本文摘要：摘要：采用PC-Crash再現(xiàn)145例人車碰撞事故視頻案例，通過調(diào)整車輛制動以延長案例中的人車相互作用時間，采集行人拋距、人體各部位損傷及人車相互作用時間等參數(shù)并分析所得數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：人車相互作用時間與人地碰撞損傷顯著負(fù)相關(guān);延長人車相互作用時間能
摘要：采用PC-Crash再現(xiàn)145例人車碰撞事故視頻案例，通過調(diào)整車輛制動以延長案例中的人車相互作用時間，采集行人拋距、人體各部位損傷及人車相互作用時間等參數(shù)并分析所得數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：人車相互作用時間與人地碰撞損傷顯著負(fù)相關(guān);延長人車相互作用時間能顯著降低地面所致頭部、臀部損傷及車速≥40km/h的胸部損傷，且不會明顯增加地面所致四肢及車輛所致頭、胸部和臀部的損傷。研究結(jié)果表明可從人車相互作用時間角度出發(fā)探索人地碰撞損傷防護(hù)的新方法。
關(guān)鍵詞：人地碰撞;相互作用時間;PC-Crash;事故再現(xiàn)
國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，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(hù)。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(jì)匡等[2]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≤30km/h時，地面所致?lián)p傷可能比車輛所致?lián)p傷更嚴(yán)重;但當(dāng)碰撞速度≥40km/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(xué)者通過分析1221例德國行人碰撞事故案例發(fā)現(xiàn)在碰撞速度低于40km/h如能消除地面相關(guān)損傷則可消除2/3的總傷害費用[5]，這一結(jié)論非常誘人，表明開展人地碰撞損傷防護(hù)的研究具有極高價值。事實上，人們很早就利用仿真技術(shù)研究地面相關(guān)損傷，發(fā)現(xiàn)人地碰撞損傷不易預(yù)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(xué)者們又引入人地碰撞機(jī)制(Pedestriangroundcontactmechanisms)[12-13]、行人旋轉(zhuǎn)角度[14-15]等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)人地碰撞損傷與碰撞機(jī)制、旋轉(zhuǎn)角度有高度相關(guān)性，這些參數(shù)可以用來評估人地碰撞損傷風(fēng)險。相對于諸多聚焦于人地碰撞損傷機(jī)制的研究，關(guān)于人地碰撞損傷防護(hù)方法的研究較少。
文獻(xiàn)[1]中提出在車頭設(shè)置多個安全氣囊阻止或阻礙人體落地的設(shè)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]以及GuibingLi等提出的行人友好型車頭[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(fù)相關(guān)性，表明此物理量或可作為一個類似行人旋轉(zhuǎn)角度[14-15]的研究人地碰撞損傷防護(hù)的新參數(shù)。
為此，本研究將先對145例真實人車碰撞事故視頻進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)分析人車相互作用時間與人地碰撞損傷的關(guān)系，進(jìn)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，以期確定從人車相互作用時間角度去探索人地碰撞損傷防護(hù)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(luò)視頻數(shù)據(jù)。然后對視頻進(jìn)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(jìn)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(yīng)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的領(lǐng)域都已獲得驗證[18-19]，因而本研究選用該軟件對事故進(jìn)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(jié)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(cè)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。
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3.5m.根據(jù)視頻中車輛信息確定其品牌進(jìn)而結(jié)合網(wǎng)絡(luò)確定車輛型號后再獲得車輛側(cè)視圖、軸距、輪距、車重及長寬高等系列參數(shù)，將側(cè)視圖導(dǎo)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]。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(jìn)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(shè)置為1.5m、50kg[21]，其碰撞瞬間的姿態(tài)通過與視頻反復(fù)對比。
1.2.3仿真及驗證
仿真前對車輛及行人的速度進(jìn)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S=LN.(1)通過對視頻逐幀播放，記錄車輛駛過距離為S時所需的幀數(shù)，從而算出行駛時間T=nne，(2)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1s需要 的幀數(shù)(視頻格式不同其幀率也不同)。則v=3.6×ST，(3)式中v為碰撞速度(km/h)。
本案例中，碰撞發(fā)生時車輛的預(yù)估速度計算結(jié)果為48.6km/h，行人的預(yù)估速度計算結(jié)果為6.54km/h。當(dāng)各種參數(shù)初步確定后，便開始進(jìn)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(jìn)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49km/h，行人行走速度取6.5km/h，車輛制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)時間取0.2s時，所得仿真信息與視頻最吻合。
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。為了驗證人體損傷等信息，導(dǎo)出人體頭部減速曲線后計算獲得車輛所致15ms頭部損傷準(zhǔn)則HIC15(HeadInjuryCriterion)為1338，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(xué)響應(yīng)及損傷均最大限度地與視頻中信息吻合，保證了仿真再現(xiàn)結(jié)果與實際事故情況最大限度的一致性，可認(rèn)為仿真能很好地反映實際事故發(fā)生的情況，進(jìn)而使得從仿真中讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)與實際事故中相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)及研究方法
采用SPSS軟件中的Mann-WhitneyU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(jìn)行顯著性檢驗，檢驗水平α=0.05，根據(jù)檢驗結(jié)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(xué)差異，P<0.05表示有顯著統(tǒng)計學(xué)差異、P<0.01表示有極其顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。采用SPSS軟件中Spearman相關(guān)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(guān)性進(jìn)行相關(guān)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(dāng)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(dāng)行人頭部與車輛發(fā)生碰撞之后(可認(rèn)為人車第一次碰撞已結(jié)束)，若行人被拋到空中，則松開車輛制動并控制其轉(zhuǎn)向使車輛追上并接住行人(一般認(rèn)為人體被拋出的速度與當(dāng)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(zhuǎn)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(jìn)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(guān)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(jìn)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。給出了車速分布情況，最低車速為9.4km/h，最高車速為75km/h，車速平均值為34.1km/h。給出了行人速度分布情況，其中行人最低速度為0km/h，此時行人處于靜止?fàn)顟B(tài);最高速度為15km/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)。
4延長人車相互作用時間對人地碰撞損傷的影響
通過分析人車相互作用時間與其他參數(shù)的相關(guān)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(fù)相關(guān)，這表明該參數(shù)可以選作新的研究人地碰撞損傷防護(hù)的變量，且通過有效延長人車相互作用時間應(yīng)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，以此探索是否能通過延長人車相互作用時間去降低人地碰撞損傷。
汽車論文投稿刊物：《汽車實用技術(shù)》(月刊)創(chuàng)刊于2002年，經(jīng)國家新聞出版總署正式批準(zhǔn)，陜西省科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管，陜西省汽車工程學(xué)會主辦的國內(nèi)外公開出版發(fā)行的應(yīng)用技術(shù)類月刊，是面向汽車行業(yè)工程技術(shù)人員、管理干部及科研院所廣大師生專門刊登各類學(xué)術(shù)論文的高端科技期刊。
5結(jié)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(jìn)而用作分析。主要結(jié)論如下：
(1)本研究中絕大多數(shù)案例的行人拋距與車速關(guān)系與已有研究成果一致，但有9例明顯不一致。進(jìn)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(fù)相關(guān)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≥40km/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(jié)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(hù)的新方法。
(4)通過一定規(guī)則可輕松延長仿真中人車相互作用時間，但如何在智能汽車中實現(xiàn)，暫無解決方案。雖從時間延長角度去探索降低地面相關(guān)傷害具有可行性，文獻(xiàn)[29]的仿真結(jié)果亦能很好地驗證這一點，但為何能降低、如何降低及能降低多少，是后續(xù)研究需重點關(guān)注的三大問題。與此同時，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)結(jié)果的客觀、可靠性，但部分事故數(shù)據(jù)不完整。因而，需更多可靠數(shù)據(jù)才能對相關(guān)結(jié)論進(jìn)行支撐，這亦是后續(xù)重點攻關(guān)的問題。
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作者：鄒鐵方1，劉期1，劉朱紫2，劉陽陽
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