數字仿真假人在游樂設施行業中的應用前景

徐永生 鄧貴德 張 勇

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

近幾年，隨著我國經濟的迅速發展和人民生活水平的大幅提高，大量游樂園、主題公園及個人經營的游樂設施正以每年超20%的增長速度迅猛增加[1]。同時，雖然我國的游樂設施行業在改革開放以來有了長足發展，但整體水平還比較低，時有游樂設施的安全事故發生，社會反響非常強烈。2017年2月3日，一名女子在重慶市豐都縣的朝華公園內乘坐名稱為“遨游太空”的大型游樂設施時發生事故被甩出，隨后被送往醫院，經搶救無效身亡。2017年2月11日，一名女性市民在河北邢臺市的一個公園游樂中心，在乘坐過山車項目“瘋狂老鼠”時發生意外，游客突然與座位脫離，從高空摔下，傷者全身多處骨折，包括頭部顱骨、頸椎、胸椎、肋骨等，顱骨內有出血現象，肺部挫傷。

一方面，游樂設施乘員傷亡事故每年都有發生，另一方面，為了迎合乘客追求新奇刺激的消費心理，游樂設施向著更高、更快及更強刺激感的方向發展，運動形式也越來越多樣、復雜、新穎，使得游樂設施的乘員安全性日益成為公眾和政府關注的重點。在傳統的游樂設施設計過程中，無法預知游樂設施運行過程中乘客頭部、頸部、腰椎等關鍵部位的速度、加速度及受力情況，也無法預知小百分位尺寸乘客是否能夠被乘員約束系統進行有效約束而不被甩出。因此，把廣泛應用于汽車領域和航空航天領域的數字仿真假人引入到游樂設施行業，有望提高游樂設施產品的設計質量，縮短開發周期，進一步保障游樂設施的乘員人身安全。

仿真假人是依據生物力學研究結果構建的，它具有包括尺寸、形狀、剛度、質量、能量吸收方式等真人的身體特性。仿真假人的力學響應包括受力后的運動加速度、速度、位移等，與真人的運動自由度和方式相同，能夠模擬真人的運動特征。仿真假人分為試驗測試假人及數字仿真假人。試驗測試假人是在假人身上裝有各種用來測量假人速度、加速度、變形及受力的傳感器，通過這些傳感器的測量數據來分析評判游樂設施的性能。數字仿真假人是對試驗測試假人的數字化，可以在產品設計的初期，利用數值模擬評估產品設計是否合理，能否保障乘員安全。

目前，試驗測試假人廣泛應用在汽車碰撞實驗，在高危的載人航空航天動態性能實驗及高速列車碰撞實驗中也有成熟應用。在游樂設施行業，陳衛衛等人[2]針對實體測試假人在游樂設施檢測中的應用前景做了闡述，中國質量報也于2017年11月6日在第3版面刊登了題目為“中國特檢院首次在國內開展游樂設施實體假人測試”的文章[3]。但在游樂設施行業還未見有關于數字仿真假人的相關報道。本文將從國外仿真假人發展歷程，國內仿真假人研究進展，游樂設施行業乘員安全評估現狀，數字仿真假人開發需求及在游樂設施行業的應用前景等方面展開闡述。

1 國外仿真假人發展歷程

仿真假人起源于美國。1949年，Sierra工程公司研制出了第一個用來代替飛行員評估彈射座椅的試驗用模擬假人——“Sierra Sam”[4]，雖然該假人與真人有著巨大的差異，僅能測試頭部加速度響應，但這個假人給人們帶來了一種全新的思路，具有里程碑的意義。1950年，軍用的仿真假人被用來模擬碰撞試驗，從而使得仿真假人在民用方面逐漸得到推廣。1960年，由于美國汽車乘員的安全防護問題逐漸受到重視，汽車行業的碰撞試驗仿真假人逐漸成為研究的重點。安德森研究所研制了針對汽車碰撞對人體損傷特點的汽車碰撞試驗假人VIP[5]。

1971年通用汽車公司開發了Hybrid Ⅰ仿真假人。相比之前的假人，Hybrid Ⅰ仿真假人在頭、脖子以及關節的設計上與真人更加的接近，并且該假人裝載了更多數量的傳感器[6]。通用汽車公司于1973年接著推出了Hybrid Ⅱ仿真假人。Hybrid Ⅱ仿真假人在Hybrid Ⅰ仿真假人的基礎上，對肋骨、脊柱和外形等多個部位進行了改進，且形成了包括不同百分位、不同性別、不同年齡的一系列仿真假人[7]。1976年，美國道路交通安全局和通用汽車公司聯合推出改進了假人脖子和胸腔等部位的Hybrid Ⅲ假人，該假人裝有更多的傳感器以便采集更多的人體損傷數據，有了更好的生物逼真度[8]。Hybrid Ⅲ假人的頭部是鑄鋁結構，皮膚是乙烯樹脂，腰椎是天然橡膠柱體，肋骨是含有聚合物基阻尼材料的彈簧鋼，各關節是具有摩擦力的活動鉸，其中膝關節的特殊設計可以模擬韌帶損傷。

2003年美國成功研制出了新一代假人THOR，其內部設計了復雜的肋骨、脊柱以及先進的合成肌肉[9]。該假人身上布置了許多的傳感器，用來測試假人各關鍵部位的力學響應數據，還能夠利用現代傳感技術，定量地測試出人體關鍵部位受到的沖擊力的大小。

20世紀90年代，歐共體的多國政府聯合開發了側面碰撞假人EU ROSID。但西歐國家在汽車檢驗行業，占據主要市場的始終是美國動態仿真假人。在航空航天行業，也基本上都采用的是美國制造的假人。

日本本田公司分別在1998年和2000年開發了第1代仿真假人POLAR-Ⅰ和第2代仿真假人POLA R-Ⅱ。該假人對人體各個關節做了改進，可以測量頭部、頸部、胸部等全身8個關鍵部位的力學響應。在2008年，本田公司繼續推出了仿真假人POLA R-Ⅲ，進一步提高了人體特征的仿真度。POLA R-Ⅲ主要增強了身體下半部位的仿真，大腿、小腿、膝部及腰等部位擁有了更高仿真度，可以更準確的模擬人體的力學響應[10]。

雖然仿真假人一直在發展改進，但Hybrid Ⅲ 50百分位假人是目前世界范圍內應用最為廣泛的正面碰撞假人，美國在聯邦法規中規定了仿真假人的標準，并在聯邦機動車安全法規中把Hybrid Ⅲ 50百分位仿真假人認定為汽車碰撞試驗中評定乘員安全性能的標準裝置[11-12]。并且，歐洲、日本等發達國家在正面碰撞法規中也把Hybrid Ⅲ 50百分位假人作為規定使用的碰撞假人。

試驗測試假人能夠通過真實試驗模擬人體受到的損傷，試驗結果直觀，試驗程序相對成熟。但是試驗測試假人每次試驗都會對試驗假人造成一定程度的損傷，因此每次試驗后往往需要進行維修和重新標定。而數字仿真假人是一種虛擬的仿真假人模型，通過更改參數可以較準確的模擬人體組織的材料特性，同時在進行虛擬仿真實驗時也不受試驗時間、試驗條件和時間次數的限制，重復實驗的經濟成本和時間耗費均比較低，不但可以大大縮短產品開發的周期，降低產品開發的成本，而且可以幫助汽車新產品提高碰撞性能，從而在碰撞試驗中拿到比較高的分數。

數字仿真假人目前應用的最為廣泛的是汽車領域，汽車整車碰撞的有限元仿真技術已成為汽車產品設計開發過程中一個必不可少的工具。美國FTSS公司及德國DYNA more公司都建立了HybridⅢ假人的有限元模型，并在各大汽車公司中有著廣泛的應用[13]。

2 國內仿真假人研究進展

我國仿真假人起步較晚，發展也相對緩慢，主要集中在航空航天和汽車這兩個領域。

2.1 航空航天領域

我國的試驗仿真假人的研制起始于20世紀70年代，當時的主要目的是試驗測試飛行器的彈射座椅性能，這也是我國研發的第一代試驗仿真假人。該假人的尺寸及重量參數是依據當時飛行員的第5、50和95百分位人體形狀尺寸測量得到的，該假人內部沒有設置傳感器，只能夠測量胸腔位置的三向加速度及角速度，仿真能力有限。

1996年，我國研發了以宇航員為原型的試驗仿真假人，身高為168mm，體重為60kg。該假人仿真了包括大腿和小腿、大腿和軀干、小腿和腳之間夾角等主要外形尺寸。該假人是以不銹鋼管為骨架，以固化硅橡膠內襯聚氨脂泡沫為肌肉組合構成。由于該假人主要是用來設計與評價航天服，因此體內無傳感器，無法用于載荷試驗的強度分析和評價。

2006年，空軍航空醫學研究所柳松楊團隊研發了動態仿真假人，該假人也是依據飛行員人體尺寸設計的，分第3、50和97百分位三個外形尺寸。且假人內部安裝有載荷、加速度、角速度、角位移和溫度等多種傳感器，且傳感器是作為骨架的一部分嵌入到骨架中。該假人具有獨立的骨架系統，高仿真了頸椎和腰椎，骨盆結構具有坐/立兩種形態，四肢關節活動范圍與人體一致。該假人的響應數據收集采用的是雙套體內固態記錄器，可實時記錄體內信號。該動態仿真假人是為了配合我軍相關重點型號研發的，目前已在空軍和海軍的多個重點型號的研發中起到了重要的作用[14]。

2.2 汽車行業

仿真假人在我國汽車行業的應用起步較晚，我國的正面碰撞法規《關于正面碰撞乘員保護的設計規則》自2000年4月1日起開始實施，該法規的適用范圍為新生產的總質量小于或者等于2500kg的M1類車。并于2002年7月1日，該法規適用范圍擴展到所有M1類車。該法規規定的仿真假人類型為Hybrid Ⅲ 50百分位假人。

碰撞測試是檢驗汽車安全的重要舉措。從20世紀70年代開始，美國、歐洲等汽車發達國家和地區，由相關權威機構按照比國家強制標準更嚴格和更全面的要求，對新開發的車型進行碰撞安全性能測試，評價結果按星級劃分，這一測試叫作新車評價規程，英文為New Car Assessment Program (NCAP)。為了提高中國汽車安全技術、促進自主品牌汽車加快提高安全水平，在充分借鑒其他國家NCAP的基礎上，中國汽車技術研究中心于2006年創立了C-NCAP，即中國新車評價規程，從此中國有了自己的NCAP評價體系。圖1為裝載有試驗測試假人的汽車碰撞試驗[15]。

圖1 汽車碰撞試驗

各大汽車廠商為了順利通過碰撞試驗并且在試驗中拿下五星評價，紛紛引入數字仿真假人。工程師通過對數字仿真假人及汽車約束系統的虛擬碰撞仿真分析，能夠在新車型的開發設計階段獲得汽車乘員的安全性能數據，進而依據這些數據優化改進汽車結構，為在碰撞試驗中順利拿下五星評價提供技術保障。數字仿真假人及其約束系統如圖2所示。

圖2 數字仿真假人及其約束系統

目前，國內各大汽車廠商的仿真假人均采用的是以美國人為原型的Hybrid Ⅲ 50百分位假人。2003年郝霆等人通過對比分析國內外相關正面碰撞試驗的標準法規及Hybrid Ⅲ 50百分位假人與中國人體和假人主要尺寸，提出Hybrid Ⅲ假人不符合中國人體型，此問題將導致試驗結果評價偏高，我國應研制以中國50百分位人體為基準的仿真假人[16]。2008年陳爽等人基于人體力學和有限元分析法，根據中國人體尺寸，研制了中國95百分位仿真碰撞假人[17]。由于中國的95百分位人體形狀尺寸和美國50百分位人體形狀尺寸比較接近，所以可以根據美國Hybrid Ⅲ 50百分位假人開發中國95百分位假人，因此相對于開發中國50百分位人體假人，此95百分位人體假人的開發難度要小很多。

2008年白中浩等人結合中國人體尺寸參數，依據國外Hybrid Ⅲ 50百分位多剛體標準假人模型，應用MADYMO軟件，通過縮放方法建立了中國50百分位人體尺寸多剛體假人模型，并進行了以某款量產車為基礎的正面碰撞仿真研究。結果表明，中國成年男性50百分位假人模型的頭部和頸部這兩個關鍵部位的損傷數據與Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的相應數據明顯要大[18]。

2012年黃新剛基于Hybrid Ⅲ 50百分位標準數字仿真假人模型，分別采取全體段縮放和部分體段縮放兩種方法構建了中國50百分位尺寸數字仿真假人模型，如圖3所示，并進行了正面碰撞數值模擬研究[19]。結果表明，在同樣的工況條件下，通過全體段縮放得到的中國50百分位仿真假人和Hybrid Ⅲ 50百分位假人在力學響應上存在顯著的差異，而部分體段縮放和全體段縮放得到的中國50百分位假人的響應差異不大，在可接受的范圍內，且響應隨約束系統改變的變化趨勢也基本一致。

圖3 全體段縮放模型（左）和部分體段縮放模型（右）

3 游樂設施行業乘員安全評估現狀

目前，針對游樂設施乘員安全問題，國內外的標準規范中，均采用的是G加速度的安全評價標準。同樣是針對G加速度的安全評定，美國標準與歐盟標準的判斷方法又有一定的差異[20]。在數據處理的要求方面，美國標準要求采用5Hz的低通濾波器對采集到的加速度數據進行濾波，歐盟標準則要求采用10Hz的低通高頻濾波器進行濾波，顯然，歐盟標準對低通濾波器的要求更加的嚴格。在G加速度的方向選擇方面，美國標準規定了X、Y、Z三個方向加速度的要求，而歐盟標準僅規定了Y、Z兩個方向的加速度要求，X方向是乘員的運行方向，主要依靠慣性運動，乘員所受的X方向G加速度相比乘員的可承受力要小得多，所以歐盟標準中沒有對X方向進行要求亦有其道理。在加速度合成判定安全性方面，歐盟標準給出了持續時間分別為0.05s、0.10s及大于等于0.20s時加速度的安全允許值及安全合成范圍，而美國標準僅給出了持續時間大于等于0.20s時的安全允許值及安全的合成范圍。

我國游樂設施行業針對乘員安全的標準起草的相對較晚，且主要參考的是歐盟G加速度安全評定標準，最終于2008年頒布了GB 8408—2008《游樂設施安全規范》[21]，增加了對加速度的要求。此標準，結合我國的實際情況，強調了加速度允許值的持續時間及大小，并給出了相應的坐標圖作為參考。標準中規定“計算或者測量加速度的參考點一般應在座席上方600mm處”，且規定“沖擊加速度為持續時間小于等于0.1s的加速度，穩態加速度為持續時間大于0.1s的加速度”。

根據GB 8408—2008標準要求，游樂設施在設計階段進行虛擬仿真計算時，仿真分析工程師往往把乘員作為一個質量點或質量塊，在運動學仿真結束后，提取座椅上方600mm處的加速度即可。此種做法滿足現階段的標準要求，但是不能對乘員的各個部位實際受力狀態進行準確描述，從而得不到乘員關鍵部位真實的力學響應，進而不能有效地對游樂設施乘員及乘員約束系統進行安全性和可靠性評估。

4 游樂設施數字仿真假人開發需求

目前，通過查閱國內外文獻，尚未發現有適用于游樂設施行業的數字仿真假人的相關報道。目前，已經寫入國內外汽車行業法規的Hybrid Ⅲ 50百分位假人是基于歐美人體統計學參數設計和開發出來的，50百分位代表了人體統計學里的中等體型參數，其對應的身高是177cm，體重是77.7kg。但是，我國50百分位男性的身高是167.8cm，體重為59kg，相比Hybrid Ⅲ 50百分位假人有較大的差異。基于人機工程學，人體各關鍵部位的重心、轉動慣量、旋轉半徑等參數和人的身高、體重關聯密切。并且，不同于汽車行業的安全帶約束方式，游樂設施乘員束縛裝置有安全帶、安全壓杠、檔桿等多種約束形式。因此，基于歐美尺寸開發的Hybrid Ⅲ 50百分位數字仿真假人不能直接應用在我國的游樂設施行業。為了有效地對游樂設施乘員及乘員約束系統進行安全性和可靠性評價，一方面需要開發適合中國人體尺寸和人體特征的數字仿真假人；另一方面需要針對游樂設施的運行方式及乘員安全束縛裝置的特點，開發適用于中國游樂設施行業的數字仿真假人。

開發中國50百分位數字仿真假人可以參照Hybrid假人家族開發工作小組提出的全體段縮放方法。Hybrid Ⅲ 5百分位女性假人和Hybrid Ⅲ 95百分位男性假人均是基于Hybrid Ⅲ 50百分位假人利用全體段的縮放方法開發出來的，這些數字仿真假人已廣泛應用在汽車行業中。開發中國50百分位數字仿真假人也可以采用湖南大學曹立波科研團隊提出的部分體段縮放法。這種方法僅對四肢、肋骨、腰椎等對假人碰撞響應有重大影響的零部件進行了縮放，對其他的一些簡單部件只作了簡單調整，從而避免了對盆骨、肩部、頭頸等許多的復雜部件進行改動，相對于全體段縮放法極大地節約了開發的成本。

游樂設施按照運動形式可分為轉馬類、滑行車類、陀螺類、飛行塔類、賽車類、碰碰車類等十五大類，其乘員安全束縛裝置也有安全帶、安全壓杠、檔桿等多種約束方式。在開發游樂設施數字仿真假人時應針對游樂設施的運行方式及乘員束縛裝置，選擇合適的部件連接方式。同時，需要建立適用于游樂設施行業的系列數字仿真假人，一方面為了驗證游樂設施的適用人群；另一方面可以有效地評估游樂設施乘員約束系統的安全性和可靠性。

數字仿真假人可以應用于游樂設施的設計、安裝、改造、檢驗等各個階段，尤其是在產品還未定型的設計研發階段，利用數字虛擬仿真技術不但可以有效地評估游樂設施的性能及乘員約束裝置的安全性，而且可以優化產品設計，縮短產品的開發周期，降低產品的開發成本。數字仿真假人由于是在虛擬的環境中進行試驗，它不受試驗條件、時間等的限制，費用低，重復性好。但數字仿真假人的開發必須基于試驗測試假人，這樣數字仿真假人才會有真實的數據基礎。同時試驗測試假人可以為數字仿真假人提供一定程度的驗證服務。

5 游樂設施數字仿真假人應用前景

由于游樂設施具有多變向、高變速、強刺激等特點，游樂設施的乘員安全逐漸成為普通大眾和政府關注的重點。把數字仿真假人成功的應用在游樂設施行業，一方面可以較精確的評估游樂設施新產品的質量，消除安全隱患，減少安全事故的發生，產生良好的社會效益；另一方面將研制的數字仿真假人提供給游樂設施設計單位，使得游樂設施在設計初期，就可以模擬人體的運行狀態，得到游樂設施運行時乘客頭部、頸部、腰椎等關鍵部位的速度、加速度及受力情況，得到游樂設施乘員約束系統對不同百分位人群的束縛狀態，使得設計人員根據這些人體響應數據在設計階段就可以逐步優化產品結構，這樣不但可以提高我國游樂設施產品品質，而且可以縮短產品開發周期，降低產品開發成本。此外，數字仿真假人的研究成果還可以為規范標準的制修訂提供技術支撐。

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