汽车-弱势道路使用者事故的碰撞速度与伤害严重度研究

袁泉，陈宏云，李一兵（.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京00083；.交通运输部公路交通安全技术交通行业重点实验室，北京00088）



汽车-弱势道路使用者事故的碰撞速度与伤害严重度研究

袁泉1，2，陈宏云2，李一兵1
（1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100083；2.交通运输部公路交通安全技术交通行业重点实验室，北京100088）

摘要：目的某种程度上，交通事故的严重度后果取决于汽车碰撞速度等碰撞特征。为了充分有效利用事故的严重程度进行事故再现与车速分析，对事故严重度的量化描述及其与车速之间的关联进行了深入探讨。方法基于文献综述和事故调研，确定事故严重程度的特征参数及量化方法。面向汽车碰撞弱势道路使用者事故，如汽车-行人、汽车-自行车事故，分别给出具体的事故严重度特征参数，探讨这些特征参数与碰撞速度之间的关系。结果选取弱势道路使用者的损伤评分及特征伤害程度、汽车的风窗玻璃破裂特征和人车接触的包络线长度描述事故的严重程度，并与碰撞速度之间发生关联。结论在汽车的路面痕迹及其制动措施不确定的情况下，事故严重程度的特征参数可以辅助用来分析或检验汽车碰撞速度。

关键词：交通事故；伤害严重度；碰撞速度；弱势道路使用者

E-mail: yuanq@tsinghua.edu.cn。

1　引言

1.1弱势道路使用者事故

所谓弱势道路使用者，是指行人、非机动车驾驶人等缺乏安全保护的道路交通参与者。相对于汽车而言，弱势道路使用者的质量、速度、安全性都不能相比，行人、骑车人又都是无防护措施的道路使用者，在道路交通事故中最易受到伤害，伤害程度相对也较严重，因而在交通系统中是弱者，应是交通安全研究中重点关注和保护的对象。

在我国，人车混行的现象在许多地区依然普遍存在。行人和自行车的使用者是道路上的弱势群体，是引发交通事故的主要因素。统计资料显示，在近年来发生的各种类型道路交通事故中，行人、自行车参与的交通事故数量较大，死亡比例居高不下。2014年的统计数字显示［1］：我国行人、非机动车（包括自行车、三轮车、手推车、电动自行车、畜力车等）交通方式的死亡人数分别为15 110人、12 697人，约占交通事故中死亡人员总数的25.82%和21.69%，其中，电动自行车驾驶人约占死亡人数总量的10.87%。上述三类交通方式死亡人数合计约占交通事故死亡总数的将近一半。

汽车碰撞行人与汽车碰撞两轮车骑车人、非机动车驾驶人等弱势群体的事故特征较为相似，亦可将其结合研究。对此类事故的发生规律和特点进行对比分析，为交通安全管理、事故再现分析和人体保护提供参考依据，具有重要的应用价值和社会意义。

1.2车速鉴定分析

目前，我国公安交通管理部门对交通事故的分析和处理工作中，有关车速鉴定的需求非常迫切，特别是有弱势道路使用者参与的交通事故，牵涉责任认定、保险理赔等事宜，急需科学有效的技术方法进行交通事故车速分析，为事故处理提供科学、客观、准确的参考和判定依据，提高交通事故处理的效率和公正性。

确定交通事故中各车辆碰撞前的行驶速度数值是事故再现的重要内容，是交通事故鉴定的关键问题。交通事故的车速分析是指在事故发生后，以事故现场的车辆停定状态、损坏情况、各种痕迹信息及人员伤害情况为依据，运用相关理论方法、按照实验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型，对事故发生时车辆的行驶速度及其变化规律进行推断的过程。以此为基础，可使整个事故过程的实际情况在时间和空间上得以重构。

车速分析的常用方法包括理论计算、经验分析、计算机模拟及综合方法等。一般的事故分析中，通常是综合了理论计算和经验分析对速度进行估算。由于交通事故的复杂特点，交通事故车速分析具有一定的难度和不确定性。目前，在车速分析和事故再现领域的具体问题主要包括：路面痕迹的确切勘查记录、车辆变形的量化描述分析、车内乘员的伤害匹配及身份还原、计算机仿真的验证及碰撞试验数据的更新应用等方面。随着先进智能交通技术和车载记录系统的不断推广，对道路交通系统中车辆运动参数的获取将起到极大地推进作用。

为进行科学合理的车速分析，除运用力学、数学、统计学及事故再现等理论方法，车辆碰撞所致人体损伤程度可以用来辅助验证交通事故再现结果。在缺少路面痕迹等直接证据的情况下，可考虑参考人体的特征伤情程度推断车速。

交通事故发生的结果表征着事故的严重程度。事故的严重度结果通常是明确的，包括人体损伤、车辆变形、道路损坏、设施损坏等方面。这些客观的、真实的、确切的结果能否利用来进行事故再现分析，是研究领域的热点问题。对事故的严重度结果如能加以定量描述，如人体伤害程度，可以辅助进行事故再现与车速分析。为此，本文基于大量的文献调研，对已有的汽车碰撞弱势道路使用者事故的再现分析方法进行总结分析，重点关注事故伤害严重度的相关参数用于事故再现和车速分析，为相关的事故研究和处理提供参考。

2　相关研究进展

2.1事故统计研究

总体而言，目前国内外对于汽车碰撞行人事故研究的开展较多，而对普通自行车和电动自行车事故的研究相对较少。国内对汽车碰撞实验和事故再现模拟方面的研究较多，而作为基础研究工作的对交通事故信息的统计与深入数据分析方面的研究则相对不足。

我国是自行车王国，骑自行车是中国城市居民最主要的短途代步交通方式，自行车参与的交通事故是中国交通事故的主要特点之一。近年来，电动自行车逐渐替代人力自行车和摩托车成为肇事非机动车的主流［1］。电动自行车拥有时速20km、重量40kg和最大功率240 W，在中国被分类按非机动车管理。目前这些车辆缺乏驾照、保险手续，对骑车人也没有头盔的要求，其安全性较差。但由于其价格低廉、节能环保和方便实用发展非常迅速，深受广大出行者的喜爱，自1984年问世，到2012年达到了1.2亿辆［2］。然而，由于电动自行车引发的交通事故和交通安全问题日益严峻，事故数量和伤亡人数早已超过了普通自行车。相关问题也已引起了国际学者的研究关注［3-4］。

国际上关于人体伤害的研究目前主要集中于人体伤害建模、假人实验、计算机模拟、事故统计分析等几个方面。从20世纪70年代开始，国内外有关汽车行人碰撞事故的调查研究与统计表明［5～8］，下肢损伤是行人碰撞事故中致残的主要原因。保险杠和发动机罩前缘是导致下肢损伤的主要致伤源。通常造成的损伤有：膝关节损伤、长骨骨折（包括股骨骨折和胫骨骨折、韧带撕裂和拉伤）、髌骨骨折、踝关节与足错位等。横向剪切与弯曲被认为是造成行人下肢损伤最重要的两个原因。

行人的损伤程度与碰撞速度、人体的身高及车辆前端的特点（长度、高度）有关［5］。研究表明［6］，行人的受伤程度与车辆的前部形状密切相关，发动机罩长度短时行人易与挡风玻璃接触，相比长头轿车而言，平头车辆碰撞行人的情形致使头部受伤机会大、腿部受伤几率小。对事故调查分析发现，碰撞速度降低时行人下肢损伤程度减小。过去对行人事故的研究通常按照汽车碰撞速度、车辆前端类型和行人的身高进行分类［9］。根据NHTSA的PCDS数据研究，可以获得详细的行人事故信息，包括行人的年龄、身高、伤害区域和严重度以及车辆类型、碰撞速度等［10］。在这些因素中，身高和碰撞速度决定行人的接触区域和伤害程度［11］。关于中国行人伤害的相关研究，通过对人车事故伤害分布的总结可以了解到，行人下肢伤害约占27.4%，与其他国家的情况相似［12］。

近年来，国际有关学者对自行车事故人体伤害进行了统计分析研究［13-15］，并将骑车人和行人的伤害特征进行对比［16］。此外，三轮车等常见的非机动车事故，所造成的人体损伤均可列入弱势道路使用者人体损伤类型，尚缺少相关深入的数据分析。

2.2事故再现研究

一般情况下，汽车碰撞弱势道路使用者事故的车速分析和事故再现依赖于路面遗留的车辆轮胎印迹和人体痕迹，而很多事故往往缺乏这方面的信息而难于进行计算。

目前此类事故研究中，“人体抛距”是估算事故车辆碰撞车速的重要参数。Randles等［17］根据实际行人事故总结了车辆碰撞速度和行人抛出距离之间的相关性联系，并与现有的碰撞试验数据进行对比。作为科学事故再现方法的一部分，Otte等［18］在2004年研究了行人和骑车人的抛出距离，有助于那些没有太多事故再现经验的初学研究者的工作。此项研究主要是为相关的鉴定人员描述事故再现和碰撞速度鉴定的标准。

许多碰撞车速分析方法都依赖于事故中人体抛距值的准确勘测，但在实际的交通事故现场勘查工作中，人体抛距的具体数值往往由于人、车、路、环境等各种因素的干扰而无法确定，导致随后的碰撞车速分析工作难以顺利开展。而大部分事故在碰撞后都会产生具体的车辆损坏和人体伤害数据信息，可以辅助用于事故再现。

人体伤害代表了事故的严重程度，也反应了碰撞速度的大小。以往的研究指出，通过事故统计数据获取人体伤害严重程度与碰撞车速之间的关联，进而应用人体伤害来估计碰撞速度。基于PCDS （Pedestrian Crash Data Study）数据库，Stammen等［19］在2002年开展了事故统计分析和抽样案例再现，确定行人和车辆的碰撞前运动与人体伤害及车辆损坏情况之间的关联。Weng等［20］则考虑将行人的伤害作为人车事故再现方法的一个评价标准。然而，这方面应用的可靠性取决于统计数据的代表性以及具体事故案例的特征。

3　人体损伤特征参数的应用

利用人体损伤实验、事故调研与统计研究所得规律可以辅助进行事故再现，如碰撞车速分析与人员交通身份还原。随着计算机模拟软件的不断发展，已成为结合利用人体损伤数据进行事故再现和相关信息融合的必备工具。

3.1人体损伤的描述与分级

交通事故中涉及到的人体，基本信息包括人的性别、年龄、身高、体重、体态、伤亡结果等内容，具体的损伤信息分为人体各区域的骨折情况和脏器损伤信息两大部分。

对人体损伤根据研究需要进行定性或定量的描述与分级。如定性描述通常包括从无伤、轻伤、重伤到致命伤等不同级别，用于宏观定性研究。在对人体伤害严重度与事故因素的相关性进行逻辑建模研究时，根据实际数据特点，伤害的类型分为可能伤害、显著伤害和严重/致命伤害等类型［21］。对人体损伤的定量描述则有具体的定义和标准规定。

简明创伤标准AIS（Abbreviated Injury Scale）是对人体某一组织或器官损伤进行量化评分的方法。损伤严重度评分ISS则更全面的反映人体损伤程度［22］。一般选择人体典型部位的AIS最大值MAIS和ISS值共同作为定量描述人体损伤程度的基本特征参数。根据人体损伤信息，依照AIS评分规则方法，对人体各典型部位的损伤程度进行评定，对各例事故中的人体给出典型损伤部位的AIS及MAIS、ISS值，为事故的车速辅助分析及损伤统计提供具体的数据。据此得到的人体伤害ISS值与车辆碰撞速度之间的统计关系［23］。

此外，头部伤害标准HIC（Head Injury Criterion）可以显示头部损伤的程度，区分头盖骨骨折和脑损伤。世界各国的机动车安全标准几乎都取HIC=1000作为安全界限值。

3.2人体损伤程度的应用

行人事故中的重要特征损伤和致命伤为头部，根据头骨是否发生骨折可以推断车辆的碰撞速度。如行人被汽车碰撞后头部着地但未骨折，可判断其冲击加速度在150 g以下，再由相关的统计研究结果，可推断其对应的碰撞速度约为30 km/h以下［13］。已有利用统计数据建立行人的人体损伤AIS值与对应碰撞速度的概率关系，如碰撞速度与行人的致命风险的概率统计关系，37 km/h的致命风险为10%，51km/h为25%，68 km/h为50%，80 km/h为75%，93km/h为90%［24］。类似的数据可以检验对行人交通事故的车速估算结果。

综合运用法医学、生物力学研究交通事故人体损伤，基于对大量事故案例数据的统计分析，建立人体损伤-车辆碰撞速度关系模型，以期实现利用人体损伤特征信息对车辆碰撞速度进行估计，辅助进行事故再现。

综上，利用统计、仿真等方法探寻事故中弱势道路使用者头部的MAIS值、HIC值与碰撞速度三者之间的相关性联系，构建从人体损伤的量化指标MAIS通过HIC关联车辆碰撞速度的综合分析模型，并根据事故现场具体的信息特点选择适合的计算方法，结合人体损伤信息进行车速分析和事故再现［25］。

3.3人体损伤的计算机模拟

利用计算机软件进行人车事故模拟分析，能在一定程度上提高事故再现的精度，但软件模拟本身需要输入大量繁复的参数信息，由于很多复杂因素和条件限制，输入参数一般要依靠经验和估计确定，同时，使用软件进行事故模拟的时间和人力的代价较高，增大了使用的难度，也因此降低了实用性。然而，计算机模拟软件却为人体损伤的研究和利用提供了重要工具，基于数值模拟的交通事故再现研究则为事故鉴定提供科学的、直观的方法和依据。

当前，国际上用于汽车-弱势道路使用者事故模拟的常用软件是PC-CRASH和MADYMO。多年来国内外研究学者使用PC-CRASH和MADYMO软件，结合人体损伤特征，对实际的汽车-弱势道路使用者事故进行再现分析，取得了众多研究成果［26-28］。如对实际事故案例进行再现模拟，获取车速等关键参数，并以人体损伤的结果来进行检验；对行人和骑车人两种类型的事故进行对比研究，探讨其相似点和差异之处；或集中于头部致命伤的深入研究，以及头部与风窗玻璃之间的接触特性研究。此外，已有学者综合PC-CRASH和MADYMO软件进行人车事故分析，利用两者的优势，取得了更好的模拟效果［29］。

4　伤害严重度特征参数的应用

4.1人车接触特征

对交通事故现场及车辆的各种痕迹信息证据进行考察论证和合理利用，是车速分析的重要途径。车辆的损坏程度代表着碰撞的严重度后果，也关系着碰撞车速的大小。对于车辆的塑性变形与车速的对应关系，是经典的研究内容，依赖于大量碰撞实验数据的积累，在此不予讨论，如下是一些由于人车之间接触引起车辆损坏的特征信息在车速分析中的应用探讨。

实际发生的轿车-弱势道路使用者交通事故中，弱势人体的头部与车辆之间发生强烈接触，在风窗玻璃或发动机罩上留下痕迹，痕迹的位置与车型、人体身高等信息有关，某种程度上也反映了车辆碰撞速度的大小。图1是根据60多例汽车与三种弱势道路使用者碰撞事故的实际案例调查得出的人体头部接触位置，可以看出三种事故类型之间的差异。两种自行车骑车人比行人的接触位置相对略高，而行人的损伤程度更为严重。

图1　实际交通事故中VRU人体头部与车辆接触位置

4.2典型接触特征的应用

在经典的汽车碰撞弱势道路使用者事故研究中，事故车辆自身的损坏特征很少被运用于碰撞车速的分析估算，但长期的相关实践调研发现，事故车辆前端的损坏特征与车辆的碰撞速度之间存在着一定的相关性。为了充分利用人车之间的接触痕迹特征信息进行事故再现分析，可以从风窗玻璃的破损程度和人-车接触的包络线长度等方面加以研究和利用。

4.2.1风窗玻璃破损信息

风窗玻璃在行人头部冲击后产生不同程度的裂纹和凹陷变形（图2）。根据冲击动力学和薄壳理论，建立了风窗玻璃凹陷量-汽车碰撞车速计算模型［30］。该模型能够充分有效地利用事故现场风窗玻璃的破损信息来确定发生碰撞时汽车的车速，为“未留制动印迹”的汽车碰撞行人事故的车速分析研究提供了新的计算方法。

除了凹陷量信息，风窗玻璃的破裂直径及破损位置高度也与车辆碰撞速度关联。该方法可望在各种弱势道路使用者与汽车接触的事故分析中辅助发挥作用。

4.2.2人车接触的包络线信息

反映车辆前部损坏特征的一个重要参量即是人车之间接触的包络线长度（图3），此参数也将人体头部伤害和车辆损坏特征之间关联。针对包络线长度与碰撞车速的相关性研究有可能为相应的事故再现与车速分析提供新的理论方法。

图2　风窗玻璃破裂示意图

图3　包络线长度示意图

轿车与行人或其他弱势道路使用者发生碰撞时，人体的头部与车身接触，通常遗留痕迹。人在车身上的接触点位置取决于人的高度、车的前端几何特征和车速、角度等参数，接触点可能位于发动机罩或风窗玻璃的位置。接触点位置决定了包络线的长度，也表征人车之间接触的严重程度。图1所示为30多例实际发生的轿车碰撞弱势道路使用者事故头部与汽车的接触位置。可以看出，大部分的接触点位于风窗玻璃区域，也即碰撞时人体的头部与风窗玻璃之间发生了相互作用。

包络线的长度是人车接触特征中比较容易获取的重要特征参数，也代表着人车之间接触位置和碰撞严重程度，并且与车速、人体伤害结果等参数相关。在事故鉴定时，如利用包络线长度辅助进行车速分析，还必须充分考虑行人的速度、车辆前端高度等参数的特点。严格的事故再现应充分考虑关于人车之间接触的各种痕迹信息及影响因素。对自行车、电动自行车与汽车碰撞事故的情况与行人虽有差异，但可参考类似的方法。

4.2.3痕迹特征综合应用

图4为基于事故严重度进行车速分析的大致思路，其中包括利用人体损伤、车辆损坏特征辅助车速分析的基本流程。

图4　事故严重度辅助车速分析的流程

将信息融合技术用于各种交通事故的数据挖掘与车速分析，并以人工神经网络等先进的数学方法来实现［31］。在对北京市轿车碰撞两轮车事故案例调研分析的基础上，深入分析车辆、路面遗留痕迹特征与汽车碰撞特点之间的联系，选择与轿车碰撞速度相关的人体-风窗玻璃接触、车辆及人体与路面接触的痕迹特征参数，运用人工神经网络方法建立了轿车碰撞两轮车事故的车辆碰撞速度分类预测模型。该模型融合了人车路相互作用的痕迹特征信息，采用实际事故案例提取的可靠样本对其进行训练和应用，辅助用于车速分析［31］。

综上，各种痕迹信息能否有效应用于车速分析与事故再现，取决于第一现场的信息采集和数据记录，因此，交通事故现场的信息获取环节毋庸置疑是至关重要的，需要在技术手段和采集规范方面进一步加强，以此保证后续工作的深入开展和数据保障。

5　讨论

目前国际上对于汽车碰撞弱势道路使用者事故的碰撞特点已有大量研究，需要整合利用已有的研究成果，为事故再现和车速分析提供更为实用的模型方法。在我国，还应结合事故的特点和发展趋势开展更多深入研究，具体讨论并建议如下几个方面。

5.1结合国内事故特征开展深入数据分析研究

我国的弱势道路使用者交通事故中，行人占据大量的比例，此外，电动自行车已成为当前的主要肇事车辆，根据事故特点和发展趋势，对典型交通事故所致人体损伤的历史数据及其与交通方式、车辆碰撞特点、人车接触特征之间的关系进行深入数据分析，为事故再现、车速分析、车辆与交通安全设计等方面提供必要的研究依据。

5.2对事故伤害严重度进行分类研究

通过大量的事故数据获取碰撞速度与事故严重度之间的相关性，为事故再现分析、汽车安全开发及交通安全管理提供重要参考。对不同车辆、不同碰撞类型所致不同人体伤害进行分类研究，区分人体的各种特征伤、普遍伤及致命伤，对应于不同的交通方式和碰撞特征得到具体的伤害特点，以此辅助进行事故分析。如研究行人头部与路面之间碰撞的基本规律及损伤特点；根据行人损伤特点确定车辆碰撞速度的范围等。

5.3面向事故鉴定需求开展研究

人体伤害程度、人车接触特征可以用来辅助验证交通事故再现结果、进行当事人的交通身份还原。在缺少路面痕迹等直接证据的情况下，可考虑人体的特征伤情辅助推断车速数值大小，并结合计算机模拟方法开展深入分析研究。

5.4结合我国国情特点确定研究内容

针对国内具体的交通事故特点及发展趋势进行有所侧重的研究，如对电动自行车事故的研究已成当务之急。目前，我国道路交通事故所造成的死亡人数中行人、骑车人事故占有较大比重，由此类事故引起的车速、路面接触位置等方面的司法鉴定问题日益增多，急需科学的再现方法加以解决。行人、骑车人的人体保护、伤害减轻（头盔的推广）此类事故的预防、以及电动自行车的管理都是摆在我们面前的严峻课题。

6　结论

文献调研、事故分析与综合研究表明：人体损伤程度、人车接触特征等代表事故伤害严重度的信息可以辅助用于汽车碰撞弱势道路使用者事故的车速计算和再现分析。其中，人体伤害严重度评分及特征损伤程度与碰撞车速之间存在着相关性联系；反映人车接触特征的包络线信息、风窗玻璃破损程度信息也可以用来辅助推断和检验车辆碰撞速度。在路面痕迹信息及驾驶员措施不确定的情况下，利用确定的事故伤害严重度结果可以推断碰撞车速等重要事故参数，为事故研究提供有力依据。今后，随着事故案例数据的不断累积，以及相关仿真和实验研究的不断改进，可以获得更加准确的基于事故严重度信息的车速估算方法，为事故再现分析提供重要参考。

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（本文编辑：李江）

Using Injury Severity Data to Determine the Impact Speed of Traffic Accidents between Vehicle and Vulnerable Road User

YUAN Quan1，2，CHEN Hong-yun2，LI Yi-bing1
（1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy，Tsinghua University，Beijing 100083，China；2. Key Laboratory of Road Safety Technologies，Ministry of Transport，Beijing 100088，China）

Abstract:Objective To some extent，the severity of accident consequences depends on the impact speed and other characteristics related to the collision. To make full use of the severity information to conduct accident reconstruction and vehicle speed analysis，this paper investigated the quantifiable description for accident severity and the relationship between severity and impact speed. Method Based on the literatures and accident survey，the characteristic parameters of accident severity were determined and classified. Aiming at the accidents involving vehicles and vulnerable road users，e.g. pedestrians，bicyclists，electric-bike riders，the typical parameters representing accident severity were obtained. Accident cases were used to explore the relationship among these parameters and the impact speed of vehicle. Results The injury degree of road users，destruction degree of windscreen and wrap-around distance were selected to indicate the severity of accident，which are associated with the impact speed. Conclusion When the traces on the road surface and the braking measure of drivers are ambiguous，the above parameters related to accident severity can be helpful to analyze or examine the impact speed of vehicle.

Key words:traffic accident；injury severity；impact speed；vulnerable road user

中图分类号:U491.3

文献标志码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-2072.2016.03.005

文章编号：1671-2072-（2016）03-0032-08

收稿日期：2016-04-10

基金项目：公路交通安全技术交通行业重点实验室开放课题（2015RST02）

作者简介：袁泉（1974—），男，高级工程师，主要从事交通事故分析、汽车人机工程的科研、教学工作。