參數(shù)擾動(dòng)下基于制動(dòng)控制的人地碰撞損傷防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)*

鄒鐵方，周 靖

（長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長沙 410114）

前言

車人碰撞事故中，行人所受傷害主要來源于與車輛的首次碰撞及隨后與地面的第二次撞擊?？傮w而言，車輛易造成行人更大的受傷風(fēng)險(xiǎn)［1-4］，但亦有大量研究表明地面所致?lián)p傷不能忽略［4-5］。2013年，馮成建等［6］通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碰撞速度≤30 km/h時(shí)，地面所致?lián)p傷可能比車輛所致?lián)p傷更嚴(yán)重；2017年，Li 等［7］強(qiáng)調(diào)當(dāng)車輛以20-30 km/h 的速度撞擊行人時(shí)，人地碰撞損傷不能忽視；同年，鄒鐵方等［4］通過事故再現(xiàn)發(fā)現(xiàn)胸部直接損傷主要來源于地面碰撞；2018年，Shang 等［8］通過分析1 221例德國行人事故案例發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碰撞速度低于40 km/h時(shí)如能消除地面相關(guān)損傷則可減少2/3 的總傷害費(fèi)用，并在2020年通過尸體實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)低速碰撞中地面所致顱腦傷害比車輛更嚴(yán)重［9］。相關(guān)成果表明，低速下地面造成的行人損傷不可忽視，研究人地碰撞損傷的防護(hù)方法很有必要、極具價(jià)值。

為降低人地碰撞損傷，學(xué)者們提出了各種裝置與方法。比如文獻(xiàn)［1］中提出了在車頭設(shè)置多個(gè)安全氣囊以阻止人體落地的設(shè)想，Khaykin等［10］發(fā)明了將事故后人體粘到車上的技術(shù)方案，Li 等［7］提出了行人友好型車頭。但文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［10］的被動(dòng)安全裝置很難實(shí)現(xiàn)；而文獻(xiàn)［7］的最優(yōu)車頭以保護(hù)人車碰撞為主，仿真顯示80%案例中行人頭部先觸地且30%案例中人地碰撞損傷高于車輛所致?lián)p傷；說明目前防護(hù)人地碰撞損傷的可用方法極少。因此，Zou等［11］在2019 年首次從主被動(dòng)安全一體化角度提出一種車輛制動(dòng)控制方法，通過控制車輛制動(dòng)進(jìn)而影響行人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)從而降低人地碰撞損傷；進(jìn)一步地，他們通過窮舉法研究了此類方法的最大效益，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)情況下可以降低90%的地面?zhèn)?，表明通過控制制動(dòng)降低人地碰撞損傷的上限很高［12］。同時(shí)，他們結(jié)合大量事故案例驗(yàn)證了此方法在真實(shí)事故中的可行性［13-14］。但是，相關(guān)研究均未能給出車輛再次制動(dòng)時(shí)間t2的實(shí)踐方案。為此，2021年，鄒鐵方等［15］提出了3 條車輛再次制動(dòng)規(guī)則，并結(jié)合已有研究形成了一套完整的降低人地碰撞損傷的車輛制動(dòng)控制方法，仿真結(jié)果表明其可以有效降低人地碰撞損傷且不會增加車輛所致?lián)p傷。此方案的提出將基于制動(dòng)控制的人地碰撞損傷防護(hù)方法向?qū)嵺`方向推進(jìn)了一大步。

鄒鐵方等［15］提出的車輛制動(dòng)控制方法中，需在行人頭部與車輛首次接觸時(shí)刻（t1）松開車輛制動(dòng)，仿真中t1取最大頭-車碰撞加速度時(shí)刻。實(shí)踐中，不僅要求相關(guān)車載監(jiān)控設(shè)備能及時(shí)且準(zhǔn)確測量到t1，還要求汽車電控單元（ECU）及時(shí)響應(yīng)。而ECU在工作中常需一定延遲時(shí)間［16］；加之受行人穿戴、發(fā)型和事故中人體手臂等部位的影響，精準(zhǔn)測量t1極具挑戰(zhàn)，這顯然會給相關(guān)技術(shù)帶來不可預(yù)估風(fēng)險(xiǎn)。而文獻(xiàn)［17］中指出，降低風(fēng)險(xiǎn)能提升這些技術(shù)的接受度，那么t1擾動(dòng)會導(dǎo)致哪些風(fēng)險(xiǎn)？若t1早于頭車碰撞時(shí)刻，車輛所致行人損傷是否增加？若t1晚于頭車碰撞時(shí)刻，人地碰撞損傷防護(hù)效果是否改變？為此，本研究將在文獻(xiàn)［15］中所提車輛制動(dòng)控制方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合MADYMO 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并仿真，以評估t1擾動(dòng)所致的可能風(fēng)險(xiǎn)。

1 方法

1.1 車輛制動(dòng)控制方法

車輛制動(dòng)控制方法為鄒鐵方等［15］提出的方案（見圖1）。當(dāng)汽車檢測到事故不可避免時(shí)完全制動(dòng)車輛以降低碰撞車速，故在人車碰撞發(fā)生的t0時(shí)刻減速度已達(dá)最大；以頭-車碰撞時(shí)刻為t1時(shí)刻，至t1時(shí)刻車輛開始松開制動(dòng)以追上拋出的人體進(jìn)而影響人體運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)；考慮制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)間0.2 s后制動(dòng)完全松開，然后車輛開始無制動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)到t2，考慮制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)間0.2 s后完全制動(dòng)直至車輛靜止。t2時(shí)刻按照以下3 個(gè)規(guī)則確定：（1）當(dāng)監(jiān)測到人體下肢、主要部位（頭、胸及臀）超出車體兩側(cè)時(shí)再次完全制動(dòng)；（2）當(dāng)監(jiān)測到人體臀部超過車輛前擋風(fēng)玻璃下沿或行人雙腳超過頭部時(shí)再次完全制動(dòng)；（3）當(dāng)監(jiān)測到行人頭、臀部位置低于發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋前沿中任意一種情況時(shí)再次完全制動(dòng)。

圖1 車輛制動(dòng)控制減速度曲線

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

Li 等［11，18］結(jié)合MADYMO 軟件提出了一套人車碰撞仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括6 種車速（21、31、41、51、61 和71 km/h）×5 個(gè)行人模型（6 歲兒童、5th%女性、5th%男性、50th%男性、90th%男性）×2 種步態(tài)（50%和100%）共60個(gè)仿真，仿真結(jié)果包含了低于41 km/h的人地碰撞損傷，其有效性已通過真實(shí)事故數(shù)據(jù)驗(yàn)證。本研究所采用的車輛制動(dòng)控制策略是以降低中低速下人地碰撞損傷為目的，且不適用于6 歲兒童行人模型［11，15］。因此，結(jié)合Li 等提出的人車碰撞仿真系統(tǒng)，本研究選擇3 種車速（21、31 和41 km/h）×4 個(gè)行人模型（5th%女性、5th%男性、50th%男性、90th%男性）×2 種步態(tài)（50%和100%）共24 個(gè)仿真組成本研究的虛擬仿真系統(tǒng)，其中行人速度為1.58 m/s，方向?yàn)槊娌砍颉?/p>

由于當(dāng)車輛為貨車時(shí)，控制車輛制動(dòng)不能減少地面?zhèn)Γ划?dāng)車輛為跑車時(shí)，地面?zhèn)Πl(fā)生率較低［12］，并根據(jù)文獻(xiàn)［19］，本研究選擇了大轎車、大型SUV、小轎車和小型SUV，如圖2所示［15］。

圖2 研究中采用的4種車型

所有的仿真均用MADYMO 完成，仿真中人車和人地碰撞的摩擦因數(shù)分別為0.3 和0.6，僅考慮車頭各結(jié)構(gòu)的單一剛度水平［7，19］。碰撞場景見圖3，車輛垂直撞擊行人側(cè)面，人體相對于車體中心線向人體后退方向偏離400 mm 以確保人體頭部能與車體接觸。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)所采用的碰撞場景

通過觀察4（4 種車型）×24（虛擬仿真系統(tǒng)）=96個(gè)仿真視頻發(fā)現(xiàn)：在頭車碰撞時(shí)刻后0.1 s時(shí)，大部分車輛速度已小于人體速度，且部分仿真視頻中人體已脫離車輛；頭車碰撞時(shí)刻前0.08 s 為部分仿真實(shí)驗(yàn)人車首次接觸時(shí)刻。這兩個(gè)時(shí)刻均具有明顯的行人特征，有利于車輛監(jiān)測。為了在較大范圍內(nèi)研究t1擾動(dòng)對行人損傷防護(hù)效果影響，如圖4 所示，以頭車碰撞時(shí)刻為0 時(shí)刻，以0.01 s 為間隔，將［-0.08，0.1］中各間隔點(diǎn)作為t1擾動(dòng)時(shí)刻（t1=0 時(shí)為無擾動(dòng)時(shí)刻），當(dāng)t1=∞時(shí)，車輛為完全制動(dòng)。綜上所述，共計(jì)模擬仿真實(shí)驗(yàn)3（車速）×4（行人模型）×2（步態(tài)）×4（車型）×20（t1）=1920次，其中控制制動(dòng)仿真1 824次，完全制動(dòng)仿真96次。

圖4 t1擾動(dòng)取值范圍及所選節(jié)點(diǎn)

1.3 評價(jià)指標(biāo)

（1）選擇加權(quán)傷害費(fèi)用（WIC，weighted injury cost，單位美元，$）以表征行人在碰撞中受到的整體傷害。交通事故中人體傷害包括頭部、胸部、臀部和下肢等多部位的損傷，可用文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［21］中提出的WIC將各個(gè)部位的損傷融合為一個(gè)結(jié)果進(jìn)行比較。對于某車型中1 組實(shí)驗(yàn)的24 個(gè)仿真，首先根據(jù)每個(gè)仿真中人體頭部、胸部、四肢和骨盆所受傷害來評估各個(gè)部位的AIS水平，進(jìn)而計(jì)算出其所需費(fèi)用IC（injury cost，包括醫(yī)療與輔助費(fèi)用），所有費(fèi)用之和視為該次仿真的傷害費(fèi)用［20］，這些傷害費(fèi)用是根據(jù)生物經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)樣本的簡化模型提出的平均費(fèi)用，而不是特定情況下的確切費(fèi)用（ISO：13232-5，2005）；然后將24 個(gè)仿真中總費(fèi)用依據(jù)碰撞車速、行人高度和步態(tài)的占比加權(quán)取和為最終的WIC。其中，頭部用頭部損傷準(zhǔn)則HIC15、胸部用胸部損傷指數(shù)TTI（thorax trauma index ）、臀部用碰撞力、下肢用彎矩、膝蓋用彎曲角度來預(yù)測損傷，各項(xiàng)閾值在之前相關(guān)預(yù)測AIS水平的文獻(xiàn)中已給出［20］。故

式中：psi、phi和pgi分別為車速、行人高度、行人步態(tài)的比例；ICi為一組仿真中第i個(gè)仿真人體的傷害費(fèi)用IC。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。

（2）WIC為綜合損傷評價(jià)指標(biāo)，但其不等價(jià)于單個(gè)部位所受到的傷害。為此本研究還將采用HIC（head injury criteria）頭部損傷評價(jià)準(zhǔn)則來表征行人頭部在人車碰撞及人地碰撞中受到的傷害，其表達(dá)式如下：

式中：a(t)表示頭部質(zhì)心合成加速度；t2-t1表示HIC達(dá)到最大值的時(shí)間間隔，在實(shí)際應(yīng)用中最大時(shí)間間隔取15或36 ms，本研究取15 ms。

（3）已有研究［11］認(rèn)為車輛制動(dòng)控制能降低人地碰撞損傷的主要原因之一是行人落地姿態(tài)的改變，則t1擾動(dòng)是否影響行人落地姿態(tài)亦需關(guān)注，故本研究中將行人落地姿態(tài)作為一個(gè)評價(jià)指標(biāo)。Crocetta等［23］發(fā)現(xiàn)行人頭地碰撞損傷主要受跌落高度和旋轉(zhuǎn)角度的影響，為此，他們針對事故中的行人碰撞后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)提出6種落地機(jī)制（見圖5），研究結(jié)果表明不同機(jī)制的頭地接觸速度具有顯著差異。劉期等［13］在此基礎(chǔ)上又增加了一種落地機(jī)制M6（見圖6）。故本研究將采用7 種落地機(jī)制分析t1擾動(dòng)對行人落地姿態(tài)帶來的影響。

圖5 文獻(xiàn)［23］中提出的6種行人落地機(jī)制

圖6 文獻(xiàn)［13］中新增的一種行人落地機(jī)制M6

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 軟件中的Jonchheere-Terpstra 檢驗(yàn)方法對19 組案例的頭部損傷以及不同落地機(jī)制下頭部損傷、頭地垂直碰撞速度分別進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)方法對t1擾動(dòng)下4種車型的行人損傷防護(hù)效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水平α=0.05。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果P值判斷各參數(shù)在兩組案例中是否具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P＜0.05 表示有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異、P＜0.01 表示有極其顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。采用SPSS 軟件中Spearman 相關(guān)系數(shù)分析法對t1擾動(dòng)下行人損傷防護(hù)效果（ΔWIC）與車頭各參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 t1擾動(dòng)對WIC的影響

大轎車、大型SUV、小轎車和小型SUV 在無t1擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組車輛所致行人損傷均未增加（見圖7），而地面所致行人損傷費(fèi)用分別降低6 400 $、6 560 $、16 752 $、7 650 $，損傷費(fèi)用降低幅度分別為60.22%、43.35%、83.62%、70.09%（見圖8）。表明本研究所采取的車輛制動(dòng)控制方法在t1不擾動(dòng)的情況下可以有效降低人地碰撞損傷且不增加車輛所致?lián)p傷，這與Zou等［11-15］的研究結(jié)論一致。

圖7 完全制動(dòng)與控制制動(dòng)車輛所致WIC 對比圖（同一車型中左、右邊豎柱分別對應(yīng)完全制動(dòng)、控制制動(dòng)組數(shù)據(jù)）

圖8 完全制動(dòng)與控制制動(dòng)地面所致WIC及損傷降幅（同一車型中左、右邊豎柱分別對應(yīng)完全制動(dòng)、控制制動(dòng)組數(shù)據(jù)）

圖9 給出了4 種車型在t1擾動(dòng)下制動(dòng)控制方法的有效率，表1 給出的4 種車型在不同t1擾動(dòng)時(shí)刻下車輛和地面造成的ΔWIC和完全制動(dòng)組WIC，可以得到如下結(jié)果。

表1 4種車型在t1擾動(dòng)時(shí)刻下的ΔWIC、完全制動(dòng)組WIC

圖9 t1擾動(dòng)下制動(dòng)控制方法的有效率

（1）大轎車：當(dāng)t1提前擾動(dòng)0.07 s時(shí)，控制制動(dòng)組的行人損傷比完全制動(dòng)組大，當(dāng)t1在-0.08 和［-0.06，0.1］區(qū)間內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組行人損傷均小于完全制動(dòng)組行人損傷。18 個(gè)t1擾動(dòng)時(shí)刻中，17個(gè)t1擾動(dòng)時(shí)刻的控制制動(dòng)組行人損傷小于完全制動(dòng)組，車輛制動(dòng)控制方法有效率為94.4%，平均每組行人整體損傷費(fèi)用降低4 207 $，損傷費(fèi)用降低幅度為7.69%。

（2）大型SUV：當(dāng)t1在［-0.08，0.1］區(qū)間內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組行人損傷均小于完全制動(dòng)組行人損傷，車輛制動(dòng)控制方法有效率為100%，平均每組行人整體損傷費(fèi)用降低8 600 $，損傷費(fèi)用降低幅度為21.29%。

（3）小轎車：當(dāng)t1在［-0.08，0.1］區(qū)間內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組行人損傷均小于完全制動(dòng)組行人損傷，車輛制動(dòng)控制方法有效率為100%，平均每組行人整體損傷費(fèi)用降低15 293 $，損傷費(fèi)用降低幅度為24.24%。

（4）小型SUV：當(dāng)t1在［-0.08，-0.06］、［0.05，0.1］區(qū)間內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組的行人損傷大于完全制動(dòng)組，當(dāng)t1在［-0.05，0.01］、［0.03，0.04］區(qū)間內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組行人損傷小于完全制動(dòng)組。18 個(gè)t1擾動(dòng)時(shí)刻中，9 個(gè)t1擾動(dòng)時(shí)刻的控制制動(dòng)組行人損傷小于完全制動(dòng)組，車輛制動(dòng)控制方法有效率為50%，平均每組行人整體損傷費(fèi)用降低-700 $，損傷費(fèi)用降低幅度為-1.25%。

總體上，t1在［-0.05，0.04］范圍內(nèi)擾動(dòng)時(shí)依然可保證制動(dòng)控制方法的效率；所有t1擾動(dòng)組中，有62組（占比86.1%）WIC降低；WIC總降低量493 203 $，總體降幅12.80%。表明所研究的制動(dòng)控制方法能在較大范圍內(nèi)抵抗t1的擾動(dòng)。

但結(jié)果亦顯示，t1擾動(dòng)時(shí)，不同車型的行人損傷防護(hù)效果不同。小轎車的行人損傷防護(hù)效果最好，18個(gè)t1擾動(dòng)時(shí)刻下均維持了車輛制動(dòng)控制方法的有效性，且能較大程度地降低行人損傷（降幅24.24%）；小型SUV 的行人損傷防護(hù)效果最差，控制制動(dòng)下的18個(gè)t1擾動(dòng)時(shí)刻中，僅有9個(gè)t1擾動(dòng)時(shí)刻控制制動(dòng)組行人損傷小于完全制動(dòng)組，且平均每組WIC增加700 $（增幅1.25%）。表明車型會嚴(yán)重影響t1擾動(dòng)下的車輛制動(dòng)控制方法的有效性。進(jìn)一步地，采用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)方法對t1擾動(dòng)下4 種車型的行人損傷防護(hù)效果（ΔWIC）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果P=0.000＜0.05，證實(shí)4 種車型在t1擾動(dòng)下的行人損傷防護(hù)效果的確存在顯著差異。

2.2 t1擾動(dòng)對HIC15的影響

車輛所致頭部損傷統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，由于t1提前擾動(dòng)量對車速的影響很小，所以當(dāng)t1在［-0.08，-0.03）范圍內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，僅24 個(gè)案例中HIC15增大。但如圖10所示，t1擾動(dòng)提前量越大，HIC15增大案例越多。因此，t1越早于頭車碰撞時(shí)刻，則車輛所致行人頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)越有增大趨勢。當(dāng)t1在［-0.03，0.1］范圍內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組HIC15均等于完全制動(dòng)組，表明此區(qū)間內(nèi)車輛所致行人頭部損傷不受t1擾動(dòng)影響。

圖10 車輛所致行人頭部損傷增大案例數(shù)

地面所致頭部損傷結(jié)果（見圖11）顯示，t1在［-0.08，0.1］范圍內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，控制制動(dòng)組HIC15的均值與中值均小于完全制動(dòng)組。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1 728 個(gè)t1擾動(dòng)案例中，1 558 個(gè)案例（90.16%）的HIC15小于其對應(yīng)的完全制動(dòng)仿真案例；當(dāng)t1無擾動(dòng)時(shí)，96個(gè)控制制動(dòng)仿真案例中，92 個(gè)案例（98.92%）的HIC15小于其對應(yīng)的完全制動(dòng)仿真案例。利用Jonchheere-Terpstra 檢驗(yàn)對［-0.08，0.1］內(nèi)的19 組HIC15進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果P=0.000＜0.05，可知不同t1擾動(dòng)時(shí)刻的HIC15有顯著性差異。結(jié)合圖11的中值、均值線性擬合曲線，t1越晚于頭車碰撞時(shí)刻，利用車輛制動(dòng)控制方法降低行人頭地碰撞損傷的效果越差。

圖11 不同t1擾動(dòng)時(shí)刻HIC15均值、中值和線性擬合曲線

上述結(jié)果表明，就地面所致頭部損傷HIC15而言，在t1擾動(dòng)下，雖然控制制動(dòng)組部分案例HIC15升高，但仍可保證90.16%的案例中HIC15低于對應(yīng)的完全制動(dòng)案例，說明所研究的制動(dòng)控制方法能很好地抵抗t1的擾動(dòng)；但應(yīng)該控制t1提前擾動(dòng)量，從而減小車輛所致HIC15增大的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 t1擾動(dòng)對行人落地姿態(tài)的影響

圖12 給出了完全制動(dòng)、無擾動(dòng)控制制動(dòng)和t1擾動(dòng)下行人落地機(jī)制分布比例，本研究中1 920次仿真未出現(xiàn)M5.1、M5.2 兩種落地姿態(tài)?？刂浦苿?dòng)案例中，M2、M3 落地機(jī)制占比較完全制動(dòng)組大幅增加，M1、M4 占比大幅降低。Crocetta 等［22］指出M1、M4 的行人頭地接觸速度、旋轉(zhuǎn)角度顯著高于M2、M3，意味著M1、M4 可能會比M2、M3 造成更大的頭地碰撞損傷。將1 920個(gè)仿真案例按照落地機(jī)制分組，并利用Jonchheere-Terpstra 檢驗(yàn)方法對各組案例的HIC15、頭地垂直碰撞速度（vz）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，兩次檢驗(yàn)結(jié)果P=0.000＜0.05，可知不同落地機(jī)制下HIC15分布、vz分布均具有顯著性差異。由HIC15、vz箱型圖可知（見圖13 和圖14），M1、M4 對應(yīng)的HIC15、vz的絕對值整體上分別顯著高于M2、M3，證實(shí)M1、M4會比M2、M3 造成更大的頭地碰撞損傷，此發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步印證了控制制動(dòng)是通過影響行人落地姿態(tài)而降低人地碰撞損傷的結(jié)論。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1 728 個(gè)擾動(dòng)案例中，僅156 個(gè)案例（9.03%）行人落地機(jī)制較對應(yīng)的無擾動(dòng)案例發(fā)生變化，結(jié)合圖12（b）和圖12（c）可知，t1擾動(dòng)對行人落地機(jī)制分布影響程度較小。

圖12 行人落地機(jī)制分布

圖13 5種落地機(jī)制下HIC15

圖14 5種落地機(jī)制下頭地垂直碰撞速度

156 例落地機(jī)制發(fā)生變化的仿真案例中，有142例發(fā)生在［0.01，0.1］的擾動(dòng)區(qū)間內(nèi)。通過觀察行人落地姿態(tài)發(fā)現(xiàn)，t1越晚于頭車碰撞時(shí)刻，行人落地旋轉(zhuǎn)角度就越大。如圖15所示，當(dāng)t1無擾動(dòng)時(shí)，該仿真案例行人落地時(shí)首次觸地部位為下肢，落地機(jī)制為M2；而當(dāng)t1發(fā)生擾動(dòng)且越晚于頭車碰撞時(shí)刻，行人落地旋轉(zhuǎn)角度越大，落地時(shí)首次觸地部位變成頭部，落地機(jī)制變?yōu)镸1。因此，與無擾動(dòng)案例相比，頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)增大。這亦說明，t1越晚于頭車碰撞時(shí)刻，利用車輛制動(dòng)控制方法降低行人頭地碰撞損傷的效果越差。

圖15 t1擾動(dòng)0、0.05、0.1 s（小轎車，21 km/h，5th%男性，100%步態(tài)）行人首次觸地時(shí)姿態(tài)

總體而言，t1擾動(dòng)對行人落地姿態(tài)的影響較小，但t1若晚于頭車碰撞時(shí)刻，與無擾動(dòng)案例相比，部分案例會出現(xiàn)行人落地旋轉(zhuǎn)角度增大，從而導(dǎo)致頭地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)增大的趨勢。

3 討論

由結(jié)果可知，t1擾動(dòng)下，制動(dòng)控制方法雖在個(gè)別案例中會增大行人受傷風(fēng)險(xiǎn)，但總體抗擾性強(qiáng)。大轎車、大型SUV、小轎車、小型SUV 的車輛制動(dòng)控制方法有效率分別為94.4%、100%、100%、50%，WIC總體降幅12.80%；19 組控制制動(dòng)組的HIC15中值與均值均小于完全制動(dòng)組；行人落地姿態(tài)總體上不受t1擾動(dòng)影響。但如文獻(xiàn)［17］所述，為提高技術(shù)的接受度，需降低其風(fēng)險(xiǎn)。但仿真結(jié)果顯示，尚有259 個(gè)案例（占比14.20%）中人體損傷增加，其中原因須特別關(guān)注。與大量研究［11-12，14］結(jié)論類似，車型對制動(dòng)控制方法在t1擾動(dòng)下的人地碰撞損傷防護(hù)效果影響顯著，故須尋找車型參數(shù)對制動(dòng)控制方法抗擾能力的影響規(guī)律。

3.1 制動(dòng)控制方法失效案例原因分析

1 824 個(gè)控制制動(dòng)仿真案例中，25 個(gè)案例（1.37%）車輛所致人體損傷增加，其中24 個(gè)案例頭部損傷增加，1 個(gè)案例骨盆損傷增加。頭部損傷增加的原因是t1早于頭車碰撞時(shí)刻，車輛以更大的速度撞擊頭部，導(dǎo)致頭部在第1 次與車輛撞擊中受到的傷害增大；骨盆損傷增加的原因是行人第2 次與車輛接觸所致。如圖16 所示，該仿真案例中，行人被撞擊至高空后，在重力作用下，行人二次撞擊車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋，此時(shí)車輛對行人造成二次傷害。上述失效案例均發(fā)生在［-0.08，-0.03）的擾動(dòng)區(qū)間內(nèi)，表明在控制車輛制動(dòng)過程中為確保不提高車輛所致傷害，不能過早松開制動(dòng)；同時(shí)也表明t1在［-0.03，0.1］范圍內(nèi)擾動(dòng)時(shí)，車輛所致人體損傷不會增大。

圖16 仿真案例中（t1擾動(dòng)-0.04 s，小轎車，41 km/h，5th%女性，50%步態(tài)）行人被撞擊后的運(yùn)動(dòng)過程

1 824 個(gè)控制制動(dòng)仿真案例中，共有237 個(gè)案例（12.99%）的地面所致?lián)p傷增加，具體情況如下。

（1）59 個(gè)案例（24.89%）中，車人第2 次接觸時(shí)，車頭前沿與人體頭、胸部接觸。此類案例中人車再次接觸雖然不會對行人造成二次傷害，但這一過程不僅未能有效消耗人體下墜能量，還時(shí)常改變?nèi)梭w落地姿態(tài)從而使其頭部與地面產(chǎn)生更大撞擊。如圖17 所示，該案例中，車頭前沿與人體頭部接觸后，行人頭部朝下并以更加垂直地面的姿態(tài)落地，導(dǎo)致頭部損傷增大。這與文獻(xiàn)［15］中的發(fā)現(xiàn)一致，說明在實(shí)施制動(dòng)控制過程中，隨著車載監(jiān)控設(shè)備的升級，在一些案例中可以嘗試對車輛進(jìn)行加速控制以避免此種現(xiàn)象。

圖17 仿真案例中（t1擾動(dòng)-0.07 s，小型SUV，31 km/h，5th%女性，50%步態(tài)）車頭前沿與人體頭部再接觸后行人落地姿態(tài)的變化

（2）52 個(gè)案例（21.94%）中，其對應(yīng)的13 個(gè)完全制動(dòng)案例地面所致?lián)p傷已經(jīng)接近于零，任何行人落地姿態(tài)的改變都只會增加而非降低損傷。圖18 所示案例，完全制動(dòng)情況下，行人下肢、臀部首先觸地，頭部最后觸地，此時(shí)HIC15=0；而在對車輛實(shí)施制動(dòng)控制后，行人頭部首先觸地，進(jìn)而導(dǎo)致頭部損傷增大。此原因與文獻(xiàn)［15］中的發(fā)現(xiàn)一致，這說明不可能獲得100%降低人地碰撞損傷的制動(dòng)控制方法，后續(xù)研究中須探索人地碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法，以將制動(dòng)控制方法更高效地應(yīng)用到須降低人地碰撞損傷的案例中去，據(jù)此降低風(fēng)險(xiǎn)并提升效率。

圖18 仿真案例中（t1擾動(dòng)0.03 s，大轎車，31 km/h，90th%男性，50%步態(tài)）行人首次觸地時(shí)姿態(tài)

（3）50 個(gè)案例（21.10%）中，控制制動(dòng)顯著改變了人體不同部位的落地順序。如圖19 所示，該仿真案例中，完全制動(dòng)情況下行人下肢首先觸地；而在控制制動(dòng)情況下，行人在車輛作用下旋轉(zhuǎn)270°，最終順著發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋脫離車輛而導(dǎo)致其頭部首先觸地，進(jìn)而導(dǎo)致頭部損傷增大。這要求后續(xù)研究中須加強(qiáng)研究人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)預(yù)測技術(shù)和車頭對人體運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，以確保按需實(shí)施制動(dòng)控制且可依托其他技術(shù)手段（如車頭的變化）去改善人體的落地姿勢，進(jìn)而降低人地碰撞損傷。

圖19 仿真案例中（t1擾動(dòng)-0.03 s，小型SUV，41 km/h，50th%男性，100%步態(tài)）行人在車輛作用下旋轉(zhuǎn)270°，頭部首先觸地

（4）30 個(gè)案例（12.66%）中，如圖20 所示，因車人長時(shí)間不分離，導(dǎo)致車輛一直載著人向前運(yùn)動(dòng)，雖不會對行人造成碾壓，但也增加了行人地面損傷風(fēng)險(xiǎn)。圖示仿真案例中，完全制動(dòng)情況下，行人脫離車輛時(shí)頭部速度為5.8 m/s；添加控制制動(dòng)后，因車人長時(shí)間不分離，導(dǎo)致行人脫離車輛時(shí)頭部速度為7 m/s，從而增大了人地碰撞損傷的風(fēng)險(xiǎn)。這與文獻(xiàn)［15］中的發(fā)現(xiàn)相同，針對此類現(xiàn)象，可設(shè)計(jì)一些裝置阻止人體落地，進(jìn)而從根本上避免人地碰撞損傷。

圖20 該仿真案例中（t1擾動(dòng)-0.03 s，小轎車，31 km/h，5th%男性，100%步態(tài)）行人脫離車輛時(shí)頭部速度

（5）26個(gè)案例（10.97%）中，車輛制動(dòng)控制中，人體下肢與車輛前端再次接觸而使人體產(chǎn)生一順時(shí)針旋轉(zhuǎn)加速度，進(jìn)而該旋轉(zhuǎn)速度會轉(zhuǎn)變?yōu)槿梭w頭部與地面的垂直撞擊速度，從而加重人地碰撞損傷。如圖21 所示，該仿真案例中，完全制動(dòng)情況下，行人被車輛撞擊后脫離車輛，頭部落地時(shí)垂直速度為-8.11 m/s；控制制動(dòng)中，行人下肢與車輛前端再接觸，導(dǎo)致人體旋轉(zhuǎn)角度增大且頭地垂直碰撞速度為-9.31 m/s，從而增大了頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)。這類情況與文獻(xiàn)［15］和本研究中發(fā)現(xiàn)（1）類似，均表明在研究中可考慮適度加速，使車輛接住行人大部分軀干，從而讓人體沿著車輛滑落，以避免此種情況出現(xiàn)，但何時(shí)加速、加速多少、何時(shí)再減速是一個(gè)極具挑戰(zhàn)且有倫理風(fēng)險(xiǎn)的問題，需小心應(yīng)對。

圖21 仿真案例中（t1擾動(dòng)0.03 s，小型SUV，41 km/h，5th%女性，50%步態(tài)）控制制動(dòng)情況下人體下肢與車輛前端再次接觸

（6）20 個(gè)案例（8.44%）中，行人從車輛一側(cè)落地，在與車頭特別是發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋側(cè)沿接觸時(shí)產(chǎn)生一個(gè)明顯向車輛側(cè)邊旋轉(zhuǎn)的加速度進(jìn)而使人體頭部以更快速度撞擊地面，從而導(dǎo)致人地碰撞損傷增加。圖22 所示仿真案例中，車輛制動(dòng)控制下行人從車輛一側(cè)落地，其頭地碰撞時(shí)，頭部質(zhì)心加速度高于完全制動(dòng)，而其HIC15由532 增大至911。這與文獻(xiàn)［15］中的相關(guān)發(fā)現(xiàn)一致，均表明在實(shí)施制動(dòng)控制過程中人體從車輛側(cè)沿墜落地面具有增加地面?zhèn)臉O大風(fēng)險(xiǎn)，這要求在后續(xù)研究中關(guān)注車頭形狀設(shè)計(jì)以確保人體不從車體兩邊墜落。

圖22 仿真案例中（t1擾動(dòng)-0.02 s，小型SUV，41 km/h，50th%男性，50%步態(tài)）人地碰撞頭部質(zhì)心加速度曲線

3.2 車型參數(shù)對制動(dòng)控制方法抗擾能力的影響規(guī)律分析

利用Spss 軟件中的Spearman 相關(guān)系數(shù)分析法對76 組ΔWIC（19 組t1×4 種車型）與車頭各參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。以大轎車為例，參照文獻(xiàn)［22］中車頭參數(shù)組成，選取的車頭各參數(shù)如圖23 所示，圖中，H1為保險(xiǎn)杠底端距地面高度，H2為保險(xiǎn)杠頂端距地面高度，H3為發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋低端距地面高度，H4為前擋風(fēng)玻璃底端距地面高度，a為保險(xiǎn)杠長度，b為發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋長度，r1為發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角，r2為前擋風(fēng)玻璃傾斜角。

圖23 車頭參數(shù)選取

分析結(jié)果見表2，相關(guān)系數(shù)絕對值是0.2～0.4時(shí)為弱相關(guān)，0.4～0.6 時(shí)為中等程度相關(guān)，0.6～0.8 時(shí)為強(qiáng)相關(guān)。車頭參數(shù)中，保險(xiǎn)杠底端距地面高度、保險(xiǎn)杠頂端距地面高度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋低端距地面高度、前擋風(fēng)玻璃底端距地面高度、保險(xiǎn)杠長度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋長度和發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角7 個(gè)參數(shù)相關(guān)性顯著。ΔWIC與保險(xiǎn)杠長度具有高度負(fù)相關(guān)關(guān)系，與發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角中等程度正相關(guān)、與其余5 個(gè)車頭參數(shù)均為弱相關(guān)。上述結(jié)果表明，車頭參數(shù)中，保險(xiǎn)杠長度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角對制動(dòng)控制方法的抗擾動(dòng)能力影響較大，保險(xiǎn)杠長度越小、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角越大，制動(dòng)控制方法的抗擾動(dòng)能力越強(qiáng)。本研究所采用的小型SUV 的保險(xiǎn)杠長度是小轎車的2.6倍，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角也小于小轎車，因此，t1擾動(dòng)下小型SUV行人損傷防護(hù)效果最差。

表2 ΔWIC與車頭各參數(shù)相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

通過1 920 次（完全制動(dòng)組96 次、控制制動(dòng)組1 824 次）仿真實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用對比分析等方法獲得以下結(jié)論。

（1）仿真結(jié)果證實(shí)車輛制動(dòng)控制方法在無參數(shù)擾動(dòng)時(shí)能夠有效降低人地碰撞損傷且不增加車輛所致人體損傷，大轎車、大型SUV、小轎車、小型SUV撞人事故中地面所致人體損傷費(fèi)用降低幅度分別為60.22%、43.35%、83.62%、70.09%。表明通過控制車輛運(yùn)動(dòng)去降低人地碰撞損傷具有可行性。

（2）t1擾動(dòng)時(shí)，相較于完全制動(dòng)案例，86.1%控制制動(dòng)組WIC降低，98.61%案例中車輛所致HIC15不變，90.16%案例中地面所致HIC15降低；相較于無擾動(dòng)控制制動(dòng)案例，90.97%案例中行人落地姿態(tài)不變。表明車輛制動(dòng)控制方法具有很強(qiáng)的抗t1擾動(dòng)能力。

（3）t1越早于頭車碰撞時(shí)刻，車輛所致行人頭部損傷增大案例越多；t1越晚于頭車碰撞時(shí)刻，利用車輛制動(dòng)控制方法降低行人頭地碰撞損傷的效果越差。雖然制動(dòng)控制方法總體抗擾能力很強(qiáng)，但在t1擾動(dòng)下如何不增加車輛傷并維持地面損傷防護(hù)效果，依然值得后續(xù)深入研究。

（4）仿真結(jié)果顯示，t1擾動(dòng)下人地碰撞損傷增加的主要原因有人車長時(shí)間不分離、人體從車體邊緣掉落、落地姿態(tài)改變、完全制動(dòng)組中傷害已經(jīng)極低等。表明為提高制動(dòng)控制方法的魯棒性，針對具體問題應(yīng)該有更細(xì)致的解決方案。但結(jié)果亦顯示，可能無法找到一種100%降低地面?zhèn)姆椒ā?/p>

（5）進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，保險(xiǎn)杠長度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角等參數(shù)顯著影響制動(dòng)控制方法的抗擾動(dòng)能力，其中保險(xiǎn)杠長度越小、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋傾斜角越大，制動(dòng)控制方法的抗擾動(dòng)能力越強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)可以指導(dǎo)人們設(shè)計(jì)更能抵抗t1擾動(dòng)的車頭，從而降低制動(dòng)控制方法的使用風(fēng)險(xiǎn)。