行人碰撞保護裝置設計綜述

以往汽車安全設計中，主要考慮了對汽車乘員尤其是駕駛員的保護。通過分析道路交通事故統計數據，可知在汽車碰撞事故傷亡人數中，行人占很大比重。相關汽車制造商和研究機構對行人碰撞保護裝置和系統進行研究刻不容緩。下面的文獻介紹了一些行人保護裝置和系統，可以在汽車行人碰撞事故中，保護行人安全。

文獻[1]考慮了輪轂電機在電動汽車上的應用，會釋放汽車前部空間，基于此進行了輪轂驅動電動汽車行人保護裝置設計；文獻[2]指出汽車設計中保護行人安全的重要性，采用數值分析方法，對保險杠進行優化設計，可以更好地保護行人安全；文獻[3]對可保護行人的汽車前部結構設計方法進行研究，提出了一些設計原則；文獻[4]采用數學動態模型代替價格昂貴的全尺寸行人物理模型，對汽車行人碰撞過程，行人的損傷等情況，進行了分析研究；文獻[5]對一種汽車碰撞行人保護系統進行研究，該系統可以同時給予汽車駕駛員和行人警報提醒，最大程度上避免碰撞事故發生；文獻[6]介紹了一種行人保護汽車緊急制動系統，并對其算法進行介紹，該系統基于歐盟旨在到2020年將道路死亡人數減少一半的道路安全方案，可以在碰撞事故即將發生時，緊急制動汽車，保護行人安全。

1 輪轂驅動電動汽車行人保護裝置設計[1]

近二十年來，提高行人安全已成為現代汽車工業的一個重要設計因素。當發生汽車與行人碰撞事故時，行人受傷的程度由多種因素決定，如汽車的外形、尺寸、碰撞時的速度、與行人接觸的面積、汽車能量吸收能力，以及行人的位置、大小和年齡等。

目前市場上的傳統內燃機驅動、電動驅動和混合動力汽車的常規布局中，汽車引擎蓋下放置了大量動力系統組成部件。對于電動汽車，由于輪轂電機結構的出現，使得汽車前部獲得大量剩余空間成為可能，這樣前部空間內沒有動力系統相關部件，剛度降低，從而可以減少行人在沖擊過程中，受到的傷害。同時，這也允許吸能結構有更大的變形空間，從而可以吸收更多沖擊能量。

當前，行人保護裝置的設計應該考慮汽車因輪轂電機技術發生的變化。文獻[1]中考慮了輪轂電機技術的應用，設計出了一種輪轂電機電動汽車前部行人保護裝置。通過選擇不同結構和材料對行人保護裝置進行設計，通過試驗測試和數值模擬分析，對多種保護裝置方案在不同沖擊條件下的響應進行分析。

最終選出一種最合適的方案，該方案中吸能結構可在176毫米范圍內發生變形，而輪轂電機驅動汽車前部有足夠空間安裝該裝置，從而可以更好地保護行人安全。

2 基于數值分析的汽車保險杠結構對行人保護的研究[2]

與汽車乘員相比，行人受傷的人數更多、死亡率更高。在亞洲，汽車事故統計數據顯示，雖然所有道路交通事故中僅有8.4%涉及到行人，但行人占道路事故傷亡總數的12%-35%。且已有研究表明，涉及行人的汽車碰撞事故中，有80%的行人膝關節受損；轎車和輕型乘用車易造成行人的腿部的損害。

由于成本的限制，在B級汽車等價格較低的汽車中，通常對行人安全的關注不足。盡管行人受傷且傷亡情況嚴重，但目前汽車安全方面的大部分研究都集中在乘客安全方面。采用有限元方法對汽車碰撞過程進行仿真表明，在汽車和行人發生碰撞時，保險杠會先碰到行人的膝下部和小腿，這是行人較脆弱的部位。

由于提升汽車設計可以顯著減少行人受到的傷害，已有一些研究將重點放在汽車保險杠上，結果表明對保險杠結構進行優化，可以有效地保護行人的下肢受到的傷害。文中建立了一個詳細的腿部模型，用來仿真碰撞事故中，行人的腿部受損情況。根據仿真結果，對汽車保險杠結構進行優化，對不同部件的材料、厚度和位置等重要設計參數進行優化。

結果表明，優化后的汽車保險杠可在碰撞事故中，減少對行人的傷害，更大程度上保障行人安全，且當保險杠梁由剛性較低的GMT材料（一種玻璃纖維材料）制成時，具有最佳碰撞安全性。

3 可保護行人的汽車前部結構設計[3]

據世衛組織估計，印度每年有近25萬人在汽車碰撞事故中喪生，其中一半的死亡人數是摩托車手、行人和騎自行車者。發動機蓋為汽車內部部件提供安全封閉的空間，不同汽車有著各自的發動機蓋設計。由于發動機蓋占汽車前端外表面比例較大，所以既要考慮其美觀，也要考慮其碰撞安全性。

發動機蓋在汽車和行人碰撞事故中，有助于吸收行人與汽車碰撞時的沖擊能量。如果發動機蓋與發動機機艙內部件（如發動機總成部件）之間的間隙較小，則機蓋起主要吸能作用。所以為了更好地保護行人安全，需要對發動機蓋結構進行設計，提高其碰撞緩沖作用。

文中介紹了馬魯蒂鈴木印度有限公司為實現行人保護需求，對汽車發動機蓋及其鉸鏈、汽車前部結構進行優化設計的研究。考慮了相關法規需求，進行了大量試驗驗證，最終得出了汽車前部結構設計的有用結論。

結論主要包括：為了保證發動機蓋可以充分沖擊能量，其應與下方部件留有足夠的空間；當發動機蓋和下部部件之間不能留有足夠的間隙時，應通過機蓋結構設計，保證可以充分吸收能量；機蓋結構設計包括增加加強件等；發動機蓋的鉸鏈應該足夠堅固，以便在發動機蓋關閉期間承受沖擊作用，從而保證其碰撞緩沖功能。

4 汽車與行人碰撞過程中行人損傷的研究[4]

為了保證汽車乘員安全，汽車制造商和相關研究機構已投入了大量的人力、物力和財力來開發和改進汽車車身結構和安全裝置，如安全氣囊、吸能轉向柱等。這些結構及裝置的目的是為了減少碰撞時乘員受到的傷害。交通事故統計顯示，這些安全結構和裝備對乘員起到了明顯的保護作用，使汽車碰撞事故中乘員的傷亡率大大降低。但是，受汽車撞擊的行人安全性不能得到保證，傷亡率十分嚴重。

如何保護行人，減少行人碰撞損傷已經逐漸成為汽車安全研究的新領域。據統計，行人傷害集中在頭部、胸部、上肢及下肢等部位。分析傷亡事故統計數據表明：各個身體區域的受損程度不同。為了有效地減少行人傷亡，需要開發和改進相關汽車結構和裝置。自20世紀70年代以來，歐洲、日本和美國的許多科研人員開始研究行人保護的研究，現在已有許多關于行人保護方面的研究。

進行行人碰撞研究中，使用沖擊模型和全尺寸行人物理模型進行沖擊測試，成本較高。文中利用MADYMO（數學動態模型）構建了汽車-行人碰撞模型。將實際試驗數據和車輛-行人碰撞模型仿真結果進行對比，驗證了模型的準確性。

該模型可得到行人的運動學及動力學響應，用于分析碰撞過程行人受到的損傷。模擬的結果可以幫助評估汽車行人友好性，并協助將來的行人友好型汽車技術的發展。

5 一種汽車碰撞行人保護系統[5]

行人在汽車碰撞事故中，最容易受到傷害，傷亡率最高。根據CARE（歐盟道路交通事故數據庫），2014年歐盟共有25,900位行人因交通事故遇難，另據統計全球所有因交通事故死亡人數的22%是行人。

文中作者開發了一種系統，可以保障行人安全，該系統安裝在汽車上。所開發的弱勢道路使用者（VRU）保護系統主要基于相機、雷達、紅外系統、微波傳感器或其組合。這些傳感器主要被安置在汽車中，實時對行人進行檢測，檢測行人位置和行進速度，可以提前預判危險情況，向駕駛員發送警報，避免碰撞事故發生。

該系統除了獲得行人信息，還需獲得其他信息（如汽車位置、方向和行駛速度等）。同時還可以利用更多的行人信息，如行人與路邊的距離、甚至是個人信息（包括年齡等）。同時系統可以利用現有通訊技術（如WLAN、蜂窩通信技術等），與行人手機進行通信，使用行人手機提供的信息，向行人發送警報，使行人注意可能發生的情況，避免事故發生。

系統基于車載傳感器及手機，易于實施，可以檢測和評估汽車周圍的環境，對行人位置及運動狀況進行檢測，及時對汽車駕駛員和行人給予警報提示，可以減少碰撞事故的發生，降低傷亡人數。

6 行人保護汽車緊急制動系統及算法設計[6]

世界上每年約有120多萬人死于交通事故，其中22%是行人。交通事故消耗巨大的社會成本，約一半的死亡人數為弱勢的道路使用者，其中22%是行人，7%是騎自行車者，20%是摩托車和摩托車乘客。為了減少交通事故死亡人數，聯合國歐洲經濟委員會啟動了一項新的歐盟道路安全方案，旨在到2020年將道路死亡人數減少一半。自動緊急制動（AEB）是一個非常有效的主動安全系統，可以減少死亡人數。

文中依據Euro NCAP協議規定，分析各種可能的碰撞場景（見文中圖9），設計了用于AEB的多傳感器數據融合策略和決策算法（決策過程見文中圖5）。該算法可以實現簡單的軌跡預測，對多種類型的目標進行高效可靠的跟蹤。采用該算法的AEB系統，可以使汽車實現自主制動，從而保護行人安全。

文中通過汽車制動模型，對AEB系統進行仿真，仿真結果證實了采用該算法的AEB系統的可靠性。目前該系統仍存在不足，一是系統目前只能檢測行人，將來會進一步設計可以檢測騎行者，因為騎行者移動速度比行人高得多，后期可通過增加一個寬視角傳感器來解決，并對傳感器融合算法進行修改；且系統主要依靠相機進行行人檢測，在夜間相機檢測行人的能力很差，后期可以部署FIR攝像頭來提高夜間的檢測能力。

Figure5.Decision-making architectrure.

Figure 9.Collision situation involving a car and a pedestrian.

[1]Valladares D,Alba JJ,Altubo I.Energy absorbing composite structure for frontal pedestrian protection in electric light vehicles[J].9,2(2017-2-01),2017,9(2)：168781401668796.

[2]Shojaeifard MH,Khalkhali A,Rafsanjani EN,et al.Numerical investigation on automotive bumper structure improvements for pedestrian protection[J].International Journal of Crashworthiness,2017：1-19.

[3]Yadav K,Sinha A,Khurana R S.Design of Front Structure of Vehicle for Pedestrian Headform Protection[C]//WCX?17：SAEWorld Congress Experience.2017.

[4]Teng T L,Liang C C,Hsu C Y,et al.Kinematic responses and injuries of pedestrian in car-pedestrian collisions[J].2017,248(1)：012029.

[5]David K,Berndt H.Safety Belt for Pedestrians[J].2018.

[6]Lee H K,Shin SG,Kwon D S.Design of emergency braking algorithm for pedestrian protection based on multi-sensor fusion[J].International Journal of Automotive Technology,2017,18(6)：1067-1076.