AEB與可逆預緊安全帶聯合作用下乘員保護效果研究

徐哲　婁磊　高冠宇　王旭

摘 要：針對自動緊急制動系統（AEB）導致乘員在碰撞前出現身體前傾和離位的現象，提出了使用可逆預緊安全帶可以改善該現象，并且研究了在AEB和可逆預緊的聯合作用下對不同坐姿乘員的保護效果。建立了某車型駕駛員側包括正常坐姿和四種離位坐姿的約束系統仿真模型，并進行了驗證。以五種坐姿乘員為研究對象，分別對比無AEB無可逆預緊，有AEB無可逆預緊，以及有AEB有可逆預緊三種情況下乘員的位移和損傷。結果表明：在只有AEB的作用下，碰撞發生后會增加乘員的離位，當初始坐姿為離位狀態時更加嚴重，導致局部損傷增加，尤其是胸部損傷。在AEB和可逆預緊的聯合作用下，各種坐姿下由AEB導致的離位得到改善，對于前移直立坐姿OOP02和左傾坐姿OOP03還能起到糾正初始離位的作用，各部位損傷指標和損傷風險也明顯降低。

關鍵詞：自動緊急制動 離位 可逆預緊式安全帶 損傷風險

Occupant Protection Performance Affected by the Combination of Autonomous Emergency Braking and Reversible Pretension Seatbelt

Xu zhe Lou lei Gao guanyu Wang xu

Abstract：Aimed at the effectiveness of improving occupants out-of-position （OOP） seat posture aggravated by autonomous emergency braking （AEB） by the way of reversible pretension seatbelt， and study the effect of the combination of AEB and reversible pretension seatbelt on different position occupant protection. A simulation model of driver-side restraint systems from certain sedan is developed， include the normal and OOP occupant，and the model is validated. For five sitting position， there are three kinds of situations， no AEB no reversible pretension seatbelt， with AEB no reversible pretension seatbelt， and with AEB and reversible pretension seatbelt， and compared with the displacement and injury of occupant of the three situations. The result has shown that only under the action of AEB， after the collision， it will increase the forward displacement of occupant， especially when the initial sitting position is OOP， which leads to the increase of the local damage， especially the thoracic injury. Under combination of AEB and reversible pretension seatbelt， the forward displacement was improved caused by the AEB， for OOP02and OOP03， it can also play a role in correcting the initial position， and occupant damage and risk of injury are significantly reduced.

Key words：autonomous emergency braking， out-of-position， reversible pretension seatbelt， injury risk

1 前言

隨著汽車安全性要求的日益提高，預防和避免碰撞發生的理念越來越重要，自動緊急制動系統（AEB）是重要的主動安全技術之一，也是預碰撞階段提高安全性的重要技術。該系統在檢測到車輛前方出現潛在危險時，會通過聲音或圖像等方式向駕駛員發出警告，提醒駕駛員采取相應的措施規避碰撞。如果駕駛員沒有及時對警告信號做出正確反應，碰撞危險變得十分緊急時，系統會通過自動制動來規避碰撞或減輕碰撞程度[1]。歐盟委員會EC已要求從2013年開始，商用車必須安裝AEB系統。Euro-NCAP要求從2014年開始，在他們的評價體系中引入AEB系統的評分。美國IIHS也已經頒布了測評AEB性能的實驗規程。2018版C-NCAP也增加了對AEB的評價規程。在法規，標準以及公眾期待的多重推動下，AEB成為汽車主動安全領域的發展方向和研究熱點。很多汽車制造商已經推出了AEB系統，但是由AEB導致乘員前傾離位現象也更頻繁出現。雖然AEB可以避免碰撞或者降低碰撞強度，但同時也會導致乘員身體前傾離位，碰撞一旦發生，這種離位降低了約束系統的保護效能，可能會增加乘員損傷風險[2]，尤其是當乘員的初始坐姿便處于離位狀態。如何改善或者消除AEB帶來的乘員離位現象，最大程度的發揮AEB的效益，就需要在Pre-crash階段提供一個反方向的力控制并約束住乘員，減小或消除乘員的離位。

安全帶可逆預緊技術，是一種全新的預緊方式。這種技術通過在普通安全帶的基礎上增加了可逆預緊裝置，在潛在碰撞事故發生前控制電機驅動卷收器預緊織帶，消除安全帶佩帶松弛量[3]。其兩者都在Pre-crash階段起作用，共同受控于汽車碰撞預判系統。但是目前國內對于應用AEB和可逆預緊安全帶裝置對不同坐姿乘員保護效果的研究還比較缺乏。

基于此，本文利用仿真的方法研究了在AEB和可逆預緊聯合作用下對正常和離位坐姿乘員的保護效果，不僅能夠最大程度的發揮AEB與可逆預緊的保護效能，也符合汽車主被動安全一體化的發展趨勢。

2 約束系統模型建立及驗證

2.1 仿真模型的建立

依據Yaris車型駕駛員側布置尺寸及物理屬性，利用MADYMO軟件建立約束系統仿真模型。模型的輸入包括Pre-crash和In-crash兩個階段。整個仿真時間設定為1020ms，Pre-crash階段仿真時間為0-900ms，用來模擬AEB與可逆預緊的作用下乘員的運動響應，In-crash階段為900-1020ms，模擬乘員碰撞開始到完成的運動響應以及損傷結果。AEB在201ms時被激活，并持續至碰撞發生。AEB的數據參考Jonas等人[4]所做的實車試驗數據，使車身速度從71.6km/h降至碰撞時刻的56.3km/h，如圖1所示。將Yaris車型的US-NCAP正碰試驗獲得的車身左側B柱下端部位加速度作為仿真碰撞中的加載條件，如圖2所示。

在汽車正面碰撞試驗工況下，我們使用的是Hybrid III假人模型，它能在大加速度場加載條件下體現較好的生物擬合性。但在碰撞前緊急制動的小加速度場中，因為Hybrid III假人的頸椎、腰椎、胸部等部位的剛度比真實人體大，而且不能模擬人體肌肉的張緊狀態[5]，并不能較好地擬合乘員的動態響應。所以，本文選用了MADYMO模型庫自帶的主動人體假人模型AHM，利用AHM的主動控制器控制頸部、手臂、脊柱、以及臀部的肌肉張緊程度[6]，能較好地模擬乘員在碰撞前AEB作用下的動態響應。

根據Zhang等人[7]和Bose等人[8]的研究提出的乘員離位坐姿，選取最符合實際情況也是使用概率最高的四種離位坐姿。最終建立的駕駛員側正面碰撞正常和離位乘員約束系統仿真模型如圖3所示。

2.2 仿真模型的驗證

分別對仿真模型Pre-crash和In-crash兩個階段分別完成驗證。

2.2.1 碰撞前乘員運動響應的驗證

參考Jonas等人[4]完成的志愿者實車AEB試驗，將此次實驗的制動加速度數據與可逆預緊參數輸入待驗證模型。利用MADYMO軟件改變碰撞前AHM的不同肌肉張緊程度進行仿真分析，得到頭、胸部的x、z向位移曲線，并與實驗中志愿者運動響應結果對比。虛線和點畫線是試驗結果的上限和下限，分別代表志愿者位移的最大值和最小值，實線是某肌肉張緊程度下的仿真曲線，如圖4-7所示。可見，在這種肌肉張緊程度下，頭部和胸部x向和z向的位移都在試驗范圍之內，完成碰撞前的模型驗證。

2.2.2 碰撞中乘員損傷響應驗證

碰撞中階段模型的驗證依據為該車型US-NCAP正面碰撞試驗數據與高速錄像，使AHM的損傷響應和試驗結果保持一致。圖8-12為AHM損傷響應與實驗結果的對比。可以看出。頭部合成加速度曲線、盆骨x向加速度和z向加速度與試驗曲線都吻合較好，誤差均在6%以內。胸部壓縮量曲線與試驗曲線的輪廓以及變化趨勢一致，但是峰值偏差達到13.1%，這是由于AHM胸部剛度更為接近真實人體狀態，小于試驗中所用的Hybrid-III假人[5]，因此產生的胸部壓縮量偏大。左大腿力峰值時刻和峰值大小都吻合的比較好，誤差在4%以內。

3 仿真設置及結果分析

為了對比有無AEB對乘員離位和損傷的影響以及有無可逆預緊對乘員的保護效果。針對正常坐姿和四種離位坐姿都設置3組仿真模型，分別為第Ⅰ組——無AEB無可逆預緊，此為對照組，第Ⅱ組——有AEB無可逆預緊，以及第Ⅲ組——有AEB有可逆預緊。

3.1 不同坐姿乘員離位糾正效果對比

表1為每種坐姿三組情況下，在碰撞0時刻乘員位移的對比情況。利用乘員頭部和胸部的位置變化來表征乘員的位移和離位情況，Head_X為頭部x方向位移和T1_X為胸部x向位移。可以看到，在只有AEB的作用下，每種坐姿乘員頭部和胸部都出現了明顯的向前的位移，從IP-OOP02看出，初始坐姿離位越嚴重，AEB導致的向前的位移越大。左右傾相比，右傾在Pre-crash階段向前的位移更大。而第Ⅲ組增加了可逆預緊之后，乘員頭部和胸部向前的位移有了不同程度的降低，從IP-OOP02看出，初始坐姿離位越嚴重，降低越多，可逆預緊對其離位糾正效果越好。而且OOP02降幅超過100%，說明可逆預緊向后拉乘員上肢軀干，比初始離位坐姿更靠近座椅靠背，起到了糾正初始離位的作用。對于OOP03和OOP04坐姿來講，可逆預緊對乘員x向位移減小并不十分明顯。

對于向左和右傾斜的坐姿，乘員y方向位移的對比更加重要。如表2所示，Head_Y為乘員頭部y向位移，T1_Y為胸部y向位移。同樣可以看到，在只有AEB的作用下，OOP04坐姿導致了更大的離位，比OOP03位移的2倍還要多，第Ⅲ組增加了可逆預緊之后，位移降幅都很大，OOP03坐姿降幅超過100%，對乘員起到了糾正y方向初始離位的作用。可逆預緊對初始坐姿為左右傾的乘員y向位移的糾正效果優于x向，對于左傾坐姿的約束效果優于右傾。右傾的離位比左傾嚴重的多，原因在于安全帶的佩戴方向，右傾時安全帶已經不能很好的約束人體。

總之，可逆預緊的介入減小了每種坐姿乘員受AEB影響的身體的位移量，而且還可以起到了糾正初始離位的效果。

3.2 不同坐姿乘員損傷情況分析

乘員在Pre-crash階段的位移情況會影響In-crash階段的損傷情況，對比乘員身體各部位的損傷指標，包括頭部HIC36，頭部加速度A3ms，頸部損傷指標Nij，胸部加速度C3ms，胸部壓縮量Ccomp，左右大腿力Ffl和Ffr，探究在AEB和可逆預緊聯合作用下對乘員的保護作用。如圖13-17所示。

對于正常坐姿IP來講，第Ⅱ組與第Ⅰ組相比，頭部HIC36和A3ms以及左右大腿力值得到降低，但AEB的作用使頸部和胸部損傷有所增加。第Ⅲ組增加了可逆預緊之后，全部損傷指標都較第Ⅱ組都出現不同程度的降低。

對于OOP01和OOP02坐姿，第Ⅱ組與第Ⅰ組相比，頭部和腿部損傷值降低，頸部和胸部損傷增加，與正常坐姿規律類似，只是OOP01和OOP02坐姿的胸部壓縮量出現了比正常坐姿更明顯的增大。第Ⅲ組增加了可逆預緊之后，各損傷指標都有所降低，胸部損傷概率降低最為明顯。

對于OOP03和OOP04坐姿，各部位損傷規律與前幾種坐姿有了一些不同。對于OOP03左傾坐姿，在只有AEB的作用下，頸部和胸部壓縮量出現增大，其他損傷值均有所降低。第Ⅲ組與第Ⅱ組相比，可逆預緊的作用沒有降低全部損傷值，反而使頭部和頸部等損傷增加，這是因為左傾坐姿約束效果較好，可逆預緊對其效果體現的最不明顯。OOP04右傾坐姿，AEB的作用導致了極高的頭部和頸部損傷，第Ⅲ組增加了可逆預緊之后，頭頸部損傷得到明顯的降低。右傾坐姿損傷最為嚴重，可逆預緊對其損傷防護效果也最明顯。圖18-20為IP、OOP02和OOP04對應部位的曲線對比，可以更加直觀的看出AEB對乘員損傷的影響和增加可逆預緊之后的效果。

3.3 基于US-NCAP評分對比

基于US-NCAP評分標準，對每種坐姿三組仿真結果進行星級劃分，如表3所示。再結合以上對比，可知對于每種坐姿來講，在只有AEB的作用下，在碰撞前階段會增加乘員的離位，碰撞后導致局部損傷風險增高，尤其是胸部損傷風險，降低約束系統保護效能，使整體的評分星級降低。可逆預緊技術的介入，彌補了AEB對乘員坐姿的不利影響，對每種坐姿保護效果都有所改善和提升，尤其降低了胸部損傷風險，且改善效果最為明顯的是OOP02和OOP04，使其從兩星提高到四星。盡管如此，第Ⅲ組與第Ⅰ組相比并沒有體現出優勢，這是因為可逆預緊參數只是簡單的與約束系統其他參數進行疊加，因此后續對約束系統參數進行匹配優化來實現最優的保護效果十分必要。

4 結論

本文利用MADYMO軟件建立了豐田2006年款Yaris駕駛員側五種不同初始坐姿下約束系統仿真模型，模型中增加了AEB和可逆預緊安全帶裝置，假人選用MADYMO模型庫中自帶的主動人體模型進行定位，更好的模擬AEB作用下乘員的動態響應，并對仿真模型的Pre-crash階段和In-crash階段的有效性進行了驗證。

針對正常坐姿和四種離位坐姿乘員，分別對無AEB無可逆預緊，有AEB無可逆預緊，以及有AEB有可逆預緊三種情況進行仿真計算，對比了乘員在Pre-crash階段的位移情況和In-crash階段的損傷情況。結果表明，在只有AEB的作用下，會增加乘員的離位，尤其是初始坐姿便為離位狀態時更加嚴重，從而導致局部損傷增加，尤其是胸部損傷。在AEB和可逆預緊的聯合作用下，各種坐姿下由AEB導致的離位得到改善，對于OOP02和OOP03坐姿還能起到糾正初始離位的作用，各部位損傷指標和損傷風險也明顯降低，初始離位坐姿越嚴重的，損傷風險降低越明顯。

總體來講，本文的研究充分說明了在應用AEB的基礎上增加可逆預緊技術的重要意義，對AEB和可逆預緊安全帶裝置的應用和推廣起到重要作用，對提高Pre-crash階段的安全性以及整體碰撞安全性具有一定的意義。當然，研究工作還存在許多不足之處，如在后續進行約束系統的參數優化匹配來進一步提升乘員防護效果。

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