轿车-行人事故中人体损伤来源与相关性分析*

邹铁方,肖 璟,胡 林,李 华,蔡 铭

(1.长沙理工大学汽车与机械工程学院,长沙 410004； 2.湖南省工程车辆安全性设计与可靠性技术重点实验室,长沙 410004；



轿车-行人事故中人体损伤来源与相关性分析*

邹铁方1,2,肖 璟1,2,胡 林1,2,李 华1,2,蔡 铭3

(1.长沙理工大学汽车与机械工程学院,长沙 410004； 2.湖南省工程车辆安全性设计与可靠性技术重点实验室,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，广州 510275)

为更好地了解车-人碰撞事故中人体不同部位的损伤来源及其相关性，从大量事故案例中选取64例附着弹出类型车-人碰撞事故，用PC-Crash对事故进行再现后读取相关数据，经验证，数据可靠。然后借助做图和相关性分析等技术对数据进行分析。结果表明，头部损伤和大腿部位的损伤主要来源于人与车碰撞的过程中；胸部由加速度引起的损伤主要来源于与车碰撞过程中，而由碰撞力引起的损伤则主要来源于与地面碰撞过程中；小腿部位的损伤来源，则须具体问题具体分析。通过相关性分析表明，行人头部HIC15与胸部3ms加速度值之间的相关系数最高，具有显著统计学意义，表明行人头部损伤与胸部损伤之间具有高度相关性。

轿车-行人碰撞事故；人体损伤；相关性；来源

前言

近年来，虽然交通事故发生次数等统计指标呈现下降趋势，但基数依然巨大[1]，特别是涉及行人等弱势交通参与者的事故，因与每个人的出行息息相关而倍受关注。因而加强对车-人碰撞事故，特别是事故中人体损伤的研究，极具价值，不仅能获得相关的事故再现技术以提升事故鉴定结果的客观性和可靠性[2-3]，还能通过对人体损伤的研究，探索更好的弱势交通参与者保护对策[4-5]。国内外学者们就此展开了大量的研究，并取得了丰富的研究成果，发现事故中行人头部损伤受到行人的步行速度与姿态、撞击的部位、轿车前部结构参数的影响[6-7]，头部出现严重损伤的碰撞位置集中于风窗玻璃周围[8]；而汽车前部结构不仅对行人头部损伤有影响，还对行人被撞击后的动力学响应和胸部碰撞速度有重要影响[9-10]；同时不同车辆类型和碰撞车速对行人头部、胸部和小腿损伤等也有较大影响[11]。相关研究阐释了事故中人体损伤的影响因素，为探索降低人体伤害的措施提供了有力支持，但对人体损伤的来源及人体各部位损伤之相关性的关注不多。人体损伤主要来源于车辆和地面的碰撞两方面，正确了解人体损伤的来源对于汽车安全性设计和痕迹间交叉验证(如头部损伤与风窗玻璃变形)均具有极高价值。故而有学者借助事故数据简要介绍了人体损伤的来源，指出车辆碰撞是造成行人损伤，特别是重伤的主要原因，但人体被抛出后与地面的撞击也不可忽略，在某些情况下同样会导致致命伤[12]；文献[13]中指出人体损伤来源与车速有关，低于30km/h时主要来源于地面撞击而大于40km/h时则主要来源于车辆。如前所述，人体损伤受诸多因素影响，为更好地认识事故中人体损伤的来源，需要依据真实事故数据分类探讨不同类型车-人碰撞事故中人体损伤的来源。同样，人体不同部位损伤之相关性的研究也能为痕迹间交叉验证提供更多选择，在事故再现中具有较高价值，但迄今相关的研究较少。

为此，本文中选择附着弹出[14]这一类型轿车-行人碰撞事故作为研究对象，通过对真实事故案例进行深度调查并对所得数据进行验证后，分析该类型事故中人体损伤来源与不同部位损伤之相关性。

1 数据来源

以附着弹出这一类型轿车-行人碰撞事故作为研究对象，从奥地利格拉茨科技大学事故深度调查、中国交通事故深入研究(China in-depth accident study, CIDAS)等项目数据库近3年的3 000多例碰撞事故中选取附着弹出类型的轿车-行人碰撞事故数据64例，然后借助PC-Crash对事故进行再现，在再现基础上分别读取行人不同部位的损伤及其来源等数据，并借助已有研究成果对数据的可靠性进行验证。

1.1 事故再现

获得事故中人体不同部位损伤及其来源等数据的有效手段是借助仿真技术对事故进行再现，为保证再现的准确性，须确保真实事故案例中的各类痕迹均可在仿真中得到合理解释。下面用一个真实案例对数据采集中的事故再现过程进行演示。

1.1.1 案情介绍

某日，某人醉酒后驾驶小型轿车沿公路自西向东行驶，行经某路口时，该车前方遇到一行人在非人行道处从南向北横穿公路，随即该车与行人发生碰撞，造成一起车辆损坏且行人左小腿骨折的道路交通事故，事故现场见图1。

图1 事故现场图

根据交警部门的调查报告，该事故车辆是Skoda-Octavia 2.0 SLX-85kW轿车，在碰撞事故发生前，该车的技术状况良好，没有出现车况异常的现象。此外，根据报告，当时天气状况良好，能见度高，路面干燥且汽车的附着性能良好，在碰撞事故发生时，该驾驶员采取了紧急制动措施。

1.1.2 事故仿真再现

为获得该案例中的相关数据，需借助PC-Crash软件[15]对事故进行再现，步骤如下。

(1) 再现事故现场 因该事故发生路段平坦，则只须将事故现场图导入软件中并按比例缩放则可对事故现场进行再现。

(2) 车辆和行人模型建立 直接从PC-Crash软件的车辆信息数据库中导入实际事故车辆型号Skoda-Octavia 2.0 SLX-85kW的轿车模型。事故中行人的假人模型则直接调用PC-Crash中自带的多刚体假人模型，根据交警部门提供的信息，行人的身高为160cm，体质量为60kg，其他参数值均为PC-Crash软件中多刚体参数的默认值。

(3) 事故仿真再现 通过多次仿真分析，当车速为36.8km/h、行人的步行速度为3.5km/h、车-地面之间的摩擦因数为0.8、轿车-行人之间的摩擦因数为0.2、人-地面之间的摩擦因数为0.3和制动系统协调时间为0.2s时，仿真中各类痕迹与实际的事故信息最为吻合，仿真结果见图2。

图2 PC-Crash仿真结果

(4) 仿真再现结果验证 为保证仿真结果的可靠性，须依据车身受损痕迹和人体损伤痕迹来检验仿真结果的有效性。图3和图4为碰撞过程中人车相对位置与车辆受损情况对比图。从图中可以看出，仿真中人车接触位置与实际情况吻合较好，车体变形痕迹能在仿真中得到适当的解释。表1给出仿真中人体不同部位的损伤推测结论。可以看出，仿真中除行人左小腿骨折外其他部位均未受到严重的伤害，这与警方提供的信息一致，据此可认为本次仿真可靠。

图3 0.030s时刻人车相对位置与车辆受损情况对比

图4 0.238s时刻人车相对位置与车辆受损情况对比

部位损伤标准参考文献仿真值行人损伤推断头部HIC≤1000[16]508.3头部未受致命伤胸部3ms合成加速度值≤60g[16]24.48g胸部未受严重损伤大腿股骨耐受极限6.3kN[17-18]左:4030.6N右:3372.4N股骨未骨折小腿胫骨耐受极限4kN[17-19]左:4224.1N右:1560.2N左胫骨骨折

通过以上4个步骤，可保证事故再现结果与真实情况达到高度吻合，确保得到的数据尽可能真实、客观。

1.2 数据读取

对筛选出来的64个案例，均进行以上的事故再现，然后导出仿真过程中头部、胸部、左右大腿与左右小腿受到的最大碰撞力和头部与胸部的加速度，并通过头部加速度和胸部加速度分别计算出头部HIC15值和胸部3ms加速度值，作为整个仿真过程的损伤指标。

图5 时间节点采集 时刻的三维图

以图5所示事故仿真过程中，行人既不与车辆接触也不与地面接触的这一时间段中任一时刻为节点，把事故分为行人与车辆碰撞和行人与地面碰撞的两个碰撞阶段。将每一例车-人碰撞事故均如此一分为二，先采集节点之前各部位受到的最大碰撞力、头部加速度和胸部加速度，并通过头部加速度和胸部加速度分别计算出头部HIC15值和胸部3ms加速度值，作为行人与车碰撞阶段的损伤指标；再采集节点之后的各部位受到的最大碰撞力、头部加速度和胸部加速度，并通过头部加速度和胸部加速度分别计算出头部HIC15值和胸部3ms加速度值，作为行人与地面碰撞阶段的损伤指标。

1.3 数据验证

通过PC-Crash事故再现，在保证再现的可靠性、确保所得数据的客观性的同时，还能获得车速与人体抛距等的关系，这方面已有很多研究成果，如文献[20]中提出的模型及Fugger模型和Toor模型[21]，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Sp为行人抛距；vmin和vmax分别为文献[20]中提出的模型所对应的最小车速和最大车速；vFuggur为Fugger模型所对应的车速；vToor为Toor模型所对应的车速。

以行人抛距为横坐标、各车速(vc为案例中采集到的车速)为纵坐标绘入图6。从图6可见，所采集到数据点几乎均落在已有模型之间，这便进一步说明所采集到的数据可靠，可以很好地支撑后面的分析。

图6 数据有效性验证

2 事故数据分析

2.1 人体不同部位损伤来源分析

2.1.1 头部

以车速为横坐标，HIC15值为纵坐标绘制图7，其中散点代表与车碰撞过程中行人的头部HIC15，折线连接的是与地面碰撞过程中行人的头部HIC15值；以车速为横坐标，头部最大碰撞力为纵坐标绘制图8，其中散点代表与车碰撞过程中行人的头部最大碰撞力，折线连接的是与地面碰撞过程中行人的头部最大碰撞力。通过图7和图8可以看出，散点大部分位于折线上方，说明与车碰撞所导致的头部HIC15值和头部最大碰撞力均要高于与地面碰撞所致的头部HIC15值和头部最大碰撞力，即行人的头部损伤主要来源于车的碰撞。

图7 车速-头部HIC15值

图8 车速-头部最大碰撞力

2.1.2 胸部

以车速为横坐标，胸部3ms加速度值为纵坐标绘制图9，其中散点代表与车碰撞过程中行人的胸部3ms加速度值，折线连接的是与地面碰撞过程中行人的胸部3ms加速度值；以车速为横坐标,胸部最大碰撞力为纵坐标绘制图10，其中散点代表与车碰撞过程中行人的胸部最大碰撞力，折线连接的是与地面碰撞过程中行人的胸部最大碰撞力。从图9可以看出，散点大部分位于折线上方，说明与车碰撞所致的胸部3ms加速度值要高于与地面碰撞所致的胸部3ms加速度值，但从图10中却得不出类似的结论；由图10可知，散点与折线交错在一起，且散点大部分位于折线下方，说明多数情况下与车碰撞所致的胸部最大碰撞力要低于与地面碰撞所致的胸部最大碰撞力。这表明胸部的损伤来源比头部要复杂，因加速度导致的损伤主要来源于与车的碰撞，而因力撞击所致损伤则主要来源于与地面的碰撞。

图9 车速-胸部3ms加速度值

图10 车速-胸部最大碰撞力

图11 车速-左大腿最大碰撞力

图12 车速-右大腿最大碰撞力

2.1.3 大腿

以车速为横坐标，左大腿最大碰撞力为纵坐标绘制图11，其中散点代表与车碰撞过程中行人的左大腿最大碰撞力，折线连接的是与地面碰撞过程中行人的左大腿最大碰撞力；以车速为横坐标,右大腿最大碰撞力为纵坐标绘制图12，其中散点代表与车碰撞过程中行人的右大腿最大碰撞力，折线连接的是与地面碰撞过程中人的右大腿最大碰撞力。从图11和图12可以看出，散点与折线交错在一起，但散点大部分位于折线上方，说明在大多数情况下与车碰撞所致的大腿最大碰撞力要高于与地面碰撞所致的大腿最大碰撞力，即行人的大腿部位损伤主要来源于与车碰撞的过程中。

2.1.4 小腿

以车速为横坐标，左小腿最大碰撞力为纵坐标绘制图13，其中散点代表与车碰撞过程中人的左小腿最大碰撞力，折线连接的是与地面碰撞过程中行人的左小腿最大碰撞力；以车速为横坐标,右小腿最大碰撞力为纵坐标绘制图14，其中散点代表与车碰撞过程中人的右小腿最大碰撞力，折线连接的是与地面碰撞过程中行人的右小腿最大碰撞力。由图13和图14可以看出，散点均布于折线两侧，说明行人小腿部位的损伤来源很难区分，因车或地面碰撞引起的损伤相当，在实践中如需研究人体小腿损伤的来源则需具体问题具体分析。

图13 车速-左小腿最大碰撞力

图14 车速-右小腿最大碰撞力

2.2 人体不同部位损伤相关性分析

为探寻车-人碰撞事故中行人各部位损伤之间的相关性，进一步对所获得的头部HIC15值、胸部3ms加速度值和腿部所受最大碰撞力进行相关性分析。

2.2.1 人体各部位损伤数据标准化处理

为消除不同类型的数据不同量纲和数量级悬殊的影响，在对相关数据(车速和行人各部位损伤数据)进行分析前，均先进行标准化，即归一化处理。

2.2.2 数据正态分布检验

由于统计学软件SPSS(statistical product and service solutions)中的Pearson相关系数检验要求双变量服从正态分布，因此，在对数据进行相关性分析之前，应对各数据进行正态分布检验。使用SPSS中的K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验法来检验数据是否服从正态分布，检验结果显示：行人损伤各指标数据中，变量均服从正态分布(P=0.451)。

2.2.3 行人各部位损伤相关性分析

借助SPSS软件中的Spearman相关系数检验行人各部位损伤变量之间的相关性，检验结果见表2。

表2 行人各部位损伤之间的相关系数

注：**表示具有显著统计学意义；*表示具有一般统计学意义；未标注则表示不具有统计学意义。

由表2可知，行人的头部损伤指标HIC15与胸部损伤指标3ms加速度值之间的相关系数为0.765，明显高于其它损伤部位之间的相关系数，具有显著的统计学意义，表明行人头部损伤与行人胸部损伤之间呈现出高度相关性。在事故再现过程中，这样的相关性应高度重视，以便更合理地对事故中人体损伤进行验证，确保痕迹的高可靠性。

除头部与胸部体现出高度相关性外，头部与左大腿之间、头部与左小腿之间、左大腿与右大腿之间及左小腿与右大腿之间也存在较强的相关性，虽与头胸部相关性相比，相关系数的数值稍小，但仍需引起注意。其中头部与左大腿、头部与左小腿间的相关系数明显高于头部与右大腿、头部与右小腿间的相关系数。

3 结论

对采集到的64例小轿车与行人附着弹出这一类型车人碰撞事故案例，在事故再现基础上读取数据并对数据进行验证后，借助做图和相关性分析等手段获得如下结论。

(1) 人体头部损伤和大腿部位的损伤主要来源于人体与车碰撞的过程；胸部因加速度所致损伤主要来源于与车的撞击，但因碰撞力所致的损伤则主要来源于与地面的撞击；小腿部位的损伤来源较为复杂，因车和地面撞击所致的损伤基本相当。

(2) 人体头部损伤和胸部损伤之间呈现高度相关性，其相关系数明显高于其它部位损伤之间的相关系数。在事故再现过程中，应更多地关注这两者之间的联系，以便于更好地对损伤痕迹进行验证。

(3) 在相关性分析中头部损伤与左腿部位损伤的相关系数要高于头部损伤与右腿部位损伤的相关系数，其原因有待进一步研究。

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Human-body Injury Sources and Correlation Analysis on Car-pedestrian Accidents

Zou Tiefang1,2, Xiao Jing1,2, Hu Lin1,2, Li Hua1,2& Cai Ming3

1.SchoolofAutomobileandMechanicalEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076;2.KeyLaboratoryofSafetyDesignandReliabilityTechnologyforEngineeringVehicle,HunanProvinceChangsha410004;3.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,GuangdongProvincialKeyLaboratoryofIntelligentTransportationSystem,Guangzhou510275

For better understanding the source of injury in different parts of human body in vehicle-pedestrian crash accidents and their correlations, 64 vehicle-pedestrian wrap collision accident cases are selected from a large number of accidents and they are reconstructed using PC-Crash, with related data obtained, which are verified to be reliable. Then the data are analyzed by using techniques of graph plotting and correlation analysis. etc. The results show that the injuries of head and upper legs are mainly caused by their impact with vehicle; the acceleration-induced injury of thorax are mainly caused by its impact with vehicle while the force-induced injury of thorax are caused by its impact with ground, and for lower legs, the source of their injury must be specifically analyzed for specific situation. It is indicated by correlation analysis that the correlation coefficient between head HIC15 and thorax 3ms acceleration of pedestrian is the highest and has a remarkable statistical significance, demonstrating the high correlation between head and thorax injuries.

car-pedestrian accident; human body injury; correlation; source

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.004

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

邹铁方，副教授，E-mail:tiefang@163.com。

原稿收到日期为2016年8月5日，修改稿收到日期为2016年9月24日。