基于事故重建的行人與騎車人頭部損傷的差異性

徐洪震，王 方，胡 林，王 振，李 凡

（1. 廈門理工學院 機械與汽車工程學院，廈門，361024，中國；2. 長沙理工大學 汽車與機械工程學院，長沙，410114，中國；3. 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南大學，長沙，410082，中國）

據世衛組織 (World Health Organization, WHO)2018年報道[1]: 全球每年約有135萬人死于道路交通事故，一半以上是易受傷害道路使用者（vulnerable road user, VRU），行人死亡率23%，兩輪車騎車人死亡率更是高達30%。中國國家統計局數據顯示[2]: 2015—2019年，摩托車、電動車、自行車的事故數量和傷亡人數均有上升，見圖1。因此，對兩輪車事故開展深入研究，對改善交通安全具有重要意義。

行人作為最易受傷的弱勢道路使用者[1]，受到廣泛關注。為了提高車輛的行人防護性能，已有學者做了努力[3-4]，并通過深入的事故數據調查、尸體實驗、假人實驗以及仿真分析等方法研究了交通事故中行人的頭部損傷來源、生物力學響應及損傷機理[5-7]。2003年歐洲新車評估程序（European New Car Assessment Program，Euro-NCAP）發布行人保護測試評價規程，其中針對最易導致行人嚴重傷害和死亡的頭部，規程中采用簡化的頭部沖擊器撞擊車輛前部特定區域，以評估車輛對行人頭部損傷防護性能。

研究人員關注兩輪車騎車人的損傷防護，考慮建立相應的測試評價規程以評估車輛對其是否友好[8]。人們嘗試理清行人與兩輪車騎車人頭部在與車輛發生碰撞時，碰撞邊界條件和損傷響應上的差異，以評估沖擊器實驗方式是否適用于騎兩輪車人的頭部保護。

Maki等[9]通過對日本交通事故研究與數據分析研究所(Institute for Traffic Accident Research and Data Analysis, ITARDA)提供的VRU事故數據進行深入分析，并開展數學模擬，發現騎車人的頭部碰撞位置和碰撞角度與行人相比有很大差異性。

彭勇等[10]從“德國深入交通事故研究(German indepth accident study, GIDAS)” 數據庫中選取22例行人和18例自行車事故，進行事故重建，其研究表明：自行車事故中車輛碰撞速度低于行人事故中的車輛碰撞速度，且騎車人頭部AIS2+和AIS3+損傷風險也都低于行人。其中： AIS（abbreviated injury scale）為簡明損傷評級標準，從無損傷到死亡，分為6級[11]，是全球通用的用于對損傷嚴重程度進行評級的方法。

聶進等[12]統計分析了長沙深入交通事故調查數 據 庫（in-depth investigation of vehicle accident in Changsha, IVAC）中的338例事故，選取12例行人事故和12例自行車事故進行事故重建，其研究結果表明行人與汽車的頭部相對碰撞速度大于騎車人頭部相對碰撞速度。

現有文獻研究尚存在局限之處。多數研究均只用多剛體動力學來闡述行人和騎車人頭部運動學響應差異，很少關注腦組織損傷響應，而實際上在VRU頭部損傷中，腦組織變形所致傷害已被證明是創傷性腦損傷的關鍵誘因[13]。另外，文獻中多采用多剛體動力學獲得事故邊界條件，并將其加載至簡易的頭部有限元模型，與車輛前部結構碰撞，獲得腦損傷響應數據[14-15]。該方法的主要局限在于其忽略了身體軀干對頭部響應的影響，并導致低估事故中人體的顱腦損傷風險[16-19]。

針對以上問題，本文基于一系列真實的VRU與汽車碰撞事故，利用多剛體方法進行事故重建，以獲取事故中碰撞邊界條件，并采用研究團隊在前期研究中所構建的有限元-多剛體耦合人體模型對事故中的人體頭部/顱腦損傷進行數值再現[20]，該模型可考慮身體軀干對頭部/顱腦損傷的影響，且相對于有限元人體模型，在模型的縮放、姿態調整和仿真計算方面具有顯著的時間效率優勢。基于以上仿真結果，從頭部運動學和顱腦損傷響應兩方面對兩輪車騎車人和行人事故進行更加全面和深入的對比研究。

1 方法與材料

1.1 事故信息

有關車輛、行人、兩輪車騎車人和道路環境的詳細信息部分來源于長沙深入交通事故調查數據庫(IVAC)，共計選取14例兩輪車事故和17例行人事故。事故選擇依據如下原則：1） 所選事故能明確碰撞位置，能進行事故重建；2） 行人和兩輪車騎車人都有頭部損傷；3） 兩輪車騎車人不戴頭盔。

1.2 事故重建

已廣泛應用于人體損傷生物力學研究中的事故重建的流程如圖2所示[21]。

通常需要根據事故現場草圖、事故中人員損傷相關信息、車輛相關信息、目擊者信息等，利用多體動力學分析軟件（如Madymo軟件，mathematical dynamic model)進行事故重建。在重建過程中，通過將仿真結果與事故中車輛和VRU運動學響應、碰撞位置和最終落地位置等進行比較，評估重建結果的有效性。本文所有事故的重建過程均在本團隊的前期研究中完成[22]。

1.3 數值模型

1.3.1 多剛體人體模型

行人與騎車人模型采用Madymo軟件包中自帶的TNO人體模型，TNO為荷蘭應用科學研究組織（The Netherlands Organization For Applied Scientific Research），TNO行人模型已經過尸體實驗[23]、物理假人實驗[24]和基于真實事故的仿真研究[25-27]進行驗證，且在行人事故重建和行人損傷研究中得到廣泛應用。本文以TNO 的50th百分位成年男性模型和5th百分位成年女性模型作為基礎模型，如圖3所示。

在事故重建過程中，基于事故中的詳細人體參數（包括身高體重等），采用Madymo軟件中的人體縮放程序Gebod（generator of body data）對TNO標準模型進行縮放，得到每個事故中VRU的個性化多體模型。

1.3.2 有限元-多剛體耦合人體模型

本文采用研究團隊在前期研究中所構建的有限元-多剛體耦合人體模型來獲取事故中的顱腦損傷響應參數，該模型可考慮身體軀干對頭部/顱腦損傷的影響，且已在前期研究中采用文獻中的尸體實驗和真實的行人碰撞事故進行了有效性驗證[20,28]，該模型的構成通過采用成熟的有限元頭頸模型結合多體軀干/下肢模型來實現，如圖4所示。

1.3.3 車輛模型

事故中的兩輪車模型均采用Madymo軟件，用橢球形多剛體建立，建模所需的質心位置、轉動慣量依據相關文獻資料[29]確定，其他主要參數如外廓尺寸、軸距、質量則參照事故中兩輪車的實際參數進行設置。

采用與上述類似的方法，事故中的汽車模型亦是根據實際車輛的具體結構和幾何尺寸在Madymo中用橢球模擬建立，汽車前部結構的剛度特性參數均參考文獻[3,30]或Euro-NCAP中類似車型的試驗結果[31]進行定義。本文構建的典型兩輪車模型和乘用車模型如圖5所示。

1.4 頭部運動學參數和顱腦損傷參數

在完成前期事故建模和運動學重建和顱腦損傷再現后，本文分別從頭部一次碰撞（即與車輛前部結構的碰撞，如擋風玻璃、發動機罩等）邊界條件、運動學響應和顱腦損傷響應等方面，對行人和兩輪車騎車人的碰撞響應進行差異性分析研究。在頭部一次碰撞邊界條件中，本文主要關注車輛碰撞速度、與現行行人保護規程相關的頭部與車輛相對碰撞速度和碰撞角度；選取了常用的頭部損傷準則(head injury criterion, HIC)和頭部旋轉損傷準則(rotational injury criterion, RIC)來表征頭部整體損傷響應。

顱腦損傷分為2類：局灶性腦損傷和彌漫性腦損傷[32]。彌漫性腦損傷容易導致嚴重的損傷風險，其中最常見為彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury, DAI)， DAI與腦組織變形有直接關系。本文選取累計應變損傷測量準則(cumulative strain damage measure, CSDM)[33-34]和最大主應變[32-33](maximum principal strain, MPS)來進行差異性分析。

2 結 果

2.1 邊界條件對比

2.1.1 碰撞車速

行人與騎車人碰撞事故中，碰撞時的車輛運行速度（或車輛碰撞速度）各區間的案例數量分布對比情況，如圖6所示。由圖6可見：兩輪車事故中的車輛碰撞速度普遍低于行人事故。

2.1.2 頭部相對碰撞速度和角度

行人/騎車人頭部與車輛前部結構（如發動機罩、擋風玻璃等）發生碰撞時刻相對車輛的運動邊界條件，與頭部所受到沖擊載荷的嚴重程度有直接關系，并決定頭部損傷響應；同時，在現行的主流行人安全測試評價規程[35]中成人頭部損傷評價亦是通過對標準的頭部沖擊器定義一定的初始碰撞速度和角度來進行沖擊試驗來實現。

圖7 出了騎車人/行人在與車輛碰撞時刻的相對速度（vre）與騎車人頭部碰撞角度(α)對比情況。

如圖7所示：行人頭部相對碰撞速度的波動范圍要比騎車人頭部更大，且整體區間要高于騎車人頭部。兩者均明顯高于主流測試評價規程中的40 km/h[35]。行人頭部碰撞角度分布范圍總體較騎車人頭部更高，行人頭部碰撞角度的均值和中位數值均比騎車人大，且兩者均低于目前行人事故中頭部保護測試規程中的65°[35]。

2.2 頭部整體損傷響應對比

頭部損傷準則HIC是車輛安全標準/程序中用于評估頭部損傷嚴重程度的常用損傷準則, 頭部旋轉損傷準則RIC準則與HIC相似，不同之處是它使用的是旋轉加速度非線性加速度。圖8展示了行人與騎車人HIC15（累計計算時間為15 ms）和RIC數值對比情況。

由圖8可見：兩輪車事故所致騎車人HIC15點值分布中，兩個統計離散點數值異常高，大大拉高了騎車人HIC15平均值，使得其均值比行人大，而如果關注中位數，可見行人的HIC15中位數值比騎車人大，且行人HIC15值的整體分布范圍整體較騎車人更高。這與2.1.2中人體與車輛相對碰撞速度的分布規律吻合得較好，意味著頭部相對碰撞速度會在一定程度上影響其頭部損傷響應。

圖8 中，RIC的分布規律除了個別離散點外，與HIC的分布類似，同時，行人RIC不論是中位數還是平均值，均略大于騎車人，雖然兩者并未存在本質上的差異。

2.3 顱腦損傷響應對比

累計應變損傷測量準則CSDM是指最大主應變超過某一預設閾值的顱腦組織占整個腦組織的體積百分比，一般閾值為0.15或0.25，標記為CSDM0.15和CSDM0.25。

圖9 為行人和騎車人CSDM損傷值的對比情況，可見，騎車人的CSDM0.15、CSDM0.25損傷值波動范圍較行人更大，但行人的CSDM0.15、CSDM0.25平均值比騎車人大，尤其是CSDM0.15差異顯著。

最大主應變MPS是指腦組織在碰撞過程中所受最大主應變。為盡可能消除因網格質量引起的應變計算誤差，本文選取98百分位的MPS0.98進行分析。

圖10 為行人和騎車人頭部MPS0.98的對比情況。從圖10可知：行人較騎車人其頭部MPS0.98損傷值的分布更集中，且平均值和中位數值均較低。

3 討 論

3.1 碰撞邊界條件

從行人與兩輪車騎車人事故中的車輛碰撞速度分布（圖2）可見：兩輪車事故多發生于較中低速的碰撞環境下，造成該現象的一個可能原因在于，相較于行人，騎車人有兩個更突出的特征：目標更大和運動可預見性更強，因此汽車駕駛員更容易發現兩輪車騎車人，并提前采取相應的措施以避免潛在碰撞事故發生；而行人靈活性更強，在面臨交通沖突時，其運動軌跡和狀態的突變更難以預測，因此給車輛駕駛員的預判帶來較大難度。

圖7 表明：行人與兩輪車騎車人在其頭部與車輛的碰撞狀態上存在顯著的差異：首先，行人頭部碰撞角度較騎車人頭部更大。PENG Yong等[10]在2012年基于事故重建得出行人和騎車人的頭部碰撞角度分別為46.7°和38.4°，本研究所得到的行人和騎車人頭部碰撞角度（分別為50.23°和42.57°）結果與其結論基本一致。另外，行人和騎車人頭部相對車輛的碰撞速度差異也較大，行人頭部相對碰撞速度大大高于騎車人頭部相對碰撞速度，且值得注意的是，兩者所展示出來的頭部碰撞速度均明顯高于目前行人保護實驗規程中所用的40 km/h。

3.2 頭部損傷風險

本研究通過采用團隊在前期針對VRU事故中顱腦損傷研究所構建和驗證的有限元-多剛體耦合人體數值模型，對本文所選取事故中的人體頭部/顱腦損傷響應進行了數值再現。從結果中可知，在基于運動學響應的HIC15和RIC對比分析中，行人的頭部損傷風險要比騎車人高，這與文獻中的研究結論基本一致[9-10,12]（見圖8）；行人的顱腦累積應變測量準則CSDM分布較集中（見圖9），其CSDM0.15和CSDM0.25平均值分別為0.963和0.768，而騎車人的CSDM值均較低，CSDM0.15和CSDM0.25平均值分別為0.886和0.656，結合文獻中的顱腦損傷風險曲線[37]可預見，行人在碰撞事故中相對于騎車人會遭受更大的彌漫性軸索損傷風險；而從另外一種顱腦損傷評價準則MPS0.98的分析所得到的趨勢正好相反（見圖10），騎車人的MPS0.98總體預測值比行人略高（分別為0.303和0.285），意味著騎車人的顱腦損傷風險略大。

4 結 論

本文通過對一系列真實易受傷害道路使用者（VRU）（包括行人和兩輪車騎車人）與汽車碰撞事故進行虛擬重建和頭部/顱腦損傷再現，從頭部碰撞邊界條件、運動學響應和顱腦損傷響應3方面對行人和兩輪車騎車人的碰撞響應進行差異性分析，并得到了以下結論：

騎車人碰撞事故中的汽車碰撞速度比行人事故中更低；騎車人頭部與車輛前部結構（發動機罩和擋風玻璃等）碰撞角度的平均值和中位數值均小于行人，且兩者均低于目前行人頭部保護測試規程中碰撞角度（65°）；行人頭部與車輛前部結構的相對碰撞速度明顯大于騎車人事故，且兩者均高于目前行人頭部保護測試規程中的碰撞速度（40 km/h）。

基于頭部運動學響應的頭部損傷準則HIC15和頭部旋轉損傷準則RIC的對比表明：行人的頭部損傷風險整體略高于騎車人；根據累計應變損傷測量準則(CSDM)損傷準則，行人的損傷值比騎車人更高，尤其是CSDM0.15，這說明：行人在事故中可能更易遭受嚴重的顱腦彌漫性軸索損傷風險；而根據最大主應變MPS0.98準則，對比的結果相反，這可能意味著這兩種損傷評價準則對于人體顱腦損傷評價的有效性存在一定差異。

本文中的研究結果是對現有VRU頭部損傷研究的有益補充，并為行人頭部保護測試評價規程的優化提供參考。