(shù)量分布對(duì)比情況，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)：兩輪車事故中的車輛碰撞速度普遍低于行人事故。

2.1.2 頭部相對(duì)碰撞速度和角度

行人/騎車人頭部與車輛前部結(jié)構(gòu)（如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、擋風(fēng)玻璃等）發(fā)生碰撞時(shí)刻相對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)邊界條件，與頭部所受到?jīng)_擊載荷的嚴(yán)重程度有直接關(guān)系，并決定頭部損傷響應(yīng)；同時(shí)，在現(xiàn)行的主流行人安全測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程[35]中成人頭部損傷評(píng)價(jià)亦是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的頭部沖擊器定義一定的初始碰撞速度和角度來(lái)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7 出了騎車人/行人在與車輛碰撞時(shí)刻的相對(duì)速度（vre）與騎車人頭部碰撞角度(α)對(duì)比情況。

如圖7所示：行人頭部相對(duì)碰撞速度的波動(dòng)范圍要比騎車人頭部更大，且整體區(qū)間要高于騎車人頭部。兩者均明顯高于主流測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程中的40 km/h[35]。行人頭部碰撞角度分布范圍總體較騎車人頭部更高，行人頭部碰撞角度的均值和中位數(shù)值均比騎車人大，且兩者均低于目前行人事故中頭部保護(hù)測(cè)試規(guī)程中的65°[35]。

2.2 頭部整體損傷響應(yīng)對(duì)比

頭部損傷準(zhǔn)則HIC是車輛安全標(biāo)準(zhǔn)/程序中用于評(píng)估頭部損傷嚴(yán)重程度的常用損傷準(zhǔn)則, 頭部旋轉(zhuǎn)損傷準(zhǔn)則RIC準(zhǔn)則與HIC相似，不同之處是它使用的是旋轉(zhuǎn)加速度非線性加速度。圖8展示了行人與騎車人HIC15（累計(jì)計(jì)算時(shí)間為15 ms）和RIC數(shù)值對(duì)比情況。

由圖8可見(jiàn)：兩輪車事故所致騎車人HIC15點(diǎn)值分布中，兩個(gè)統(tǒng)計(jì)離散點(diǎn)數(shù)值異常高，大大拉高了騎車人HIC15平均值，使得其均值比行人大，而如果關(guān)注中位數(shù)，可見(jiàn)行人的HIC15中位數(shù)值比騎車人大，且行人HIC15值的整體分布范圍整體較騎車人更高。這與2.1.2中人體與車輛相對(duì)碰撞速度的分布規(guī)律吻合得較好，意味著頭部相對(duì)碰撞速度會(huì)在一定程度上影響其頭部損傷響應(yīng)。

圖8 中，RIC的分布規(guī)律除了個(gè)別離散點(diǎn)外，與HIC的分布類似，同時(shí)，行人RIC不論是中位數(shù)還是平均值，均略大于騎車人，雖然兩者并未存在本質(zhì)上的差異。

2.3 顱腦損傷響應(yīng)對(duì)比

累計(jì)應(yīng)變損傷測(cè)量準(zhǔn)則CSDM是指最大主應(yīng)變超過(guò)某一預(yù)設(shè)閾值的顱腦組織占整個(gè)腦組織的體積百分比，一般閾值為0.15或0.25，標(biāo)記為CSDM0.15和CSDM0.25。

圖9 為行人和騎車人CSDM損傷值的對(duì)比情況，可見(jiàn)，騎車人的CSDM0.15、CSDM0.25損傷值波動(dòng)范圍較行人更大，但行人的CSDM0.15、CSDM0.25平均值比騎車人大，尤其是CSDM0.15差異顯著。

最大主應(yīng)變MPS是指腦組織在碰撞過(guò)程中所受最大主應(yīng)變。為盡可能消除因網(wǎng)格質(zhì)量引起的應(yīng)變計(jì)算誤差，本文選取98百分位的MPS0.98進(jìn)行分析。

圖10 為行人和騎車人頭部MPS0.98的對(duì)比情況。從圖10可知：行人較騎車人其頭部MPS0.98損傷值的分布更集中，且平均值和中位數(shù)值均較低。

3 討 論

3.1 碰撞邊界條件

從行人與兩輪車騎車人事故中的車輛碰撞速度分布（圖2）可見(jiàn)：兩輪車事故多發(fā)生于較中低速的碰撞環(huán)境下，造成該現(xiàn)象的一個(gè)可能原因在于，相較于行人，騎車人有兩個(gè)更突出的特征：目標(biāo)更大和運(yùn)動(dòng)可預(yù)見(jiàn)性更強(qiáng)，因此汽車駕駛員更容易發(fā)現(xiàn)兩輪車騎車人，并提前采取相應(yīng)的措施以避免潛在碰撞事故發(fā)生；而行人靈活性更強(qiáng)，在面臨交通沖突時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡和狀態(tài)的突變更難以預(yù)測(cè)，因此給車輛駕駛員的預(yù)判帶來(lái)較大難度。

圖7 表明：行人與兩輪車騎車人在其頭部與車輛的碰撞狀態(tài)上存在顯著的差異：首先，行人頭部碰撞角度較騎車人頭部更大。PENG Yong等[10]在2012年基于事故重建得出行人和騎車人的頭部碰撞角度分別為46.7°和38.4°，本研究所得到的行人和騎車人頭部碰撞角度（分別為50.23°和42.57°）結(jié)果與其結(jié)論基本一致。另外，行人和騎車人頭部相對(duì)車輛的碰撞速度差異也較大，行人頭部相對(duì)碰撞速度大大高于騎車人頭部相對(duì)碰撞速度，且值得注意的是，兩者所展示出來(lái)的頭部碰撞速度均明顯高于目前行人保護(hù)實(shí)驗(yàn)規(guī)程中所用的40 km/h。

3.2 頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)

本研究通過(guò)采用團(tuán)隊(duì)在前期針對(duì)VRU事故中顱腦損傷研究所構(gòu)建和驗(yàn)證的有限元-多剛體耦合人體數(shù)值模型，對(duì)本文所選取事故中的人體頭部/顱腦損傷響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值再現(xiàn)。從結(jié)果中可知，在基于運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)的HIC15和RIC對(duì)比分析中，行人的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)要比騎車人高，這與文獻(xiàn)中的研究結(jié)論基本一致[9-10,12]（見(jiàn)圖8）；行人的顱腦累積應(yīng)變測(cè)量準(zhǔn)則CSDM分布較集中（見(jiàn)圖9），其CSDM0.15和CSDM0.25平均值分別為0.963和0.768，而騎車人的CSDM值均較低，CSDM0.15和CSDM0.25平均值分別為0.886和0.656，結(jié)合文獻(xiàn)中的顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn)曲線[37]可預(yù)見(jiàn)，行人在碰撞事故中相對(duì)于騎車人會(huì)遭受更大的彌漫性軸索損傷風(fēng)險(xiǎn)；而從另外一種顱腦損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則MPS0.98的分析所得到的趨勢(shì)正好相反（見(jiàn)圖10），騎車人的MPS0.98總體預(yù)測(cè)值比行人略高（分別為0.303和0.285），意味著騎車人的顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn)略大。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)一系列真實(shí)易受傷害道路使用者（VRU）（包括行人和兩輪車騎車人）與汽車碰撞事故進(jìn)行虛擬重建和頭部/顱腦損傷再現(xiàn)，從頭部碰撞邊界條件、運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和顱腦損傷響應(yīng)3方面對(duì)行人和兩輪車騎車人的碰撞響應(yīng)進(jìn)行差異性分析，并得到了以下結(jié)論：

騎車人碰撞事故中的汽車碰撞速度比行人事故中更低；騎車人頭部與車輛前部結(jié)構(gòu)（發(fā)動(dòng)機(jī)罩和擋風(fēng)玻璃等）碰撞角度的平均值和中位數(shù)值均小于行人，且兩者均低于目前行人頭部保護(hù)測(cè)試規(guī)程中碰撞角度（65°）；行人頭部與車輛前部結(jié)構(gòu)的相對(duì)碰撞速度明顯大于騎車人事故，且兩者均高于目前行人頭部保護(hù)測(cè)試規(guī)程中的碰撞速度（40 km/h）。

基于頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)的頭部損傷準(zhǔn)則HIC15和頭部旋轉(zhuǎn)損傷準(zhǔn)則RIC的對(duì)比表明：行人的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)整體略高于騎車人；根據(jù)累計(jì)應(yīng)變損傷測(cè)量準(zhǔn)則(CSDM)損傷準(zhǔn)則，行人的損傷值比騎車人更高，尤其是CSDM0.15，這說(shuō)明：行人在事故中可能更易遭受嚴(yán)重的顱腦彌漫性軸索損傷風(fēng)險(xiǎn)；而根據(jù)最大主應(yīng)變MPS0.98準(zhǔn)則，對(duì)比的結(jié)果相反，這可能意味著這兩種損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)于人體顱腦損傷評(píng)價(jià)的有效性存在一定差異。

本文中的研究結(jié)果是對(duì)現(xiàn)有VRU頭部損傷研究的有益補(bǔ)充，并為行人頭部保護(hù)測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程的優(yōu)化提供參考。