全球NCAP行人保護(hù)測評的對比研究及展望*

李海巖，楊 振，賀麗娟，呂文樂，崔世海，阮世捷

（天津科技大學(xué)，現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，2018年死于交通事故的人數(shù)增加到135萬，受傷人數(shù)達(dá)5 000萬［1］。道路交通傷害是5~29歲人群死亡的主要原因，世界上每天有近3 700人死于交通事故，每年還有數(shù)千萬人受傷或致殘，其中死亡人數(shù)中有超過一半的是行人和騎行者，行人在全球交通事故死亡中的平均比例達(dá)到23%。與低收入國家相比，高收入國家有著更高的汽車保有量，但是低收入國家在交通事故中的人口死亡率是高收入國家的3倍。非洲和東南亞國家的道路交通死亡率在每100 000人中分別高達(dá)26.6人和20.7人，而美洲和歐洲國家每100 000人中分別只有15.6人和9.3人死亡。

快速的城市化、安全標(biāo)準(zhǔn)的不完善、分心或疲勞駕駛、酒駕和服藥駕駛等都是造成這一問題的原因。在落實(shí)聯(lián)合國8項車輛安全標(biāo)準(zhǔn)方面只有40個高收入國家實(shí)施了其中的7~8項標(biāo)準(zhǔn)，11個國家采用了2~6個標(biāo)準(zhǔn)，124個國家僅采用1個或沒有采用標(biāo)準(zhǔn)。部分國家和地區(qū)交通事故中行人死亡比例、車輛安全標(biāo)準(zhǔn)和死亡總?cè)藬?shù)趨勢如表1所示。由表可見，在中國、巴西、泰國、印度等中等收入國家交通事故中的人口死亡率明顯高于英國、美國、韓國、日本等高收入國家。在擁有完善或大部分車輛安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的國家交通事故死亡率明顯呈下降趨勢。此外，絕大多數(shù)國家行人在交通事故中死亡占有很大的比例，雖然印度在交通事故中行人死亡比例只有10%，但是同作為弱勢道路使用者的騎車者死亡比例超過了40%。因此隨著科技的發(fā)展和汽車制造水平的提高，更多的車企和評估機(jī)構(gòu)應(yīng)該重視在交通事故中的行人保護(hù)，提高車輛的安全水平，完善評價標(biāo)準(zhǔn)，以在最大程度上減少交通事故中的人員傷亡，避免不必要的損失。

表1 WHO2018年報告部分國家交通事故行人死亡比例、車輛安全標(biāo)準(zhǔn)和交通事故死亡總?cè)藬?shù)趨勢

1 行人保護(hù)試驗方法

各國和地區(qū)的行人保護(hù)試驗方法基本原理是一致的，都是在特定的條件下盡可能模擬典型的交通事故。由于目前尚未開發(fā)出能投入使用的行人碰撞假人，所以，行人碰撞測試中一般使用3種人體測量裝置（ATD）來模擬一個被撞行人的頭部、大腿和小腿發(fā)生碰撞的場景。車輛在測試期間保持靜止，ATD以測試協(xié)議要求的速度（一般為40 km∕h）和角度（根據(jù)不同國家要求略有差別）撞擊到車輛上。在測試方案中一般有兩個頭型，兩個腿型：較大的成人頭型用于測試發(fā)動機(jī)蓋后部和風(fēng)窗玻璃底部，較小的兒童頭型用于測試發(fā)動機(jī)蓋前部，如圖1所示。腿型的使用與頭型相似，上腿型用于測試前部保險杠較高的車輛，下腿型用于測試保險杠較低的車輛。汽車前部的測試區(qū)域一般以100 mm的間隔標(biāo)記一系列網(wǎng)格點(diǎn)，并根據(jù)汽車前部碰撞包繞長度的不同劃分成人和兒童頭型測試區(qū)域。汽車制造商為每個標(biāo)記的網(wǎng)格點(diǎn)提供預(yù)測的試驗結(jié)果，評測機(jī)構(gòu)對每個網(wǎng)格點(diǎn)隨機(jī)選擇進(jìn)行測試，確認(rèn)制造商的數(shù)據(jù)是否正確。

圖1 C-NCAP行人保護(hù)沖擊試驗

2 試驗方式對比

NCAP頭型試驗和腿型試驗一般都包括：基準(zhǔn)線的測量，碰撞包繞長度的測量、網(wǎng)格點(diǎn)的劃分、試驗區(qū)域的劃分和沖擊試驗。

2.1 頭型試驗的對比

各國和地區(qū)NCAP中規(guī)定頭型試驗區(qū)域基準(zhǔn)線一般包括發(fā)動機(jī)罩前部基準(zhǔn)線（見圖2）、發(fā)動機(jī)罩側(cè)面基準(zhǔn)線和發(fā)動機(jī)罩后面基準(zhǔn)線，3條基準(zhǔn)線在各國NCAP測量標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，此外日本JNCAP還規(guī)定進(jìn)行前風(fēng)窗玻璃基準(zhǔn)線的測量，基準(zhǔn)線測量方式如表2所示。

圖2 發(fā)動機(jī)罩前部基準(zhǔn)線和碰撞包繞長度的測量

碰撞包繞長度（WAD）用于確定碰撞時的相對位置，具有確定汽車前端高度、碰撞位置，以及劃分成人與兒童碰撞區(qū)域和網(wǎng)格點(diǎn)的作用。其測量方法是在車輛處于正常姿態(tài)時，使用皮尺讓其貼合發(fā)動機(jī)罩和風(fēng)窗玻璃表面，并保持在車輛縱向垂直對稱平面內(nèi)，使其端頭自然下垂至剛接觸地面，讀取頭型撞擊點(diǎn)在皮尺上的讀數(shù)即得。

基準(zhǔn)線和碰撞包繞長度測量完畢后，對網(wǎng)格點(diǎn)劃分，以規(guī)定沖擊器具體的沖擊區(qū)域。在車輛保險杠、發(fā)動機(jī)罩上部、風(fēng)窗玻璃等部位標(biāo)記出車輛的縱向中心線，在車輛縱向中心線上，從WAD1000開始到盡頭以100 mm為間隔進(jìn)行包繞長度標(biāo)記。然后，將車輛中心線上的網(wǎng)格點(diǎn)間隔100 mm向車輛兩側(cè)延伸，直到車輛邊界線，如圖3所示。由于兒童和成人身高差距較大，在交通事故中與車輛發(fā)生碰撞時頭部與車輛的接觸位置會有很大不同。為使試驗更加貼近真實(shí)的交通事故，各國和地區(qū)NCAP頭型試驗均分為兒童頭型試驗和成人頭型試驗，根據(jù)汽車前部結(jié)構(gòu)以不同的碰撞包繞長度為界限選用成人頭型或兒童頭型沖擊車輛頭型試驗區(qū)域的指定位置。碰撞速度均為40 km∕h，一般使用成人頭型時沖擊角度為65°±2°，使用兒童頭型時沖擊角度為50°±2°。根據(jù)汽車前基準(zhǔn)線位置的不同進(jìn)行兩種角度的兒童頭型沖擊器沖擊試驗。C?NCAP在2021版中增加了不同角度的成人頭型沖擊試驗。具體試驗設(shè)置和試驗區(qū)域如表3所示。

表2 各國家和地區(qū)頭型試驗區(qū)域基準(zhǔn)線測量方式和包繞長度

圖3 網(wǎng)格點(diǎn)的劃分

2.2 腿型試驗的對比

腿型試驗區(qū)域基準(zhǔn)線的測量一般包括保險杠上部基準(zhǔn)線、保險杠下部基準(zhǔn)線和保險杠角的測量。保險杠上部基準(zhǔn)線為700 mm直尺在車輛縱向平面內(nèi)向后傾斜20°，在車輛前部橫向移動并與車輛保險杠接觸時，直尺與保險杠接觸點(diǎn)的幾何軌跡（圖4（a））；保險杠下部基準(zhǔn)線為700 mm直尺在車輛縱向平面內(nèi)向前傾斜25°，在車輛前部橫向移動并保持地面和車輛保險杠接觸時，直尺與保險杠接觸點(diǎn)的幾何軌跡（圖4（b））；保險杠角的測量為與車輛縱向平面成60°的方板與保險杠相切時的接觸點(diǎn)（圖4（c））。腿型試驗網(wǎng)格點(diǎn)劃分方式與頭型試驗相同。

表3 頭型試驗設(shè)置與區(qū)域劃分

圖4 腿型試驗區(qū)域基準(zhǔn)線測量

由于車輛前端高度存在差異，所以在車輛與行人下肢發(fā)生碰撞時的接觸位置會有所不同。因此，在腿型試驗方面，歐洲、澳大利亞、韓國的NCAP均以425和500 mm為界限劃分區(qū)域，可選用不同沖擊器進(jìn)行沖擊試驗。保險杠下部基準(zhǔn)線低于425 mm的車型選用下腿型沖擊器，高于500 mm可選用上腿型沖擊器，在這個范圍內(nèi)的可自由選擇。我國在2021版C?NCAP中改用能同時測量大腿和小腿的aPLI腿型沖擊器。日本JNCAP只進(jìn)行使用FLEX?PLI沖擊器的下腿型沖擊器沖擊試驗。腿型沖擊器沖擊速度各國和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)均統(tǒng)一，為40 km∕h。

2.3 腿型沖擊器

人體測量裝置（ATD）是行人保護(hù)試驗中重要的部分，在aPLI腿型沖擊器被應(yīng)用之前FLEX?PLI腿型沖擊器是各國在進(jìn)行下腿型試驗時普遍使用的高度仿生試驗儀器。FLEX?PLI以生物力學(xué)為基礎(chǔ)，由具有生物力學(xué)基礎(chǔ)和生物仿真彎曲度的3部分組成：股骨、膝關(guān)節(jié)和脛骨，并利用連接在其上的應(yīng)變計承受大部分載荷并能輸出彎矩，如圖5（a）所示。然而由于FLEX?PLI缺少與車輛碰撞時上半身的表現(xiàn)，所以僅能孤立地模擬行人的下肢。在對于具有高保險杠的車輛進(jìn)行試驗時，其無法充分模擬下肢所產(chǎn)生的彎矩。aPLI腿型沖擊器通過調(diào)整下肢質(zhì)量分布，并增加了11.3 kg的上體模塊質(zhì)量，用來模擬碰撞時上體對全身運(yùn)動所帶來的影響，如圖5（b）所示。據(jù)Takahiro等［17］研究表明，相比FLEX?PLI模型，在與不同車輛碰撞時，aPLI模型與人體全身模型損傷量有更高的相關(guān)性，尤其是股骨彎矩和MCL伸長量的輸出。因此C?NCAP對aPLI腿型沖擊器的最先應(yīng)用大大提高了車輛對行人保護(hù)的安全標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 根據(jù)實(shí)驗結(jié)果可以得出的實(shí)驗結(jié)論： 在一定范圍內(nèi)，隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)，光合作用速率____________。

圖5 腿型沖擊器結(jié)構(gòu)圖

2.4 試驗方式差異分析

各國頭型試驗方式大致相同，在最新的C?NCAP（2021版）中將包繞長度延伸至2 300 mm，并在WAD2100?WAD2300區(qū)域進(jìn)行60°（非65°）的成人頭型沖擊試驗。試驗區(qū)域的精細(xì)劃分和采用不同角度的沖擊試驗?zāi)軌驅(qū)Σ煌螤詈烷L度的發(fā)動機(jī)蓋在一定程度上提供更精確的測試結(jié)果。此外在腿型試驗方面，日本JNCAP則只使用下腿型沖擊器FLEX?PLI的沖擊試驗。我國C?NCAP在2021版中改變了之前的由保險杠高度選擇上腿型試驗或下腿型FLEX?PLI試驗，而選用新型aPLI腿型沖擊器進(jìn)行整體的腿型沖擊試驗。Euro NCAP等其他國家NCAP根據(jù)車輛前保險杠高度選用上腿型試驗或下腿型FLEX?PLI試驗。JVCAP在此項中可能會處于劣勢。

3 試驗評分

行人保護(hù)試驗的評價包括頭型試驗的評分和腿型試驗的評分。在C?NCAP（2021版）中可得到的最高分?jǐn)?shù)為15分，頭型試驗最高可得10分，腿型試驗最高可得5分。此項其他國家NCAP中評分所占比例有所不同，如表4所示。

汽車制造商為每個標(biāo)記的網(wǎng)格點(diǎn)提供預(yù)測的得分結(jié)果，評測機(jī)構(gòu)對汽車制造商提供網(wǎng)格點(diǎn)的預(yù)測結(jié)果隨機(jī)選點(diǎn)進(jìn)行測試，確認(rèn)制造商的數(shù)據(jù)是否正確。評測機(jī)構(gòu)將測試網(wǎng)格點(diǎn)的得分之和除以這些網(wǎng)格點(diǎn)的最高得分之和，得到一個百分比，用該百分比乘以頭型或腿型試驗總分，得到測試成績。

3.1 頭型試驗得分標(biāo)準(zhǔn)

頭型試驗的得分均為劃分網(wǎng)格區(qū)域得分，以頭部損傷指數(shù)（head injury criterion，HIC）進(jìn)行評分。根據(jù)測得HIC值大小所處區(qū)間不同，得分不同，每區(qū)域點(diǎn)最高得分為1分，最低得分為0分。此項HI C15值區(qū)間評分標(biāo)準(zhǔn)在不同國家的NCAP中一致，具體參數(shù)如表4所示。

3.2 腿型試驗得分標(biāo)準(zhǔn)

腿型試驗一般分為上腿型試驗和下腿型試驗，其評分標(biāo)準(zhǔn)與頭型試驗類似，均為劃分網(wǎng)格點(diǎn)區(qū)域的形式進(jìn)行評價，每區(qū)域點(diǎn)最高得分為1分，最低得分為0分。下腿型試驗的評測項目為小腿彎矩和膝部韌帶伸長量，當(dāng)ACL∕PCL均小于限值（10 mm）時根據(jù)MCL評分。上腿型試驗的評測項目為彎矩和合力。而最新C?NCAP（2021版）引進(jìn)的aPLI腿型沖擊器測量大腿彎矩、小腿彎矩和MCL伸長量。沖擊器的得分根據(jù)高限性能值和低限性能值采用線性插值的方法計算網(wǎng)格點(diǎn)得分。各國和地區(qū)NCAP腿型沖擊試驗的評價標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 NCAP行人保護(hù)試驗評分準(zhǔn)則

3.3 評分方式差異分析

在各國和地區(qū)的NCAP頭型沖擊試驗中，HI C15作為一個普遍適用的頭部損傷準(zhǔn)則被各國頭型試驗所采用，腿型試驗也均采用彎矩、合力和韌帶的伸長量作為評價標(biāo)準(zhǔn)。在頭型試驗和腿型試驗的分值比例方面，C?NCAP（2021版）調(diào)整頭型試驗與腿型試驗得分比值和除JNCAP外的其他國家相同，均為2∶1，JNCAP在此項中頭型試驗分值所占比例超過了86%。

在腿型試驗評價方面，C?NCAP（2021版）中改變之前與其他國家相同的上腿型和下腿型選擇性進(jìn)行的腿型沖擊試驗，而采用了更加先進(jìn)準(zhǔn)確，且能夠同時測試大腿和小腿的aPLI沖擊器進(jìn)行腿型沖擊試驗，提高了車輛對行人腿部保護(hù)的要求。在其他國家NCAP中，JNCAP只進(jìn)行下腿型試驗，此項對于保險杠前端較高車輛來說得分可能會不夠準(zhǔn)確。在下腿型試驗的得分標(biāo)準(zhǔn)方面，JNCAP的標(biāo)準(zhǔn)與其他國家相比略有不同，其對腿部的彎矩要求更為嚴(yán)格，而對于膝部韌帶伸長量要求略低。此外，KNCAP相對其他國家在上腿型試驗中的各項標(biāo)準(zhǔn)也相對較低。

4 未來行人保護(hù)評測方式的展望

4.1 沖擊器的升級和行人假人的開發(fā)

人體測量裝置（ATD）是行人保護(hù)試驗中重要的一部分，C?NCAP（2021版）對aPLI腿型沖擊器的最先應(yīng)用大大提高了國內(nèi)車輛對行人保護(hù)的安全標(biāo)準(zhǔn)。目前的人體測量裝置雖然在一定程度上能模擬出整人碰撞時的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)，但相比于整人，在碰撞動力學(xué)響應(yīng)和運(yùn)動姿態(tài)方面還存在一定差距。由于目前世界上沒有明確的行人假人安全法規(guī)，鮮有研究機(jī)構(gòu)對行人假人進(jìn)行開發(fā)，所以目前在碰撞試驗中應(yīng)用的多為乘員假人。早在1998年本田公司研發(fā)出第一代用于碰撞的行人假人POLAR I，在2008年該假人升級到第三代POLAR III，并在2009年由廣汽本田使用該行人假人進(jìn)行了全球首次碰撞［22］。POLAR行人以Hybrid III型假人為藍(lán)本，上肢可以測量頭頸部和胸腹部的加速度和位移，下肢可以測量脛骨、股骨和膝部韌帶等部位的力矩等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，隨著未來行人保護(hù)要求的不斷提高和行人安全法規(guī)的完善，對行人假人的需求將進(jìn)一步提升。因此，除沖擊器不斷升級，行人假人的開發(fā)和應(yīng)用也是未來行人保護(hù)測試的主要發(fā)展趨勢。

4.2 沖擊器有限元模型仿真試驗

隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，通過有限元仿真也能部分替代NCAP的碰撞試驗。有限元仿真試驗通過模型建模、網(wǎng)格劃分和材料屬性的賦予和邊界條件的設(shè)置，然后提交計算機(jī)進(jìn)行仿真計算。有限元模型仿真試驗在一定程度上得到與實(shí)物試驗接近的結(jié)果，同時還能最大程度地降低試驗成本。所以，有限元仿真沖擊器試驗也是未來一段時期內(nèi)車輛碰撞試驗的一種替代方式。圖6為LSTC公司開發(fā)的頭型沖擊器和腿型沖擊器有限元模型。

圖6 沖擊器有限元模型

4.3 高生物保真度人體計算模型的開發(fā)應(yīng)用

相比人體沖擊器有限元計算模型和多剛體計算模型，具有高生物保真度的人體整人有限元計算模型，包括精細(xì)的人體組織、器官和解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征，能提供更接近真實(shí)的材料屬性，得到更加真實(shí)的碰撞數(shù)據(jù)，可以在汽車碰撞仿真分析中得到更真實(shí)的損傷評價，例如不同腦組織的損傷情況、身體器官的損傷、關(guān)節(jié)的損傷、韌帶的撕裂、骨骼的斷裂等等。構(gòu)建具有高生物保真度的人體有限元模型一直是國內(nèi)外各大高校和科研機(jī)構(gòu)在汽車安全領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容之一。2000年豐田公司發(fā)布了第一代用于碰撞仿真的THUMS假人模型，2019年該系列假人模型已升級到第六代。此外，天津科技大學(xué)［23-24］、湖南大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校一直致力于開發(fā)用于碰撞仿真的具有高生物保真度的兒童和成人人體有限元計算模型，如圖7所示。目前Euro NCAP也開始有限元人體模型的研究工作［25］，并對研究有限元模型的高校和企業(yè)提供了用于模型對標(biāo)的數(shù)據(jù)［26］。因此，隨著Euro NCAP有限元假人模型的對標(biāo)工作順利進(jìn)行，有限元模型的應(yīng)用也必定會加入到各國和地區(qū)的NCAP評測中。

圖7 有限元人體模型

4.4 主被動安全一體的行人保護(hù)

自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）是一種可以通過攝像機(jī)、激光測距和雷達(dá)系統(tǒng)來檢測即將發(fā)生的碰撞，當(dāng)檢測到碰撞即將發(fā)生時，車輛會根據(jù)具體的工況進(jìn)行自動制動保護(hù)［27］。使用ATD或碰撞假人時車輛只能使用單一的測試速度進(jìn)行性能判斷。但在主動安全技術(shù)的應(yīng)用下，車輛在與行人發(fā)生碰撞時碰撞車速的降低有可能降低碰撞的損傷。目前部分國家NCAP中主動安全部分已經(jīng)包括車輛追尾（car to car rear，CCR）和車輛對弱勢道路使用者（vulnerable road users，VRU）等多個用于評測AEB的項目，并通過提高主動安全部分分值來鼓勵廠商安裝AEB系統(tǒng)。AEB應(yīng)用會降低發(fā)生碰撞時的速度，在一定程度上能降低碰撞所帶來的損傷影響。但是，在車輛與行人發(fā)生碰撞時，行人的損傷降低是主動安全與被動安全共同作用的結(jié)果。目前的主動安全與被動安全均為分別進(jìn)行測試，兩者是否能夠很好結(jié)合也是汽車安全領(lǐng)域發(fā)展的方向。

5 結(jié)論

目 前 我 國C?NCAP、歐 洲Euro NCAP、日 本JNCAP、韓國KNCAP、拉丁美洲Latin NCAP和澳洲ANCAP都擁有各自相對完善的行人保護(hù)測試評估試驗。由于各國的主要車輛類型、交通狀況和對損傷保護(hù)要求的不同，在行人保護(hù)試驗和行人保護(hù)評估方面存在一定差別。各國應(yīng)針對各自的交通狀況以及人文環(huán)境完善并更新各自的評價標(biāo)準(zhǔn)，車輛企業(yè)也應(yīng)針對各自車型的使用環(huán)境和要求來確保車輛的安全性能。

ATD和碰撞假人都是在汽車碰撞中重要的試驗裝置，隨著科技的發(fā)展和車輛安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，F(xiàn)LEX?PLI和aPLI等高保真度的人體測量裝置能為車輛碰撞仿真的損傷情況提供更加真實(shí)的評估結(jié)果。此外，行人假人的開發(fā)也是行人保護(hù)發(fā)展的趨勢之一。具有高生物保真度有限元模型的開發(fā)和應(yīng)用也能在降低成本的同時提供可供試驗參考的仿真結(jié)果。此外AEB系統(tǒng)能有效降低車輛發(fā)生碰撞時的速度甚至避免碰撞，目前許多國家的評測機(jī)構(gòu)已經(jīng)將AEB納入其中。伴隨著車輛安全性能的提高與評估標(biāo)準(zhǔn)的完善，未來在減少人員傷亡甚至減少交通事故等方面定會取得巨大進(jìn)步。