基于交通事故重建的行人過(guò)街安全島高度設(shè)計(jì)

摘 要：為了研究道路交通安全島高度設(shè)計(jì)對(duì)于碰撞事故中行人和車內(nèi)人員的防護(hù)效果，調(diào)研并選取典型的安全島事故案例，運(yùn)用PC-CRASH軟件進(jìn)行事故過(guò)程重建。在事故重建的基礎(chǔ)上，基于LSDYNA軟件，研究不同車輛碰撞速度、不同安全島高度對(duì)行人和車內(nèi)人員安全防護(hù)的影響。結(jié)果表明：安全島高度過(guò)低是導(dǎo)致汽車碰撞安全島行人傷亡的主要原因。在城市道路的常見車速（30～50 km/h）范圍內(nèi)，350 mm以上的安全島高度設(shè)計(jì)可以有效防止車輛駛上安全島，起到行人保護(hù)效果；但車輛3 ms峰值減速度遠(yuǎn)超72 g，會(huì)導(dǎo)致較高的車內(nèi)人員頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)安全島設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧島內(nèi)行人和車內(nèi)人員的雙重防護(hù)，可以考慮在提升安全島高度的同時(shí)，通過(guò)安全島外圍設(shè)計(jì)吸能緩沖裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)人員的安全防護(hù)。

關(guān)鍵詞： 道路交通；安全島高度；防護(hù)；事故重建；有限元仿真

中圖分類號(hào)： T 416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.02.005

截至2023年中國(guó)大陸機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)4.35 億輛 [1]，機(jī)動(dòng)車與過(guò)街行人之間的交通沖突日益加劇。行人過(guò)街安全島的設(shè)置對(duì)緩解公共道路上的人車沖突、提高行人的過(guò)街效率具有顯著效果[2-3]。安全島作為行人過(guò)街的“中轉(zhuǎn)站”，應(yīng)當(dāng)具備必要的安全防護(hù)功能。有鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)行人過(guò)街安全島的安全防護(hù)設(shè)計(jì)開展了廣泛的研究。

中國(guó)的宮建等[4] 通過(guò)對(duì)40 個(gè)未設(shè)置行人安全島和5 個(gè)設(shè)置行人安全島的信號(hào)交叉口進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，提出了適合中國(guó)國(guó)情的行人安全島設(shè)計(jì)形式。李汝志等[5] 在2016 年對(duì)多車道行人過(guò)街特性進(jìn)行研究，提出了一種基于行人等待人數(shù)和過(guò)街時(shí)間模型的人行橫道寬度設(shè)計(jì)方法。顧明洋等[6] 提出了一種基于高性能復(fù)合材料的柔性防撞結(jié)構(gòu)技術(shù)，有效地保護(hù)車輛和行人免受事故的傷害。該研究表明安全島的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。楊志剛等[7] 提出了一種結(jié)合顏色和形狀恒常性的多級(jí)線形誘導(dǎo)安全島設(shè)計(jì)方法，旨在緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，并通過(guò)對(duì)行人和乘員的行為心理分析來(lái)降低事故發(fā)生的概率。

在國(guó)外，M. Dotoli 等[8] 通過(guò)使用信號(hào)區(qū)域優(yōu)化模型來(lái)解決城市交通控制問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了安全島的行人占地面積與安全島服務(wù)水平之間的關(guān)系。B. Mari? 等[9] 通過(guò)分析帶有信號(hào)燈的安全島人行橫道處的行人行為，比較有倒計(jì)時(shí)和沒有倒計(jì)時(shí)的場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)行人過(guò)街倒計(jì)時(shí)顯示能顯著減少違規(guī)行為和降低行人在安全島上的停留時(shí)間。V. Vignali 等[10] 指出，通過(guò)分析接近人行橫道處駕駛員的車輛速度和視覺行為，評(píng)估安全島和垂直閃爍標(biāo)志的對(duì)人行橫道顯著性的影響，發(fā)現(xiàn)在安全島上設(shè)置垂直閃爍標(biāo)志可以提高車輛駕駛員的注意力。

以上研究對(duì)于降低安全島事故概率、提升行人過(guò)街安全性起到了重要作用。然而，當(dāng)前城市道路的安全島設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不同城市、不同路口的安全島尺寸參數(shù)各異，在發(fā)生碰撞事故時(shí)安全島的實(shí)際防護(hù)效果不盡人意[11-12]。此外，這些研究主要關(guān)注對(duì)行人弱勢(shì)群體的保護(hù)，未考慮碰撞事故對(duì)車內(nèi)人員的影響。

因此，本研究旨在探討安全島高度設(shè)計(jì)對(duì)于碰撞事故中行人和車輛雙重防護(hù)的影響。通過(guò)調(diào)研和選取典型的安全島事故案例，運(yùn)用PC-CRASH 軟件進(jìn)行事故過(guò)程重建；接著通過(guò)有限元方法進(jìn)行車輛與安全島碰撞的參數(shù)化仿真，重點(diǎn)分析不同安全島高度設(shè)計(jì)對(duì)行人和車內(nèi)人員的安全防護(hù)效果。

1 安全島碰撞事故案例選取與重建

1.1 事故案例選取

本文選取一起典型的城市道路安全島事故案例作為研究對(duì)象，事故現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1 所示。在該事故案例中，一輛棕色大型SUV 在城市主干道行駛過(guò)程中突然失控，以較高速度沖上路口安全島，并與安全島上等候的行人發(fā)生碰撞，造成安全島內(nèi)3 人死亡、1 人重傷、5 人輕傷。經(jīng)調(diào)查了解，該SUV 在失控后首先沖上中央安全島，撞擊島內(nèi)行人后沖向?qū)ο蜍嚨溃c一輛正在等待紅燈的白色轎車發(fā)生碰撞，事故過(guò)程示意如圖2 所示。

1.2 事故車輛及安全島相關(guān)參數(shù)

根據(jù)事故調(diào)查信息，涉事車輛為2013 款沃爾沃XC90 2.5T SUV，涉事的安全島為2 個(gè)半圓形混凝土墩和若干防撞柱構(gòu)成直開式安全島。表1 和表2 所列為事故車輛的基本參數(shù)以及安全島的幾何尺寸參數(shù)。圖3所示為事故車輛的外觀和事故發(fā)生時(shí)的路口安全島。

1.3 事故過(guò)程重建

在事故信息采集的基礎(chǔ)上，使用PC-CRASH [13] 軟件來(lái)進(jìn)行事故過(guò)程重建。PC-CRASH 是一款國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛使用的事故重建分析軟件[14-16]，本研究旨在通過(guò)事故過(guò)程重建獲取事故碰撞車速、碰撞角度等關(guān)鍵參數(shù)，便于后續(xù)的有限元仿真分析。

在PC-CRASH 軟件中，導(dǎo)入事故道路的平面圖，并基于收集的相關(guān)參數(shù)構(gòu)建事故車輛與安全島的模型。事故發(fā)生時(shí)，天氣晴朗且路面干燥。根據(jù)二級(jí)城市主干道在干燥條件下的摩擦因數(shù)范圍0.75～0.81 [17]，本次分析初始設(shè)定摩擦因數(shù)為0.78。事故碰撞車速是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)目擊者描述估計(jì)的，碰撞初始車速設(shè)定為60 km/h。通過(guò)對(duì)比事故現(xiàn)場(chǎng)記錄和路面軌跡分析，發(fā)現(xiàn)事故車輛在撞擊安全島后，繼續(xù)逆行并撞到對(duì)側(cè)道路的車輛。在設(shè)置了上述初始參數(shù)后，通過(guò)對(duì)碰撞車速、路面摩擦系數(shù)、車輪偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。最終重建出與實(shí)際碰撞過(guò)程相一致的事故場(chǎng)景，如圖4 所示。結(jié)果表明：碰撞初始車速為64 km/h，路面摩擦因數(shù)調(diào)整為0.8，車輪偏轉(zhuǎn)角為2°。

2 安全島高度設(shè)計(jì)影響分析

在前述事故重建的基礎(chǔ)上，利用LS-DYNA 軟件進(jìn)行更為詳盡的碰撞仿真[18-19]，以研究相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)安全島碰撞防護(hù)性能的影響。

2.1 事故車輛及安全島有限元模型構(gòu)建

結(jié)合論文關(guān)注的重點(diǎn)，本研究只截取事故案例中車輛與安全島的碰撞進(jìn)行分析，且忽略了防撞柱等次要因素的影響。事故仿真所采用的車輛模型從美國(guó)國(guó)家高速公路交通安全管理局（NHTSA） 開源模型庫(kù)獲取。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有與事故車輛型號(hào)一致的有限元模型，故選用如圖5a 所示的與事故車沃爾沃（XC902013 2.5T T5） 輛參數(shù)相近的2002 福特探險(xiǎn)者（2002Ford Explorer） 有限元模型代替。該有限元模型與事故車輛的尺寸參數(shù)對(duì)比如表3 所示。安全島如圖5b 所示，為半徑1 m 的剛性半圓柱模型。

基于上述事故案例，本研究首先通過(guò)不同碰撞車速的仿真對(duì)比，來(lái)分析車輛沖上安全島的主要影響因素；隨后通過(guò)不同碰撞角度和安全島高度的碰撞仿真對(duì)比，來(lái)分析不同安全島高度設(shè)計(jì)在事故碰撞角度和正面碰撞情況下的防護(hù)效果。

2.2 不同車速碰撞仿真

結(jié)合前述事故重建結(jié)果，將安全島高度設(shè)置為170 mm、車偏角設(shè)置為2°，通過(guò)設(shè)置事故車速10、20、40、64 km/h 的碰撞進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知：在這4 種車速條件下，車輛均可以沖上安全島。這說(shuō)明：安全島高度過(guò)低，是導(dǎo)致汽車沖上安全島造成行人傷亡的主要因素。

2.3 車偏角2°偏置碰撞仿真

結(jié)合前述事故重建結(jié)果，設(shè)置初始車速為64 km/h、車偏角為2°，開展不同安全島高度的偏置碰撞仿真。考慮到大部分車輛底盤高度在300 mm 以下、前保險(xiǎn)杠高度400～550 mm，分別設(shè)置250、350、450、550 mm 的安全島高度，進(jìn)行車偏角2°的偏置碰撞仿真對(duì)比。車輛保險(xiǎn)杠與不同高度安全島的相對(duì)高度位置關(guān)系如圖7 所示。

在不同安全島高度（h） 下，偏置碰撞各時(shí)刻的車輛碰撞安全島對(duì)比如圖8 所示。可以發(fā)現(xiàn)：安全島高度在250 mm 時(shí)，車輛前輪和后輪先后碾壓安全島，車輛右側(cè)可以整體駛過(guò)安全島，無(wú)法起到有效的阻擋作用；安全島高度在350 mm 時(shí)，車輛前輪擦邊碾壓安全島，但隨后側(cè)向偏移滑出安全島，基本不會(huì)威脅到島內(nèi)行人安全；安全島高度在450 mm 和550 mm 時(shí)，車輪無(wú)法駛上安全島，整體側(cè)向駛離安全島。總體來(lái)看，在偏置碰撞中車輛會(huì)有明顯的側(cè)向滑出的現(xiàn)象；安全島高度在350 mm 以上時(shí)，能夠防止事故車輛沖上安全島。

采用車輛B 柱下端與門檻梁的交接位置的合成減速度表征碰撞過(guò)程中車輛減速度隨時(shí)間的變化。在不同安全島高度下，車偏角2°偏置碰撞的合成減速度變化對(duì)比如圖9 所示。

由圖9 可知：在碰撞發(fā)生10 ms 時(shí)，450 mm 和550 mm 高度的安全島因能與車輛保險(xiǎn)杠發(fā)生接觸，較早出現(xiàn)了車輛減速度的變化；在碰撞發(fā)生50 ms 時(shí)，因車輛輪胎與安全島發(fā)生碰撞，導(dǎo)致所有車輛都開始出現(xiàn)明顯的減速度變化。安全島高度在550 mm 時(shí)，因車輛保險(xiǎn)杠、輪胎與安全島碰撞接觸更全面，車輛的減速度峰值最高，碰撞吸能減速更快；安全島高度在250 mm 時(shí)，車輛在50 ms 時(shí)輕松駛上安全島并隨后側(cè)向駛出，因此車輛的減速度峰值最小。

總體來(lái)看，安全島高度越高，發(fā)生偏置碰撞時(shí)事故車輛的減速度峰值越大。根據(jù)C-NCAP 評(píng)價(jià)規(guī)程中人體頭部3 ms 合成加速度指標(biāo)要求，高性能限值指標(biāo)為72g，高于72g 的持續(xù)時(shí)間超過(guò)3 ms 反映車內(nèi)人員的持續(xù)累積損傷程度[20]。在車偏角2°的偏置碰撞條件下，350 mm 以上的安全島高度雖然可以防止事故車輛沖上安全島，起到行人保護(hù)的效果，但350、450、550 mm 的3 個(gè)安全島高度下的車輛碰撞減速度峰值均高于72g 高性能限值，且持續(xù)時(shí)間也遠(yuǎn)超3 ms，說(shuō)明與350 mm 以上高度的安全島碰撞過(guò)程中車內(nèi)人員有較高的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)。

在碰撞仿真過(guò)程中，選取前圍板上的多個(gè)點(diǎn)以及車身底板未變形區(qū)域?qū)?yīng)y 坐標(biāo)的多個(gè)固定點(diǎn)，分別記錄它們之間x 軸方向的距離變化量，并將其中最大值作為不同高度安全島碰撞的車輛最大侵入量（Dmax）。結(jié)果對(duì)比如圖10 所示。由圖可知：與250、350、450、550 mm 高度安全島偏置碰撞時(shí)，車輛前圍板最大侵入量分別為25.57、28.09、42.49、74.04 mm。總體來(lái)看，隨著安全島高度的增加，與安全島偏置碰撞的車輛前圍板最大侵入量不斷增大。與不同高度的安全島偏置碰撞時(shí)，車輛前圍板的最大侵入量均遠(yuǎn)低于工程上一般要求的150 mm 限值[21]，說(shuō)明偏置碰撞過(guò)程中車內(nèi)人員的下肢受傷幾率較小，符合安全要求。

2.4 100% 正面碰撞仿真

現(xiàn)實(shí)中的車禍?zhǔn)菬o(wú)法預(yù)知具體從何種角度碰撞安全島的。為全面評(píng)估安全島高度設(shè)計(jì)對(duì)碰撞的影響，分別設(shè)置250、350、450、550 mm 安全島高度下車輛與安全島的100% 正面碰撞仿真。除車輛與安全島相對(duì)位置和角度的改變，其他初始條件與偏置碰撞保持一致。

在不同安全島高度下，正面碰撞各時(shí)刻的車輛碰撞安全島運(yùn)動(dòng)對(duì)比如圖11 所示。可以發(fā)現(xiàn)：安全島高度在250 mm 時(shí)，車輛可以很容易沖上安全島；安全島高度在350 mm 以上（350、450、550 mm）時(shí)，可以將車輛阻攔在安全島外部，起到行人保護(hù)效果，但會(huì)出現(xiàn)一定程度的車頭向安全島上端前探的現(xiàn)象。

正面碰撞采用與前述偏置碰撞相同的方法表征碰撞過(guò)程中車輛減速度隨時(shí)間的變化。在不同的安全島高度下，正面碰撞的車輛減速度變化對(duì)比如圖12 所示。

由圖12 可知：在碰撞發(fā)生10 ms 時(shí)，450 mm 和550 mm 高度的安全島因能與車輛保險(xiǎn)杠接觸，較早出現(xiàn)了減速度的變化；在碰撞發(fā)生35 ms 時(shí)，550 mm 高度的安全島因吸能減速完全由保險(xiǎn)杠與安全島碰撞造成，而車輛輪胎沒有與安全島發(fā)生碰撞，致使減速度峰值較早出現(xiàn)，并保持低位波動(dòng)；在碰撞發(fā)生50 ms時(shí)，除 550 mm 高度之外的安全島，因車輛輪胎與安全島碰撞接觸，出現(xiàn)了明顯的減速度變化。在安全島為350 mm 時(shí)，因車輛輪胎與安全島碰撞接觸更全面，車輛的減速度峰值最高，碰撞吸能減速更快；在安全島高度為250 mm 時(shí)，車輛在50 ms 時(shí)輕松駛上安全島，因此減速度峰值較小。與前述車偏角2°的偏置碰撞相比，和不同高度安全島正面碰撞的對(duì)應(yīng)車輛減速度峰值更高，說(shuō)明車輛的碰撞減速度峰值與碰撞角度有關(guān)。總體來(lái)看，與各高度安全島正面碰撞的車輛碰撞減速度峰值均遠(yuǎn)高于72g 高性能限值，且持續(xù)時(shí)間也超過(guò)3 ms，說(shuō)明與安全島正面碰撞過(guò)程中車內(nèi)人員有很高的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)。

正面碰撞侵入量測(cè)量方法與偏置碰撞的方法相同，對(duì)比結(jié)果如圖13 所示。

對(duì)于正面碰撞來(lái)說(shuō)，安全島高度在550 mm 時(shí)，因車輛吸能減速完全由保險(xiǎn)杠與安全島碰撞接觸完成，車輛前圍板的最大侵入量最大，達(dá)到217.2 mm ；安全島高度在450 mm 時(shí)，因車輛吸能減速由保險(xiǎn)杠和輪胎共同對(duì)安全島碰撞接觸完成，車輛前圍板的最大侵入量小于與550 mm 高度安全島的碰撞，達(dá)到129.2 mm；安全島高度在350 mm 時(shí)，因車輛吸能減速完全由輪胎對(duì)安全島碰撞接觸完成，車輛前圍板最大侵入量介于與450 mm和550 mm 高度的安全島碰撞之間，達(dá)到148.4 mm ；當(dāng)安全島高度為250 mm 時(shí)，由于車輛直接駛上安全島，車輛前圍板的最大侵入量最小，為34.3 mm。總體來(lái)看，當(dāng)安全島高度為350 mm 和450 mm 時(shí)，正面碰撞車輛前圍板的最大侵入量低于工程限值150 mm，可在防止事故車輛沖上安全島的同時(shí)避免車內(nèi)乘員下肢損傷。此外，通過(guò)圖中不同安全島高度下2% 偏置碰撞與正面碰撞的車輛前圍板最大侵入量對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安全島高度為350～550 mm 時(shí)，正面碰撞車輛前圍板的最大偏移量遠(yuǎn)大于2% 偏置碰撞，說(shuō)明碰撞車偏角對(duì)車輛侵入變形和車內(nèi)乘員的安全防護(hù)影響較大。

3 討 論

本文之所以選擇前述車輛與安全島的碰撞事故案例作為研究對(duì)象，一方面是因?yàn)槭鹿受囕v屬于底盤高度較高的SUV 車型，另一方面，根據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》 第45 條之規(guī)定：“沒有道路中心線的道路，城市道路車速為30 km/h ；同方向只有1 條機(jī)動(dòng)車道的道路，城市道路車速為50 km/h”，城市道路中車速通常在30～50 km/h 之間。該案例中事故車速（64 km/h） 超過(guò)了一般城市道路的規(guī)定車速，能夠覆蓋常見城市道路的車速范圍。因此，基于此事故案例進(jìn)行安全島高度設(shè)計(jì)研究可以保證對(duì)大多數(shù)車型的適用。

從行人安全保護(hù)的角度，由上述仿真結(jié)果可知：安全島高度過(guò)低是導(dǎo)致汽車碰撞安全島行人傷亡的主要原因。安全島高度設(shè)置在350 mm 以上可以有效防止事故車輛沖上安全島，起到行人保護(hù)的效果。此外，為避免事故車輛的車頭前探，更好地保護(hù)行人安全，可以采取一些阻止車輛前探的設(shè)計(jì)，如在安全島上設(shè)置具有一定剛度的防撞柱。關(guān)于防撞柱的具體布置、結(jié)構(gòu)、材料等可以在未來(lái)進(jìn)一步研究。

從車內(nèi)人員安全保護(hù)的角度，由上述仿真結(jié)果可知：安全島高度設(shè)置在350～450 mm 時(shí)，與之碰撞的車輛的前圍板最大侵入量基本在工程限值150 mm 以內(nèi)，可以避免車內(nèi)乘員下肢損傷；但車輛碰撞減速度峰值均遠(yuǎn)高于C-NCAP 規(guī)程中的72g 高性能限值，且持續(xù)時(shí)間均遠(yuǎn)超3 ms，可以導(dǎo)致車內(nèi)人員很高風(fēng)險(xiǎn)的頭部損傷。

因此，安全島高度的提升雖然可以防止事故車輛沖上安全島，起到行人保護(hù)的效果，但是會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)人員的碰撞損傷。如果要兼顧安全島行人和車內(nèi)人員的雙重保護(hù)，可以同時(shí)考慮在安全島外圍設(shè)計(jì)吸能緩沖裝置，通過(guò)車輛和安全島的雙向吸能達(dá)到對(duì)車內(nèi)人員的安全防護(hù)。由于本文研究中安全島設(shè)置均為剛性，未來(lái)研究在提升安全島高度的同時(shí)，可以聚焦安全島吸能設(shè)計(jì)對(duì)提升車輛和車內(nèi)人員的安全防護(hù)的影響。

此外，在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，相同安全島高度的正面碰撞的減速度峰值和最大侵入量都遠(yuǎn)大于車偏角2°的偏置碰撞；這說(shuō)明：車偏角對(duì)事故車輛和車內(nèi)人員的碰撞吸能防護(hù)有很大影響。未來(lái)需要研究事故車偏角對(duì)于車內(nèi)人員安全防護(hù)的影響。

4 結(jié) 論

本文選取典型安全島交通事故案例進(jìn)行事故過(guò)程重建，并在此基礎(chǔ)上開展了安全島高度設(shè)計(jì)對(duì)行人和車內(nèi)人員的安全防護(hù)影響研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1） 安全島高度過(guò)低是導(dǎo)致汽車碰撞安全島行人傷亡的主要原因。

2） 在城市道路的常見車速（30～50 km/h）范圍內(nèi)，安全島高度設(shè)置在350 mm 以上可以有效防止事故車輛沖上安全島，起到行人保護(hù)的效果。同時(shí)，為避免事故車輛的車頭前探，可以在安全島上設(shè)置防撞裝置，更好地保護(hù)行人安全。

3） 但是，安全島高度設(shè)置在350 mm 以上時(shí)，車輛碰撞減速度峰值大小和持續(xù)時(shí)間均會(huì)超出安全限值，進(jìn)而導(dǎo)致車內(nèi)人員很高風(fēng)險(xiǎn)的頭部損傷。

4） 未來(lái)的安全島設(shè)計(jì)，應(yīng)兼顧島內(nèi)行人和車內(nèi)人員的雙重防護(hù)，可以考慮在提升安全島高度的同時(shí)，在安全島外圍設(shè)計(jì)吸能緩沖裝置，通過(guò)車輛和安全島的雙向吸能來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)人員的安全防護(hù)。

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