预碰撞下的乘员保护与主被动安全融合技术的发展

唐洪斌

（1.中国第一汽车股份有限公司 研发总院，长春130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室, 长春130013）

主题词：主被动安全融合 预碰撞 乘员保护

1 前言

随着车辆中主动安全技术的应用，道路交通安全得到了一定的改善，为了更好地实现对乘员安全全方位碰撞保护，近年来又提出了主被动安全融合技术的概念。本文主要介绍主被动安全技术融合概念的提出，以及国内外在预碰撞下乘员保护的研究方向和进展状态。通过归类整理可确定未来主被动安全技术初步融合的技术路线，为深度融合技术的发展打下技术基础。

2 主被动安全技术融合的提出

车辆碰撞安全技术包括被动安全技术和主动安全技术。被动安全技术主要是在发生碰撞事故中或后对乘员进行的保护，包括安全气囊、安全带、转向系统、安全座椅等系统；主动安全技术主要是在碰撞发生前，对可能发生的碰撞提前进行感知，对驾驶员进行提醒或采取措施，避免碰撞事故的发生，包括ABS、ESC、AEB、FCW、LDW等系统。

在实际交通中，有些碰撞事故是不可避免的，为了更好地对乘员进行保护，逐渐产生了被动安全与主动安全相互融合的需求。 随着被动安全和主动安全装备的装配率逐年上升（图1），对乘员的致死率将产生积极的影响（图2）[1]。2019 年清华大学首次对中国AEB 使用有效性进行预测，并创新性地分析了气候、光照、速度、激活率等关键因素的影响。结果表明，AEB 系统能显著提高我国道路交通安全水平。与无AEB 的预计伤亡人数相比，考虑到该系统的局限性，包括天气、光照和速度条件，以及激活率，中国2030 年潜在死亡和伤害的实际减少百分比分别为3.12%和2.72%，这意味着2030 年中国可避免1 483 人死亡和3 895 人受伤[2]。同时C-NCAP、Euro NCAP 针对AEB 评价的增加，也加速了AEB 装置在车辆上的应用。而主动安全中AEB 功能是避免碰撞的重要措施之一，同时也是与被动安全技术融合度最大的技术手段。针对正面碰撞在AEB 作用下，由于人体的运动姿态与常规碰撞时不同，需在安全气囊形态、安全带类型、安全气囊点火时刻和主动安全座椅等方面进行综合优化，提升乘员的保护效果，避免发生二次伤害。

图1 安全装备在车辆上的装配率预测[1]

图2 安全装备对致死率影响的预测[1]

2006 年TAKATA 公司提出传统被动安全技术将向预碰撞时刻前延，形成预定位、自适应约束系统等装置，使其与辅助制动装置共同参与完成碰撞前乘员的位置控制，并延续保护功能到碰撞发生过程当中（图3）[3]。2008 年Autoliv 提出了主被动安全电子集成技术。2009 年奔驰公司在其2003 年提出的预碰撞系统PRE-SAFE®基础上，在ESF 2009 车型上体现了主被动安全的融合概念（图4）[4]。2015 年TASS 公司提出了集成安全系统设计方法与工具链（图5）[5]。2016 年DAIMLER AG 公司在预碰撞系统PRE-SAFE®基础上提出了侧面碰撞主被动安全集成保护策略（图6）[6]。

图3 TAKATA主被动安全作用时序[3]

图4 奔驰公司主被动安全融合方式[4]

图5 TASS公司集成安全系统设计方法与工具链[5]

图6 DAIMLER AG公司在预碰撞系统PRE-SAFE®基础上的侧面保护策略[6]

3 基于预碰撞作用下被动安全系统的优化

3.1 预碰撞作用下安全气囊的改变

由于预碰撞作用下，乘员的运动姿态的不同，以及出于对不同类型乘员的保护，需要对安全气囊进行优化或改变。

Autoliv 公司提出了一种双侧双级肩部安全气囊，与具有限力装置的安全带系统整合为一体，固定在座椅靠背2 侧（图7）。针对此方案分别对Hybrid Ⅲ5%、Hybrid Ⅲ95%和THOR 50%假人，座椅靠背角度为23°和45°状态进行了正面刚性墙56 km/h 碰撞和NHTSA正面偏置90 km/h 碰撞。结果表明除了在正面偏置碰撞中HIC和Nij有增加，其它伤害值均有下降[7]。

图7 Autoliv公司双侧双级肩部安全气囊[7 ]

Hyundai 公司对64 km/h 没有AEB 作用和40 km/h有AEB 作用下的5%假人，采用原安全气囊和新开发的安全气囊进行了对比分析。新开发的安全气囊采用3 个面来限制驾驶员侧安全气囊初级阶段（约0.015 s）X 方向展开长度（图8）。在仿真分析中，AEB起作用的情况下，采用原安全气囊，HIC 和Nij 值分别上升了54%和26%；AEB 起作用的情况下，采用TYPE A 型安全气囊，HIC 和Nij 值分别降低了16%和10%。在台车试验验证中，在AEB作用下，采用TYPE A 型安全气囊，颈部FZ降低了30%，颈部力矩下降了45%[8]。

图8 Hyundai公司驾驶员侧安全气囊[8]

Hyundai 公司开发了可重复使用的气囊和座椅装置，充气装置采用紧凑型混合式和冷气体。气囊垫有肋骨气垫、座椅靠背气垫、座垫气垫和组合气垫（图9）。通过提前识别侧面碰撞，在碰撞发生前触发装置，使乘客向内和上偏转，达到改变乘员的位置，增大生存空间，降低车辆侵入造成乘员伤害的目的[9]。

3.2 预碰撞作用下安全气囊点火时刻的变化

Honda 公司通过使用ADAS 集成系统，实现对碰撞时刻的提前检测。针对不同的碰撞模式，安全气囊点火时刻TTF均可以实现不同程度的提前。如50 km/h 碰撞模式下，TTF 可以比传统TTF 提前约0.007 s 到0.016 s。针对重叠度为80%的碰撞，头部加速度明显下降，HIC 值下降了27%[10]。同时通过增加初始约束或增加装置吸收碰撞能量会减少乘员的伤害（图10）。

图9 Hyundai公司采用可重复使用的气囊和座椅装置，在碰撞发生前改变乘员的位置[9]

图10 Honda公司对ADAS下TTF时刻调整的影响分析[10]

3.3 预碰撞作用下电动预张紧式安全带的影响分析

Autoliv 公司在56 km/h 的刚性壁碰撞中，验证了通过在碰撞前AEB 起作用（1 g，1 s）时启动电动预张紧式安全带来减少安全带松弛量，可以减少胸部压缩量和受伤风险；并通过碰撞中触发烟火式预紧安全带，可以进一步减少胸部压缩量。针对100 mm 的松弛量，当同时具有烟火式预紧安全带和电动预张紧式安全带时，具有电动预张紧式安全带可以比没有的降低胸部压缩量6 mm，预紧力分别为300 N和600 N时，对应条件下分别可降低胸部压缩量2 mm和5 mm。当无烟火式预紧安全带，只有电动预张紧式安全带时，预紧力分别为300 N 和600 N 时，对应条件下分别可降低胸部压缩量5 mm和7 mm[11]。

湖南大学研究了在只有AEB 作用下4 种离位假人（OOP01上身直立，后背离开座椅靠背；OOP02坐直的基础上整个身体向前移动56 mm；OOP03 和OOP04为乘员上身分别向左或向右倾斜约15°）与电动预张紧式安全带之间的关系。随可逆预紧触发时刻的增加，乘员伤害值和伤害概率增加，0.2 s 以后增加的速度更快；随预紧力的增大，乘员伤害值和伤害概率降低，150 N 以后降低的速度减慢。在只有AEB 的作用下无电动预张紧式安全带时，会增加乘员的离位，尤其是初始坐姿为离位状态时更加严重，会导致局部伤害增加，尤其是胸部伤害。在AEB 和电动预张紧式安全带的联合作用下，各种坐姿下由AEB 导致的离位得到改善，对于OOP02和OOP03坐姿还能起到纠正初始离位的作用，各部位伤害值和伤害风险也明显降低，初始离位坐姿越严重的，伤害风险降低越明显[12]。

重庆大学研究了5 种离位假人（SP01 正常坐姿；SP02 头部前倾；SP03 头部后仰；SP04 身体向左倾斜；SP05 身体向右倾斜）与电动预张紧式安全带之间的关系。SP01～SP04 坐姿下，AEB 与电动预张紧式安全带共同作用纠正了乘员离位，降低了乘员总体碰撞伤害风险。但是在SP05 坐姿下，AEB 与电动预张紧式安全带共同作用对乘员的伤害减低效果十分有限[13]。

3.4 预碰撞作用下被动安全系统其它参数的影响分析

Hyundai 公司与TASS 公司联合通过AEB 制动策略、电动预张紧式安全带（启动时间、安全带织带张力、无安全带状态）、安全气囊形状和控制、座椅向后的运动和转向盘前向的运动等多参数的分析，确定了在高速碰撞不可避免的情况下，主动安全系统与被动安全系统之间的协同控制分析方法。在主动安全仿真中，建立了碰撞前车辆模型与实际车辆较好的相关性。在被动安全性仿真中，根据不同的制动策略生成车辆的运动，再现Hybrid Ⅲ假人和AHM（主动人体模型）的运动和伤害，以及与气囊展开的关系。利用电动预张紧式安全带和AEB 制动类型（阶梯式和斜坡式）的参数变化，对乘员伤害进行研究。研究发现，由于电动预张紧式安全带的约束作用，AEB 制动策略对头部的运动影响不大；然而AEB 制动类型对HIC15 有较大的影响。在完全制动之前，虽然越早触发电动预张紧式安全带产生的头部前向运动越小，但是对头和颈部的伤害值影响较小。针对两种拉伸力的安全带，在伤害值上无明显的区别。安全带和安全气囊的早期约束对胸部位移和头部最大加速度有积极影响；但安全带和安全气囊的不同设计因素可以改变这一点，当排气孔尺寸和乘客安全气囊尺寸增大时，伤害风险会增大。若驾驶员的手与转向盘未相连时，头部前向移动大约40～56 mm，当手与转向盘相连时，驾驶员头部移动的更大，这是因为头部被手向前拉。在40 km/h的无安全带模式下，由于碰撞前的运动和离位状态，头部和挡风玻璃、胸部和仪表板防撞垫之间会出现击穿的情况。安全气囊TTF 在降低受伤风险方面发挥着重要作用。乘客座椅向后运动和转向盘向前运动并不能改善系安全带乘员的整体伤害值[14]。

4 基于预碰撞作用下的主被动安全的预测技术

单一参数的变化会对最终乘员的伤害值有一定的影响趋势，多参数和多系统综合作用才是乘员伤害的最终结果。目前已有相关学者开展了研究工作，下面简单介绍几种基于预碰撞作用下的主被动安全的预测技术的基本情况。

HYUNDAI MOBIS 公司应用MiLS 的概念，通过集成MATLAB/Simulink（控制器模型）、CarSim（车辆和执行器模型）、PreScan（驾驶环境和传感器模型），并利用基于Euro NCAP AEB 验证场景的实际车辆测试数据、MiLS 结果，建立了AEB 逻辑的仿真环境。通过电动预张紧式安全带与乘员分析模型的协同仿真进行AEB制动策略及其作用下乘客行为的预测[15]。

清华大学采用基于支持向量机的方法，选择Yaris 约束模型作为基础模型，通过对比试验与仿真的伤害曲线进行验证，使用两种折衷方法比较有和没有AEB 的车辆中乘员的响应，以确定AEB 造成的附加伤害[16]。以制动加速度和制动时间为输入，以5 个分割区域为输出，对支持向量机模型进行训练和验证。对5 个分割区域的Ride-down 效率和伤害风险进行计算和比较，选出Ride-down 效率高、整体伤害风险低的最佳区域。在支持向量机模型和最佳区域的基础上，对AEB 参数进行优化，得到在最佳区域和参数边界上的最大delta-V，以确定最优解（图11）。

图11 清华大学采用基于支持向量机的预测方法[16]

Volvo 公司对Volvo 汽车交通事故数据库VCTAD（Volvo Cars traffic accident database）中的碰撞进行了分类，并选取LT/OD（Left Turn/Oncoming Direction）碰撞模式。在每个案例的碰撞前阶段进行详细的碰撞案例分析，并从所有案例中生成数据集。在这个数据集中，每一个案例碰撞前15 s 或接近碰撞时都以THd（Time History data）格式进行数字描述，每个时间步都描述了车辆的轨迹、道路环境、参与者及其特征，总共包含940 个案例用于模拟[17]。在基础模型设置中，主车碰撞速度范围为4～30 km/h，对手车碰撞速度范围为4～131 km/h。通过AEB 系统的策略控制，第一种情况为可以完全避免碰撞，第二种情况为AEB 系统不起作用，第三种情况为AEB 系统起作用但还是发生了碰撞。针对第三种情况利用描述方法VPARCC（Volvo PARametric Crash Configuration）和SOCKIMO（Simplified Occupant Kinematics Model）对产生碰撞的案例进行详细分析，并规划为典型情况。通过一个简化的乘员运动学模型SOCKIMO（Simplified OCcupant KInematics MOdel）过滤掉头部偏移量大于150 mm 的情况。在主车内使用SAFER HBM 假人模型进行模拟，对具有PCVK(Pre-Crash Vehicle Kinematics)和碰撞波形的状态进行组合分析，以此确定AEB 作用下主车内乘员的运动响应，对伤害值可以进行预测和优化分析（图12）。

图12 Volvo公司综合虚拟工具链的主被动安全集成策略[17]

德累斯顿理工大学交通事故研究所（VUFO）开发了一种数值模拟方法，可以预测主被动安全融合系统在早期激活的时刻；也可用于评估转向与制动等避碰策略，以及高级驾驶辅助系统（ADAS）的参数化。VUFO 应用IPG 公司的Carmaker，在MATLAB/ Simulink 的仿真环境中，实现了8 种事故类型在特定时刻的车辆行为参数的变化。为了节省计算的时间，使用了3 种方法的组合(规定的避让动作顺序：全制动优先--避让第二--加速最后、对分法和固定步长法)对1 019 个事故进行了模拟分析，计算精度达到0.010。计算出的碰撞不可避免的预测时刻PONR（POINT OF NO RETURN（图13）分布在0.6～0.9 s 范围内，可以起到较好的保护效果；当低于0.3 s 时代表低速事故，对乘员的影响较小；高于1.6 s 很少发生[18]。在大多数情况下，被动安全措施在碰撞即将发生前0.3～1.1 s 启动，以达到早期激活安全系统，使车辆在较长距离内对速度进行逐级减速，避免人体承受峰值负荷，减少胸部和头部的伤害。

图13 ACEA（欧洲汽车工业协会）安全模型的事故时序[18]

5 结束语

先进的驾驶辅助系统通过避免碰撞或减轻碰撞，在很大程度上有助于减少乘员的伤害，然而并不能完全消除碰撞事故的发生。在预碰撞系统起作用后，安全气囊展开之前车辆俯仰加剧、乘员前向运动增大，将导致乘员头颈部伤害风险进一步升高。为降低风险相关专业人员已开展了研究工作，分析工况主要集中在刚性墙碰撞或偏置碰撞，碰撞速度为AEB（1 g，1 s）起作用下的30～40 km/h 或56 km/h；优化参数主要集中在安全气囊、安全带、座椅、转向盘、AEB 的控制类型和AEB的控制策略。研究结果表明，在AEB起作用的情况下，通过采用电动预张紧式安全带、感知最终碰撞事故发生促使安全气囊点火时间提前、采用新的安全气囊型式均可以有效地降低乘员的头部和胸部伤害值；AEB 制动策略影响较小，但制动类型对HIC15影响较大；座椅向后运动和转向盘前向的运动影响较小。根据目前的研究成果，后续还需深入开展主被动安全预测技术研究，精准感知不可避免碰撞事故的发生，为被动安全提早产生作用提供前提条件；开展多参数和多系统综合作用的影响分析，确定最优保护策略；增加弯道、车辆切入等工况不可避免事故的研究，进一步降低乘员可能伤害的风险。