行人應急姿態(tài)對頭部損傷影響研究

劉卓異,覃 勇,宋曉雯,楊 苓,許倩源

(1.雅安職業(yè)技術學院，雅安625000；2.成都工貿職業(yè)技術學院,成都611731；3.四川職業(yè)技術學院，遂寧629099)

據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，全球每年因交通事故死亡約有130萬人、受傷5 000萬人[1].行人作為道路交通的弱勢參與方，在碰撞事故中最容易受傷害.2015～2020年我國交通事故死亡人數(shù)373 125人，行人死亡率居高不下，行人死亡人數(shù)約占交通事故死亡總數(shù)的25%[2].

在此背景下，行人保護的研究受到了國內外學者及專家的廣泛關注，并對人車碰撞事故進行了大量研究.Elliott[3]研究發(fā)現(xiàn)：車速、行人速度和運動姿態(tài)對行人被撞后的運動學有顯著的影響；GIANMARCO C等[4]利用MADYMO仿真軟件分析不同姿態(tài)下行人與不同車型發(fā)生碰撞后的損傷情況，并得出了廂式客車前端越高，行人大腿損傷越大；HUIJBER S等[5]研究發(fā)現(xiàn)車的碰撞速度對行人的損傷影響很大；張詩波等[6]對不同速度廂式客車碰撞行人后的運動規(guī)律進行研究；王巖等[7]發(fā)現(xiàn)不同車輛類型對行人動力學響應和各部位損傷影響不同;陳奇等[8]發(fā)現(xiàn)廂式客車碰撞角度對行人碰撞后的運動姿態(tài)有較大影響；聶冰冰等[9]分析了行人與車輛發(fā)動機罩碰撞后，發(fā)動機罩蓋的碰撞變形過程結合能量守恒原理，創(chuàng)作了具有夾板結構的發(fā)動機罩蓋的設計，此設計可以起到行人頭部保護的作用；曹軍帥等[10]分析人車碰撞角度對行人身體損傷程度的影響.

國內外學者及相關機構對人車碰撞事故中的研究主要集中在利用仿真軟件對車輛前部結構、行人速度、車輛類型、汽車與人的碰撞角度，而對行人的應急姿態(tài)在人車碰撞事故中行人動力學響應及損傷方面研究較少.文中將根據(jù)國家深度調查的案例，基于仿真軟件建立車-人的多剛體事故碰撞模型，研究廂式汽車與行人碰撞過程中，行人應急姿態(tài)對行人頭部損傷的影響，為行人保護提供參考.

1 事故重建與模型驗證

1.1 案例摘要

2018年12月27日，某地某路口，一輛五菱廂式客車與行人發(fā)生正面碰撞，人車碰撞時，汽車行駛速度58.6 km/h，事故導致：五菱廂式汽車前擋風玻璃破裂、發(fā)動機罩明顯變形、前保險杠變形受損；行人在此次碰撞事故中采取了跨步前進和上半身身體轉向等應急姿態(tài)，此次事故造成行人身體多處擦挫傷、右小腿骨折、重型顱腦損傷，其中，重型顱腦損傷是導致行人死亡的最根本原因.

1.2 模型建立

在數(shù)據(jù)比較詳細的情況下，PC-Crash對行人損傷事故建?？梢暂^好的還原案例的真實場景[6].車輛外形尺寸與行人信息是NAIS中記錄的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)真實可靠,其中行人身高159cm,深度調查車輛是某五菱箱式汽車.故用PC-Crash仿真軟件建立事故碰撞模型.PC-Crash的人、車多剛體模型的有效性已通過實車碰撞試驗得到了驗證，具體見文獻[11-12].人、車和路面相互接觸的摩擦因數(shù)取值參考文獻[13]，摩擦因數(shù)取值具體如下：人-車0.5、人-路面0.5、車-路面0.6.

1.3 人車碰撞模型驗證

根據(jù)仿真過程，碰撞中行人右小腿先與發(fā)動機罩右前邊緣發(fā)生碰撞，而后身體倒向汽車發(fā)動機罩，頭部撞上擋風玻璃后被拋出.根據(jù)仿真結果，進一步分析行人頭部線性加速度曲線見圖1，由該曲線可知：行人頭部出現(xiàn)2個加速度峰值，其中，第一個峰值出現(xiàn)在與汽車碰撞過程中，第2個峰值是與地面碰撞所致，整個過程中行人頭部傷害指數(shù)(Head Injury Criterion，HIC) 值約為2 576.8，嚴重超過行人頭部HIC閾值[14]，仿真結果與行人死亡原因能夠較好地吻合；PC-CRASH仿真與視頻信息反應的碰撞部位、碰撞過程、最終停止位置也能很好地吻合，故驗證了該模型的有效性，碰撞對應關系見表1.

2 應急姿態(tài)對行人頭部的損傷影響

通過對NAIS案例中的監(jiān)控錄像以及網(wǎng)絡上的人車事故視頻的觀察，在廂式客車與行人碰撞的過程中，行人通常能意識到危險并作出一些自我保護的應急姿態(tài).常見的應急姿態(tài)有前傾(下肢不動,軀干前傾,上肢作支撐狀)、上半身轉向(下肢不動，上半身轉動)、下蹲(雙腳并攏,作下蹲狀)、跨步前進走(下肢走動,身體側面對向車輛)等.利用驗證后的仿真模型，設置車輛在40 km/h、50 km/h、60 km/h不同車速下，行人行走速度為0 km/h，選取仿真中已經(jīng)驗證的假人模型，在這4種姿態(tài)下進行仿真試驗，在人車碰撞事故中，人與車的前傾角度記為α(上半身軀干垂直地面α角度定義為0°)，上半身轉向角度記為β(行人身體側面正對向廂式客車時，β角度定義為0°)，下蹲角度記為γ(行人大腿小腿垂直地面時，γ角度定義為0°)，跨步角度記為δ(行人雙腿并攏時，δ為0°)，試驗方案設計圖見表2.人車事故中行人頭部損傷是死亡的最主要原因，故本實驗研究行人頭部HIC值.

表2 試驗方案設計圖

2.1 行人頭部損傷分析

2.1.1 上半身前傾姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

上半身前傾姿態(tài)對行人頭部HIC值的影響如圖2所示.研究表明在人車碰撞事故中，行人上半身前傾的姿勢，有助于頭部的保護，具體情況如下：①行人上半身前傾角度越大，HIC值越?。虎谛腥饲皟A角度為0～20°，HIC值的變化最明顯.③頭部HIC隨車速的增加而增加.分析認為廂式客車碰撞行人時，行人上半身前傾應急姿態(tài)手臂先與廂式客車車身接觸，而身體前傾的角度越大，行人上肢與車輛接觸時間縮短，導致頭部與車身的接觸延遲，由此行人頭部HIC值降低；行人前傾角度為0～20°，上肢與車身距離變化明顯，由此HIC值變化明顯.在車速為40 km/h時，此時車速相對較低，人車碰撞過程中，行人前傾角度為5°～10°時，行人手臂與汽車前部相對距離變化不大，行人在與汽車碰撞時，頭部與汽車碰撞位置變化不大，所以行人頭部損傷變化情況不明顯.

圖2 行人頭部損傷與行人前傾應急姿態(tài)的關系

2.1.2 上半身轉向姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

上半身轉向姿態(tài)對行人頭部HIC值的影響如圖3所示.研究表明行人上半身的轉向姿勢會增加頭部損傷的風險，具體分析如下：①行人頭部HIC隨行人上半身轉向角度的增加而增大；分析認為，當行人與廂式客車碰撞時，行人上半身轉向導致行人的手臂也會隨之轉向，手臂在行人身體轉向過程中，行人上肢與廂式客車接觸時間延后，頭部與車輛接觸時間提前，造成的頭部HIC值增大.②行人上半身轉向角度越大，HIC值增加的幅度越大，行人上半身轉向角度為0～15°時，HIC值的增幅明顯小于上半身轉向角度為15～30°的HIC值的增幅.

2.1.3 下蹲姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

下蹲姿態(tài)對行人頭部HIC值的影響如圖4所示.由圖可以看出，在同一車速下，行人頭部HIC變化不大,在一定范圍內發(fā)生波動，且隨著下蹲角度的增加，頭部HIC值的變化范圍會縮小.原因在于行人在下蹲過程時，廂式客車前部先與小腿碰撞，身體倒向廂式客車發(fā)動機罩，而后行人頭部碰撞廂式客車，在碰撞過程中，廂式客車與不同下蹲角度姿態(tài)的人體碰撞過程差異不大，由此造成HIC沒有明顯變化.

圖3 行人頭部損傷與行人轉向應急姿態(tài)的關系

圖4 行人頭部損傷與行人下蹲應急姿態(tài)的關系

2.1.4 跨步前進姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

行人跨步前進時(右腳在后)，汽車從行人右邊碰撞行人，行人頭部損傷與行人跨步角度關系如圖5所示.當行人左右兩腿，未完全分開時，雙腳并攏有助于保護行人頭部；當兩條腿完全分開時，行人跨步前進角度越大可以降低行人頭部傷害.①行人角度跨步前進角度為0～10°時，HIC值隨著跨步前進角度的增大而增大；②當跨步前進角度增加到10°以后，HIC值隨著行人跨步前進角度的增大而減??；③行人跨步前進角度為0～10°時，HIC增長幅度較大；當跨步前進角度超過10°后，HIC減小幅度較小.分析認為，當跨步前進角度小于10°時，行人的兩腿并攏沒有完全分開，車先與行人右手接觸，而后與右腳車接觸，左腳受到右腳的撞擊，行人兩腿吸收消耗更多能量；當行人跨步前進角度超過10°以后，行人的兩腿完全分開，行人重心降低，在碰撞過程中，行人身體髖部與車接觸的面積增大，由此被拋出的高度增加，延長了行人頭部碰撞廂式客車的時間，所以其頭部HIC變小，行人跨步前進姿態(tài)時，身體與汽車碰撞時對應位置如圖6所示.

圖5 行人頭部損傷與行人跨步前進應急姿態(tài)的關系

圖6 同一碰撞時刻時，δ角度與廂式客車碰撞位置關系示意圖

2.1.5 復合型姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

廂式客車車速一定(40 km/h)時，行人同時采取前傾和轉向姿態(tài)，行人單一上半身前傾姿態(tài)頭部損傷情況與復合型姿態(tài)頭部損傷對比如表3所示.結果表明：①行人頭部的HIC值，隨著行人上半身轉向角度的增大，頭部HIC的減小幅度變小，也就是說行人保持上半身前傾姿態(tài)的同時，上半身轉向角度越大，頭部受到的傷害可能會更加嚴重.②在復合型姿態(tài)中，轉向角度一定時，前傾角度為0～20°時,HIC值的變化幅度明顯大于20～30°HIC值的變化幅度；③前傾角度對頭部HIC值得影響大于轉向角度對行人頭部HIC的影響；④行人轉向加前傾復合型應急姿態(tài)相比單一前傾應急姿態(tài)對行人頭部損傷具有保護的作用.如圖7分析認為：行人在上半身前傾姿態(tài)中轉向時，行人在碰撞過程中，由最原本兩手同時接觸廂式客車前部，逐漸變成一手接觸廂式客車前部一手逐漸離開廂式客車前部，后者相對于前者，一只手所承受的碰撞動能明顯少于兩只手所承受的碰撞動能，由此行人頭部更容易受傷.

表3 人車碰撞時行人前傾+轉向復合型應急姿態(tài)頭部的HIC值

圖7 同一碰撞時刻時，行人復合型姿態(tài)與廂式客車碰撞位置關系

3 結 論

1)行人上半身前傾角度越大，越有利于減輕行人頭部損傷；行人身體轉向角度的增加，會加重行人頭部的損傷；行人下蹲角度的變化對行人頭部損傷影響不大；對于行人跨步前進的姿態(tài)，HIC值受行人雙腿步態(tài)的影響：①行人跨步前進角度為0～10°時，HIC值隨著跨步前進角度的增大而增大，②當跨步前進角度增加到10°以后，HIC值隨著行人跨步前進角度的增大而減小.

2)行人轉向加前傾復合型應急姿態(tài)相比單一前傾應急姿態(tài)更有利于減輕行人頭部損傷.

3)其他復合應急姿態(tài)，包括兩種復合型及三種復合型應急姿態(tài)對行人損傷的影響有待進一步研究.