耦合气囊及制动控制对人地碰撞损伤的防护及效果评估

邹铁方，赵云龙，肖 璟，李艳春

（长沙理工大学 汽车与机械工程学院，长沙410114，中国）

虽然关于自动驾驶特别是高级别自动驾驶何时实现的问题还有争议，但L2 级自动驾驶相关技术已开始大范围推广应用，比如高级驾驶辅助系统（advanced driving assistance system，ADAS）。从目前少量具有较高级别自动驾驶能力车型的少量事故（如特斯拉）及关于事故的相关研究成果看[1]，装备有ADAS 的车辆依然不可避免地会被卷入事故中，这表明具有较高级别自动驾驶能力的车辆的被动安全性仍需重视[2-4]。在所有交通事故中，行人是绝对弱者[5]，车辆智能化时代行人的弱势地位更是进一步突出，这意味着具有较高级别自动驾驶能力的车辆更需关注行人保护。

以清华大学道路交通事故数据库的数据为例[6]，装备有ADAS 的车辆碰撞事故的均值极可能下降到20 km/h 左右。大量研究表明，低速车人碰撞中地面所致伤害非常严重[7-9]。SHANG Shi 等[10]通过尸体实验研究发现：低速碰撞中地面所致颅脑伤害比车辆更严重、通过挖掘德国深度事故调查数据发现：如能避免低于40 km/h 事故中的地面伤则可将整个事故损失降低2/3[11]。这些成果表明：防护低速事故中地面伤的研究极具价值。

ZOU Tiefang 等[12]在2019 年提出了一种防护低速事故中人地碰撞损伤的方法，该方法在发现事故不可避免时完全制动车辆直到人体头部与车体接触，然后松开车辆制动至某一时刻t2 后再次完全制动。仿真结果显示：通过该方法能显著降低人体与地面的撞击损伤并缩短人体落地时刻人车间的距离，这表明：通过控制车辆制动能为其他车载装备保护行人提供可能。进一步，他们[13]发现：在真实事故中超过90%的案例具备足够空间以让车辆实施制动控制、1.5 m 前置气囊结合制动控制具有保护81.8%的行人的潜力。而后，他们通过穷举法结合Madymo 仿真发现：最优情况下地面所致损失可以通过控制制动降低近90%[14]，说明通过控制制动去降低地面伤的上限很高，值得研究。为此，邹铁方等[15]提出了3 条车辆再制动规则，并将规则应用到10 种车型中，结果表明：依据所述规则能降低人地碰撞损伤。已有成果表明：在较短的时间内，越简单的控制方法会越实用、越有机会对现有ADAS 进行适当扩展后实现行人保护主被动安全功能一体化。

为降低控制难度，本文作者尝试在现有控制方案基础上增加安全气囊等约束条件。本研究将首先提出耦合气囊的车辆制动控制策略，然后将其应用到一个成熟的虚拟仿真系统中，通过对比完全制动与控制制动中人地碰撞损伤，以证实制动控制能为其他车载装置保护行人提供可能、评估增加气囊约束后能否降低制动控制难度，进而分析耦合气囊的制动控制策略在防护人地碰撞损伤中的效果及可能存在的问题。

1 方法

1.1 降低人地碰撞损伤的汽车制动控制策略

本研究所采用的汽车制动控制策略与文献[12-15]中的一致，减速度曲线如图1 所示。

图1 车辆制动控制减速度曲线

当汽车监测到事故不可避免时开始完全制动车辆以降低车速，直至人体头部与车体接触的t1时刻；之后车辆开始松开制动（制动系统协调时间0.2 s 后制动完全松开）以追上抛出的人体进而影响人体运动学响应；为防止碾压人体，车辆在t2时刻开始再次完全制动，考虑制动系统协调时间0.2 s 后完全制动直至车辆静止。其中，t0时刻（即0 时刻）为人车碰撞时刻；t1为人体头部与车体首次接触时间，如头车无接触则意味着一直监测不到t1进而车辆会一直制动；而t2为车辆再次完全制动时间，一般需依据人体运动学响应及与车辆的位置关系确定。

文献[15]中提出了3 条规则以确定t2，在耦合气囊并开展大量仿真实验后，发现可将规则简化为2 条。t1后，遇以下2 种情况开始再次完全制动车辆，此时间点则为t2：

1）监测到行人下肢、主要部位（头部、胸部及臀部）超出车体两侧时。行人从车体边缘落地时，安装在汽车前部的气囊无论如何都无法起到保护作用，故需尽快完全制动车辆以防其他危险发生。

2）监测到行人头部、臀部位置低于发动机罩盖前沿时。表明行人即将滑落地面，为避免碾压行人，需尽快再次完全制动车辆。

1.2 气囊设计

本研究采用较为简单的气囊设计方案。外形上，参考文献[13]，引爆后气囊的长、宽、高分别为150 cm、车宽、30 cm，且气囊下沿与地面接触；气囊拟安装于汽车前保险杠下，但在仿真中不进行折叠，仅将其置于车辆前方（见图2）。为此，将人体头部与车体接触的时刻定义为t1，此时刻亦是气囊的点火时刻。在仿真中，气囊的质量流量、温度等函数均与Madymo自带气囊模型的相关信息一致。

图2 展开及未展开的气囊形状

1.3 仿真试验设计

与文献[15-16]类似，选择大轿车、大SUV、小轿车及小SUV 4 种车型（见图3）。各种车型均选用完全制动与控制制动2 种制动控制策略，并结合成熟的虚拟仿真系统[17]设计试验。完全制动指人车碰撞全过程中车辆一直完全制动。控制制动则是依据1.1 节中的汽车制动控制策略控制车辆运动，且在此过程中依据1.2节中的设计引爆气囊。

图3 4 种车型与50th 男性行人图

一般认为，高速事故中车体所致损伤会更严重且行人大概率受到了致命伤害[18-19]，而统计数据显示碰撞车速低于41 km/h 的车人碰撞事故占比极高（80%左右）[20-22]，故与已有研究[12,14-15]类似，本文考虑3 种车速（21、31、41 km/h）、4 个行人模型（5百分位女性、5百分位男性、50 百分位男性、90 百分位男性）、2 种步态（50%行人步态、100%行人步态），共计24 个仿真组成本研究的虚拟仿真系统。2 种典型行人步态见图4。

图4 50%及100% 2 种行人步态

以虚拟仿真系统为基础，对每一种车型各设计2组试验。第1 组包含24 个仿真，仿真中车辆完全制动。第2 组亦包含24 个仿真，每个仿真均采用1.1 节中的方法控制车辆制动并适时引爆1.2 节中的气囊。完全制动组需进行4 车型、1 虚拟仿真系统（24 次仿真），共计 96 次仿真；相应地，控制制动组同样需进行96次仿真。

所有的仿真均基于Madymo 仿真平台，与已有研究类似，仿真中人车及人地碰撞的摩擦因数分别为0.3及0.6，并且车头每个结构的刚度水平是不一样的；车辆垂直撞击行人侧面；因考虑了行人速度，人体相对于车体中心线向人体后退方向偏离400 mm 以确保行人头部能与车体接触[17,20,23]。碰撞场景见图5。

图5 碰撞场景

1.4 评价指标

选择加权伤害费用(weighted injury cost，WIC)和行人头部损伤准则（head injury criterion,HIC）作为评价指标以评估第1.1、1.2 节中所提出的车辆制动控制策略及气囊对人地碰撞损伤的防护效果。

1）WIC。交通事故中人体伤害包括头部、胸部、臀部及下肢等多部位的损伤，用文[20-21]提出的WIC将各个部位的损伤融合为一个结果，对于某车型的1组试验的24 个仿真进行比较。首先根据每个仿真中人体头部、胸部、四肢及骨盆所受伤害来评估各个部位的简化的损伤严重程度（abbreviated injury severity,AIS）水平，进而计算出其所需费用(包括医疗及辅助费用)（injury cost,IC），把所有费用之和视为该次仿真的伤害费用[21]。这些伤害费用是根据生物经济数据样本的简化模型提出的平均费用。然后将24 个仿真的总费用依据碰撞车速、行人高度及步态的占比加权取和为最终的WIC。其中，头部用头部损伤准则HIC15，胸部用胸部损伤指数（thorax trauma index,TTI），臀部用碰撞力、下肢用弯矩、膝盖用弯曲角度来预测损伤，各项阈值在预测AIS 的文献中已给出[21]。故有

式中：p为占比；角标中i表示仿真组数，v表示速度，h表示行人高度，g 表示步态。显然某组仿真中WIC 值越高，表明人体受到的伤害越大，反之，则表示人体受到的伤害越少。本研究中在制动控制中使用了安全气囊，导致绝大多数情况下人体与车体脱离接触后，首先与气囊接触，而不再碰撞地面，故本研究中，人-地碰撞损伤泛指人车脱离接触后因二次碰撞（与地面、气囊或车体）所产生的伤害。

2）HIC。HIC 定义为

式中：a为头部质心合成加速度；t3为检测的加速度脉冲开始时间；t4为结束时间。在实际应用中最大时间间隔t4-t3常取15 ms 或36 ms，但人车碰撞中因碰撞时间历程较短，故常选择15 ms，与之对应的HIC 的安全界限值为700。

1.5 研究分析方法

在Madymo 仿真平台中，人车碰撞仿真模型已得到充分验证，但人地碰撞仿真模型的可用性尚未得到严格证明[24-25]，为避免模型不确定的影响，在后续分析中主要采用对比的分析方法，即比对控制制动与完全制动两种策略下人体的损伤及运动学响应差异。

WIC 和HIC 的降低比例[14]分别为：

式中：角标“wq”表示“完全制动下的”；“kz”表示“控制制动下的”。

2 结果

2 种制动方式的WIC、地面所致WIC 的降低比例RWIC的结果见表1（其中：USD 表示美元）。地面所致HIC 均值的降低比例RHIC的结果列入表2 中。

表1 2 种制动方式下地面所致WIC 和RHIC

表2 2 种制动方式下地面所致HIC 均值和RHIC

由表1可知：通过耦合气囊与制动控制，显著降低了WIC，WIC 降低比例明显超出文献[14]中通过穷举法所获得的最优值（增加3%）。

由表2 可知：与文献[14]中用穷举法所获得的最优值进行比较，发现本研究通过耦合气囊与制动控制的效果更佳，HIC 均值降低比例增加了12.1%。

3 讨论

本研究所述气囊不仅能减少车辆再次完全制动规则，还能将4 种车型的WIC 总和降低91.9%、HIC 均值降低87.7%，表明耦合气囊及制动控制具有降低地面碰撞损伤的巨大潜力。

以小SUV 第1 个仿真（车速21 km/h、5 百分位女性、100%步态）为例，过程见图6。由图6 可见：低速案例中，人车分离前人体的运动学响应都几乎重合，但在二次碰撞时刻，完全制动中人体头部直接撞击地面，产生了较大HIC；而在控制制动中，因车体运动的影响使得碰撞瞬间人体与地面（此处为气囊）几乎平行，使得人体各部位均能吸收人体坠落的动能，加之气囊有缓冲，因而导致人体头地（此处为气囊）碰撞HIC下降至64.5，这是耦合气囊的车辆制动控制策略能显著降低人地碰撞损伤的主要原因。

图6 小SUV 第1 个仿真完全制动与控制制动过程中人体运动学响应对比

在理想情况下，人地碰撞损伤可以通过耦合气囊与制动控制而降低至零，故而此处非常值得探索为何依然有若干案例的人地碰撞损伤不能完全避免（WIC ≠0）。通过回顾控制制动组的96 个仿真，发现其中有16个仿真（16.7%）中的WIC 未能降低到零，其中包含大轿车中的两个仿真、大SUV 中的4 个仿真、小轿车中的4 个仿真、小SUV 中的6 个仿真。其中仅有大SUV第21 个仿真（车速41 km/h、50 百分位男性、100%步态）和小轿车第18 个（车速41 km/h、5 百分位女性、50%步态）仿真中的WIC 在控制制动中增加，主要原因是人车接触时间过长。

图7 给出一典型案例，从图7 中可知：行人被撞至挡风玻璃以致人车有很长一段时间在一起（至少为1.42 s -0.8 s=0.62 s）。根据以前分析可知[15]，人车长时间不分离会使人体从车体处获得更多动能，进而增加与地面碰撞损伤的风险，这是导致本研究2 个仿真中WIC增加的主因。这表明：后续研究中仍需尝试提出能防止人车长时间不分离的车辆再次制动规则。

剩余14 个案例中，因胸部与气囊撞击而产生损伤的有6 例、因行人从车体侧面滑落的有5 例、因人车长时间在一起不分离的案例有3 例、因气囊面积不够未能有效保护到人体主要部位（如头部）的有2 例，其中小轿车中仿真19、25 各统计了2 次。行人从车体侧面滑落，无论是纯制动控制[13-15]还是本研究中的耦合气囊与制动的控制策略，在车辆不转向前提下都无法防护类似事故中的人地碰撞；在车辆四周布满气囊是一种解决方案，但这极不现实；人车长时间不分离的案例，与图7 所示过程类似。

图7 小轿车第18 个控制制动仿真中人体运动学响应过程

因气囊面积不够而导致不可完全避免人地碰撞损伤的仿真有2 例，小SUV 中第20 个仿真（车速41 km/h、5百分位男性、50%步态）见图8。原气囊的宽度等于车宽。加大的气囊宽度在车宽的基础上在左右各增加20 cm。

由图8a 可知：在t=1.54 s 时人体头部直接与地面碰撞，虽然在此过程中人体肩膀、胸部等部位与气囊碰撞而减缓了头地碰撞速度，但未能完全避免人地碰撞损伤，进而导致一个较大的HIC=330.89。

图8 小SUV 第20 个控制制动仿真中人体运动过程

由图8b 可知：增宽气囊后人体运动过程与未增宽时完全一致，差异在t=1.54 s 时人体头部与气囊接触，仅产生了一个较小的HIC=58.1，进而使得此案例中人地碰撞损失为零。这说明在后续研究中需对气囊几何形状进行优化设计。

因胸部与气囊撞击而产生损伤的有6 例。图9 给出一典型案例为小SUV 车型中第16 个仿真（车速31 km/h、90 百分位男性、50%步态）。

图9 小SUV 第16 个控制制动仿真中人体运动学响应过程

人体在1.145 s 时刻以与气囊近似平行的姿态坠落气囊并在1.225 s 与气囊接触，这是一种安全的落地姿态且有气囊进行缓冲，易得出人地碰撞损伤应该会显著下降的结论，实际上WIC 也确实从完全制动中的87.77 USD 降低到控制制动中的52.64 USD。但该案例中，人地碰撞损伤未能完全避免，因与气囊撞击使得人体胸部受到伤害，使WIC=52.64 USD。主要原因是气囊点火太晚，导致人体与气囊碰撞时气囊处于充满气的状态，如能将充气时间提前50 ms 即在150 ms 开始充气，则整个过程中人体的运动学响应虽然不变，但当人体再与气囊撞击时不会受到气囊的伤害。其他案例均可通过类似的方式将人地碰撞损失降低至零，这表明适当的点火时刻（或合理的充、放气时间与流量）能提升气囊的保护效果，需在后续研究中优化。

控制制动的防护效果受车型、速度等的影响显著[15]，但本研究中用Cruskal-Wallis 秩和检验及中位数检验等均未发现不同车型、不同车速下人地碰撞损伤WIC、HIC 降低量之间存在显著差异。不同车型和不同车速下WIC 总降低量ΔWIC 及未完全避免地面伤案例数N见图10。

从图10 可发现：不同车型之间WIC 的降低量ΔWIC、未完全避免地面伤的案例数N 等均不一致。随着车速的增加WIC 总降低量也增加，但相应的不能完全避免地面碰撞损伤的案例也增加。由此可知，虽然统计学上不同车型、不同车速下人地碰撞损伤WIC、HIC 降低量之间没有显著差异，但耦合气囊的制动控制方案中人地碰撞损伤的防护效果事实上与车型、车速相关，具体关系需要更多后续研究。

图10 不同车型和不同车速下ΔWIC 及未完全避免地面伤案例数N

4 结论

开展192 次（完全制动组96 次、控制制动组96 次）仿真实验，通过分析获得以下结论：1）耦合气囊与制动控制后，能将车辆再次制动规则由3 条降低到2 条，进而降低了控制车辆运动的难度；与此同时还将人地碰撞损失大幅降低，其中：人-地碰撞加权伤害费用（WIC）降低91.9%，HIC 均值降低87.7%，降低效果明显。2）结合控制制动过程中人体运动学响应得出：人-地碰撞损伤大幅下降的主因是人体坠地姿态的改变及气囊的缓冲；分析WIC ≠ 0 的案例发现，气囊的形状及点火时刻（或充放气时间与流量等）需进行优化后才有可能将人地碰撞损伤降低到零。3）可利用增加气囊等约束来降低制动控制难度，并可大幅降低人地碰撞损伤，这将为今后开展低速事故中人体损伤防护策略研究特别是实用的防护策略提供思路；但在解决问题的同时引入了新的问题，比如气囊的形状、安装位置及点火时机等，均亟需在后续研究中解决，以使相关成果具备实用前景。