轎車-行人事故中人體損傷來源與相關性分析*

鄒鐵方,肖 璟,胡 林,李 華,蔡 銘

(1.長沙理工大學汽車與機械工程學院,長沙 410004； 2.湖南省工程車輛安全性設計與可靠性技術重點實驗室,長沙 410004；

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轎車-行人事故中人體損傷來源與相關性分析*

鄒鐵方1,2,肖 璟1,2,胡 林1,2,李 華1,2,蔡 銘3

(1.長沙理工大學汽車與機械工程學院,長沙 410004； 2.湖南省工程車輛安全性設計與可靠性技術重點實驗室,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，廣州 510275)

為更好地了解車-人碰撞事故中人體不同部位的損傷來源及其相關性，從大量事故案例中選取64例附著彈出類型車-人碰撞事故，用PC-Crash對事故進行再現后讀取相關數據，經驗證，數據可靠。然后借助做圖和相關性分析等技術對數據進行分析。結果表明，頭部損傷和大腿部位的損傷主要來源于人與車碰撞的過程中；胸部由加速度引起的損傷主要來源于與車碰撞過程中，而由碰撞力引起的損傷則主要來源于與地面碰撞過程中；小腿部位的損傷來源，則須具體問題具體分析。通過相關性分析表明，行人頭部HIC15與胸部3ms加速度值之間的相關系數最高，具有顯著統計學意義，表明行人頭部損傷與胸部損傷之間具有高度相關性。

轎車-行人碰撞事故；人體損傷；相關性；來源

前言

近年來，雖然交通事故發生次數等統計指標呈現下降趨勢，但基數依然巨大[1]，特別是涉及行人等弱勢交通參與者的事故，因與每個人的出行息息相關而倍受關注。因而加強對車-人碰撞事故，特別是事故中人體損傷的研究，極具價值，不僅能獲得相關的事故再現技術以提升事故鑒定結果的客觀性和可靠性[2-3]，還能通過對人體損傷的研究，探索更好的弱勢交通參與者保護對策[4-5]。國內外學者們就此展開了大量的研究，并取得了豐富的研究成果，發現事故中行人頭部損傷受到行人的步行速度與姿態、撞擊的部位、轎車前部結構參數的影響[6-7]，頭部出現嚴重損傷的碰撞位置集中于風窗玻璃周圍[8]；而汽車前部結構不僅對行人頭部損傷有影響，還對行人被撞擊后的動力學響應和胸部碰撞速度有重要影響[9-10]；同時不同車輛類型和碰撞車速對行人頭部、胸部和小腿損傷等也有較大影響[11]。相關研究闡釋了事故中人體損傷的影響因素，為探索降低人體傷害的措施提供了有力支持，但對人體損傷的來源及人體各部位損傷之相關性的關注不多。人體損傷主要來源于車輛和地面的碰撞兩方面，正確了解人體損傷的來源對于汽車安全性設計和痕跡間交叉驗證(如頭部損傷與風窗玻璃變形)均具有極高價值。故而有學者借助事故數據簡要介紹了人體損傷的來源，指出車輛碰撞是造成行人損傷，特別是重傷的主要原因，但人體被拋出后與地面的撞擊也不可忽略，在某些情況下同樣會導致致命傷[12]；文獻[13]中指出人體損傷來源與車速有關，低于30km/h時主要來源于地面撞擊而大于40km/h時則主要來源于車輛。如前所述，人體損傷受諸多因素影響，為更好地認識事故中人體損傷的來源，需要依據真實事故數據分類探討不同類型車-人碰撞事故中人體損傷的來源。同樣，人體不同部位損傷之相關性的研究也能為痕跡間交叉驗證提供更多選擇，在事故再現中具有較高價值，但迄今相關的研究較少。

為此，本文中選擇附著彈出[14]這一類型轎車-行人碰撞事故作為研究對象，通過對真實事故案例進行深度調查并對所得數據進行驗證后，分析該類型事故中人體損傷來源與不同部位損傷之相關性。

1 數據來源

以附著彈出這一類型轎車-行人碰撞事故作為研究對象，從奧地利格拉茨科技大學事故深度調查、中國交通事故深入研究(China in-depth accident study, CIDAS)等項目數據庫近3年的3 000多例碰撞事故中選取附著彈出類型的轎車-行人碰撞事故數據64例，然后借助PC-Crash對事故進行再現，在再現基礎上分別讀取行人不同部位的損傷及其來源等數據，并借助已有研究成果對數據的可靠性進行驗證。

1.1 事故再現

獲得事故中人體不同部位損傷及其來源等數據的有效手段是借助仿真技術對事故進行再現，為保證再現的準確性，須確保真實事故案例中的各類痕跡均可在仿真中得到合理解釋。下面用一個真實案例對數據采集中的事故再現過程進行演示。

1.1.1 案情介紹

某日，某人醉酒后駕駛小型轎車沿公路自西向東行駛，行經某路口時，該車前方遇到一行人在非人行道處從南向北橫穿公路，隨即該車與行人發生碰撞，造成一起車輛損壞且行人左小腿骨折的道路交通事故，事故現場見圖1。

圖1 事故現場圖

根據交警部門的調查報告，該事故車輛是Skoda-Octavia 2.0 SLX-85kW轎車，在碰撞事故發生前，該車的技術狀況良好，沒有出現車況異常的現象。此外，根據報告，當時天氣狀況良好，能見度高，路面干燥且汽車的附著性能良好，在碰撞事故發生時，該駕駛員采取了緊急制動措施。

1.1.2 事故仿真再現

為獲得該案例中的相關數據，需借助PC-Crash軟件[15]對事故進行再現，步驟如下。

(1) 再現事故現場 因該事故發生路段平坦，則只須將事故現場圖導入軟件中并按比例縮放則可對事故現場進行再現。

(2) 車輛和行人模型建立 直接從PC-Crash軟件的車輛信息數據庫中導入實際事故車輛型號Skoda-Octavia 2.0 SLX-85kW的轎車模型。事故中行人的假人模型則直接調用PC-Crash中自帶的多剛體假人模型，根據交警部門提供的信息，行人的身高為160cm，體質量為60kg，其他參數值均為PC-Crash軟件中多剛體參數的默認值。

(3) 事故仿真再現 通過多次仿真分析，當車速為36.8km/h、行人的步行速度為3.5km/h、車-地面之間的摩擦因數為0.8、轎車-行人之間的摩擦因數為0.2、人-地面之間的摩擦因數為0.3和制動系統協調時間為0.2s時，仿真中各類痕跡與實際的事故信息最為吻合，仿真結果見圖2。

圖2 PC-Crash仿真結果

(4) 仿真再現結果驗證 為保證仿真結果的可靠性，須依據車身受損痕跡和人體損傷痕跡來檢驗仿真結果的有效性。圖3和圖4為碰撞過程中人車相對位置與車輛受損情況對比圖。從圖中可以看出，仿真中人車接觸位置與實際情況吻合較好，車體變形痕跡能在仿真中得到適當的解釋。表1給出仿真中人體不同部位的損傷推測結論。可以看出，仿真中除行人左小腿骨折外其他部位均未受到嚴重的傷害，這與警方提供的信息一致，據此可認為本次仿真可靠。

圖3 0.030s時刻人車相對位置與車輛受損情況對比

圖4 0.238s時刻人車相對位置與車輛受損情況對比

部位損傷標準參考文獻仿真值行人損傷推斷頭部HIC≤1000[16]508.3頭部未受致命傷胸部3ms合成加速度值≤60g[16]24.48g胸部未受嚴重損傷大腿股骨耐受極限6.3kN[17-18]左:4030.6N右:3372.4N股骨未骨折小腿脛骨耐受極限4kN[17-19]左:4224.1N右:1560.2N左脛骨骨折

通過以上4個步驟，可保證事故再現結果與真實情況達到高度吻合，確保得到的數據盡可能真實、客觀。

1.2 數據讀取

對篩選出來的64個案例，均進行以上的事故再現，然后導出仿真過程中頭部、胸部、左右大腿與左右小腿受到的最大碰撞力和頭部與胸部的加速度，并通過頭部加速度和胸部加速度分別計算出頭部HIC15值和胸部3ms加速度值，作為整個仿真過程的損傷指標。

圖5 時間節點采集 時刻的三維圖

以圖5所示事故仿真過程中，行人既不與車輛接觸也不與地面接觸的這一時間段中任一時刻為節點，把事故分為行人與車輛碰撞和行人與地面碰撞的兩個碰撞階段。將每一例車-人碰撞事故均如此一分為二，先采集節點之前各部位受到的最大碰撞力、頭部加速度和胸部加速度，并通過頭部加速度和胸部加速度分別計算出頭部HIC15值和胸部3ms加速度值，作為行人與車碰撞階段的損傷指標；再采集節點之后的各部位受到的最大碰撞力、頭部加速度和胸部加速度，并通過頭部加速度和胸部加速度分別計算出頭部HIC15值和胸部3ms加速度值，作為行人與地面碰撞階段的損傷指標。

1.3 數據驗證

通過PC-Crash事故再現，在保證再現的可靠性、確保所得數據的客觀性的同時，還能獲得車速與人體拋距等的關系，這方面已有很多研究成果，如文獻[20]中提出的模型及Fugger模型和Toor模型[21]，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Sp為行人拋距；vmin和vmax分別為文獻[20]中提出的模型所對應的最小車速和最大車速；vFuggur為Fugger模型所對應的車速；vToor為Toor模型所對應的車速。

以行人拋距為橫坐標、各車速(vc為案例中采集到的車速)為縱坐標繪入圖6。從圖6可見，所采集到數據點幾乎均落在已有模型之間，這便進一步說明所采集到的數據可靠，可以很好地支撐后面的分析。

圖6 數據有效性驗證

2 事故數據分析

2.1 人體不同部位損傷來源分析

2.1.1 頭部

以車速為橫坐標，HIC15值為縱坐標繪制圖7，其中散點代表與車碰撞過程中行人的頭部HIC15，折線連接的是與地面碰撞過程中行人的頭部HIC15值；以車速為橫坐標，頭部最大碰撞力為縱坐標繪制圖8，其中散點代表與車碰撞過程中行人的頭部最大碰撞力，折線連接的是與地面碰撞過程中行人的頭部最大碰撞力。通過圖7和圖8可以看出，散點大部分位于折線上方，說明與車碰撞所導致的頭部HIC15值和頭部最大碰撞力均要高于與地面碰撞所致的頭部HIC15值和頭部最大碰撞力，即行人的頭部損傷主要來源于車的碰撞。

圖7 車速-頭部HIC15值

圖8 車速-頭部最大碰撞力

2.1.2 胸部

以車速為橫坐標，胸部3ms加速度值為縱坐標繪制圖9，其中散點代表與車碰撞過程中行人的胸部3ms加速度值，折線連接的是與地面碰撞過程中行人的胸部3ms加速度值；以車速為橫坐標,胸部最大碰撞力為縱坐標繪制圖10，其中散點代表與車碰撞過程中行人的胸部最大碰撞力，折線連接的是與地面碰撞過程中行人的胸部最大碰撞力。從圖9可以看出，散點大部分位于折線上方，說明與車碰撞所致的胸部3ms加速度值要高于與地面碰撞所致的胸部3ms加速度值，但從圖10中卻得不出類似的結論；由圖10可知，散點與折線交錯在一起，且散點大部分位于折線下方，說明多數情況下與車碰撞所致的胸部最大碰撞力要低于與地面碰撞所致的胸部最大碰撞力。這表明胸部的損傷來源比頭部要復雜，因加速度導致的損傷主要來源于與車的碰撞，而因力撞擊所致損傷則主要來源于與地面的碰撞。

圖9 車速-胸部3ms加速度值

圖10 車速-胸部最大碰撞力

圖11 車速-左大腿最大碰撞力

圖12 車速-右大腿最大碰撞力

2.1.3 大腿

以車速為橫坐標，左大腿最大碰撞力為縱坐標繪制圖11，其中散點代表與車碰撞過程中行人的左大腿最大碰撞力，折線連接的是與地面碰撞過程中行人的左大腿最大碰撞力；以車速為橫坐標,右大腿最大碰撞力為縱坐標繪制圖12，其中散點代表與車碰撞過程中行人的右大腿最大碰撞力，折線連接的是與地面碰撞過程中人的右大腿最大碰撞力。從圖11和圖12可以看出，散點與折線交錯在一起，但散點大部分位于折線上方，說明在大多數情況下與車碰撞所致的大腿最大碰撞力要高于與地面碰撞所致的大腿最大碰撞力，即行人的大腿部位損傷主要來源于與車碰撞的過程中。

2.1.4 小腿

以車速為橫坐標，左小腿最大碰撞力為縱坐標繪制圖13，其中散點代表與車碰撞過程中人的左小腿最大碰撞力，折線連接的是與地面碰撞過程中行人的左小腿最大碰撞力；以車速為橫坐標,右小腿最大碰撞力為縱坐標繪制圖14，其中散點代表與車碰撞過程中人的右小腿最大碰撞力，折線連接的是與地面碰撞過程中行人的右小腿最大碰撞力。由圖13和圖14可以看出，散點均布于折線兩側，說明行人小腿部位的損傷來源很難區分，因車或地面碰撞引起的損傷相當，在實踐中如需研究人體小腿損傷的來源則需具體問題具體分析。

圖13 車速-左小腿最大碰撞力

圖14 車速-右小腿最大碰撞力

2.2 人體不同部位損傷相關性分析

為探尋車-人碰撞事故中行人各部位損傷之間的相關性，進一步對所獲得的頭部HIC15值、胸部3ms加速度值和腿部所受最大碰撞力進行相關性分析。

2.2.1 人體各部位損傷數據標準化處理

為消除不同類型的數據不同量綱和數量級懸殊的影響，在對相關數據(車速和行人各部位損傷數據)進行分析前，均先進行標準化，即歸一化處理。

2.2.2 數據正態分布檢驗

由于統計學軟件SPSS(statistical product and service solutions)中的Pearson相關系數檢驗要求雙變量服從正態分布，因此，在對數據進行相關性分析之前，應對各數據進行正態分布檢驗。使用SPSS中的K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗法來檢驗數據是否服從正態分布，檢驗結果顯示：行人損傷各指標數據中，變量均服從正態分布(P=0.451)。

2.2.3 行人各部位損傷相關性分析

借助SPSS軟件中的Spearman相關系數檢驗行人各部位損傷變量之間的相關性，檢驗結果見表2。

表2 行人各部位損傷之間的相關系數

注：**表示具有顯著統計學意義；*表示具有一般統計學意義；未標注則表示不具有統計學意義。

由表2可知，行人的頭部損傷指標HIC15與胸部損傷指標3ms加速度值之間的相關系數為0.765，明顯高于其它損傷部位之間的相關系數，具有顯著的統計學意義，表明行人頭部損傷與行人胸部損傷之間呈現出高度相關性。在事故再現過程中，這樣的相關性應高度重視，以便更合理地對事故中人體損傷進行驗證，確保痕跡的高可靠性。

除頭部與胸部體現出高度相關性外，頭部與左大腿之間、頭部與左小腿之間、左大腿與右大腿之間及左小腿與右大腿之間也存在較強的相關性，雖與頭胸部相關性相比，相關系數的數值稍小，但仍需引起注意。其中頭部與左大腿、頭部與左小腿間的相關系數明顯高于頭部與右大腿、頭部與右小腿間的相關系數。

3 結論

對采集到的64例小轎車與行人附著彈出這一類型車人碰撞事故案例，在事故再現基礎上讀取數據并對數據進行驗證后，借助做圖和相關性分析等手段獲得如下結論。

(1) 人體頭部損傷和大腿部位的損傷主要來源于人體與車碰撞的過程；胸部因加速度所致損傷主要來源于與車的撞擊，但因碰撞力所致的損傷則主要來源于與地面的撞擊；小腿部位的損傷來源較為復雜，因車和地面撞擊所致的損傷基本相當。

(2) 人體頭部損傷和胸部損傷之間呈現高度相關性，其相關系數明顯高于其它部位損傷之間的相關系數。在事故再現過程中，應更多地關注這兩者之間的聯系，以便于更好地對損傷痕跡進行驗證。

(3) 在相關性分析中頭部損傷與左腿部位損傷的相關系數要高于頭部損傷與右腿部位損傷的相關系數，其原因有待進一步研究。

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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

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

鄒鐵方，副教授，E-mail:tiefang@163.com。

原稿收到日期為2016年8月5日，修改稿收到日期為2016年9月24日。