道路弱势群体头部碰撞特性研究

刘珍海 高坡 陈现岭 陈晶晶

摘 要：为了解碰撞事故中道路弱势群体（vulnerable road users，VRU）头部撞击车辆前端的运动特性，基于VRU实际交通事故数据，以VRU头部碰撞位置、碰撞速度和碰撞角度为研究对象，利用虚拟仿真分析工具，开展车辆（SUV和Sedan）撞击VRU（行人、自行车骑行人、摩托车骑行人）典型碰撞工况中头部撞击特性分析，结果表明：随着VRU两轮车参考高度增大，VRU骑行人头部碰撞位置靠近车后方，头部碰撞速度和碰撞角度逐渐降低;随着汽车速度增大，VRU骑行人头部碰撞位置靠近车后方，头部碰撞速度逐渐增大。研究结论为行人保护法规及NCAP规程更新提供参考。

关键词：道路弱势群体;头部碰撞特性;行人保护;车辆前端;交通事故

Abstract： In order to understand the head impact characteristic of vulnerable road users who impact the vehicle front end in a traffic accident. Based on VRU actual traffic accident， the impact position， impact velocity and angle of head of VRU were studied. Using the virtual simulation analysis tool， the head impact characteristics which vehicles （SUV and Sedan） impact VRU （pedestrian， cyclist， and motorcycle rider） were analyzed. The results indicate： As the reference height of the VRU cyclist increasing， the head impact position of VRU cyclist is close to the rear of the vehicle， and the head impact velocity and angle decrease gradually. As the velocity of the vehicle increasing， the head impact position of VRU cyclist becomes more and more backward， and the head impact velocity increases gradually. The research conclusion provides reference for updating the pedestrian protection regulations and NCAP protocols.

前言

道路交通死亡是世界范围内一项重大的公共健康问题，世界卫生组织2009年发布的报告中指出行人、两轮车等道路弱势群体死亡率占总死亡率的约46%[1]。作为世界第一大汽车消费国和人口大国，中国存在大量人车混行道路，弱势群体交通事故率较高[2]。

行人头部与汽车前端（发动机罩、通风盖板等）碰撞造成的头部损伤是人车事故中最致命的伤害形式[3-4]。欧洲新车评估体系（European New Car Assessment Programme，E-NCAP）早在2003年就将行人保护作为新车星级评定的一项内容;我国的新车评估体系（China New Car Assessment Programme， C-NCAP）从2018年开始，对新上市车型进行行人保护测评。

目前所有的行人保护类法规都是为了保护行人设定的，而没有考虑碰撞事故中的两轮车骑行者[5-6]，汽车碰撞行人与汽车碰撞两轮车骑行人等弱势群体的事故特征较为相似，亦可将其结合研究[7]。E-NCAP和C-NCAP下一版规程中都会考虑行人保护评价中增加对两轮车骑行人头部的测评，引导车辆制造商开发车辆过程中考虑对两轮车骑行人的保护。本文中采用经对标后的整车 CAE 模型和Thor假人模型，结合中国道路交通事故，深度研究（CIDAS）交通事故数据库中交通事故特点，研究车辆（SUV和Sedan）撞击VRU（行人、自行车骑行人、摩托车骑行人）典型碰撞工况中头部撞击特性。

1 VRU交通事故数据分析

依据CIDAS数据统计，从2011年7月至2018年7月乘用车与VRU碰撞事故所占比例。乘用车与VRU碰撞事故中伤亡数据如图2所示[8-9]。

2 虚拟分析方法简述

2.1 分析矩阵设定

基于不同国家和地区的VRU碰撞事故分析数据，从损伤程度、碰撞位置以及碰撞速度三方面为出发点，着重参考国内VRU事故形态以及NCAP未来发展方向，制定如表1所示的分析矩阵，开展虚拟分析研究工作。

2.2 分析方法及术语定义说明

2.2.1 分析方法说明

本文研究中设定乘用车撞击行人和乘用车撞击两轮车相同的边界条件（碰撞位置、速度），進行碰撞仿真分析，对比行人和两轮车骑行人头部碰撞速度、角度和位置的差异;针对二轮车碰撞工况设定位置、角度和速度变量，针对每一个变量进行分析（固定另外两个变量），识别头部碰撞速度、角度和位置的差异。

基于二轮车参考高度和质量两个维度考虑，电动自行车处于自行车和摩托车之间，因此基础仿真工况只进行自行车和摩托车虚拟分析，详细分析过程中考虑质量和参考高度差异进行鲁棒性规律分析。

2.2.2 术语定义说明

（1）头部碰撞速度v：按照行人与车辆碰撞后三位空间运动过程，头部碰撞速度v定义为VRU头部碰撞到汽车前端结构的第一接触点时刻时的矢量合速度;

（2）头部碰撞角度α为VRU头部碰撞到汽车前端结构第一接触点时头部和速度矢量方向与水平切线的夹角中所示。

（3）头部碰撞位置：VRU头部碰撞到汽车前端结构的第一接触点的位置。

3 VRU运动特性分析

依据表1中的碰撞矩阵搭建碰撞仿真模型，开展乘用车撞击VRU的碰撞仿真分析，提取典型工况进行VRU运动特性对比分析。

以SUV车型撞击行人、VRU自行车和VRU摩托车为例进行运动特性分析，工况边界条件为：碰撞位置L0，碰撞速度乘用车40km/h，行人0km/h，自行车15km/h，摩托车30km/h和碰撞角度相同0度，行人、自行车骑行者和摩托车骑行者不同时刻的运动姿态如图3、4、5所示。

虚拟仿真分析动画表明：在乘用车撞击行人、自行车骑行人和摩托车骑行人碰撞工况中，车辆与骑行人第一接触点的位置、VRU的姿态以及车辆的参考高度等差异对VRU的运动姿态影响较大，车辆撞击自行车骑行人情况下假人运动行程更大。

4 VRU头部碰撞特性研究

4.1 VRU头部碰撞位置趋势分析

基于VRU碰撞虚拟分析数据，以VRU头部碰撞位置为研究对象进行总结分析，碰撞位置不同的工况下，假人头部碰撞位置：VRU自行车>行人>VRU摩托车;碰撞速度不同的工况下，汽车速度增大，骑行人头部碰撞位置越来越靠后，需更关注实际交通事故中乘用车的速度;碰撞角度不同的工况下，头部碰撞位置受VRU二轮车的质量因素影响较大，质量轻的VRU头部碰撞位置靠近车后方。

SUV和Sedan分别撞击VRU自行车、行人和摩托车工况中，如图6、7所示假人头部碰撞位置（+X）：VRU自行车>行人>VRU摩托车; SUV和Sedan撞击VRU自行车和行人工况中，如图8假人头部碰撞位置：Sedan>SUV（受乘用车和VRU相对高度影响）;SUV和Sedan撞击VRU摩托车工况中，假人头部碰撞位置：SUV≈Sedan（摩托车质量较大）。

4.2 VRU头部碰撞速度趋势分析

基于VRU碰撞虚拟分析数据，以VRU头部碰撞速度为研究对象进行总结分析，碰撞位置不同的工况下， SUV和Sedan碰撞VRU工况中骑车人与行人头部的碰撞速度趋势相反，具体原因需要详细分析;碰撞速度不同的工况下，汽车速度增大，骑车人头部碰撞速度逐渐增大，需更关注实际交通事故中乘用车的速度;碰撞角度不同的工况下，骑车人头部碰撞速度无明显规律，需要增加数据样本后再进行详细研究分析。

针对SUV和Sedan碰撞VRU工况中骑车人与行人头部的碰撞速度趋势相反问题，以SUV撞击VRU自行车为例，调整自行车参考高度开展鲁棒性分析，具体分析结果如图9所示。

随着自行车参考高度增大，VRU头部碰撞速度降低，当自行车与乘用车的相对高度达到某一个临界值时，VRU头部碰撞速度等于行人的头部碰撞速度。

4.3 VRU头部碰撞角度趋势分析

基于VRU碰撞虚拟分析数据，以VRU头部碰撞角度为研究对象进行总结分析碰撞位置不同的工况下， 乘用车碰撞VRU自行车骑车人比行人头部的β角大;VRU摩托车撞击工况中结论相反;碰撞速度不同的工况下，骑车人头部碰撞角度无明显规律，需要增加数据样本后再进行详细研究分析;碰撞角度不同的工况下，骑车人头部碰撞角度无明显规律，需要增加数据样本后再进行详细研究分析。

针对碰撞位置不同的工况下，VRU头部β角规律相反现象，以SUV撞击VRU自行车为例，调整自行车参考高度H开展鲁棒性分析，具体分析结果如图10所示：

随着自行车参考高度增大，VRU头部碰撞角度降低，当自行车与乘用车的相对高度达到某临界值时，VRU头部角度等于于行人头部碰撞角度。

5 结论

基于VRU实际交通事故数据，以VRU头部碰撞位置、速度和角度为研究对象，开展VRU典型碰撞工况的虚拟仿真分析和趋势研究分析，具体结论如下：

（1）VRU头部碰撞位置：随着VRU两轮车参考高度增大，VRU骑车人头部碰撞位置靠近车后方。头部碰撞位置：VRU自行车>行人>VRU摩托车。汽车速度增大，骑车人头部碰撞位置越来越靠后，需更关注实际交通事故中乘用车的速度。

（2）VRU头部碰撞速度：随着VRU两轮车参考高度增大，VRU骑车人头部碰撞速度降低，当VRU两轮车的参考高度达到1036mm时，VRU骑车人头部碰撞速度等于标准行人的头部碰撞速度。

（3）VRU头部碰撞角度：随着VRU两轮车的参考高度增大，VRU骑车人头部碰撞角度降低，当VRU两轮车的参考高度达到1005mm时，VRU头部角度等于标准行人头部碰撞角度。

参考文献

[1] World Health Organization （WHO）.Global status report on road safety： Time for action [R/OL]. Geneva： WHO， 2009. [2019-12-10]. http：//apps.who.int/iris/bitstream/10665/44122/1/9789241563840_eng.pdf.

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[7] 袁泉，陈宏云，李一冰.汽车-弱势道路使用者事故的碰撞速度与伤害严重度研究[J].中國司法鉴定， 2016， （3）： 32-39.

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[9] Ministry of Public Security Traffic Management Bureau， The People's Republic of China Traffic Accident Statistical Yearbook （2012）， 1， Wuxi： Ministry of Public Security Traffic Management Research Institute，2013，58.