基于人車相互作用時間的人地碰撞損傷防護新視角*

鄒鐵方，劉期，劉朱紫，劉陽陽

1. 長沙理工大學汽車與機械工程學院/湖南省工程車輛安全性設計與可靠性技術重點實驗室，湖南 長沙 410114

2. 長沙民政職業(yè)技術學院醫(yī)學院，湖南 長沙 410004

近年來我國行人乘車人事故致死率一直高于其他類型事故致死率，這表明作為弱勢道路交通使用者的行人在事故中需要重點保護。行人在交通事故中的傷害主要來源于第一次與車輛的碰撞及隨后與地面的第二次碰撞，OTTE［1］、楊濟匡［2］等通過事故深度調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)車輛是造成行人損傷的主要原因，但地面所致?lián)p傷不能忽略。馮成建等［3］通過仿真發(fā)現(xiàn)，在碰撞速度≤30 km/h 時，地面所致?lián)p傷可能比車輛所致?lián)p傷更嚴重；但當碰撞速度≥40 km/h 時，行人頭部損傷主要是車輛所致。同樣，鄒鐵方等通過事故再現(xiàn)發(fā)現(xiàn)胸部直接損傷主要來源于地面碰撞［4］。這些成果均表明交通事故中人地碰撞損傷不能忽略。近期有學者分析1 221 例德國行人碰撞事故案例，發(fā)現(xiàn)在碰撞速度低于40 km/h 時，如能消除地面相關損傷則可消除2/3 的總傷害費用［5］，表明開展人地碰撞損傷防護的研究具有極高價值。

事實上，人們很早就利用仿真技術研究地面相關損傷，發(fā)現(xiàn)人地碰撞損傷不易預測，受到碰撞速度、車頭形狀、行人步態(tài)、行人尺寸（身高及體重）等因素的影響［6-11］。為更好地研究人地碰撞損傷，學者們又引入人地碰撞機制［12-13］、行人旋轉角度［14-15］等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)人地碰撞損傷與碰撞機制、旋轉角度有高度相關性，這些參數(shù)可以用來評估人地碰撞損傷風險。相對于諸多聚焦于人地碰撞損傷機制的研究，關于人地碰撞損傷防護方法的研究較少。文獻［1］中提出在車頭設置多個安全氣囊阻止或阻礙人體落地的設想，以阻止人體落地或降低人體墜地的速度。Khaykin 等提出將事故后人體粘到車上的發(fā)明專利［16］。Guibing Li等提出了行人友好型車頭［17］。在項目組前期交通事故再現(xiàn)過程中，偶然發(fā)現(xiàn)人車相互作用時間（人與車接觸的所有時間段之和）與地面所致人體損傷有顯著負相關性，表明此物理量或可作為一個類似行人旋轉角度［14-15］的研究人地碰撞損傷防護的新參數(shù)。

為此，本研究先對145例真實人車碰撞事故視頻進行再現(xiàn)，再通過控制車輛制動以延長人車相互作用時間，由此產(chǎn)生兩組仿真，前者命名為真實案例組，后者則為時間延長案例組。然后，采集相關數(shù)據(jù)分析人車相互作用時間與人地碰撞損傷的關系，進而探索時間延長案例組與真實案例組中地面所致人體損傷的差異，以確定從人車相互作用時間角度研究人地碰撞損傷防護的可能性。

1 基于PC-Crash 軟件的人車事故再現(xiàn)

1.1 視頻數(shù)據(jù)

本研究中所選用的視頻主要來源于課題組前期積累的鑒定案例及網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)。然后對視頻進行篩選，只選擇繞射拋出、事故車為小轎車或多功能運動車且只一車撞一人的碰撞，最終得到145 例人車碰撞事故視頻。然后將事故視頻用PCCrash 軟件進行再現(xiàn)，并通過調(diào)整車輛制動以延長人車相互作用時間，以此獲得兩組數(shù)據(jù)，前者為“真實案例組”，后者為“時間延長案例組”。

1.2 事故再現(xiàn)

PC-Crash是一款國內(nèi)外應用非常廣泛的事故再現(xiàn)軟件，其可靠性及精度在很多事故研究領域都已獲得驗證［18-19］，因而本研究選用該軟件對事故進行再現(xiàn)。為使仿真盡可能真實地反映案例的客觀實際，在事故再現(xiàn)過程中要求真實案例中的所有信息均能在仿真中得到合理解釋。下面將通過一個真實的案例演示事故再現(xiàn)的流程，確保據(jù)此所得再現(xiàn)結果的可靠性。

1.2.1 事故介紹 由某車載行車記錄儀拍攝的一段視頻顯示，在中國某城市道路的天橋下，一位年輕女性奔跑著穿過斑馬線時，與道路左側一輛黑色SUV 發(fā)生碰撞。肇事車輛在碰撞發(fā)生時立即采取了制動措施，行人受到撞擊后在空中翻滾一圈隨即落地。圖1為視頻中事故發(fā)生前人車相對位置圖。

圖1 視頻中事故發(fā)生前人車相對位置圖Fig.1 Relative position map of vehicles and pedestrian before the accident in the video

1.2.2 事故現(xiàn)場重建 通過觀看視頻發(fā)現(xiàn)，僅肇事車輛、行人與路面參與到事故中，不涉及道路旁邊的花壇及其他車輛，因此利用PC-Crash 軟件內(nèi)的道路生成模塊生成一條3車道的道路，每車道寬度為3.5 m.

根據(jù)視頻中車輛信息確定其品牌進而結合網(wǎng)絡確定車輛型號后再獲得車輛側視圖、軸距、輪距、車重及長寬高等系列參數(shù)，將側視圖導入PCCrash 并利用軟件自帶的測量工具測量對人車碰撞事故再現(xiàn)影響最大的車頭各參數(shù)［20］，最終獲得本案例中肇事車輛的外形輪廓參數(shù)見圖2。

圖2 車輛外形輪廓參數(shù)Fig.2 Vehicle profile parameters

行人模型通過PC-Crash 內(nèi)自帶假人模型獲得。將模型輸入軟件界面后，需對其身高、體重、姿態(tài)等參數(shù)進行修改。根據(jù)視頻及中國人體實際參數(shù)將行人身高及體重設置為1.5 m、50 kg［21］，其碰撞瞬間的姿態(tài)通過與視頻反復對比，最終調(diào)整結果如圖3所示。

圖3 碰撞時刻的行人姿態(tài)Fig.3 Pedestrian gait at the time of collision

1.2.3 仿真及驗證 仿真前對車輛及行人的速度進行估算［22］。首先，根據(jù)車身長度L和一段時間內(nèi)車輛行駛過的車位數(shù)N，計算出車輛在該段時間內(nèi)的行駛距離

通過對視頻逐幀播放，記錄車輛駛過距離S時所需的幀數(shù)，從而算出行駛時間

式中T為車輛駛過距離S時所需的時間（s）；n為車輛駛過距離S時需要的幀數(shù)；ne為視頻里1 s 需要的幀數(shù)（視頻格式不同其幀率也不同）。則

式中v為碰撞速度（km/h）。本案例中，碰撞發(fā)生時車輛的預估速度計算結果為48.6 km/h，行人的預估速度計算結果為6.54 km/h。

當各種參數(shù)初步確定后，便開始進行仿真分析。不斷對所有參數(shù)（車輛制動、車輛速度、行人速度、姿態(tài)、身高體重以及碰撞瞬間人車相對位置）進行微調(diào)，以使人車碰撞過程與視頻相吻合，并確保車輛與行人最終停止位置盡可能與視頻中一致。通過多次迭代優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)車輛車速取49 km/h，行人行走速度取6.5 km/h，車輛制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)時間取0.2 s 時，所得仿真信息與視頻最吻合。事故再現(xiàn)的全過程如圖4 所示。圖5-8 給出了視頻與仿真過程中，不同時刻的人車相對位置對比圖。從圖中可以看出，仿真中的車輛行駛軌跡、行人運動軌跡及姿態(tài)、車輛和行人最終停止位置等信息都與視頻非常接近。

圖4 事故仿真全過程Fig.4 Whole process of accident simulation

圖5 0 s時刻人車相對位置Fig.5 The relative position of pedestrian and vehicles at 0 s

為了驗證人體損傷等信息，導出人體頭部減速曲線后計算獲得車輛所致15 ms 頭部損傷準則HIC15 為1 338，地面所致HIC15 為133.9，根據(jù)行人頭部損傷耐受極限（＜700），可推斷在該例事故中行人死亡概率極高，這與新聞報道一致，行人因顱腦受傷而死亡。

從以上分析可知，仿真中行人的運動學響應及損傷均最大限度地與視頻中信息吻合，可認為仿真能很好地反映實際事故發(fā)生的情況，進而使得從仿真中讀取的相關數(shù)據(jù)與實際事故中相關數(shù)據(jù)高度接近，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性。對另外144 個案例，均采用完全一致的標準進行再現(xiàn)，以保證了所有所得數(shù)據(jù)的可靠性。

2 損傷評價指標及研究方法

2.1 損傷參數(shù)及評價指標

1） 頭部損傷指標 1971 年美國運輸部提出的頭部損傷標準HIC定義為

式中a(t)表示頭部重心合成加速度；t2-t1表示HIC 達到最大值的時間間隔，取為15 ms。HIC15的安全界限值為700［23］。PC-Crash 仿真后，將人體頭部減速數(shù)據(jù)輸出，再依式（4） 計算獲得HIC15。

圖6 0.44 s時刻人車相對位置Fig.6 The relative position of pedestrian and vehicles at 0.44 s

圖7 1.02 s時刻人車相對位置Fig.7 The relative position of pedestrian and vehicles at 1.02 s

圖8 2 s時刻人車相對位置Fig.8 The relative position of pedestrian and vehicles at 2 s

2） 胸部損傷指標 采用胸部3 ms 合成加速度作為胸部損傷指標，其安全界限值為60 g［23］。類似地，通過輸出胸部減速數(shù)據(jù)計算獲得胸部損傷指標。

3） 臀部損傷指標 采用碰撞力作為臀部損傷指標，文獻［2］中給出的盆骨耐受極限為10 kN。碰撞力可直接從PC-Crash仿真結果中獲取。

4） 下肢損傷指標 采用碰撞力作為下肢損傷指標，大腿股骨耐受極限為6.3 kN［24-25］，小腿脛骨耐受極限為4 kN［24-26］。碰撞力可直接從PC-Crash仿真結果中獲取。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 軟件中的Mann-Whitney U 檢驗方法對兩組案例的人體損傷、人車相互作用時間等參數(shù)進行顯著性檢驗，檢驗水平α= 0.05，根據(jù)檢驗結果P值判斷各參數(shù)在兩組案例中是否具有顯著統(tǒng)計學差異，P＜0.05 表示有顯著統(tǒng)計學差異、P＜0.01 表示有極其顯著的統(tǒng)計學差異。采用SPSS 軟件中Spearman 相關系數(shù)分析法對人車相互作用時間與碰撞速度、人體各部位損傷之間的相關性進行相關性檢驗。

2.3 延長人車相互作用時間的方法

本研究基于人車相互作用時間探索人地碰撞損傷降低的問題，提出一種較為簡單的時間延長方法，即：當車輛碰撞到行人瞬間或之前，通過完全制動車輛以確保盡量降低人體頭部與車體的碰撞速度；當行人頭部與車輛發(fā)生碰撞之后（可認為人車第一次碰撞已結束），若行人被拋到空中，則松開車輛制動并控制其轉向使車輛追上并接住行人（一般認為人體被拋出的速度與當時車速接近［27］，故松開制動可保證人車再次接觸且因兩者速度接近不會顯著加重車對人的傷害），然后再完全制動使車輛停止；若行人沒有被拋到空中，則控制車輛制動及轉向使車輛保持與行人之間的接觸，直到行人即將落地時再完全制動車輛以避免車輛碾壓行人。在對車輛進行制動控制過程中，最基本的原則是不加速車輛，以保證在延長人車相互作用時間過程中不增加整個事故過程中的能量。

3 實驗數(shù)據(jù)驗證及相關性分析

3.1 案例基本信息

對145 組案例的車速以及行人速度進行統(tǒng)計，將車速分為4 個區(qū)間段，行人速度分為3 個區(qū)間段，分別統(tǒng)計每個區(qū)間段內(nèi)的案例數(shù)量。圖9（a）給出了車速分布情況，最低車速為9.4 km/h，最高車速為75 km/h，車速平均值為34.1 km/h。圖9（b）給出了行人速度分布情況，其中行人最低速度為0 km/h，此時行人處于靜止狀態(tài)；最高速度為15 km/h，此時行人處于奔跑狀態(tài)。在實際碰撞發(fā)生瞬間，大部分行人都處于靜止或者低速行走狀態(tài)。

圖9 車輛及行人速度分布圖Fig.9 Vehicle and pedestrian speed distribution

3.2 行人拋距與車速的關系

圖10 給出行人拋距與車速的關系圖。其中，文獻［27］中的行人拋距與車速關系模型為

文獻［28］的Fugger和Toor模型為

式中SP為行人拋距；vmin、vmax分別為模型所對應的最小車速和最大車速；vFugger為Fugger 模型所對應的車速；vToor為Toor 模型所對應的車速。

圖10 中，除9 個數(shù)據(jù)點外，其余所有數(shù)據(jù)都落在了已有模型之間，這進一步驗證了本研究中所采集的數(shù)據(jù)的可靠性。分析9個數(shù)據(jù)點所對應的案例后發(fā)現(xiàn)，其共同點為人車碰撞位置都處于車頭左右兩側，且行人在碰撞過程中并沒有被拋出，而是在碰撞之后沿著車輛側面滑落到地上，因此造成行人拋距過短。這說明在人車碰撞事故中，若行人在碰撞之后沒有被完全拋出，則不宜利用已有模型依據(jù)行人拋距再現(xiàn)事故車輛車速。

圖10 車速-行人拋距圖Fig.10 Vehicle speed vs pedestrian throw distance

3.3 相關性分析結果

本小節(jié)對人車相互作用時間、碰撞速度、行人各部位損傷（頭部HIC15 值、胸部3 ms 合成加速度值、臀部碰撞力、大腿碰撞力以及小腿碰撞力）進行相關性分析。結果如表1所示。

由表1 可知，人車相互作用時間與行人頭部、胸部損傷之間的相關系數(shù)分別為-0.509 和-0.204，絕對數(shù)明顯高于其與其他參數(shù)之間的相關系數(shù)，表明人車相互作用時間與行人頭部、胸部損傷之間呈現(xiàn)出高度的負相關性。這表明，人車相互作用時間越長，則人地碰撞損傷特別是主要部位（頭、胸部）的損傷將會更低，這很好地說明人車相互作用時間可以選為分析人地碰撞損傷防護的新參數(shù)。

表1 人車相互作用時間與人地碰撞損傷的相關性1）Table 1 Correlation between pedestrian-vehicle interaction time and pedestrian-ground collision injury

4 延長人車相互作用時間對人地碰撞損傷的影響

分析人車相互作用時間與其他參數(shù)的相關性，發(fā)現(xiàn)該參數(shù)與人地碰撞損傷（特別是頭、胸部損傷）顯著負相關，這表明該參數(shù)可以選作新的研究人地碰撞損傷防護的變量，且通過有效延長人車相互作用時間應能降低人地碰撞損傷。調(diào)整145個真實案例中的車輛制動，通過有效增加人車相互作用時間的同時不發(fā)生碾壓事故，探索是否能通過延長人車相互作用時間降低人地碰撞損傷。

4.1 兩組案例中人車相互作用時間對比

圖11 給出了兩組案例中人車相互作用總時間的對比箱形圖。統(tǒng)計分析結果顯示，兩組案例中的人車相互作用時間存在極顯著的統(tǒng)計學差異（P= 0.00 ＜0.01）。在這145 組案例中，每一個時間延長案例中的人車相互作用時間都要大于真實案例，且時間延長案例的人車相互作用時間整體上明顯大于真實案例。這表明本文的方法成功實現(xiàn)了將人車相互作用時間延長的目標。

圖11 人車相互作用時間對比箱形圖Fig.11 Comparison of pedestrian-vehicle interaction time

4.2 兩組案例中地面所致HIC15值及臀部損傷對比

圖12（a）給出了兩組案例中地面所致HIC15 對比箱形圖。結果顯示，兩組案例的HIC15值之間存在極顯著的統(tǒng)計學差異（P= 0.00 ＜0.01），且時間延長案例組的地面所致HIC15值明顯低于真實案例組，表明延長人車相互作用時間能夠大幅度降低行人與地面碰撞過程中的頭部損傷。其中，所有案例都能通過延長人車相互作用時間達到降低頭部損傷的效果，且121 個時間延長案例的人地HIC15降到了真實案例的一半以下，占比83.45%。

圖12（b）給出了兩組案例中地面所致臀部碰撞力對比箱形圖。結果顯示，兩組案例的臀部碰撞力之間存在顯著統(tǒng)計學差異（P= 0.00 ＜0.05）。從圖中可看出，時間延長案例組中臀部碰撞力整體要比真實案例組小。其中，100 個時間延長案例中的臀部碰撞力得到了降低，占比為69%；另外45個雖然沒有降低，但碰撞力均低于損傷極限值，其占比為31%。這表明地面所致臀部損傷亦能從人車相互作用時間的延長過程中受益。

圖12 人地碰撞中頭部及臀部損傷對比箱形圖Fig.12 Comparison of head and pelvis injuries in pedestrian-ground collision

4.3 兩組案例中地面所致胸部損傷對比

以40 km/h 作為分界點，圖13給出兩組案例中地面所致胸部損傷對比箱形圖。結果顯示，若車速不超過40 km/h，兩組案例在人地碰撞胸部損傷方面沒有顯著統(tǒng)計學差異（P= 0.649 ＞0.05）；而當車速在40 km/h 及以上時，兩組案例的人地碰撞胸部損傷之間存在顯著統(tǒng)計學差異（P= 0.038 ＜0.05）。由此可知，如果碰撞速度＜40 km/h，此時延長人車相互作用時間不會對人地碰撞胸部損傷造成顯著的影響；如果碰撞速度≥40 km/h，此時通過延長人車相互作用時間能夠顯著降低人地碰撞胸部損傷。因此，延長人車相互作用時間在高速碰撞下對行人胸部的保護效果較好，而在低速碰撞下則效果不明顯。

圖13 人地碰撞中胸部損傷對比箱形圖Fig.13 Comparison of torso injury in pedestrian-ground collision

4.4 兩組案例中地面所致下肢損傷對比

圖14 給出了兩組案例中地面所致下肢損傷對比箱形圖。統(tǒng)計結果顯示，在人地碰撞過程中，兩組案例的大腿碰撞力之間沒有顯著統(tǒng)計學差異（P= 0.407 ＞0.05），小腿碰撞力之間亦無顯著統(tǒng)計學差異（P= 0.088 ＞0.05），且時間延長案例組的大腿及小腿整體損傷要略低于真實案例組。因此，通過延長人車相互作用時間不會增加地面對行人下肢的損傷。

圖14 人地碰撞中下肢損傷對比箱形圖Fig.14 Comparison of lower limb injuries in pedestrian-ground collision

4.5 兩組案例中車輛所致HIC15、胸部損傷及臀部損傷對比

圖15 中（a）、（b）、（c）分別給出了兩組案例中車輛所致頭部損傷、胸部損傷及臀部損傷對比箱形圖。結果顯示，在整個人車碰撞過程中，兩組案例的頭部損傷之間無顯著統(tǒng)計學差異（P= 0.659 ＞0.05），胸部損傷之間無顯著統(tǒng)計學差異（P=0.560 ＞0.05），且臀部損傷之間亦無顯著統(tǒng)計學差異（P= 0.7 ＞0.05）。以上結果表明，在延長人車相互作用時間的整個過程中沒有增加車輛所致頭部、胸部以及臀部損傷。

圖15 人車碰撞中頭部、胸部及臀部損傷對比箱形圖Fig.15 Comparison of head,torso and pelvis injuries in pedestrian-vehicle collision

因此，延長人車相互作用時間后，因地面碰撞所致人體頭部、臀部損傷顯著下降，在高速碰撞中（≥40 km/h）人體胸部損傷亦顯著下降，且其他部位的損傷未有顯著性差異，同時不會增加車輛對行人的傷害?？傮w而言，可以認為通過延長人車相互作用時間確實能降低人地碰撞損傷。

5 結 論

通過再現(xiàn)145例真實人車碰撞事故并延長每一案例中人車相互作用時間，以此獲得真實案例組和時間延長案例組兩組數(shù)據(jù)，進而用作分析。主要結論如下：

（1）本研究中絕大多數(shù)案例的行人拋距與車速關系與已有研究成果一致，但有9 例明顯不一致。進一步分析這9例事故，發(fā)現(xiàn)：在人車碰撞事故中，若行人在碰撞之后沒有被完全拋出（如掉落車兩邊），則不宜利用已有模型依據(jù)行人拋距再現(xiàn)事故車輛車速。

（2）人車相互作用時間與行人頭部損傷、胸部損傷之間呈現(xiàn)出高度的負相關性。表明人車相互作用時間越長，則人地碰撞損傷特別是主要部位（頭部、胸部）的損傷將越低。

（3）延長人車相互作用時間能夠顯著降低人地碰撞損傷中的頭部、臀部損傷及車速≥40 km/h時的胸部損傷，但不會增加地面所致下肢損傷及車輛所致頭部、胸部及臀部損傷。這些結果表明，后續(xù)研究中可從人車相互作用時間角度探索人地碰撞損傷防護的新方法。

（4）通過一定規(guī)則可延長人車相互作用時間，但暫無在智能汽車中實現(xiàn)的解決方案。從時間延長角度降低地面相關傷害具有可行性，文獻［29］的仿真結果亦很好地驗證這一點。研究成果基于145 例真實人車碰撞事故再現(xiàn)數(shù)據(jù)，雖在再現(xiàn)過程中已盡可能保證再現(xiàn)的客觀、可靠性，但部分事故數(shù)據(jù)不完整，但仍需更多數(shù)據(jù)支撐相關結論。