基于仿真的车-人碰撞事故中行人不同部位损伤相关性分析*

韩云龙，肖璟，邹铁方，刘雨，蔡铭，梁宗伟

（1.长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙 410004；2.工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410004；3.中山大学工学院广东省智能交通系统重点实验室，广东广州 510275）

基于仿真的车-人碰撞事故中行人不同部位损伤相关性分析*

韩云龙1，2，肖璟1，2，邹铁方1，2，刘雨1，2，蔡铭3，梁宗伟1，2

（1.长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙 410004；2.工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410004；3.中山大学工学院广东省智能交通系统重点实验室，广东广州 510275）

为明确车-人碰撞事故中行人各部位损伤及其与敏感参数之间的关系，通过查阅文献初步筛选出10个敏感参数并确定其取值，然后借助拉丁超立方试验设计，提出基于随机森林的参数重要性分析方法，并使用该方法分析了各敏感参数的重要性，在此基础上分析了行人各部位损伤及其与敏感参数之间的相关性。结果表明，车速是对行人头部、胸部及腿部损伤影响最显著的参数；车速与行人各部位损伤、行人头部与胸部损伤之间具有较强的相关性，可在此基础上建立相关车速鉴定和损伤验证模型用于交通事故鉴定分析。

汽车；车-人碰撞事故；行人损伤；仿真分析

根据公安部道路交通安全管理局的统计，中国每年由交通事故造成的行人死亡人数约2.5万人，约占交通事故死亡总人数的25%。由于近年来汽车保有量迅速增加、驾驶员素质参差不齐及道路长期存在的混合交通特点，交通事故发生率一直居高不下。在严峻的行人交通安全背景下，通过研究车-人碰撞事故中影响行人损伤的敏感参数，分析各敏感参数对行人损伤影响的重要程度，找出对行人损伤影响最显著的因素，进而分析其与行人损伤之间的相关性，并在此基础上建立相关行人损伤模型，对减轻行人在事故中受到的损伤、减少社会经济损失及车-人事故再现具有重要意义。

目前对车-人碰撞事故中行人损伤已进行了一些研究，例如：范箫翔等基于THUMS4.0人体有限元模型对轿车-行人碰撞中的行人下肢损伤进行重建，分析了轿车-行人交通事故中行人下肢的损伤机理及动力学响应；陈勇借助仿真软件对50个真实事故案例进行仿真再现，详细分析了人体颅脑损伤；杨群印通过再现真实事故，对事故中人体各部位伤害指标随速度的变化进行了分析；王方基于人体解剖学结构建立并验证了胸部有限元模型，分析了胸部受到侧面冲击载荷时损伤评价准则的有效性；黄冬运用正交试验设计方法，分析了汽车前部结构参数对头部和下肢损伤的影响规律及影响程度；韩勇等基于THUMS的行人有限元模型，通过碰撞仿真，分析了行人胸部动力学响应、变形模式及肋骨压缩量。上述研究主要集中于碰撞后行人某个具体损伤部位的动力学响应、损伤机理及生物力学分析，并未对影响行人损伤的敏感参数、行人各部位损伤与其影响参数之间及行人各部位损伤之间的相关性进行分析研究。

而研究影响行人各部位损伤的敏感参数对行人各部位损伤的影响程度，找出对行人各部位损伤影响最显著的参数，有利于有针对性地开发行人保护系统，更有效地减轻行人在事故中所受到的损伤；对行人各部位损伤与其影响参数之间的相关性进行分析，可在此基础上建立相关模型，为事故再现技术提出新思路；对行人各部位损伤之间的相关性进行分析，明确行人损伤之间的关系，可在此基础上建立行人损伤验证模型，排除其他干扰因素造成的损伤，保证事故再现技术的可靠性。为此，该文基于仿真试验和随机森林算法对影响行人头部、胸部及腿部损伤的参数进行敏感性分析，借助SPSS软件对车速与行人各部位损伤、行人各部位损伤之间的相关性

进行分析，为建立交通事故车速鉴定和损伤验证模型提供参考。

1 基于Pc-Crash的车-人碰撞事故仿真试验设计

1.1 Pc-Crash软件

Pc-Crash是由奥地利DSD（Dr.Steffan Datentechnik）公司开发的专门用于交通事故仿真再现的软件，包含车-人碰撞后的运动轨迹、行人假人多刚体模型及各类车辆模型等，可对常见交通事故形态（车-车碰撞、车-人碰撞等）进行仿真模拟分析，具有建模简便、响应迅速、碰撞模拟形象逼真等特点。该软件还引入了多刚体建模软件MADYMO中的多刚体模型，能更好地再现事故中车辆运动及人体各部分响应信息。

1.2 拉丁超立方试验设计

拉丁超立方试验设计LHS（Latin Hypercube Sampling）是由Mc Kay等于1979年提出的一种受约束的均匀抽样法，它根据输入参数的分布函数和定义域范围，采取等概率分层抽样法产生各参数的随机数样本，并保证所有采样区域都能被其采样点所覆盖。其原理是根据实际试验设计需要确定模拟次数N，再根据模拟次数N将各变量的概率分布函数等分成N个互不重叠的子区间，分别在每个子区间内进行独立的等概率抽样，最后生成所需要的拉丁超立方试验设计表。LHS是一种充满空间的设计，能使输入的组合相对均匀地填满整个试验区间，不会像正交试验设计那样出现试验点堆积问题。该文采用拉丁超立方试验设计法进行车-人碰撞事故仿真试验。

1.3 基于LHS的试验样本集设计与仿真试验

1.3.1 确定敏感参数

车-人碰撞事故中影响行人各部位损伤的参数很多，通过查阅相关文献，结合车-人碰撞事故真实案例，根据经验，初步筛选出与行人各部位损伤密切相关的敏感参数（见表1）。

1.3.2 确定敏感参数取值

通过查阅相关文献，结合常见的车-人事故案例确定各敏感参数的取值区间。文献［14］给出了行人（成年男性）身高H3、行人（成年男性）体重M2的取值区间；文献［15］给出了汽车附着系数P和车速v的取值区间（见表2）。

由于不同厂商所生产的汽车前部结构差异很大，同一厂商生产的不同类型汽车之间的差异也很大，为增强仿真试验的可靠性，随机选取40辆轿车，对其前部结构参数进行实地测量，获取车辆前部结构参数数据：前保险杠中心高度H1、发动机罩前缘高度H2、前保险杠上下宽度W、前保险杠伸出量D、发动机罩后缘包绕长度T。汽车整备质量M1通过查询所选汽车的制造商官方网站获得。

表1 参数敏感性分析

表2 各敏感参数的取值区间

1.3.3 仿真试验表设计

基于拉丁超立方试验设计法，根据表2中各敏感参数的取值范围，借助MATLAB软件获取40组试验样本数据。

为进一步优化仿真试验效果，使其更加贴近现实，将基于拉丁超立方试验设计的样本数据与实地测量的汽车前部结构基本参数数据相结合，得到仿真试验样本数据（见表3）。

1.3.4 仿真试验结果

按照表3中试验数据在Pc-Crash中修改人、

车、路等相关参数进行仿真，仿真结果见表4。选取HIC15作为评估行人头部损伤程度的指标；选取胸部3 ms合成加速度a作为评估行人胸部损伤程度的指标；选取行人左大腿、左小腿、右大腿及右小腿所受最大剪切力L1、L2、R1、R2作为评估行人腿部损伤程度的指标。

表3 仿真试验样本数据

表4 仿真试验结果

2 基于随机森林的人体不同部位损伤参数敏感性分析

随机森林是一种被广泛使用的机器学习算法，它利用bootstrap重抽样方法从原始样本中抽取多个样本，对每个bootstrap样本进行决策树建模，然后组合多棵决策树的预测，通过投票得出最终预测结果。其构建过程主要分为每棵决策树抽样产生训练集、构建每棵决策树、森林的形成及算法的执行。釆用简单多数投票法的结果作为随机森林的输出表示分类问题，采用单棵树输出结果的简单平均作为随机森林的输出表示回归问题。其优点是准确率高，速度快，对数据中的噪声有很好的容忍度，且不易出现过度拟合。下面借助R软件中随机森林程序包建立随机森林模型分析各敏感参数对行人各部位损伤影响的重要性。

2.1 行人头部损伤参数敏感性分析

HIC（Head Injury Criterion）是目前使用最广泛的头部伤害指标，其计算公式如下：

式中：t1、t2为加速度作用中的任意时间且t2-t1≤36 ms；t2-t1表示HIC值达到最大时的时间间隔，实际应用中通常使用15和36 ms；ahead为碰撞过程中人体头部质心合成加速度。

通常将HIC=1 000作为行人头部的耐受极限。这里使用HIC15指标评估行人头部的损伤程度，并对其进行参数敏感性随机森林分析，分析结果见图1。

图1 随机森林对影响行人头部损伤变量的重要性排序

根据图1，汽车速度v 是所有参数中对HIC15值影响最大的参数，即对行人头部损伤影响最大。

2.2 行人胸部损伤参数敏感性分析

采用胸部累积3 ms损伤准则计算碰撞后行人的胸部3 ms合成加速度值，评估行人胸部损伤程度，并对其进行参数敏感性随机森林分析。通常情况下，行人胸部3 ms合成加速度的安全上限为60g。

根据图1，车速v是所有参数中对胸部3 ms合成加速度值影响最大的参数，即对行人胸部损伤影响最大。

2.3 行人腿部损伤参数敏感性分析

行人腿部损伤指标常用腿部所承受的弯曲力矩与剪切力表示。这里采用车-人碰撞后行人左大腿所受最大剪切力L1、左小腿所受最大剪切力L2、右大腿所受最大剪切力R1及右小腿所受最大剪切力R2作为评估行人腿部损伤程度的指标。

根据图1，汽车行驶速度v是所有参数中对行人腿部损伤影响最大的参数，即对行人腿部损伤影响最大。

3 敏感参数与行人各部位损伤相关性分析

3.1 车速与行人各部位损伤相关性分析

由基于随机森林的参数敏感性分析可知，车速是对行人头部、胸部及腿部损伤影响最显著的参数，表明车速和行人损伤之间存在较强的联系。运用SPSS软件对表2和表3中的车速与行人各部位损伤数据进行相关性分析，结果见表5。

表5 车速与行人各部位损伤变量相关性检验结果

根据表5，行人头部、胸部及腿部损伤变量都和车速存在较显著的相关性，行人头部、胸部损伤变量和车速之间的相关系数分别达到0.927、0.928，表明其与车速之间呈高度相关性。据此可建立基于行人头部和胸部损伤的车速鉴定模型，为事故仿真再现中的车速鉴定提供新途径。

3.2 行人各部位损伤相关性分析

在实际车-人碰撞事故中，尤其在交通流量大、路况复杂的地区，行人经常受到来自车辆碾压等其他因素所造成的损伤，给事故查勘及事故再现带来困难。借助SPSS软件对表3中行人各部位损伤变量数据进行相关性分析，结果见表6。

由表6可知：行人头部、胸部及腿部损伤变量之间都具有一定的相关性；行人头部损伤变量和胸部损伤变量之间的相关系数达到0.859，表明行人头部和胸部损伤之间的相关性显著。据此可建立基于行人头部和胸部损伤相关性的损伤验证模型，排除其他干扰因素，提高事故仿真再现技术的可靠性。

表6 行人各部位损伤变量相关性检验结果

4 结论

（1）车-人碰撞事故中，车速是对行人头部、胸部及腿部损伤影响最显著的因素。

（2）车-人碰撞事故中，车速与行人头部、胸部及腿部损伤之间都具有较高的相关性，可在此基础上建立以车速为因变量、行人各部位损伤指标为自变量的车速鉴定模型，为事故再现中的车速鉴定提供参考。

（3）车-人碰撞事故中，行人头部和胸部损伤之间的相关性较为显著，可在此基础上建立行人头部、胸部损伤验证模型，排除行人因车辆碾压等其他干扰因素造成的损伤，提高事故再现技术的可靠性。

（4）车速是车-人碰撞事故中对行人损伤影响最大的因素，在设计行人安全保护系统时，应着重研

究如何降低汽车与行人碰撞时的速度，以最大程度减轻车-人碰撞事故中行人所受损伤。

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U491.3

A

1671-2668（2016）06-0001-05

2016-05-15

国家自然科学基金资助项目（51208065）；湖南省科技计划项目（2015JC3056）；广东省科技计划项目（2015B010110005）；道路交通安全公安部重点实验室开放基金项目（2016ZDSYSKFKT08）