基于人车相互作用时间的人地碰撞损伤防护新视角

　　摘要：采用PC-Crash再现145例人车碰撞事故视频案例，通过调整车辆制动以延长案例中的人车相互作用时间，采集行人抛距、人体各部位损伤及人车相互作用时间等参数并分析所得数据。结果显示：人车相互作用时间与人地碰撞损伤显著负相关;延长人车相互作用时间能显著降低地面所致头部、臀部损伤及车速≥40km/h的胸部损伤，且不会明显增加地面所致四肢及车辆所致头、胸部和臀部的损伤。研究结果表明可从人车相互作用时间角度出发探索人地碰撞损伤防护的新方法。

　　关键词：人地碰撞;相互作用时间;PC-Crash;事故再现

　　国家统计局数据显示，近年来我国行人乘车人事故致死率一直高于其他类型事故致死率，这表明作为弱势道路交通使用者的行人在事故中需要重点保护。行人在交通事故中的伤害主要来源于第一次与车辆的碰撞及随后与地面的第二次碰撞，OTTE[1]、杨济匡等[2]通过事故深度调查数据发现车辆是造成行人损伤的主要原因，但地面所致损伤不能忽略。冯成建等[3]通过仿真发现，在碰撞速度≤30km/h时，地面所致损伤可能比车辆所致损伤更严重;但当碰撞速度≥40km/h时，行人头部损伤主要是车辆所致。同样，邹铁方等通过事故再现发现胸部直接损伤主要来源于地面碰撞[4]。

　　这些成果均表明交通事故中人地碰撞损伤不能忽略。近期有学者通过分析1221例德国行人碰撞事故案例发现在碰撞速度低于40km/h如能消除地面相关损伤则可消除2/3的总伤害费用[5]，这一结论非常诱人，表明开展人地碰撞损伤防护的研究具有极高价值。事实上，人们很早就利用仿真技术研究地面相关损伤，发现人地碰撞损伤不易预测，受到碰撞速度、车头形状、行人步态、行人尺寸(身高及体重)等因素的影响[6-11]。为更好地研究人地碰撞损伤，学者们又引入人地碰撞机制(Pedestriangroundcontactmechanisms)[12-13]、行人旋转角度[14-15]等参数，发现人地碰撞损伤与碰撞机制、旋转角度有高度相关性，这些参数可以用来评估人地碰撞损伤风险。相对于诸多聚焦于人地碰撞损伤机制的研究，关于人地碰撞损伤防护方法的研究较少。

　　文献[1]中提出在车头设置多个安全气囊阻止或阻碍人体落地的设想以阻止人体落地或降低人体坠地的速度、Khaykin等提出将事故后人体粘到车上的发明专利[16]以及GuibingLi等提出的行人友好型车头[17]。在项目组前期交通事故再现过程中，偶然发现人车相互作用时间(人与车接触的所有时间段之和)与地面所致人体损伤有显著负相关性，表明此物理量或可作为一个类似行人旋转角度[14-15]的研究人地碰撞损伤防护的新参数。

　　为此，本研究将先对145例真实人车碰撞事故视频进行再现，再通过控制车辆制动以延长人车相互作用时间，由此产生两组仿真，前者命名为真实案例组，后者则为时间延长案例组。然后，采集相关数据分析人车相互作用时间与人地碰撞损伤的关系，进而探索时间延长案例组与真实案例组中地面所致人体损伤的差异，以期确定从人车相互作用时间角度去探索人地碰撞损伤防护的可能性。

　　1基于PC-Crash软件的人车事故再现

　　1.1视频数据本研究中所选用的视频主要来源于课题组前期积累的鉴定案例及网络视频数据。然后对视频进行筛选，只选择绕射抛出、事故车为小轿车或多功能运动车且只一车撞一人的碰撞，最终得到145例人车碰撞事故视频。然后将事故视频用PCCrash软件进行再现，并通过调整车辆制动以延长人车相互作用时间，以此获得两组数据，前者为“真实案例组”，后者为“时间延长案例组”。

　　1.2事故再现PC-Crash是一款国内外应用非常广泛的事故再现软件，其可靠性及精度在很多事故研究的领域都已获得验证[18-19]，因而本研究选用该软件对事故进行再现。为使仿真尽可能真实地反映案例的客观实际，在事故再现过程中要求真实案例中的所有信息均能在仿真中得到合理解释。下面将通过一个真实的案例演示事故再现的流程，确保据此所得再现结果的可靠性。

　　1.2.1事故介绍

　　由某车载行车记录仪拍摄的一段视频显示，在中国某城市道路的天桥下，一位年轻女性奔跑着穿过斑马线时，与道路左侧一辆黑色SUV发生碰撞。肇事车辆在碰撞发生时立即采取了制动措施，行人受到撞击后在空中翻滚一圈随即落地。

　　1.2.2事故现场重建

　　通过观看视频发现，仅肇事车辆、行人与路面参与到事故中，不涉及道路旁边的花坛及其他车辆，因此利用PC-Crash软件内的道路生成模块生成一条3车道的道路，每车道宽度为3.5m.根据视频中车辆信息确定其品牌进而结合网络确定车辆型号后再获得车辆侧视图、轴距、轮距、车重及长宽高等系列参数，将侧视图导入PCCrash并利用软件自带的测量工具测量对人车碰撞事故再现影响最大的车头各参数[20]。行人模型通过PC-Crash内自带假人模型获得。将模型输入软件界面后，需对其身高、体重、姿态等参数进行修改。根据视频及中国人体实际参数将行人身高及体重设置为1.5m、50kg[21]，其碰撞瞬间的姿态通过与视频反复对比。

　　1.2.3仿真及验证

　　仿真前对车辆及行人的速度进行估算[22]。首先，根据车身长度L和一段时间内车辆行驶过的车位数N，计算出车辆在该段时间内的行驶距离S=LN.(1)通过对视频逐帧播放，记录车辆驶过距离为S时所需的帧数，从而算出行驶时间T=nne，(2)式中T为车辆驶过距离S时所需的时间(s);n为车辆驶过距离S时需要的帧数;ne为视频里1s需要 的帧数(视频格式不同其帧率也不同)。则v=3.6×ST，(3)式中v为碰撞速度(km/h)。

　　本案例中，碰撞发生时车辆的预估速度计算结果为48.6km/h，行人的预估速度计算结果为6.54km/h。当各种参数初步确定后，便开始进行仿真分析。不断对所有参数(车辆制动、车辆速度、行人速度、姿态、身高体重以及碰撞瞬间人车相对位置)进行微调，以使人车碰撞过程与视频相吻合，并确保车辆与行人最终停止位置尽可能与视频中一致。通过多次迭代优化后，发现车辆车速取49km/h，行人行走速度取6.5km/h，车辆制动系统协调时间取0.2s时，所得仿真信息与视频最吻合。

　　仿真中的车辆行驶轨迹、行人运动轨迹及姿态、车辆和行人最终停止位置等信息都与视频非常接近。为了验证人体损伤等信息，导出人体头部减速曲线后计算获得车辆所致15ms头部损伤准则HIC15(HeadInjuryCriterion)为1338，地面所致HIC15为133.9，根据行人头部损伤耐受极限(<700)，可推断在该例事故中行人死亡概率极高，这与新闻报道一致，行人因颅脑受伤而死亡。

　　从以上分析可知，仿真中行人的运动学响应及损伤均最大限度地与视频中信息吻合，保证了仿真再现结果与实际事故情况最大限度的一致性，可认为仿真能很好地反映实际事故发生的情况，进而使得从仿真中读取的相关数据与实际事故中相关数据高度接近，从而保证了数据的可靠性。对另外144个案例，均采用完全一致的标准进行再现，以保证了所有所得数据的可靠性。

　　2损伤评价指标及研究方法

　　采用SPSS软件中的Mann-WhitneyU检验方法对两组案例的人体损伤、人车相互作用时间等参数进行显著性检验，检验水平α=0.05，根据检验结果P值判断各参数在两组案例中是否具有显著统计学差异，P<0.05表示有显著统计学差异、P<0.01表示有极其显著的统计学差异。采用SPSS软件中Spearman相关系数分析法对人车相互作用时间与碰撞速度、人体各部位损伤之间的相关性进行相关性检验。

　　2.3延长人车相互作用时间的方法

　　本研究基于人车相互作用时间探索人地碰撞损伤降低的问题，提出一种较为简单的时间延长方法，即：当车辆碰撞到行人瞬间或之前，通过完全制动车辆以确保尽量降低人体头部与车体的碰撞速度;当行人头部与车辆发生碰撞之后(可认为人车第一次碰撞已结束)，若行人被抛到空中，则松开车辆制动并控制其转向使车辆追上并接住行人(一般认为人体被抛出的速度与当时车速接近[27]，故松开制动可保证人车再次接触且因两者速度接近不会显著加重车对人的伤害)，然后再完全制动使车辆停止;若行人没有被抛到空中，则控制车辆制动及转向使车辆保持与行人之间的接触，直到行人即将落地时再完全制动车辆以避免车辆碾压行人。在对车辆进行制动控制过程中，最基本的原则是不加速车辆，以保证在延长人车相互作用时间过程中不增加整个事故过程中的能量。

　　3实验数据验证及相关性分析

　　3.1案例基本信息

　　对145组案例的车速以及行人速度进行统计，将车速分为4个区间段，行人速度分为3个区间段，分别统计每个区间段内的案例数量。给出了车速分布情况，最低车速为9.4km/h，最高车速为75km/h，车速平均值为34.1km/h。给出了行人速度分布情况，其中行人最低速度为0km/h，此时行人处于静止状态;最高速度为15km/h，此时行人处于奔跑状态。在实际碰撞发生瞬间，大部分行人都处于静止或者低速行走状态。

　　4延长人车相互作用时间对人地碰撞损伤的影响

　　通过分析人车相互作用时间与其他参数的相关性，发现该参数与人地碰撞损伤(特别是头、胸部损伤)显著负相关，这表明该参数可以选作新的研究人地碰撞损伤防护的变量，且通过有效延长人车相互作用时间应能降低人地碰撞损伤。调整145个真实案例中的车辆制动，通过有效增加人车相互作用时间的同时不发生碾压事故，以此探索是否能通过延长人车相互作用时间去降低人地碰撞损伤。

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　　5结论

　　通过再现145例真实人车碰撞事故并延长每一案例中人车相互作用时间，以此获得真实案例组和时间延长案例组两组数据，进而用作分析。主要结论如下：

　　(1)本研究中绝大多数案例的行人抛距与车速关系与已有研究成果一致，但有9例明显不一致。进一步分析这9例事故，发现：在人车碰撞事故中，若行人在碰撞之后没有被完全抛出(如掉落车两边)，则不宜利用已有模型依据行人抛距再现事故车辆车速。(2)人车相互作用时间与行人头部损伤、胸部损伤之间呈现出高度的负相关性。表明人车相互作用时间越长，则人地碰撞损伤特别是主要部位(头部、胸部)的损伤将越低。

　　(3)延长人车相互作用时间能够显著降低人地碰撞损伤中的头部、臀部损伤及车速≥40km/h时的胸部损伤，但不会增加地面所致下肢损伤及车辆所致头部、胸部及臀部损伤。这些结果表明，后续研究中可从人车相互作用时间角度探索人地碰撞损伤防护的新方法。

　　(4)通过一定规则可轻松延长仿真中人车相互作用时间，但如何在智能汽车中实现，暂无解决方案。虽从时间延长角度去探索降低地面相关伤害具有可行性，文献[29]的仿真结果亦能很好地验证这一点，但为何能降低、如何降低及能降低多少，是后续研究需重点关注的三大问题。与此同时，研究成果基于145例真实人车碰撞事故再现数据，虽在再现过程中已尽可能保证再现结果的客观、可靠性，但部分事故数据不完整。因而，需更多可靠数据才能对相关结论进行支撑，这亦是后续重点攻关的问题。

　　参考文献：

　　[1]OtteD，PohlemannT.Analysisandloadassessmentofsecondaryimpacttoadultpedestriansaftercarcollisionsonroads[C]//ProceedingsoftheInternationalIRCOBIConferenceontheBiomechanicsofTrauma，2001：143-157.

　　[2]YangJK.Overviewofresearchoninjurybiomechanicsincar-pedestriancollisions[J].ChineseJournalofAu⁃tomotiveEngineering，2011，1(2)：81-93.

　　[3]冯成建，王富平，徐臣，等.基于车人碰撞事故重建的行人头部动力学响应[J].医用生物力学，2013，28(2)：164-170.FengCJ，WangFP，XuC，etal.Headdynamicre⁃sponsebasedonreconstructionofvehicle-pedestrianac⁃cidentswiththevideo[J].JournalofMedicalBiome⁃chanics，2013，28(2)：167-170.

　　[4]邹铁方，肖璟，胡林，等.轿车-行人事故中人体损伤来源与相关性分析[J].汽车工程，2017，39(7)：748-753+747.

　　作者：邹铁方1，刘期1，刘朱紫2，刘阳阳

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