兒童安全座椅碰撞檢測偏差影響因素仿真與試驗研究*

張學榮，殷文倩

（江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

前言

根據2015年《中國兒童道路交通傷害狀況研究報告》，道路交通傷害已成為我國0-17歲兒童傷害致死的第2位原因［1］。我國機動車兒童乘員用約束系統國家標準GB27887已于2011年制定，并指定國內11家權威測試機構開展認證工作［2］。根據2014年發布的《實驗室間機動車兒童乘員用約束系統實驗比對總結報告》，由于各實驗室在測試過程中環境條件、檢測設備、檢測設備的校準和標準理解等差異，不同的實驗室的測試數據結果之間存在很大的偏差［3］。現階段對兒童約束系統仿真研究較多，對檢測結果一致性影響因素的系統研究較少［4-6］。本文中針對如圖1所示的兒童約束系統，其使用成人三點式安全帶將兒童安全座椅綁定到臺車上，并使用五點式安全帶約束P3兒童假人。根據兒童約束系統碰撞測試過程，利用仿真計算和試驗驗證相結合的方式，分析可能對測試結果一致性產生影響的因素，包括安全帶初始張力、五點式安全帶位置差異、兒童安全座椅整體位置差異影響以及頭部位移圖像識別方法4個方面。

圖1 試驗用兒童安全座椅

對于汽車座椅三點式安全帶初始張力與五點式安全帶初始張力分析和兒童安全座椅居中位置差異影響分析，本文中使用文獻［7］中進行過有效性驗證的仿真模型，用于仿真分析，該文中基于GB27887《機動車兒童乘員約束系統》，定量研究了兒童約束系統在動態測試時產生偏差的原因，發現實驗室間碰撞波形差異、臺車坐墊泡沫剛度衰減系數、支撐腿初始安裝角度、安全帶導向件摩擦因數對動態測試數據離散性影響較大［8］。本文中基于其結論，豐富其研究因素后進行深度探索。所有仿真模型均經過試驗驗證后，再開展后續的研究，但限于文章篇幅，驗證方法和過程從略。

兒童安全座椅整體前后位置差異是實際試驗時人員操作手法不同導致的，頭部位移的測試結果差異是不同實驗室采取的圖像識別方法不同導致的，因此，本文中對于這兩種影響直接采取試驗的方法進行分析。

1 安全帶初始張力影響分析

1.1 三點式安全帶初始張力影響分析

汽車座椅三點式安全帶在固定兒童座椅的過程中，須使用力傳感器（圖1），監測三點式腰、肩連續安全帶各部位的張力，控制腰帶張力、肩帶張力為50±5 N，安全帶卷收器段的織帶張力（即卷收器回卷力）為4±3 N。故本文中將三點式安全帶初始張力分為3個水平，其腰帶張力、肩帶張力和卷收器回卷力如表1所示。當初始力在該范圍變化時，對兒童乘員頭部位移和胸部加速度的影響分析如表2、圖2和圖3所示。

表1 三點式安全帶初始張力影響因素水平設置

表2 三點式安全帶初始張力影響

圖2 三點式安全帶初始張力對胸部合成加速度的影響

圖3 三點式安全帶初始張力對胸部垂直加速度的影響

從表2可見：汽車三點式安全帶初始張力對胸部垂直加速度影響最顯著，最大偏差為3.6%；但對頭部水平位移和胸部合成加速度的影響都不大。

1.2 五點式安全帶初始張力影響分析

實驗室在進行兒童五點式安全帶佩戴時，須調整松緊調節帶的張力，控制織帶初始張力在250±25 N，將織帶初始張力設定為3個因素水平，分別為225，250和275 N。

五點式安全帶固定假人時，其安全帶初始張力的影響如表3所示，兒童乘員胸部損傷曲線對比如圖4和圖5所示。

表3 五點式安全帶初始張力影響分析

圖4 五點式安全帶初始張力對胸部合成加速度的影響

圖5 五點式安全帶初始張力對胸部垂直加速度的影響

從表3中可以看出：兒童五點式安全帶初始張力對頭部水平位移和胸部合成加速度的影響不大，都不超過1%；胸部垂直加速度的影響相對于其他兩個指標稍大，但也不超過2%。

2 五點式安全帶初始位置偏移的影響

兒童五點式安全帶在佩戴過程中，肩帶若出現橫向偏移，也會對兒童假人頭部位移及胸部加速度產生一定的影響。采用3個因素水平對此進行分析，如圖6所示。對兒童乘員損傷的影響如表4、圖7和圖8所示。

圖6 兒童五點式安全帶初始位置偏移

表4 五點式安全帶初始位置偏移影響分析

由表4可以看出，兒童五點式安全帶初始位置偏移對P3假人胸部垂直加速度的影響最為顯著，最大偏差達5.2%，對頭部水平位移和胸部合成加速度的影響較小。

3 兒童安全座椅整體位置差異的影響

圖7 五點式安全帶初始位置偏移對胸部合成加速度的影響

圖8 五點式安全帶初始位置偏移對胸部垂直加速度的影響

不同實驗室在進行同一兒童安全座椅臺車測試時，不同的人員以不同的操作手法進行工作，會存在兒童安全座椅安裝和調節力等方面的差異。一方面，其所放置的位置會相對于縱向中心線存在一定的偏移；另一方面，將兒童安全座椅推向臺車座椅靠背時的力不同，也會導致兒童安全座椅整體位置相對于實驗臺車在前后方向上的差異。對上述兩種情況分別進行了仿真與試驗分析。

3.1 居中位置差異的影響

兒童安全座椅整體位置在左右方向上的偏移對假人頭部位移及胸部加速度的影響分析如下。兒童安全座椅初始位置分為3個因素水平：完全居中、向車輛左側偏移25 mm和向車輛右側偏移25 mm。

兒童安全座椅整體位置偏移見圖9，對乘員損傷和位移的影響如表5、圖10和圖11所示。

從表5可以看出，兒童安全座椅整體位置偏移對胸部垂直加速度的影響最大，最大偏差高達13.2%。如圖11所示，測試中胸部垂直加速度第2個波峰具有明顯差異，向左偏移25 mm的工況產生的第2個波峰遠大于向右偏移的情況，且峰值超過第1個波峰。但兒童安全座椅整體位置偏移對頭部位移和胸部合成加速度的影響較小。

圖9 兒童安全座椅整體位置左右偏移

表5 兒童安全座椅整體位置左右偏移影響分析

圖10 座椅整體位置左右偏移對胸部合成加速度的影響

圖11 座椅整體位置左右偏移對胸部垂直加速度的影響

3.2 前后位置差異的影響

在GB27887中規定，將兒童約束系統安裝到臺車上時，關于帶有ISOFIX接口的兒童安全座椅，必須在平行于測試座椅坐墊平面，沿著兒童約束系統中心線且相對于坐墊高度不超過100 mm處施加135±15 N的力，將兒童座椅推入試驗臺車。但對于用成人三點式安全帶將兒童安全座椅固定到車輛上的情況沒有給出明確的操作要求，故不同試驗員在操作時會造成兒童安全座椅整體位置相對于試驗臺車在前后方向上存在較大的差異，從而使試驗結果產生較大偏差。本文中進行了5次測試，前2次位置偏前，后3次位置偏后，如圖12和圖13所示，測試結果如表6所示。

圖12 兒童安全座椅整體位置偏前

圖13 兒童安全座椅整體位置偏后

由表6可以看出，當兒童安全座椅整體位置偏前時，兩個測試頭部位移都超過了550 mm，不符合法規要求。但兒童座椅整體位置偏后時的3個測試，頭部前向位移都達標。且兒童安全座椅整體位置前后偏移對胸部垂直加速度影響顯著，其產生的最大偏差高達37.7%。

4 不同頭部位移圖像識別方法的影響

表6 兒童安全座椅整體位置前后偏移影響分析

大多數實驗室采用了圖像修正法來確定頭部水平與垂直位移，少數實驗室未采用圖像修正法，直接采用比例法確定頭部位置，因此識別出的頭部位置誤差顯著。詳見以下測試數據。測試均選擇同一款兒童安全座椅，該款座椅使用三點式安全帶固定在臺車上，并采用五點式安全帶約束兒童，測試均使用P3兒童假人。在4家測試機構各展開5次相同測試，共計20次試驗，試驗數據均值如表7所示。

表7 不同機構試驗數據差異

由表7可以看出，不同機構頭部水平位移測試結果差異很大。導致該項試驗數據結果偏差的可能因素為：在進行圖像分析過程中，高速攝像機拍攝參數與視差補償計算時的設定參數不一致。在對高速攝像機拍攝的圖像進行位移分析之前，根據相關的計算公式，需要記錄位移計算時必需的數據，如y1，y2，dm和dCAM等，如圖14所示。若其中一個數值出現了偏差或不一致都有可能導致位移計算出現偏差。

少數實驗室采用的圖片比例法為

本文對頭部前向位移的修正為

圖14 臺車試驗俯視示意圖

式中：dh為未修正的圖像識別頭部水平位移；dm為兩標記點的實際距離；dh′為攝像機拍攝圖片中直接測量的頭部水平位移；dm′為攝像機拍攝圖片中直接測量的兩標記點間距離；dh0為修正后的頭部水平位移；y1為標尺到夾具中心平面的距離，標尺在夾具中心后方為正，前方為負；y2為攝像機到夾具中心平面的距離；dCAM為攝像機到Cr點的橫向距離。

對以上修正公式進行了以下試驗驗證，如圖15所示。首先將棋盤格標定板固定于墻面上，標出150與550 mm點，作為dm＝400 mm，將150 mm點視為Cr點，用方塊的右邊緣線作為兒童頭部水平位移替代物，放置于距離Cr點100 mm處，拍攝照片，測量公式中所需的各項參數，試驗數據記錄與對比如表8所示。可以看出，修正后的誤差比直接比例法的誤差顯著降低。

圖15 修正公式驗證試驗

同時，在實驗室內進行了臺車試驗驗證，使用的是表7測試機構2的試驗，如圖16所示。標尺點1和標尺點2在臺車中心平面后方1 m處，兩標尺點實際水平距離dm為550 mm；圓形標尺3在兒童安全座椅中心平面上，標尺點2和標尺點3到Cr點的水平橫向距離均為550 mm，即標尺點2在標尺點3正后方1 m處，故理論上可用標尺點2代替標尺點3來判斷兒童頭部位移，但圖片上標尺點2與標尺點3的投影并不重合，使用拍攝圖片觀察頭部位移時產生誤差。所以圖像識別法必須采取必要的修正才能縮小誤差。試驗數據記錄與計算如表9所示。

表8 修正公式驗證試驗數據記錄與對比

圖16 修正公式驗證臺車試驗

表9 修正公式驗證臺車試驗數據記錄與對比

由表9可以看出，修正后的誤差大幅降低，故可判定上述修正公式可有效提高頭部前向位移測量結果的一致性。但誤差依舊存在，這是由攝像機的位置距離不易測量和圖片上距離測量精度不高等原因導致的。

由于采用汽車座椅三點式安全帶固定，在試驗過程中，兒童座椅受力非對稱，故兒童安全座椅和假人運動也會偏向一側，如圖17所示。即使采用修正的方法，也還存在另外一項誤差，即頭部不在夾具中心平面內。以上述臺車試驗為例，兒童頭部偏向攝像機一側50 mm，即 y1＝1050 mm，y2＝1950 mm，代入公式計算得dh0＝546.58 mm，誤差增大。因此需要進行必要的頭部位移修正。采用頂部相機測量頭部最大位移時刻對應中心的偏移量，在測試圖中進行修正，才能準確獲取頭部位移測量值。

圖17 頭部最大位移時俯視圖

5 結論

根據以上影響因素綜合分析，頭部相對于Cr點水平位移和兒童胸部合成加速度對上述影響因素均不太敏感；而胸部垂直加速度最易受到干擾。其中兒童安全座椅整體位置的前后偏移對3個測試損傷值影響最為顯著，導致頭部相對于Cr點的水平位移最大偏差為3.1%，胸部合成加速度最大偏差為4.3%，胸部垂直加速度的最大偏差高達37.7%；兒童安全座椅整體位置左右偏移的影響次之，對胸部垂直加速度產生的最大偏差達到13.2%。

經過上述的仿真與試驗數據分析，建議在現有法規基礎上采取以下措施來提高測試結果的一致性，減小測量誤差。

（1）動態測試過程中嚴格控制兒童安全座椅縱向中心線與測試臺車縱向中心線的重合度，誤差控制在±5 mm。

（2）在現有法規的基礎上，增加類似于GB27887中對帶有ISOFIX接口的兒童安全座椅的相關規定，限制在將兒童安全座椅安裝到臺車上時的推入力的大小與施力點，以控制兒童安全座椅整體位置的前后偏移量。

（3）在使用圖像動態識別頭部水平和垂直位移時，采用本文中所提出的公式對結果進行修正。針對汽車座椅三點式安全帶固定兒童安全座椅的情況，應采用頂部相機測量頭部最大位移時刻對應中心線的偏移量，再進行修正，以獲得準確的頭部位移測量值。

（4）建議探索直接測量兒童頭部位移的方式來分析假人頭部向前和向上位移，如使用激光尺等，才能完全避免由圖像識別帶來的誤差。

各實驗室可采納上述控制措施，有效減少測試結果的誤差，提高兒童安全座椅臺車試驗結果的一致性，從而改善我國機動車兒童乘員約束系統檢測情況。