基于仿真的車-人碰撞事故中行人不同部位損傷相關性分析*

韓云龍，肖璟，鄒鐵方，劉雨，蔡銘，梁宗偉

（1.長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南長沙 410004；2.工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，湖南長沙 410004；3.中山大學工學院廣東省智能交通系統重點實驗室，廣東廣州 510275）

基于仿真的車-人碰撞事故中行人不同部位損傷相關性分析*

韓云龍1，2，肖璟1，2，鄒鐵方1，2，劉雨1，2，蔡銘3，梁宗偉1，2

（1.長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南長沙 410004；2.工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，湖南長沙 410004；3.中山大學工學院廣東省智能交通系統重點實驗室，廣東廣州 510275）

為明確車-人碰撞事故中行人各部位損傷及其與敏感參數之間的關系，通過查閱文獻初步篩選出10個敏感參數并確定其取值，然后借助拉丁超立方試驗設計，提出基于隨機森林的參數重要性分析方法，并使用該方法分析了各敏感參數的重要性，在此基礎上分析了行人各部位損傷及其與敏感參數之間的相關性。結果表明，車速是對行人頭部、胸部及腿部損傷影響最顯著的參數；車速與行人各部位損傷、行人頭部與胸部損傷之間具有較強的相關性，可在此基礎上建立相關車速鑒定和損傷驗證模型用于交通事故鑒定分析。

汽車；車-人碰撞事故；行人損傷；仿真分析

根據公安部道路交通安全管理局的統計，中國每年由交通事故造成的行人死亡人數約2.5萬人，約占交通事故死亡總人數的25%。由于近年來汽車保有量迅速增加、駕駛員素質參差不齊及道路長期存在的混合交通特點，交通事故發生率一直居高不下。在嚴峻的行人交通安全背景下，通過研究車-人碰撞事故中影響行人損傷的敏感參數，分析各敏感參數對行人損傷影響的重要程度，找出對行人損傷影響最顯著的因素，進而分析其與行人損傷之間的相關性，并在此基礎上建立相關行人損傷模型，對減輕行人在事故中受到的損傷、減少社會經濟損失及車-人事故再現具有重要意義。

目前對車-人碰撞事故中行人損傷已進行了一些研究，例如：范簫翔等基于THUMS4.0人體有限元模型對轎車-行人碰撞中的行人下肢損傷進行重建，分析了轎車-行人交通事故中行人下肢的損傷機理及動力學響應；陳勇借助仿真軟件對50個真實事故案例進行仿真再現，詳細分析了人體顱腦損傷；楊群印通過再現真實事故，對事故中人體各部位傷害指標隨速度的變化進行了分析；王方基于人體解剖學結構建立并驗證了胸部有限元模型，分析了胸部受到側面沖擊載荷時損傷評價準則的有效性；黃冬運用正交試驗設計方法，分析了汽車前部結構參數對頭部和下肢損傷的影響規律及影響程度；韓勇等基于THUMS的行人有限元模型，通過碰撞仿真，分析了行人胸部動力學響應、變形模式及肋骨壓縮量。上述研究主要集中于碰撞后行人某個具體損傷部位的動力學響應、損傷機理及生物力學分析，并未對影響行人損傷的敏感參數、行人各部位損傷與其影響參數之間及行人各部位損傷之間的相關性進行分析研究。

而研究影響行人各部位損傷的敏感參數對行人各部位損傷的影響程度，找出對行人各部位損傷影響最顯著的參數，有利于有針對性地開發行人保護系統，更有效地減輕行人在事故中所受到的損傷；對行人各部位損傷與其影響參數之間的相關性進行分析，可在此基礎上建立相關模型，為事故再現技術提出新思路；對行人各部位損傷之間的相關性進行分析，明確行人損傷之間的關系，可在此基礎上建立行人損傷驗證模型，排除其他干擾因素造成的損傷，保證事故再現技術的可靠性。為此，該文基于仿真試驗和隨機森林算法對影響行人頭部、胸部及腿部損傷的參數進行敏感性分析，借助SPSS軟件對車速與行人各部位損傷、行人各部位損傷之間的相關性

進行分析，為建立交通事故車速鑒定和損傷驗證模型提供參考。

1 基于Pc-Crash的車-人碰撞事故仿真試驗設計

1.1 Pc-Crash軟件

Pc-Crash是由奧地利DSD（Dr.Steffan Datentechnik）公司開發的專門用于交通事故仿真再現的軟件，包含車-人碰撞后的運動軌跡、行人假人多剛體模型及各類車輛模型等，可對常見交通事故形態（車-車碰撞、車-人碰撞等）進行仿真模擬分析，具有建模簡便、響應迅速、碰撞模擬形象逼真等特點。該軟件還引入了多剛體建模軟件MADYMO中的多剛體模型，能更好地再現事故中車輛運動及人體各部分響應信息。

1.2 拉丁超立方試驗設計

拉丁超立方試驗設計LHS（Latin Hypercube Sampling）是由Mc Kay等于1979年提出的一種受約束的均勻抽樣法，它根據輸入參數的分布函數和定義域范圍，采取等概率分層抽樣法產生各參數的隨機數樣本，并保證所有采樣區域都能被其采樣點所覆蓋。其原理是根據實際試驗設計需要確定模擬次數N，再根據模擬次數N將各變量的概率分布函數等分成N個互不重疊的子區間，分別在每個子區間內進行獨立的等概率抽樣，最后生成所需要的拉丁超立方試驗設計表。LHS是一種充滿空間的設計，能使輸入的組合相對均勻地填滿整個試驗區間，不會像正交試驗設計那樣出現試驗點堆積問題。該文采用拉丁超立方試驗設計法進行車-人碰撞事故仿真試驗。

1.3 基于LHS的試驗樣本集設計與仿真試驗

1.3.1 確定敏感參數

車-人碰撞事故中影響行人各部位損傷的參數很多，通過查閱相關文獻，結合車-人碰撞事故真實案例，根據經驗，初步篩選出與行人各部位損傷密切相關的敏感參數（見表1）。

1.3.2 確定敏感參數取值

通過查閱相關文獻，結合常見的車-人事故案例確定各敏感參數的取值區間。文獻［14］給出了行人（成年男性）身高H3、行人（成年男性）體重M2的取值區間；文獻［15］給出了汽車附著系數P和車速v的取值區間（見表2）。

由于不同廠商所生產的汽車前部結構差異很大，同一廠商生產的不同類型汽車之間的差異也很大，為增強仿真試驗的可靠性，隨機選取40輛轎車，對其前部結構參數進行實地測量，獲取車輛前部結構參數數據：前保險杠中心高度H1、發動機罩前緣高度H2、前保險杠上下寬度W、前保險杠伸出量D、發動機罩后緣包繞長度T。汽車整備質量M1通過查詢所選汽車的制造商官方網站獲得。

表1 參數敏感性分析

表2 各敏感參數的取值區間

1.3.3 仿真試驗表設計

基于拉丁超立方試驗設計法，根據表2中各敏感參數的取值范圍，借助MATLAB軟件獲取40組試驗樣本數據。

為進一步優化仿真試驗效果，使其更加貼近現實，將基于拉丁超立方試驗設計的樣本數據與實地測量的汽車前部結構基本參數數據相結合，得到仿真試驗樣本數據（見表3）。

1.3.4 仿真試驗結果

按照表3中試驗數據在Pc-Crash中修改人、

車、路等相關參數進行仿真，仿真結果見表4。選取HIC15作為評估行人頭部損傷程度的指標；選取胸部3 ms合成加速度a作為評估行人胸部損傷程度的指標；選取行人左大腿、左小腿、右大腿及右小腿所受最大剪切力L1、L2、R1、R2作為評估行人腿部損傷程度的指標。

表3 仿真試驗樣本數據

表4 仿真試驗結果

2 基于隨機森林的人體不同部位損傷參數敏感性分析

隨機森林是一種被廣泛使用的機器學習算法，它利用bootstrap重抽樣方法從原始樣本中抽取多個樣本，對每個bootstrap樣本進行決策樹建模，然后組合多棵決策樹的預測，通過投票得出最終預測結果。其構建過程主要分為每棵決策樹抽樣產生訓練集、構建每棵決策樹、森林的形成及算法的執行。釆用簡單多數投票法的結果作為隨機森林的輸出表示分類問題，采用單棵樹輸出結果的簡單平均作為隨機森林的輸出表示回歸問題。其優點是準確率高，速度快，對數據中的噪聲有很好的容忍度，且不易出現過度擬合。下面借助R軟件中隨機森林程序包建立隨機森林模型分析各敏感參數對行人各部位損傷影響的重要性。

2.1 行人頭部損傷參數敏感性分析

HIC（Head Injury Criterion）是目前使用最廣泛的頭部傷害指標，其計算公式如下：

式中：t1、t2為加速度作用中的任意時間且t2-t1≤36 ms；t2-t1表示HIC值達到最大時的時間間隔，實際應用中通常使用15和36 ms；ahead為碰撞過程中人體頭部質心合成加速度。

通常將HIC=1 000作為行人頭部的耐受極限。這里使用HIC15指標評估行人頭部的損傷程度，并對其進行參數敏感性隨機森林分析，分析結果見圖1。

圖1 隨機森林對影響行人頭部損傷變量的重要性排序

根據圖1，汽車速度v 是所有參數中對HIC15值影響最大的參數，即對行人頭部損傷影響最大。

2.2 行人胸部損傷參數敏感性分析

采用胸部累積3 ms損傷準則計算碰撞后行人的胸部3 ms合成加速度值，評估行人胸部損傷程度，并對其進行參數敏感性隨機森林分析。通常情況下，行人胸部3 ms合成加速度的安全上限為60g。

根據圖1，車速v是所有參數中對胸部3 ms合成加速度值影響最大的參數，即對行人胸部損傷影響最大。

2.3 行人腿部損傷參數敏感性分析

行人腿部損傷指標常用腿部所承受的彎曲力矩與剪切力表示。這里采用車-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作為評估行人腿部損傷程度的指標。

根據圖1，汽車行駛速度v是所有參數中對行人腿部損傷影響最大的參數，即對行人腿部損傷影響最大。

3 敏感參數與行人各部位損傷相關性分析

3.1 車速與行人各部位損傷相關性分析

由基于隨機森林的參數敏感性分析可知，車速是對行人頭部、胸部及腿部損傷影響最顯著的參數，表明車速和行人損傷之間存在較強的聯系。運用SPSS軟件對表2和表3中的車速與行人各部位損傷數據進行相關性分析，結果見表5。

表5 車速與行人各部位損傷變量相關性檢驗結果

根據表5，行人頭部、胸部及腿部損傷變量都和車速存在較顯著的相關性，行人頭部、胸部損傷變量和車速之間的相關系數分別達到0.927、0.928，表明其與車速之間呈高度相關性。據此可建立基于行人頭部和胸部損傷的車速鑒定模型，為事故仿真再現中的車速鑒定提供新途徑。

3.2 行人各部位損傷相關性分析

在實際車-人碰撞事故中，尤其在交通流量大、路況復雜的地區，行人經常受到來自車輛碾壓等其他因素所造成的損傷，給事故查勘及事故再現帶來困難。借助SPSS軟件對表3中行人各部位損傷變量數據進行相關性分析，結果見表6。

由表6可知：行人頭部、胸部及腿部損傷變量之間都具有一定的相關性；行人頭部損傷變量和胸部損傷變量之間的相關系數達到0.859，表明行人頭部和胸部損傷之間的相關性顯著。據此可建立基于行人頭部和胸部損傷相關性的損傷驗證模型，排除其他干擾因素，提高事故仿真再現技術的可靠性。

表6 行人各部位損傷變量相關性檢驗結果

4 結論

（1）車-人碰撞事故中，車速是對行人頭部、胸部及腿部損傷影響最顯著的因素。

（2）車-人碰撞事故中，車速與行人頭部、胸部及腿部損傷之間都具有較高的相關性，可在此基礎上建立以車速為因變量、行人各部位損傷指標為自變量的車速鑒定模型，為事故再現中的車速鑒定提供參考。

（3）車-人碰撞事故中，行人頭部和胸部損傷之間的相關性較為顯著，可在此基礎上建立行人頭部、胸部損傷驗證模型，排除行人因車輛碾壓等其他干擾因素造成的損傷，提高事故再現技術的可靠性。

（4）車速是車-人碰撞事故中對行人損傷影響最大的因素，在設計行人安全保護系統時，應著重研

究如何降低汽車與行人碰撞時的速度，以最大程度減輕車-人碰撞事故中行人所受損傷。

［1］ 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統計年報［R］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］ 張冠軍.行人下肢的碰撞損傷特性及相關參數研究［D］.長沙：湖南大學，2009.

［3］ 范簫翔，李奎，劉勝雄，等.轎車-行人交通事故中下肢損傷重建分析［J］.重慶理工大學學報，2015，29（2）.

［4］ 陳勇.行人和自行車交通事故中頭部動力學響應和損傷機理研究［D］.長沙：湖南大學，2010.

［5］ 楊群印.面向人體傷害的車-行人交通事故再現研究［D］.上海：上海交通大學，2007.

［6］ 王方.人體胸部有限元建模及其在車輛碰撞中的損傷生物力學研究［D］.長沙：湖南大學，2014.

［7］ 黃冬.轎車-行人碰撞中頭部和下肢損傷分析以及防護措施研究［D］.長沙：湖南大學，2008.

［8］ 韓勇，楊濟匡，水野幸治.行人在汽車碰撞中胸部動力學響應和損傷機理研究［J］.汽車工程，2015，37（5）.

［9］ 鄒鐵方，余志，蔡銘，等.基于PC-Crash的車-人事故再現［J］.振動與沖擊，2011，30（3）.

［10］ 鄒鐵方，尹若愚，易亮，等.基于Pc-Crash的多車碰撞事故再現仿真分步方法［J］.中國安全科學學報，2016，26（5）.

［11］ 鄒鐵方，劉雨，李平凡，等.汽車-摩托車碰撞事故車速及碰撞位置預估方法［J］.中國安全科學學報，2015，25（1）.

［12］ 鄒鐵方，趙力萱.事故再現不確定分析蒙特卡洛法的樣本容量選取方法［J］.中國安全科學學報，2013，23（5）.

［13］ 鄒鐵方，蔡銘，劉濟科，等.分析事故再現仿真結果不確定性的一種方法［J］.系統仿真學報，2013，25（5）.

［14］ 國家體育總局.2010年國民體質監測公報［R］.北京：國家體育總局，2010.

［15］ GA／T 643-2006，典型交通事故形態車輛行駛速度技術鑒定［S］.

［16］ 聶進，楊濟匡.基于汽車-自行車碰撞事故重建的騎車人動力學響應和損傷研究［J］.汽車工程，2015，37（2）.

［17］ 鄒鐵方，張勇剛.事故仿真再現結果不確定性分析方法［J］.振動與沖擊，2013，32（6）.

［18］ 王欣，馬瑞雪，金浩，等.TNO-10型碰撞假人的研制［J］.客車技術與研究，2014（2）.

［19］ 劉兆劍，熊欣.基于ANSYS／LS-DYNA的客車正面碰撞仿真分析研究［J］.客車技術與研究，2012（6）.

［20］ 李勇.汽車正面碰撞駕駛員胸部的動力學響應及損傷防護研究［D］.上海：上海工程技術大學，2010.

U491.3

A

1671-2668（2016）06-0001-05

2016-05-15

國家自然科學基金資助項目（51208065）；湖南省科技計劃項目（2015JC3056）；廣東省科技計劃項目（2015B010110005）；道路交通安全公安部重點實驗室開放基金項目（2016ZDSYSKFKT08）