轎車 自行車事故中騎車人頭部損傷的影響因素研究?

胡 林，程啟寅，黃 晶，陳 強，張 新

(1.長沙理工大學汽車與機械工程學院，長沙 410114；

2.長沙理工大學，工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，長沙 410114；

3.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 4.中國汽車技術研究中心，天津 300162)

前言

我國的自行車保有量位居世界第一，總量超過4億輛[1]，是名副其實的“自行車大國”，而且在最近幾年時間里，共享單車行業(yè)的快速發(fā)展再次極大地提升了自行車的使用人數(shù)。據(jù)調(diào)查，在使用過共享單車的人群中，有超過80%的人每周使用共享單車超過3次。在許多城市中，近半數(shù)人會優(yōu)先選擇共享單車作為“最后一公里”的交通工具[2]。但在過去的8年里，汽車-自行車事故中的騎車人死亡率對比往年不但沒有降低，反而在近幾年呈現(xiàn)上升趨勢。與其它二輪車(摩托車、電動車、電動自行車等)事故相比，自行車騎車人在交通事故中的死亡率是最高的。根據(jù)中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)，從2008年至今，自行車騎乘人員在交通事故中的死亡率一直在20%左右浮動。另一方面，自行車騎車人在交通事故中受到傷害的比例也一直保持在80%以上，這一比例從2008年的81.54%到2015年的80.12%[3]，改善甚微。據(jù)研究，事故中騎車人頭部的損傷風險是最高的[4]，且80%道路使用者的致命損傷為頭部損傷[5]。因此，通過研究自行車騎車人在交通事故中的動力學響應和損傷機理，將有助于降低弱勢道路使用者在交通事故中的傷亡風險，具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者針對汽車-自行車事故完成了大量相關研究，且對騎車人的人體損傷進行深入分析。Stipancic[6]采用logit模型評價汽車-自行車事故的嚴重性，并評估不同因素，包括性別、車道和路口等風險因素的影響。Klassen[7]對道路設計、汽車駕駛員年齡、騎車人性別和年齡、時間、環(huán)境等因素建立了風險模型。文獻[4]中通過24例汽車-自行車事故給出與車速相關的AIS2+，AIS3+頭部損傷風險曲線和下肢骨折風險曲線。文獻[8]中基于CIDAS數(shù)據(jù)庫細分了自行車騎車人頭部在車輛前部的碰撞區(qū)域分布，并研究了車速與損傷程度的關系。文獻[9]中針對不同車型的前部結(jié)構進行研究，指出騎車人頭部損傷與前部機構有關。文獻[10]和文獻[11]中通過建立騎車人身體各部位的有限元模型對損傷情況進行分析。文獻[12]和文獻[13]中基于汽車-電動自行車實際案例，將車型、碰撞類型、碰撞重疊率等作為研究對象，對騎車人頭部損傷進行研究。文獻[14]中基于騎車人的頭部接觸時間、撞擊點、繞轉(zhuǎn)距離、相對速度和碰撞角度進行研究。文獻[15]～文獻[17]中基于正交實驗和邏輯回歸對汽車-兩輪車碰撞事故再現(xiàn)的參數(shù)影響進行研究。文獻[18]～文獻[21]中對比行人和騎車人在事故中的碰撞參數(shù)和損傷程度，并進一步探究了騎車人身體各部位損傷情況或骨折風險。文獻[22]中探究自行車和摩托車騎車人在交通事故中頭部碰撞響應的區(qū)別。盡管目前已有許多學者對自行車事故中的動力學響應和騎車人損傷進行研究，但從騎車人騎行姿態(tài)的角度做進一步分析的研究并不多見，因此本文中擬在通過仿真和實際案例來說明騎車人的騎行姿態(tài)對騎車人運動和損傷的影響。

本文中基于PC-Crash軟件對轎車-自行車事故進行碰撞仿真，對轎車-自行車事故實際案例進行重建。深入研究騎車人的頭部碰撞條件和損傷情況。其研究結(jié)果可為制定自行車騎車人的保護措施和法律法規(guī)提供參考，同時指導自行車的設計與生產(chǎn)，并從騎車人姿態(tài)的角度指導人們選購相應的自行車規(guī)格和型號。

1 模型建立與驗證

1.1 多剛體建?；纠碚?/h3>

PC-Crash軟件基于kudlich Slibar模型進行碰撞仿真，能夠進行多剛體動力學計算。PC-Crash可以通過多組模型，準確、有效地對事故過程進行重建和復現(xiàn)。

為研究人體各部位在碰撞過程中的運動狀態(tài)和生物力學數(shù)值，通常把人體作為一個由有限剛體鉸接組成的多剛體系統(tǒng)進行研究。在多剛體系統(tǒng)中，剛體的運動方程可由牛頓-歐拉方程得到，系統(tǒng)內(nèi)某一剛體i的力和力矩方程為

通過虛功原理，可得到無阻尼的多剛體系統(tǒng)運動方程為

式中:ri，ω0分別為剛體i的位移和初始角速度。

通過拉格朗日或矩陣變換方法對系統(tǒng)方程進行求解，即可得到系統(tǒng)內(nèi)各剛體的動力學數(shù)值。

1.2 事故重建模型與參數(shù)設置

從CIDAS數(shù)據(jù)庫調(diào)取事故信息，并結(jié)合PCCrash車輛數(shù)據(jù)庫中的相應模型，建立一整套能夠滿足實際情況的事故仿真場景。其中，車輛為剛體模型，而自行車與騎車人為多剛體模型。多剛體模型中各個剛體之間的摩擦因數(shù)和接觸剛度等參數(shù)采用PC-Crash默認值，而人-車-地面間接觸面的摩擦因數(shù)如表1所示。

表1 人-車-地面間接觸面的摩擦因數(shù)

1.3 統(tǒng)計方法

采用非線性回歸方法對騎車人動力學響應參數(shù)與自行車座椅高度之間的相關性進行描述，參數(shù)之間的關系采用二次多項式函數(shù)回歸模型表達:

式中的系數(shù)a，b，c通過最小二乘法確定，變量x與y之間的相關性由決定系數(shù)R2確定，一般認為R2∈[0.9，1]時，兩參數(shù)顯著相關；R2∈[0.6，0.9]時，兩者相關性較強。

在邏輯回歸分析的基礎上，分析了騎車人頭部和下肢損傷風險與車輛碰撞速度之間的關系。風險模型p(v)為

式中v為車輛碰撞速度；系數(shù)α和β采用極大似然估計法計算。本文設置檢驗值p的顯著水平為0.05。當p＜0.05時，認為車輛碰撞速度與損傷風險顯著相關。

1.4 頭部損傷評價指標

頭部損傷評價指標HIC定義為

式中:a(t)為頭部質(zhì)心合成加速度；t2-t1表示HIC達到最大值時的時間間隔，在實際應用中最大時間間隔取15ms。

1.5 仿真可靠性驗證

圖1 自行車、騎車人拋距及最終位置

如圖1所示，轎車沿道路由北往南行駛至斑馬線，由于行駛速度過高且視線較差，轎車駕駛員未能及時采取避讓措施，導致車輛前部與在斑馬線上由西往東行駛的自行車的右部相撞，造成33歲騎車人受傷和兩車受損的事故。交通事故發(fā)生于水泥路面，事故發(fā)生時正下小雨，路面平坦但濕滑，確定事發(fā)時轎車與自行車的碰撞車速為44km/h。汽車尺寸和質(zhì)量等參數(shù)見表2；騎車人身高和體質(zhì)量見表3。

表2 汽車模型主要參數(shù)

表3 騎車人模型主要參數(shù)

騎車人頭部和軀干與轎車風窗玻璃碰撞，導致玻璃破損；自行車與轎車左前部碰撞，導致轎車左前部破損，如圖2所示。自行車和騎車人拋距見表4。

圖2 事故痕跡與仿真情況比對

表4 自行車和騎車人拋距與仿真誤差

以上誤差均低于5%，可認為該仿真模型能與實際情況很好吻合。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 仿真方案

騎車人的騎行姿態(tài)取決于自行車的零部件尺寸和騎車人的體態(tài)特征，主要由自行車把手的高度、座椅的高度、把手與座椅的間距和騎車人身高等參數(shù)決定。根據(jù)背角α(見圖3)的大小，定義4組騎行姿態(tài)，分別為 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°組，并進行仿真。

圖3 騎車人背角α

2.2 騎車人動態(tài)響應過程

圖4 為騎車人側(cè)面受到轎車不同車速撞擊后1s內(nèi)的運動形態(tài)示意圖。從圖 4可見，當車速為20km/h時，50百分位男性騎車人與轎車的主要接觸點為下肢，騎車人頭部與轎車發(fā)動機蓋發(fā)生輕微碰撞；當車速為30km/h時，騎車人頭部與轎車的接觸點已由轎車發(fā)動機蓋上移至風窗玻璃下邊緣；當車速為40km/h時，騎車人頭部與轎車風窗玻璃的中部接觸，四肢在空中小幅擺動；當車速為50km/h時，騎車人頭部直沖風窗玻璃，四肢大幅度擺動；當車速為60km/h時，騎車人頭部將撞擊風窗玻璃上邊緣，四肢的擺動和翻滾更加劇烈，相同時間內(nèi)碰撞距離更遠。

圖4 騎車人碰撞后1s內(nèi)的運動形態(tài)

2.3 騎車人頭部損傷分析

人體損傷主要來自于車輛撞擊和地面沖擊，HIC值將考慮與車輛撞擊導致的HIC值和地面沖擊造成的HIC值，并取兩者中的較大值。

通過仿真，使50百分位男性假人以10km/h的速度騎行，并將在騎行過程中分別受到車速為20，30，40，50和60km/h車輛的碰撞；而根據(jù)車身前部碰撞位置的不同，還可大致分為左側(cè)碰撞、中部碰撞和右側(cè)碰撞3種情況，如圖5所示。

圖5 碰撞位置示意圖

圖6 HIC值與碰撞車速的關系

HIC值對比如圖6所示。圖中4條曲線分別代表 4 個騎車人背角分組:0°-5°組、5°-12°組、12°-20°組和＞20°組。 由圖可知，無論是在 30，40還是50km/h的車速沖擊下，HIC總是隨著背角的增大而減??；而在較低車速20km/h時，＞20°組的HIC值也小于其它3種背角情況。

需要指出的是，在左側(cè)碰撞中，轎車車速為20和30km/h時騎車人頭部并未與車輛接觸，因此其HIC值來自于地面沖擊；在這種情況下，由于轎車車速與騎車人騎行速度相差不大，使HIC值更加顯著地受到騎行速度的影響。

4種不同背角的頭部質(zhì)心位移的仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可見:在騎車人背角為5°-12°時，其頭部與車輛接觸后的彈起瞬間，出現(xiàn)了頭部加速度峰值；在騎車人頭部從彈起到最高點再到與地面接觸的過程中，＞20°背角的頭部位移曲線最為平緩；而在0°-5°背角下的騎車人則明顯受到了更為強烈的地面沖擊，其頭部在與地面接觸后再次彈起約0.7m。

圖7 頭部質(zhì)心位移曲線

3 實際案例重建結(jié)果與分析

3.1 案例特征

從中國交通事故深入研究(CIDAS)數(shù)據(jù)庫選出79例轎車-自行車碰撞事故。事故選取標準:(1)事故時間為2012-2017年；(2)事故為轎車與自行車相撞；(3)自行車騎車人為成年人，身高大于1.5m；(4)可測得關鍵參數(shù)的自行車；(5)轎車碰撞速度位于10～80km/h之間；(6)騎車人未戴頭盔。4組不同背角的事故數(shù)量見表5。

表5 4組不同背角的事故數(shù)量

3.2 頭部繞轉(zhuǎn)距離

分別對背角為 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°4組的繞轉(zhuǎn)距離(WAD)與碰撞速度的關系進行擬合，結(jié)果如圖8所示。由圖可見:對于每個背角分組，WAD都隨碰撞速度升高而增大；而車速一定時，WAD 隨著背角的增大而減小。 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°組的擬合函數(shù)決定系數(shù) R2分別為0.859 9，0.908 8，0.881 3 和 0.932 2。

圖8 WAD與碰撞速度的關系

3.3 頭部碰撞速度

分別對 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°4 組的頭部碰撞速度與車速的關系進行擬合，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，頭部碰撞速度隨著車速的升高而增大。騎車人頭部碰撞速度與車速比值最低的是＞20°組，介于 0.869～1.219之間；同時，車速與頭部碰撞速度的均值最低的也為＞20°組，均值為38.95km/h。

圖9 頭部碰撞速度與車速關系的擬合曲線

4個分組的擬合函數(shù)決定系數(shù)R2和騎車人頭部碰撞速度與車速比值范圍如表6所示，各組車速與頭部碰撞速度的均值如表7所示。

表6 決定系數(shù)R2和騎車人頭部碰撞速度與車速比值范圍

表7 車速與頭部碰撞速度的均值

3.4 頭部損傷分析

4個分組的騎車人HIC值與車速的關系如圖10所示。重建結(jié)果顯示，雖然HIC值在不同的碰撞速度下存在一些波動，但4組擬合曲線的整體趨勢是隨著車速的增大而增大。＞20°組的HIC值幾乎在各個車速下都低于其它3個分組，說明背角大于20°時騎車人頭部損傷風險最低。而背角為12°-20°時也具有相對較低的頭部損傷風險，其安全性僅次于＞20°組。 當車速超過 60km/h時，5°-12°組的 HIC將遠超過其它分組，成為風險最高的分組。

圖10 4組HIC值與車速關系的擬合函數(shù)

各個分組的騎車人HIC值達到1 000時所對應的車速見表8。

表8 各分組HIC值達到1 000時的對應車速

3.5 損傷風險分析

根據(jù)79例轎車-自行車事故重建結(jié)果可知，騎車人頭部損傷為AIS 0～2或AIS3+損傷時，車速的累積分布及其線性擬合分別如圖11和圖12所示。從圖中可以看出，0°-5°，5°-12°和 12°-20°組的 AIS 0～2風險相差不大，而在騎車人背角大于20°的情況下，頭部損傷達到AIS 0～2風險低于其它的背角情況。 同樣，AIS 3+風險最低的也是＞20°組，而 5°-12°組成為AIS3+風險最高的分組。

圖11 頭部損傷為AIS 0～2的車速頻率累積分布

圖12 頭部損傷為AIS 3+的車速頻率累積分布

騎車人頭部AIS 0～2和AIS 3+損傷的累積頻率達50%時所對應的車速見表9。

表9 騎車人頭部損傷為AIS 0～2和AIS 3+的累積頻率達50%時所對應的車速

4個背角分組的AIS 3+風險曲線如圖13所示。 其中，0°-5°組在車速 30～60km/h的風險增長最快，而其它分組則是在車速40～70km/h時增長最快。

圖13 騎車人頭部損傷AIS 3+風險與車速的關系

0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°組的頭部 AIS 3+風險為50%時所對應的車輛碰撞速度分別為48.8，50.1，54.4 和 63.3km/h。

4 討論

騎車人在與轎車發(fā)生左側(cè)碰撞時，自行車運動速度與轎車車速相差不多的情況下，在碰撞后由于騎車人自身慣性，其頭部與轎車前部的接觸較為輕微，甚至未發(fā)生接觸，因此主要損傷原因是來自于頭部與地面的沖擊。中部碰撞的頭部損傷情況在整體上要高于左側(cè)碰撞和右側(cè)碰撞。這是因為在中部碰撞中，騎車人頭部碰撞點更接近轎車A柱區(qū)域，而該區(qū)域為導致嚴重損傷的高風險區(qū)域。但無論碰撞位置如何，在騎車人頭部與轎車直接碰撞的情況下，騎車人背角對其頭部損傷的影響是非常顯著的。當背角大于20°時，騎車人頭部損傷相對于其它背角情況總是最輕微的。另外，若騎車人背角越大，其碰撞瞬間的頭部高度也就越低，事故中撞擊風窗玻璃上邊緣的風險也就越小。

通過對CIDAS數(shù)據(jù)庫中79例轎車-自行車事故進行重建分析可知如下結(jié)果。

WAD與轎車車速和騎車人背角相關。當車速越大，騎車人在發(fā)動機罩上滑動距離就越長，因而WAD就越大；而背角越大，騎車人頭部在車輛前部的碰撞點就越靠前，WAD則越小。

騎車人頭部碰撞速度同時受到轎車車速和背角的影響。顯然，轎車車速越大，騎車人頭部碰撞速度與車速比值的平均值就越大。對比不同背角分組的頭部碰撞速度可以發(fā)現(xiàn)，騎車人頭部碰撞速度與車速比值最低的為＞20°組，介于0.869～1.219之間；而這一比值范圍的上限值最大的為5°-12°組，其范圍介于1.060～1.444之間。

通過頭部損傷分析可以發(fā)現(xiàn)，在背角大于20°時，騎車人HIC值曲線位于其它3條曲線之下，說明背角超過20°時騎車人頭部損傷AIS等級超過3級的風險會進一步降低。而背角為12°-20°時，依然具有相對較低的頭部損傷風險，其安全性僅次于＞20°組。 當車速超過 60km/h 時，5°-12°組的 HIC將遠超過其它分組，成為風險最高的分組，該組騎車人頭部損傷等級AIS超過3級的風險也是最高的。

5 結(jié)論

在車速一定時，隨著背角的減小也將導致WAD逐漸增大。騎車人頭部碰撞速度與車速比值最低的為背角＞20°組，介于0.869～1.219之間。自行車騎車人的騎行姿態(tài)將會在事故中影響騎車人的頭部損傷情況。騎車人背角過小，會導致騎車人頭部與汽車碰撞點上移至風窗玻璃上沿區(qū)域，從而增大頭部受損風險。 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°組的頭部AIS 3+風險為50%時所對應的車輛碰撞速度分別為48.8，50.1，54.4 和 63.3km/h，即背角較大時，騎車人的頭部損傷風險較低。