陳澎 裴元津

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 引言

21 世紀(jì)以來，我國乘用車保有量呈現(xiàn)快速上升的趨勢，道路承載壓力不斷增加。根據(jù)中國交通事故深入調(diào)查數(shù)據(jù)庫(CIDAS)2011-2018 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息,行人、自行車、電動(dòng)自行車等弱勢道路使用者參與的交通事故占國內(nèi)事故總量80.28%,其中兩輪車事故(含三輪車)占63.87%,行人事故占16.41%。最近幾年，隨著國際社會(huì)對(duì)VRU人群道路使用權(quán)和人身安全的關(guān)注逐步提升，圍繞車外人員安全所推出的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和新車評(píng)價(jià)規(guī)程正在逐步完善，汽車對(duì)VRU 的碰撞保護(hù)領(lǐng)域，無論測評(píng)技術(shù)還是開發(fā)領(lǐng)域均已成為安全領(lǐng)域的熱門研究方向。本文主要解讀汽車對(duì)VRU 的碰撞保護(hù)領(lǐng)域中行人保護(hù)測試方法的思路與框架，探討制訂行人保護(hù)測試與評(píng)價(jià)規(guī)范的初衷，并分析新版規(guī)程的變化內(nèi)容。

2 行人保護(hù)測試評(píng)價(jià)依據(jù)解讀

2.1 評(píng)價(jià)依據(jù)

旨在模擬真實(shí)事故碰撞中，車外行人的受損情況解析（圖1）。在車輛碰撞測試中，通過直接觀察假人所對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)值便可判斷汽車對(duì)行人的保護(hù)性能。然而，車輛撞擊VRU 時(shí)，因碰撞工況復(fù)雜多變，人體會(huì)產(chǎn)生不同姿態(tài)的撞擊運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而帶來腿部碰撞點(diǎn)和頭部落點(diǎn)大不相同。早期的研究表明，若使用整體假人進(jìn)行事故場景復(fù)現(xiàn)，即便是嚴(yán)格保證相同試驗(yàn)條件，假人撞擊的姿態(tài)也無法保持高度一致，導(dǎo)致無法進(jìn)行工程開發(fā)，失去了研究的意義，故此催生出了劃分人體部位進(jìn)行單獨(dú)測試的思路。

圖1 車外人員撞擊機(jī)理

根據(jù)CIDAS 發(fā)布的VRU 事故統(tǒng)計(jì)，人體頭部和腿部的損傷占比和嚴(yán)重性分別位居身體所有部位的前兩位，通過合理有效的推論最終決定，將致死率最高的頭部和致殘率最高的腿部定義為目前所評(píng)價(jià)的核心部位。

整體測試框架搭建好之后，當(dāng)面對(duì)如此多且復(fù)雜的車輛前端碰撞結(jié)構(gòu)，若想全部進(jìn)行撞擊測試（尤其是頭型），顯然是需要耗費(fèi)大量的資源，因此考慮將全部碰撞范圍劃分成一片片區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，再匯總成總體成績，而這種思路也就衍生出了現(xiàn)在所見到的“均分區(qū)域法”。該方法的特點(diǎn)是選擇區(qū)域內(nèi)損傷較大的點(diǎn)進(jìn)行測試，整體存在一定的隨機(jī)因素，結(jié)果的判定方法較為苛刻。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元仿真逐漸被應(yīng)用于被動(dòng)安全性能開發(fā)中，精確性不斷迭代，使其慢慢被人們所接受。行人保護(hù)測評(píng)方法同樣也與時(shí)俱進(jìn)的構(gòu)建了“網(wǎng)格點(diǎn)”法，被目前廣泛使用，即每隔100mm 投放一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)作為沖擊目標(biāo)位置，通過仿真或?qū)嶋H測試獲得每個(gè)點(diǎn)的顏色，最終形成一張能夠覆蓋頭型碰撞落點(diǎn)的、完整的預(yù)測云圖，而測評(píng)中心僅需要通過每種顏色的比例，隨機(jī)抽取部分點(diǎn)進(jìn)行測試驗(yàn)證，即可對(duì)整體性能做出判斷。“網(wǎng)格點(diǎn)”法大大降低了測試周期，提高了效率，也被譽(yù)為物理評(píng)價(jià)與仿真評(píng)價(jià)相結(jié)合的第一個(gè)成功案例。

根據(jù)規(guī)程要求，行人保護(hù)占總體得分的15%。雖然與“三大碰撞”的總得分占比相差較大，但“單項(xiàng)門檻”這一概念決定了行人保護(hù)同樣具有舉足輕重的作用，引導(dǎo)車輛在開發(fā)過程中要全面發(fā)展，若產(chǎn)生“偏科”最終也無法得到理想的分?jǐn)?shù)（表1）。

表1 2021 版C-NCAP 星級(jí)評(píng)定方案

2.2 評(píng)價(jià)方法

行人保護(hù)的測試流程主要分為四個(gè)階段：

● 車輛準(zhǔn)備

通過配重、調(diào)整車輛高度等方法，將車輛調(diào)整至實(shí)際行駛狀態(tài)下的40km/h 的車身姿態(tài)，本步驟是“車輛標(biāo)記”的基礎(chǔ)。

● 車輛標(biāo)記

當(dāng)車輛姿態(tài)固定后，會(huì)通過基準(zhǔn)線劃分出頭部、腿部測試的關(guān)鍵區(qū)域，并在形成的整體域內(nèi)投影找到均勻布局的網(wǎng)格點(diǎn)，最后完成全部標(biāo)記內(nèi)容。

● 頭型試驗(yàn)

頭部測試考核頭部損傷指標(biāo)（HIC）,通過頭部質(zhì)心的合成加速度計(jì)算得到，試驗(yàn)時(shí)頭型沖擊器以40km/h 的速度，通過對(duì)應(yīng)區(qū)域選用不同頭型（成人或兒童）和不同沖擊角度進(jìn)行測試及評(píng)價(jià)。

● 腿型試驗(yàn)

腿部損傷評(píng)價(jià)主要以小腿的彎矩和膝部韌帶伸長量來評(píng)價(jià)，試驗(yàn)時(shí)腿型沖擊器以40km/h 的速度，保持豎直狀態(tài)精確撞擊對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)位置，間隔1 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行一次試驗(yàn)測試，未進(jìn)行測試的點(diǎn)按相鄰左右兩側(cè)得分較低者進(jìn)行評(píng)價(jià)。

當(dāng)車輛配備主動(dòng)彈起式發(fā)動(dòng)機(jī)罩時(shí)，將會(huì)增加兩個(gè)系統(tǒng)可靠性的驗(yàn)證環(huán)節(jié)：一部分需要使用不易探測的腿型驗(yàn)證車輛探知行人的準(zhǔn)確性；另一部分是選取部分頭部測試位置，保證在低速系統(tǒng)不工作狀態(tài)下，也可以對(duì)頭部起到有效的保護(hù)作用。若兩項(xiàng)均通過驗(yàn)證，則后續(xù)常規(guī)頭型試驗(yàn)中，可以在系統(tǒng)工作狀態(tài)下進(jìn)行測試評(píng)價(jià)。

3 新版試驗(yàn)方法變化

2021 版《C-NCAP管理規(guī)則》已于2021下半年發(fā)布了最新的修訂文稿，定于2022 年1 月開始正式實(shí)施，行人保護(hù)部分有較大更新，下面分別從評(píng)價(jià)方法和試驗(yàn)方法的變更方面進(jìn)行解讀，比較新舊規(guī)程的不同之處。

3.1 評(píng)價(jià)方法變更

新版管理規(guī)則中頭型試驗(yàn)評(píng)價(jià)方式基本不變，但腿型的試驗(yàn)評(píng)價(jià)部分由aPLI 先進(jìn)腿型替代Flex-PLI 柔性腿型和TRL 上腿型進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖2）。

圖2 C-NCAP 測試內(nèi)容示意圖

（1）頭型評(píng)價(jià)

2018 版《C-NCAP 管理規(guī)則》頭型試驗(yàn)區(qū)域最高得分為12 分，2021 版減少至最高分10 分，頭型占比得分適當(dāng)減少。另外，由于擴(kuò)大了測試區(qū)域，頭型區(qū)域的隨機(jī)選取個(gè)數(shù)由8 個(gè)增加到10 個(gè)。車型生產(chǎn)企業(yè)為降低CAE 預(yù)測結(jié)果誤差引起的風(fēng)險(xiǎn)，可向C-NCAP 管理中心申請(qǐng)?jiān)黾有腥吮Ｗo(hù)試驗(yàn)方案，頭型的增加點(diǎn)數(shù)最多為10 個(gè)。

頭型點(diǎn)通過試驗(yàn)區(qū)域預(yù)測結(jié)果判定條件（表2）計(jì)算得到修正系數(shù)，該系數(shù)會(huì)和推薦修正系數(shù)對(duì)比，過高和過低均會(huì)做修改處理,修正系數(shù)可接受值由0.75～1.25 變?yōu)?.8～1.2，“修正系數(shù)大于1.25，調(diào)整至1，修正系數(shù)為0.5～0.75，修正系數(shù)減去0.2，修正系數(shù)小于0.5，調(diào)整至0”更改為“修正系數(shù)大于1.2，調(diào)整至1.2，修正系數(shù)小于0.8，修正系數(shù)減去0.2”。

表2 頭型試驗(yàn)區(qū)域預(yù)測結(jié)果判定條件

若車企未按照要求提供試驗(yàn)所需頭型試驗(yàn)區(qū)域預(yù)測結(jié)果等資料，則會(huì)按照均分區(qū)域法來進(jìn)行試驗(yàn)及評(píng)分，均分區(qū)域由12 均分區(qū)域變?yōu)樾掳嬉蟮?8 個(gè)均分區(qū)域，每個(gè)區(qū)域各選一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，當(dāng)車企認(rèn)為有必要增加試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)，從而得到更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果時(shí)，可提出增加試驗(yàn)點(diǎn)。

（2）腿型評(píng)價(jià)

2018 版管理規(guī)則腿型試驗(yàn)區(qū)域最高得分為3 分，2021 版增加至最高分5 分，腿型得分占比增加。大腿的彎矩最高可得點(diǎn)數(shù)分0.400，小腿的彎矩最高可得點(diǎn)數(shù)分0.400，膝部韌帶伸長量最高可得點(diǎn)數(shù)分0.200。aPLI 腿型在結(jié)果判定區(qū)間的定義上有所更新，通過大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，改變了原先復(fù)雜的曲線定義法，直接使用“aPLI 腿型與車輛第一接觸時(shí)刻起60ms 以內(nèi)的特定時(shí)間段”進(jìn)行描述。

3.2 試驗(yàn)方法變更

新版管理規(guī)則中試驗(yàn)方法部分的變化主要體現(xiàn)在四個(gè)方面，即試驗(yàn)區(qū)域標(biāo)記方法變更、頭型試驗(yàn)方法變更、腿型試驗(yàn)方法變更及沖擊器標(biāo)定方法變更。

（1）試驗(yàn)區(qū)域標(biāo)記

牌照安裝支架的描述進(jìn)行了重新定義，將拆除牌照板相關(guān)描述調(diào)整為“檢查并確認(rèn)車輛前部牌照及牌照安裝支架，其狀態(tài)應(yīng)與實(shí)際正常行駛時(shí)狀態(tài)一致（牌照除外）或盡可能接近”，這樣更加接近我國道路行駛中的車輛狀態(tài)，同時(shí)也改變了包絡(luò)線位置，給腿型測試帶來了新的挑戰(zhàn)。

基于交通事故統(tǒng)計(jì)，最新明確了兩輪車騎行車的碰撞安全同樣需要重點(diǎn)關(guān)注。在經(jīng)過一系列事故調(diào)查、事故重建、運(yùn)動(dòng)學(xué)損傷機(jī)理分析等科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C之后，2021 版管理規(guī)則擴(kuò)展了頭型測試區(qū)域，增加WAD2100-WAD2300 位置的頭型測試區(qū)域（見圖3），對(duì)于均分區(qū)域法，增加WAD2100-WAD2300 風(fēng)擋均分區(qū)域W1-W6，每個(gè)風(fēng)擋均分區(qū)域被分為2 個(gè)區(qū)（A和B）。

圖3 頭型新增碰撞區(qū)

（2）頭型試驗(yàn)方法

2018 版管理規(guī)則中頭型的藍(lán)色網(wǎng)格點(diǎn)可以是單個(gè)，也可以是多個(gè)，相鄰網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)藍(lán)色區(qū)域，修訂后改為單個(gè)或相鄰的兩個(gè)藍(lán)色網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成，進(jìn)一步明確了藍(lán)色區(qū)域各網(wǎng)格點(diǎn)測試結(jié)果之間的關(guān)系；經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，擴(kuò)大后頭型測試區(qū)域?qū)⒃黾蛹s30 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)位置，總網(wǎng)格點(diǎn)個(gè)數(shù)的量級(jí)從160 個(gè)提升到了190 個(gè)，此前隨機(jī)抽取8 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證存在局限性，故而提升至隨機(jī)抽取10 個(gè)，并且企業(yè)自主申請(qǐng)?jiān)黾拥脑囼?yàn)點(diǎn)數(shù)量也更改為不超過10 個(gè)。

（3）腿型試驗(yàn)方法

2018 版管理規(guī)則是依據(jù)保險(xiǎn)杠下部基準(zhǔn)線來選用柔性腿或剛性腿型來完成測試及評(píng)價(jià)，2021 版要求中改用aPLI 腿型測試，更有利于完整、精確的體現(xiàn)被測車輛對(duì)行人下肢的損傷情況。測試過程中，當(dāng)aPLI 腿型處于在第一接觸時(shí)刻時(shí)，沖擊器的底部應(yīng)在地面基準(zhǔn)平面以上25mm±10mm，并且要滿足空間中的豎直姿態(tài)和震動(dòng)穩(wěn)定性。

（4）沖擊器標(biāo)定方法

該部分內(nèi)容的變更主要是涉及對(duì)于全新腿型aPLI 的標(biāo)定方法，腿型的靜態(tài)標(biāo)定應(yīng)按照官方手冊(cè)進(jìn)行年檢，而動(dòng)態(tài)標(biāo)定則與柔性腿型相似，即用直線導(dǎo)向的蜂窩鋁小車以11.1m/s±0.2m/s 的速度進(jìn)行撞擊腿型，采集60ms 內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)值與要求的標(biāo)定通道進(jìn)行比較，最終評(píng)判腿型的狀態(tài)與性能。

由于增加了上體質(zhì)量塊來考核大腿性能，相對(duì)于柔性腿型而言，aPLI 腿型的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法在撞擊膝關(guān)節(jié)中心位置的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)膝關(guān)節(jié)中心以上120mm 的大腿位置標(biāo)定，見圖4。

圖4 腿型膝關(guān)節(jié)中心以上120mm 位置動(dòng)態(tài)沖擊標(biāo)定

4 結(jié)論

本文探討制訂行人保護(hù)測試與評(píng)價(jià)規(guī)范的初衷，并分析新版規(guī)程的變化內(nèi)容。在新版管理規(guī)則中，汽車測評(píng)中心對(duì)行人保護(hù)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行修改，在進(jìn)行行人腿部碰撞保護(hù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)中，采用先進(jìn)的行人腿型（aPLI），并替代了傳統(tǒng)Flex-PLI 和TRL上腿型，同時(shí)結(jié)合中國交通事故中典型的二輪車騎行者等VRU 群體受傷案例，為了更好的保護(hù)VRU 群體安全，新版測評(píng)規(guī)則擴(kuò)大了行人保護(hù)頭部試驗(yàn)區(qū)域，增加了行人保護(hù)測試得分難度，這樣有助于促進(jìn)車企加快對(duì)車輛的優(yōu)化與改進(jìn),推動(dòng)我國道路交通安全發(fā)展。