參數擾動下基于制動控制的人地碰撞損傷防護風險*

鄒鐵方，周 靖

（長沙理工大學汽車與機械工程學院，長沙 410114）

前言

車人碰撞事故中，行人所受傷害主要來源于與車輛的首次碰撞及隨后與地面的第二次撞擊?？傮w而言，車輛易造成行人更大的受傷風險［1-4］，但亦有大量研究表明地面所致損傷不能忽略［4-5］。2013年，馮成建等［6］通過仿真發現，當碰撞速度≤30 km/h時，地面所致損傷可能比車輛所致損傷更嚴重；2017年，Li 等［7］強調當車輛以20-30 km/h 的速度撞擊行人時，人地碰撞損傷不能忽視；同年，鄒鐵方等［4］通過事故再現發現胸部直接損傷主要來源于地面碰撞；2018年，Shang 等［8］通過分析1 221例德國行人事故案例發現，當碰撞速度低于40 km/h時如能消除地面相關損傷則可減少2/3 的總傷害費用，并在2020年通過尸體實驗研究，發現低速碰撞中地面所致顱腦傷害比車輛更嚴重［9］。相關成果表明，低速下地面造成的行人損傷不可忽視，研究人地碰撞損傷的防護方法很有必要、極具價值。

為降低人地碰撞損傷，學者們提出了各種裝置與方法。比如文獻［1］中提出了在車頭設置多個安全氣囊以阻止人體落地的設想，Khaykin等［10］發明了將事故后人體粘到車上的技術方案，Li 等［7］提出了行人友好型車頭。但文獻［1］和文獻［10］的被動安全裝置很難實現；而文獻［7］的最優車頭以保護人車碰撞為主，仿真顯示80%案例中行人頭部先觸地且30%案例中人地碰撞損傷高于車輛所致損傷；說明目前防護人地碰撞損傷的可用方法極少。因此，Zou等［11］在2019 年首次從主被動安全一體化角度提出一種車輛制動控制方法，通過控制車輛制動進而影響行人運動姿態從而降低人地碰撞損傷；進一步地，他們通過窮舉法研究了此類方法的最大效益，發現最優情況下可以降低90%的地面傷，表明通過控制制動降低人地碰撞損傷的上限很高［12］。同時，他們結合大量事故案例驗證了此方法在真實事故中的可行性［13-14］。但是，相關研究均未能給出車輛再次制動時間t2的實踐方案。為此，2021年，鄒鐵方等［15］提出了3 條車輛再次制動規則，并結合已有研究形成了一套完整的降低人地碰撞損傷的車輛制動控制方法，仿真結果表明其可以有效降低人地碰撞損傷且不會增加車輛所致損傷。此方案的提出將基于制動控制的人地碰撞損傷防護方法向實踐方向推進了一大步。

鄒鐵方等［15］提出的車輛制動控制方法中，需在行人頭部與車輛首次接觸時刻（t1）松開車輛制動，仿真中t1取最大頭-車碰撞加速度時刻。實踐中，不僅要求相關車載監控設備能及時且準確測量到t1，還要求汽車電控單元（ECU）及時響應。而ECU在工作中常需一定延遲時間［16］；加之受行人穿戴、發型和事故中人體手臂等部位的影響，精準測量t1極具挑戰，這顯然會給相關技術帶來不可預估風險。而文獻［17］中指出，降低風險能提升這些技術的接受度，那么t1擾動會導致哪些風險？若t1早于頭車碰撞時刻，車輛所致行人損傷是否增加？若t1晚于頭車碰撞時刻，人地碰撞損傷防護效果是否改變？為此，本研究將在文獻［15］中所提車輛制動控制方法的基礎上，結合MADYMO 設計實驗并仿真，以評估t1擾動所致的可能風險。

1 方法

1.1 車輛制動控制方法

車輛制動控制方法為鄒鐵方等［15］提出的方案（見圖1）。當汽車檢測到事故不可避免時完全制動車輛以降低碰撞車速，故在人車碰撞發生的t0時刻減速度已達最大；以頭-車碰撞時刻為t1時刻，至t1時刻車輛開始松開制動以追上拋出的人體進而影響人體運動學響應；考慮制動系統協調時間0.2 s后制動完全松開，然后車輛開始無制動向前運動到t2，考慮制動系統協調時間0.2 s后完全制動直至車輛靜止。t2時刻按照以下3 個規則確定：（1）當監測到人體下肢、主要部位（頭、胸及臀）超出車體兩側時再次完全制動；（2）當監測到人體臀部超過車輛前擋風玻璃下沿或行人雙腳超過頭部時再次完全制動；（3）當監測到行人頭、臀部位置低于發動機罩蓋前沿中任意一種情況時再次完全制動。

圖1 車輛制動控制減速度曲線

1.2 實驗設計

Li 等［11，18］結合MADYMO 軟件提出了一套人車碰撞仿真系統，該系統包括6 種車速（21、31、41、51、61 和71 km/h）×5 個行人模型（6 歲兒童、5th%女性、5th%男性、50th%男性、90th%男性）×2 種步態（50%和100%）共60個仿真，仿真結果包含了低于41 km/h的人地碰撞損傷，其有效性已通過真實事故數據驗證。本研究所采用的車輛制動控制策略是以降低中低速下人地碰撞損傷為目的，且不適用于6 歲兒童行人模型［11，15］。因此，結合Li 等提出的人車碰撞仿真系統，本研究選擇3 種車速（21、31 和41 km/h）×4 個行人模型（5th%女性、5th%男性、50th%男性、90th%男性）×2 種步態（50%和100%）共24 個仿真組成本研究的虛擬仿真系統，其中行人速度為1.58 m/s，方向為面部朝向。

由于當車輛為貨車時，控制車輛制動不能減少地面傷害；當車輛為跑車時，地面傷害發生率較低［12］，并根據文獻［19］，本研究選擇了大轎車、大型SUV、小轎車和小型SUV，如圖2所示［15］。

圖2 研究中采用的4種車型

所有的仿真均用MADYMO 完成，仿真中人車和人地碰撞的摩擦因數分別為0.3 和0.6，僅考慮車頭各結構的單一剛度水平［7，19］。碰撞場景見圖3，車輛垂直撞擊行人側面，人體相對于車體中心線向人體后退方向偏離400 mm 以確保人體頭部能與車體接觸。

圖3 仿真實驗所采用的碰撞場景

通過觀察4（4 種車型）×24（虛擬仿真系統）=96個仿真視頻發現：在頭車碰撞時刻后0.1 s時，大部分車輛速度已小于人體速度，且部分仿真視頻中人體已脫離車輛；頭車碰撞時刻前0.08 s 為部分仿真實驗人車首次接觸時刻。這兩個時刻均具有明顯的行人特征，有利于車輛監測。為了在較大范圍內研究t1擾動對行人損傷防護效果影響，如圖4 所示，以頭車碰撞時刻為0 時刻，以0.01 s 為間隔，將［-0.08，0.1］中各間隔點作為t1擾動時刻（t1=0 時為無擾動時刻），當t1=∞時，車輛為完全制動。綜上所述，共計模擬仿真實驗3（車速）×4（行人模型）×2（步態）×4（車型）×20（t1）=1920次，其中控制制動仿真1 824次，完全制動仿真96次。

圖4 t1擾動取值范圍及所選節點

1.3 評價指標

（1）選擇加權傷害費用（WIC，weighted injury cost，單位美元，$）以表征行人在碰撞中受到的整體傷害。交通事故中人體傷害包括頭部、胸部、臀部和下肢等多部位的損傷，可用文獻［7］和文獻［21］中提出的WIC將各個部位的損傷融合為一個結果進行比較。對于某車型中1 組實驗的24 個仿真，首先根據每個仿真中人體頭部、胸部、四肢和骨盆所受傷害來評估各個部位的AIS水平，進而計算出其所需費用IC（injury cost，包括醫療與輔助費用），所有費用之和視為該次仿真的傷害費用［20］，這些傷害費用是根據生物經濟數據樣本的簡化模型提出的平均費用，而不是特定情況下的確切費用（ISO：13232-5，2005）；然后將24 個仿真中總費用依據碰撞車速、行人高度和步態的占比加權取和為最終的WIC。其中，頭部用頭部損傷準則HIC15、胸部用胸部損傷指數TTI（thorax trauma index ）、臀部用碰撞力、下肢用彎矩、膝蓋用彎曲角度來預測損傷，各項閾值在之前相關預測AIS水平的文獻中已給出［20］。故

式中：psi、phi和pgi分別為車速、行人高度、行人步態的比例；ICi為一組仿真中第i個仿真人體的傷害費用IC。顯然某組仿真中WIC值越高，表明人體受到的傷害越大，反之則表示人體受到的傷害越少。

（2）WIC為綜合損傷評價指標，但其不等價于單個部位所受到的傷害。為此本研究還將采用HIC（head injury criteria）頭部損傷評價準則來表征行人頭部在人車碰撞及人地碰撞中受到的傷害，其表達式如下：

式中：a(t)表示頭部質心合成加速度；t2-t1表示HIC達到最大值的時間間隔，在實際應用中最大時間間隔取15或36 ms，本研究取15 ms。

（3）已有研究［11］認為車輛制動控制能降低人地碰撞損傷的主要原因之一是行人落地姿態的改變，則t1擾動是否影響行人落地姿態亦需關注，故本研究中將行人落地姿態作為一個評價指標。Crocetta等［23］發現行人頭地碰撞損傷主要受跌落高度和旋轉角度的影響，為此，他們針對事故中的行人碰撞后運動姿態提出6種落地機制（見圖5），研究結果表明不同機制的頭地接觸速度具有顯著差異。劉期等［13］在此基礎上又增加了一種落地機制M6（見圖6）。故本研究將采用7 種落地機制分析t1擾動對行人落地姿態帶來的影響。

圖5 文獻［23］中提出的6種行人落地機制

圖6 文獻［13］中新增的一種行人落地機制M6

1.4 數據分析方法

采用SPSS 軟件中的Jonchheere-Terpstra 檢驗方法對19 組案例的頭部損傷以及不同落地機制下頭部損傷、頭地垂直碰撞速度分別進行顯著性檢驗，采用Kruskal-Wallis 檢驗方法對t1擾動下4種車型的行人損傷防護效果進行顯著性檢驗，檢驗水平α=0.05。根據檢驗結果P值判斷各參數在兩組案例中是否具有顯著統計學差異，P＜0.05 表示有顯著統計學差異、P＜0.01 表示有極其顯著的統計學差異。采用SPSS 軟件中Spearman 相關系數分析法對t1擾動下行人損傷防護效果（ΔWIC）與車頭各參數的相關性進行檢驗。

2 結果

2.1 t1擾動對WIC的影響

大轎車、大型SUV、小轎車和小型SUV 在無t1擾動時，控制制動組車輛所致行人損傷均未增加（見圖7），而地面所致行人損傷費用分別降低6 400 $、6 560 $、16 752 $、7 650 $，損傷費用降低幅度分別為60.22%、43.35%、83.62%、70.09%（見圖8）。表明本研究所采取的車輛制動控制方法在t1不擾動的情況下可以有效降低人地碰撞損傷且不增加車輛所致損傷，這與Zou等［11-15］的研究結論一致。

圖7 完全制動與控制制動車輛所致WIC 對比圖（同一車型中左、右邊豎柱分別對應完全制動、控制制動組數據）

圖8 完全制動與控制制動地面所致WIC及損傷降幅（同一車型中左、右邊豎柱分別對應完全制動、控制制動組數據）

圖9 給出了4 種車型在t1擾動下制動控制方法的有效率，表1 給出的4 種車型在不同t1擾動時刻下車輛和地面造成的ΔWIC和完全制動組WIC，可以得到如下結果。

表1 4種車型在t1擾動時刻下的ΔWIC、完全制動組WIC

圖9 t1擾動下制動控制方法的有效率

（1）大轎車：當t1提前擾動0.07 s時，控制制動組的行人損傷比完全制動組大，當t1在-0.08 和［-0.06，0.1］區間內擾動時，控制制動組行人損傷均小于完全制動組行人損傷。18 個t1擾動時刻中，17個t1擾動時刻的控制制動組行人損傷小于完全制動組，車輛制動控制方法有效率為94.4%，平均每組行人整體損傷費用降低4 207 $，損傷費用降低幅度為7.69%。

（2）大型SUV：當t1在［-0.08，0.1］區間內擾動時，控制制動組行人損傷均小于完全制動組行人損傷，車輛制動控制方法有效率為100%，平均每組行人整體損傷費用降低8 600 $，損傷費用降低幅度為21.29%。

（3）小轎車：當t1在［-0.08，0.1］區間內擾動時，控制制動組行人損傷均小于完全制動組行人損傷，車輛制動控制方法有效率為100%，平均每組行人整體損傷費用降低15 293 $，損傷費用降低幅度為24.24%。

（4）小型SUV：當t1在［-0.08，-0.06］、［0.05，0.1］區間內擾動時，控制制動組的行人損傷大于完全制動組，當t1在［-0.05，0.01］、［0.03，0.04］區間內擾動時，控制制動組行人損傷小于完全制動組。18 個t1擾動時刻中，9 個t1擾動時刻的控制制動組行人損傷小于完全制動組，車輛制動控制方法有效率為50%，平均每組行人整體損傷費用降低-700 $，損傷費用降低幅度為-1.25%。

總體上，t1在［-0.05，0.04］范圍內擾動時依然可保證制動控制方法的效率；所有t1擾動組中，有62組（占比86.1%）WIC降低；WIC總降低量493 203 $，總體降幅12.80%。表明所研究的制動控制方法能在較大范圍內抵抗t1的擾動。

但結果亦顯示，t1擾動時，不同車型的行人損傷防護效果不同。小轎車的行人損傷防護效果最好，18個t1擾動時刻下均維持了車輛制動控制方法的有效性，且能較大程度地降低行人損傷（降幅24.24%）；小型SUV 的行人損傷防護效果最差，控制制動下的18個t1擾動時刻中，僅有9個t1擾動時刻控制制動組行人損傷小于完全制動組，且平均每組WIC增加700 $（增幅1.25%）。表明車型會嚴重影響t1擾動下的車輛制動控制方法的有效性。進一步地，采用Kruskal-Wallis 檢驗方法對t1擾動下4 種車型的行人損傷防護效果（ΔWIC）進行顯著性檢驗，檢驗結果P=0.000＜0.05，證實4 種車型在t1擾動下的行人損傷防護效果的確存在顯著差異。

2.2 t1擾動對HIC15的影響

車輛所致頭部損傷統計結果顯示，由于t1提前擾動量對車速的影響很小，所以當t1在［-0.08，-0.03）范圍內擾動時，僅24 個案例中HIC15增大。但如圖10所示，t1擾動提前量越大，HIC15增大案例越多。因此，t1越早于頭車碰撞時刻，則車輛所致行人頭部損傷風險越有增大趨勢。當t1在［-0.03，0.1］范圍內擾動時，控制制動組HIC15均等于完全制動組，表明此區間內車輛所致行人頭部損傷不受t1擾動影響。

圖10 車輛所致行人頭部損傷增大案例數

地面所致頭部損傷結果（見圖11）顯示，t1在［-0.08，0.1］范圍內擾動時，控制制動組HIC15的均值與中值均小于完全制動組。經統計，1 728 個t1擾動案例中，1 558 個案例（90.16%）的HIC15小于其對應的完全制動仿真案例；當t1無擾動時，96個控制制動仿真案例中，92 個案例（98.92%）的HIC15小于其對應的完全制動仿真案例。利用Jonchheere-Terpstra 檢驗對［-0.08，0.1］內的19 組HIC15進行顯著性檢驗，檢驗結果P=0.000＜0.05，可知不同t1擾動時刻的HIC15有顯著性差異。結合圖11的中值、均值線性擬合曲線，t1越晚于頭車碰撞時刻，利用車輛制動控制方法降低行人頭地碰撞損傷的效果越差。

圖11 不同t1擾動時刻HIC15均值、中值和線性擬合曲線

上述結果表明，就地面所致頭部損傷HIC15而言，在t1擾動下，雖然控制制動組部分案例HIC15升高，但仍可保證90.16%的案例中HIC15低于對應的完全制動案例，說明所研究的制動控制方法能很好地抵抗t1的擾動；但應該控制t1提前擾動量，從而減小車輛所致HIC15增大的風險。

2.3 t1擾動對行人落地姿態的影響

圖12 給出了完全制動、無擾動控制制動和t1擾動下行人落地機制分布比例，本研究中1 920次仿真未出現M5.1、M5.2 兩種落地姿態?？刂浦苿影咐校琈2、M3 落地機制占比較完全制動組大幅增加，M1、M4 占比大幅降低。Crocetta 等［22］指出M1、M4 的行人頭地接觸速度、旋轉角度顯著高于M2、M3，意味著M1、M4 可能會比M2、M3 造成更大的頭地碰撞損傷。將1 920個仿真案例按照落地機制分組，并利用Jonchheere-Terpstra 檢驗方法對各組案例的HIC15、頭地垂直碰撞速度（vz）進行顯著性檢驗，兩次檢驗結果P=0.000＜0.05，可知不同落地機制下HIC15分布、vz分布均具有顯著性差異。由HIC15、vz箱型圖可知（見圖13 和圖14），M1、M4 對應的HIC15、vz的絕對值整體上分別顯著高于M2、M3，證實M1、M4會比M2、M3 造成更大的頭地碰撞損傷，此發現進一步印證了控制制動是通過影響行人落地姿態而降低人地碰撞損傷的結論。經統計，1 728 個擾動案例中，僅156 個案例（9.03%）行人落地機制較對應的無擾動案例發生變化，結合圖12（b）和圖12（c）可知，t1擾動對行人落地機制分布影響程度較小。

圖12 行人落地機制分布

圖13 5種落地機制下HIC15

圖14 5種落地機制下頭地垂直碰撞速度

156 例落地機制發生變化的仿真案例中，有142例發生在［0.01，0.1］的擾動區間內。通過觀察行人落地姿態發現，t1越晚于頭車碰撞時刻，行人落地旋轉角度就越大。如圖15所示，當t1無擾動時，該仿真案例行人落地時首次觸地部位為下肢，落地機制為M2；而當t1發生擾動且越晚于頭車碰撞時刻，行人落地旋轉角度越大，落地時首次觸地部位變成頭部，落地機制變為M1。因此，與無擾動案例相比，頭部損傷風險增大。這亦說明，t1越晚于頭車碰撞時刻，利用車輛制動控制方法降低行人頭地碰撞損傷的效果越差。

圖15 t1擾動0、0.05、0.1 s（小轎車，21 km/h，5th%男性，100%步態）行人首次觸地時姿態

總體而言，t1擾動對行人落地姿態的影響較小，但t1若晚于頭車碰撞時刻，與無擾動案例相比，部分案例會出現行人落地旋轉角度增大，從而導致頭地碰撞損傷風險增大的趨勢。

3 討論

由結果可知，t1擾動下，制動控制方法雖在個別案例中會增大行人受傷風險，但總體抗擾性強。大轎車、大型SUV、小轎車、小型SUV 的車輛制動控制方法有效率分別為94.4%、100%、100%、50%，WIC總體降幅12.80%；19 組控制制動組的HIC15中值與均值均小于完全制動組；行人落地姿態總體上不受t1擾動影響。但如文獻［17］所述，為提高技術的接受度，需降低其風險。但仿真結果顯示，尚有259 個案例（占比14.20%）中人體損傷增加，其中原因須特別關注。與大量研究［11-12，14］結論類似，車型對制動控制方法在t1擾動下的人地碰撞損傷防護效果影響顯著，故須尋找車型參數對制動控制方法抗擾能力的影響規律。

3.1 制動控制方法失效案例原因分析

1 824 個控制制動仿真案例中，25 個案例（1.37%）車輛所致人體損傷增加，其中24 個案例頭部損傷增加，1 個案例骨盆損傷增加。頭部損傷增加的原因是t1早于頭車碰撞時刻，車輛以更大的速度撞擊頭部，導致頭部在第1 次與車輛撞擊中受到的傷害增大；骨盆損傷增加的原因是行人第2 次與車輛接觸所致。如圖16 所示，該仿真案例中，行人被撞擊至高空后，在重力作用下，行人二次撞擊車輛發動機罩蓋，此時車輛對行人造成二次傷害。上述失效案例均發生在［-0.08，-0.03）的擾動區間內，表明在控制車輛制動過程中為確保不提高車輛所致傷害，不能過早松開制動；同時也表明t1在［-0.03，0.1］范圍內擾動時，車輛所致人體損傷不會增大。

圖16 仿真案例中（t1擾動-0.04 s，小轎車，41 km/h，5th%女性，50%步態）行人被撞擊后的運動過程

1 824 個控制制動仿真案例中，共有237 個案例（12.99%）的地面所致損傷增加，具體情況如下。

（1）59 個案例（24.89%）中，車人第2 次接觸時，車頭前沿與人體頭、胸部接觸。此類案例中人車再次接觸雖然不會對行人造成二次傷害，但這一過程不僅未能有效消耗人體下墜能量，還時常改變人體落地姿態從而使其頭部與地面產生更大撞擊。如圖17 所示，該案例中，車頭前沿與人體頭部接觸后，行人頭部朝下并以更加垂直地面的姿態落地，導致頭部損傷增大。這與文獻［15］中的發現一致，說明在實施制動控制過程中，隨著車載監控設備的升級，在一些案例中可以嘗試對車輛進行加速控制以避免此種現象。

圖17 仿真案例中（t1擾動-0.07 s，小型SUV，31 km/h，5th%女性，50%步態）車頭前沿與人體頭部再接觸后行人落地姿態的變化

（2）52 個案例（21.94%）中，其對應的13 個完全制動案例地面所致損傷已經接近于零，任何行人落地姿態的改變都只會增加而非降低損傷。圖18 所示案例，完全制動情況下，行人下肢、臀部首先觸地，頭部最后觸地，此時HIC15=0；而在對車輛實施制動控制后，行人頭部首先觸地，進而導致頭部損傷增大。此原因與文獻［15］中的發現一致，這說明不可能獲得100%降低人地碰撞損傷的制動控制方法，后續研究中須探索人地碰撞損傷風險預測方法，以將制動控制方法更高效地應用到須降低人地碰撞損傷的案例中去，據此降低風險并提升效率。

圖18 仿真案例中（t1擾動0.03 s，大轎車，31 km/h，90th%男性，50%步態）行人首次觸地時姿態

（3）50 個案例（21.10%）中，控制制動顯著改變了人體不同部位的落地順序。如圖19 所示，該仿真案例中，完全制動情況下行人下肢首先觸地；而在控制制動情況下，行人在車輛作用下旋轉270°，最終順著發動機罩蓋脫離車輛而導致其頭部首先觸地，進而導致頭部損傷增大。這要求后續研究中須加強研究人體運動姿態預測技術和車頭對人體運動學響應的影響規律，以確保按需實施制動控制且可依托其他技術手段（如車頭的變化）去改善人體的落地姿勢，進而降低人地碰撞損傷。

圖19 仿真案例中（t1擾動-0.03 s，小型SUV，41 km/h，50th%男性，100%步態）行人在車輛作用下旋轉270°，頭部首先觸地

（4）30 個案例（12.66%）中，如圖20 所示，因車人長時間不分離，導致車輛一直載著人向前運動，雖不會對行人造成碾壓，但也增加了行人地面損傷風險。圖示仿真案例中，完全制動情況下，行人脫離車輛時頭部速度為5.8 m/s；添加控制制動后，因車人長時間不分離，導致行人脫離車輛時頭部速度為7 m/s，從而增大了人地碰撞損傷的風險。這與文獻［15］中的發現相同，針對此類現象，可設計一些裝置阻止人體落地，進而從根本上避免人地碰撞損傷。

圖20 該仿真案例中（t1擾動-0.03 s，小轎車，31 km/h，5th%男性，100%步態）行人脫離車輛時頭部速度

（5）26個案例（10.97%）中，車輛制動控制中，人體下肢與車輛前端再次接觸而使人體產生一順時針旋轉加速度，進而該旋轉速度會轉變為人體頭部與地面的垂直撞擊速度，從而加重人地碰撞損傷。如圖21 所示，該仿真案例中，完全制動情況下，行人被車輛撞擊后脫離車輛，頭部落地時垂直速度為-8.11 m/s；控制制動中，行人下肢與車輛前端再接觸，導致人體旋轉角度增大且頭地垂直碰撞速度為-9.31 m/s，從而增大了頭部損傷風險。這類情況與文獻［15］和本研究中發現（1）類似，均表明在研究中可考慮適度加速，使車輛接住行人大部分軀干，從而讓人體沿著車輛滑落，以避免此種情況出現，但何時加速、加速多少、何時再減速是一個極具挑戰且有倫理風險的問題，需小心應對。

圖21 仿真案例中（t1擾動0.03 s，小型SUV，41 km/h，5th%女性，50%步態）控制制動情況下人體下肢與車輛前端再次接觸

（6）20 個案例（8.44%）中，行人從車輛一側落地，在與車頭特別是發動機罩蓋側沿接觸時產生一個明顯向車輛側邊旋轉的加速度進而使人體頭部以更快速度撞擊地面，從而導致人地碰撞損傷增加。圖22 所示仿真案例中，車輛制動控制下行人從車輛一側落地，其頭地碰撞時，頭部質心加速度高于完全制動，而其HIC15由532 增大至911。這與文獻［15］中的相關發現一致，均表明在實施制動控制過程中人體從車輛側沿墜落地面具有增加地面傷的極大風險，這要求在后續研究中關注車頭形狀設計以確保人體不從車體兩邊墜落。

圖22 仿真案例中（t1擾動-0.02 s，小型SUV，41 km/h，50th%男性，50%步態）人地碰撞頭部質心加速度曲線

3.2 車型參數對制動控制方法抗擾能力的影響規律分析

利用Spss 軟件中的Spearman 相關系數分析法對76 組ΔWIC（19 組t1×4 種車型）與車頭各參數的相關性進行檢驗。以大轎車為例，參照文獻［22］中車頭參數組成，選取的車頭各參數如圖23 所示，圖中，H1為保險杠底端距地面高度，H2為保險杠頂端距地面高度，H3為發動機罩蓋低端距地面高度，H4為前擋風玻璃底端距地面高度，a為保險杠長度，b為發動機罩蓋長度，r1為發動機罩蓋傾斜角，r2為前擋風玻璃傾斜角。

圖23 車頭參數選取

分析結果見表2，相關系數絕對值是0.2～0.4時為弱相關，0.4～0.6 時為中等程度相關，0.6～0.8 時為強相關。車頭參數中，保險杠底端距地面高度、保險杠頂端距地面高度、發動機罩蓋低端距地面高度、前擋風玻璃底端距地面高度、保險杠長度、發動機罩蓋長度和發動機罩蓋傾斜角7 個參數相關性顯著。ΔWIC與保險杠長度具有高度負相關關系，與發動機罩蓋傾斜角中等程度正相關、與其余5 個車頭參數均為弱相關。上述結果表明，車頭參數中，保險杠長度、發動機罩蓋傾斜角對制動控制方法的抗擾動能力影響較大，保險杠長度越小、發動機罩蓋傾斜角越大，制動控制方法的抗擾動能力越強。本研究所采用的小型SUV 的保險杠長度是小轎車的2.6倍，發動機罩蓋傾斜角也小于小轎車，因此，t1擾動下小型SUV行人損傷防護效果最差。

表2 ΔWIC與車頭各參數相關系數

4 結論

通過1 920 次（完全制動組96 次、控制制動組1 824 次）仿真實驗，運用對比分析等方法獲得以下結論。

（1）仿真結果證實車輛制動控制方法在無參數擾動時能夠有效降低人地碰撞損傷且不增加車輛所致人體損傷，大轎車、大型SUV、小轎車、小型SUV撞人事故中地面所致人體損傷費用降低幅度分別為60.22%、43.35%、83.62%、70.09%。表明通過控制車輛運動去降低人地碰撞損傷具有可行性。

（2）t1擾動時，相較于完全制動案例，86.1%控制制動組WIC降低，98.61%案例中車輛所致HIC15不變，90.16%案例中地面所致HIC15降低；相較于無擾動控制制動案例，90.97%案例中行人落地姿態不變。表明車輛制動控制方法具有很強的抗t1擾動能力。

（3）t1越早于頭車碰撞時刻，車輛所致行人頭部損傷增大案例越多；t1越晚于頭車碰撞時刻，利用車輛制動控制方法降低行人頭地碰撞損傷的效果越差。雖然制動控制方法總體抗擾能力很強，但在t1擾動下如何不增加車輛傷并維持地面損傷防護效果，依然值得后續深入研究。

（4）仿真結果顯示，t1擾動下人地碰撞損傷增加的主要原因有人車長時間不分離、人體從車體邊緣掉落、落地姿態改變、完全制動組中傷害已經極低等。表明為提高制動控制方法的魯棒性，針對具體問題應該有更細致的解決方案。但結果亦顯示，可能無法找到一種100%降低地面傷的方法。

（5）進一步分析發現，保險杠長度、發動機罩蓋傾斜角等參數顯著影響制動控制方法的抗擾動能力，其中保險杠長度越小、發動機罩蓋傾斜角越大，制動控制方法的抗擾動能力越強。這一發現可以指導人們設計更能抵抗t1擾動的車頭，從而降低制動控制方法的使用風險。