耦合氣囊及制動控制對人地碰撞損傷的防護及效果評估

鄒鐵方，趙云龍，肖 璟，李艷春

（長沙理工大學 汽車與機械工程學院，長沙410114，中國）

雖然關于自動駕駛特別是高級別自動駕駛何時實現(xiàn)的問題還有爭議，但L2 級自動駕駛相關技術已開始大范圍推廣應用，比如高級駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driving assistance system，ADAS）。從目前少量具有較高級別自動駕駛能力車型的少量事故（如特斯拉）及關于事故的相關研究成果看[1]，裝備有ADAS 的車輛依然不可避免地會被卷入事故中，這表明具有較高級別自動駕駛能力的車輛的被動安全性仍需重視[2-4]。在所有交通事故中，行人是絕對弱者[5]，車輛智能化時代行人的弱勢地位更是進一步突出，這意味著具有較高級別自動駕駛能力的車輛更需關注行人保護。

以清華大學道路交通事故數(shù)據庫的數(shù)據為例[6]，裝備有ADAS 的車輛碰撞事故的均值極可能下降到20 km/h 左右。大量研究表明，低速車人碰撞中地面所致傷害非常嚴重[7-9]。SHANG Shi 等[10]通過尸體實驗研究發(fā)現(xiàn)：低速碰撞中地面所致顱腦傷害比車輛更嚴重、通過挖掘德國深度事故調查數(shù)據發(fā)現(xiàn)：如能避免低于40 km/h 事故中的地面?zhèn)麆t可將整個事故損失降低2/3[11]。這些成果表明：防護低速事故中地面?zhèn)难芯繕O具價值。

ZOU Tiefang 等[12]在2019 年提出了一種防護低速事故中人地碰撞損傷的方法，該方法在發(fā)現(xiàn)事故不可避免時完全制動車輛直到人體頭部與車體接觸，然后松開車輛制動至某一時刻t2 后再次完全制動。仿真結果顯示：通過該方法能顯著降低人體與地面的撞擊損傷并縮短人體落地時刻人車間的距離，這表明：通過控制車輛制動能為其他車載裝備保護行人提供可能。進一步，他們[13]發(fā)現(xiàn)：在真實事故中超過90%的案例具備足夠空間以讓車輛實施制動控制、1.5 m 前置氣囊結合制動控制具有保護81.8%的行人的潛力。而后，他們通過窮舉法結合Madymo 仿真發(fā)現(xiàn)：最優(yōu)情況下地面所致?lián)p失可以通過控制制動降低近90%[14]，說明通過控制制動去降低地面?zhèn)纳舷藓芨?，值得研究。為此，鄒鐵方等[15]提出了3 條車輛再制動規(guī)則，并將規(guī)則應用到10 種車型中，結果表明：依據所述規(guī)則能降低人地碰撞損傷。已有成果表明：在較短的時間內，越簡單的控制方法會越實用、越有機會對現(xiàn)有ADAS 進行適當擴展后實現(xiàn)行人保護主被動安全功能一體化。

為降低控制難度，本文作者嘗試在現(xiàn)有控制方案基礎上增加安全氣囊等約束條件。本研究將首先提出耦合氣囊的車輛制動控制策略，然后將其應用到一個成熟的虛擬仿真系統(tǒng)中，通過對比完全制動與控制制動中人地碰撞損傷，以證實制動控制能為其他車載裝置保護行人提供可能、評估增加氣囊約束后能否降低制動控制難度，進而分析耦合氣囊的制動控制策略在防護人地碰撞損傷中的效果及可能存在的問題。

1 方法

1.1 降低人地碰撞損傷的汽車制動控制策略

本研究所采用的汽車制動控制策略與文獻[12-15]中的一致，減速度曲線如圖1 所示。

圖1 車輛制動控制減速度曲線

當汽車監(jiān)測到事故不可避免時開始完全制動車輛以降低車速，直至人體頭部與車體接觸的t1時刻；之后車輛開始松開制動（制動系統(tǒng)協(xié)調時間0.2 s 后制動完全松開）以追上拋出的人體進而影響人體運動學響應；為防止碾壓人體，車輛在t2時刻開始再次完全制動，考慮制動系統(tǒng)協(xié)調時間0.2 s 后完全制動直至車輛靜止。其中，t0時刻（即0 時刻）為人車碰撞時刻；t1為人體頭部與車體首次接觸時間，如頭車無接觸則意味著一直監(jiān)測不到t1進而車輛會一直制動；而t2為車輛再次完全制動時間，一般需依據人體運動學響應及與車輛的位置關系確定。

文獻[15]中提出了3 條規(guī)則以確定t2，在耦合氣囊并開展大量仿真實驗后，發(fā)現(xiàn)可將規(guī)則簡化為2 條。t1后，遇以下2 種情況開始再次完全制動車輛，此時間點則為t2：

1）監(jiān)測到行人下肢、主要部位（頭部、胸部及臀部）超出車體兩側時。行人從車體邊緣落地時，安裝在汽車前部的氣囊無論如何都無法起到保護作用，故需盡快完全制動車輛以防其他危險發(fā)生。

2）監(jiān)測到行人頭部、臀部位置低于發(fā)動機罩蓋前沿時。表明行人即將滑落地面，為避免碾壓行人，需盡快再次完全制動車輛。

1.2 氣囊設計

本研究采用較為簡單的氣囊設計方案。外形上，參考文獻[13]，引爆后氣囊的長、寬、高分別為150 cm、車寬、30 cm，且氣囊下沿與地面接觸；氣囊擬安裝于汽車前保險杠下，但在仿真中不進行折疊，僅將其置于車輛前方（見圖2）。為此，將人體頭部與車體接觸的時刻定義為t1，此時刻亦是氣囊的點火時刻。在仿真中，氣囊的質量流量、溫度等函數(shù)均與Madymo自帶氣囊模型的相關信息一致。

圖2 展開及未展開的氣囊形狀

1.3 仿真試驗設計

與文獻[15-16]類似，選擇大轎車、大SUV、小轎車及小SUV 4 種車型（見圖3）。各種車型均選用完全制動與控制制動2 種制動控制策略，并結合成熟的虛擬仿真系統(tǒng)[17]設計試驗。完全制動指人車碰撞全過程中車輛一直完全制動?？刂浦苿觿t是依據1.1 節(jié)中的汽車制動控制策略控制車輛運動，且在此過程中依據1.2節(jié)中的設計引爆氣囊。

圖3 4 種車型與50th 男性行人圖

一般認為，高速事故中車體所致?lián)p傷會更嚴重且行人大概率受到了致命傷害[18-19]，而統(tǒng)計數(shù)據顯示碰撞車速低于41 km/h 的車人碰撞事故占比極高（80%左右）[20-22]，故與已有研究[12,14-15]類似，本文考慮3 種車速（21、31、41 km/h）、4 個行人模型（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 種步態(tài)（50%行人步態(tài)、100%行人步態(tài)），共計24 個仿真組成本研究的虛擬仿真系統(tǒng)。2 種典型行人步態(tài)見圖4。

圖4 50%及100% 2 種行人步態(tài)

以虛擬仿真系統(tǒng)為基礎，對每一種車型各設計2組試驗。第1 組包含24 個仿真，仿真中車輛完全制動。第2 組亦包含24 個仿真，每個仿真均采用1.1 節(jié)中的方法控制車輛制動并適時引爆1.2 節(jié)中的氣囊。完全制動組需進行4 車型、1 虛擬仿真系統(tǒng)（24 次仿真），共計 96 次仿真；相應地，控制制動組同樣需進行96次仿真。

所有的仿真均基于Madymo 仿真平臺，與已有研究類似，仿真中人車及人地碰撞的摩擦因數(shù)分別為0.3及0.6，并且車頭每個結構的剛度水平是不一樣的；車輛垂直撞擊行人側面；因考慮了行人速度，人體相對于車體中心線向人體后退方向偏離400 mm 以確保行人頭部能與車體接觸[17,20,23]。碰撞場景見圖5。

圖5 碰撞場景

1.4 評價指標

選擇加權傷害費用(weighted injury cost，WIC)和行人頭部損傷準則（head injury criterion,HIC）作為評價指標以評估第1.1、1.2 節(jié)中所提出的車輛制動控制策略及氣囊對人地碰撞損傷的防護效果。

1）WIC。交通事故中人體傷害包括頭部、胸部、臀部及下肢等多部位的損傷，用文[20-21]提出的WIC將各個部位的損傷融合為一個結果，對于某車型的1組試驗的24 個仿真進行比較。首先根據每個仿真中人體頭部、胸部、四肢及骨盆所受傷害來評估各個部位的簡化的損傷嚴重程度（abbreviated injury severity,AIS）水平，進而計算出其所需費用(包括醫(yī)療及輔助費用)（injury cost,IC），把所有費用之和視為該次仿真的傷害費用[21]。這些傷害費用是根據生物經濟數(shù)據樣本的簡化模型提出的平均費用。然后將24 個仿真的總費用依據碰撞車速、行人高度及步態(tài)的占比加權取和為最終的WIC。其中，頭部用頭部損傷準則HIC15，胸部用胸部損傷指數(shù)（thorax trauma index,TTI），臀部用碰撞力、下肢用彎矩、膝蓋用彎曲角度來預測損傷，各項閾值在預測AIS 的文獻中已給出[21]。故有

式中：p為占比；角標中i表示仿真組數(shù)，v表示速度，h表示行人高度，g 表示步態(tài)。顯然某組仿真中WIC 值越高，表明人體受到的傷害越大，反之，則表示人體受到的傷害越少。本研究中在制動控制中使用了安全氣囊，導致絕大多數(shù)情況下人體與車體脫離接觸后，首先與氣囊接觸，而不再碰撞地面，故本研究中，人-地碰撞損傷泛指人車脫離接觸后因二次碰撞（與地面、氣囊或車體）所產生的傷害。

2）HIC。HIC 定義為

式中：a為頭部質心合成加速度；t3為檢測的加速度脈沖開始時間；t4為結束時間。在實際應用中最大時間間隔t4-t3常取15 ms 或36 ms，但人車碰撞中因碰撞時間歷程較短，故常選擇15 ms，與之對應的HIC 的安全界限值為700。

1.5 研究分析方法

在Madymo 仿真平臺中，人車碰撞仿真模型已得到充分驗證，但人地碰撞仿真模型的可用性尚未得到嚴格證明[24-25]，為避免模型不確定的影響，在后續(xù)分析中主要采用對比的分析方法，即比對控制制動與完全制動兩種策略下人體的損傷及運動學響應差異。

WIC 和HIC 的降低比例[14]分別為：

式中：角標“wq”表示“完全制動下的”；“kz”表示“控制制動下的”。

2 結果

2 種制動方式的WIC、地面所致WIC 的降低比例RWIC的結果見表1（其中：USD 表示美元）。地面所致HIC 均值的降低比例RHIC的結果列入表2 中。

表1 2 種制動方式下地面所致WIC 和RHIC

表2 2 種制動方式下地面所致HIC 均值和RHIC

由表1可知：通過耦合氣囊與制動控制，顯著降低了WIC，WIC 降低比例明顯超出文獻[14]中通過窮舉法所獲得的最優(yōu)值（增加3%）。

由表2 可知：與文獻[14]中用窮舉法所獲得的最優(yōu)值進行比較，發(fā)現(xiàn)本研究通過耦合氣囊與制動控制的效果更佳，HIC 均值降低比例增加了12.1%。

3 討論

本研究所述氣囊不僅能減少車輛再次完全制動規(guī)則，還能將4 種車型的WIC 總和降低91.9%、HIC 均值降低87.7%，表明耦合氣囊及制動控制具有降低地面碰撞損傷的巨大潛力。

以小SUV 第1 個仿真（車速21 km/h、5 百分位女性、100%步態(tài)）為例，過程見圖6。由圖6 可見：低速案例中，人車分離前人體的運動學響應都幾乎重合，但在二次碰撞時刻，完全制動中人體頭部直接撞擊地面，產生了較大HIC；而在控制制動中，因車體運動的影響使得碰撞瞬間人體與地面（此處為氣囊）幾乎平行，使得人體各部位均能吸收人體墜落的動能，加之氣囊有緩沖，因而導致人體頭地（此處為氣囊）碰撞HIC下降至64.5，這是耦合氣囊的車輛制動控制策略能顯著降低人地碰撞損傷的主要原因。

圖6 小SUV 第1 個仿真完全制動與控制制動過程中人體運動學響應對比

在理想情況下，人地碰撞損傷可以通過耦合氣囊與制動控制而降低至零，故而此處非常值得探索為何依然有若干案例的人地碰撞損傷不能完全避免（WIC ≠0）。通過回顧控制制動組的96 個仿真，發(fā)現(xiàn)其中有16個仿真（16.7%）中的WIC 未能降低到零，其中包含大轎車中的兩個仿真、大SUV 中的4 個仿真、小轎車中的4 個仿真、小SUV 中的6 個仿真。其中僅有大SUV第21 個仿真（車速41 km/h、50 百分位男性、100%步態(tài)）和小轎車第18 個（車速41 km/h、5 百分位女性、50%步態(tài)）仿真中的WIC 在控制制動中增加，主要原因是人車接觸時間過長。

圖7 給出一典型案例，從圖7 中可知：行人被撞至擋風玻璃以致人車有很長一段時間在一起（至少為1.42 s -0.8 s=0.62 s）。根據以前分析可知[15]，人車長時間不分離會使人體從車體處獲得更多動能，進而增加與地面碰撞損傷的風險，這是導致本研究2 個仿真中WIC增加的主因。這表明：后續(xù)研究中仍需嘗試提出能防止人車長時間不分離的車輛再次制動規(guī)則。

剩余14 個案例中，因胸部與氣囊撞擊而產生損傷的有6 例、因行人從車體側面滑落的有5 例、因人車長時間在一起不分離的案例有3 例、因氣囊面積不夠未能有效保護到人體主要部位（如頭部）的有2 例，其中小轎車中仿真19、25 各統(tǒng)計了2 次。行人從車體側面滑落，無論是純制動控制[13-15]還是本研究中的耦合氣囊與制動的控制策略，在車輛不轉向前提下都無法防護類似事故中的人地碰撞；在車輛四周布滿氣囊是一種解決方案，但這極不現(xiàn)實；人車長時間不分離的案例，與圖7 所示過程類似。

圖7 小轎車第18 個控制制動仿真中人體運動學響應過程

因氣囊面積不夠而導致不可完全避免人地碰撞損傷的仿真有2 例，小SUV 中第20 個仿真（車速41 km/h、5百分位男性、50%步態(tài)）見圖8。原氣囊的寬度等于車寬。加大的氣囊寬度在車寬的基礎上在左右各增加20 cm。

由圖8a 可知：在t=1.54 s 時人體頭部直接與地面碰撞，雖然在此過程中人體肩膀、胸部等部位與氣囊碰撞而減緩了頭地碰撞速度，但未能完全避免人地碰撞損傷，進而導致一個較大的HIC=330.89。

圖8 小SUV 第20 個控制制動仿真中人體運動過程

由圖8b 可知：增寬氣囊后人體運動過程與未增寬時完全一致，差異在t=1.54 s 時人體頭部與氣囊接觸，僅產生了一個較小的HIC=58.1，進而使得此案例中人地碰撞損失為零。這說明在后續(xù)研究中需對氣囊?guī)缀涡螤钸M行優(yōu)化設計。

因胸部與氣囊撞擊而產生損傷的有6 例。圖9 給出一典型案例為小SUV 車型中第16 個仿真（車速31 km/h、90 百分位男性、50%步態(tài)）。

圖9 小SUV 第16 個控制制動仿真中人體運動學響應過程

人體在1.145 s 時刻以與氣囊近似平行的姿態(tài)墜落氣囊并在1.225 s 與氣囊接觸，這是一種安全的落地姿態(tài)且有氣囊進行緩沖，易得出人地碰撞損傷應該會顯著下降的結論，實際上WIC 也確實從完全制動中的87.77 USD 降低到控制制動中的52.64 USD。但該案例中，人地碰撞損傷未能完全避免，因與氣囊撞擊使得人體胸部受到傷害，使WIC=52.64 USD。主要原因是氣囊點火太晚，導致人體與氣囊碰撞時氣囊處于充滿氣的狀態(tài)，如能將充氣時間提前50 ms 即在150 ms 開始充氣，則整個過程中人體的運動學響應雖然不變，但當人體再與氣囊撞擊時不會受到氣囊的傷害。其他案例均可通過類似的方式將人地碰撞損失降低至零，這表明適當?shù)狞c火時刻（或合理的充、放氣時間與流量）能提升氣囊的保護效果，需在后續(xù)研究中優(yōu)化。

控制制動的防護效果受車型、速度等的影響顯著[15]，但本研究中用Cruskal-Wallis 秩和檢驗及中位數(shù)檢驗等均未發(fā)現(xiàn)不同車型、不同車速下人地碰撞損傷WIC、HIC 降低量之間存在顯著差異。不同車型和不同車速下WIC 總降低量ΔWIC 及未完全避免地面?zhèn)咐龜?shù)N見圖10。

從圖10 可發(fā)現(xiàn)：不同車型之間WIC 的降低量ΔWIC、未完全避免地面?zhèn)陌咐龜?shù)N 等均不一致。隨著車速的增加WIC 總降低量也增加，但相應的不能完全避免地面碰撞損傷的案例也增加。由此可知，雖然統(tǒng)計學上不同車型、不同車速下人地碰撞損傷WIC、HIC 降低量之間沒有顯著差異，但耦合氣囊的制動控制方案中人地碰撞損傷的防護效果事實上與車型、車速相關，具體關系需要更多后續(xù)研究。

圖10 不同車型和不同車速下ΔWIC 及未完全避免地面?zhèn)咐龜?shù)N

4 結論

開展192 次（完全制動組96 次、控制制動組96 次）仿真實驗，通過分析獲得以下結論：1）耦合氣囊與制動控制后，能將車輛再次制動規(guī)則由3 條降低到2 條，進而降低了控制車輛運動的難度；與此同時還將人地碰撞損失大幅降低，其中：人-地碰撞加權傷害費用（WIC）降低91.9%，HIC 均值降低87.7%，降低效果明顯。2）結合控制制動過程中人體運動學響應得出：人-地碰撞損傷大幅下降的主因是人體墜地姿態(tài)的改變及氣囊的緩沖；分析WIC ≠ 0 的案例發(fā)現(xiàn)，氣囊的形狀及點火時刻（或充放氣時間與流量等）需進行優(yōu)化后才有可能將人地碰撞損傷降低到零。3）可利用增加氣囊等約束來降低制動控制難度，并可大幅降低人地碰撞損傷，這將為今后開展低速事故中人體損傷防護策略研究特別是實用的防護策略提供思路；但在解決問題的同時引入了新的問題，比如氣囊的形狀、安裝位置及點火時機等，均亟需在后續(xù)研究中解決，以使相關成果具備實用前景。